É fácil avaliar o PPFD ao iluminar uma planta com LEDs brancos: 1000 lux = 15 μmol / s / m2

O artigo “ Iluminação da planta com LEDs brancos ” provocou uma animada discussão de problemas práticos e ficou claro que os métodos precisavam ser simplificados.



Como converter elementar a iluminação em unidades de radiação ativa fotossintética: PPFD , YPFD e densidade de potência radiométrica? E qual deles é realmente necessário?

Medição e registro de parâmetros do sistema de iluminação

A foto do título mostra um sistema de iluminação construído por crianças, para o qual, diferentemente de muitas soluções comerciais, é conhecido um conjunto completo de parâmetros: {0,3 m ² ; 50 watts; 11000 lux; 3000 K ; Ra = 98; 165 µmol / s / m2; 24 × 7}. Os parâmetros podem não ser ótimos, mas registrá-los permite a decisão de discutir, adotar experiência, sugerir e tentar outras opções. Não fazer essas entradas em um projeto educacional é incorreto e não pedagógico.

É necessário um espectrômetro para estimar a quantidade de iluminação de uma planta com luz não branca. A luz branca é medida com um medidor de luz muito mais acessível. E como a forma do espectro de luz branca com precisão suficiente para fins agrícolas é descrita pela temperatura e reprodução de cores comumente conhecidas [1], a medição da iluminação em suítes torna possível avaliar a radiação fotossinteticamente ativa em quaisquer outras unidades.

Quando a luz branca não é apenas justificada, mas também desejável

Sob luz branca, as plantas evoluíram toda a história da vida na Terra, crescem bem sob ela e em um ambiente artificial. A eficiência das modernas luminárias LED brancas, expressa em μmol / J na faixa atual de 400 ... 700 nm, corresponde aproximadamente ao DNaT mais especializado e é ligeiramente inferior às fito-lâmpadas LED com um espectro ruim [1]. O que torna o uso da luz branca energeticamente justificado.
O projeto Fiteks apresentou os resultados de um experimento sobre o cultivo de diferentes culturas nas mesmas condições, mas sob a luz de um espectro diferente. O experimento mostrou que o espectro afeta os parâmetros de rendimento. É extremamente curioso comparar plantas cultivadas sob luz branca, sob a luz de DNaT e rosa de banda estreita (Fig. 2).


Fig. 2 Salada cultivada nas mesmas condições, mas sob a luz de um espectro diferente. Imagens do vídeo publicado pelo projeto Fitex nos materiais da conferência “Tecnologias Agrofotônicas” em março de 2018.

Em indicadores numéricos, o primeiro lugar foi ocupado por um espectro não branco exclusivo sob o nome comercial Rose, que na forma não difere muito da luz branca quente testada com alta renderização de cores Ra = 90. Foi uma surpresa que ela diferisse ainda menos do espectro da luz branca quente com renderização de cores extremamente alta Ra = 98 (a mesma usada por crianças no sistema de iluminação na foto do cabeçalho). A principal diferença é que Rose possui uma pequena fração da energia da parte central removida (redistribuída para as bordas):



A redistribuição da energia de radiação do centro do espectro para as bordas não leva a nada ou reduz a eficiência da fotossíntese das folhas do nível inferior [2]. Mas a luz fica rosa.

A luz rosa ou amarela DNaT pode ser usada em estufas industriais. Mas quando as pessoas compartilham uma sala comum com plantas, é necessária luz branca. Por exemplo, em projetos educacionais, as plantas devem ser constantemente observadas e não há alternativa à luz branca de cores claras que ofereça conforto visual para uma pessoa e boas condições para o desenvolvimento da planta [1].

Comparação de várias opções espectrais para iluminação de plantas

Uma comparação direta dos espectros das fontes de luz (Fig. 3) mostra que a luz dos LEDs brancos mais comuns 4000 K / R _a = 80 é mais rica que o espectro DNaT e é um pouco inferior no conteúdo do componente vermelho ao espectro de luz rosa típico para iluminação de plantas com um nome comercial acostumado, mas claramente incorreto " Cresça o espectro completo da luz ". A luz branca com alta reprodução de cores em termos de composição espectral é mais rica que outras opções e mais próxima do espectro contínuo de luz natural.


Fig. 3 Comparação dos espectros da luz LED branca e das principais opções de luz especializada para plantas em crescimento

De acordo com os gráficos, um aumento na reprodução de cores da luz branca leva a um aumento na proporção de luz que é inútil para a fotossíntese com um comprimento de onda superior a 700 nm. Mas essa parcela não excede alguns por cento e não é maior do que a de " cresce o espectro da luz ".

Componentes espectrais que executam apenas a função de sinal e não estão incluídos no espectro da luz branca do LED - principalmente 400 nm e 730 nm, podem ser adicionados à luz branca usando luminárias separadas com LEDs de banda estreita. Verificar a adequação de tal aditivo e determinar sua intensidade ideal para cada cultura cultivada é bastante simples. Mas antes de tudo, a necessidade básica da planta de luz deve ser satisfeita - energia.

LER : Classificação de eficácia da luminária

O parâmetro LER [lm / W] tem a mesma dimensão que a eficiência luminosa η [lm / W] que caracteriza a luminária, mas denota o fluxo luminoso em lúmens correspondente a um watt de potência de radiação radiométrica.

O LER depende fracamente da temperatura de cor da CCT e possui uma dispersão significativa em uma renderização de cor fixa Ra (Fig. 4). Como estimativa de LER, você pode usar um valor arredondado de LER = 300 lm / W.


Fig. 4 Dependência da luz LED branca da LER no índice geral de reprodução de cores

Conhecendo o valor LER , é fácil calcular a potência radiométrica pela fórmula W = F / LER e a densidade de potência radiométrica W / S = E / LER , em que W [W] é a potência radiométrica, F [lm] é o fluxo de luz, S [m ² ] - a área sobre a qual o fluxo luminoso cai, E [lx] - iluminação.

Se for necessário maximizar a energia radiométrica com um determinado consumo de energia, a luminária pode ser selecionada de acordo com o critério de eficiência energética máxima, calculado pela fórmula: Eficiência = 100% · η / LER , em que η [lm / W] é a eficiência luminosa da lâmpada.

A densidade radiométrica do fluxo de luz é raramente usada nas diretrizes de iluminação da planta. A estimativa do LER é útil no entendimento de que a densidade do fluxo radiométrico é proporcional à iluminação em lux e os parâmetros espectrais da luz branca podem ser negligenciados como primeira aproximação. Além disso, a avaliação do LER permite estimar a eficiência da instalação de iluminação como um todo, de acordo com a fórmula eficiência = 100% · E · S / LER / P , em que E [lx] é a iluminação medida real criada na área S [m ² ] da instalação de iluminação que consome energia P [ Ter]. A eficiência é um importante parâmetro integral do controle da eficácia.

Valor energético de uma unidade de luz

O valor energético da luz para uma planta é determinado pelo valor de PPF (Fotossíntese Photon Flux) em micromoles por segundo na faixa de 400 a 700 nm, ou mais precisamente pelo valor de YPF (Yield Photon Flux), levando em consideração a correção da curva McCree 1972 [4]. A maioria dos dados citados na literatura científica em que você precisa confiar ao avaliar um sistema de iluminação opera com valores de PPF , e isso torna interessante analisar a proporção de PPF para YPF .

Para a luz branca, a dependência entre PPF e YPF é bastante próxima, pouco dependente da reprodução de cores e é determinada pela temperatura da cor (Fig. 5).


Fig. 5 Dependência da relação entre PPF e YPF na temperatura de cor do branco

Para fins práticos, basta considerar que a dependência é quase linear e o PPF para 3000 K é superior a YPF em cerca de 10% e para 5000 K em 15%. O que significa um valor de energia cerca de 5% maior para a luz quente da planta em comparação com o frio com iluminação igual nas suítes.

PPF e PPFD

Para valores típicos dos parâmetros espectrais, o PPF e o PPFD são obtidos da seguinte forma:



Pode-se observar que luz quente e luz com alta reprodução de cores têm um valor de energia ligeiramente maior para a planta com iluminação igual.

Os valores na tabela diferem do valor arredondado de 15 unidades em não mais de 7%; portanto, para fins práticos, você pode usar a regra: um fluxo de 1000 lm corresponde a PPF = 15 μmol / s, e a iluminação de 1000 lux corresponde a PPFD = 15 μmol / s / m ² .
De acordo com [3], DNaTs especializados para iluminação de estufas com potência de 600 ... 1000 W têm uma eficiência de cerca de 1,6 μmol / J, 1000 lm de fluxo luminoso correspondem a cerca de PPF = 12 μmol / s, e a iluminação de 1000 lux corresponde a cerca de PPFD = 12 μmol / s / m ² . Assim, a luz branca para a planta é um quarto das “calorias” em comparação com a luz do DNaT, e a mesma iluminação nas suítes significa um maior PPF.
Além disso, esses dados possibilitam recalcular o lux para DNaT em µmol / s / m ² e usar a experiência de iluminação de plantas em estufas industriais.

Estimativa do coeficiente de uso do fluxo de luz

O coeficiente de uso do fluxo de luz k é a fração do fluxo de luz da instalação de iluminação que cai nas folhas das plantas. Este valor pode ser usado, por exemplo, para estimar PPFD de acordo com a fórmula: PPFD [μmol / s / m ² ] = k · 15 · F [km] / S [m ² ], onde F é o fluxo luminoso em quilolumens, S é o iluminado área em metros quadrados.

A incerteza de k aumenta o erro de estimativa. Considere os valores possíveis de k para os principais tipos de sistemas de iluminação:

1) Fontes pontuais e lineares

A iluminação criada por uma fonte pontual em uma área local cai inversamente com o quadrado da distância entre essa área e a fonte. A iluminação criada por fontes lineares estendidas sobre leitos estreitos cai inversamente com a distância.

A diminuição da iluminação não ocorre devido ao fato de que a luz "enfraquece" com a distância, mas devido ao fato de que, com o aumento da distância, uma proporção crescente da luz não cai nas folhas. Isso torna extremamente desvantajoso iluminar plantas individuais ou camas individuais estendidas com lâmpadas altamente suspensas. A óptica que reduz o fluxo de luz permite direcionar uma grande fração do fluxo de luz para a planta, mas, no caso geral, não se sabe qual.

A forte dependência da iluminação na distância e a incerteza do efeito do uso da óptica não nos permitem determinar o coeficiente de utilização k no caso geral.

2) Superfícies reflexivas

Ao usar volumes fechados com paredes que refletem perfeitamente, todo o fluxo luminoso entra na planta. No entanto, o verdadeiro coeficiente de reflexão de superfícies espelhadas ou brancas é menor que a unidade. E isso leva ao fato de que a proporção do fluxo de luz incidente nas plantas ainda depende das propriedades refletivas das superfícies e da geometria do volume. E determinar k no caso geral é impossível.

3) Grandes matrizes de fontes em grandes áreas de desembarque

Grandes matrizes de luminárias spot ou lineares em grandes áreas de pouso são energeticamente benéficas. Um quantum irradiado em qualquer direção cairá sobre uma folha, o coeficiente k está próximo da unidade.

Por exemplo, o sistema de iluminação “infantil” na foto-título combina as vantagens de uma grande variedade de fontes de luz (fitas de LED fixadas suavemente com fita de papelaria) e superfícies reflexivas (paredes pintadas com tinta branca de dispersão em água), o valor real do coeficiente de fluxo de luz k > 0,9.

Conclusão intermediária: para todas as geometrias consideradas do sistema de iluminação, a incerteza na proporção de luz transmitida às plantas é maior que a diferença entre PPFD e YPFD e maior que o erro determinado pela temperatura e reprodução de cores desconhecidas. Portanto, para uma avaliação prática da intensidade da radiação fotossinteticamente ativa, é aconselhável escolher uma metodologia bastante grosseira para avaliar a iluminação que não leva em conta essas nuances. E, se possível, meça a iluminação real com um luxímetro.

Erro de medição de luz

Nas medições diretas, é necessário levar em consideração a iluminação irregular criada pelo sistema de iluminação. Um exemplo típico: a norma EN 12464-1 "A iluminação dos locais de trabalho" requer uma proporção de iluminação mínima para média não superior a 0,7. O que, na prática, significa uma diferença na iluminação de áreas diferentes de até 30% e um erro significativo do valor médio com um pequeno número de medições.

Além disso, as leituras do medidor de luz de acordo com sua classe de precisão podem diferir em alguns por cento dos valores reais. Então GOST 24940-2016 “Edifícios e estruturas. Métodos de medição de iluminação ”requerem o uso de medidores de luz com um erro não superior a 10%, e os modelos mais comuns de medidores de luz" eLait02 "e" TKA-PKM "na Rússia apresentam um erro de 8%.

O efeito de um erro no valor do PPFD no resultado

De acordo com a lei do fator limitante (“barril de Liebig”), o fator escasso, que pode ser leve, afeta a colheita linearmente. No entanto, o nível ótimo de PPFD é geralmente selecionado de acordo com o critério de maximizar a produtividade e, portanto, na dependência linear na fronteira ou no exterior. Por exemplo, a intensidade ideal de iluminação do repolho chinês PPFD = 340 µmol / s / m ^{2 foi} determinada em [5], e foi utilizado o argumento de que o critério usado em altos níveis de iluminação produz com aumento da iluminação é tão fraco que o aumento da iluminação não é economicamente viável. Em uma mensagem privada, os autores deste trabalho indicaram que, com um método aprimorado de cultivar a mesma cultura, foi observado um aumento linear no rendimento em iluminâncias de até 500 μmol / s / m ² .

Assim, a situação de um efeito significativo do PPFD no rendimento é em si um sinal de níveis de luz insuficientes. Uma quantidade suficiente de luz elimina a significância do erro na determinação do nível de iluminação e torna injustificado o uso de estimativas de alta precisão.

Conclusão

A estimativa mais adequada do fluxo de luz branca fotossinteticamente ativa é obtida medindo a iluminância E com um medidor de luz, negligenciando a influência dos parâmetros espectrais no valor energético da luz para a planta e avaliando o PPFD da luz branca do LED usando a fórmula:

$$

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

Agradecimentos

O autor agradece a ajuda na preparação do artigo ao funcionário do SSC RF-IBMP RAS Ph.D. Irina O. Konovalova; Diretor Técnico do Gorshkoff.ru Nikolay N. Sleptsov; Mikhail Chervinsky, especialista em CREE; engenharia de iluminação Anna G. Savitskaya; Pesquisador Sênior, IRE RAS, Ph.D. Alexander A. Sharakshane, Pesquisador Principal, IRE RAS e Professor, Universidade Estadual de Medicina de Moscou Sechenova Doutor em ciências físicas e matemáticas Andrei A. Anosov.

Este post é uma tradução adaptada do artigo " Uma estimativa fácil do PFDD para uma planta iluminada com LEDs brancos: 1000 lx = 15 μmol / s / m ² ". Os métodos e detalhes dos cálculos não foram traduzidos para o russo. Mas a linguagem é mais simples, exemplos e imagens são adicionados.