Штучне освітлення рослин
Штучне підсвічування, зокрема фітолампи застосовуються для створення потрібних умов світлолюбним посівам, або у разі створення декоративних композицій із залученням рослин.
Для вирощування рослин під штучним освітленням здебільшого використовують електричні джерела світла, розроблені навмисно для заохочення росту рослин завдяки випромінюванню хвиль електромагнітного спектру, сприятливих для фотосинтезу. Джерела фітоактивного освітлення використовуються за цілковитої відсутності природного світла або його нестачі. Наприклад, у першій половині зими і в похмурі дні упродовж всього холодного півріччя, коли тривалості світлового дня недостатньо для зростання рослин, штучне освітлення дозволяє збільшити тривалість їх світлового опромінення.
Штучне освітлення повинне забезпечувати той спектр електромагнітного випромінювання, що рослини в природі отримують від Сонця, або, у разі неможливості його забезпечення — спектр тих кольорів, які потребує рослина на даному щаблі розвитку. Вуличні умови створюються не лише шляхом підбору колірної температури світла і його спектральних характеристик, але й за допомогою зміни яскравості світіння ламп. Залежно від виду вирощуваної рослини, її щаблю розвитку (проростання, зростання, цвітіння чи дозрівання плодів), а також поточного фотоперіоду потрібен особливий спектр, світлова віддача і колірна температура джерела світла.
Джерела штучного світла застосовуються у садівництві (лісовідновленні), під час озеленення приміщень, вирощування посівного матеріалу, у виробництві їжі (в тому числі гідропоніки й вирощування водоростей). Попри те, що більшість джерел фітоактивного світла розроблено для застосування у промислових масштабах, можливе їх застосування і в побуті.
Згідно закону обернених квадратів, інтенсивність світлового випромінювання спадає обернено пропорційно до квадрату відстані до джерела світла. Якщо, наприклад, відстань до лампи подвоїти, то інтенсивність світла, що досягає об'єкта, зменшиться вчетверо. Цей закон слугує серйозною перешкодою для садівників, тож багато зусиль вони мусять спрямовувати на поліпшення розповсюдження світла. Фермери використовують усілякі відбивачі, що дозволяють зосередити світло на невеликій площі, намагаються висаджувати саджанці якомога ближче один до одного, роблять усе для того, аби якомога значніша частина випромінювання потрапляла на площини листків, а не розсіювалася в просторі.
Джерелами світла можуть слугувати лампи розжарення, люмінесцентні лампи (ЛЛ), газорозрядні лампи (ГР), індукційні лампи, а також світлодіоди. Наразі професіонали здебільшого використовують газорозрядні і люмінесцентні лампи. У приміщеннях теплиць зазвичай встановлюють натрієві лампи високого тиску (НЛВТ) або металгалогенові (МГ) лампи, останні, щоправда, все частіше стали замінювати на люмінесцентні через їх вищу продуктивність та ощадливість.
Металгалогенові лампи часом використовують на першому (вегетативному) щаблі росту рослин, оскільки такі лампи випромінюють достатню кількість синього світла, що сприяє зростанню зеленої маси на перших порах розвитку рослини; водночас МГЛ мають найбільше випромінювання в околі жовтого кольору.
Натрієві лампи високого тиску (НЛВТ) використовуються на другому (репродуктивному) щаблі росту, оскільки їх випромінювання має червонуватий відтінок. Червоний спектр сприяє цвітінню й утворенню плодів. Якщо ж натрієві лампи використовувати під час вегетативного росту, рослини розвиваються й ростуть скоріше, але при цьому відстані між міжвузлями у них більші й загалом рослини виявляються вище. Рослина може витягнутися, а якщо й не буде яскраво вираженого витягування, то, наприклад, везти розсаду буде набагато складніше, якщо вона така росла.
Інколи тип лампи не міняють, а застосовують увесь час МГЛ з додаванням червоного спектру або НЛВТ з додаванням синього спектру.
Останнім часом з'явилися джерела фітоактивного освітлення на основі світлодіодів. Шляхом поєднання діодів різних кольорів отримують світильники, що годиться і під час вегетації, й у репродуктивний період. НАСА вже провело успішні експерименти з вирощування їжі в космосі послуговуючись світлодіодними світильниками.
Природне денне світло має високу колірну температуру (приблизно 5000-5800 С). Колір видимого світла змінюється залежно від погоди і ВС (кута висоти Сонця), а також конкретних кількостей світла (у люменах), що пожвавлює фотосинтез. Відстань планети від Сонця, яка дещо змінюється залежно від пори року, мало впливає на сезонні зміни якості і кількості світла і обумовлену ними поведінку рослин під час цих сезонів. Вісь Землі не перпендикулярна до площини її орбіти навколо Сонця. У середині року Північний полюс нахилений у бік Сонця, але північна півкуля отримує майже прямі сонячних промені й довгий день, а Південна півкуля отримує косе сонячне світло під час короткого дня, до того ж косі промені мусять пройти більший шлях атмосферою, перш ніж досягнути поверхні Землі. У іншій половині року все відбувається навпаки. Колірна гама видимого світла, випромінюваного Сонцем, майже не змінюється, лише кількість (більше влітку і взимку менше) і якість в цілому світла, що досягає поверхні Землі. Індекс передавання кольору дозволяє порівнювати, наскільки впритул світло, відповідає природному кольору звичайного сонячного світла.
Різні проміжки росту рослин вимагають відмінних спектрів. Початкова вегетативна стадія вимагає синього спектру світла, тоді як пізніше під час цвітіння необхідніші промені з червоно-помаранчевого спектру.
Здатність рослин поглинати світло змінюється залежно від біологічних видів і навколишнього середовища, однак взагалі вимірювання для якості світла, як це впливає на рослини в номінальної вартості, або фотосинтетично активної радіації (ФАР). Це вимірює корисну світлову енергію, одержувану рослиною, і окремі вимірювання стосуються спектрів синьої та червоної частини світлого спектру, відкидаючи при цьому частково зелені та жовті ділянки, з яких рослини зазвичай не здатні отримати вигоду.
Фотосинтетично активна радіація (PPFD) — частина сонячної радіації в межах від 400 до 700 нм, яка використовується рослинами для фотосинтезу. Ця ділянка спектру більш або менш відповідає області видимого випромінювання. Фотони із більш короткою довжиною хвилі несуть надто багато енергії, тому можуть пошкодити клітини (у випадку сонячного випромінювання вони відфільтровуються озоновим шаром у стратосфері). Кванти із великими довжинами хвиль несуть недостатньо енергії і тому не використовуються для фотосинтезу більшістю організмів. Інтеграл денного освітлення (англ. Daily Light Integral, скор. DLI) — кількість фотосинтетично активної радіації, яку рослина отримує протягом дня. Являє собою функцію інтенсивності світла (миттєве світло: мкмоль·м−2·с−1) й часу (доби). Виражається як моль світла на квадратний метр у день, тобто моль·м−2·день−1
Керамічні металогалогенні лампи є порівняно новим джерелом ШОР. Існує думка, що вони є достатньо вигідними джерелами світла для росту рослин для установок середніх потужностей.
Металогалогенні лампи випромінюють в синій частині спектру й непогано замінюють умови весняного та літнього природного освітлення. Але зараз вони виготовляються зокрема у версії з цифровим баластом, імпульсним стартом і можуть бути приведені в будь-який спектр від холодного білого кольору (7000 С) до теплого білого (3000 С) і навіть важкого ультрафіолету (10000 С). Металогалогенні лампи широко використовуються в садівництві.
Звичайні лампи розжарювання випромінюють в червоно-жовтій частині спектру й мають низьку колірну температуру (приблизно 2700 K). Лампи такого типу не застосовуються як фітоосвітлювальні, а тільки для підсвічування рослин у інтер'єрі. Деякі лампи розжарювання мають маркування «grow lights» і покриті світлофільтром синього кольору, що зменшує кількість випромінюваного червоного світла. Лампи зі світлофільтром не мають особливих переваг, оскільки фільтр лиш затримує частину випромінювання в червоній області спектру. Такі фітолампи мають короткий строк служби близько 750 годин й украй недоцільні через енергетичну витратність.
Колірна температура сучасних люмінесцентних лампи може коливатися в широких межах: від 2700 K до 7800 K. Стандартні люмінесцентні лампи можна застосовувати для вирощування овочів, трав чи розсади. Стандартні лампи виробляють удвічі більше світлової енергії на одиницю електричної потужності, аніж лампи розжарювання й мають ресурс безперервної роботи порядку 20000 годин. Інколи як фітолампи використовують менш доцільні, але дешеві люмінесцентні лампи холодної колірної температури.
Високоефективні люмінесцентні лампи виробляють вдвічі більше світлової енергії, ніж стандартні лампи. Спеціальна форма світильника з дуже тонким профілем особливо вигідна під час використання у парниках з обмеженою висотою. Високоефективні люмінесцентні лампи видають близько 5000 Люкс на 54 Вт потужності й випускаються як з теплим колірним відтінком (2700 K), так і з холодним (6500 K). Запас роботи таких ламп становить близько 10000 годин.
Компактні люмінесцентні лампи — це зменшені копії люмінесцентних ламп, які використовують як під час вирощування розсади як у будинку, так і у великих теплицях. Компактні люмінесцентні лампи використовуються зі спеціальними рефлекторами, які направляють світло на рослини, точно так само як і ГР-лампи. Випускаються у варіантах: теплий/червоний (2700 K), денне світло (5000 K) і холодний/синій (6500 K) колірних відтінках. Запас роботи компактних люмінесцентних фітоламп становить близько 10000 годин.
Натрієві лампи високого тиску мають жовте свічення (2200 K) з дуже низьким індексом передачі кольору 22. Як правило, такі лампи використовуються на пізніх (або репродуктивних) стадіях росту. Якщо використовувати фітолампи такого типу на ранніх стадіях вегетативного росту, рослини ростуть трохи швидше, ніж зазвичай. Зворотнім боком цього процесу, є занадто висока і розлога рослина з довгими міжвузлями. Це може призвести навіть до витягування, а в кращому випадку просто додасть багато роботи при перевезенні розсади або змусить установлювати підпори тощо. Натрієві лампи високого тиску прискорюють процес утворення квіток і плодів у рослин. Рослини використовують червоно-помаранчеву частину спектру НЛВД-ламп з репродуктивною метою, що дозволяє отримувати більш високі врожаї трав, овочів, фруктів або квітів. Інколи рослини зорово, через особливості колірного відтінку ламп, виглядають блідими і нездоровими.
Натрієві лампи високого тиску мають тривалий час служби й у шість разів більшу світловіддачу на 1 Вт електроенергії, ніж звична лампа розжарювання. Зважаючи на високу ефективність натрієвих ламп, їх використовують як додаткову підсвітку в теплицях, де необхідну їм частину синього спектру рослини отримують з природного освітлення. Але у високих широтах, де період нестачі сонячного світла дуже тривалий, НЛВТ повинні поєднуватися з іншими джерелами світла для правильного росту. НЛВТ-освітлення може приваблювати комах чи інших шкідників, що може становити загрозу для ростучих рослин. Натрієві лампи високого тиску випромінюють багато тепла, що може викликати витягування стебел, хоч у разі належного контролю температури повітря ця проблема не так актуальна.
У складаній НЛВТ/МГ лампі в одному рефлекторі поєднується металогалогенна колба, з натрієвою колбою високого тиску, до того ж може використовуватися спільний баласт або два індивідуальних баластних пристрої. Комбінація синьої металогалогенової і червоної натрієвої ламп високого тиску, є непоганою за спектральним складом й доцільною у рослинництві, хоча насправді становить середину між двома становищами. Лампи такого типу коштують дорожче, а служать менше. Через невеликий розмір ламп, охоплювана світловою плямою площа, виявляється значно менша тієї, що виходить у разі використанні стандартних ГР-ламп.
Останні розробки в світлодіодній галузі дозволили виробляти недорогі, яскраві, придатні для довгої служби джерела фітоосвітлення. Значною перевагою світлодіодних джерел є можливість отримання монохроматичного випромінювання у фітоактивній частині спектру. Привабливість світлодіодів для вирощування рослин в приміщеннях обумовлена багатьма факторами. Серед них: низька електрична потужність, відсутність баласту, низьке тепловиділення, що дозволяє встановлювати світлодіоди впритул до рослин без побоювань пошкодити їх. Також варто зазначити, що використання світлодіодів знижує випаровування, призводячи до подовження проміжків між поливами.
Існує кілька активних ділянок спектру: для хлорофілу і каротиноїдів. Тож у світлодіодному світильнику може поєднуватися декілька кольорів, що перекривають ці фітоактивні ділянки.
Рекомендації щодо доцільного поєднання світлодіодів сильно різняться. Наприклад, у одному з джерел, для якомога більшого росту і здоров'я рослин рекомендується наступна пропорція: «12 червоних світлодіодів з довжиною хвилі 660 нм та 6 помаранчевих світлодіодів з довжиною хвилі 612 нм, і один синій світлодіод з довжиною хвилі 470 нм».[1].
Також є дослідження, у яких на період вегетативного росту радиться надавати перевагу світлодіодам синього кольору (з довжиною хвилі поблизу середини спектру 400—500 нм). Для росту плодів і квітів радять збільшити частку світлодіодів глибоко червоного відтінку (з довжиною хвилі близько 660 нм). Слід відзначити, що точність під час вибору довжини хвилі червоних світлодіодів важливіша, ніж під час вибору світлодіодів синього спектру. Звичайні червоні світлодіоди з довжиною хвилі 630 нм низькопродуктивні. Червоні фітосвітлодіоди мають кармазин, оксамитове світіння. Дослідження показали корисність додаткового підсвічування рослин світлодіодами інфрачервоного й ультрафіолетового спектрів. При змішуванні червоного і синього світла виходить світло пурпурового (рожевого) чи бузкового відтінку. Зелене світло при штучному освітленні рослин може застосовуватися з метою прикрасити теплицю чи для зведення нанівець незручностей для очей від пурпурового світіння фітосвітлодіодів, або ж для полегшення окомірного контролю зелених пагонів і стану ґрунту, оскільки очі людини найкраще розрізняють дрібниці саме в зеленій частині спектру. Фотосинтетична продуктивність зеленого світла украй низька через високий ступень відбиття променів даного спектру хлорофілом.
Потужність світлодіодів, одержуваних за старою технологією, становила соті частки вата, що не дозволяло ефективно замінювати ними ГР-лампи. Сучасні ж удосконалені світлодіоди володіють потужністю, що обчислюється десятками й навіть сотнями ват, що робить їх гідною альтернативою ГР-лампам.
Потужність і продуктивність фітосвітлодіодів продовжує зростати. Світлодіоди попереднього покоління мали потужність 1 Вт. Наразі у фітосвітильниках широко використовуються світлодіоди потужністю 3 Вт і 5 Вт. Промислові підприємства та окремі одержимі цією проблемою виготовляють світильники на світлодіодах потужністю до декількох кіловат.
| Категорія |
тип |
Світлова віддача (лм/Вт) | ККД[2] |
|---|---|---|---|
| На основі горіння | Свіча | 0,3[3] | 0,04 % |
| газовий пальник | 2[4] | 0,3 % | |
| Лампа розжарення | 5 Вт лампа накалювання (120 В) | 5 | 0.7 % |
| 40 Вт лампа накалювання (120 В) | 12.6[5] | 1.9 % | |
| 100 Вт лампа накалювання (120 В) | 16.8[6] | 2.5 % | |
| 100 Вт лампа накалювання (220 В) | 13.8[7] | 2.0 % | |
| 100 Вт галогенна лампа (220 В) | 16.7[8] | 2.4 % | |
| 2.6 Вт галогенна лампа (5.2 В) | 19.2[9] | 2.8 % | |
| Кварцова галогенна лампа (12-24 В) | 24 | 3.5 % | |
| Високотемпературна лампа | 35[10] | 5.1 % | |
| Люмінесцентна лампа | 5-24 Вт компактна флюоресцентна | 45-60[11] | 6.6-8.8 % |
| T12 лінійна, з магнітним баластом | 60[12] | 9 % | |
| T8 лінійна, з електронним баластом | 80-100[12] | 12-15 % | |
| T5 лінійна | 70-100[13] | 10-15 % | |
| Світлодіод | Білий світлодіод | 10 — 97[14][15][16] | 1.5-13 % |
| Білий органічний світлодіод | 102 [джерело не вказане 4376 днів] | 15 % | |
| Прототип світлодіода | до 254[17] | до 35 % | |
| Дугова лампа | Ксенонові газорозрядні лампи | 30-50[18][19] | 4.4-7.3 % |
| Дугові ртутні металогалогенні лампи | 50-55[18] | 7.3-8.0 % | |
| Газорозрядна лампа | Натрієва лампа високого тиску | 150[20] | 22 % |
| Натрієва лампа низького тиску | 183[20] — 200[21] | 27-29 % | |
| Лампа на галогенідах металів | 65-115[22] | 9.5-17 % | |
| 1400 Вт Сірчана лампа | 100 | 15 % | |
| Теоретична межа | 683,002 | 100 % |
У кожної рослини особливі вимоги до освітлення для правильного розвитку. Тож джерела штучного світла мусять створювати умови освітлення, до яких пристосована рослина. Що більша рослина, то більше світла їй необхідно. За нестачі світла рослина припиняє ріст, попри усі старання й створення інших достатніх і необхідних умов.
Наприклад, овочеві культури ростуть найкраще за природного денного освітлення, тому для вирощування з підсвіткою їм потрібне постійне інтенсивне джерело світла, таке як люмінесцентна або металогалогенна лампа. Листяні рослини (наприклад, філодендрон) ростуть в умовах постійного затінення, для нормального росту їм не потрібно багато світла, тому буде достатньо звичайних ламп розжарювання.
Рослинам необхідне чергування темних і світлих («фото»-) періодів. З цієї причини освітлення має періодично вмикатися й вимикатися. Оптимальне співвідношення світлих і темних періодів залежить від виду і сорту рослини. Так деякі види воліють довгі дні й короткі ночі, а інші навпаки. До прикладу, баклажан — загалом світлолюбний, але якщо світити на нього понад 14 годин яскравою лампою — може й не зацвісти взагалі.
Освітленість, що вимірюється в люксах (лк), є важливою характеристикою для вирощування рослин у приміщеннях. Освітленість визначає кількість світла, що потрапляє на поверхню. Один люкс чисельно дорівнює одному люмену світла, що приходиться на один квадратний метр площі (лм/м2). Для офісного приміщення достатньо освітленості 400 лк.
Однак освітленість є світловою величиною, тобто характеризує світло відповідно до його здатності викликати зорові відчуття у людини і відповідним чином залежить від спектрального складу світла. Тому освітленість погано підходить для використання під час визначення ефективності систем освітлення у садівництві. Замість цього використовуються інші величини, такі як опромінення (енергетична освітленість), висловлюване у Вт/м2, або фотосинтетично активна радіація (ФАР).
Фотоелектрична комірка, як і клітини листа під час фотосинтезу, поглинає фотон світла й перетворює його енергію на електричну. Однак сонячний елемент на відміну від листа рослини виконує завдання перетворення набагато краще. Наприклад, звичайний сонячний елемент перетворює на електричну енергію принаймні 10 % світла, яке на нього потрапило. З іншого боку, в ході фотосинтезу, на енергію перетворюється близько 0,1 % отриманого світла.
Електростимуляція підвищує врожайність[23][24]. Закладка до ґрунту сталевих дротів збагачує його іонами заліза й призводить до збільшення врожайності, а у разі закладання мідних або алюмінієвих дротів, рослини гинуть під впливом великих доз йонів міді та алюмінію[25]. Мідь має біоцидні властивості[26][27].
- Колірна температура
- Закон випромінювання Планка
- Емісійний спектр
- Довжина хвилі
- Люмінофор
- Спектр поглинання
- Хлорофіл
- ↑ Patent US6921182 - Efficient LED lamp for enhancing commercial and home plant growth – Google Patents. Google.com. Процитовано 26 лютого 2013.
- ↑ Нормированный так, чтобы максимальное значение составляло 100 %.
- ↑ 1 кандела*4π стерадіан/40 Вт
- ↑ US patent # 5079473, Waymouth, John F., "Optical light source device", published September 8, 1989, issued January 7, 1992. col. 2, line 34.
- ↑ Keefe, T.J. (2007). The Nature of Light. Архів оригіналу за 1 червня 2012. Процитовано 5 листопада 2007.
- ↑ How Much Light Per Watt?. Архів оригіналу за 21 квітня 1999. Процитовано 17 лютого 2015.
- ↑ Bulbs: Gluehbirne.ch: Philips Standard Lamps (German). Архів оригіналу за 15 травня 2012. Процитовано 17 лютого 2015.
- ↑ Osram halogen (PDF). www.osram.de (нім.). Архів оригіналу (PDF) за 7 листопада 2007. Процитовано 28 січня 2008.
{{cite web}}: Cite має пустий невідомий параметр:|7=(довідка) - ↑ Osram Miniwatt-Halogen. www.ts-audio.biz. Архів оригіналу за 17 лютого 2012. Процитовано 28 січня 2008.
{{cite web}}: Cite має пустий невідомий параметр:|7=(довідка) - ↑ Klipstein, Donald L. (1996). The Great Internet Light Bulb Book, Part I. Архів оригіналу за 1 червня 2012. Процитовано 16 квітня 2006.
- ↑ China energy saving lamp. Архів оригіналу за 17 лютого 2012. Процитовано 16 квітня 2006.
- ↑ а б Federal Energy Management Program. How to buy an energy-efficient fluorescent tube lamp. — U.S. Department of Energy, 2000. — 1 грудня.
- ↑ Department of the Environment, Water, Heritage and the Arts, Australia. Energy Labelling—Lamps. Архів оригіналу за 24 січня 2007. Процитовано 14 серпня 2008.
{{cite web}}: Cite має пустий невідомий параметр:|5=(довідка) - ↑ Klipstein, Donald L. The Brightest and Most Efficient LEDs and where to get them. Don Klipstein's Web Site. Архів оригіналу за 17 лютого 2012. Процитовано 15 січня 2008.
- ↑ Cree launches the new XLamp 7090 XR-E Series Power LED, the first 160-lumen LED!. Архів оригіналу за 17 лютого 2012. Процитовано 17 лютого 2015.
- ↑ Cree XM-L;. Архів оригіналу за 3 червня 2012. Процитовано 17 лютого 2015.
- ↑ Cree Sets New R&D Performance Record with 254 Lumen-Per-Watt Power LED. Cree, Inc. Press Release. 12 квітня 2012. Архів оригіналу за 27 червня 2012. Процитовано 17 лютого 2015.
- ↑ а б Technical Information on Lamps (pdf). Optical Building Blocks. Архів (PDF) оригіналу за 27 жовтня 2007. Процитовано 14 жовтня 2007.
{{cite web}}: Cite має пустий невідомий параметр:|6=(довідка) Note that the figure of 150 lm/W given for xenon lamps appears to be a typo. The page contains other useful information. - ↑ OSRAM Sylvania Lamp and Ballast Catalog. 2007.
- ↑ а б LED or Neon? A scientific comparison. Архів оригіналу за 9 квітня 2008. Процитовано 17 лютого 2015.
- ↑ Why is lightning coloured? (gas excitations). Архів оригіналу за 17 лютого 2012. Процитовано 17 лютого 2015.
- ↑ The Metal Halide Advantage. Venture Lighting. 2007. Архів оригіналу за 17 лютого 2012. Процитовано 10 серпня 2008.
- ↑ Ю.Н. Куценко - Моделирование электрического поля в грунте, созданного системой заряженных металлических штырей.
- ↑ Ю.Н.Куценко, А.Е.Пиротти, Е.Л.Пиротти - моделирование стационарного электрического поля, взаимодействующего с семенами и корневой системой сельскохозяйственных культур в грунте.
- ↑ Ксенз Николай Васильевич, Сидорцов Иван Георгиевич, Степанчук Геннадий Владимирович, Белоусов Александр Васильевич - Влияние естественных электрических полей на урожайность сельскохозяйственных культур.
- ↑ Цицуашвили Виктория Сергеевна, Минкина Татьяна Михайловна, Невидомская Дина Георгиевна, Раджпут Вишну Даял, Манджиева Саглара Сергеевна - Воздействие наночастиц меди на растения и почвенные микроорганизмы (обзор литературы).
- ↑ Ужас Шемура - экологическая катастрофа на Северном Урале.
- Освітлення // Енциклопедія рослин садових та кімнатних : довідкове видання / уклад. С. В. Ануфрієва. — Донецьк : Глорія Трейд, 2013. — С. 5. — 224 с.
 |