CC BY
334
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
1
УДК 628.95
ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ СВЕТОДИОДНОГО ОБЛУЧАТЕЛЯ НА ЛИСТОВОЙ САЛАТ В ЗАЩИЩЕННОМ ГРУНТЕ
Ефремов Никита Сергеевич
преподаватель кафедры электроснабжения и
технической диагностики
Почтовый адрес: 424000, Республика Марий Эл,
Йошкар-Ола, пл. Ленина 1, [email protected]
ФБГОУВПО «Марийский государственный университет». Россия, Йошкар-Ола
В настоящее время искусственное облучение рассады листового салата производят газоразрядными лампами, которые имеют низкий энергетический КПД и значительную долю спектра в зеленой области. Светодиодные чипы можно подобрать таким образом, чтобы обеспечить максимум фотосинтеза листового салата с оптимальным потреблением электрической энергии
Ключевые слова: ИСКУССТВЕННОЕ ОБЛУЧЕНИЕ, СВЕТОДИОДНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ, ЗАЩИЩЕННЫЙ ГРУНТ
UDC 628.95
ESTIMATES OF THE INTENSITY OF ARTIFICIAL LIGHTING OF A LED IRRADIATOR OF LETTUCE IN GREENHOUSES
Efremov Nikita Sergeevich
lecturer of the Department of electrical and technical diagnostics
Mailing address: 424000, Republic of Mari El, Yoshkar-Ola, pl. 1 Lenin, [email protected]
FBGOU VPOMari State University, Yoshkar-Ola, Russia
Currently, artificial irradiation of lettuce seedlings is produced with gas discharge lamps that have a low energy efficiency and a significant proportion of the spectrum in the green region. LED chips can be chosen in such a way as to ensure maximum photosynthesis of lettuce with optimal consumption of electrical energy
Keywords: ARTIFICIAL IRRADIATION, LED ILLUMINATOR, PROTECTED GROUND
Рост и развитие растений тесно связаны с условиями окружающей среды. Умение создавать такие условия, соответственно требованиям растений, - залог получения высоких урожаев. Для обеспечения максимальной продуктивности растений нужно знать их отношение к факторам окружающей среды. Лучистая энергия, тепло, вода, минеральное питание и газовый состав воздуха являются необходимыми условиями для жизнедеятельности растений, поэтому для нормального роста и развития растений необходимо создать оптимальные условия. Как правило, основным фактором управления жизнедеятельностью растений в условиях светокультуры является световой фактор. Лучистая энергия, получаемая с помощью искусственных источников света - одна из наиболее затратных статей расходов на выращивание растений в условиях светокультуры. Поэтому, для экономики светокультуры важное значение имеет эффективное использование световой энергии. В то же время
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/025.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
2
интенсивность и спектральный состав света, его периодичность являются мощным фактором управления различными сторонами жизнедеятельности растений.
Однако, несмотря на значительный опыт выращивания растений при искусственном облучении, в настоящее время нет единого взгляда на оптимальные уровни облученности растений и спектральный состав излучения в ростовой зоне, применительно к определенным видам растений. Практически в каждом случае при разработке технологий круглогодичного производства того или иного вида овощной продукции, требуется создание оригинальной системы облучения, в наибольшей степени отвечающей физиологическим потребностям выращиваемых растений. При этом следует учитывать влияние способа организации светового потока на другие составляющие технологий светокультуры -температурные условия выращивания и минеральное питание растений.
Как отмечают в публикациях авторы, уровни искусственного облучения продукции листового салата варьируют в широких пределах. Так, ЗАО "Агрокомбинат "Московский" - лидер в овощной отрасли создает на кассетах листового салата от 170 до 240 мкмоль/м с [1]. В Республике Марий Эл также функционирует тепличное хозяйство ООО "Гринпрайс", которое специализируется на выращивании листового салата сорта "Ромэн". В результате измерения фотосинтетически активной радиации (ФАР) в теплицах мы получили значения от 60 до 120 мкмоль/м с. Как можно заметить, разброс в уровнях облучения значительный. Одновременно с этим в [2] упоминается, что для нормального роста зеленой культуры необходимо обеспечить 25 Вт/м2, что составляет около 120 мкмоль/м с.
Кроме того, стоит отметить, что в основном в качестве источников искусственного освещения используют газоразрядные лампы. Данный тип ламп имеет ряд недостатков, основной из которых низкий энергетический
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/025.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
3
КПД. Наиболее популярные отечественные лампы - ДНаЗ Reflux, имеют существенную долю излучения в зеленой области спектра, которой, как показали исследования, нужна в незначительном количестве. В связи с программами энергосбережения вопросы снижения издержек стоят достаточно остро [3]
Эксперименты показали, что световые кванты из диапазона ФАР неодинаково эффективны для инициирования фотосинтеза в хлоропластах листа. На основании вышеизложенного нами был разработан облучатель на базе светоизлучающих диодов, который может работать в двух режимах. Мощность светодиодного облучателя составляет 60 и 160 Вт для двух режимов, соответственно, которая приведена в таблице 1.
Таблица 1 - Технические характеристики разработанного светодиодного ____________________________облучателя____________________________
Параметр 1 режим (60 Вт) 2 режим (160 Вт)
Значение лучистого потока светодиодного облучателя, мкмоль/с 75 196
Соотношение красных / зеленых / синих светодиодных чипов по электрической мощности, % 33/25/42 78/10/12
Соотношение светоизлучающих диодов подбиралось на основании литературного обзора и требованиям к продукции листового салата. Светодиодные чипы, которые используются в облучателе, приведены в таблице 2. В результате поиска светодиодных чипов из доступных каталогов были выбраны светодиоды от фирм Philips серии Lumileds и LedEngin. LedEngin является единственной фирмой, которая может поставить ультрафиолетовые светодиодные чипы. Пятьдесят светодиодов мощностью 1 Вт выбраны от фирмы Philips, остальные красные десятиваттные и ультрафиолетовый - от фирмы LedEngin.
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/025.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
4
Таблица 2 - Характеристика светодиодного облучателя
Параметр Светодиодные чипы
Красные 1 Вт Красные 10 Вт Зеленые 1 Вт Синие 1 Вт Ультрафиолетовые 10 Вт Всего
Маркировка светодиодного чипа LXM3- PD01- 0350 LZ4- 00R200 LXML- PM01- 0100 LXML- PR01- 0500 LZ4- 00UA10
Количество светодиодных чипов, шт 25 10 15 10 1 -
Электрическая мощность, Вт 25 100 15 10 10 160
Мощность ФАР одного светодиодного чипа 0,36 2,2 - 0,52 2,2 -
Общее значение мощности ФАР, Вт 9 22 - 5,2 2,2 38,4
Общее значение плотности потока фотонов, -2 -1 мкмоль-м с 49,6 120,34 19,08 7,34 196,35
В качестве объекта облучения был выбран листовой салат сорта "Ромэн". Данный сорт салата в наше время особенно ценен как источник витаминов А и С, а также кальция и железа.
В целях исследования влияния разработанного светодиодного облучателя на продуктивность листового салата была построена лабораторная установка, вид которой дан на рисунке. Лабораторная установка состоит из двух камер длиной 2 метра и шириной 1 метр. Высота составляет 2,5 метра. Стены установки оклеены алюминиевой фольгой на бумажной основе, полы - белой жестью. Установка не герметична и имеет приток воздуха как снизу, так и сверху. За счет принудительной циркуляции воздуха в установке происходит постоянный воздухообмен. Установки расположены в помещении, изолированном от солнечного света. Помещение оборудовано вентиляторами для
обеспечения притока свежего воздуха, а также увлажнителями воздуха в
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/025.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
5
целях поддержания оптимальных температурно-влажностных
характеристик. Данное оборудование управляется таймерами.
Рисунок 1. Вид экспериментальной камеры
Опыты проводили в течение 2013-2014 гг. В качестве контрольной лампы использовали натриевые лампы ДНаЗ Reflux 400 со светильниками ЖСП 20-400, которые также используются в ООО "Гринпрайс", характеристики которой приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Спектральные характеристики ДНаЗ Reflux 400 (количество фотонов, испускаемых в данном спектральном интервале, в %
от общего числа испускаемых фотонов)
Источник света Диапазоны длин волн, нм
300-400 400-500 500-600 600-700 700-1100
ДНаз (Reflax) - 6 31 26 37
Для поджига ламп использовали электромагнитные дросселя с импульсно-зажигающими устройствами.
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/025.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
6
Температурно-влажностный режим при досветке рассады салата приведен в таблице 3.
Таблица 3 - Температурно-влажностный режим во время опытов
Камера с лампой Влажность, % Температура воздуха, день, °С Температура воздуха, ночь, °С
ДНаЗ Reflux 400 60-70 20-22 18-20
Светодиодный облучатель 60-70 20-22 18-20
Уровень облученности рассады регулировался с помощью изменения высоты подвеса светильника с лампами. Интенсивность лучистого потока проводили прибором Li-Cor 250 с относительной погрешностью 0,4 %. Отклонение облученности по отдельным точкам над ценозами не превышало ±15 % от среднего значения.
Измерения температурно-влажностного режима при досветке рассады салата проводили прибором testo 610 c относительной погрешностью 2,5 % по влажности. Абсолютная погрешность по температуре равна 0,5°С.
Для выращивания салата были применена гидропонная установка Cutting Board 27 фирмы GHE - лидера в области гидропонных технологий Европы. Установка содержит 27 отверстий для горшочков диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Однако в опыте использовали не более 18 штук. Это связано с их частым расположением и опасением, что образцы салата в процессе роста будут затенять рядом стоящие образцы. Горшочки заполняли на 50 % керамзитом, на 50 % - землей. В каждый горшочек высаживали по 3 семени. После всходов на 5 день все горшочки с рассадой выравнивали до 2-х всходов, чтобы не зависеть от процента всхожести.
Электропроводность измеряли электронным TDS метром фирмы HM Digital с относительной погрешностью в 2 %. Принцип действия измерителя жесткости воды (солемера) основан на прямой зависимости
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/025.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
7
электроводности от количества растворенных в воде соединений солей жесткости, пересчитанных в ppm (мг/л). Значение электропроводности поддерживали на уровне 1000 ppm. В качестве удобрений использовали комплексные удобрения на калии, азоте, фосфоре с добавлениями микроэлементов.
Пробы, взятые на каждый анализ, составляли по 2-3 растения салата. В каждой биологической повторности анализы брали через каждые 5 суток.
На 20-й и 40-й дни пробы салата отдавали в лабораторию Министерства сельского хозяйства Республика Марий Эл на определение качества продукции.
В первой и второй группе опытов использовали светодиодный облучатель на 60 Вт, в третьей - 160 Вт, характеристики которого приведены в таблице 1. Значения лучистого потока, измеренного над кассетами с салатом, приведено в таблице 4. Требуемое значение получали за счет изменения высоты подвеса светильника с источником света.
Таблица 4 - Значение фотосинтетически активной радиации над кассетами
салата
Опыты ДНаЗ Reflux 400 Светодиодный светильник (60 Вт) Светодиодный светильник (160 Вт)
Плотность потока фотонов, -2 -1 мкмоль-м с Плотность потока фотонов, -2 -1 мкмоль-м с Плотность потока фотонов, -2 -1 мкмоль-м с
Первая группа опытов (ПГО) 85,5 52 -
Вторая группа опытов (ВГО) 119 70 -
Третья группа опытов (ТГО) 141 - 85
Оценку образцов листового салата проводили по количественным и качественным показателям. В качестве количественного показателя был
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/025.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
8
выбран вес одной кассеты салата, качественные характеристики оценивали в лаборатории Министерства сельского хозяйства Республики Марий Эл. Оценить рост биомассы листового салата в зависимости от интенсивности искусственного освещения можно по рисунку 2. В третьей группе опытов эксперименты были остановлены на 33 день ввиду удовлетворения салата критерию товарной продукции согласно [5]. Как полагают стандарты, товарная продукция салата составляет 100 грамм.
Рисунок 2. Рост биомассы листового салата в зависимости от интенсивности искусственного освещения лампами ДНаЗ Reflux 400 и светодиодным облучателем (СДО): ПГО - первая группа опытов, ВГО -вторая группа опытов, ТГО - третья группа опытов
Оценивая рисунок 1, можно сделать вывод, что разработанный светодиодный облучатель в обоих повторностях опытов дает лучшие результаты по приросту биомассы. Как видно, при уровнях облученности в 119 мкмоль/м с, что соответствует реальным уровням на предприятии ООО "Гринпрайс", рост биомассы салата был ниже, чем за счет
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/025.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
9
светодиодного облучателя, электрическая мощность которого составляет всего 160 Вт против 400 Вт у ДНаЗ Reflux 400.
К качеству салата применены требования, которые описаны в ГОСТ Р 54703-2011 [5]. Согласно этому ГОСТ салат проверяют на нитраты по
[6], допустимая норма которых не должна превышать 3000 мг/кг для салата, выращенного в защищенном грунте. Результаты анализа отражены в таблице 5. Остальные биохимические показатели были определены с целью оценки протекания фотосинтеза. Незначительное отличие в пользу светодиодного облучателя свидетельствует о возможности замены или дополнения натриевых ламп высокого давления светодиодными облучателями.
Таблица 5 - Результаты лабораторных исследований образцов листового
салата
Показатели растений Возраст растения
20 дней 40 дней
Натриевая лампа Светодиодная лампа Натриевая лампа Светодиодная лампа
Сырая масса растения , гр 11 18 108 129
Сухое вещество, % 6,59 5,07 18,1 26,4
Каротин, мг/кг 9,66 9,20 16,28 15,9
Каротиноиды, мг /кг 11,28 11,06 203,69 208,51
Нитраты, мг/кг 919 1456 3113 1711
Стоит отметить, что листовой салат, выращенный под
разработанным светодиодным облучателем, обладал более низким содержанием нитратов, что также положительно отражает разработанный облучатель.
В настоящее время ведутся опыты по увеличению уровней облучения светодиодным облучателем, а также комбинированного облучения рассады листового салата натриевым лампами высокого давления совместно с разработанным светодиодным облучателем.
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/025.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
10
Список литературы
1. Повышение эффективности светокультуры на салатных линиях благодаря использованию светильников с лампами Reflux (на базе ЗАО “Агрокомбинат “Московский”). Ассоциация «Теплицы России» - интернет ресурс
2. НТП 10-95 Нормы технологического проектирования теплиц и тепличных комбинатов для выращивания овощей и рассады утвержден 01.07.1996 Минсельхозпрод РФ
3. Российская Федерация. Законы. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: Федер. закон: [принят Гос. Думой 11 ноября 2009 г. : одобр. Советом Федерации 18 ноября 2009 г.] // Российская газета. - 2009. - № 5050.
4. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований) - 5-е изд., доп и перераб / Б.А. Доспехов, М., Агропромиздат, 1985 г. 351 с.
5. ГОСТ Р 54703-2011 - Салат-латук, эндивий кудрявый, эндивий, эскариол свежие. Технические условия. М., Стандартинформ, 2014 г.
6. МУ 5048-89 Определение нитратов и нитритов в продукции растениеводства. М, 1989 г.
References
1. Povyshenie jeffektivnosti svetokul'tury na salatnyh linijah blagodarja ispol'zovaniju svetil'nikov s lampami Reflux (na baze ZAO “Agrokombinat “Moskovskij”). Associacija «Teplicy Rossii» - internet resurs
2. NTP 10-95 Normy tehnologicheskogo proektirovanija teplic i teplichnyh kombinatov dlja vyrashhivanija ovoshhej i rassady utverzhden 01.07.1996 Minsel'hozprod RF
3. Rossijskaja Federacija. Zakony. Ob jenergosberezhenii i o povyshenii jenergeticheskoj jeffektivnosti i o vnesenii izmenenij v otdel'nye zakonodatel'nye akty Rossijskoj Federacii: feder. zakon: [prinjat Gos. Dumoj 11 nojabrja 2009 g. : odobr. Sovetom Federacii 18 nojabrja 2009 g.] // Rossijskaja gazeta. - 2009. - № 5050.
4. Dospehov B.A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoj obrabotki rezul'tatov issledovanij) - 5-e izd., dop i Pererab / B.A. Dospehov, M., Agropromizdat, 1985 g. 351 s
5. GOST R 54703-2011 - Salat-latuk, jendivij kudrjavyj, jendivij, jeskariol svezhie. Tehnicheskie uslovija, M., Standartinform, 2014 g.
6. MU 5048-89 Opredelenie nitratov i nitritov v produkcii rastenievodstva, M, 1989 g.
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/025.pdf
