Авторы настоящей публикации, ранее работавшие в сфере интенсивной светокультуры, считают, что по целому ряду объективных причин наступил некий пограничный момент, когда реальное внедрение светодиодной техники в тепличное хозяйство может дать ощутимые положительные результаты.

Светодиоды и интенсивная светокультура растений

№ 1(27)’2014
PDF версия
Авторы настоящей публикации, ранее работавшие в сфере интенсивной светокультуры, считают, что по целому ряду объективных причин наступил некий пограничный момент, когда реальное внедрение светодиодной техники в тепличное хозяйство может дать ощутимые положительные результаты.

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 ТОК:

ТОК = СН.П. × nН.П.СС.П. × nС.П./Цэл × t(nС.П. × РС.П.nН.П. × РН.П.),             (1)

где: СН.П. и СС.П. — стоимости нового и старого изделий; РН.П. и РС.П. — мощности нового и старого изделий; nН.П. и nС.П. — число изделий в осветительной установке (ОУ); Цэл — 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 nН.П. = nС.П.. Тогда:

ТОК = (СН.П.СС.П.)/Цэлt(РС.П.РН.П.).      (2)

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

NТОМАТЫ = 0,12eс+0,08eз+0,21eк,        (3)

NОГУРЦЫ = 0,05eс+0,38eз+0,28eк,        (4)

где: eс — облученность в синей области спектра (400–500 нм); eз — облученность в зеленой области спектра (500–600 нм); eк — 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 eс/eз/eк 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.

Таблица 1. Технико-экономические характеристики некоторых групп облучателей

Параметры

Тип облучателя

Потребляемая
мощность Р, Вт

Поток в ФАР F, Вт

Соотношение потоков
Fс/Fз/Fк, Вт

Цена, тыс. руб.

Изготовитель/
Поставщик

Тепличные облучатели с ДНаТ серии ЖСП (с лампой)

ДНаТ 250

250

79,1

8,5/48/22,6

2–3

ООО «Рефлакс»

ДНаТ 400

400

136,7

14,7/83/39

3–4

ДНаТ 600

600

190

20,5/115/54,5

4–5

Светодиоды

λ = 455–465 нм

1

0,45

0,45/-/-

0,154

«Прософт»

λ = 520–525 нм

 

0,12

-/0,12/-

0,132

λ = 625–630 нм

 

0,50

-/-/0,50

0,158

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) NТОМАТЫ = 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 Цэл = 3,3 руб/кВт·ч, получаем ТОК = 4,4 года.

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

Таблица 2. Параметры комбинированных облучателей

Параметры

Тип изделия

Потребляемая мощность, Вт

Соотношение потоков Fс/Fз/Fк, Вт

Стоимость, руб.

Область применения

Комбинированный облучатель
на базе ДНаТ 250

300

8,5/48/76

11 000

Теплицы

Комбинированный облучатель
на базе ДНаТ 400

473

14,7/83/73

14 000

Нам представляется, что при массовом внедрении таких облучателей использование многочиповых модулей (например, линейчатых) может серьезно снизить стоимость СД-части облучателя, а ТОК 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.

Таблица 3. Параметры и цена комбинированных светильников

Параметры

Тип ОП

Потребляемая
мощность ОП Р, Вт

Световой поток Ф, лм

Цветовая температура ТЦВ, К

Соотношение цен комбинированных ОП/ОП с СД, руб.

Область применения

Светильник на базе ДНаТ 70

110

6 800

4000

5 500/23 700

Освещение селитебных территорий

Светильник на базе ДНаТ 250

350

26 300

20 550/73 050

Уличное освещение

Светильник на базе ДНаТ 400

600

47 600

37 000/124 600

Освещение площадей, больших территорий

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.            

Литература
  1. Бахарев И., Прокофьев А., Туркин А., Яков­лев А. Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы // СТА. 2010. № 2.
  2. Прикупец Л. Б., Емелин А. А. Использование облучателей на основе светодиодов для светокультуры салата: экономический аспект // Теплицы России. 2013. № 2.
  3. Пат. на изобретение № 2468571 (РФ) Светодиодный облучатель для растениеводства /Г. С. Сарычев, В. В. Сысун // Бюл. 01.08.2011.
  4. Решение о выдаче пат. на изобретение № 2012126133 J07 (040362) (РФ) Комбинированный осветитель / Ю. В. Репин, Г. С. Сарычев, В. В. Сысун //Бюл. 25.06.2012.
  5. Пиньо П., Йокинен К., Халонен Л. Освеще­ние теплиц — настоящее и будущие задачи //Lighting Res. Technol. 2012. № 44.
  6. G. D. Massa, Hyeon-Hye Kim, R. M. Wheeler, C. A. Mitchel. Plant Productivity in Response to LED Lighting // Hort Science. 2008. Vol. 43(7).
  7. Сарычев Г. С. Светотехническое оборудова­ние для теплиц // Теплицы России. 1999. № 2.
  8. Сарычев Г. С. Продуктивность ценозов огурцов и томатов в функции спектральных характеристик ОСУ // Светотехника. 2001. № 2.
  9. Тихомиров А. А., Лисовский Г. М., Сидько Ф. Я. Спектральный состав света и продуктивность растений. Новосибирск. «Наука». Сибирское отделение. 1991.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.