Сравнение LED-ламп и газоразрядных ламп (ДНаТ) в условиях теплицы

Содержание

• 1. Используемые типы ламп
• 2. Исследование эффективности солнечного света, LED-ламп и ДНаТ
• 3. Материалы и методы исследования
• 4. Результаты и обсуждения

Исследование проводилось сотрудниками Факультета сельскохозяйственных наук, Университета Миннесоты, США

На севере штата Миннесота (>40°с.ш.), коммерческое производство высококачественной сельскохозяйственной продукции, как правило, требует применения дополнительного освещения в период с октября по март. Видимый световой спектр (400–700 нм.) включает в себя все цвета радуги, но для обеспечения роста и фотосинтеза у растений наиболее важными являются диапазоны красного и синего цвета. Синий спектр стимулирует рост коротких растений (уменьшает длину междоузлий), более интенсивного цвета. Красный спектр, напротив, вызывает удлинение междоузлий. Как правило, когда уровень интенсивности естественного освещения достигает в зимние месяцы нижней границы нормы, в теплицах начинают использовать дополнительные источники света, чтобы увеличить урожайность путем ускорения фотосинтеза.

Используемые типы ламп

Применение дополнительного освещения началось с использования ламп накаливания, затем появились люминесцентные (лампы дневного света), и, наконец, галогеновые (HID — ДРИ и ДНаТ). Каждая из ламп имеет свои особенности, которые делают их пригодными для применения либо в разные стадии созревания урожая, либо одновременно, но с разными целями.

Например, для регуляции фотопериода используют лампы накаливания (с вольфрамовой нитью), которые дают свет низкой интенсивности (5–10 свечей) в темное время суток для имитации удлиненного светового дня. При этом лампы накаливания обеспечивают очень высокий уровень красного спектра, что приводит к вытягиванию стеблей, если использовать их постоянно как источник энергии для фотосинтеза. К тому же они производят много ненужной тепловой энергии и имеют низкую эффективность (только 7% электроэнергии переходит в световую).НА ФОТО: Спектр лампы накаливания хоть и не самый плохой, но интенсивность света минимальная

Люминесцентные лампы наиболее широко используют в помещениях для молодых сеянцев и проращивания семян, но редко для финальной стадии роста урожая в теплицах. Они имеют низкую мощность, поэтому необходимо увеличивать количество самих ламп, что в свою очередь приводит к отбрасыванию множества дополнительных теней. Самые эффективные из них дают холодный или теплый белый свет (преимущественно голубого спектра) и имеют коэффициент полезного действия 20%.НА ФОТО:  Лампы Fluora Osram — самые популярные в домашнем цветоводстве

Наиболее современными источниками дополнительного освещения являются галогеновые лампы HID (от англ. High Intensity Discharge lamp — «газоразрядная лампа»), которые выпускаются в большом разнообразии форм и размеров:

• металло-галогенные — MH (Metal Halide или ДРИ — Дуговая Ртутная с Излучающими добавками),
• ртутные газоразрядные (ДРЛ — Дуговая Ртутная Лампа, как правило, без добавок),
• натриевые газоразрядные лампы (HPS или ДНаТ — Дуговая Натриевая Трубчатая).

Чаще всего в теплицах применяют именно HPS-лампы (ДНаТы), так как они наиболее дешевы и экономичны в использовании по сравнению с остальными галогеновыми лампами. HPS-лампы мощностью 400–1000 Вт дают свет видимого (400–700 нм) и невидимого (700–850 нм) спектров. Максимальную интенсивность имеет желтый цвет (приблизительно 589 нм). HPS-лампы преобразуют до 25% электроэнергии в световую, но при этом выделяют тепло и производят шум так же, как и низкоэффективные, недолговечные лампочки накаливания (прим. редактора: "Верно только для устаревших электромагнитных балластов)..НА ФОТО: Перец Халапеньо досвечивается HPS-лампой мощностью 600 Вт 

Тепличные хозяйства обычно стараются снизить стоимость потребляемой электроэнергии, устанавливая цикличный режим освещения с максимальным её использованием вне часов пиковой потребности.

Исследование эффективности солнечного света, LED-ламп и ДНаТ

В 2005 году во время весеннего семестра слушатели курса сельского хозяйства Миннесотского Университета получили возможность начать исследования новых альтернативных источников освещения. Объектом исследования стали светодиоды (LED, от англ. light-emitting diod ― светоизлучающие диоды), широко используемые в бытовых и промышленных аппаратах, мобильных телефонах, будильниках и т.д. Светодиоды имеют ряд преимуществ, которые делают возможным их адаптацию для применения в коммерческих тепличных хозяйствах (эти преимущества представлены в таблице 1). Также их изучением занимаются специалисты NASA, которые исследуют возможности светодиодов для выращивания растений в космосе. Несколько космических миссий уже получили урожай салата-латука, соевых бобов и других культур с использованием светодиодных технологий.НА ФОТО: Светодиодное освещение — отличное решение для овощеводства

Светодиоды способны намного увеличить энергетическую эффективность освещения теплиц, что приведет к значительной экономии материальных ресурсов. Несмотря на то, что первоначальные затраты на светодиодное освещение ($1 760) выше, чем на HPS-галогенные лампы ($400), благодаря их долговечности и низкому уровню потребления энергии, экономия за семилетний период составила $2 291.

В ходе исследования сравнивались синие и красные светодиоды с HPS-галогенными лампами, а также контрольная группа тепличных растений, имевших только естественное солнечное освещение.

Материалы и методы исследования

Условия выращивания. В исследовании применялось три вида освещения: естественное, светодиодное и с использованием галогенных ламп. В теплице с естественным освещением растения размещались на полках на высоте 105 см. при дневной температуре +22°C, ночной +20°C. Растения этой группы не получали дополнительного освещения.

Две изолированные камеры (240 см. в длину/150 см. в ширину/210 см. в высоту) были установлены в теплице рядом с растениями, растущими под естественным освещением, на той же высоте. Камеры были закрыты черной непрозрачной пленкой, чтобы предотвратить попадание солнечного света. Когда ночная и дневная температура с наступлением теплого времени года начали увеличиваться, в продолжение эксперимента были установлены вентиляторы.

В одной камере находилась HPS-галогенная лампа (400 Вт) на высоте 180 см. Уровень освещенности над растениями под этой лампой был использован как ориентир для выставления уровня светодиодного освещения в другой камере.

Во второй камере использовалась модель 480 светодиодного комплекта (8 красных диодов, 4 синих, 12 креплений, 2 соединительных провода). Светодиоды были установлены на одинаковой высоте с галогеновым освещением. Оба вида освещения были отрегулированы таким образом, чтобы растения в камерах получали эквивалентное количество энергии для фотосинтеза.

Объекты исследования. Исследователи выбрали два вида растений для выращивания в ходе эксперимента. Желтый перец (Capsicum annuum), сорт «Hungarian» должен был продемонстрировать возможные различия в росте и ветвлении, а также варианты цветения и плодоношения. Английская маргаритка Bellis perennis, сорт «Monstrosa» выращивалась для сравнения скорости разворачивания листьев, размеров розетки и цветения. Семена обоих видов были засеяны в начале февраля 2005 года в 288 лунки с добавлением стимуляторов. С появлением второго листа сеянцы были пересажены в 4 квадратных ящика и случайным образом распределены на группы. В итоге получилось по 15 экземпляров каждого вида в разных группах. Растения удобрялись раз в две недели. Осуществлялся контроль вредителей и заболеваний.

Каждую неделю собирали данные о высоте растений. Другие показатели, такие как цветение, плодоношение также принимались во внимание, однако в отчет не включались.

 Количественные данные обрабатывались с использованием статистического протокола SPSS, 2001; Версия 11.0.

Результаты и обсуждения

Средняя высота растений значительно изменялась, как и можно было предположить согласно плану, представленному в таблице 2.

Наиболее высокий показатель средне выборочной высоты растений был в группе с естественным освещением (19.57 см.) и значительно отличался от показателей у растений, выращиваемых с применением искусственного освещения. Светодиодное освещение дало 15.24 см. средне выборочной высоты растений, а HPS-галогенное 13.91 см. Подобная разница между ними не может считаться статистически значимой. Также не было особой разницы в уровне развития розеток Маргаритки Английской.

Несмотря на все преимущества LED-ламп, описанных выше, результаты выращивания растений при светодиодном освещении эквивалентны результатам выращивания с использованием HPS-галогенной подсветки.

Уменьшение высоты растений в группах с искусственным освещением по сравнению с группой естественного освещения, скорее всего, связано с повышением температуры в камерах, что привело к некоторому снижению скорости фотосинтеза. Это было связано с небольшой задержкой сроков установки системы вентиляции. Цветение и плодоношение в группах с искусственным освещением началось приблизительно на две недели позже, чем у растений, имевших естественное освещение. Это также связано с более прохладной температурой снаружи, стимулирующей закладку цветочных почек. Планируется продолжать дальнейшее изучение искусственного освещения и применения светодиодов в частности.

Данная статья является переводом результата исследований о сравнительной эффективности ламп, расположенного по адресу: http://lists.umn.edu/cgi-bin/wa?A2=ind0507&L=COMGAR-L&T=0&F=&S=&P=2595