XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Аннотация: В статье рассматриваются основные пункты которые нужно учитывать при проектировании теплиц со светодиодным освещением. Зная особенности устройства, расчёта, подбора, преимущества и недостатки светодиодного освещения теплиц можно подобрать наиболее выгодные варианты для успешной оптимизации производства продукции с последующей её реализацией и получения наибольшей прибыли как конечной цели. Для этого в статье представлен обзор каждого из этих пунктов как основа для последующей индивидуальной оптимизации в условиях конкретного хозяйства. Ключевые слова: Теплица, освещение, режим освещения, светодиодные лампы, LED - светильники, эффективность, устройство, расчет, подбор, преимущества.

Для выращивания растений в тепличных условиях летом и зимой, важно не только создать нужный микроклимат: температуру и влажность, но и организовать правильное освещение теплицы. Из-за удлинения темного времени суток, короткого светового дня для здорового роста культур становится явно недостаточно. Чтобы уберечь растения от болезней, увеличить сроки созревания, повысить урожайность устанавливают специальные лампы, излучающие свет в требуемом спектре.

Системы освещения монтируют в теплицах круглогодичного или зимнего использования при выращивании светолюбивых овощей, ягод, рассады и цветов - без подсветки эти культуры не дадут хорошего урожая. Современные системы освещения теплиц все чаще выполняют на светодиодах: они экономичны, долговечны и позволяют регулировать спектр и освещенность в широком диапазоне.

Преимущества освещения теплиц светодиодами.

(в сравнение с другими приведенными типами ламп)

Основной плюс светодиодного освещения теплиц заключается в возможности создания необходимого баланса синего и красного спектра, что делает их использование универсальным решением для всех видов культур и цветочных растений. Конструктивно это выполнятся совмещением излучателей разного типа в одном корпусе.

В недавнем прошлом для освещения теплиц в основном использовали газоразрядные лампы. Спектр натриевых ламп высокого давления ДНаТ и ДНаЗ содержит преимущественно красную составляющую, что полезно для растений в фазе плодоношения. При этом лампы ДНаТ почти не содержат синюю составляющую спектра, поэтому в фазе рассады для подсветки применяют газоразрядные ртутные лампы ДРЛ.

Газоразрядные лампы всех типов обладают большой световой мощностью, хорошим коэффициентом рассеяния, но при этом их световая отдача значительно ниже, чем у светодиодов, и большая часть энергии уходит на нагрев, влияя на микроклимат и увеличивая потери. Подвешивать лампы ДНаТ и ДРЛ необходимо на значительную высоту, чтобы избежать ожогов. В небольших теплицах с высокорослыми растениями их использование затруднено.

К другим положительным характеристикам светодиодов для теплиц относят:

Низкое энергопотребление;

Высокая интенсивность светового потока, в сравнении с другими типами ламп;

Долгий срок службы, до 80 тысяч часов и более;

КПД от 95%;

Низкая пульсация;

Безопасность для человека и окружающей среды: LED не излучает ультрафиолета, не вырабатывает озона и не содержит ртути и других вредных веществ.

Хорошие показатели световой мощности;

Подходящий для растений спектр и возможность его регулирования;

Отсутствие нагрева и влияния на микроклимат в теплице;

Спектр LED-светильников в сравнении с лампами ДНаТ и ДНаЗ

Через 1,5-2 года использования световая мощность газоразрядных ламп снижается, они тускнеют и требуют замены. Из-за содержания ртути приходится применять специальные дорогостоящие методы утилизации. Для подключения ламп ДНаТ и ДРЛ необходима пускорегулирующая аппаратура, что удорожает их первоначальную установку. Большие тепловые потери увеличивают энергопотребление, в результате освещение теплицы газоразрядными лампами обходится довольно дорого, особенно в зимний период.

Устройство светодиодного осветителя.

Светодиодные лампы для теплиц состоят из полупроводниковых излучателей красного или синего спектра, собранных в одну цепь. В небольших светильниках фитодиоды соединяют последовательно, в крупных - последовательно-параллельно. Поскольку мощные LED-элементы при работе сильно нагреваются, их помещают на радиатор-теплоотвод - дюралюминиевую пластину. Подробнее про расчет и изготовление радиаторов для светодиодов.

Питание осуществляется через драйвер - устройство, снабженное импульсным выпрямителем напряжения и ограничителем тока (как сделать драйвер). Некоторые модели также оснащают микроконтроллером, с помощью которого происходит управление светильником: задается время включения и выключения или настраивается интенсивность светового потока.

Все компоненты освещения помещают в герметичный корпус. С рабочей стороны устанавливают прозрачный рассеиватель из оптического поликарбоната (как сделать рассеиватель). Подключение к сети производится напрямую, с помощью силового кабеля, без промежуточного оборудования.

Прокладка крышки

Крышка

Гэрмоввод

Сетевой провод

Алюминиевая

печатная плата

Профиль светильника

Винты крепления крышки

Болты крепления трубы

Драйвер питания светодиодов

Конструкция тепличного LEDсветильника

 

Для фитосветильников используют специальные светодиоды с высокой мощностью, а добиться необходимого спектра можно двумя способами:

комбинируя светодиоды разного спектра в нужном соотношении;

используя полноспектральные светодиоды для растений.

В первом случае возможно регулирование спектра с помощью отключения части светодиодов. Это удобно для выращивания растений в течение всего вегетационного периода: на стадии роста рассады соотношение красного/синего света составляет 1:1 или 2:1, с началом цветения и плодоношения синюю составляющую уменьшают, добиваясь соотношения красного и синего от 3:1 до 8:1. Светодиоды с полным спектром имеют установленное соотношение, изменить его не получится.

Расчет тепличного освещения.

Если предполагается самостоятельная организация искусственного освещения, перед проектировкой и расчетами, следует учесть следующие данные:

Высота размещения светильников;

Мощность используемых ламп;

Сорт выращиваемого растения - требуемая интенсивность освещения для разных видов культур неодинакова;

Площадь освещаемого участка.

Зная эту информацию, можно переходить к вычислениям. Для расчета светодиодного освещения теплиц используют упрощенную формулу:

F = (E * S) / КИ

В этой формуле F — интенсивность светового потока, Лм; E — уровень освещенности, Лк; S — площадь освещаемого участка, кв.м; К_И - коэффициент использования светового потока. Значение коэффициента равно 0,4 для систем с внешним отражателем и 0,8 - с внутренним.

Предположим, что требуется уровень в 10 000 люкс на площади 2 кв. метра. Используя лампы с внешним отражателем (Ки=0,4) получаем F=10000*2 кв.м/0,4=50 000 лм. Такой поток может обеспечить лампа ДНАТ мощностью 400 Вт (48 000 лм) или два таких источника по 250 Вт (27 000 лм каждый). Если использовать модель с зеркальным отражателем, получим требуемый поток F=25 000 лм. В результате достаточно одной лампы в 250 Вт (27 000 лм).

Не стоит забывать про влияние различных комбинаций спектров на биологическую продуктивность культур. Для оценки влияния спектра светодиодных светильников важным показателем является величина фотосинтетического потенциала. Фотосинтетический потенциал характеризует возможность использования для фотосинтеза солнечной радиации посевами сельскохозяйственных культур в течение вегетации и используется в качестве показателя для оценки фотосинтетической мощности посевов.

Растениями используется не весь спектр солнечного света. Наибольшее влияние на их развитие оказывают синий, оранжевый и красный цвета светового потока. Желтый и зеленый спектры большей частью от поверхности растения отражаются.

При устройстве систем освещения в теплицах, оранжереях или парниках основной задачей является создание светового потока, идентичного солнечному свету, с усилением требуемого спектра.

Влияние светового спектра на фотосинтез в растениях

На разных стадиях жизни растения ему требуется в большей мере определенный спектр освещения. Если в начале цикла роста и набора общей массы растения используют активнее синий цвет, то в период цветения и созревания плодов - красный диапазон спектра.

При использовании светодиодных светильников с синим цветом - от 440 нм до 460 нм:

Корневая система у растений более развитая - в 1,5 - 2 раза.

Вещества, отвечающие за цветение, образуются гораздо быстрее - в 2 раза.

Более крепкие стебель и листья.

Недостаток синего спектра приводит к образованию слабого стебля у растения, большими промежутками между узлами стебля.

Применение красного цвета светильников - длина волны от 650 нм до 670нм:

Масса наземной части растений увеличивается в 1,7 - 2 раза.

На 7 - 10 дней раньше наступает фаза цветения.

Увеличивается количество плодов на растении.

Остальные спектры:

Ультрафиолетовый спектр от 300 до 400 нм - пригодиться для удаления вредоносных микроорганизмов из теплицы, но может использоваться исключительно в профилактических целях. Длительное воздействие окажется губительным для флоры.

Фиолетовый 400 - 430 нм - позволяет укрепить ствол и повысить устойчивость к внешним погодным факторам.

Зеленый 500 - 600 нм - не несет практической пользы для обитателей теплицы, если установить только такие модели приборов освещения, может погибнуть весь урожай.

Желтый 600 - 620 нм - стимулирует вытягивание растений, что подходит далеко не всем культурам, к примеру, актуально для декоративных деревьев, кустарников и прочих. Но бесполезно для плодоносящих или цветущих.

Инфракрасное излучение от 780 нм и более приводит к наращиванию температуры растений, что может погубить урожай в теплице.

По этой причине для освещения в теплицах, оранжереях и парниках желательно применять специальные фитосветильники с определенным излучаемым спектром.

Эксперименты показали, что наименьшая площадь листьев, которая работала в течение опыта, формировалась у растений при естественном освещении (контроль) - 0,14 м2 в сутки, наибольшая при спектре красный, синий + призмы - 1,29 м2 в сутки. Разница по данному показателю между вариантами составила 9,2 раза.

В таблице 1 представлены экспериментальные данные по влиянию спектра светодиодного светильника на биологическую продуктивность и фотосинтетические показатели рассады капусты белокочанной.

Таблица 1 - Влияние светодиодных светильников на биологическую продуктивность и фотосинтетические показатели рассады капусты белокочанной.

Вариант	Сухая масса растения, г	Сухое вещество, %	Фотосинте­тический потенциал, м2 в сутки	Коли­ чество листьев, шт.	Чистая про­дуктивность фотосинтеза, г/м2 в сутки
1. Набор светодиодов (красный, синий, оранжевый)	0,89	9,14	0,39	5,9	2,37
2. Набор светодиодов (красный, синий, оранжевый, белый)	0,53	7,48	0,24	5,3	2,21
3. Набор светодиодов (красный, синий, призмы)	2,54	9,50	1,29	7,8	1,98
4. Естественное освещение (контроль)	0,31	7,42	0,14	4,5	1,29
НСР05	0,13	-	0,11	0,7	0,24

Таблица 2 - Влияние светодиодных светильников на биологическую продуктивность и фотосинтетические показатели салата (товарная продукция).

Вариант	Сухая масса растения, г	Сухое вещество. %	ФП. м2 в сутки	Количество листьев, шт.	ЧИФ. г/м2 в сутки
1. Набор светодиодов (красный, синий, оранжевый)	0,21	5,41	0,34	5,2	0,95
2. Набор светодиодов (красный, синий, оранжевый, белый)	0,19	6,06	0,22	4,9	1,04
3. Набор светодиодов (красный, синий, призмы)	0,70	9,62	0,35	5,8	1,70
4. Естественное освещение (контроль)	0,10	5,01	0,05	4,5	0,25
НСР05	0,12	-	0,07	1,08	0,15

Также нужно учитывать, что с уменьшением расстояния установки снижается полезная площадь освещения. Иногда поиск компромисса занимает довольно много времени, а факт неправильного подвеса обнаруживается по внешним признакам растений.

Внешние признаки недостатка или избытка света для растений

Рекомендации по оснащению.

Несколько обязательных советов при установке светодиодного освещения в теплице:

Выбирайте модели фитосветильников с возможностью регулировки плотности светового пучка, с переключением «красный-синий» спектр. Они универсальны и могут быть отлажены для любого растения.

Используйте рефлекторы и светоотражатели. С их помощью сокращается количество требуемых излучателей, что снижает стоимость светодиодного освещения теплиц и его последующую эксплуатацию.

Включаете подсветку только тогда, когда это нужно. Чрезмерный свет не менее вреден, чем его недостаток. В зимнее время освещение теплиц должно работать около 12-16 часов в сутки, в зависимости от сорта растения.

Старайтесь обойтись меньшим количеством ламп. Лучше установить одну, подходящую по характеристикам, чем несколько менее мощных.

Для правильного развития культур, необходим и солнечный свет. Какой бы совершенной не была подсветка, заменить природное освещение она не сможет. Стремитесь взять максимум от энергии Солнца. Не размещайте теплицу в теневых местах и не загораживайте ее от солнечных лучей.

В некоторых случаях, например, для объемных теплиц и оранжерей, с множеством выращиваемых растений разных видов, целесообразно использовать комбинированную подсветки. Совмещая светодиоды для теплицы с другими типами ламп, можно добиться наиболее приемлемого результата.

Светодиодное освещение для теплиц особенно полезно в межсезонье.

Не стоит забывать и о безопасности. Теплицы относятся к местам повышенного риска поражения электрическим током. Все силовые кабели желательно прокладывать в специальных каналах, защищающих их механических повреждений и влажной среды.

Все вводы и соединения должны быть тщательно изолированы и загерметизированы от попадания влаги. Хорошо использовать трехпроводную схему подключения с защитным заземлением, во избежание несчастных случаев.

Подбор светодиодных осветителей.

Мощность светильников подбирают, исходя из площади теплицы. По нормам технологического проектирования теплиц для рассады и выращивания зелени облученность должна быть не менее 25 Вт/м2, для овощных культур в стадии плодоношения и цветов - не менее 70 Вт/м2. Оптимальные значения для большинства культур составляют 80-160 Вт/м2.

Спектр светильников и ламп подбирают, исходя из выращиваемых в теплице культур. Для рассады, ранней зелени и выгонки цветов предпочтительнее лампы с увеличенной составляющей синего света и мягкого ультрафиолета. Для выращивания ягод и овощей подходят лампы с соотношением красного и синего от 4:1 до 8:1.

Еще один важный параметр - угол освещения. Он может составлять 60, 90, 120 градусов. Светильники с углом 60 градусов подходят для направленного освещения, их обычно устанавливают над стеллажами на малой высоте. Угол 90 и 120 градусов позволяет получить более рассеянный свет, такие светильники подвешивают к потолку на цепях или кронштейнах.

При планировке теплицы и места установки светильников, важно не допустить образования темных зон. Световой поток от соседних светильников должен пересекаться.

Размещение светильников в теплице

Список использованной литературы.

Система нормативных документов в агропромышленном комплексе Министерства Сельского Хозяйства Российской Федерации, Нормы технологического проектирования селекционных комплексов и репродукционных теплиц, Нтп-Апк 1.10.09.001-02, Министерство Сельского Хозяйства Российской Федерации, Москва, 2002, разработаны ФГУП «Гипронисельпром» МСХ РФ.

«Оптимизация светодиодных систем освещения» - Джеф Перри (Jeff Perry), директор по развитию, National Semiconductor.

Епанешников, М. М. Электрическое освещение : учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений / М. М. Епанешников. - Изд. 4-е, перераб. - Москва : Энергия, 1973.

Справочная книга по светотехнике / под ред. Ю. Б. Айзенберга. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва : Энергоатомиздат, 1995.

Соболев, Е. В. Технико-экономическая оценка эффективности использования светодиодных источников света / Е. В. Соболев, А. В. Иванейчик // Актуальные проблемы энергетики : сб. материалов 63 науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов (апрель 2007 г.). - Минск, 2008.

Код для цитирования: Скопировать