Приборы оперативной оценки энергоэффективности потока оптического излучения в условиях светокультуры

Почти вся энергия на земной поверхности приходит прямо или косвенно от Солнца. Растения конвертируют эту энергию в удобную форму через фотосинтез. Исторически сложилось, что измерения фотосинтетической активной радиации (ФАР) несколько субъективны потому, что учёные не согласились с тем, что представляет собой ФАР и как она должна быть количественно описана.

При изучении действия оптического излучения на растения всегда необходимо учитывать, что в физиологических процессах (фотосинтез, образование пигментов, рост, фотоморфогенез и проч.) участвует только та часть излучения, которая поглощается растительными тканями. Ещё Климент Аркадьевич Тимирязев в конце XIX века поставил перед физиологами растений задачу выяснить, какая часть солнечного излучения, падающего на лист, им используется. Кейт Дж. Маккри (McCree Keith J, Agric. Meteorol., 10:443, 1972) установил более сильную корреляционную связь между процессом фотосинтеза растений с числом фотонов, чем с энергией облучения. В основу его аргумента положено, что фотосинтез управляется и количественно пропорционален числу фотонов, поглощаемых листьями, и фотосинтез только обусловлен светом в определённом диапазоне длин волн. Он выразил обеспокоенность тем, что спектральное распределение света, используемого в фотосинтезе, существенно различается в разных исследованиях и заявил, что для того, чтобы сравнить величины скорости фотосинтеза важно, чтобы все использовали одни и те же критерии.

Известно [1, 3], что спектральный диапазон излучения можно условно разбить на участки в соответствии с их влиянием на физиологические процессы:

Более 1000 нм – тепловое воздействие,

700 – 1000 нм – эффект вытягивания стебля,

610 – 700 нм – зона максимального фотосинтетического эффекта, синтез хлорофилла, проявление эффекта фотопериодизма,

400 – 510 нм – поглощение каратиноидами, второй пик фотосинтеза, ростовой и формативный эффекты,

315 – 400 нм – фотосинтез, ростовой и формативный эффекты,

280 – 315 нм  (УФ – В) – это излучение вредно для большинства растений,

менее 280 нм (УФ – С) – гибель растений.

Актуальным решение этого вопроса становится, когда растения выращивают при искусственном облучении. Выращенные методом светокультуры растения, используя лучистую энергию электрических ламп, не создают новых запасов энергии на земле, а лишь трансформируют лучистую энергию ламп в химическую энергию растений. Чем выше коэффициент поглощения растениями искусственного излучения, тем меньше электрической энергии затрачивается на выращивание единицы растительной продукции и тем большее значение получает искусственное облучение растений в народном хозяйстве.

Спектральный состав искусственных источников определяется как типом используемых ламп, так их сочетанием, пропусканием фильтров, защитных материалов и т.д., что особенно ярко проявилось с появлением новых типов источников, существенно отличающихся спектральным составом излучения.

С известной условностью зелёный лист можно рассматривать как плоский светофильтр, пропускающий и отражающий лучистую энергию по законам оптики. Однако в отличие от прозрачных стеклянных светофильтров лист является мутной светорассеивающей средой, что очень осложняет измерение лучистой энергии, которая пропускается, отражается и поглощается им. Спектральные кривые пропускания и отражения лучистой энергии листьями большинства культур показали, что спектральные свойства их очень близки. Как правило, максимум отражения и пропускания излучения находится в зоне зелёной части спектра (550 нм). Поглощение имеет два максимума: один в сине-фиолетовой (440 нм), а другой — в красной (около 660 нм) области спектра.

В мировой практике известны попытки создать единый датчик для всех растений и условий. Но серийно выпускать единый датчик с совершенной  спектральной чувствительностью, если он не является спектрорадиометром, проблематично. В этой системе определяется только интенсивность падающего излучения в пределах спектрального диапазона ФАР без учёта поглощательных способностей растений и излучательных характеристик источников в этом диапазоне. Однако это позволяет для регистрации облучённости растений применять термические приёмники излучения (фитопиранометры).

В мировой практике было принято соглашение, которое позволяет нам определить и измерить ФАР облучённость (PAR) как падающий квантовый поток в диапазоне  от 400 до 700 нм без привлечения каких-либо экспериментальных реакцию растений. В литературе термины PAR, PPF (поток фотонов фотосинтеза) и PPFD (Photosynthetic  Photon  Flux  Density, плотность потока фотонов фотосинтеза) стали использовать как взаимозаменяемыми.

Внедрение новых технологий в тепличном растениеводстве (овощеводстве, цветоводстве), задачи совершенствования нормирования облучательных установок и экономии электроэнергии, грамотное сопоставление вариантов осветительных установок с различными типами источников света – все это требует применения современных технических средств, обеспечивающих измерение параметров оптического излучения с достаточной точностью и надежностью во всем спектральном диапазоне.

В ходе разработки методики «Оперативная оценка энергоэффективности потока оптического излучения в условиях интенсивной светокультуры» нами совместно с Государственным научным учреждением Северо-Западного научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии) был создан прибор Спектрофотометр «ТКА-Спектр» (ФАР).

Использован метод определения спектральной плотности энергетической яркости источников света (или светодиодных модулей) стандартными методами с использованием ламп с известной цветовой температурой.

В его основе лежит определение плотности фотосинтетического потока фотонов. Для измерения лучистой энергии используется распространённая оценка числа фотонов.

Рис.1 Внешний вид прибора Спектрофотометр «ТКА-Спектр» (ФАР)

Оценка  эффективности растениеводческих источников излучения по потоку фотонов требует корреляции числа фотонов с количеством молекул вещества, способных его воспринять. Поскольку в идеале каждый фотон потенциально способен привести молекулу пигмента в возбуждённое состояние, можно говорить о некотором соответствии падающих фотонов количеству молекул вещества, способных их воспринять.

Идеология построения измерительного прибора вытекала из особенности фотобиологического действия излучения на растение. Так, например, в результате фотосинтеза, являющейся наиболее распространённой в природе фотохимической реакцией, световая энергия трансформируется в химическую энергию. На рис. 1 показан график спектральной эффективности фотосинтеза растений.

Рис.2   Среднестатистическое значение относительной спектральной эффективности фотосинтеза различных видов растений по 66 экспериментальным данным 6 разных авторов.

Спектральная чувствительность выпускаемых фотоприёмников (фотоэлементов) не совпадает со спектральной эффективностью фотосинтеза, поэтому её необходимо корригировать под требуемую характеристику. Одним из методов корригирования следует признать использование светофильтров из цветных оптических стёкол при последовательном наложении их в приёмном устройстве перед приёмником излучения. Создать спектральную чувствительность прямоугольной формы с границами, совпадающими с границами спектральных областей, технически реализовать очень сложно. От этого метода мы отказались ввиду отсутствия в серийном производстве на территории СНГ соответствующей номенклатуры стёкол.

Принцип работы нового метода основан на измерении спектрального состава оптического излучения с последующей математической обработкой результатов измерений. Диспергирующее устройство представляет собой полихроматор с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой. Прибор является продолжением отработанной технологии серийно выпускаемого средства измерения Спектроколориметр «ТКА-ВД». Знание спектра излучения измеряемого источника света позволяет решить практически любую задачу, но при этом существует недостаток — техническая сложность реализации и трудоёмкость.

Порядок расчёта

Спектрофотометр является прямо отчётным устройством с выводом зональных значений облучённости в Вт/м². Программное обеспечение (ПО) разделено на две части. Метрологически значимая часть ПО устанавливается изготовителем непосредственно в ППЗУ микроконтроллера управления прибором. Интерфейсная часть ПО запускается на ПК и служит для отображения принимаемых данных как в табличном, так и в графическом виде, сохранения результатов измерений, позволяет дополнительно перевести как зональные, так и общий PPFD из Вт/м² в мкмоль/м²/с. Для исследовательской работы оператор может завести базу нормированных таблиц для облучаемых культур и произвести расчёт коэффициента отклонения спектра культуры, спектральной энергоёмкости, энергоёмкости облучённости и полной энергоёмкости.

Рис.3   Рабочее окно программного обеспечения

Рис.4   Рабочий момент замеров

Вычисленные значения отображаются на экране и могут быть переданы в книгу Microsoft Excel. Данная возможность позволит повысить точность измерений без использования дополнительных средств измерения, только за счёт повышения требований к квалификации операторов. Использование для вычислений книги Excel, а не создание специализированной программы на языке высокого уровня может способствовать широкому распространению методики. Она даёт возможность исследования источника излучений, принятия решений о возможности и путях их использования, а также возможности минимизировать негативное воздействие указанного излучения.

Прибор хорошо себя зарекомендовал при исследованиях светодиодных тепличных фотоламп и их аналогов из Китая, которые проводит лаборатория фитосвета FitoLabb.ru. Именно спектральный состав и показатель PPFD — определяет как эффективно работает для растения та или иная лампа и на сколько хорошо (быстро) будет происходить рост. В сравнении двух типов источников света — натриевых ламп и светодиодных светильников — сравнение велось по следующим параметрам: эффективности использования спектра источника, соотношение PPF к мощности потребления (W, Вт), и составу спектра. Полученных знаний достаточно, чтобы определиться с точкой подвеса светильника и их количеством.

Рис.5   Сравнение параметров фитоламп G55x3W и GL-24A4, высота подвеса 0,3 м.

В заключение следует отметить, что при определении основных метрологических характеристик канала измерения энергетической освещённости использовалась фотометрическая  метрологическая база в виду несовершенства энергетической  метрологии в видимой области спектра. Контроль качества растениеводческих ламп и полезной облучённости в производственных условиях необходимо проводить с помощью приборов со спектральной чувствительностью, соответствующей спектральной эффективности фотосинтеза. При проведении такого рода измерений для градуировки приборов необходимы светоизмерительные лампы с известными значениями силы эксэргии излучения. Расчёт силы эксэргии излучения образцовых ламп, световой поток и сила света которых определены при заданной цветовой температуре нити накала, не представляет трудностей и не требует дополнительных фотометрических измерений.

«Научно-техническое предприятие «ТКА» более 22 лет выпускает приборы многократно испытанные и проверенные временем надёжной эксплуатации в сотнях предприятий, офисов, музеев, архивов и библиотеках страны. Наше предприятие продолжает совместно с другими научными организациями выполнять исследования для определения изменений свойств материалов под действием света.

Целью этой статьи является налаживание диалога между производителями, потребителями светотехнической продукции, инженерами метрологических служб и исследовательских лабораторий для совместной выработки правильных решений в следующих областях: методики измерения; метрологическое обеспечение измерений; разработка новых приборов и их модернизация. Приглашаем к сотрудничеству заинтересованных специалистов. 

Литература:

Справочная книга по светотехнике. Под ред. Ю.Б.Айзенберга. – М. Энергомашиздат, 1983. 466 с.

В.Г.Игнатьев, Г.В.Боос Что будем делать с люксметрами Ю-116 и Ю-117. М-лы 11-й научно-технической конференции “Фотометрия и ее метрологическое обеспечение”. М. 1997 г.

Г.С. Сарычев. Облучательные светотехнические установки. Энергоатомиздат. Москва. 1992 г. с.44 – 48.

В.Ю.Казенас. Биофотометрический контроль облучения растений. Труды 1 международной светотехнической конференции. Санкт – Петербург. 1993 г. с. 97 – 98.

Свентицкий И.И., Обыночный А.Н. Метод измерения эксергии оптического излучения [ОИ] для растениеводства.// Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Ч. 1. – М., ВИЭСХ, 2003, с. 260-266.

Антонов В.В., Круглов О.В., Кузьмин В.Н. Приборы для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов//Полупроводниковая светотехника. №3. 2010. С. 26–31.