С появлением  светодиодов существенно расширились возможности научных исследований: по спектральному составу, по динамике уровня облученности, соответственно, и объём исследований тоже стал существенно больше.  Среди учёных существует много разных гипотез и нет единого мнения, каждый выбирает определенный курс, которому следует. На данный момент не существует единого мнения об идеальном спектре для каждой тепличной культуры.

Неверно рассматривать освещение как отдельный фактор. Очевидно, что только взаимосвязь основных факторов роста имеет значение, то есть питание, облучение, климатические условия – все они должны быть синхронизированы. И освещение — только один из факторов. Единственное, в чем единодушны все специалисты, это то, что если  пытаться воспроизвести солнечный спектр с помощью искусственных источников света, то он будет неоптимальным в виду его низкой энергетической эффективности. Поэтому пока сформировались базовые подходы к оптимизации спектров под каждую тепличную культуру.

Специалистами БЛ Био совместно с  ВНИСИ им. С.И. Вавилова  разработана методика, которая позволяет определить эти оптимальные спектры и уровни облученности, в том числе и фотопериод, т.е. продолжительность светового дня. Эта методика позволяет с достаточно высокой точностью определить оптимальные характеристики под конкретные критерии. Для салатно-зеленных культур обычно это продуктивность, то есть количество килограммов с квадратного метра. Также у нас существует набор спектров и  режимов облучения, мы еще называем их «рецептурой света», для большого количества салатно-зеленных, плодоовощных и ягодных культур. Эти решения и рецепты успешно апробированы в различных коммерческих проектах, реализованных БЛ Био. Говоря о современных возможностях светокультуры, мы имеем чёткое понимание, какие использовать спектры для конкретных культур и, в том числе, сортов.  У растений явно просматриваются не только видовые, но и сортовые предпочтения. Таким образом, уже сегодня все эти решения могут успешно внедряться в коммерческих проектах.

Известно, что на процесс фотосинтеза влияет излучение в области фотосинтетически активной радиации (ФАР), которое классически расположено в диапазоне от 400 до 700 нм. Но теперь уже стало понятно, что ближний ИК-спектр (диапазон длин волн c 700 до 780 нм) так же имеет большое значение для роста и развития растений.

Важно понимать, что у любого этого излучения есть несколько функций. Функция первая – энергетическая, когда фотонный поток несет энергию к растению, необходимую для прохождения процесса фотосинтеза непосредственно в клетке. На самом деле понятие фотосинтеза сильно упрощено. Если в курсе школьной биологии нам преподают это как одну реакцию, то на самом деле это сложная цепочка реакций, которая при воздействии разных факторов может проходить по-разному. И здесь включается вторая функция излучения, регуляторная, это когда соотношение диапазонов ФАР друг к другу вместе с уровнем облученности и фотопериодом регулирует процессы в растениях. Например, у красного диапазона спектра ярко выражена энергетическая функция, у синего или дальнего красного наиболее  выражена регуляторная.

Для того, чтобы подобрать оптимальный спектр, нужно понимать сам подход к его формированию. То есть, когда вы выбираете конкретную культуру, необходимо достаточно глубоко погрузиться в её специфику, её светофизиологию. Сначала происходит подбор базовых спектров и дальше, с помощью методики фотобиологических исследований состав спектра постепенно уточняется, добиваясь максимальных параметров по энергоэффективности и продуктивности.

Поэтому для того, чтобы подобрать этот спектр, нужно обладать существенным набором знаний, а самое главное — необходимо располагать мощной инженерно-технической базой, которая позволит вам проводить одновременно большое количество экспериментов. Кроме этого, при помощи современных вычислительных мощностей, анализировать эти данные. Так как если вы будете просто переносить эти результаты на бумагу и пытаться проанализировать самостоятельно, то с высокой степенью вероятности успеха  вы не достигнете.

Наша команда, совместно со специалистами РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева занимается этой проблемой уже больше 6 лет и чем дальше мы погружаемся в эти вопросы, тем больше мы понимаем, как необходимо улучшать эту методику, расширять её возможности, повышать её точность и, соответственно, экономить время на расчёт и разработку новых эффективных спектров под конкретные растения.

Когда проектируется светильник, в нашем случае правильнее называть фитооблучатель, то  необходимо понимать, под какую конкретно культуру он будет использоваться.

Будете ли вы применять его в условиях стопроцентной светокультуры или как дополнительный источник излучения вместе с естественной солнечной инсоляцией? Для того, чтобы дать определённое понимание возможных вариантов, поясним на примере салата Максимус. Этот сорт салата требует очень специфического, ярко-выраженного для салатных культур спектра, в котором 75% энергии находится в красном диапазоне, 10% в синем и 15% в зелёном. Такой спектр позволяет активно развиваться растению и имеет высокую энергетическую эффективность, что напрямую влияет на стоимость выращивания салатных культур.

Также важно, что этот спектр сбалансирован с точки зрения функции «видности», мы должны не забывать о том, что нужно создать комфортный спектр не только для роста растений, но и для людей, которые работают в системе выращивания. Это особенно важно при использовании облучателей  на вертикальных фермах: спектр должен быть комфортен для зрения, чтобы можно было определять качество продукции и позволять достаточно долгое время находиться на ферме. Так вот, названный нами спектр, решает все эти задачи,  оптимален для  эффективного роста растения, и при этом создаёт комфортную среду для обслуживающего персонала.

С появлением светодиодов открылись большие возможности для экспериментов и исследований. Во всём мире специалисты активно ведут работы по изучению влияния различных спектров и уровней облученности на рост и развитие растений. При этом они работают как с разными культурами, так и с разными подходами.

Имеется ввиду как стопроцентная светокультура, когда используются только искусственные источники света, гибридные системы, при которых  применяются традиционные светильники на натриевых лампах вместе со светодиодными, так и системы, где используется солнечная инсоляция. В связи с этим объём вопросов настолько велик, что эти эксперименты будут продолжаться еще долгое время, как минимум для уточнения этих спектральных предпочтений растений.

Данный процесс может быть практически бесконечным…

Последние исследования БЛ Био уже расставляют новые акценты. Это прежде всего, раннее детально неизученное, влияние на рост ближнего инфракрасного диапазона, имеющего очень большой потенциал.

Кроме того, идут исследования по ультрафиолету, ближней области УФ-A — это чуть ниже 400 нм. Но светодиоды имеют крайне низкую эффективность в этом диапазоне спектра (порядка 6% КПД), так же при использовании ультрафиолетовых светодиодов существенно повышаются требования к материалам корпуса фитооблучателя. Соответственно получается достаточно дорогое решение, которое в практическую плоскость не переходит и используется больше для лабораторных исследований. Однако, использование этого спектра излучения также имеет определённый потенциал для повышения продуктивности, в части регуляторной функции излучения.

Важно выделить несколько типов фитооблучателей, причём к каждому из них предъявляются свои требования, влияющие на конструктивные решения, исходя из специфики применения.

Первый тип – для классических теплиц, там где имеется светопрозрачная конструкция и на протяжении последних 50 лет активно внедрялись светильники на натриевых лампах высокого давления мощностей 400, 600 или 1000 Вт. А светодиодные фитооблучатели разрабатываются для прямой их замены. Это достаточно мощные приборы, которые потребляют около 50% мощности от мощности светильника с НЛВД.

К таким фитооблучателям предъявляются требования, прежде всего, по режиму работы самого светодиода, так как это мощные фитооблучатели, требующие эффективного теплоотвода. Поэтому  очень важно конструктивное решение корпуса, обеспечивающее отвод тепла от светильника. Но здесь есть небольшой ограничительный фактор: для создания эффективного теплоотвода нужна большая площадь, а эта площадь светильника затеняет естественный свет. Поэтому основные ноу-хау лежат в конструктивных компактных решениях, которые позволяют эффективно отводить тепло от светодиодов, имеют небольшую площадь и не затеняют естественный свет от Солнца. С другой стороны, сейчас применяются ещё и системы принудительного охлаждения светильников: воздушные или жидкостные, но они массового применения не имеют. Воздушное охлаждение, где используются вентиляторы, создают дополнительный шум, и это сильно влияет, например, на работу шмелей. Использование водяного охлаждения связано с большими проблемами с эксплуатацией, потому что всё-таки вода и электроника — они несовместимы и периодически происходят отказы, которые снижают надежность системы. Поэтому классические решения с естественной конвекцией наиболее распространены, но и здесь борьба идет как раз за конструктивные решения.

Второй тип — это вертикальные фермы. Данное направление развивается наиболее динамично, здесь фитооблучатели можно использовать в непосредственной близости от растений, потому что они не наносят никакого вреда в виду низких (по сравнению с лампами ДНаТ) рабочих температур. В данном случае нужны совершенно другие подходы, но при таком достаточно компактном размещении облучателей относительно растений требуются определённые решения по защите светодиодов от воздействия окружающей среды, чтобы агрессивные солевые питательные растворы не попадали даже в виде паров на электронику. Еще один  важный критерий это, так называемый, показатель эффективности, выражается он в мкмоль/Джоуль. Это количество фотонного потока, который излучает фитооблучатель за секунду, затратив 1 Вт электроэнергии.

Основная борьба ведется между производителями светодиодов и фитооблучателей за эффективность с точки зрения конструктивных решений, в том числе и использования специфических вторичных оптик. Также отмечу важность надежности источников питания, так как это ключевой компонент системы, который обеспечивает и правильное питание светодиодов, и управление,  позволяет создавать такие режимы, например, как рассвет и закат, что очень положительно влияет и на рост и развитие растения, не создаёт ему дополнительного стресса, а также позволяет дополнительно экономить электроэнергию.

Для того, чтобы повышать энергетическую эффективность теплицы есть два подхода, один из этих подходов является сегодня переходным процессом – это, так называемые гибридные системы, когда вместе со светильниками на натриевых лампах применяются светодиодные фитооблучатели. Обычно происходит замена 50% натриевых ламп на светодиодные, при этом у светодиодного фитооблучателя выбирается такой специфический спектр, который компенсирует недостатки спектра натриевой лампы. Таким образом, вы получаете, как минимум, 25% экономии электроэнергии и при этом ещё выравниваете спектральные характеристики, что позволяет повышать продуктивность выращивания и при этом данное решение обладает не такой высокой стоимостью, как стопроцентная замена на светодиоды.

Конечно, полная замена ламп ДНаТ на светодиоды даёт большую эффективность, это на 50% снижение потребляемой мощности и возможность создавать уже специфические спектры под конкретную культуру. Но у этого решения есть недостаток — это высокая стоимость и в России при нынешней стоимости электроэнергии оно не всегда оправданно. Европейский опыт показывает, что при текущей цене на электроэнергию в Европе замена на светодиоды окупается буквально за полтора-два года, в России же этот показатель 5-7 лет, что не для всех тепличных комбинатов и собственников подходит.

Гибридная система может окупаться намного быстрее — 2-3 года, поэтому рекомендуем смотреть в эту сторону. А всё, что касается выращивания салатных или ягодных культур в условиях многоярусных фитоустановок — здесь нет альтернативы для светодиодных фитооблучателей. Высокая стоимость такой системы компенсируется эффективностью использования фотонного потока, что в результате снижает затраты на электроэнергию и, соответственно, операционные расходы.

Если говорить про светодиодные фитооблучатели, специалисты БЛ Био совместно с ВНИСИ им С.И. Вавилова разработали ГОСТ Р 57671-2017, который так и называется – «Приборы облучательные со светодиодными источниками света для теплиц. Общие технические условия», в котором подробно описаны требования, которые предъявляются к этому виду светотехнической продукции. Поэтому в этом ГОСТе вы найдёте ответы на любые вопросы, связанные с тем, какие должны быть параметры у приборов, как правильно проводить испытания, какой минимальный набор испытаний необходимо провести для того, чтобы можно было фитооблучатель сертифицировать. Этот документ находится в открытом доступе, его достаточно легко найти и ознакомиться.

Специалистами БЛ Био наработан большой практический опыт по разработке и внедрению облучательных установок для теплиц, как на основе традиционных источников света, так и на светодиодах. Мы всегда готовы дать рекомендации по выбору оптимального светотехнического решения под любую задачу.