Современные LED-фитоизлучатели для тепличных технологий

15. Новиков Н.С, Жжоных A.M. Влияние материала с изменяющимся фазовым состоянием на прочность гипсовых образов. // Вестник Науки и Творчества. 2016. № 1 (1). С. 90-92.

16. Назиров Р.А, Новиков Н.С, Жжоных A.M. Исследование влияния низкого вакуума на теплопроводность различных строительных материалов. // Science Time. 2016. № 1 (25). С. 349-356.

УДК 621.321

DOI 10.1555/2409-3203-2018-0-14-173-180

СОВРЕМЕННЫЕ LED-ФИТОИЗЛУЧАТЕЛИ ДЛЯ ТЕПЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Долгих Павел Павлович

к.т.н., доцент кафедры агроинженерии ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ Ачинский филиал Россия, г. Ачинск Хусенов Гулмирзо Наврузович аспирант кафедры системоэнергетики ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ Россия, г. Красноярск

Аннотация: В работе подчеркивается необходимость применения облучателей для управления продукционным процессом в тепличных технологиях. Произведена классификация облучательных установок по способу применения. Рассмотрены четыре схемы облучения на базе LED-фитоизлучателей: высотная досветка, стеллажная технология, боковая досветка, решения для закрытых объемов. Установлено, что компании производители облучателей предлагают на выбор «рецепты досветки» -различные комбинации спектра, интенсивности, времени досветки, равномерности и способов размещении. Это позволяет управлять специфичными параметрами растения, такими как компактность, интенсивность окраски, ветвление, стимуляция цветения. Благодаря таким характеристикам светодиодные производственные модули фирмы Philips нашли широкое применение в фитотронах, вегетационных шкафах и камерах, климатических камерах. Анализ информации по материалам изобретений и полезных моделей позволил установить, что научная и инженерная мысль движется в сторону создания систем облучения, адаптирующихся под физиологию растений, за счет регулирования характеристик облучателей.

Ключевые слова: Теплицы, технологии облучения, LED-фитоизлучатели, светодиодные модули, управляемое растениеводство, урожайность, качество растений.

MODERN LED-PHYTOPHYSIS FOR GREENHOUSE TECHNOLOGIES

Pavel P. Dolgikh

Ph.D, Associate Professor of the department of agroengineering Achinsk branch of the Krasnoyarsk State Agrarian University Russia, the city of Achinsk Gulmirzo N. Khusenov

post-graduate student of the department of system-energetics Krasnoyarsk State Agrarian University Russia, the city of Krasnoyarsk

Abstract: The work emphasizes the need to use irradiators to manage the production process in greenhouse technologies. Classification of irradiation units by the method of application is made. Four irradiation schemes based on LED-phvto-radiators: high-altitude illumination, shelf technology, side illumination, solutions for closed volumes are considered. It is established that the manufacturers of irradiators offer a choice of "prescription lights" - various combinations of spectrum, intensity, time of illumination, uniformity and placement methods. This allows you to manage specific plant parameters, such as compactness, color intensity, branching, flowering stimulation. Thanks to such characteristics, LED production modules from Philips have found wide application in phvtotrons, vegetation cabinets and chambers, climatic chambers. The analysis of information on the materials of inventions and utility models made it possible to establish that scientific and engineering thought is moving toward the creation of irradiation systems that adapt to the physiology of plants by regulating the characteristics of irradiators.

Keywords: Greenhouses, irradiation technology, LED-phvto-emitters, LED modules, managed crop production, yield, plant quality.

Технологии выращивания растений в защищенном грунте требуют применения высокоэффективных источников оптического излучения (ОИ), облучателей, облучательных установок (ОбУ).

В настоящее время уделяется большое внимание развитию промышленной светокультуры, в частности, интенсивной светокультуры растений с широким использованием искусственных источников излучения.

Повышение эффективности использования излучения искусственных источников фотосинтетически активной радиации при выращивании растений в сооружениях защищенного грунта является актуальной задачей, позволяющей решить продовольственную проблему.

Облучатели для теплиц условно можно разделить на четыре типа по способу применения (рисунок 1).

I ?

• г

Кг

it ^j. • I»j .» ВШ£алвНВ8

Тепличные High Bay прямого света

IЁ^Л

Линейные для стеллажей

Линейные для боковой досветки

Решения для закрытых объемов

Рисунок 1 - Типы тепличного облучения

В тепличных High Bay технологиях прямого излучения широкое применение находят облучатели фирмы Philips GreenPower LED toplighting [1] (рисунок 2), которые

являются следующим шагом в разработке и применении особых рецептов выращивания для увеличения урожайности и улучшения качества растений. Верхняя светодиодная досветка является высокоэффективным способом и предполагает уровни облученности 40-300 мкмоль/м2 с. Систему Philips GreenPower LED toplighting можно использовать как прямую замену традиционной досветки или как энергоэффективное дополнение к ней. И даже более важно, что хозяйства, ранее не имеющие возможности использования досветки в своих теплицах, сейчас получают возможность получить все преимущества от нее: эти доказанные преимущества от светодиодной досветки есть даже в низкоэффективных теплицах.

Также компания производитель предлагает на выбор «рецепты досветки» -различные комбинации спектра, интенсивности, времени досветки, равномерности и позиционировании - это было разработано в течение многих лет сотрудничества с тепличными хозяйствами, университетами и исследователями для оптимизации выращивания. Это сделало возможным управление специфичными параметрами растения, такими как компактность, интенсивность окраски, ветвление, стимуляция цветения и другие.

Рисунок 2 - Модуль Philips GreenPower LED toplighting: внешний вид и способы расположения

Еще один интересный продукт производится компанией DH Licht GmbH -инновационный облучатель LED-KE 300 с пятью цветами спектра [2] (рисунок 3).

о)

430 ^----' зоо и

00000

МО 420

Длина волны нм

00

too МО МО »0 «44 >00 >40 »0

Длина волны нм

Рисунок 3 - Облучатель LED-KE 300: а - внешний вид; б - кривая силы света; в -спектры действия; г - плотность фотосинтетического потока фотонов

В дополнение к возможности адаптации излучения по мере необходимости к культурам и видам или этапам роста отдельных растений излучение дает производителям и исследователям возможность изменить поведение культур в светокультуре. В некоторых исследовательских проектах были получены интересные результаты с узкополосными фотонными пучками светодиодов.

Разнообразные области применения, например садоводство, садоводческие научно-исследовательские институты, фенотипирование и климатические камеры, практически не ограничены. При подключенной нагрузке 300 Вт светодиод-КЕ 300 генерирует 569 мкмоль/м2 излучения PAR. Это 1,9 мкмоль на ватт в очень широком спектре. С программным обеспечением ViSuSpectrum 2.0 спектр белого (6500 К), синего (440+465 нм), красного (660 нм) и темно-красного (730 нм) цвета по желанию может быть объединен по интенсивности и соотношению. Последняя технология драйвера с гибридной системой затемнения обеспечивает управление амплитудой без мерцания для работы светодиодов со скоростью 30% до 100%. От 1% до 30% мощности, затемнение возможно с использованием широтно-импульсной модуляции. Блоки драйвера и светодиодные печатные платы монтируются в высококачественном алюминиевом корпусе из анодированного алюминия и закрыты анодированными алюминиевыми фрезерованными деталями. Оба корпуса могут быть подключены без инструментов или установлены отдельно. Это обеспечивает максимальную гибкость при установке. Электрические соединения двух корпусов, а также электропитания, включая сигнал DALI, выполняются через 5-полюсную подключаемую систему Wieland с сертификацией ГР 65. Встроенные мощные светодиоды, печатные платы и все другие компоненты выполнены в

о нз к о о S нз № fcl сг К Р) to

Германии. В LED-KE 300 однозначно пересмотрены все компоненты. Угол пучка 80° определяется технологией линз светодиода, поэтому не требуется рефлектор, снижающий эффективность. Размеры: 330x298x203 мм. Вес: 12 кг

Линейные LED-излучатели для стеллажей. Для достижения наилучших результатов растения требуют специального облучения на разных стадиях роста и в разное время суток. Светодиодный исследовательский модуль Philips GreenPower доступен в красных, синих, белых и дальних красных версиях. Красно-синий и белые являются наиболее важными цветами для роста сельскохозяйственных культур, тогда как красный - едва видимый человеческому глазу, влияет на развитие конкретного растения. С модулями в этих четырех цветах теперь можно применить оптимальный световой рецепт на каждом этапе роста урожая. В GreenPower LED research module оператор сможет сам решить, сколько красного, сколько синего и сколько белого излучения необходимо растениям на любой момент времени [3] (рисунок 4). Специально разработанная оптическая система светодиодного модуля GreenPower обеспечивает равномерное распределение света по полкам, что означает, что каждое растение получает одинаковый уровень и качество излучения.

а)

Cpot игам МО часе«

Couu ш ослом :otmuMC ptfi№iMia

сагтодволоа  прите «поет m :и<кхш

Вояиокп ciuuu пшьюга алоик

ренета «а строив pavuraaae соетолаояте

acciuouiuKiw мотма ш вужл иморгт

ш Kuucuni  sjt au

Hs-ta •.•лого лжи tea ыох\лн требует почти

пологе обегу аяыдо

С геоеяа маши IPW

ко>ффкшкет шаносп со«

Ваоллое марилам 400 В оеремгкмого сом

Рисунок 4 - Облучатель GreenPower LED research module: а) конструкция и характеристики; б) регулирование интенсивности и цвета

Линейные излучатели для боковой досветки. Светодиодные излучатели GreenPower имеют светодиоды с обеих сторон, поэтому они могут сразу облучать два ряда растений [4] (рисунок 5). Целью облучения является хорошее распределение излучения и помощь в распределении тепла на всех растениях. До сих пор основное внимание уделялось обеспечению равномерного облучения на горизонтальной поверхности. Однако он гораздо эффективнее, если учитывать и вертикальный размер, особенно при выращивании таких растений, как томаты и огурцы.

В зависимости от требуемого уровня облученности могут быть два или более модулей, расположенных выше друг друга. Все растения могут быть облучены в тех местах, где они получают наибольшую пользу. Различные испытания продемонстрировали, что это позволяет значительно улучшить и повысить эффективность выращивания растений, поскольку обеспечиваемое излучение может быть более эффективно преобразовано в сахара, строительные блоки растения.

105 Вт энергии

Рисунок 5 - Линейные излучатели для боковой досветки GreenPower: а) внешний вид и характеристики; б) установка в одну линию; в) установка в две линии

Приметается GreenPower в комбинации с подсветкой Philips LED GreenPower или Philips MASTER GreenPower плюс 1000 Вт для усиления эффекта.

Решения для закрытых объемов. В светодиодном производственном модуле Philips GreenPower специально спроектировали отражающую оптику, которая минимизирует дорогие потери энергии и обеспечивает равномерное распределение облученности по полкам, поэтому каждое растение получает одинаковый уровень и качество излучения. Это приводит к лучшему, более однородному качеству и более прогнозируемому урожаю [5] (рисунок 6а).

Благодаря своей светодиодной технологии и оптимизированному тепловому дизайну, светодиодный производственный модуль GreenPower излучает очень мало тепла по отношению к растениям. Это означает, что в многоярусных стеллажах слои могут быть расположены близко друг на друга, что позволяет более эффективно использовать пространство. В большинстве случаев это также означает, что требуется меньшее охлаждение. Кроме того, благодаря пассивному воздушному охлаждению модуля никаких дополнительных инвестиций в водоснабжение и дренаж не требуется.

Преимущества светодиодов выходят далеко за рамки экономии энергии, но, глядя на энергию в теплицах, потенциальные сбережения огромны - до 75% при сопоставимых уровнях облученности (мкмоль/с м2). Существующая установка с 2x36 Вт или 2x58 Вт может быть заменена только одним производственным модулем светодиодов GreenPower, обеспечивающим сопоставимый уровень облученности (рисунок 66).

г*36жттЯЛ 2'Я мтт ДЛ 1 'СгжР*та LED

С лЭглд» аадьви ПРЛ с «лргфом« тгтмым ПРЛ модуль DR3 110

исслс-ггх t unii L3D. - wcutBCtk • mi ал змшммш ..«ми с г-.4кц-икным ПРЛ мзяюе?* х ксгтвх 2 г. зюоаеаттоа Jfur с .-Jed СМИДЖПОЛ! ПРЛ

Рисунок 6 - Светодиодный производственный модуль Philips GreenPower: а) внешний вид с характеристиками; б) сравнение с люминесцентными источниками излучения

Интегрированный электронный светодиодный драйвер обладает лучшей в своем классе эффективностью, тем самым снижая общее производство тепла и тем самым увеличивая количество потока фотонов на ватт входной мощности. Дизайн для отвода тепла из светодиодов также был оптимизирован для гарантированного длительного срока службы и минимальной амортизации светового потока. Сами светодиоды предлагают наивысшую производительность на рынке, а оптический дизайн модуля гарантирует, что почти ни один мкмоль/с потока не будет потерян. Все эти факторы в совокупности обеспечивают эффективность системы, как правило, 2,2 мкмоль/Дж.

Светодиодные решения работают намного дольше, чем обычные источники излучения - в пять раз больше, поэтому вы будете тратить меньше времени и денег на их замену. К концу срока службы облучатель выдает до 90% начального потока фотонов. Номинальный срок службы 25000 часов. После этого номинального срока службы модуль все еще функционирует должным образом, а снижение эффективной отдачи будет продолжаться в аналогичной тенденции. Номинальный срок службы до 70% от начального потока фотонов составляет более 50000 часов.

Благодаря таким характеристикам светодиодные производственные модули Philips GreenPower нашли широкое применение в фитотронах, вегетационных шкафах и камерах, климатических камерах.

Анализ информации по материалам изобретений и полезных моделей [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15] позволил установить, что научная и инженерная мысль движется в сторону создания систем облучения, адаптирующихся под физиологию растений, за счет регулирования характеристик облучателей.

Список литературы:

1. Каталог Philips Система верхней светодиодной досветки Philips GreenPower LED toplighting. Новейшее средство для выращивания. Дата выпуска 02.2014. 12 с.

2. LED-KE 300 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.dhlicht.de/led-ke-300 (Дата обращения 12.02.2018).

3. Каталог Philips Philips GreenPower LED research module. Tune the light to meet the specific needs of each crop. Дата выпуска 01.2015. 5 с.

4. Каталог Philips GreenPower LED interlighting. Light between the plants. Дата выпуска 07.2015. 12 с.

5. Каталог Philips GreenPower LED production module. LED lighting for multilayer cultivation. Дата выпуска 07.2015. 12 с.

6. Пат. № 148495 Российская Федерация, МПК F21S2/00. Светодиодный облучатель для растений / Лямцов А.К., Валяев Д.Б., Сорокина И.В.; заявитель и патентообладатель Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской Академии Сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии). -№2014124252; заяв. 17.06.2014. Опубл. 10.12.2014. Бюл. № 34.

7. Пат. № 148457 Российская Федерация, МПК7 F21S2/00. Лабораторный многоспектральный светодиодный облучатель для растений / Лямцов А.К., Валяев Д.Б., Сорокина И.В.; заявитель и патентообладатель Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской Академии Сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии). - №2014124253; заяв. 17.06.2014. Опубл. 10.12.2014. Бюл. № 34.

8. Пат. № 103704 Российская Федерация, МПК7 A01G9/26. Светодиодный облучатель для растениеводства / Седов В.П., Распопов С.С.; заявитель и патентообладатель общество с ограниченной ответственностью «Воля». -№2010153876; заяв. 27.04.2011; Опубл. 27.04.2011. Бюл. № 12.

9. Пат. № 107449 Российская Федерация, МПК7 A01G9/20. Светодиодный облучатель для растениеводства (варианты) / Седов В.П., Распопов С.С.; заявитель и патентообладатель общество с ограниченной ответственностью «Воля». -№2011111773; заяв. 30.03.2011; Опубл. 20.08.2011. Бюл. №23.

10. Пат. № 136127 Российская Федерация, МПК7 F21S13/00. Светодиодный облучатель для растениеводства / Симоненко Н.В., Галкин A.C., Матросов С.А., Харитонов Т.В.; заявитель и патентообладатель РЕИСО КОНСУЛТИНГ ЛТД. -№2013106171; заяв. 13.02.2013; Опубл. 27.12.2013. Бюл. № 36.

11. Пат. 142791 Российская федерация, МПК7 A01G 9/20. Энергосберегающий светодиодный фитооблучатель / Ракутько С.А., Пацуков А.Э., Таличкин C.B.; заявитель и патентообладатель ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. - №2013148497/13; заяв. 30.10.13; опубл. 10.07.2014. Бюл. №19.

12. Пат. 159034 Российская Федерация, МПК7 F21K 99/00. Установка осветительная светодиодная с изменяемой светоцветовой средой / Ашрятов А.А, Вишневский С. А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева». - №2014147714/07; заяв. 26.11.2014; опубл. 27.01.2016. Бюл. №3.

13. Пат. 168490 Российская Федерация, МПК7 F21V 33/00. Фитосветильник для улучшенного роста растений / Орлов К.А.; заявитель и патентообладатель Орлов Кирилл Александрович. -№2016121937; заяв. 02.06.2016; опубл. 06.02.2017. Бюл. №4.

14. Пат. 92250 Российская Федерация, МПК7 A01G 9/24. Светодиодный осветитель растений (СИДОР) / Марков В.Н; заявитель и патентообладатель Марков Валерий Николаевич. -№2009133013/22; заяв. 03.09.2009; опубл. 10.02.2010. Бюл. №4.

15. Sanginov М.Н., Husenov G.N. LED feeds for the greenhouse technology // Youth scientific and educational potential in solving actual problems of the XXI century: Scientific journal / Resp.compiler A.N. Poluboyarinova. - Vol. 4. - Krasnoyarsk: TOROS - 2016. - P. 186-188.

♦