Es fácil evaluar PPFD cuando se ilumina una planta con LED blancos: 1000 lux = 15 μmol / s / m2

El artículo " Iluminación de la planta con LED blancos " provocó un animado debate sobre problemas prácticos, y quedó claro que los métodos debían simplificarse.



¿Cómo convertir elementalmente la iluminación en unidades de radiación fotosintética activa: PPFD , YPFD y densidad de potencia radiométrica? ¿Y cuál de estos es realmente necesario?

Medición y registro de los parámetros del sistema de iluminación.

La foto del título muestra un sistema de iluminación construido por niños, para el cual, a diferencia de muchas soluciones comerciales, se conoce un conjunto completo de parámetros: {0.3 m ² ; 50 vatios; 11000 lux; 3000 K ; Ra = 98; 165 μmol / s / m ² ; 24 × 7}. Los parámetros pueden no ser óptimos, pero registrarlos permite la decisión de discutir, adoptar experiencia, sugerir y probar otras opciones. No realizar tales entradas en un proyecto educativo es incorrecto y no pedagógico.

Se requiere un espectrómetro para estimar la cantidad de iluminación de una planta con luz no blanca. La luz blanca se mide con un medidor de luz mucho más asequible. Y dado que la forma del espectro de luz blanca con una precisión suficiente para fines agrícolas se describe mediante la temperatura de color y la reproducción del color comúnmente conocidas [1], la medición de la iluminación en suites permite evaluar la radiación fotosintéticamente activa en cualquier otra unidad.

Cuando la luz blanca no solo está justificada, sino que también es deseable

Bajo luz blanca, las plantas han evolucionado toda la historia de la vida en la Tierra, crecen bien debajo de ella y en un entorno artificial. La eficiencia de las modernas luminarias LED blancas, expresada en μmol / J en el rango actual de 400 ... 700 nm, corresponde aproximadamente al mejor DNaT especializado y es ligeramente inferior a las fito-lámparas LED con un espectro deficiente [1]. Lo que hace que el uso de la luz blanca esté energéticamente justificado.
El proyecto Fiteks presentó los resultados de un experimento sobre el cultivo de diferentes cultivos en las mismas condiciones, pero a la luz de un espectro diferente. El experimento mostró que el espectro afecta los parámetros de rendimiento. Es extremadamente curioso comparar plantas cultivadas bajo luz blanca, bajo la luz de DNaT y rosa de banda estrecha (Fig. 2).


Fig. 2 Ensalada cultivada en las mismas condiciones, pero a la luz de un espectro diferente. Imágenes del video publicado por el proyecto Fitex en los materiales de la conferencia "Agrophotonic Technologies" en marzo de 2018.

En los indicadores numéricos, el primer lugar lo ocupó un espectro no blanco único bajo el nombre comercial Rose, que en forma no difiere mucho de la luz blanca cálida probada con un alto rendimiento de color R _a = 90. Resultó ser una sorpresa que difiera aún menos del espectro de luz blanca cálida con una reproducción de color extra alta R _a = 98 (la misma que fue utilizada por los niños en el sistema de iluminación en la foto del encabezado). La principal diferencia es que Rose tiene una pequeña fracción de la energía de la parte central eliminada (redistribuida a los bordes):



La redistribución de la energía de radiación desde el centro del espectro a los bordes no conduce a nada o reduce la eficiencia de la fotosíntesis de las hojas del nivel inferior [2]. Pero la luz se vuelve rosa.

La luz rosada o amarilla DNaT se puede usar en invernaderos industriales. Pero cuando las personas comparten una sala común con plantas, se necesita luz blanca. Por ejemplo, en proyectos educativos, las plantas deben observarse constantemente y no hay alternativa a la luz blanca de alto color claro que proporciona comodidad visual para una persona y buenas condiciones para el desarrollo de la planta [1].

Comparación de varias opciones espectrales para iluminación de plantas.

Una comparación directa de los espectros de las fuentes de luz (Fig. 3) muestra que la luz de los LED blancos más comunes 4000 K / R _a = 80 es más rica que el espectro DNaT y es algo inferior en contenido del componente rojo al típico espectro de luz rosa para la iluminación de plantas con un nombre comercial acostumbrado, pero claramente incorrecto " Crecer luz de espectro completo ". La luz blanca de alta reproducción cromática en términos de composición espectral es más rica que otras opciones y está más cerca del espectro continuo de luz natural.


Fig. 3 Comparación de los espectros de luz LED blanca y las principales opciones de luz especializada para plantas en crecimiento

Según los gráficos, un aumento en la reproducción del color de la luz blanca conduce a un aumento en la proporción de luz que es inútil para la fotosíntesis con una longitud de onda de más de 700 nm. Pero esta proporción no excede un pequeño porcentaje y no es más alta que la de " crecer todo el espectro de luz ".

Los componentes espectrales que realizan solo la función de señal y no están incluidos en el espectro de la luz LED blanca, principalmente 400 nm y 730 nm, se pueden agregar a la luz blanca utilizando luminarias separadas con LED de banda estrecha. Verificar la idoneidad de dicho aditivo y determinar su intensidad óptima para cada cultivo cultivado es bastante simple. Pero antes que nada, se debe satisfacer la necesidad básica de luz de la planta: la energía.

LER : Calificación de eficacia de la luminaria

El parámetro LER [lm / W] tiene la misma dimensión que la eficiencia luminosa η [lm / W] que caracteriza la luminaria, pero denota el flujo luminoso en lúmenes correspondiente a un vatio de potencia de radiación radiométrica.

LER depende débilmente de la temperatura de color de CCT, y tiene una dispersión significativa en una reproducción de color fija R _a (Fig. 4). Como una estimación de LER, puede usar un valor redondeado de LER = 300 lm / W.


Fig. 4 Dependencia de la luz LED blanca LER en el índice general de reproducción cromática

Conociendo el valor LER , es fácil calcular la potencia radiométrica mediante la fórmula W = F / LER y la densidad de potencia radiométrica W / S = E / LER , donde W [W] es la potencia radiométrica, F [lm] es el flujo de luz, S [m ² ] - el área sobre la cual cae el flujo luminoso, E [lx] - iluminación.

Si es necesario maximizar la potencia radiométrica en un consumo de energía dado, la luminaria se puede seleccionar según el criterio de máxima eficiencia energética, que se calcula mediante la fórmula: Eficiencia = 100% · η / LER , donde η [lm / W] es la salida de luz de la lámpara.

La densidad de flujo de luz radiométrica rara vez se usa en las pautas de iluminación de la planta. La estimación de LER es útil para comprender que la densidad del flujo radiométrico es proporcional a la iluminación en lux, y los parámetros espectrales de la luz blanca pueden despreciarse como una primera aproximación. Además, la evaluación LER nos permite estimar la eficiencia del sistema de iluminación en su conjunto de acuerdo con la fórmula eficiencia = 100% · E · S / LER / P , donde E [lx] es la iluminación medida real creada en el área S [m ² ] del sistema de iluminación que consume energía P [ Mar]. La eficiencia es un parámetro integral importante del control de efectividad.

Valor energético de una unidad de luz.

El valor energético de la luz para una planta está determinado por el valor de PPF (Flujo de fotones fotosintéticos) en micromoles por segundo en el rango de 400 ... 700 nm, o más precisamente por el valor de YPF (Flujo de fotones de rendimiento) teniendo en cuenta la corrección de la curva McCree 1972 [4]. La mayoría de los datos citados en la literatura científica en los que debe confiar al evaluar un sistema de iluminación funcionan con valores de PPF , y esto hace que sea interesante analizar la relación de PPF a YPF .

Para la luz blanca, la dependencia entre PPF e YPF es bastante estrecha, depende débilmente de la reproducción del color y está determinada por la temperatura del color (Fig. 5).


Fig. 5 Dependencia de la relación entre PPF e YPF de la temperatura de color del blanco

Para fines prácticos, es suficiente tener en cuenta que la dependencia es casi lineal y que el PPF para 3000 K es más que YPF en aproximadamente un 10%, y para 5000 K en un 15%. Lo que significa aproximadamente un 5% más de valor energético para la luz cálida de la planta en comparación con el frío con igual iluminación en las suites.

PPF y PPFD

Para valores típicos de los parámetros espectrales PPF y PPFD se obtienen de la siguiente manera:



Se puede ver que la luz cálida y la luz con alta reproducción de color tienen un valor energético ligeramente mayor para la planta con la misma iluminación.

Los valores en la tabla difieren del valor redondo de 15 unidades en no más del 7%, por lo tanto, para fines prácticos, puede usar la regla: un flujo de 1000 lm corresponde a PPF = 15 μmol / s, y la iluminación de 1000 lux corresponde a PPFD = 15 μmol / s / m ² .
Según los datos de [3], los DNaT especializados para iluminar invernaderos con una potencia de 600 ... 1000 W tienen una eficiencia de aproximadamente 1,6 μmol / J, 1000 lm de flujo de luz corresponden a aproximadamente PPF = 12 μmol / s, y la iluminación de 1000 lux corresponde a aproximadamente PPFD = 12 μmol / s / m ² . Por lo tanto, la luz blanca para la planta es un cuarto de "calorías" en comparación con la luz de DNaT, y la misma iluminación en las suites significa un mayor PPF.
Además, estos datos hacen posible recalcular el lux para DNaT en µmol / s / m ² y utilizar la experiencia de iluminación de plantas en invernaderos industriales.

Estimación de la utilización del flujo luminoso.

El coeficiente de uso del flujo de luz k es la fracción del flujo de luz de la instalación de iluminación que cae sobre las hojas de las plantas. Este valor se puede usar, por ejemplo, para estimar PPFD de acuerdo con la fórmula: PPFD [μmol / s / m ² ] = k · 15 · F [km] / S [m ² ], donde F es el flujo luminoso en kilolúmenes, S es el iluminado Área en metros cuadrados.

La incertidumbre de k aumenta el error de estimación. Considere los posibles valores de k para los principales tipos de sistemas de iluminación:

1) Fuentes puntuales y lineales

La iluminación creada por una fuente puntual en un área local cae inversamente con el cuadrado de la distancia entre esta área y la fuente. La iluminación creada por fuentes lineales extendidas sobre camas estrechas cae inversamente con la distancia.

La disminución de la iluminación no ocurre debido al hecho de que la luz "se debilita" con la distancia, sino al hecho de que al aumentar la distancia, una proporción creciente de la luz no cae sobre las hojas. Esto hace que sea extremadamente desventajoso iluminar plantas individuales o camas individuales extendidas con lámparas altamente suspendidas. La óptica que reduce el flujo de luz permite dirigir una gran fracción del flujo de luz hacia la planta, pero en el caso general no se sabe cuál.

La fuerte dependencia de la iluminación de la distancia y la incertidumbre del efecto del uso de la óptica no nos permiten determinar el coeficiente de utilización k en el caso general.

2) superficies reflectantes

Cuando se usan volúmenes cerrados con paredes perfectamente reflectantes, todo el flujo luminoso ingresa a la planta. Sin embargo, el coeficiente de reflexión real del espejo o las superficies blancas es menor que la unidad. Y esto lleva al hecho de que la proporción del flujo de luz incidente en las plantas todavía depende de las propiedades reflectantes de las superficies y la geometría del volumen. Y determinar k en el caso general es imposible.

3) Grandes conjuntos de fuentes sobre grandes áreas de aterrizaje

Las grandes series de luminarias puntuales o lineales sobre grandes áreas de aterrizaje son energéticamente beneficiosas. Un cuanto irradiado en cualquier dirección caerá sobre una hoja, el coeficiente k está cerca de la unidad.

Por ejemplo, el sistema de iluminación "para niños" en la foto del título combina las ventajas de una gran variedad de fuentes de luz (cintas LED fijadas de manera uniforme con cinta de escritorio) y superficies reflectantes (paredes pintadas con pintura blanca de dispersión de agua), el valor real del coeficiente de flujo de luz para él k > 0.9.

Conclusión intermedia: para todas las geometrías consideradas del sistema de iluminación, la incertidumbre en la proporción de luz transmitida a las plantas es mayor que la diferencia entre PPFD e YPFD , y mayor que el error determinado por la temperatura de color desconocida y la reproducción del color. Por lo tanto, para una evaluación práctica de la intensidad de la radiación fotosintéticamente activa, es aconsejable elegir una metodología bastante tosca para evaluar la iluminación que no tenga en cuenta estos matices. Y si es posible, mida la iluminación real con un luxómetro.

Error de medición de luz

En mediciones directas, es necesario tener en cuenta la iluminación desigual creada por el sistema de iluminación. Un ejemplo típico: la norma EN 12464-1 "La iluminación de los lugares de trabajo" requiere una relación de iluminación mínima a media no mayor a 0.7. Lo que en la práctica significa una diferencia en la iluminación de diferentes áreas hasta un 30% y un error significativo del valor promedio con un pequeño número de mediciones.

Además, las lecturas del medidor de luz de acuerdo con su clase de precisión pueden diferir en un pequeño porcentaje de los valores reales. Entonces GOST 24940-2016 “Edificios y estructuras. Los métodos de medición de iluminación "requieren el uso de medidores de luz con un error de no más del 10%, y los modelos más comunes de medidores de luz" eLait02 "y" TKA-PKM "en Rusia tienen un error del 8%.

El efecto de un error en el valor PPFD en el resultado

De acuerdo con la ley del factor limitante ("barril de Liebig"), el factor escaso, que puede ser ligero, afecta el cultivo linealmente. Sin embargo, el nivel óptimo de PPFD generalmente se selecciona de acuerdo con el criterio de maximizar la productividad y, por lo tanto, en la dependencia lineal en el límite o en el extranjero. Por ejemplo, la intensidad óptima de iluminación de la col china PPFD = 340 µmol / s / m ^{2 se} determinó en [5], y se utilizó el argumento de que el criterio utilizado en altos niveles de iluminación con un aumento de la iluminación es tan débil que aumentar la iluminación no es económicamente factible. En un mensaje privado, los autores de este trabajo indicaron que con un método mejorado para cultivar el mismo cultivo, se observó un aumento lineal en el rendimiento a iluminancias de hasta 500 μmol / s / m ² .

Por lo tanto, la situación de un efecto significativo de PPFD en el rendimiento es en sí mismo un signo de niveles de luz insuficientes. Una cantidad suficiente de luz elimina la importancia del error al determinar el nivel de iluminación y hace que no se justifique el uso de estimaciones de alta precisión.

Conclusión

La evaluación más adecuada del flujo de luz blanca fotosintéticamente activa se logra midiendo la iluminancia E con un medidor de luz, descuidando la influencia de los parámetros espectrales en el valor de energía de la luz para la planta y evaluando el PPFD de la luz LED blanca usando la fórmula:

$$

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

Agradecimientos

El autor agradece la asistencia en la preparación del artículo al empleado del SSC RF-IBMP RAS Ph.D. Irina O. Konovalova; Gorshkoff.ru Director técnico Nikolay N. Sleptsov; El especialista del CREE, Mikhail Chervinsky; ingeniería de iluminación Anna G. Savitskaya; Investigador principal, IRE RAS, Ph.D. Alexander A. Sharakshane, investigador principal, IRE RAS y profesor, Universidad Estatal de Medicina de Moscú Doctor Sechenova en Ciencias Físicas y Matemáticas Andrei A. Anosov.

Esta publicación es una traducción adaptada del artículo " Una estimación fácil del PFDD para una planta iluminada con LED blancos: 1000 lx = 15 μmol / s / m ² ". Los métodos y detalles de los cálculos no fueron traducidos al ruso. Pero el lenguaje es más simple, se agregan ejemplos e imágenes.