Умное освещение для овощных культур в теплице

Человек не может различать отдельные фотоны света, поэтому лучше всего доверить это специальному оборудованию. К счастью, новые технологии сделали это возможным

Лампы LED стали применяться в коммерческих проектах защищённого грунта в 2006 году. В отличие от ламп HID (разрядная лампа высокой интенсивности), LED экономят электроэнергию путём эффективного преобразования электричества в фотоны, нужные растениям. Кроме того, для выращивания разных культур существует много разных видов ламп, так что тепличные хозяйства могут выбрать необходимый им спектр.

Ксиюминг Хао (Xiuming Hao), учёный из канадского Центра сельскохозяйственных исследований Agriculture and Agri-Food Canada, и Мелани Елтон (Melanie Yelton), в прошлом вице-президент по разработкам в компании LumiGrow Inc., недавно презентовали результаты своих инновационных экспериментов с LED освещением. В ходе их исследований обнаружилось, что можно управлять ростом и развитием растений с помощью длины волн, излучаемых светодиодами, и датчиками света.

В канадском Центре сельскохозяйственных исследований Agriculture and Agri-Food Canada нашли способ автоматически контролировать освещение с помощью специальных сенсоров и алгоритмов. Такие алгоритмы были впервые разработаны в Корнельском университете в 1990-х годах для автоматизации затенения и дополнительного освещения. Они позволяли существенно экономить электроэнергию. А новая разработка сможет полностью взять всю систему освещения под свой контроль.

Канадские учёные проверили свою систему в теплице с томатами. Они следовали правилу одного процента — так называют зависимость урожайности от освещённости в теплицах, согласно которой повышение освещённости на 1 % позволяет повысить урожайность на 1 %. Работает это в определённых рамках и не обязательно в таком соотношении, однако если обычная теплица в Онтарио в ноябре и декабре освещается на 76 % меньше, то урожай в ней падает тоже на 76 %. А если производитель восполнит потерю 37 % света, он получит прибавку урожайности примерно на треть.

Однако освещение обходится дорого — примерно 24 канадских доллара на м2. Эта цифра основывалась на дополнительной освещённости в 250 мкмоль·м-2·с-1, длительности светового дня в 17 часов, интеграла дневного освещения (ИДО) в 18 моль·м-2·день-1 и стоимости электроэнергии в 0,11 канадских долларов за кВт·ч для теплицы в 0,4 га в графстве Эссекс (провинция Онтарио, Канада). Поэтому кроме урожайности всегда стоит учитывать себестоимость продукции и платёжеспособность потребителей.

Идея учёных состояла в том, чтобы их умная система смогла постоянно решать проблему этого взаимоотношения лучше человека.

С ноября 2018 года по май 2019-го Хао и его коллеги тестировали томаты в двух теплицах. Их цель заключалась в том, чтобы определить, какое количество электроэнергии может сэкономить сенсор света над каждым светильником по сравнению со стандартным режимом работы. Для испытаний учёные использовали сенсоры фирмы LumiGrow марок smartPAR и 650 Pro e.

Обычно методы контроля освещённости работают с одним сенсором, поэтому они неточные. Согласно гипотезе учёных, благодаря точности алгоритмов контроля и расчётам освещённости их технология сможет экономить электроэнергию.

Гипотеза была подтверждена: с умной системой контроля расход электроэнергии сократился примерно на 41 % (в период с 15 декабря 2018 года по 6 марта 2019 года). В тех местах, где был установлен умный контроль, каждый кВт·ч дал прирост урожайности томатов на 3,79 грамма по сравнению с обычными методами выращивания.

Итак, благодаря чему получилась такая разница в использовании энергии? Дело в том, что агрономы в обычных теплицах имеют весьма ограниченные возможности контроля освещённости и для перестраховки зачастую освещают помещение сверх необходимого.

Умные системы контроля освещённости ежедневно дают относительно устойчивую освещённость. Именно их способность постоянно регулировать освещённость делает их экономичными.

В то время как в первом эксперименте изучалась экономия энергии, связанная с последовательным достижением конкретной цели DLI, во втором эксперименте была определена ценность использования определённых диапазонов волн (цветов) в качестве части производственной стратегии.

Свет стимулирует фотосинтез и направляет рост растений. Растения реагируют на различные соотношения ультрафиолетового, синего, зелёного, красного и дальнего красного света. Когда процент синего света увеличивается, растения имеют тенденцию расти в более компактной форме с более толстыми листьями, производят больше вторичных метаболитов и открывают свои устьица. По мере того как процент красного света увеличивается, растения обычно растут с более длинными стеблями и листьями и цветут быстрее.

Обработка растений определённым диапазоном световых волн влияет на их способность поддерживать циркадный ритм — регулировать физиологию и морфологию в зависимости от времени суток. Некоторые растения (например, салат) хорошо растут при непрерывном освещении, однако циркадный ритм многих растений, включая томаты, нарушается из-за непрерывного света. Учёные отметили, что листья томата при постоянном освещении проявляют хлороз (листья желтеют из-за недостатка хлорофилла), некроз (листья становятся коричневыми из-за отмирания клеток) и эпинастию (скручивание листовых пластин).

Что, если изменение спектра может смягчить ущерб, вызванный непрерывным освещением? Исследователи проверили, может ли чередование красного и синего света в течение 24-часового фотопериода (по 12 часов каждого монохромного спектра) смягчить негативные последствия непрерывного освещения.

Учёные предположили, что одна из причин, по которой постоянное освещение наносит ущерб растительной ткани, состоит в том, что из-за отсутствия тёмного периода ночью накапливаются углеводы. Это накопление повреждает мембрану в хлоропластах, где происходит фотосинтез.

В ходе эксперимента с изменением спектра при постоянной освещённости выяснилось, что при равном освещении красным и синим спектром по 12 часов в день томаты не показывают негативной реакции на постоянное освещение. Тестирование в течение 55 дней показало, что у 12 из 13 растений развитие было обычным (например, масса листа, площадь листьев, размер растения и т. д.). Таким образом исследователи пришли к выводу, что томаты демонстрируют здоровый рост при непрерывном освещении в случае чередования красного и синего спектров и применении синего света ночью.

Дальнейшие эксперименты помогут создать полностью автоматизированную систему освещения, которая будет сама настраиваться под каждую культуру.

Дополнительные эксперименты проводятся с 2019 года для определения преимущества чередования синего и красного облучения, когда удлиняется только красная часть фотопериода. Чередование монохромного освещения в течение 24 часов у томатов может дать им больше света для фотосинтеза за более короткий фотопериод.

Большинство тепличных хозяйств всё ещё используют обычные светильники и контролируют освещённость старыми методами. Однако исследования в этой сфере показывают, что LED светильники могут дать дополнительные преимущества и помочь в развитии бизнеса.