Робот

Светодиодный свет для теплиц - статья с сайта Ассоциации «Теплицы России»:

Оцените эту тему

19 сообщений в этой теме

svetodiodnoe-osveschenie-dlya-teplic-eno

До сих пор в силу устоявшихся взглядов при проектировании тепличных комплексов многие проектные организации закладывают осветительные установки на базе натриевых ламп высокого давления (НЛВД). Недавно этот подход был оправдан, несмотря на то, что такие установки имеют целый ряд существенных недостатков. В настоящее время светодиодные установки (светильники + генерация) являются значительно более дешевыми, эффективными и лишенными недостатков НЛВД. Светодиодные установки полностью подтвердили свою эффективность на практике.

Существует несколько способов использования искусственного освещения для ускорения роста и увеличения периода роста коммерческих культур:

  • В качестве дополнения к естественному дневному свету для увеличения уровня фотосинтезной энергии с целью повышения интенсивности фотосинтеза и тем самым ускорением роста и повышением качества растений в теплицах (дополнительное ассимиляционное освещение).
  • Для управления световым периодом путем удлинения естественного светового дня при помощи искусственного освещения (фотопериодическое освещение до 20 часов в сутки).
  • Для полной замены дневного света искусственным освещением, позволяющей добиться максимального контроля за климатом (выращивание без дневного света).

Цель данной статьи – рассмотреть особенности применения светодиодных установок для дополнительного ассимиляционного освещения с элементами фотопериодического.

Особенности применения светодиодов в теплицах

 

В 2010-х годах широкое практическое применение для тепличной досветки нашли натриевые лампы высокого давления (НЛВД). Это было обусловлено следующими факторами. На тот момент они обладали самым высоким фотосинтетическим фотонным потоком (ФФП) [1] на уровне около 1.7 мкмоль/Дж (1 Джоуль = 1Ватт х 1сек) и самой низкой ценой оборудования. Компромиссными недостатками, с которыми приходилось мириться исходя из экономических факторов, были и остаются:

  • низкий энергетический КПД. Большая часть излучения испускается вне зоны фотосинтетической активной радиации (ФАР, 400-700 нанометров (по некоторым оценкам 320-750 нанометров));
  • ущербный состав спектра. В области ФАР практически все излучение приходится на красную область спектра. Как результат, снижение качества продукции по сравнению с естественным освещением. В некоторых случаях для обеспечения полного цикла развития растений требовалось добавление источников света с синими составляющими света (гибридные установки с добавлением люминисцентных ламп, ДРиЗ и т.п). Для огурцов длительное облучение красным светом вообще становится губительным. Гибридные (смешанные) осветительные установки имели значительно более высокую цену на оборудование и низкую надежность;
  • быстрый спад уровня излучения с течением времени. Через каждые 10000 часов работы (2-3 года) для обеспечения нормального уровня излучения требуется групповая замена ламп [4, 5]. В течении этого периода для поддержания необходимого уровня излучения требуется плавное повышение световых энергетических затрат.

Следует отметить, что на начало 2010-х годов светодиодные источники света также обладали высоким и сопоставимым с НЛВД ФФП. Помимо этого они обладали высоким КПД, могли обеспечить состав спектра близкий к естественному освещению, не имели серьезных технических недостатков. Но в начале рассматриваемого периода цена светодиодных излучателей была непомерно высокой для целей тепличной досветки. Также на тот момент вопрос применения светодиодов в теплицах был слабо изучен.

Бурный рост светодиодной технологии привел к тому, что каждый последующий год ситуация менялась в корне. Так в 2012 году появились первые теплицы с гибридным освещением, где совместно с НЛВД применялись светодиоды для межрядной досветки [6]. А уже в 2015 широкое распространение (в основном за рубежом) получили теплицы с полностью светодиодной досветкой [4, 7-12] для всего ряда выращиваемых в теплицах культур (от салата до помидор). Эффективность по уровню ФФП используемых светодиодных светильников достигла 2.7 мкмоль/Дж - это существенно превышает аналогичный параметр для НЛВД.

Результаты исследований различных организаций [4, 7-12] в части использования светодиодной досветки хотя и различаются в численных показателях (это связано с различием используемого оборудования и временем проведения экспериментов), но четко подтверждают целый ряд преимуществ светодиодных источников света:

  • улучшение качества продукции. Логично, что растения в силу своего эволюционного развития приспособлены лучшим образом к естественному солнечному свету. Современные белые светодиоды способны излучать в области ФАР свет, близкий по спектральному составу к солнечному. При этом возможна регуляция в определенных пределах пропорционального состава синих, зеленых и красных спектральных составляющих;
  • увеличение урожайности. Растения развиваются быстрее, достигая товарного состояния за более короткое время. Тем самым повышается выход товарной продукции с 1 м2;
  • значительное снижение электропотребления (30-60%). Как следствие имеет место быть значительная экономия не только на цене за электричество, но и на снижении затрат на инфраструктуру генерирующих мощностей, на снижении потерь в токопроводящих сетях;
  • снижение потребления воды. Возможно снижение транспирации растений, что в свою очередь приводит к существенной экономии тепловой энергии [8];
  • никаких ограничений из-за лучистого тепла (инфракрасного излучения) [4]. НЛВД в силу высокого уровня инфракрасного излучения создавали чувствительный градиент температур между поверхностью листа и окружающим воздухом. Существовала трудноопределяемая зависимость температурного режима от светового режима. В отличии от НЛВД светодиоды обеспечивают отдельный независимый контроль за уровнем ФФП и тепла. Отсутствует риск перегрева растений от осветительной установки [11]. Поддержание необходимого превышения уровня облучения над уровнем компенсационной точки для конкретного вида культуры становится более простым и менее затратным. Низкий уровень инфракрасного излучения обеспечивает высокую гибкость в регуляции условий облучения – возможность увеличения длительности периода облучения, изменения расстояния между облучателем и растительной массой и т.п.

Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы и выделить некоторые соотношения:

  • в одинаковых условиях для получения одинакового объема урожая от светодиодной досветки требуется меньший уровень ФФП (в 1.4-1.8 раз). Во многом это обусловлено тем, что энергия фотонов зависит от длины волны. В синей области спектра энергия фотонов больше чем в красной. Разница энергий на границах ФАР составляет 2 раза;
  • межрядная досветка в сочетании со светильниками верхнего света с широкой кривой силы света (КСС) практически не дает положительного эффекта. Так например, в [8] для досветки томатов применялся верхний светодиодный свет мощностью 104 мкмоль/м2хсек в сочетении с межрядной светодиодной досветкой мощностью 106 мкмоль/м2хсек. Причем межрядная досветка использовалась в течении нескольких часов каждое утро в течении всего лета, за исключением очень жарких дней. Такой вид досветки может быть с успехом заменен светодиодными светильниками только верхнего света с широкой КСС и мощностью 130 мкмоль/м2хсек. Это существенным образом упрощает и удешевляет осветительную установку;
  • определяющим параметром эффективности осветительной установки является «интеграл дневного света» (DLI) [13]. Он означает какое количество фотонов попадает на 1 м2 выращиваемой культуры в течении дня (моль/м2/день). Этот параметр зависит как от мощности установки, так и от длительности ее работы, что очень важно для формирования тактики использования осветительной установки.

Тактика применения светодиодов в теплицах

 

Для процесса фотосинтеза помимо обеспечения требуемого уровня DLI необходимо посуточное чередование дня и ночи, т.е. растения не могут подвергаться облучению в течении 24 часов в сутки. Для различных растений максимальный период облучения различен. Также есть ограничения по максимальному (совокупному с естественным) уровню облучения. Его величина зависит от различных факторов окружающей среды. В частности, есть четкая зависимость этого параметра от температуры. При формировании тактики облучения конкретного вида растений необходимо учитывать все выше обозначенные факторы.

Особенности технологии НЛВД диктовали следующий способ применения осветительных установок. Предлагалось использование как можно более мощных светильников, включение которых приходилось на утренние и вечерние часы (см. рисунок 1). При этом рекомендовались следующие уровни дополнительного освещения:

  • 15÷30 мкмоль для улучшения качества, ухода за урожаем и ограниченного повышения продуктивности;
  • 30÷45 мкмоль для рассады, роста и продуктивности горшочных растений;
  • 40÷100 мкмоль для круглогодичного роста, например, для хризантем или роз, а также для многоуровневого выращивания растений;
  • 100÷200 мкмоль для выращивания растений с высокой требовательностью к освещению (овощеводство, например – томаты и огурцы);
  • 100÷800 мкмоль для выращивания растений только лишь под искусственным освещением (например, в вегетационных камерах).

svetodiodnoe-osveschenie-dlya-teplic-eno
Светодиодные светильники обладают гораздо большей эффективностью, низким тепловыделением и качественным составом спектра. Такое принципиальное изменение осветительных установок позволяет применить более эффективный способ досветки – непрерывное с утра до вечера облучение меньшей мощностью в сочетании с максимально допустимым фотосинтезным периодом (см. рисунок 2). Конечный результат – достижение необходимого уровня DLI меньшими затратами.

 

svetodiodnoe-osveschenie-dlya-teplic-eno
Важный вывод. Светодиодные осветительные установки не только могут, но и должны иметь по сравнению с НЛВД гораздо меньшее энергопотребление. Этот постулат, в свою очередь, приводит к следующему выводу: применение светодиодов значительно снижает стоимость всей осветительной установки. Качество продукции при этом будет выгодно отличается в лучшую сторону.

 

В тепличных комплексах, где уже установлены НЛВД, эффективным дополнением может оказаться применение светодиодной межрядной досветки. Соответственно пересмотр тактики облучения может дать значительный экономический эффект.

 

Ссылка на источник

1 пользователю понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Нельзя же так бессовестно врать о зффективности светильника. Указали эффективность диодов. да еще белого света. Их конечно можно использовать, только если для комбинированного спектра достаточно 30 Вт/м2 для рассады. то  для чисто белых около 60 Вт/м2.  Да и ставить светодиодные светильники на место светильников с ДНАТ, пустая трата денег на освещение технологических проходов.

2 пользователям понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Ссылка на полный вариант этой статьи в нормальном формате: http://www.enova-l.ru/pdf/Svetodiody_v_teplicah.pdf. Хороший обзорный материал рекламного плана, написанный в основном на основе рекламно-коммерческих буклетов Phillips, людьми достаточно далёкими от производства в ЗГ и биологии. Соответственно, теоретические преимущества светодиодных светильников по сравнению со светильниками с лампами типа ДНаЗ безмерно преувеличены, об недостатках же их не сказано ни слова.

Несовпадение спектра ДНаЗ с естественным солнечным, для практической светокультуры огурца и томата куда менее проблематичней, чем считалось ранее (лет 10 назад).

 

Предлагаемый экономический анализ, деликатно говоря, некорректен  B) :

"Проведем сравнительный экономический анализ четырех осветительных установок на следующем примере [3]. Исходные параметры:

-  общая расчетная площадь 20 га. ...;
-  получение электрической и тепловой энергии с помощью газотурбинной установки. Цена установки мощностью от 5 до 15 МВт  –  50000 руб/кВт, мощностью 20-30 МВт – 40000 руб/кВт. Себестоимость 1 кВт электроэнергии 1.5 руб;".

 

Вопрос: на каких условиях Ассоциация "Теплицы России" размещает непрофессиональные статьи на своём официальном сайте и в журнале? 

 

4 пользователям понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Скорее всего, на условиях попытки их самоокупаемости... :D

Неплохо было бы указывать, что мнение авторов статьи может не совпадать с мнением коллектива журнала, сайта, АТР

и  доносится до читателей исключительно в качестве мнения, достойного тем не менее рассмотрения специалистов и обсуждения.

Как-то так, наверное это должно делаться, коллеги?  Как на пачках с сигаретами пишут "курение убивает".  Для всех ведь пишут...

1 пользователю понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Энова лайт? Это кто такие? Не слышал.

 

Фитосветильник с линзами - идиотизм.

2 пользователям понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

А что в этой рекламе  обсуждать ? Только то, что не указано, что это  фантазии на тему светодиодов ? 

1 пользователю понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

 

 

Вопрос: на каких условиях Ассоциация "Теплицы России" размещает непрофессиональные статьи на своём официальном сайте и в журнале? 

на условиях 100% предоплаты

2 пользователям понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

А что в этой рекламе  обсуждать ? Только то, что не указано, что это  фантазии на тему светодиодов ? 

 Еще и малограмотные фантазии.Растения под СИД воду хлебают гораздо больше,а не меньше.Как дошел до этого пункта ,так сразу всю статью и "перемотал".Горе журналистики...

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Очередные светильники которые дают больше тени чем света. Очередная попытка сделать без понимания о том что надо. Тёмный лес

2 пользователям понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Ассоциация «Теплицы России»: ДОСВЕТКА В ТЕПЛИЦАХ.

enova-light   Эта статья продолжает тему, затронутую в статье «Светодиодный свет для теплиц» (опубликована на ресурсах www.enova-l.ru и http://rusteplica.ru). Освещаются аспекты современной тепличной досветки.

ЧТО ДАЛА ПРИРОДА

Основным и наиважнейшим свойством растений является фотосинтез. Суть фотосинтеза состоит в том, что растения используют солнечный свет для того, чтобы преобразовать воду и углекислый газ в кислород и сахара (органику). Т.е. преобразуют солнечную энергию в химическую. Это свойство и использует человек при выращивании различных культур растений.

Безусловно, наиболее благоприятным типом освещения для растений является естественное освещение, характерное ареалам обитания той или иной рассматриваемой культуры. Эволюция делала и делает свое дело.

Единственным источником естественного освещения является солнце. Оно излучает свет, часть которого рассеивается в атмосфере и создает рассеянное излучение. Т.е. следует различать свет, падающий непосредственно от солнца и свет «неба» - солнечного света рассеянного атмосферой. В тени свойства света также меняются за счет частичного и избирательного отражения или поглощения различных спектральных составляющих. Естественное освещение меняется в зависимости от времени суток, состояния атмосферы, погодных условий и времени года. Главная особенность естественного освещения – непостоянство интенсивности и спектрального состава его излучения, которое подвержено влиянию закономерных и случайных факторов.

Природа света носит корпускулярно-волновой характер. Т.е., свет обладает одновременно свойствами частицы и электромагнитной волны. Частица света фотон может иметь различную частоту электромагнитной волны ѵ, величина которой определяет энергию фотона Е:

Е=hѵ, где h = 6.63×10-34 Дж×сек  –  постоянная Планка.

Как правило, источники света излучают фотоны различных частот, которые в совокупности формируют спектр излучения данного источника света. Для удобства при рассмотрении спектра видимого света оперируют не частотой фотона, а его длиной волны. В данном случае длина волны измеряется в нанометрах. Диапазон фотосинтетической активной радиации (ФАР – излучение, которое усваивается растениями в процессе фотосинтеза) примерно совпадает с диапазоном видимой части света. «Синие» фотоны имеют по сравнению с «красными» более короткую длину волны. Т.е. имеют частоту выше и энергию больше. Разница энергий на границах ФАР составляет почти двукратный размер.

ЧТО ГОВОРИТ НАУКА

Исследования в области фотосинтеза базируются на работах К. А. Тимирязева и на теории фотоэффекта, сформулированной А. Эйнштейном. Согласно этим представлениям считалось, что интенсивность фотосинтеза зависит не от количества поглощенной энергии, а от числа поглощенных фотонов. Как следствие, был сделан вывод, что поглощенная энергия в красном участке спектра используется более эффективно, поскольку энергия «красных» фотонов гораздо меньше по сравнению с «синими». Именно поэтому за границей получила популярность система оценки тепличного света, основанная на измерении фотосинтетического фотонного потока (ФФП), т.е. количества фотонов испускаемых источником света за единицу времени в той части спектра, которая пригодна для фотосинтеза (400-700 нанометров (по некоторым оценкам 320-750 нанометров)). На практике уровень ФФП измеряется в мкмоль/сек (1 моль = 6.023х1023). Оборудование для точного измерения ФФП было и остается достаточно дорогим для общедоступного применения. В СССР, а затем в России широко использовались такие способы оценки, как измерение в люксах и измерение уровня фотосинтетической активной радиации (ФАР), выраженной в ваттах. Измерение в люксах не корректно, поскольку эта единица измерения ориентирована на особенности человеческого зрения и не подходит для объективной оценки тепличных источников света*. С точки зрения вышеописанных представлений измерения ФФП или ФАР не давали полноты картины об эффективности источника света, поскольку не отражали качественный состав спектра излучения этого источника.

В 2014 году были получены доказательства, что механизм фотосинтеза использует вибронную квантовую когерентность [3]. Суть этого явления состоит в том, что энергия поглощенных фотонов используется растением с очень высокой эффективностью близкой к 100%. Это означает, что энергия любого фотона («голубого» или «красного») используется в полной мере без потерь. Это в свою очередь означает, что интенсивность фотосинтеза все-таки зависит не столько от числа поглощенных фотонов, сколько от количества поглощенной энергии. Звучит разумно, поскольку трудно заподозрить природу в неспособности эффективно использовать имеющиеся ресурсы. Современные исследования указывают на то, что растения для улавливания света используют сложный молекулярный комплекс. Молекулы хлорофилла и другие поглощающие свет антенные пигменты способны улавливать фотоны с различными длинами волн из всего диапазона ФАР. В особую группу следует выделить «зеленые» фотоны, которые практически не поглощаются по причине почти полного отражения от поверхности листа.

Получается, что корректней измерять уровень ФАР в ваттах, а не ФФП в мкмоль/сек. А качество спектра оценивать по степени сходства с естественным освещением. В любом случае, для полноценного роста растений нужны синие и красные спектральные составляющие. С этим согласятся как теоретики, так и практики. Система фотосинтеза растений обладает большой гибкостью по адаптации к условиям окружающей среды, в том числе и к спектральному составу спектра. Но такая адаптация происходит за счет изменения биохимической структуры. И если Вы попытаетесь сильно изменить естественные условия произрастания культуры, то можете получить результат, которого не ждали. Например, «пластмассовые» помидоры или огурцы без вкуса и запаха. Такой результат частично может быть обязанным применению натриевых ламп высокого давления (НЛВД).

Проводить измерения ФАР в ваттах не только удобней, но и дешевле. Цена такого прибора сопоставима с ценой люксметра. Для светодиодных светильников достаточно просто проводить теоретический расчет уровня полезного излучения в ваттах, поскольку все излучение светодиода полностью приходится на область ФАР (400-700 нанометров). Чего нельзя сказать про НЛВД и другие типы тепличных источников света.

Простоту теоретического расчета покажем на примере белого светодиода LH934A от фирмы SAMSUNG. Производитель предоставляет на этот светодиод данные о зависимости рассеиваемой (тепловой) мощности от мощности потребления (см. Рисунок 1). Мощность излучения светодиода в области ФАР рассчитывается как разница между мощностью потребления и рассеиваемой мощностью. Таким образом, выбирая режим работы светодиода путем фиксации мощности потребления, разработчик в состоянии рассчитать мощность излучения. Это очень важно, поскольку потребитель может самостоятельно достаточно просто оценить возможности того или иного светодиодного светильника.

enova-light

Рисунок 1. Зависимость рассеиваемой мощности от мощности потребления.

Белый светодиод имеет сплошной спектр, как у естественного солнечного света. Его качественный состав наиболее близок к солнечному излучению по сравнению с другими тепличными источниками света. Для светодиода со цветовой температурой 5000К спектр представлен на рисунке 2.

Фитосветильники, которые используют красные и синие светодиоды имеют дискретный состав спектра (см. Рисунок 3). Легко заметить, что спектр таких фитосветильников в отличии от НЛВД (см. Рисунок 4) имеет высокий уровень «синих» спектральных составляющих (пропорции «синих» и «красных» составляющих могут в принципе регулироваться). Это является безусловным плюсом. Но этот спектр все-таки сильно отличается от солнечного. Каким образом такая разница может отразиться на качестве роста растений – вопрос, который требует дополнительных исследований.

enova-light

Рисунок 2. Спектр белого светодиода со цветовой температурой 4000К и 5000К.

enova-light

Рисунок 3. Спектр фитосветильников со цветными светодиодами.

enova-light

Рисунок 4. Спектр НЛВД ДНаз Рефлакс.

*Характерный пример. Модели белых светодиодов выпускаются с широким набором цветовых температур от 2000К до 7000К. Мощность ФАР для всех вариантов цветовых температур для конкретной модели белого светодиода будет неизменной. В то время как уровень светового потока будет различным.

ЕСТЕСТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ

Закономерные факторы, влияющие на изменчивость естественного освещения – высота солнца над горизонтом и географическая широта. К случайным факторам относятся состояние атмосферы (ясно, дождь, туман и т.п.) и эффекты отражения и поглощения света от земли и окружающих предметов.

enova-light

Рисунок 5. Cпектральная характеристика естественного освещения.

С восходом солнца увеличивается  интенсивность света и его цветовая температура. Коротковолновые лучи света (от фиолетового до зеленого) преломляются в атмосфере Земли сильнее, чем длинноволновые (желтые и красные). Поэтому первые и последние лучи солнца – синий и зеленый. Молекулы газов и аэрозоли отвечают за бóльшую часть поглощения излучения. Рассеивание солнечного излучения на каплях воды и кристаллах льда происходит во всем спектральном диапазоне. Молекулы в основном рассеивают излучения коротких длин волн, а аэрозоли – более длинных. Это приводит к увеличению доли коротковолновых составляющих (соответственно и к росту цветовой температуры) по мере продвижения солнца к зениту.

Густота облаков, их высота и расположение по отношению к солнцу, дымка, туман, дождь, снег оказывают значительное влияние на освещенность объектов, контрастность и спектральные характеристики света. Например, при наличии кучевой облачности освещенность незатененных объектов, освещенных солнцем, увеличивается на 25%, а освещенность в тени возрастает в два с половиной раза. Контрастность освещения снижается приблизительно в два раза в сравнении с освещением в безоблачную погоду. При сплошной облачности наблюдается значительное уменьшение освещенности и контрастности освещения.

Таблица 1. Спектральные характеристики естественного освещения.

Фазы дневного освещения Цветовая температура

 

излучения, К

Прямые солнечные лучи при восходе и заходе солнца 2200
Прямой солнечный свет через час после восхода солнца 3500
Прямой солнечный свет ранним утром и в предвечернее время 4000…4300
Солнечный свет в полдень летом 5400…5800
Рассеянный дневной свет в тени летом 7000
Рассеянный дневной свет в пасмурную погоду 7500…8400
Свет от голубого неба 9500…30000
Данные приведены для средней полосы (широта 550)

 

Таблица 2. Пример освещенности земной поверхности в безоблачную погоду в различные периоды года и часы дня, %.

Месяцы Время суток, час
5 7 9 11 13 15 17 19 21
Июнь 1 3 6 89 100 89 58 24 1
Май – июль 1 19 54 79 91 79 51 17 0
Апрель – август 0 10 40 64 75 67 39 8 0
Март – сентябрь 0 1 24 47 58 49 23 1 0
Февраль – октябрь 0 0 7 26 35 26 7 0 0
Январь – ноябрь 0 0 2 12 19 13 2 0 0
Декабрь 0 0 1 8 13 8 0 0 0
  Данные приведены для средней полосы (широта 550)

 

Таблица 3. Пример изменение светлого и темного времени суток в течении года.

enova-light

Как видно из вышеприведенных таблиц в зависимости от времени года изменяется не только продолжительность светлого времени суток, но и суточный уровень ФАР.

Температура на поверхности солнца составляет около 5770 К. Мощность энергии, излучаемой нашим светилом, составляет около 63 МВт с каждого квадратного метра его поверхности, всего около 3.72х1020 МВт. Плотность энергии солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, составляет в среднем 1.367 кВт/м2. Эта величина называется солнечной постоянной, флуктуации которой не превышают 0.1%. Максимальная интенсивность излучения приходится на диапазон от 400 до 800 нм (см. рисунок 5). На долю ФАР приходится примерно 50% от всего солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. В безоблачный день поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности в местный полдень, обычно находится в интервале от 700 до 1300 Вт/м2 в зависимости от широты, долготы, высоты над уровнем моря и времени года.

enova-light

Рисунок 6. Средняя солнечная радиация на территории России (с апреля по сентябрь).

В настоящее время создана база климатологических данных и атлас ресурсов солнечной энергии. Фактологическая основа: данные наземных метеостанций РФ и базы данных NASA SSE. Данные этих служб носят интегральный характер и накапливаются годами. Имеют место быть месячные, сезонные и годовые отклонения от этих усредненных параметров. Помимо этого, количество наземных станций для территории России явно недостаточно для точных оценок по всей территории страны. Погрешность может составлять 0.5 кВт×ч/м2×день. Сами наземные метеостанции ведут постоянный мониторинг солнечной радиации и вблизи их расположения возможно получить довольно исчерпывающую и точную информацию.

Существует еще один интегральный источник информации. По рекомендациям Всемирной Метеорологической Организации (ВМО) в качестве стандартного периода для оценивания климатических переменных, характеризующих текущий или современный климат используется период в 30 лет (в настоящее время это 1961-1990 годы). Термин «норма» по умолчанию означает среднее значение переменной величины за указанный период, а отклонение этой величины от «нормы» называют «аномалией». Доклады об особенностях климата на территории Российской Федерации и аномалиях периодически публикует РОСГИДРОМЕТ.

Несмотря на то, что для некоторых территорий информация по солнечной радиации имеет достаточно большую погрешность, тем не менее, она позволяет сделать приблизительную оценку эффективности осветительной установки для теплицы с конкретными географическими координатами. На основании этих данных ООО «ЭНОВА Лайт» предоставляет своим клиентам бесплатную услугу по расчету эффективности досветки.

КАКОЙ УРОВЕНЬ ДОСВЕТКИ НЕОБХОДИМ?

Сразу следует отметить, что необходимый уровень досветки может охватывать диапазон от единиц до нескольких десятков ватт на квадратный метр в области ФАР. Все зависит от многих факторов, присущих проекту той или иной конкретной теплицы, выбора практики ее использования (сезонное или круглогодичное выращивание, культивируемые виды и сорта растений). С помощью светильников ЭЛ-008МТ-240 производства ООО «ЭНОВА Лайт» достижим уровень облученности 530 Вт/м2, что с лихвой хватает для организации полностью искусственного освещения.

В первую очередь необходимо выяснить, какой уровень освещенности необходим для культивирования тепличных растений. В этом нам поможет опыт эксплуатации круглогодичных интенсивных производств растительной продукции [6]. Почему именно такой опыт? Потому, что в условиях таких фитокомплексов можно зафиксировать все факторы, влияющие на фотосинтез, на оптимальном уровне. Следовательно, получить объективную оценку о минимально достаточном уровне освещенности для прорастания в закрытом грунте. В условиях теплиц таких условий эксперимента достичь невозможно, поскольку все факторы подвержены постоянным изменениям.

Вспомним, что определяющими параметрами освещения для фотосинтеза являются как мощность излучения, так и длительность его воздействия в течении суток (интегральный параметр - моль/м2/день (DLI) или кВт×ч/м2×день (средняя солнечная радиация в области ФАР)).

Для запуска  фотосинтеза необходимо обеспечить минимальный уровень облучения. Этот уровень носит не постоянный характер. Он непосредственно зависит от положения компенсационной точки. Под компенсационной точкой понимается та освещенность, при которой процессы фотосинтеза и дыхания растения уравновешивают друг друга. Положение компенсационной точки зависит от многих факторов. В частности есть сильная зависимость от температуры. Для каждой выращиваемой культуры существуют оптимальные для произрастания диапазоны температур (дневные, ночные, стадийные (в смысле стадий роста)), влажность, баланс питания, состав атмосферы и т.д.

Для получения урожая необходимо обеспечить получение определенного уровня лучистой продуктивной энергии (ФАР) в течении суток (кВт×ч/м2×день).

Итак, согласно результатам исследований различных организаций, имеем следующие результаты (по разным причинам результаты связаны с применением НЛВД):

  1. 15-30 Вт/м2 – низкая интенсивность ФАР (минимально допустимая): рост вегетативных органов происходит, но не образуются полноценные генеративные органы.
  2. 40 Вт/м2 – согласно разработкам Института Гипронисельпрома такая ФАР с фотопериодом 14 часов (0.56 кВт×ч/м2×день) является оптимальной нормой облученности в теплице для выращивания рассады.
  3. 65-90 Вт/м2 – на высокоэффективных фитокомплексах круглогодичного интенсивного производства растительной продукции разработки Агрофизического института достигается высокая урожайность [6]. Разработчик сообщает, что на установках можно получать несколько урожаев в год (томат – 4, перец – 3, огурец – 4÷6, сельдерей листовой, укроп, петрушка – 12÷14, листовая горчица – 16÷18, кресс-салат – 20÷24). Продукция имеет высокие качественные показатели по содержанию витаминов, минеральных элементов и по другим характеристикам пищевой ценности. Содержание нитратов в ней значительно ниже установленных санитарных норм (табл.), полностью отсутствуют пестициды и другие загрязнители.

Коэффициент равномерности облученности 0.55÷0.75. Длительность облучения не указана. Видимо зависит от выращиваемой культуры (12÷16 часов).

  1. 100 Вт/м2 – согласно разработкам Института Гипронисельпрома такая ФАР с фотопериодом 16 часов (1.6 кВт×ч/м2×день) является оптимальной нормой облученности в теплице для выращивания на продукцию.
  2. 150-220 Вт/м2 – согласно многим источникам считается оптимальной интенсивностью ФАР, при которой наблюдается максимальное накопление биомассы в единицу времени. Фотосинтез и рост хорошо сбалансированы при фотопериоде 16 часов (2.4÷3.52 кВт×ч/м2×день).
  3. 280-300 Вт/м2 – верхний разумный предел применения досветки. В зависимости от метода управления искусственным освещением реализуется соответствующий алгоритм отключения досветки.
  4. 400 Вт/м2 (фотопериод 16ч.-6.4 кВт×ч/м2×день) и более – насыщенная интенсивность ФАР, при которой достигается выход фотосинтеза на плато светового насыщения, т.е. максимальный фотосинтез. Растения приобретают низкорослую форму.

Далее необходимо определиться с практикой использования теплицы (сезонное или круглогодичное).

При круглогодичной практике однозначно потребуется фотопериодическое освещение. Осветительная установка должна будет работать в темное время суток и должна полностью обеспечивать заданный уровень фотосинтеза. Следует отметить, что в данной ситуации выбор мощности осветительной установки начинает свой отсчет с минимально необходимого уровня, который не зависит от географии теплицы!!! От географии будет зависеть время эксплуатации осветительной установки в годовом цикле. По всей видимости минимально необходимым уровнем ФАР осветительной установки следует считать 40 Вт/м2 (при фотопериоде 16 ч - 0.64 кВт×ч/м2×день, при 20 ч - 0.8 кВт×ч/м2×день).

До недавних пор бытовало мнение, что теплицы необходимо размещать в южных широтах, а продукцию доставлять с помощью хорошо отлаженной логистики. Сейчас в Европе благодаря развитию технологий эта концепция пересматривается в пользу размещения теплиц в непосредственной близости от потенциального потребителя. В этом случае продукция в не двусмысленном понимании попадает на прилавки буквально с «грядки». В России с ее просторами и ограниченными логистическими возможностями для многих регионов такой подход к размещению теплиц крайне актуален. Вопреки устоявшимся заблуждениям почти вся территория России имеет уровень облученности гораздо выше, чем могло бы показаться (см. рисунок 6). Некоторые северные территории в теплое полугодие имеют уровень естественного освещения сопоставимый с южными. Хотя из-за различий в микроклимате и топографии местности ошибка в выборе места расположения теплицы на сотню другую километров может привести к существенному уменьшению возможного количества солнечных дней в году.

В южных широтах летняя жара доставляет немало забот для службы эксплуатации теплицы. Необходимость проветривания понижает уровень углекислого газа вокруг растений. В полуденные часы растения могут испытывать стресс от жары. В совокупности эти факторы снижают эффективность фотосинтеза и требуют дополнительных затратных мер по компенсации негативных эффектов.

В северных широтах такая проблема постепенно сходит на нет. Но проявляется другая проблема – сильные морозы зимой. Современные теплоизоляционные материалы помогают довольно успешно решать эту проблему. В некоторых случаях заглубление теплиц до глубины, где температура грунта остается практически неизменной в течении всего года, позволит существенно снизить затраты на отопление.

Возможны различные варианты использования энергии недр как в северных, так и в южных широтах.

При слишком интенсивном облучении скорость темновых реакций фотосинтеза может не успевать за скоростью световых. В этом случае можно попробовать практику прерывистого включения досветки в темное время суток. При этом для более эффективного использования энергии света длительность темновых промежутков должна превышать длительность световых. Эффективность этого метода – научно доказанный факт.

В настоящее время карты ресурсов и базы данных солнечной энергии находятся в открытом доступе. На основании этих данных разработчик может определить условия облученности для различных территорий. Наихудшие условия по естественному освещению приходятся на декабрь месяц в дни зимнего солнцестояния. Именно эти условия предъявляют требования к круглогодичной досветке.

Оценим, что может дать минимальный уровень досветки 40 Вт/м2 с фотопериодом 16÷22 часов для различных территорий. На основании данных геоинформационных систем (ГИС) мы получили показательные результаты (см. таблицу 4). Добавьте к этим результатам суточную дозу досветки (см. таблицу 5) и сделайте вывод. А вывод можно сделать следующий. Уровень досветки мощностью 40 Вт/м2 позволяет реализовать круглогодичное выращивание растений в теплицах практически на всех широтах России. Хотя в северных широтах для адекватных результатов этого уровня явно не достаточно.

Таблица 4.1 . Суммарная солнечная радиация в области ФАР в декабре (кВтч/м2/день).

 

 

Местность

Широта/

 

Долгота

Рфар. сум.

 

кВтч/м2/день

Продолжительность

 

светового дня, Тсв (час:мин)

Средняя

 

мощность, Рср (Вт/м2)

Махачкала 42/47 0.74 09:04 84
Кисловодск 43/42 0.76 08:57 85
Мин. Воды 44/43 0.6 08:53 67
Краснодар 45/38 0.51 08:49 63
Таганрог 47/38 0.5 08:33 59
Воронеж 51/39 0.39 07:53 50
Иркутск 52.3/104.3 0.44 07:47 57
Новосибирск 55/82 0.25 07:16 34
Северобайкальск 55.6/109.3 0.33 07:12 45
С.-Петербург 59/30 0.13 06:02 22
Магадан 59/150 0.13 06:15 21
Якутск 62/130 0.06 05:19 12
Анадырь 65.1/175.3 0.02 04:06 5
Норильск 69/88 0 0 0
о. Шмидта 81/91 0 0 0
         

 

Таблица 4.2 . Суммарная солнечная радиация в области ФАР в январе и феврале (кВтч/м2/день).

Местность Январь Февраль
Рфар. сум.

 

кВтч/м2/день

 Тсв (час:мин) Рср

 

(Вт/м2)

Рфар. сум.

 

кВтч/м2/день

 Тсв (час:мин) Рср

 

(Вт/м2)

Махачкала 0.89 09:25 94 1.25 10:33 119
Кисловодск 0.9 09:20 97 1.35 10:30 129
Мин. Воды 0.74 09:16 80 1.12 10:28 107
Краснодар 0.62 09:13 67 1 10:26 99
Таганрог 0.64 08:58 71 1.05 10:18 102
Воронеж 0.5 08:24 62 0.99 10:00 99
Иркутск 0.58 08:18 70 1.1 09:56 115
Новосибирск 0.25 07:53 31 0.83 09:43 85
Северобайкальск 0.44 07:45 57 0.69 09:40 92
С.-Петербург 0.22 06:52 32 0.6 09:12 65
Магадан 0.21 06:55 31 0.6 09:15 65
Якутск 0.14 06:16 23 0.58 08:54 68
Анадырь 0.07 05:13 14 0.33 08:25 39
Норильск 0.005 03:14 1 0.17 07:28 23
о. Шмидта 0 0 0 0 0 0

 

Таблица 4.3 . Суммарная солнечная радиация в области ФАР в марте и апреле (кВтч/м2/день).

Местность Март Апрель
Рфар. сум.

 

кВтч/м2/день

 Тсв (час:мин) Рср

 

(Вт/м2)

Рфар. сум.

 

кВтч/м2/день

 Тсв (час:мин) Рср

 

(Вт/м2)

Махачкала 1.69 11:59 141 2.15 13:26 160
Кисловодск 1.86 11:59 155 2.23 13:29 165
Мин. Воды 1.55 11:58 129 2.13 13:30 158
Краснодар 1.49 11:58 124 2.1 13:33 155
Таганрог 1.49 11:58 124 2.05 13:40 154
Воронеж 1.58 11:57 132 1.97 13:57 141
Иркутск 1.87 11:56 157 2.44 13:59 173
Новосибирск 1.5 11:55 127 2.2 14:11 156
Северобайкальск 1.5 11:55 139 2.31 14:15 162
С.-Петербург 1.23 11:55 103 1.96 14:40 134
Магадан 1.36 11:55 114 2.16 14:45 147
Якутск 1.41 11:52 119 2.28 14:54 152
Анадырь 0.9 11:51 76 1.78 15:10 118
Норильск 0.72 11:49 61 1.72 16:14 106
о. Шмидта 0.19 12:44 15 1.25 22:00 57

 

Таблица 4.3 . Суммарная суточная доза досветки (кВтч/м2/день).

Мощность

 

Досветки (Вт/м2)

Продолжительность досветки (час)
16 18 20 22
10 0.16 0.18 0.2 0.22
20 0.32 0.36 0.4 0.44
30 0.48 0.54 0.6 0.66
40 0.64 0.72 0.8 0.88
50 0.8 0.9 1.0 1.1
60 0.96 1.08 1.2 1.32
70 1.19 1.26 1.4 1.54
80 1.28 1.44 1.6 1.76
90 1.44 1.62 1.8 1.98
100 1.6 1.8 2.0 2.2

 

Данные таблиц 4 и 5 указывают на то, что в летние месяцы в южных и средних широтах возникнет необходимость выключения досветки в полуденные часы. Но полностью отказываться от досветки не придется даже в летние дни. Поддержание фотопериода на должном уровне с одновременным поддержанием достаточно высокой мощности облучения даст по-настоящему повышенную эффективность теплицы.

Если Вы перейдете на более высокие уровни досветки (60÷100 Вт/м2), то получите высокую урожайность качественной продукции в зимние месяцы. В условиях заполярного круга могут быть использованы два типа освещения растений. Первый, это полностью искусственное освещение в закрытых отапливаемых помещениях круглый год. Второй, это по окончании полярной ночи перемещение растений в отапливаемые теплицы (оранжереи). Малые габариты и вес светильников производства ООО «ЭНОВА Лайт» допускают быстрое и легкое их переподключение в нужное место в нужное время. Такое свойство наших светильников может быть полезно для фермерских теплиц. В зависимости от времени года фермер может при ограниченности мощности осветительной установки сконцентрировать свет на отдельных участках теплицы. Чтобы избежать единовременных высоких затрат на осветительную установку фермер может изначально установить минимально необходимый уровень досветки с последующим наращиванием ее мощности по мере возможности.

Немного об уровне досветки 15-30 Вт/м2. Вероятно, для некоторых культур и при определенных условиях можно будет добиться круглогодичного роста. Такой уровень досветки будет хорош для ассимиляционного освещения, который поможет несколько увеличить фотопериод, поднять урожайность и качество продукции. Более низкие уровни досветки тоже имеют право на существование. Но результат будет соответствующий.

Рассчитать параметры осветительной установки для Вашей теплицы можете с помощью калькулятора на нашем сайте www.enova-l.ru.

Продолжение следует. Нам еще есть, что сообщить Вам.

А. П. Гавриленко – Ген. директор ООО «ЭНОВА Лайт»

344114, г. Ростов-на-Дону, ул. Орбитальная 78/2, к.249.
Телефон: (863)-298-3603, +7-918-558-3603.
[email protected]

enova-light

Список литературы

  1. Растения используют квантовые эффекты для усиления фотосинтеза, РИА Новости http://ria.ru/science/20130621/944793248.html#ixzz4ECxU7rZ0, 2013 г.
  2. Квантовый биокомпьютер, http://www.3dnews.ru/offsyanka/631421/, 2012 г.
  3. Механизм фотосинтеза использует вибронную квантовую когерентность, http://elementy.ru/novosti_nauki/432292/Mekhanizm_fotosinteza_ispolzuet_vibronnuyu_kvantovuyu_kogerentnost, 2014 г.
  4. Измерение солнечного излучения в солнечной энергетике, Kipp & Zonen B.V. (www.kippzonen.com), 2016 г.
  5. http://gisre.ru
  6. Г.Г. Панова, И.Н. Черноусов, О.Р. Удалова, А.В. Александров, И.В. Карманов, Л.М.Аникина, В.Л.Судаков. Фитокомплексы в России: основы создания и перспективы использования для круглогодичного получения качественной растительной продукции в местах проживания и работы населения // ОБЩЕСТВО, СРЕДА, РАЗВИТИЕ. – 2015, № 4. – с. 196-203.
  7. Н.Н. Протасова. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений. Физиология растений.1987. Т. 34. Вып. 4.

 

Ссылка на источник

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах
Цитата

 

В 2014 году были получены доказательства, что механизм фотосинтеза использует вибронную квантовую когерентность [3]. Суть этого явления состоит в том, что энергия поглощенных фотонов используется растением с очень высокой эффективностью близкой к 100%. Это означает, что энергия любого фотона («голубого» или «красного») используется в полной мере без потерь. Это в свою очередь означает, что интенсивность фотосинтеза все-таки зависит не столько от числа поглощенных фотонов, сколько от количества поглощенной энергии. Звучит разумно, поскольку трудно заподозрить природу в неспособности эффективно использовать имеющиеся ресурсы. Современные исследования указывают на то, что растения для улавливания света используют сложный молекулярный комплекс. Молекулы хлорофилла и другие поглощающие свет антенные пигменты способны улавливать фотоны с различными длинами волн из всего диапазона ФАР. В особую группу следует выделить «зеленые» фотоны, которые практически не поглощаются по причине почти полного отражения от поверхности листа.

Получается, что корректней измерять уровень ФАР в ваттах, а не ФФП в мкмоль/сек.  ...
..

Проводить измерения ФАР в ваттах не только удобней, но и дешевле.  Цена такого прибора сопоставима с ценой люксметра. Для светодиодных светильников достаточно просто проводить теоретический расчет уровня полезного излучения в ваттах, поскольку все излучение светодиода полностью приходится на область ФАР (400-700 нанометров). Чего нельзя сказать про НЛВД и другие типы тепличных источников света.

 

Все время интенсивность радиации измерял в Вт/м2, а суммарную радиации в Дж/см2 на время, и никак не мог до конца разобраться в этих мкмолях... А тут говориться, что в ваттах  корректнее.. так может и переучиваться не стоит..
Вот только я не понял, как автор статьи сделал вывод, что измерения в ваттах корректнее, нежели в мкмолях, ссылая на статью - "Механизм фотосинтеза использует вибронную квантовую когерентность [3]" - в которой описывается механизм поглощения фотонов и дальнейшей передачи энергии.  Текст данной статьи достаточно сложный, может из-за этого я не смог сделать подобный вывод для себя.  
 


 

 

 

 

Изменено пользователем samura
1 пользователю понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

В общем и целом это обилие слов призвано рекламировать светильники Энова Лайт с интенсивностью 40 Вт/м2.

 

Разговоры о том, что, дескать, натрий виновен в пластмассовом вкусе, это просто очернение конкурентов, сильным фирмам не к лицу.

Наши эстонские коллеги уже лет 20 выращивают салат круглый год с освещением натрием около 100 Вт/м2 (точные данные в рабочем компе), совершенно не обращая внимания на световые условия снаружи.

3 пользователям понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах
21 час назад, Робот сказал:

Ассоциация «Теплицы России»: ДОСВЕТКА В ТЕПЛИЦАХ.

enova-light   Эта статья продолжает тему, затронутую в статье «Светодиодный свет для теплиц» (опубликована на ресурсах www.enova-l.ru и http://rusteplica.ru). Освещаются аспекты современной тепличной досветки.

Данный опус, в отличие от их первой статьи, могу охарактеризовать единственно как: "Сон разума рождает чудовищ" (El sueño de la razón produce monstruos) – испанская поговорка, фабула известного одноименного офорта Франсиско Гойи.

3 пользователям понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Вибронный механизм передачи энергии

Доказательство причастности квантовой когерентности к биологическим светоиндуцированным процессам не только стало ключевым открытием в этой области биофизики, но и породило новые загадки. Главная из них — непонятная живучесть квантовой когерентности. Вообще говоря, электронные процессы в молекулах развиваются на фемтосекундных временных масштабах. На временах порядка пикосекунды (1 пс = 1000 фс) уже активно шевелятся сами атомы за счет теплового движения. По идее, это хаотичное тепловое движение должно разрушать квантовую когерентность электронных возбуждений. Однако эксперименты упорно показывают, что эта когерентность живет пикосекунду и больше (рис. 2).

Рис. 2. По данным измерений квантовая когерентность длится дольше пикосекунды

Рис. 2. Измерения, проведенные по технологии двумерной электронной спектроскопии, показывают, что квантовая когерентность, на которую указывает колебание сигнала, длится свыше пикосекунды. Для чисто электронных колебаний, которые живут на фемтосекундных масштабах, это неожиданно долго. Эта когерентность есть как при низких температурах (слева), так и при комнатных (справа). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Physics

Эта загадка породила множество споров и шквал новых исследований. Особый интерес вызвала предложенная два года назад идея о том, что в основе этого явления лежит не экситонный (то есть чисто электронный), а вибронный (колебательный) механизм передачи энергии света. Говоря простыми словами, в этой модели получалось, что колебания атомов не разрушают, а скорее, наоборот, поддерживают квантовую когерентность возбуждения, предохраняют ее от хаотического воздействия окружающих молекул.

Здесь стоит дать небольшое пояснение к терминам «экситонный» и «вибронный».

В сплошном веществе, например в кристалле, из-за тесного расположения и сильной связи отдельных ионов и электронов меняется само понятие того, кто путешествует по кристаллу и что он переносит. По кристаллу перемещаются не частицы в их «первозданном виде», в котором они существуют в вакууме, а коллективные возмущения, квазичастицы. Так, электрон проводимости в кристалле ведет себя совсем не так, чем электрон в вакууме. Колебания кристаллической решетки переносятся в виде коллективных атомных движений, фононов. В молекулярных кристаллах, в которых в каждом узле сидит сложная молекула, существуют экситоны — локализированные внутри молекулы электронные возбуждения, передающиеся от молекулы к молекуле и таким способом перемещающиеся по кристаллу.

Вдобавок к этому, все эти типы квазичастиц могут влиять друг на друга. Они могут даже связываться друг с другом и путешествовать вместе. Вибронное возбуждение (или просто виброн) — это совместное, сцепленное колебание электронов и отдельных атомов внутри сложных молекул; это, фактически, связанное состояние экситонов и фононов. Вибронные колебания не требуют для своего существования кристаллов, они могут проявляться и внутри одной достаточно сложной молекулы.

Предположение о ключевой роли вибронных колебаний в механизме фотосинтеза было тут же подвергнуто всестороннему анализу. Были предложены методы, с помощью которых удалось бы различить экситонный и вибронный механизмы, было развито и теоретическое описание явления.

В 2014 году уже пошли экспериментальные результаты. Так, в январе, на примере относительно простых молекул в растворах, было продемонстрировано, что квантовая когерентность в молекуле действительно держится на пикосекундном масштабе за счет вибронных возбуждений. Это, однако, было лишь доказательством того, что такое явление работает в принципе, и теперь требовалось проверить, присутствует ли оно в реальных фотосинтетических системах, которые используются живыми организмами. И только две недели назад в журналах Nature Physics и Nature Chemistry были одновременно опубликованы две статьи, окончательно доказывающие наличие и важную роль вибронного механизма передачи возбуждения в реальных фотосистемах.

Рис. 3. Два примера локализованных электронных возбуждений в фотосистеме II

Рис. 3. Два примера локализованных электронных возбуждений в фотосистеме II. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Physics

В обеих работах изучался не FMO-комплекс бактерий, а хлорофилл-содержащая фотосистема II, используемая растениями для фотосинтеза. Она тоже представляет собой комплекс связанных молекул, в разных местах которого могут существовать электронные возбуждения с частичным разделением заряда (рис. 3). Их энергии возбуждения слегка отличаются друг от друга. Это, с одной стороны, позволяет комплексу поглощать свет в довольно широком диапазоне частот, а с другой стороны, намекает на то, что для переброски энергии между разными типами экситонного возбуждения требуется некоторое дополнительное колебание, которое и обеспечивается вибронами.

И наконец, еще одно немаловажное наблюдение. В реальных условиях пространственная структура этого комплекса не строго фиксирована, а допускает разные конформации входящих в него белков. Тем не менее эффективность улавливания света и передачи его в реакционный комплекс от этого не страдает. Это означает, что этот механизм должен быть достаточно гибким, он должен функционировать и при умеренных искажениях структуры, что тоже намекает на участие в этом процессе движения атомов.

Рис. 4. Методика двумерной электронной спектроскопии напоминает усовершенствованный вариант метода накачки-зондирования

Рис. 4. Методика двумерной электронной спектроскопии напоминает усовершенствованный вариант метода накачки-зондирования

Главным экспериментальным методом обеих статей, — да и вообще всех работ по проверке квантовой когерентности в молекулах — стал метод двумерной электронной спектроскопии (2DES). Основная его идея в упрощенном виде проиллюстрирована на рис. 4. Этот метод в чем-то напоминает усовершенствованный вариант старой доброй методики «накачки-зондирования» — рабочей лошадки всей физики быстропротекающих процессов (см., например, интерактивный плакат Мгновение).

В методе накачки-зондирования мы с помощью очень короткого лазерного импульса наносим по образцу «удар», который запускает в нем некоторое колебание, а затем с помощью второго импульса запечатлеваем состояние системы спустя настраиваемое время T. В методе 2DES мы поступаем хитрее: сначала с помощью пары импульсов мы запускаем колебание с частотой ω1, а затем спустя время T мы пытаемся запечатлеть колебание с другой частотой ω2. Для каждой пары частот ω1 и ω2 мы получаем некоторую интенсивность сигнала; именно эти пары чисел показаны разными цветами на рис. 2. Перебирая разные частоты, мы строим интенсивность на двумерном графике, на плоскости частот (ω1, ω2), отсюда и слово «двумерная». Если на этой плоскости появляется заметный пик при несовпадающих частотах ω1 ≠ ω2, это означает, что в промежутке длительности T продолжалось (и не исчезло!) какое-то дополнительное колебание, которое и свидетельствует о наличии когерентности.

Измеряя положения пиков, можно выяснить, что это было за дополнительное колебание и какова была его частота. Именно так в двух новых работах и было установлено, что эти дополнительные частоты отвечают вибронным колебаниям, спектроскопия которых была уже известна. Дополнительным подтверждением послужило сравнение с результатами моделирования: чисто экситонное возбуждение теряло когерентность на масштабе в сотни фемтосекунд, и только при учете вибронных колебаний когерентность жила свыше пикосекунды.

Дальше перед исследователями открываются новые вопросы и новые возможности. Детальное понимание квантовых эффектов в фотосинтезе, возможно, поможет создать новые светочувствительные элементы с эффективностью близкой к 100% — то, что современным технологиям пока не под силу. Ну а биологи могут попробовать разобраться, каким же образом в ходе эволюции возникла и реализовалась эта «догадка природы» — использовать квантовые эффекты для наилучшего улавливания света и использования его энергии.

Источники:
1) E. Romero et al. Quantum coherence in photosynthesis for efficient solar-energy conversion // Nature Physics. 2014. Advanced online publication. DOI:10.1038/nphys3017.
2) F. D. Fuller et al. Vibronic coherence in oxygenic photosynthesis // Nature Chemistry. 2014. Advanced online publication. DOI:10.1038/nchem.2005.

Выходит если эта теория верна, то измерения в молях совершенно бессмысленны, т.к. энергия не поглощается порциями электронов и эффективность красного спектра сильно преувеличена.

 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

А ведь в молях мы измеряем не электроны, а фотоны, причем фотон одновременно и частица и волна и видимо энергия. Философски-мистическая ... единица :)

А что касается эффективности красного света, то она было обнаружено еще 100 лет назад К.А.Тимирязевым, и впоследствии подтверждена массой других исследователей.

3 пользователям понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Марите, я ничего не перепутал. Раньше считалось, что фотон выбивает электрон с энергетической орбиты (как это происходит в кристаллах фотоэлементов) и тот передаёт энергетический уровень с атома на атом по пути до центра генерации. Оказалось все не так, перехода электрона на другой уровень не происходит, передача импульса идёт путем вибрионной квантовой когерентности. Не электрически,  а механически, "вибрацией атомов"... если упростить на пальцах. Эффективность от количества импульсов не зависит.

Красный спектр отвечает за регулятивные свойства растения, но он менее "калориен".

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Честно говоря, мне все это интересно в принципе, но не технологически. Хотя, несомненно, все эти новейшие открытия могут и должны повлиять на создание максимально эффективных светильников в будущем. Пока мы не очень хорошо представляем себе, как правильно применять ЛЕДы :(

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах
2 минуты назад, Марите сказал:

Честно говоря, мне все это интересно в принципе, но не технологически. Хотя, несомненно, все эти новейшие открытия могут и должны повлиять на создание максимально эффективных светильников в будущем. Пока мы не очень хорошо представляем себе, как правильно применять ЛЕДы :(

В том то и дело, что совсем недавно имел спор по этой тематике в соседнем топике про ДНАТ. Теперь получил много ответов почему же Филипс делает светильники не так :) ... Теперь уже научно получается, что красный не более эффективный, а воспринимается растением как сигнал попадания в тень от других растений. Для плодоношения излишний красный может даже вредить.

Кстати спасибо роботу за ссылку в статье на это исследование, поздравляю всех с окончанием споров про квантовый выход в фито освещении. Важна именно мощность и спектр как регулятивный фактор.

1 пользователю понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

И толпа продолжала блудить по тёмному лесу пытаясь наитй свет

However, the fundamental mechanism responsible for the near-unity quantum efficiency of this process is unknown - это цитата из статьи.

Пока не в одной статье правды не написано. Есть много опытов, в которых определено какой состав света даёт лучшый прирост и качество и это и используется в производстве.

Как приментять диодовую досветку - есть и понимание и реальные, жывые и успешние проекты и в Европе и в Финландии, в России пока ничего нет. 

1 пользователю понравилось это

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Создайте аккаунт или войдите для комментирования

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать аккаунт

Зарегистрируйтесь для получения аккаунта. Это просто!


Зарегистрировать аккаунт

Войти

Уже зарегистрированы? Войдите здесь.


Войти сейчас

Пользовательский поиск