Светодиоды и интенсивная светокультура растений

Продолжающийся прогресс светодиодной техники с проявлением все более реальных возможностей использования ее преимуществ вызвал серию публикаций по проблемам интенсивной светокультуры [1–6]. Авторы настоящей публикации, ранее работавшие в этой сфере [7–8], считают, что по целому ряду объективных причин наступил некий пограничный момент, когда реальное внедрение светодиодной техники в тепличное хозяйство может дать ощутимые положительные результаты.

Самым распространенным и общепринятым способом оценки возможности внедрения новой техники является сравнение ее со «старым аналогом» по критерию окупаемости Т_ОК:

Т_ОК = С_Н.П. × n_Н.П.–С_С.П. × n_С.П./Ц_эл × t(n_С.П. × Р_С.П.–n_Н.П. × Р_Н.П.),             (1)

где: С_Н.П. и С_С.П. — стоимости нового и старого изделий; Р_Н.П. и Р_С.П. — мощности нового и старого изделий; n_Н.П. и n_С.П. — число изделий в осветительной установке (ОУ); Ц_эл — стоимость электроэнергии; t — время работы ОУ в год.

Строго говоря, числитель должен учесть разницу в сроке службы старого и нового изделия, разные затраты на утилизацию отработавших облучателей и другие различия по обслуживанию ОУ. Здесь для упрощения указанные детали мы опускаем, оценивая новые изделия по минимуму преимуществ.

Наиболее просто (1) работает, когда в новой и «старой» установке одинаковое число изделий n_Н.П. = n_С.П.. Тогда:

Т_ОК = (С_Н.П.–С_С.П.)/Ц_элt(Р_С.П.–Р_Н.П.).      (2)

В [1], где авторы начали новый, весьма своевременный диалог, была допущена одна неточность: только при условии равной производительности (продуктивности) установок n_Н.П. = n_С.П..

Напомним, что метод оценки производительности тепличной ОУ при постоянной величине фотосинтетически активной радиации (ФАР) в видимой области спектра (400–700 нм) был предложен нами в 2001 г. [8].

Уточненные (см. далее) выражения по определению продуктивности N (кг/м²) работают во всем диапазоне экспериментов, проведенных в Красноярске [9]:

N_ТОМАТЫ = 0,12e_с+0,08e_з+0,21e_к,        (3)

N_ОГУРЦЫ = 0,05e_с+0,38e_з+0,28e_к,        (4)

где: e_с — облученность в синей области спектра (400–500 нм); e_з — облученность в зеленой области спектра (500–600 нм); e_к — облученность в красной области спектра (600–700 нм).

Эксперименты [9] проведены при облученности в области ФАР, равной 100 Вт/м², фотопериодический режим облучения — 14–16 ч в сутки с густотой посадки огурцов 10 растений/м², томатов — 6 растений/м². Остальные подробности агротехники можно найти в [9] и в весьма авторитетной библиографии в той же работе.

Следует заметить, что абсолютная величина урожайности N зависит от уровня общей агрокультуры; однако соотношения N в функции спектрального распределения e_с/e_з/e_к будут оставаться близкими к (3)–(4) в одном хозяйстве.

Современные теплицы используют только разрядные лампы, причем большая их часть — натриевые лампы высокого давления (ДНаТ) [1, 2]. Эти лампы обладают высокой световой отдачей (до 140 лм/Вт) и большим сроком службы, приближающим их к светодиодам (СД).

Поэтому быть СД в теплицах или не быть — решается в сравнении СД с ДНаТ. В таблице 1 представлены некоторые технико-экономические характеристики указанных групп облучателей.

Из таблицы 1 следует, что самым дорогим излучением в СД является один «зеленый» ватт, имеющий минимальный поток в ФАР. В этой таблице мы не приводим данные по ресурсам «конкурентов», а также затраты на утилизацию ламп и электронных компонентов обоих типов облучателей, так как приемлемые сроки окупаемости новых предложений должны укладываться в сроки <5 лет (т. е. заведомо ниже ресурса конкурентов).

Заметим, что оценки по стоимости облучателей с ДНаТ не вызывают сомнения, они проверены и рынком, и практикой эксплуатации; стоимость СД взята из практики закупки мелких партий чипов, смонтированных в виде модуля на различных структурах (шестигранник, «звездочка» и др.), а также анализом стоимости СД-светильников различных фирм («Галад», «Световые технологии» и др.). Вся последняя выставка «Интерсвет» (ноябрь 2013 г.) — сплошные СД; хотя очевидно, что в любой комбинации в светильнике с СД 1 Вт подведенной электрической мощности стоит сейчас 150 руб. и выше, а 1 Вт электрической мощности в светильнике аналогичного назначения с разрядной лампой — 10–15 руб.

Даже весьма оптимистичные построения СД-аналогов облучателей на ДНаТ (снижение зеленой составляющей излучения, сильная прибавка красной компоненты ФАР, приближение урожайности конкурентов) не оставляет сейчас никаких шансов СД-облучателям. СД стоят дорого, и срок окупаемости при их применении не может быть менее 7–9 лет. Гигантская разница в стоимости сравниваемых облучателей сейчас может быть скомпенсирована созданием комбинированных облучателей [4] либо использованием дополнительного светодиодного облучения.

В качестве примера приведем логику создания комбинированного облучателя, который должен заменить облучатель на базе ДНаТ 400 в теплице по выращиванию томатов.

Комбинированный облучатель можно строить и на МГЛ и на ДНаТ. Для начала выбираем ДНаТ 250.

По (3) N_ТОМАТЫ = 9,6 кг/м² для облучателя с ДНаТ 250. Дефицит по сравнению с ДНаТ 400 составляет 5,8 кг/м². Этот дефицит может быть скомпенсирован добавкой красной составляющей излучения в 27 Вт лучистой энергии. Это означает, что к мощности 250 Вт (ДНаТ 250) нужно добавить 53–55 Вт мощности с помощью светодиодов (таблица 1).

Таким образом, комбинированный облучатель должен быть мощностью около 300 Вт, иметь производительность 15,4 кг/м² и стоимость порядка 11 000 руб. (стоимость облучателя с ДНаТ 250 + стоимость СД-добавки).

Воспользовавшись (2) и приняв t = 5475 ч и Ц_эл = 3,3 руб/кВт·ч, получаем Т_ОК = 4,4 года.

Некоторые характеристики комбинированных светильников (облучателей) приведены в таблице 2.

Нам представляется, что при массовом внедрении таких облучателей использование многочиповых модулей (например, линейчатых) может серьезно снизить стоимость СД-части облучателя, а Т_ОК приблизить к одному-двум годам. Это, на наш взгляд, не только сигнал к попыткам серьезного сравнительного фотобиологического эксперимента, но и к более общим подходам к внедрению СД-технологий.

В таблице 3 приводятся параметры комбинированных светильников с существенно более качественными цветовыми характеристиками и более низкими ценами, чем светильники с СД.

Таким образом, сложившаяся «классическая» система сравнения старых (как правило, разрядных) и нарождающихся технологий должна быть дополнена: оба направления находятся на путях сращивания и «помощи» друг другу в этот еще очень длительный переходный период.