Die PPFD kann leicht bewertet werden, wenn eine Anlage mit weißen LEDs beleuchtet wird: 1000 Lux = 15 μmol / s / m2

Der Artikel „ Pflanzenbeleuchtung mit weißen LEDs “ löste eine lebhafte Diskussion praktischer Probleme aus, und es wurde klar, dass die Methoden vereinfacht werden mussten.



Wie wandelt man die Beleuchtung elementar in Einheiten photosynthetischer aktiver Strahlung um: PPFD , YPFD und radiometrische Leistungsdichte? Und welche davon wird wirklich benötigt?

Messung und Aufzeichnung von Beleuchtungssystemparametern

Das Titelfoto zeigt ein von Kindern gebautes Beleuchtungssystem, für das im Gegensatz zu vielen kommerziellen Lösungen ein vollständiger Parametersatz bekannt ist: {0,3 m ² ; 50 Watt; 11000 Lux; 3000 K ; Ra = 98; 165 & mgr; mol / s / m ² ; 24 × 7}. Die Parameter sind möglicherweise nicht optimal, aber ihre Aufzeichnung ermöglicht die Entscheidung, zu diskutieren, Erfahrungen zu sammeln, andere Optionen vorzuschlagen und auszuprobieren. Solche Einträge in einem Bildungsprojekt nicht zu machen, ist falsch und nicht pädagogisch.

Ein Spektrometer ist erforderlich, um die Beleuchtungsstärke einer Pflanze mit nicht weißem Licht abzuschätzen. Weißes Licht wird mit einem viel günstigeren Belichtungsmesser gemessen. Und da die Form des Weißlichtspektrums mit einer für landwirtschaftliche Zwecke ausreichenden Genauigkeit durch die allgemein bekannte Farbtemperatur und Farbwiedergabe [1] beschrieben wird, ermöglicht die Messung der Beleuchtung in Suiten die Bewertung der photosynthetisch aktiven Strahlung in anderen Einheiten.

Wenn weißes Licht nicht nur gerechtfertigt, sondern auch wünschenswert ist

Unter weißem Licht haben Pflanzen die gesamte Geschichte des Lebens auf der Erde weiterentwickelt, wachsen gut darunter und in einer künstlichen Umgebung. Der Wirkungsgrad moderner weißer LED-Leuchten, ausgedrückt in μmol / J im Strombereich von 400 ... 700 nm, entspricht in etwa dem am besten spezialisierten DNaT und ist LED-Phyto-Lampen mit einem schlechten Spektrum etwas unterlegen [1]. Was macht die Verwendung von weißem Licht energetisch gerechtfertigt?
Das Fiteks-Projekt präsentierte die Ergebnisse eines Experiments zum Anbau verschiedener Kulturen unter denselben Bedingungen, jedoch unter Berücksichtigung eines unterschiedlichen Spektrums. Das Experiment zeigte, dass das Spektrum die Ertragsparameter beeinflusst. Es ist äußerst merkwürdig, Pflanzen zu vergleichen, die unter weißem Licht, unter dem Licht von DNaT und schmalbandigem Rosa gezüchtet wurden (Abb. 2).


Abb. 2 Salat unter den gleichen Bedingungen, jedoch unter dem Licht eines anderen Spektrums. Bilder aus dem vom Fitex-Projekt veröffentlichten Video in den Materialien der Konferenz „Agrophotonic Technologies“ im März 2018.

Bei den numerischen Indikatoren wurde der erste Platz von einem einzigartigen nichtweißen Spektrum unter dem Handelsnamen Rose eingenommen, das sich in seiner Form nicht wesentlich von dem getesteten warmweißen Licht mit hoher Farbwiedergabe R _a = 90 unterscheidet. Es stellte sich als Überraschung heraus, dass es sich noch weniger vom Spektrum des warmweißen Lichts mit extra hoher Farbwiedergabe R _a = 98 unterscheidet (genau das, was Kinder im Beleuchtungssystem auf dem Header-Foto verwendet haben). Der Hauptunterschied besteht darin, dass Rose einen kleinen Teil der Energie aus dem Mittelteil entfernt (an den Rändern neu verteilt) hat:



Die Umverteilung der Strahlungsenergie vom Zentrum des Spektrums zu den Rändern führt entweder zu nichts oder verringert die Effizienz der Photosynthese der Blätter der unteren Schicht [2]. Aber das Licht wird rosa.

Rosa Licht oder gelbes DNaT-Licht können in industriellen Gewächshäusern verwendet werden. Wenn sich Menschen einen Gemeinschaftsraum mit Pflanzen teilen, wird weißes Licht benötigt. Beispielsweise sollten Pflanzen in Bildungsprojekten ständig beobachtet werden, und es gibt keine Alternative zu weißem Licht mit hoher Lichtfarbe, das dem Menschen Sehkomfort und gute Bedingungen für die Pflanzenentwicklung bietet [1].

Vergleich verschiedener Spektraloptionen für die Pflanzenbeleuchtung

Ein direkter Vergleich der Spektren von Lichtquellen (Abb. 3) zeigt, dass das Licht der gängigsten weißen LEDs 4000 K / R _a = 80 fetter als das DNaT-Spektrum ist und im Gehalt der roten Komponente dem typischen rosa Lichtspektrum für die Beleuchtung von Pflanzen mit einem gewohnten, aber eindeutig falschen Handelsnamen etwas unterlegen ist " Wachsen Sie leichtes volles Spektrum ". Weißes Licht mit hoher Farbwiedergabe in Bezug auf die spektrale Zusammensetzung ist reicher als andere Optionen und näher am kontinuierlichen Spektrum des natürlichen Lichts.


Abb. 3 Vergleich der Spektren von weißem LED-Licht und der Hauptoptionen für Speziallicht für den Anbau von Pflanzen

Den Grafiken zufolge führt eine Zunahme der Farbwiedergabe von weißem Licht zu einer Zunahme des Lichtanteils, der für die Photosynthese mit einer Wellenlänge von mehr als 700 nm unbrauchbar ist. Dieser Anteil übersteigt jedoch nicht einige Prozent und ist nicht höher als der von „ Grow Light Full Spectrum “.

Spektralkomponenten, die nur die Signalfunktion erfüllen und nicht im Spektrum des weißen LED-Lichts enthalten sind - hauptsächlich 400 nm und 730 nm - können mit separaten Leuchten mit schmalbandigen LEDs zum weißen Licht hinzugefügt werden. Es ist recht einfach, die Angemessenheit eines solchen Zusatzstoffs zu überprüfen und seine optimale Intensität für jede Kulturpflanze zu bestimmen. Vor allem aber sollte das Grundbedürfnis der Anlage nach Licht befriedigt werden - Energie.

LER : Bewertung der Wirksamkeit der Leuchte

Der LER- Parameter [lm / W] hat die gleiche Dimension wie der für die Leuchte charakteristische Lichtausbeute η [lm / W], bezeichnet jedoch den Lichtstrom in Lumen, der einem Watt radiometrischer Strahlungsleistung entspricht.

LER hängt schwach von der Farbtemperatur der CCT ab und weist bei einer festen Farbwiedergabe R _a eine signifikante Streuung auf (Abb. 4). Als Schätzung von LER können Sie einen gerundeten Wert von LER = 300 lm / W verwenden.


Abb. 4 Abhängigkeit des weißen LER- LED-Lichts vom gesamten Farbwiedergabeindex

Wenn man den LER- Wert kennt, ist es einfach, die radiometrische Leistung durch die Formel W = F / LER und die radiometrische Leistungsdichte W / S = E / LER zu berechnen, wobei W [W] die radiometrische Leistung ist, F [lm] der Lichtfluss ist, S [m ² ] - der Bereich, auf den der Lichtstrom fällt, E [lx] - Beleuchtung.

Wenn es erforderlich ist, die radiometrische Leistung bei einem bestimmten Energieverbrauch zu maximieren, kann die Leuchte nach dem Kriterium der maximalen Energieeffizienz ausgewählt werden, das durch die Formel berechnet wird: Wirkungsgrad = 100% · η / LER , wobei η [lm / W] die Lichtleistung der Lampe ist.

Die radiometrische Lichtflussdichte wird in Richtlinien zur Pflanzenbeleuchtung selten verwendet. Die LER- Schätzung ist nützlich, um zu verstehen, dass die radiometrische Flussdichte proportional zur Beleuchtung in Lux ist und die spektralen Parameter von weißem Licht in erster Näherung vernachlässigt werden können. Die LER- Bewertung ermöglicht es uns auch, den Wirkungsgrad der gesamten Beleuchtungsanlage gemäß der Formel Wirkungsgrad = 100% · E · S / LER / P zu schätzen, wobei E [lx] die tatsächlich gemessene Beleuchtung ist, die auf der Fläche S [m ² ] der Beleuchtungsanlage erzeugt wird, die Strom P [verbraucht Di]. Effizienz ist ein wichtiger integraler Parameter der Effektivitätskontrolle.

Energiewert einer Lichteinheit

Der Energiewert von Licht für eine Pflanze wird durch den PPF- Wert (Photosynthetic Photon Flux) in Mikromol pro Sekunde im Bereich von 400 bis 700 nm oder genauer durch den YPF- Wert (Yield Photon Flux) unter Berücksichtigung der Korrektur für die McCree 1972-Kurve bestimmt [4]. Die meisten in der wissenschaftlichen Literatur zitierten Daten, auf die Sie sich bei der Bewertung eines Beleuchtungssystems verlassen müssen, arbeiten mit PPF- Werten. Daher ist es interessant, das Verhältnis von PPF zu YPF zu analysieren.

Bei weißem Licht ist die Abhängigkeit zwischen PPF und YPF ziemlich eng, hängt schwach von der Farbwiedergabe ab und wird durch die Farbtemperatur bestimmt (Abb. 5).


Abb. 5 Abhängigkeit des Verhältnisses zwischen PPF und YPF von der Farbtemperatur von Weiß

Für praktische Zwecke ist es ausreichend zu berücksichtigen, dass die Abhängigkeit nahezu linear ist und PPF für 3000 K um etwa 10% höher ist als für YPF und für 5000 K um 15%. Dies bedeutet einen um etwa 5% höheren Energiewert für das warme Licht der Pflanze im Vergleich zu kaltem Licht bei gleicher Beleuchtung in Suiten.

PPF und PPFD

Für typische Werte der Spektralparameter werden PPF und PPFD wie folgt erhalten:



Es ist ersichtlich, dass warmes Licht und Licht mit hoher Farbwiedergabe bei gleicher Beleuchtung einen etwas höheren Energiewert für die Pflanze haben.

Die Werte in der Tabelle unterscheiden sich vom Rundungswert von 15 Einheiten um nicht mehr als 7%. Aus praktischen Gründen können Sie daher die Regel anwenden : Ein Durchfluss von 1000 lm entspricht PPF = 15 μmol / s und eine Beleuchtung von 1000 Lux entspricht PPFD = 15 μmol / s / m ² .
Nach den Daten aus [3] haben spezialisierte DNaTs zur Beleuchtung von Gewächshäusern mit einer Leistung von 600 ... 1000 W einen Wirkungsgrad von ca. 1,6 μmol / J, 1000 lm Lichtfluss entsprechen ca. PPF = 12 μmol / s und eine Beleuchtung von 1000 Lux entspricht ca. PPFD = 12 μmol / s / m ² . Somit ist das weiße Licht für die Pflanze ein Viertel der „Kalorien“ im Vergleich zum Licht von DNaT, und die gleiche Beleuchtung in Suiten bedeutet einen höheren PPF.
Diese Daten ermöglichen es auch, den Lux für DNaT in µmol / s / m ² neu zu berechnen und die Erfahrung der Pflanzenbeleuchtung in industriellen Gewächshäusern zu nutzen.

Effizienzfaktor

Der Nutzungskoeffizient des Lichtflusses k ist der Anteil des Lichtflusses aus der Beleuchtungsanlage, der auf die Blätter von Pflanzen fällt. Dieser Wert kann zum Beispiel verwendet werden, um die PPFD gemäß der Formel zu schätzen: PPFD [μmol / s / m ² ] = k · 15 · F [km] / S [m ² ], wobei F der Lichtstrom in Kilolumen ist, S der beleuchtete Fläche in Quadratmetern.

Die Unsicherheit von k erhöht den Schätzfehler. Betrachten Sie die möglichen Werte von k für die Haupttypen von Beleuchtungssystemen:

1) Punkt- und lineare Quellen

Die von einer Punktquelle in einem lokalen Bereich erzeugte Beleuchtung fällt umgekehrt zum Quadrat des Abstands zwischen diesem Bereich und der Quelle ab. Die Beleuchtung, die durch linear ausgedehnte Quellen über schmale Betten erzeugt wird, fällt umgekehrt mit der Entfernung ab.

Die Abnahme der Beleuchtung tritt nicht aufgrund der Tatsache auf, dass das Licht mit der Entfernung "schwächer" wird, sondern weil mit zunehmender Entfernung ein zunehmender Anteil des Lichts nicht auf die Blätter fällt. Dies macht es äußerst nachteilig, einzelne Pflanzen oder einzelne verlängerte Beete mit stark hängenden Lampen zu beleuchten. Eine Optik, die den Lichtfluss einschränkt, ermöglicht es, einen großen Teil des Lichtflusses auf die Pflanze zu lenken, aber im allgemeinen Fall ist nicht bekannt, welcher.

Die starke Abhängigkeit der Beleuchtung von der Entfernung und die Unsicherheit der Auswirkung des Einsatzes von Optiken erlauben es uns nicht, den Nutzungskoeffizienten k im allgemeinen Fall zu bestimmen.

2) Reflektierende Oberflächen

Bei Verwendung geschlossener Volumina mit perfekt reflektierenden Wänden gelangt der gesamte Lichtstrom in die Anlage. Der tatsächliche Reflexionskoeffizient von Spiegeln oder weißen Oberflächen ist jedoch kleiner als eins. Und dies führt dazu, dass der Anteil des auf Pflanzen einfallenden Lichtflusses immer noch von den Reflexionseigenschaften der Oberflächen und der Volumengeometrie abhängt. Und k im allgemeinen Fall zu bestimmen ist unmöglich.

3) Große Quellenfelder über großen Landeflächen

Große Anordnungen von Punkt- oder Linearleuchten über großen Landeflächen sind energetisch vorteilhaft. Ein in eine beliebige Richtung abgestrahltes Quant fällt auf ein Blatt, der Koeffizient k liegt nahe bei Eins.

Zum Beispiel kombiniert das „Kinder“ -Beleuchtungssystem auf dem Titelfoto die Vorteile einer großen Anzahl von Lichtquellen (LED-Bänder, die mit Schreibwarenband glatt befestigt sind) und reflektierenden Oberflächen (Wände, die mit weißer Wasserdispersionsfarbe gestrichen wurden), dem tatsächlichen Wert des Lichtflusskoeffizienten dafür 0,9.

Zwischenschlussfolgerung: Für alle betrachteten Geometrien des Beleuchtungssystems ist die Unsicherheit im Anteil des auf die Pflanzen übertragenen Lichts höher als die Differenz zwischen PPFD und YPFD und höher als der Fehler, der durch die unbekannte Farbtemperatur und Farbwiedergabe bestimmt wird. Für eine praktische Beurteilung der Intensität der photosynthetisch aktiven Strahlung ist es daher ratsam, eine eher grobe Methode zur Beurteilung der Beleuchtung zu wählen, bei der diese Nuancen nicht berücksichtigt werden. Und wenn möglich, messen Sie die tatsächliche Beleuchtung mit einem Luxmeter.

Lichtmessfehler

Bei direkten Messungen muss die durch das Beleuchtungssystem erzeugte ungleichmäßige Beleuchtung berücksichtigt werden. Ein typisches Beispiel: Die Norm EN 12464-1 „Die Beleuchtung von Arbeitsplätzen“ verlangt ein Verhältnis von minimaler Beleuchtung zu durchschnittlich nicht mehr als 0,7. Dies bedeutet in der Praxis einen Beleuchtungsunterschied zwischen verschiedenen Bereichen von bis zu 30% und einen signifikanten Fehler des Durchschnittswerts bei einer geringen Anzahl von Messungen.

Außerdem können die Messwerte des Belichtungsmessers gemäß seiner Genauigkeitsklasse um einige Prozent von den tatsächlichen Werten abweichen. Also GOST 24940-2016 „Gebäude und Strukturen. Beleuchtungsmessmethoden “erfordern die Verwendung von Lichtmessgeräten mit einem Fehler von nicht mehr als 10%, und die in Russland am häufigsten verwendeten Modelle von Lichtmessgeräten„ eLait02 “und„ TKA-PKM “weisen einen Fehler von 8% auf.

Die Auswirkung eines Fehlers im PPFD- Wert auf das Ergebnis

In Übereinstimmung mit dem Gesetz des Begrenzungsfaktors („Liebig-Fass“) wirkt sich der geringe Faktor, der leicht sein kann, linear auf die Ernte aus. Das optimale PPFD- Niveau wird jedoch normalerweise nach dem Kriterium der Maximierung der Produktivität und damit an der Grenze oder im Ausland linear abhängig ausgewählt. Beispielsweise ^wurde in [5] die optimale Beleuchtungsstärke von Chinakohl- PPFD = 340 µmol / s / m ² ermittelt, und es wurde das Argument verwendet, dass das bei hohen Beleuchtungsausbeuten mit zunehmender Beleuchtung verwendete Kriterium so schwach ist, dass eine zunehmende Beleuchtung wirtschaftlich nicht realisierbar ist. In einer privaten Nachricht wiesen die Autoren dieser Arbeit darauf hin, dass mit einer verbesserten Methode zum Anbau derselben Kultur eine lineare Ertragssteigerung bei Beleuchtungsstärken von bis zu 500 μmol / s / m ^{2 beobachtet wurde} .

Somit ist die Situation eines signifikanten Effekts von PPFD auf die Ausbeute an sich ein Zeichen für unzureichende Lichtverhältnisse. Eine ausreichende Lichtmenge beseitigt die Bedeutung des Fehlers bei der Bestimmung des Beleuchtungsniveaus und macht es ungerechtfertigt, hochpräzise Schätzungen zu verwenden.

Fazit

Die am besten geeignete Schätzung des photosynthetisch aktiven Weißlichtflusses wird erreicht, indem die Beleuchtungsstärke E mit einem Belichtungsmesser gemessen, der Einfluss von Spektralparametern auf den Energiewert des Lichts für die Pflanze vernachlässigt und die PPFD des weißen LED-Lichts anhand der folgenden Formel bewertet wird :

$$

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

Danksagung

Der Autor ist dem Mitarbeiter des SSC RF-IBMP RAS Ph.D. für die Unterstützung bei der Erstellung des Artikels dankbar. Irina O. Konovalova; Gorshkoff.ru Technischer Direktor Nikolay N. Sleptsov; CREE-Spezialist Mikhail Chervinsky; Lichttechnik Anna G. Savitskaya; Leitender Forscher, IRE RAS, Ph.D. Alexander A. Sharakshane, leitender Forscher, IRE RAS und Professor an der Moskauer Staatlichen Medizinischen Universität Sechenova Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften Andrei A. Anosov.

Dieser Beitrag ist eine angepasste Übersetzung des Artikels " Eine einfache Schätzung der PFDD für eine mit weißen LEDs beleuchtete Anlage: 1000 lx = 15 μmol / s / m ² ". Die Methoden und Details der Berechnungen wurden nicht ins Russische übersetzt. Aber die Sprache ist einfacher, Beispiele und Bilder werden hinzugefügt.