من السهل تقييم PPFD عند إضاءة نبات بمصابيح LED بيضاء: 1000 لوكس = 15 ميكرو مول / ثانية / م 2

أثار مقال " إضاءة المصباح مع مصابيح LED البيضاء " مناقشة حية للمشكلات العملية ، وأصبح من الواضح أن الطرق بحاجة إلى تبسيط.



كيفية تحويل الإضاءة بشكل أساسي إلى وحدات من الإشعاع النشط في التمثيل الضوئي: PPFD و YPFD وكثافة الطاقة الإشعاعية؟ وأي من هذه الأشياء مطلوبة حقًا؟

قياس وتسجيل معلمات نظام الإضاءة

تُظهر صورة العنوان نظام إضاءة تم بناؤه بواسطة الأطفال ، والذي ، على عكس العديد من الحلول التجارية ، تُعرف مجموعة كاملة من المعلمات: {0.3 م ² ؛ 50 واط 11000 لوكس ؛ 3000 ك ؛ R _a = 98 ؛ 165 ميكرومول / ثانية / م ² ؛ 24 × 7}. قد لا تكون المعلمات مثالية ، ولكن تسجيلها يسمح بقرار المناقشة ، واعتماد الخبرة ، واقتراح وتجربة خيارات أخرى. عدم إدخال مثل هذه الإدخالات في مشروع تعليمي غير صحيح وغير تربوي.

مطلوب مطياف لتقدير كمية إضاءة النبات بالضوء غير الأبيض. يتم قياس الضوء الأبيض بمقياس ضوء أكثر بأسعار معقولة. وبما أن شكل طيف الضوء الأبيض بدقة كافية للأغراض الزراعية يوصف بدرجات حرارة اللون المعروفة وتسليم الألوان [1] ، فإن قياس الإضاءة في الأجنحة يجعل من الممكن تقييم الإشعاع النشط ضوئيًا في أي وحدات أخرى.

عندما يكون الضوء الأبيض ليس له ما يبرره فحسب ، بل مرغوب فيه أيضًا

تحت الضوء الأبيض ، طورت النباتات تاريخ الحياة بأكمله على الأرض ، تنمو بشكل جيد تحته وفي بيئة اصطناعية. إن كفاءة مصابيح LED البيضاء الحديثة ، المعبر عنها بـ olmol / J في النطاق الحالي 400 ... 700 نانومتر ، تقابل تقريبًا أفضل DNaT متخصصة وهي أدنى قليلاً من مصابيح LED النباتية ذات الطيف الضعيف [1]. ما الذي يجعل استخدام الضوء الأبيض له ما يبرره بقوة.
قدم مشروع Fiteks نتائج تجربة زراعة محاصيل مختلفة في نفس الظروف ، ولكن في ضوء طيف مختلف. أظهرت التجربة أن الطيف يؤثر على معلمات الخضوع. من الغريب للغاية مقارنة النباتات التي تزرع تحت الضوء الأبيض ، تحت ضوء DNaT والوردي ضيق النطاق (الشكل 2).


التين. 2 ـ تنمو السلطة في نفس الظروف ولكن تحت ضوء طيف مختلف. صور من الفيديو الذي نشره مشروع Fitex في مواد مؤتمر "تقنيات Agrophotonic" في مارس 2018.

في المؤشرات العددية ، تم أخذ المكان الأول بواسطة طيف فريد غير أبيض تحت الاسم التجاري Rose ، والذي لا يختلف في الشكل كثيرًا عن الضوء الأبيض الدافئ المختبر مع عرض عالي اللون R _a = 90. وتبين أن المفاجأة أنها تختلف حتى أقل عن طيف الضوء الأبيض الدافئ مع عرض ألوان مرتفع للغاية R _a = 98 (وهو النوع الذي استخدمه الأطفال في نظام الإضاءة في صورة الرأس). والفرق الرئيسي هو أن روز يحتوي على جزء صغير من الطاقة من الجزء المركزي الذي تم إزالته (المعاد توزيعه على الحواف):



إن إعادة توزيع الطاقة الإشعاعية من مركز الطيف إلى الحواف لا يؤدي إلى أي شيء أو يقلل من كفاءة التمثيل الضوئي لأوراق الطبقة السفلى [2]. لكن الضوء يتحول إلى اللون الوردي.

يمكن استخدام الضوء الوردي أو الأصفر DNaT في الدفيئات الصناعية. ولكن عندما يتشارك الناس في غرفة مشتركة مع النباتات ، تكون هناك حاجة للضوء الأبيض. على سبيل المثال ، في المشاريع التعليمية ، يجب ملاحظة النباتات باستمرار وليس هناك بديل للضوء الأبيض الفاتح العالي الذي يوفر الراحة البصرية للشخص وظروف جيدة لتطوير النبات [1].

مقارنة بين الخيارات الطيفية المختلفة لإضاءة المصنع

تُظهر المقارنة المباشرة بين أطياف مصادر الضوء (الشكل 3) أن ضوء المصابيح البيضاء الأكثر شيوعًا 4000 K / R _a = 80 أكثر ثراءً من طيف DNaT وهو أدنى إلى حد ما في محتوى المكون الأحمر إلى طيف الضوء الوردي النموذجي لإضاءة النباتات ذات الاسم التجاري المعتاد ولكن غير الواضح بوضوح. " طيف خفيف كامل النطاق ". الضوء الأبيض من اللون العالي من حيث التكوين الطيفي هو أكثر ثراء من الخيارات الأخرى وأقرب إلى الطيف المستمر للضوء الطبيعي.


التين. 3 مقارنة أطياف ضوء LED الأبيض والخيارات الرئيسية للضوء المتخصص لزراعة النباتات

وفقًا للرسم البياني ، تؤدي زيادة تجسيد اللون للضوء الأبيض إلى زيادة نسبة الضوء غير المجدية لعملية التمثيل الضوئي بطول موجة يزيد عن 700 نانومتر. لكن هذه الحصة لا تتجاوز نسبة قليلة ولا تزيد عن " نمو ضوء كامل النطاق ".

يمكن إضافة المكونات الطيفية التي تؤدي وظيفة الإشارة فقط ولا يتم تضمينها في طيف ضوء LED الأبيض - بشكل أساسي 400 نانومتر و 730 نانومتر ، إلى الضوء الأبيض باستخدام وحدات إضاءة منفصلة بمصابيح LED ضيقة النطاق. إن التحقق من مدى ملاءمة هذه المادة المضافة وتحديد شدتها المثلى لكل محصول مزروع أمر بسيط للغاية. ولكن قبل كل شيء ، يجب تلبية الحاجة الأساسية للنبات للضوء - الطاقة.

LER : تصنيف فعالية Luminaire

معلمة LER [lm / W] لها نفس البعد مثل الكفاءة المضيئة η [lm / W] التي تميز وحدة الإنارة ، ولكنها تشير إلى التدفق الضوئي في اللومن المقابل لواط واحد من طاقة الإشعاع الإشعاعي.

يعتمد LER بشكل ضعيف على درجة حرارة اللون لـ CCT ، وله مبعثر كبير عند تقديم لون ثابت R _a (الشكل 4). كتقدير لـ LER ، يمكنك استخدام قيمة مقربة LER = 300 lm / W.


التين. 4 الاعتماد على ضوء LED الأبيض LER على مؤشر تجسيد اللون الكلي

بمعرفة قيمة LER ، من السهل حساب الطاقة الإشعاعية بالصيغة W = F / LER وكثافة الطاقة الإشعاعية W / S = E / LER ، حيث W [W] هي قوة الإشعاع ، F [lm] هو تدفق الضوء ، S [m ² ] - المنطقة التي يقع عليها التدفق الضوئي ، E [lx] - إضاءة.

إذا كان من الضروري زيادة طاقة الإشعاع إلى أقصى حد عند استهلاك طاقة معين ، يمكن اختيار وحدة الإنارة وفقًا لمعيار كفاءة الطاقة القصوى ، والتي يتم حسابها بالصيغة: الكفاءة = 100٪ · ER / LER ، حيث η [lm / W] هو ناتج ضوء المصباح.

نادرًا ما تُستخدم كثافة تدفق الضوء الإشعاعي في إرشادات إضاءة المصانع. تقدير LER مفيد في فهم أن كثافة تدفق الإشعاع تتناسب مع الإضاءة في لوكس ، ويمكن تجاهل المعلمات الطيفية للضوء الأبيض كتقريب أول. كما يسمح لنا تقييم LER بتقدير كفاءة تركيب الإضاءة ككل وفقًا لكفاءة الصيغة = 100٪ · E · S / LER / P ، حيث E [lx] هي الإضاءة الفعلية المقاسة التي تم إنشاؤها على المنطقة S [m ² ] من استهلاك الإضاءة التي تستهلك الطاقة P [ الثلاثاء]. الكفاءة هي معلمة لا يتجزأ مهم لمراقبة الفعالية.

قيمة الطاقة لوحدة الضوء

يتم تحديد قيمة الطاقة للضوء للنبات بواسطة قيمة PPF (Photynthetic Photon Flux) بالميكرومول في الثانية في النطاق 400 ... 700 نانومتر ، أو بشكل أدق من خلال قيمة YPF (Yield Photon Flux) مع مراعاة تصحيح منحنى McCree 1972 [4]. معظم البيانات المذكورة في المؤلفات العلمية التي يجب عليك الاعتماد عليها عند تقييم نظام الإضاءة تعمل على قيم PPF ، وهذا يجعل من المثير للاهتمام تحليل نسبة PPF إلى YPF .

بالنسبة للضوء الأبيض ، يكون الاعتماد بين PPF و YPF قريبًا إلى حد ما ، ويعتمد بشكل ضعيف على تسليم اللون ، ويتم تحديده بواسطة درجة حرارة اللون (الشكل 5).


التين. 5 اعتماد النسبة بين PPF و YPF على درجة حرارة اللون للأبيض

لأغراض عملية ، يكفي أن تأخذ في الاعتبار أن الاعتماد يكاد يكون خطيًا وأن PPF لـ 3000 K هو أكثر من YPF بنحو 10 ٪ ، و 5000 K بنسبة 15 ٪. مما يعني حوالي 5٪ قيمة طاقة أكبر للضوء الدافئ للنبات مقارنة بالبرد مع إضاءة متساوية في الأجنحة.

PPF و PPFD

للحصول على القيم النموذجية للمعلمات الطيفية يتم الحصول على PPF و PPFD على النحو التالي:



يمكن ملاحظة أن الضوء الدافئ والضوء عالي التكاثر اللوني لهما قيمة طاقة أكبر قليلاً للمصنع مع إضاءة متساوية.

تختلف القيم في الجدول عن القيمة المستديرة لـ 15 وحدة بما لا يزيد عن 7٪ ، وبالتالي ، لأغراض عملية ، يمكنك استخدام القاعدة: تدفق 1000 lm يتوافق مع PPF = 15 ميكرولول / ثانية ، وإضاءة 1000 لوكس تقابل PPFD = 15 olmol / s / m ² .
وفقًا للبيانات المأخوذة من [3] ، فإن DNaTs المتخصصة لإضاءة البيوت الزجاجية بقوة 600 ... 1000 واط بكفاءة تبلغ حوالي 1.6 ميكرو مول / ياء ، 1000 lm من تدفق الضوء تتوافق مع حوالي PPF = 12 ميكرو مول / ثانية ، وإضاءة 1000 لوكس تقابل حوالي PPFD = 12 olmol / s / م ² . وبالتالي ، فإن الضوء الأبيض للمصنع هو ربع "السعرات الحرارية" مقارنة بضوء DNaT ، ونفس الإضاءة في الأجنحة يعني زيادة PPF.
أيضا ، هذه البيانات تجعل من الممكن إعادة حساب لوكس لـ DNaT في olmol / s / m ² واستخدام تجربة إضاءة النبات في البيوت البلاستيكية الصناعية.

عامل الكفاءة

معامل استخدام تدفق الضوء ك هو جزء من تدفق الضوء من تركيبات الإضاءة التي تقع على أوراق النباتات. يمكن استخدام هذه القيمة ، على سبيل المثال ، لتقدير PPFD وفقًا للصيغة: PPFD [μmol / s / m ² ] = k · 15 · F [km] / S [m ² ] ، حيث F هو التدفق الضوئي في الكيلو مترات ، S هو الإضاءة المساحة بالمتر المربع.

يزيد عدم اليقين من k خطأ التقدير. ضع في اعتبارك القيم المحتملة لـ k للأنواع الرئيسية من أنظمة الإضاءة:

1) المصادر النقطية والخطية

تقع الإضاءة الناتجة عن مصدر نقطي في منطقة محلية بشكل عكسي مع مربع المسافة بين هذه المنطقة والمصدر. الإضاءة الناتجة عن مصادر خطية ممتدة فوق أسرة ضيقة تقع عكسًا مع المسافة.

لا يحدث انخفاض الإضاءة بسبب حقيقة أن الضوء "يضعف" مع المسافة ، ولكن يرجع ذلك إلى حقيقة أنه مع زيادة المسافة ، لا تسقط نسبة متزايدة من الضوء على الأوراق. هذا يجعل من غير المواتي للغاية إضاءة النباتات الفردية أو الأسرة المفردة المفردة بمصابيح معلقة للغاية. تسمح البصريات التي تضيق تدفق الضوء بتوجيه جزء كبير من تدفق الضوء إلى النبات ، ولكن في الحالة العامة لا يُعرف أيهما.

لا يسمح لنا الاعتماد القوي للإضاءة على المسافة وعدم اليقين في تأثير استخدام البصريات بتحديد معامل الاستخدام k في الحالة العامة.

2) أسطح عاكسة

عند استخدام أحجام مغلقة بجدران عاكسة تمامًا ، يدخل التدفق الضوئي الكامل إلى النبات. ومع ذلك ، فإن معامل الانعكاس الحقيقي للمرايا أو الأسطح البيضاء أقل من الوحدة. وهذا يؤدي إلى حقيقة أن نسبة تدفق الضوء على النباتات لا تزال تعتمد على الخصائص العاكسة للأسطح وهندسة الحجم. وتحديد k في الحالة العامة أمر مستحيل.

3) صفائف كبيرة من المصادر فوق مناطق الهبوط الكبيرة

تعد المصفوفات الكبيرة من وحدات الإنارة الموضعية أو الخطية فوق مناطق الهبوط الكبيرة مفيدة للغاية. سوف يسقط الكم المشع في أي اتجاه على ورقة ما ، والمعامل k قريب من الوحدة.

على سبيل المثال ، يجمع نظام الإضاءة "للأطفال" في صورة العنوان بين مزايا مجموعة كبيرة من مصادر الضوء (أشرطة LED مثبتة على أساس سلس مع شريط القرطاسية) والأسطح العاكسة (الجدران المطلية بطلاء أبيض مشتت للماء) ، القيمة الفعلية لمعامل تدفق الضوء لها> 0.9.

الاستنتاج الوسيط: بالنسبة لجميع هندسة نظام الإضاءة المدروسة ، فإن عدم اليقين في جزء الضوء المنقول إلى النباتات أعلى من الفرق بين PPFD و YPFD ، وأعلى من الخطأ الذي تحدده درجة حرارة اللون غير المعروفة واستنساخ اللون. لذلك ، من أجل إجراء تقييم عملي لكثافة الإشعاع النشط ضوئيًا ، يُنصح باختيار طريقة خام إلى حد ما لتقييم الإضاءة التي لا تأخذ في الاعتبار هذه الفروق الدقيقة. وإن أمكن ، قم بقياس الإضاءة الفعلية باستخدام مقياس الارتفاع.

خطأ قياس الضوء

في القياسات المباشرة ، من الضروري مراعاة الإضاءة غير المتساوية التي يخلقها نظام الإضاءة. مثال نموذجي: المعيار EN 12464-1 "إضاءة أماكن العمل" يتطلب نسبة من الحد الأدنى من الإضاءة إلى متوسط ​​لا يزيد عن 0.7. وهو ما يعني عمليًا اختلافًا في إضاءة المناطق المختلفة حتى 30٪ وخطأ كبير في متوسط ​​القيمة مع عدد قليل من القياسات.

بالإضافة إلى ذلك ، قد تختلف قراءات عداد الضوء وفقًا لفئة دقته بنسبة قليلة في المئة عن القيم الحقيقية. لذا GOST 24940-2016 "المباني والهياكل. تتطلب طرق قياس الإضاءة "استخدام عدادات الضوء مع خطأ لا يزيد عن 10 ٪ ، ونماذج الخطأ الأكثر شيوعًا لعدادات الضوء" eLait02 "و" TKA-PKM "في روسيا لديها خطأ بنسبة 8٪.

تأثير خطأ في قيمة PPFD على النتيجة

وفقًا لقانون العامل المحدد ("برميل Liebig's") ، فإن العامل النادر ، الذي قد يكون خفيفًا ، يؤثر على المحصول بشكل خطي. ومع ذلك ، عادةً ما يتم تحديد المستوى الأمثل لـ PPFD وفقًا لمعيار زيادة الإنتاجية إلى أقصى حد ، وبالتالي ، على الحدود أو الاعتماد الخطي في الخارج. على سبيل المثال ، تم تحديد كثافة الإضاءة المثالية للملفوف الصيني PPFD = 340 ميكرو مول / ثانية / م ² في [5] ، وتم استخدام الحجة القائلة بأن المعيار المستخدم في مستويات عالية من الإضاءة مع زيادة الإضاءة ضعيف جدًا لدرجة أن زيادة الإضاءة ليست مجدية اقتصاديًا. في رسالة خاصة ، أشار مؤلفو هذا العمل إلى أنه باستخدام طريقة محسنة لزراعة نفس المحصول ، لوحظت زيادة خطية في الغلة في إضاءات تصل إلى 500 ميكرومول / ثانية / م ² .

وبالتالي ، فإن حالة التأثير الكبير لـ PPFD على العائد هي في حد ذاتها علامة على مستويات الضوء غير الكافية. كمية كافية من الضوء تزيل أهمية الخطأ في تحديد مستوى الإضاءة وتجعل من غير المبرر استخدام تقديرات عالية الدقة.

الخلاصة

يتم تحقيق التقدير الأكثر ملاءمة لتدفق الضوء الأبيض النشط ضوئيًا عن طريق قياس الإضاءة E بمقياس الضوء ، وإهمال تأثير المعلمات الطيفية على قيمة الطاقة للضوء للمصنع ، وتقييم PPFD لمصباح LED الأبيض باستخدام الصيغة:

$$

$$PPFD \ left [µmol / s / m ^ {2} \ right] = 15 · E \ left [CLK \ right]$$

شكر وتقدير

المؤلف ممتن للمساعدة في إعداد المقال لموظف SSC RF-IBMP RAS Ph.D. إيرينا أو كونوفالوفا ؛ Gorshkoff.ru المدير الفني Nikolay N. Sleptsov ؛ أخصائي كري ميخائيل تشيرفينسكي ؛ هندسة الإضاءة آنا ج. سافيتسكايا ؛ باحث رئيسي ، IRE RAS ، دكتوراه ألكسندر أ. شراكشان ، باحث رئيسي ، IRE RAS وأستاذ ، جامعة موسكو الطبية الحكومية دكتوراه في العلوم الفيزيائية والرياضية Andrei A. Anosov.

هذا المنشور هو ترجمة معدلة للمقالة " تقدير سهل لـ PFDD لمصنع مضاء بمصابيح LED بيضاء: 1000 lx = 15 ميكرومول / ثانية / م ² ". لم تتم ترجمة طرق وتفاصيل الحسابات إلى اللغة الروسية. لكن اللغة أبسط ، تضاف أمثلة وصور.