Методы оценки качественных характеристик светодиодных световых приборов для растений

В агропромышленном комплексе на облучение растений затрачивается около 20% всей потребляемой электрической энергии [1]. Нормативно-правовая база, ориентированная на ресурсоэффективность [2], и непрекращающийся рост тарифов на электрическую энергию стимулируют заполнение рынка светотехнической продукции энерго­эффективными источниками излучения, в том числе светодиодными.

Областей применения светодиодов становится все больше. В настоящее время уже никого не удивишь световым прибором для растений (фитосветильником) на базе светодиодов. Он используется для стимуляции роста и развития растения при полном отсутствии или дефиците естественного света, например в зимний период.

Светодиодные фитосветильники производит множество фирм. Большинство предлагаемых приборов имеют две узкие спектральные полосы в синей (400–500 нм) и красной (600–700 нм) областях. Практикуется применение метода «отверточной сборки» без проработки научно-технических основ. Оценка фитохарактеристик является важнейшим этапом процесса проектирования фитосветильника.

Только такая часть оптического диапазона, как область фотосинтетически активной радиации (ФАР), способствует развитию растения [3, 4]. ФАР — это часть излучения видимого оптического диапазона, к которому растение наиболее восприимчиво и которое необходимо и достаточно для обеспечения жизнедеятельности и образования биомассы в процессе фотосинтеза [3, 5–8]. Принятый за рубежом диапазон ФАР в 400–700 нм несколько отличается от отечественных 380–710 нм [4, 6, 7, 9, 10], 380–720 нм [11]. Однако данное различие несущественно отражается на измерении ФАР [4].

Измерение лучистой энергии, падающей на растения и поглощаемой ими, исключительно важно для облучательной техники. ФАР измеряется энергетическими и световыми величинами [7]. Оценка ФАР по световым величинам усложнена из-за необходимости пересчета. Об отсутствии среди исследователей единого подхода к определению ФАР свидетельствует разнообразие встречающихся в научной литературе величин, характеризующих падающее на растения и воспринимаемое ими оптическое излучение. Например, в отечественной литературе можно встретить следующие единицы измерения: кал·см^–2·мин^–1 [4], Эйнштейн/см², эрг·см^–2·с^-1 [7, 11, 12]; интенсивность ФАР, Вт/м² [13, 14].

За рубежом распространена оценка растениеводческих ИИ по потоку фотонов. Зарубежные исследователи указывают значения плотности фотосинтетического потока фотонов в мкмоль·м^–2·с^–1 (mmol·m^-2·s^–1) [5, 15]. Такой подход требует корреляции числа фотонов с количеством молекул вещества, способных его воспринять. Число фотонов, равное числу Авогадро (N_А = 6,026×10²³ моль^–1), принято в качестве единицы фотонного потока, получившей название «Эйнштейн». Но вместо такого наименования нередко используется термин, являющийся его синонимом, — «моль квантов» [3]. Отсутствие единого подхода к измерению потока фотонов, безусловно, связано с отсутствием официальной единицы измерения фотонного потока в международной системе СИ [16].

Стоит отметить, что применять различные единицы для оценки эффективности фитосветильников очень неудобно, поскольку требуется проводить трудоемкий пересчет при анализе результатов исследований. Кроме того, затрудняется сравнение уже полученных различными авторами результатов исследований эффективности воздействия на растения оптических излучений, особенно при использовании разных типов источников света и различных видов растений.

В публикациях приводятся разрозненные данные в отношении методов оценки ФАР. Многие исследователи предлагают свои методы, которыми они активно пользуются, но сводная информация отсутствует, поэтому здесь будут рассмотрены наиболее распространенные.

Один из самых простых способов оценки ФАР — измерение с помощью квантовых датчиков, несколько разновидностей которых представлено на рынке. Ниже будет рассмотрен принцип действия таких приборов на примере модели LI-190SA производства компании Li-Cor [5, 16]. Фактически данный датчик позволяет измерять уровень падающего на растение облучения в области ФАР. Точность измерений датчика достигается благодаря учету спектральной чувствительности растений, включенной в алгоритм обработки прибора. Проведение измерений в нужном спектральном диапазоне обеспечивается применением системы стеклянных фильтров. Чтобы исключить попадание на датчик инфракрасного излучения, вызывающего серьезные погрешности измерений, используется интерференционный фильтр. В результате спектральная характеристика (рис. 1) квантового датчика (рис. 2) совпадает с областью ФАР [5].

Рис. 1. Спектральная характеристика квантового датчика LI-190SA

Данный датчик позволяет измерять ФАР в энергетических величинах (Вт·м^–2), а также определять плотность фотосинтетического потока фотонов (мкмоль·м^–2·с^–1), что очень удобно для дальнейших преобразований и обработки результатов измерений.

Рис. 2. Квантовый датчик LI-190SA

Кроме того, стоит отметить, что такие датчики эффективнее и точнее измеряют ФАР, чем уже используемые популярные датчики, что подтвердили проведенные эксперементы [17].

Энергетические и фотометрические величины существенно различаются способом их регистрации. Следовательно, очень важным вопросом является пересчет световых величин в энергетические. Данная методика пересчета [18] содержит измерение освещенности на облучаемой поверхности и дальнейший пересчет полученного значения в энергетические величины.

Данный метод оценки ФАР основан на определении спектральной плотности энергетической (габаритной) яркости светодиодных модулей стандартными методами с использованием ламп с известной цветовой температурой. Его основой является определение плотности фотосинтетического потока фотонов [19].

Данный метод пересчета энергетических величин в фотонные основан на уравнении Планка. В этом методе происходит оценочный расчет ФАР по известной мощности источника света и стандартным величинам [20].

Чтобы упростить сравнительную оценку эффективности различных источников излучения по известным спектральным характеристикам, предложен метод [21, 22], в котором используется корреляция между фотометрическими, энергетическими и фотосинтезными величинами. Лучистый, фотосинтезный и фотонный потоки рекомендуется рассчитывать посредством светового потока.

В общем, есть пять распространенных методов оценки ФАР. Первый из них является наиболее простым и не требующим дополнительных расчетов. Согласно характеристикам квантового датчика, погрешность измерения не превышает 5%. Но стоит отметить, что для реализации такого метода необходимы дорогие датчики. Все остальные методы требуют дополнительных расчетов, не всегда понятных с первого раза. Точность таких расчетов будет завесить от многих факторов и, естественно, отличаться в каждом из методов.

Оценка доли фотосинтетически активной радиации в излучении источников различного спектрального состава является актуальной задачей при исследовании воздействия излучения на растения. Также важно выяснить, можно ли применять метод оценки ФАР в программном обеспечении для проведения светотехнических расчетов (DIALux, Relux, ArCon, LightWave и др.), поскольку в таких программах используются стандартные световые и энергетические величины, которые не годятся для оценки качества фитосветильников. Для этих целей рекомендуется методика, предложенная Малышевым, а также методика, основанная на сравнении спектра излучения светодиодного источника света со спектром излучения эталонного источника света с известным распределением энергии излучения в спектре, потому что в них предлагается сравнительная оценка эффективности различных источников оптического излучения по известным спектральным характеристикам.                      

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 14-08-00109. Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России: государственное задание в сфере научной деятельности № 8.2500.2014/К.