CC BY
44УДК 635.64:631.5:632.935.4
СВЕТОДИОДНЫЙ ФИТООБЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ
ТОМАТА
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ»
Аннотация. Защищенный грунт в России является одним из приоритетных и динамически развивающихся направлений сельского хозяйства. Развитие оборудования и новых технологий для выращивания овощных культур в условиях защищенного грунта в первую очередь направлены на сокращение эксплуатационных расходов и на повышение урожайности. Следовательно, разработка современных фитооблучателей на основе светодиодов является одной из приоритетных задач в развитии технологий для выращивания растений в условиях защищенного грунта. Были изучены фотосенсорные механизмы растений и определен оптимальный спектральный состав излучения, необходимый для благоприятного роста и развития овощных культур, выращиваемых в условиях закрытого грунта. Разработан энергоэффективный светодиодный фитооблучатель с оптимальным сочетанием спектра фотосинтетической активной радиации, регулируемым спектральным составом, потребляемая мощность которого в два раза меньше потребления натриевой лампой при той же мощности изучения. Фитооблучатель снабжен комбинацией светодиодов спектр излучения и мощность которых сбалансированы и согласованы с интенсивностью поглощения и ролью в фотосинтезе ключевых пигментов фотосинтетического аппарата растения хлорофиллов, каротиноидов, криптохромов и фитохромов. В результате использования фитооблучателя для облучения томата достигается высокая эффективность фотосинтеза и повышаются пищевые качества плодов.
энергоэффективность Введение.
В настоящее время в тепличных хозяйствах происходит постепенный переход от натриевых ламп высокого давления в системах досветки растений к светодиодным фитооблучателям. Благодаря применению в конструкции фитооблучателей светодиодов
А.А. Смирнов
Ключевые фотосинтетически
слова:
активная
фитооблучатель, светодиод, я радиация, томат,
различного спектрального состава, открывается возможность управления ростом и развитием растений. К тому же эффективность преобразования электрической энергии в оптическое излучение у светодиодов в 1.5-2 раза выше, чем у натриевых ламп [1]. Сбалансировав и согласовав спектр излучения и мощность светодиодов с интенсивностью поглощения и ролью в фотосинтезе ключевых пигментов фотосинтетического аппарата растения можно повысить энергоэффективность системы досвечивания.
Известно, что ключевая роль в кинетике фотохимических реакций растений принадлежит хлорофиллу, имеющему две формы, а и Ь, функциональный синергизм которых играет большую роль на всех этапах фотосинтеза [2]. Максимумы полос поглощение в этиловом эфире хлорофилла а в синей части спектра расположены в пределах 428-430 нм, в красной 660-663 нм, хлорофилла Ь - соответственно в пределах 452-455 и 642-644 нм и их коэффициенты экстинкции имеют порядок 105 М-1-см-1. В механизмах передачи энергии электронного возбуждения и переноса электрона и протона в реакциях фотосинтеза зелёных растений участвуют каротиноиды, имеющие полосы поглощения в пределах 480-530 нм, причем их коэффициенты экстинкции на два порядка меньше коэффициентов экстинкции хлорофиллов [3]. Регуляторные функции в процессе фотосинтеза выполняют в большей степени фитохромы, имеющие полосы поглощения при 660 и 730 нм и в меньшей степени криптохромы, поглощающие в синей 320-390 и зеленой 390-500 нм областях спектра [4]. При выращивании растений в теплице для выполнения регуляторных функций криптохрома достаточно солнечного излучения 300-400 нм низкой интенсивности доходящего до растений через прозрачное покрытие теплицы. На определенных стадиях роста и развития растений могут доминировать в активности фотосинтеза те или иные области фотосинтетически активного излучения из диапазона 400-800 нм [5]. В период цветения томата может оказаться продуктивным добавление красного излучения. На стадии плодоношения и созревания для томата возрастает роль зеленого излучения. В рассадный период необходимо увеличивать долю синего излучения для предотвращения вытягивания рассады.
Изучение фотосенсорных механизмов растений помогает определить оптимальный спектральный состав излучения, необходимый для благоприятного роста и развития овощных культур, выращиваемых в условиях закрытого грунта, смоделировать и спроектировать светильники, отвечающие их требованиям.
Цель работы: розработка комбинированного светодиодного фитооблучателя с повышенной фотосинтетической активностью, регулируемым спектральным составом, низким энергопотреблением и
несложным в эксплуатации при выращивании культуры томата.
Основная часть.
Известен способ и устройство для освещения растений, спектр излучения которого включает диапазоны: синий (С) 400-500 нм, зеленый (З) 500-600 нм и красный (К) 600-700 нм при соотношениях С/З/К (20%)/(20%)/(60%) [6]. Известный способ освещения осуществляется с помощью металлогалогенной лампы высокого давления с добавками ряда элементов. Недостатками данного способа являются отсутствие полосы излучения в дальней красной области и несбалансированность относительно спектра поглощения растением интенсивностей полос излучения, вследствие чего облучатель потребляет избыточную электроэнергию и его корпус сильно нагревается.
Известны универсальные светодиодные светильники для облучения томата, огурца, кабачков и других овощей при выращивании их в теплицах, имеющие следующее распределение интенсивности в спектре излучения по длинам волн: 450 нм - 25%, 660 нм - 62%, 730нм - 13% [7]. Светильник не требует дополнительного охлаждения, так как его конструкция содержит радиатор. Суммарный фотонный поток светильника может меняться от 100 до 400 ммоль/с и мощность от 45 до 180 Вт за счет изменения числа светодиодов в устройстве от 24 до 96 шт. и его габаритов от 220х170х130 до 820х170х130, соответственно. Недостатками данного светильника являются: отсутствие зеленой полосы в спектре его излучения, несбалансированность интенсивности его излучения в синей, красной и дальней красной областях спектра относительно спектра поглощения растением томата. Светильник имеет также громоздкую конструкцию, особенно при высоких мощностях облучения, что создает сильный экранирующий эффект при облучении растений солнечным светом.
Известен осветительный прибор для ускорения роста растений [8]. Прибор содержит один или несколько синих светодиодов, имеющих собственное излучение в области 400-500 и 440-500 нм с максимумами при 450 и 470 нм соответственно. Излучение данных светодиодов частично преобразуется с помощью люминофоров в излучение в диапазонах 500-800 и 600-800 нм. Предпочтительная доля преобразования излучения синих светодиодов составляет 35-65%. При этом используют один или более материалов (люминофоров), обеспечивающих преобразование излучения светодиодов и помещенных вблизи излучающих светодиодов. В качестве люминофоров используют органический и/или неорганический материал, технология изготовления и нанесения на светодиод достаточно сложна и трудоемка.
К недостаткам известного осветительного прибора относится
следующее:
- грубое распределение интенсивности излучения прибора - 6535% в синей области и 35-65% в красной области без должной корреляции интенсивностей полос в спектре излучения с интенсивностью полос поглощения пигментами фотосинтетического аппарата растения и спектральными предпочтениями томата;
- низкий поток фотонов разной энергии вследствие использования одного светодиода для генерации излучения во всех областях спектра;
- с учетом того, что в зеленой области расположен максимум спектра видимого излучения солнца, ошибочным является заключение о незначительной роли излучения 500-600 нм в механизме фотосинтеза и не включение этой области в спектр излучения прибора;
- сложная и трудоемкая технология изготовления и нанесения материала люминофоров на кристалл светодиода, ограничивающая промышленное применение прибора.
В лаборатории светотехники ФГБНУ ФНАЦ ВИМ разработан светодиодный фитооблучатель для выращивания томата [9], содержащий корпус со светоизлучающими элементами которые состоят из комбинации светодиодов, спектр излучения и мощность которых сбалансированы и согласованы с интенсивностью поглощения и ролью в фотосинтезе ключевых пигментов фотосинтетического аппарата растения хлорофиллов, каротиноидов, криптохромов и фитохромов, при этом комбинация включает пять типов светодиодов с полушириной спектра излучения 20-30 нм и максимумами полос излучения в пределах диапазонов синий 434-450 нм, красный 630-632 нм и 660-670 нм, и дальний красный 730-735 нм, причем часть синих светодиодов сочетается с люминофором с максимумом переизлучения в зеленой области спектра 500-600 нм, а распределение мощности излучения по областям спектра составляет синий 15-20%, зеленый 15-20%, красный 50-55%, дальний красный 1015%.
Конструкция, электро- и теплофизика фитооблучателя оптимизированы по параметрам, определяющим тепловые режимы и эффективность излучения на единицу электроэнергии.
На рисунке 1 представлена электрическая схема и общий вид светодиодного фитооблучателя, а на рисунке 2 представлен спектр излучения фитоблучателя для стадии плодоношения и обозначены полосы излучения светодиодов - синяя (С), красная (К), дальняя красная (ДК) и полоса люминесценции люминофора в зеленой области
(З).
Рисунок 1. Электрическая схема и общий вид светодиодного облучателя
Светодиодный фитооблучатель для выращивания томата, содержит корпус 1, в котором расположены синие светодиоды 2 с излучением 410-500 нм, красные светодиоды 3 с излучением 600-650 нм, красные светодиоды 4 с излучением 650-700 нм, дальние красные светодиоды 5 с излучением 700-800 нм, синие светодиоды с люминофором 6 с максимумом преизлучения в зеленой области спектра 500-600 нм и регулируемый источник питания 7. Суммарный спектр излучения фитооблучателя покрывает область 410-800 нм, что соответствует спектрам поглощения пигментов фотосинтетического аппарата растения хлорофиллов, каротиноидов, фитохромов и криптохромов.
Фитооблучатель питается стабилизированным током от регулируемого источника питания 7. Светоизлучающие элементы создают непрерывный спектр излучения 410-800 нм и имеют четыре характерных пика излучения с длинами волн 434-450 нм, 630-632 нм, 660-670 нм, и 730-735 нм с полушириной 20-30 нм. Пики излучения и соответствующие им интенсивности подобраны так, чтобы они были сбалансированы и согласованы с интенсивностью поглощения и ролью в фотосинтезе ключевых пигментов фотосинтетического аппарата растения в первую очередь хлорофиллов, каротиноидов и фитохромов. Недостающее излучение низкой интенсивности 300-400 нм для выполнения регуляторной функции криптохрома растения получают от солнечного излучения, проходящего через покрытие теплицы. Регулируемый источник питания 7 позволяет изменять в пределах ±5% интенсивность излучения каждой группы светодиодов в зависимости
от стадии роста и развития растений. В рассадный период увеличивают долю синего излучения до 20% для предотвращения вытягивания рассады, в период цветения томата увеличивают красное излучение до 55%, на стадии плодоношения увеличивают зеленое излучение до 20%.
Рисунок 2. Спектр излучения фитоблучателя для стадии плодоношения
Светодиодным фитооблучателем (LED) облучали два сорта томата «Императрица» и «Т-34», предназначенные для выращивания в теплицах в осенне-зимний период. Для сравнения использовали облучатель с натриевой лампой высокого давления (HPS). LED и HPS облучатели размещали в одинаковых фитотронах. Облученность в обоих фитотронах была установлена 45-50 Вт/м2 при 16-ти часовом световом периоде и температуре воздуха 22/17°С (день/ночь). Потребляемая мощность облучателей LED и HPS составляла 220 и 440 Вт соответственно. Для измерения облученности и анализа спектра излучения применяли спектрофотометр ТКА-Спектр ФАР. По мере роста растений производили регулировку спектрального состава излучения LED. Спектральный состав излучения LED в период плодоношения представлен на рисунке 1, а в спектре HPS были слабые полосы при 460, 500 нм и интенсивная полоса при 600 нм. В таблице 1 представлены результаты анализов плодов томата.
Таблица 1 - Результаты анализов плодов томата
Облучатель (гибрид) Сухое в-во, %, г/100г Моносахара, %, г/100г Аскорбинов ая кислота, мг/100г Нитрат ы NO3-, мг/кг Урожай с одного растения, кг
LED 1,97
(Императри ца) 7,85 3,37 30,80 95
HPS 1,98
(Императри ца) 7,38 3,34 27,10 75
LED (Т-34) 5,55 2,57 24,64 118 3,29
HPS (Т-34) 5,12 2,14 26,40 118 2,79
Эффективность фотосинтеза оценивали по концентрации фотосинтетических пигментов в листьях растений (таблица 2).
Таблица 2 - Концентрация фотосинтетических пигментов в листьях томата
Образец томата (облучатель) Хлорофилл (мг/г) Каротино иды ск Антоциа ны Слн
са сь (мг/г)
D (Императрица) 0,94 0,53 2,32 2,5
S (Императрица) 0,69 0,55 2,98 <0,1
D (Т-34) 2,78 1,09 0,75 2,6
S (Т-34) 2,43 1,04 0,71 <0,1
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что эффективность фотосинтеза у растений томата, выращенных под светодиодным фитооблучателем LED выше, чем у растений, выращенных под облучателем HPS. При сравнимой продуктивности и пищевых качествах плодов томата обоих гибридов, выращенных под HPS- и LED-облучателями энергозатраты на килограмм продукции в случае LED-облучателей в 2 раза ниже [10, 11].
Заключение.
В результате использования фитооблучателя для облучения томата достигается высокая эффективность фотосинтеза, повышаются пищевые качества томата и снижается энергопотребление фитооблучателя за счет того, что светодиодный фитооблучатель снабжен комбинацией светодиодов спектр излучения и мощность
которых сбалансированы и согласованы с интенсивностью поглощения и ролью в фотосинтезе ключевых пигментов фотосинтетического аппарата растения хлорофиллов, каротиноидов, криптохромов и фитохромов.
Список использованных источников
1. Yuferev L., Sokolov A. Energy-Efficient Lighting System for Greenhouse Plants. Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development. IGI Global. 2018.
2. Тютерева Е.В., Иванова А. Н., Войцеховская О.В. К вопросу о роли хлорофилла b в онтогенетических адаптациях растений // Успехи современной биологии. 2014. Т. 134. N3. С. 249-256.
3. Суковатая И. Е. и др. Фотобиофизика. Красноярск. СФУ. 2008. 438 с.
4. Головацкая И.Ф. Роль криптохрома 1 и фитохромов в регуляции фотоморфогенетических реакций растений на зеленом свету // Физиология растений. 2005. N6. С. 822-829.
5. Тихомиров А.А., Шарупич В.П., Лисовский Г.М. Светокультура растений: биофизические и биотехнологические основы. Новосибирск.: Сибирское отделение РАН. 2000. 213 с.
6. Патент №2040829 РФ, МПК А0Ш 9/26 Установка для облучения растений / Минаев И.Ф.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество "Лисма" СИС и ЭВС, №93031667/07, заявл. 15.06.1993 опубл. 27.07.1995 г., Бюл. №21.
7. Светодиодные светильники для теплиц. Электронный ресурс. Заголовок с экрана. Режим доступа: http://ledoxi.ru/svetodiodnyye-svetilniki-dlya-teplits Дата обращения 10.09.2019г.
8. Патент №2543979 РФ, МПК F21K 99/00 Осветительный прибор / Айкала Ларс; заявитель и патентообладатель Валоя Ой. №2012113409/07, заявл. 16.09.2010 опубл. 10.03.2015. Бюл. № 7
9. Патент №2695812 РФ, МПК F21K99/00 Светодиодный фитооблучатель для выращивания томата / Смирнов А.А.; заявитель и патентообладатель ФГБНУ ФНАЦ ВИМ. №2018122109, заявл. 18.06.2018; опубл. 30.07.2019 Бюл. № 22.
10. Смирнов А.А., Холманский А.С. Зависимость фотосинтеза пигментов и продуктивности томата от спектрального состава облучателя // Научная жизнь. 2017. №10. С. 14-19.
11. Mironyuk S.S., Smirnov A., Sokolov A., Proshkin Y. Optimization of spectral composition and energy economy effectiveness of phyto-irradiators with use of digital technologies // Handbook of Research on Energy-Saving Technologies for Environmentally-Friendly Agricultural Development. IGI-Global. 2020. Pp. 191-212.
Смирнов Александр Анатольевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, alexander8484@inbox.ru, +79057236219;
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 109428, РФ, г. Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5
LED PHYTO IRRADIATOR FOR GROWING TOMATO
AA. Smirnov
Abstract. Protected soil in Russia is one of the priority and dynamically developing areas of agriculture. The development of equipment and new technologies for growing vegetables in greenhouses is primarily aimed at reducing operating costs and increasing productivity. Therefore, the development of modern phyto-irradiators based on LEDs is one of the priority tasks in the development of technologies for growing plants in greenhouses. The photosensory mechanisms of plants were studied and the optimal spectral composition of radiation necessary for the favorable growth and development of vegetable crops grown in closed ground was determined. An energy-efficient LED phytoradiator has been developed with the optimal combination of the photosynthetic active radiation spectrum, adjustable spectral composition, the power consumption of which is half that of a high-pressure sodium lamp at the same study power. The phyto-irradiator is equipped with a combination of LEDs whose emission spectrum and power are balanced and consistent with the intensity of absorption and the role in the photosynthesis of key pigments of the photosynthetic apparatus of the plant chlorophylls, carotenoids, cryptochromes and phytochromes. As a result of using a phyto-irradiator for irradiating a tomato, high photosynthesis efficiency is achieved and the nutritional quality of fruits is increased.
Key words: phytoradiator, LED, photosynthetically active radiation, tomato, energy efficiency
Alexander Smirnov, Cand. tech. sci, senior research associate Federal scientific Agroengineering center VIM, 109428, Russian Federation, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5.
