Sangat mudah untuk mengevaluasi PPFD ketika menerangi pabrik dengan LED putih: 1000 lux = 15 μmol / s / m2

Artikel " Pencahayaan Pabrik dengan LED Putih " memicu diskusi yang hidup tentang masalah praktis, dan menjadi jelas bahwa metode perlu disederhanakan.



Bagaimana cara mengubah iluminasi menjadi unit radiasi aktif fotosintesis: PPFD , YPFD dan kerapatan daya radiometrik? Dan mana yang benar-benar dibutuhkan?

Pengukuran dan perekaman parameter sistem pencahayaan

Foto judul menunjukkan sistem pencahayaan yang dibangun oleh anak-anak, yang, tidak seperti banyak solusi komersial, seperangkat parameter diketahui: {0,3 m ² ; 50 watt; 11000 lux; 3000 K ; R _a = 98; 165 μmol / s / m ² ; 24 × 7}. Parameter mungkin tidak optimal, tetapi merekamnya memungkinkan keputusan untuk membahas, mengadopsi pengalaman, menyarankan dan mencoba opsi lain. Tidak membuat entri seperti itu dalam proyek pendidikan adalah salah dan tidak pedagogis.

Diperlukan spektrometer untuk memperkirakan jumlah penerangan tanaman dengan cahaya non-putih. Cahaya putih diukur dengan pengukur cahaya yang jauh lebih terjangkau. Dan karena bentuk spektrum cahaya putih dengan akurasi yang cukup untuk keperluan pertanian dijelaskan oleh suhu warna yang umum dikenal dan rendisi warna [1], pengukuran penerangan di suite memungkinkan untuk mengevaluasi radiasi aktif fotosintesis di unit lain.

Ketika cahaya putih tidak hanya dibenarkan, tetapi juga diinginkan

Di bawah cahaya putih, tanaman telah berevolusi sepanjang sejarah kehidupan di Bumi, tumbuh dengan baik di bawahnya dan di lingkungan buatan. Efisiensi luminair LED putih modern, dinyatakan dalam μmol / J dalam kisaran 400 ... 700 nm, kira-kira sesuai dengan DNaT khusus terbaik dan sedikit lebih rendah daripada lampu phyto LED dengan spektrum buruk [1]. Apa yang membuat penggunaan cahaya putih dibenarkan dengan penuh semangat.
Proyek Fiteks mempresentasikan hasil percobaan pada penanaman tanaman yang berbeda di bawah kondisi yang sama, tetapi di bawah cahaya spektrum yang berbeda. Percobaan menunjukkan bahwa spektrum mempengaruhi parameter hasil. Sangat aneh untuk membandingkan tanaman yang tumbuh di bawah cahaya putih, di bawah cahaya DNaT dan pita merah muda sempit (Gbr. 2).


Fig. 2 Salad tumbuh di bawah kondisi yang sama, tetapi di bawah cahaya spektrum yang berbeda. Gambar dari video yang diterbitkan oleh proyek Fitex di bahan konferensi "Teknologi Agrophotonic" pada Maret 2018.

Dalam indikator numerik, tempat pertama diambil oleh spektrum non-putih yang unik di bawah nama komersial Rose, yang dalam bentuk tidak jauh berbeda dari cahaya putih hangat yang diuji dengan rendering warna tinggi R _a = 90. Ternyata menjadi kejutan bahwa itu berbeda bahkan kurang dari spektrum cahaya putih hangat dengan rendering warna ekstra tinggi Ra = 98 (yang digunakan oleh anak-anak dalam sistem pencahayaan di foto header). Perbedaan utama adalah bahwa Rose memiliki sebagian kecil energi dari bagian tengah yang dihilangkan (didistribusikan ke tepi):



Redistribusi energi radiasi dari pusat spektrum ke tepi tidak mengarah pada apa pun atau mengurangi efisiensi fotosintesis daun-daun lapis bawah [2]. Tapi cahayanya berubah menjadi merah muda.

Lampu merah muda atau lampu DNaT kuning dapat digunakan di rumah kaca industri. Tetapi ketika orang berbagi ruang bersama dengan tanaman, cahaya putih diperlukan. Sebagai contoh, dalam proyek-proyek pendidikan, tanaman harus terus diamati dan tidak ada alternatif untuk cahaya putih warna terang yang memberikan kenyamanan visual bagi seseorang dan kondisi yang baik untuk pengembangan tanaman [1].

Perbandingan berbagai opsi spektral untuk pencahayaan tanaman

Perbandingan langsung dari spektrum sumber cahaya (Gbr. 3) menunjukkan bahwa cahaya dari LED putih paling umum 4000 K / R _a = 80 lebih kaya daripada spektrum DNaT dan agak lebih rendah dalam kandungan komponen merah ke spektrum cahaya merah muda khas untuk penerangan tanaman dengan nama komersial yang sudah biasa, tetapi jelas tidak tepat. " Tumbuhkan spektrum penuh cahaya ". Cahaya putih rendering warna tinggi dalam hal komposisi spektral lebih kaya daripada opsi lain dan lebih dekat ke spektrum cahaya alami yang berkelanjutan.


Fig. 3 Perbandingan spektrum cahaya LED putih dan opsi utama untuk cahaya khusus untuk tanaman yang sedang tumbuh

Menurut grafik, peningkatan rendering warna cahaya putih mengarah pada peningkatan proporsi cahaya yang tidak berguna untuk fotosintesis dengan panjang gelombang lebih dari 700 nm. Tetapi bagian ini tidak melebihi beberapa persen dan tidak lebih tinggi dari “ tumbuh spektrum penuh cahaya ”.

Komponen spektral yang hanya menjalankan fungsi sinyal dan tidak termasuk dalam spektrum cahaya LED putih - utamanya 400 nm dan 730 nm, dapat ditambahkan ke cahaya putih menggunakan luminer terpisah dengan LED pita sempit. Memeriksa kelayakan aditif semacam itu dan menentukan intensitas optimalnya untuk setiap tanaman budidaya cukup sederhana. Tapi pertama-tama, kebutuhan dasar tanaman untuk cahaya harus dipenuhi - energi.

LER : Peringkat Efisiensi Luminer

Parameter LER [lm / W] memiliki dimensi yang sama dengan efisiensi bercahaya η [lm / W] yang mencirikan luminer, tetapi menunjukkan fluks bercahaya dalam lumen yang sesuai dengan satu watt daya radiasi radiometrik.

LER lemah tergantung pada suhu warna CCT, dan memiliki sebaran signifikan pada rendering warna tetap R _a (Gbr. 4). Sebagai perkiraan LER, Anda dapat menggunakan nilai bulat LER = 300 lm / W.


Fig. 4 Ketergantungan lampu LED putih LER pada keseluruhan indeks rendering warna

Mengetahui nilai LER , mudah untuk menghitung daya radiometrik dengan rumus W = F / LER dan kepadatan daya radiometrik W / S = E / LER , di mana W [W] adalah kekuatan radiometrik, F [lm] adalah fluks cahaya, S [m ² ] - area di mana fluks bercahaya jatuh, E [lx] - iluminasi.

Jika perlu memaksimalkan daya radiometrik pada konsumsi energi tertentu, luminer dapat dipilih sesuai dengan kriteria efisiensi energi maksimum, yang dihitung dengan rumus: Efisiensi = 100% · η / LER , di mana η [lm / W] adalah output cahaya dari lampu.

Kerapatan fluks cahaya radiometrik jarang digunakan dalam pedoman pencahayaan tanaman. Estimasi LER berguna dalam memahami bahwa kerapatan fluks radiometrik sebanding dengan iluminasi dalam lux, dan parameter spektral cahaya putih dapat diabaikan sebagai perkiraan pertama. Juga, penilaian LER memungkinkan kita untuk memperkirakan efisiensi instalasi pencahayaan secara keseluruhan sesuai dengan rumus efisiensi = 100% · E · S / LER / P , di mana E [lx] adalah pencahayaan terukur aktual yang dibuat pada area S [m ² ] instalasi pencahayaan yang menggunakan daya P [ Sel]. Efisiensi adalah parameter integral penting dari kontrol efektivitas.

Nilai energi dari satu unit cahaya

Nilai energi cahaya untuk suatu pabrik ditentukan oleh nilai PPF (Photosynthetic Photon Flux) dalam mikromol per detik pada kisaran 400 ... 700 nm, atau lebih tepatnya dengan nilai YPF (Yield Photon Flux) dengan memperhitungkan koreksi kurva McCree 1972 [4]. Sebagian besar data yang dikutip dalam literatur ilmiah yang harus Anda andalkan ketika mengevaluasi sistem pencahayaan beroperasi pada nilai-nilai PPF , dan ini membuatnya menarik untuk menganalisis rasio PPF ke YPF .

Untuk cahaya putih, ketergantungan antara PPF dan YPF agak dekat, sangat tergantung pada rendisi warna, dan ditentukan oleh suhu warna (Gbr. 5).


Fig. 5 Ketergantungan rasio antara PPF dan YPF pada suhu warna putih

Untuk tujuan praktis, cukup untuk memperhitungkan bahwa ketergantungannya hampir linier dan PPF untuk 3000 K lebih dari YPF sekitar 10%, dan untuk 5000 K sebesar 15%. Yang berarti nilai energi sekitar 5% lebih besar untuk cahaya hangat tanaman dibandingkan dengan dingin dengan pencahayaan yang sama di suite.

PPF dan PPFD

Untuk nilai-nilai khas dari parameter spektral, PPF dan PPFD diperoleh sebagai berikut:



Dapat dilihat bahwa cahaya hangat dan cahaya dengan reproduksi warna yang tinggi memiliki nilai energi yang sedikit lebih besar untuk tanaman dengan pencahayaan yang sama.

Nilai dalam tabel berbeda dari nilai bulat 15 unit tidak lebih dari 7%, oleh karena itu, untuk tujuan praktis, Anda dapat menggunakan aturan: aliran 1000 lm sesuai dengan PPF = 15 μmol / s, dan penerangan 1000 lux sesuai dengan PPFD = 15 μmol / s / m ² .
Menurut data dari [3], DNaT khusus untuk penerangan rumah kaca dengan kekuatan 600 ... 1000 W memiliki efisiensi sekitar 1,6 μmol / J, 1000 lm fluks cahaya sesuai dengan tentang PPF = 12 μmol / s, dan penerangan 1000 lux sesuai dengan tentang PPFD = 12 μmol / s / m ² . Dengan demikian, cahaya putih untuk pabrik adalah seperempat "kalori" dibandingkan dengan cahaya DNaT, dan pencahayaan yang sama di suite berarti PPF yang lebih besar.
Juga, data ini memungkinkan untuk menghitung ulang lux untuk DNaT dalam µmol / s / m ² dan menggunakan pengalaman penerangan pabrik di rumah kaca industri.

Faktor efisiensi

Koefisien penggunaan fluks cahaya k adalah fraksi fluks cahaya dari instalasi pencahayaan yang jatuh pada daun tanaman. Nilai ini dapat digunakan, misalnya, untuk memperkirakan PPFD sesuai dengan rumus: PPFD [μmol / s / m ² ] = k · 15 · F [km] / S [m ² ], di mana F adalah fluks bercahaya dalam kilolumen, S adalah iluminasi area dalam meter persegi.

Ketidakpastian k meningkatkan kesalahan estimasi. Pertimbangkan nilai yang mungkin dari k untuk jenis utama sistem pencahayaan:

1) Sumber titik dan linier

Penerangan yang diciptakan oleh sumber titik di area lokal jatuh terbalik dengan kuadrat jarak antara area ini dan sumber. Penerangan yang diciptakan oleh sumber linear diperpanjang di atas tempat tidur sempit jatuh terbalik dengan jarak.

Penurunan pencahayaan tidak terjadi karena fakta bahwa cahaya "melemah" dengan jarak, tetapi karena fakta bahwa dengan meningkatnya jarak, proporsi cahaya yang meningkat tidak jatuh pada daun. Ini membuatnya sangat tidak menguntungkan untuk menerangi tanaman tunggal atau tempat tidur tunggal dengan lampu yang sangat tergantung. Optik mempersempit fluks cahaya memungkinkan mengarahkan sebagian besar fluks cahaya ke pabrik, tetapi dalam kasus umum tidak diketahui yang mana.

Kuatnya ketergantungan penerangan pada jarak dan ketidakpastian efek penggunaan optik tidak memungkinkan kita untuk menentukan koefisien pemanfaatan k dalam kasus umum.

2) Permukaan reflektif

Saat menggunakan volume tertutup dengan dinding pemantul sempurna, seluruh fluks bercahaya memasuki pabrik. Namun, koefisien pantulan nyata permukaan cermin atau putih kurang dari satu. Dan ini mengarah pada fakta bahwa proporsi insiden fluks cahaya pada tanaman masih tergantung pada sifat reflektif permukaan dan volume geometri. Dan untuk menentukan k dalam kasus umum adalah tidak mungkin.

3) Array besar sumber di atas area pendaratan besar

Susunan luminer spot atau linier yang besar di atas area pendaratan besar bermanfaat secara energi. Sebuah kuantum yang dipancarkan ke segala arah akan jatuh ke beberapa lembar, koefisien k dekat dengan persatuan.

Sebagai contoh, sistem penerangan “anak-anak” dalam foto judul menggabungkan keuntungan dari sejumlah besar sumber cahaya (kaset LED tetap pada dasar yang halus dengan pita alat tulis) dan permukaan reflektif (dinding dicat dengan cat dispersi air putih), nilai aktual dari koefisien fluks cahaya untuk itu> 0,9.

Kesimpulan menengah: untuk semua geometri sistem pencahayaan yang dipertimbangkan, ketidakpastian dalam fraksi cahaya yang ditransmisikan ke pabrik lebih tinggi daripada perbedaan antara PPFD dan YPFD , dan lebih tinggi dari kesalahan yang ditentukan oleh suhu warna yang tidak diketahui dan reproduksi warna. Oleh karena itu, untuk penilaian praktis tentang intensitas radiasi aktif fotosintesis, disarankan untuk memilih metodologi yang agak kasar untuk menilai pencahayaan yang tidak memperhitungkan nuansa-nuansa ini. Dan jika mungkin, ukur iluminasi aktual dengan luxmeter.

Kesalahan pengukuran cahaya

Dalam pengukuran langsung, perlu memperhitungkan pencahayaan tidak merata yang diciptakan oleh sistem pencahayaan. Contoh khas: standar EN 12464-1 "Penerangan Tempat Kerja" membutuhkan rasio pencahayaan minimum dengan rata-rata tidak lebih dari 0,7. Yang dalam praktiknya berarti perbedaan penerangan area yang berbeda hingga 30% dan kesalahan signifikan dari nilai rata-rata dengan sejumlah kecil pengukuran.

Selain itu, pembacaan pengukur cahaya sesuai dengan kelas akurasinya dapat berbeda beberapa persen dari nilai sebenarnya. Jadi GOST 24940-2016 “Bangunan dan struktur. Metode pengukuran penerangan ”membutuhkan penggunaan pengukur cahaya dengan kesalahan tidak lebih dari 10%, dan model pengukur cahaya“ eLait02 ”dan“ TKA-PKM ”yang paling umum di Rusia memiliki kesalahan 8%.

Pengaruh kesalahan dalam nilai PPFD pada hasil

Sesuai dengan hukum faktor pembatas (“laras Liebig”), faktor langka, yang mungkin ringan, mempengaruhi tanaman secara linear. Namun, tingkat optimal PPFD biasanya dipilih sesuai dengan kriteria memaksimalkan produktivitas, dan oleh karena itu, di perbatasan atau ketergantungan linear luar negeri. Sebagai contoh, intensitas iluminasi optimal PPFD kubis Cina = 340 μmol / s / m ² ditentukan dalam [5], dan argumen digunakan bahwa kriteria yang digunakan pada tingkat tinggi hasil iluminasi dengan peningkatan iluminasi sangat lemah sehingga peningkatan iluminasi tidak layak secara ekonomis. Dalam pesan pribadi, para penulis karya ini menunjukkan bahwa dengan metode peningkatan penanaman tanaman yang sama, peningkatan linear dalam hasil diamati pada pencahayaan hingga 500 μmol / s / m ² .

Dengan demikian, situasi efek signifikan PPFD pada hasil itu sendiri merupakan tanda tingkat cahaya yang tidak memadai. Jumlah cahaya yang cukup menghilangkan signifikansi kesalahan dalam menentukan tingkat iluminasi dan membuatnya tidak dibenarkan untuk menggunakan perkiraan presisi tinggi.

Kesimpulan

Perkiraan yang paling memadai dari fluks cahaya putih aktif fotosintesis dicapai dengan mengukur pencahayaan E dengan meteran cahaya, mengabaikan pengaruh parameter spektral pada nilai energi cahaya untuk pabrik, dan mengevaluasi PPFD dari lampu LED putih menggunakan rumus:

$$

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

Ucapan Terima Kasih

Penulis berterima kasih atas bantuan dalam persiapan artikel kepada karyawan SSC RF-IBMP RAS Ph.D. Irina O. Konovalova; Direktur Teknis Gorshkoff.ru Nikolay N. Sleptsov; Spesialis CREE Mikhail Chervinsky; teknik pencahayaan Anna G. Savitskaya; Peneliti Senior, IRE RAS, Ph.D. Alexander A. Sharakshane, Peneliti Utama, IRE RAS dan Profesor, Universitas Kedokteran Negeri Moskow Sechenova Doktor Ilmu Fisika dan Matematika Andrei A. Anosov.

Posting ini adalah terjemahan artikel yang disesuaikan " Perkiraan mudah PFDD untuk pabrik yang diterangi dengan LED putih: 1000 lx = 15 μmol / s / m ² ". Metode dan detail perhitungan tidak diterjemahkan ke dalam bahasa Rusia. Tetapi bahasanya lebih sederhana, contoh dan gambar ditambahkan.