Вопрос досвечивания растений довольно часто поднимается на форуме. Начиная от использования устаревших ламп ДРЛФ заканчивая попытками сравнительного анализа эффективности натриевых ламп и полупроводниковых источников света. С моей точки зрения есть необходимость некоторой систематизации имеющихся в распоряжении современного инженера информации о источниках света с целью сравнительного анализа их характеристик с учетом спектральной чувствительности растений и их потребности в свете.
В этой записи я хочу обсудить различные доступные системы для обеспечения искусственного освещения, служащего для улучшения развития растений.
Для начала необходимо договориться о некоторых технических определениях, что бы потом мы могли обсудить эту проблему в деталях, так как важно понять используемые единицы измерения и некоторые термины.
Световой поток F (lm), определяющийся как интеграл всей энергии, заключённой под пространственной индикатрисой излучения.
Эффективность излучателя света характеризуется отношением светового потока (lm) к потребляемой электрической мощности (W).
Фотосинтетический фотонный поток — это суммарное число фотонов, излучаемых в секунду в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм (мкмоль / с).
Плотность фотосинтетического фотонного потока - это число фотонов в секунду в диапазоне от 400 до 700 нм, падающих на заданную поверхность.
Остальные термины связанные с энергетическими характеристиками довольно часто на слуху и отдельного внимания не требуют.
Предварительно хотел бы уточнить, что все приводимые цифры, расчеты и характеристики источников света персчитаны с учетом неравномерности спектральной чувствительности растений.
Начну с азов. Свет это маленькие частицы , называемые также фотонами или квантами. Содержание энергии в фотонах различно и зависит от длины волны (цвета света). Например, одинаковое количество красных и синих фотонов несут в себе различное количество энергии. В интересующем нас диапазоне длин волн от 700 до 400 нм энергия фотона растет с уменьшением длины волны, от 2.8 эв при 400 нм до 1.8 эв при 700 нм. (Эта информация понадобиться при оценке эффективности источников света с учетом их спектра.)
Спектральная восприимчивость света растениями кардинально отличается от человеческой. Растения более эффективно усваивают красную составляющую света, чем зеленую и синюю. Можно сказать, что здесь мы имеем дело с кривой чувствительности восприятия света у растений. (Указываемая в справочной литературе и во вкладышах к источникам света , выходная световая мощность в милливаттах (приблизительно 1 люмен = 3 милливаттам) рассчитывается для восприятия человеческим глазом (чувствительность которого меняется в зависимости от изменения цвета освещения) и, поэтому, эти цифры скорректированы с учетом нашего зрительного пика восприятия, который находится вблизи 555 нанометров, т. е. в зеленой части спектра. Если бы эти цифры устанавливались принимая во внимание восприятие/чувствительность растений, они бы отличались в некоторой степени в зависимости от цвета излучаемого света любой из этих ламп.) Еще один важный факт: рост растений (фотосинтез) определяется не Люксами или энергией, а фотонами различного спектра — от синего до красного (400-700 нм). Это и называется светом роста. Поэтому именно число фотонов в секунду в диапазоне от 400 до 700 нм, падающих на заданную поверхность, и называемое плотностью фотосинтетического фотонного потока, должно использоваться для оценки количества света для процесса фотосинтеза. (Что бы было понятнее в численном выражении в одном Ватте энергии количество фотонов синего цвета почти в 2 раза меньше чем красного.)
Источники света.
Лампа накаливания. Спектр - непрерывный в котором мало синих лучей и много красно-оранжевых. Может использоваться для досвечивания растений, недостаток - малая световая эффективность - 10 Лм\Вт.
Вольфрамово-галогенные лампы доступны в различных видах, но они очень схожи с лампами накаливания. Они работают при большей температуре чем лампы накаливания и, следовательно, испускают больше света в направлении голубого края спектра, хотя и недостаточно для правильного развития растений в условиях полного отсутствия дневного света. Эксплуатационные качества этих ламп зависят от напряжения в сети — изменения напряжения на вольт или два от расчетного рабочего приводят к драматическому эффекту в их жизни. Светоотдача около 14-18 Лм\вт.
Стандартные люминесцентные лампы доступны множества цветов и оттенков. Большинство людей когда-нибудь видело лампы: белого-холодного, теплого-белого, дневного света и т. д. и т. п., этих вариаций не счесть. В люминесцентных лампах свет испускается от фосфоров, каждый из которых светит различными цветами. Обычно применяются фосфоры трех цветов — красного, зеленого и голубого, смешивая их в различных пропорциях получают лампы с различным цветом (оттенком) свечения. «Теплые» лампы содержат в своем спектре больше света по направлению к красному концу спектра, «холодные» содержат больше голубых лучей. Никакие из этих ламп, обычно продаваемых для бытового использования, не являются идеальными для освещения растений, т. к. основной спектр их излучения лежит в зелено-желтой части спектра, где чувствительность растений к свету не столь велика, и они слабо светят на пике максимальной чувствительности растений в красной области спектра. Специальные люминесцентные лампы имеют различный спектр излучения в том числе и наилучший для растений. Недостаток - повышенная стоимость и не очень большой срок службы. Светоотдача от 40 до 80 Лм\Вт.
Другой тип специальных люминесцентных ламп изготовляется для работы с высокочастотным возбуждением (а не для работы на стандартной частоте сети в 50 герц). Для работы с ними требуются довольно дорогие электронные пускорегулирующие устройства. Эти лампы примерно на 25% более эффективны чем обычные люминесцентные.
Натриевые лампы высокого давления излучают свет, воспринимаемый глазом как желтовато-белый, но они излучают точно в оранжево-красной части спектра, как раз в области высокой чувствительности растений. Они испускают очень мало голубого света и, поэтому, не подходят как единственный источник света необходимого для правильного развития растений. Они, однако, крайне эффективны как дополнение к естественному дневному свету, для искусственного увеличения продолжительности светового дня и широко коммерчески используются для такого применения. Этот выбор делает также более привлекательным тот факт, что они имеют очень долгий срок службы и сохраняют в течении всего этого срока высокую световую отдачу. Светоотдача - 150 Лм\Вт.
Натриевые лампы низкого давления являются наиболее экономичными. Их главный недостаток в том, что они излучают свет по существу только двух длин волн, которые близки к друг другу настолько, что являются почти одним цветом — желтовато-оранжевым, что делает их неприменимыми как единственный источник света при культуре растений. Эти лампы обычно используются в Англии для освещения улиц. Длинна волны излучаемого ими света (590 нм) очень близка как к пику чувствительности глаза человека, так и к пику чувствительности растений, их световой выход экстремально высок. Вероятно, из-за того, что они крайне редко используются где-либо за пределами Англии, они почти не востребованы в сельском хозяйстве, даже несмотря на то что их эффективность в полтора раза выше чем у натриевых ламп высокого давления. Арматура этих ламп разработана только для целей их использования при освещении улиц и иных публичных прогулочных мест. Светоотдача >200 Лм\Вт.
Металлогалогенные лампы дороги. Они испускают свет очень похожий на свет от люминесцентных ламп, и их принципы работы во многом схожи. Во всем, что касается производительности, во всех сферах применения они также схожи с люминесцентными лампами, и это также касается необходимости применять дополнительные пускорегулирующие устройства для их работы. Их цвет свечения значительно изменяется в процессе работы. Светоотдача около 100Лм\Вт.
Ртутные лампы широко использовались в профессиональной агрокультуре вплоть до последних лет, но ДНАТ лампы и металлогалогеновые ныне более предпочтительны, что обусловлено их намного меньшими размерами. Ртутные лампы излучают достаточно голубого света также, как и оранжевого, что делает их подходящими для использования как единственного источника света для культуры растений. Светоотдача на уровне 70 Лм\Вт.
Гибридные лампы, с которыми мы обычно сталкиваемся, являются комбинацией ртутной капсулы и очень стойкого элемента накаливания, который очень изобретательно используется, как пусковое устройство для капсулы — и, поэтому, эта лампа может работать напрямую от сети. Жизнь этой лампы обусловлена сроком службы одной более недолговечной ее частью. Эта лампа разработана для тех, кто хочет ее использовать как единственный источник света для растений, и хочет просто вставлять лампу в стандартную арматуру. В результате эти люди получают лампу накаливания с добавкой голубых лучей. Светоотдача на уровне ртутной лампы.
Полупроводниковый источник света. Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию электрического тока в световую, основой которого является излучающий кристалл. Излучение светодиода занимает достаточно узкою полосу (до 25-30 нм) шкалы спектрального распределения плотности энергетической яркости и поэтому носит характер квазимонохроматического излучения. В большинстве своем это – гетероструктуры с широкозонными p-n – переходами, у которых ширина запрещённой зоны более 1,9 эВ. В настоящее время созданы структуры, способные излучать во всём видимом диапазоне, ближнем ИК и ультрафиолете. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой пространственного распределения и получения любого оттенка в широком динамическом диапазоне яркостей открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов в качестве различных источников света. Однако это источник света с наибольшим количеством легенд. Светоотдача от 25 до 100 Лм\Вт.
Затронутая тема невероятно интересна и обширна, что освещение ее в виде коротких сообщений невозможно. Думаю правильнее будет остановиться на анализе двух наиболее интересных источниках света это натриевые лампы высокого давления и полупроводниковые источники света. Об этом позже.
