eng
Выпуск #7/2023
М. М. Дегтерева, Е. Левин,А. Э. Дегтерев, А. А. Богданов, И. А. Ламкин, С. А. Тарасов, П. А. Сергеев
Методика оценки преимуществ применения светодиодной фитоленты в промышленных тепличных комплексах
Методика оценки преимуществ применения светодиодной фитоленты в промышленных тепличных комплексах
Просмотры: 1019
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.7.566.578
Выполнена оценка эффективности светодиодной фитоленты в области фотосинтетически активной радиации и проведено ее сравнение с альтернативными фитооблучателями, применяемыми в промышленных тепличных комплексах. Эффективность фитоленты в области фотосинтетически активной радиации составила 42%, что в 4,7 раза выше эффективности фитолампы полного спектра и в 4,4 раза выше эффективности люминесцентной лампы. Определены спектрально-энергетические характеристики светодиодной фитоленты. Среднее значение плотности фотосинтетического фотонного потока, применимое для выращивания растений (≈ 300 мкмоль / м2 / с), достигается при снятии излучения с одного метра фитоленты на расстоянии ≈20 см от облучаемой области при пропускании через нее тока. Благодаря высокой эффективности, фитолента позволит улучшить рост различных классов сельскохозяйственных культур в автономных агропромышленных предприятиях, а также позволит снизить затраты на электроэнергию.
Выполнена оценка эффективности светодиодной фитоленты в области фотосинтетически активной радиации и проведено ее сравнение с альтернативными фитооблучателями, применяемыми в промышленных тепличных комплексах. Эффективность фитоленты в области фотосинтетически активной радиации составила 42%, что в 4,7 раза выше эффективности фитолампы полного спектра и в 4,4 раза выше эффективности люминесцентной лампы. Определены спектрально-энергетические характеристики светодиодной фитоленты. Среднее значение плотности фотосинтетического фотонного потока, применимое для выращивания растений (≈ 300 мкмоль / м2 / с), достигается при снятии излучения с одного метра фитоленты на расстоянии ≈20 см от облучаемой области при пропускании через нее тока. Благодаря высокой эффективности, фитолента позволит улучшить рост различных классов сельскохозяйственных культур в автономных агропромышленных предприятиях, а также позволит снизить затраты на электроэнергию.
Теги: current-voltage characteristic efficiency photosynthetically active radiation photosynthetic photon flux density phyto-strip spectral characteristic watt-ampere characteristic ватт-амперная характеристика вольт-амперная характеристика плотность фотосинтетического фотонного потока спектральная характеристика фитолента фотосинтетически активная радиация эффективность
Методика оценки преимуществ применения светодиодной фитоленты в промышленных тепличных комплексах
М. М. Дегтерева 1, Е. Левин 1, А. Э. Дегтерев 1, А. А. Богданов 1, И. А. Ламкин 1, С. А. Тарасов 1, П. А. Сергеев 2
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия
ООО «Светояр», Санкт-Петербург, Россия
Выполнена оценка эффективности светодиодной фитоленты в области фотосинтетически активной радиации и проведено ее сравнение с альтернативными фитооблучателями, применяемыми в промышленных тепличных комплексах. Эффективность фитоленты в области фотосинтетически активной радиации составила 42%, что в 4,7 раза выше эффективности фитолампы полного спектра и в 4,4 раза выше эффективности люминесцентной лампы. Определены спектрально-энергетические характеристики светодиодной фитоленты. Среднее значение плотности фотосинтетического фотонного потока, применимое для выращивания растений (≈ 300 мкмоль / м2 / с), достигается при снятии излучения с одного метра фитоленты на расстоянии ≈20 см от облучаемой области при пропускании через нее тока. Благодаря высокой эффективности, фитолента позволит улучшить рост различных классов сельскохозяйственных культур в автономных агропромышленных предприятиях, а также позволит снизить затраты на электроэнергию.
Ключевые слова: фитолента, спектральная характеристика, ватт-амперная характеристика, вольт-амперная характеристика, эффективность, фотосинтетически активная радиация, плотность фотосинтетического фотонного потока
Статья получена: 24.10.2023
Статья принята: 07.11.2023
Введение
В условиях быстрого роста населения продовольственный кризис приобрел характер, влияющий на выживание и развитие человечества. Сопутствующие ему эрозия почв, суровые погодные условия, разрушение окружающей среды еще больше усугубляют его воздействие на устойчивость развития стран. Свет сильно влияет на биосинтез и накопление различных вторичных метаболитов растений, которые имеют решающее значение для качества урожая. Спектральный состав света оказывает большое влияние на процессы роста и регенерации и является одним из главных факторов биопродуктивности растений. Светодиоды обладают значительным потенциалом в качестве фитооблучателей, и в свете активного развития агропромышленного комплекса возникает необходимость исследования характеристик выпускаемых промышленностью светодиодных облучателей и оценки их эффективности для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур и повышения качества продукции.
Фитооблучатели на основе светодиодов – это новая технология искусственного сельскохозяйственного освещения. Светодиоды имеют огромное количество преимуществ для применения в коммерческом выращивании растений. Их долговечность и прочность обеспечивают более легкую установку и манипуляции по сравнению с обычными осветительными приборами, такими как натриевые лампы высокого давления и люминесцентные лампы, которые имеют хрупкие стеклянные оболочки [1]. Еще одна особенность светодиодов заключается в том, что размер их чипа, как правило, намного меньше самих растений, что позволяет создавать разнообразные конструкции источников света как для культивирования тканей в пробирках с использованием нескольких светодиодов, так и для освещения тепличных культур с использованием больших массивов светодиодов в зависимости от масштабов выращивания [2]. Небольшой размер светодиодов также расширяет разнообразие доступных методов освещения растений, таких как облучение определенных органов и неограниченное направленное облучение [3]. Расположение источников освещения в непосредственной близости к растениям также возможно благодаря использованию светодиодов видимого спектра, которые не выделяют большого количества тепла [4]. Таким образом, в свете активного развития агропромышленного комплекса возникает необходимость исследования характеристик выпускаемых промышленностью светодиодных облучателей и оценки их эффективности для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур и повышения качества продукции. Целью работы является оценка эффективности светодиодной фитоленты со спектральным составом 15%С + 40%З + 45%К (С – синее, З – зеленое, К – красное излучение) в области фотосинтетически активной радиации для выращивания качественной сельскохозяйственной продукции в условиях искусственного проращивания, заключение о целесообразности использования исследуемой светодиодной фитоленты, а также сравнение с альтернативными фитооблучателями, применяемыми в промышленных тепличных комплексах.
Материалы и методы
Помимо традиционных источников излучения, к которым относится люминесцентная лампа, для выращивания растений также применяют светодиодные лампы полного спектра или светодиодные фитоленты. Таким образом, в работе проведено сравнение характеристик фитоленты с конкурентами, присутствующими на рынке агрооблучателей.
Светодиодная (СИД) фитолента «Arlight» FITOLUX-A144–10mm 24V Day4000-Red (14 Вт / м, IP20, 2835, 5м) состоит из двух типов светодиодов: первый тип представляет собой белый SMD-светодиод с люминофором (устройство, выполненное в небольшом корпусе с вмонтированным светоизлучающим кристаллом, которое поверхностно монтируется на печатную плату, см. рис. 1 а), содержащий в себе один кристалл. Образец имеет размеры 2,9 × 3,3 × 1,0 мм. Напряжение открытия составляет 2,54 В, рабочий диапазон 2,56–2,86 В. Второй тип представляет собой красный SMD светодиод (рис. 1b), содержащий в себе один кристалл. Образец имеет размеры 2,9 × 3,1 × 1,0 мм. Напряжение открытия составляет 1,66 В, рабочий диапазон 1,68–1,98 В.
Светодиодная фитолента (1 метр) состоит из 16 секций, содержащих в себе 9 светодиодов: 6 белых и 3 красных (рис. 1c). Соединение секций в ленте – последовательное.
Для проведения сравнения мы использовали светодиодную фитолампу полного спектра со спектральным составом 1%УФ + 39%С + 15%З + 38%К + 7%ДК (УФ – ультрафиолетовое излучение, ДК – дальнее красное излучение) для выращивания растений ALMGD и люминесцентную лампу Camelion 13 Вт 4200 К со спектральным составом 1%УФ + 23%С + 40%З + 33%К + 3%ДК (рис. 1d, f). Для этих ламп были измерены спектральные характеристики и плотности фотосинтетического фотонного потока на разных расстояниях при рабочем напряжении питания.
При проведении измерений применялось следующее оборудование: спектрометр Ocean Optics HR4000, обладающий спектральным диапазоном от 200 нм до 1050 нм, и спектрометр UPRtek PG200N Spectral PAR Meter со спектральным диапазоном от 350 нм до 800 нм. Спектрометр Ocean Optics HR4000 совместно с интегрирующей сферой использовался для измерения спектрально-энергетических характеристик фитоленты и отдельных светодиодов, входящих в ее состав, что схематично представлено на рис. 2. Спектрометр UPRtek PG200N Spectral PAR Meter использовался для измерения количества и качества света в области фотосинтетически активной радиации.
Проведение экспериментов
Исследование вольт-амперных характеристик разных СИД (рис. 3) одного типа показало незначительные отличия, являющиеся допустимыми и связанными с особенностями технологического процесса производства светодиодов.
Отличия же ВАХ красных светодиодов от белых вызваны различием материалов изготовления. Так для изготовления красных светодиодов обычно используется твердый раствор AlGaAs, что и обуславливает более низкое рабочее напряжение красных СИД [5]. Белые светодиоды представляют собой широко распространенные белые люминофорные светодиоды, состоящие из желтого люминофора, нанесенного на синий кристалл, изготовленный из твердого раствора на основе InGaN, с чем и связано большее напряжение питания.
Спектр излучения светодиода определяется спектром люминесценции полупроводника, который определяется его зонной структурой, в первую очередь шириной запрещенной зоны [6]. Присутствие квантовых ям, нитей или точек в активной области приводит к тому, что спектр излучения определяется их параметрами, в частности положением уровней размерного квантования [7]. Базовым материалом для коротковолновых источников излучения (0,25–0,6 мкм) является нитрид галлия и его твердые растворы, для СИД на желтую, оранжевую, красную и ближнюю ИК-области спектра (0,58–0,9 мкм) – арсенид галлия и прямозонные твердые растворы в системах (Ga, In, Al)P и (Ga, Al)As. В активной области используются только прямозонные материалы [7]. Для разных диапазонов ширина спектра излучения разная, потому что она определяется распределением носителей заряда в запрещенной зоне.
Мы провели исследования в условиях комнатной температуры при различных токах накачки светоизлучающих структур. Белые люминофорные светодиоды имеют пики в синей (454 нм) и желтой (575 нм) областях спектра. Пиковая длина волны красного светодиода составляет 664 нм.
В совокупности спектры излучения белых и красных светодиодов формируют спектр излучения фитоленты (рис. 4). Спектр излучения люминесцентной лампы (рис. 4) характеризуется множественными пиками, наибольшая интенсивность излучения наблюдается на длинах волн 611 нм; 545 нм и 542 нм. Спектральная характеристика фитолампы (рис. 4) содержит 2 основных пика излучения, лежащих в синей (461 нм) и красной (638 нм) областях.
Результаты
При увеличении тока наблюдается изменение длины волны излучения белых и красных светодиодов. У белых светодиодов это изменение связано с квантоворазмерным эффектом Штарка (КРЭШ). Внутренние пьезоэлектрические поля создают эффект Штарка, снижающий внутреннюю квантовую эффективность. Этот эффект заключается в изменении энергетического спектра атомов, молекул и кристаллов в электрическом поле и проявляется в гетероструктурах с квантовыми ямами (КЯ) в синем сдвиге экситонной линии поглощения КЯ. Сдвиг спектра люминесценции при малых токах обусловлен влиянием упругих напряжений, вызывающих появление деформации решетки на гетеропереходе, и встроенного электрического поля [8]. Под воздействием встроенного электрического поля форма ямы сильно искажается, и появляется КРЭШ. Это приводит к увеличению расстояния между уровнями, что вызывает сдвиг спектра люминесценции в коротковолновую область (рис. 5а). При увеличении внешнего напряжения влияние встроенного поля компенсируется, и сдвиг уменьшается. Эффект Штарка наиболее выражен в светодиодах на основе гетероструктур InGaN и AlGaN [9].
Известно, что у красных светодиодов наблюдается смещение пика длины волны излучения: увеличение тока приводит к разогреву активной области кристалла и сдвигу спектральной характеристики в длинноволновую область, что связано с температурным изменением ширины запрещенной зоны [10]. Мы также наблюдали этот эффект (рис. 5b).
Важнейшей характеристикой светодиодов является η – эффективность преобразования электрической энергии в световую. Эффективность светодиода представляет собой его коэффициент полезного действия (КПД) и связана с внешним квантовым выходом электролюминесценции ηе соотношением [7]:
η = ≈ ηe,
где ħω – энергия фотона, соответствующая максимуму спектра излучения, U – приложенное внешнее напряжение.
Нами были рассмотрены зависимости эффективности фитоленты от тока (рис. 6), на которых можно наблюдать снижение характеристики, которое связано с уменьшением квантового выхода люминесценции из-за разогрева структуры протекающим током, а также с насыщением излучательной рекомбинации и снижением ее эффективности из-за заполнения энергетических уровней в активной области.
Важнейшим показателем для использования осветительного прибора в области выращивания растений является то, какое количество света в области фотосинтетически активной радиации (PAR – photosynthetically active radiation) он создает. Поясним для справки, что фотосинтетически активная радиация (ФАР) – это часть электромагнитного излучения, которая может быть использована в качестве источника энергии для протекания процесса фотосинтеза в зеленых растениях.
ФАР измеряется как плотность фотосинтетического фотонного потока (PPFD – Photosynthetic Photon Flux Density), единица измерения мкмоль / м2 / с. Несмотря на то, что ФАР охватывает всю видимую часть спектра, наиболее эффективными являются синяя и красная части спектра с вторичными пиками в желтой и оранжевой частях. Ультрафиолетовое (УФ) и инфракрасное (ИК) излучение находятся за пределами видимого диапазона света и не входят в диапазон ФАР. PPFD – плотность фотосинтетического фотонного потока, мкмоль / м2 / с. PPFD измеряет количество света ФАР (фотонов), которое попадает на поверхность растения каждую секунду. Чтобы свет был эффективным для выращивания эфиромасличных, овощных и других культур, он должен иметь значения PPFD от 150 до 600 мкмоль / м2 / с. Для сравнения отметим, что PPFD естественного солнечног а имеет значение 900–1 500 мкмоль / м2 / с в момент, когда солнце находится в зените.
PPF – фотосинтетический поток фотонов (Photosynthetic photon flux), мкмоль / с. PPF измеряет общее количество ФАР, которое производится системой освещения каждую секунду.
Фотосинтетический поток фотонов рассчитывается по формуле [11]:
,
где FPAR – фотосинтетический поток фотонов, мкмоль / с; ϕλ – спектральная плотность распределения мощности излучения прибора (в области ФАР), Вт / нм; λ – длина волны, нм; h – постоянная Планка; c – скорость света; NA – число Авогадро; K – коэффициент пропорциональности.
Эффективность излучательного прибора в области ФАР рассчитывается по формуле [11]:
ηPAR = ,
где ηPAR – эффективность в области ФАР, мкмоль / Вт / с; P – потребляемая мощность, Вт. С увеличением расстояния PPFD убывает согласно закону обратных квадратов. Общее значение PPFD светодиодной фитоленты (рис. 7 а) возросло, так как возросло количество светодиодов: 6 белых и 3 красных. Среднее значение ФАР, применимое для выращивания растений (≈300 мкмоль / м2 / с) и достигаемое при рабочем токе, снято с одного метра фитоленты на расстоянии ≈20 см (максимально достижимое значение PPFD на данном расстоянии) от облучаемой области.
Мы измерили фотосинтетический поток фотонов осветительного прибора (рис. 7b) при помощи интегрирующей сферы. Внутренняя часть полой сферы имеет белое (фторопласт), обладающее высокой отражающей и рассеивающей способностью. В соответствии со светотехническими требованиями ГОСТ Р 57671-2017 эффективность приборов в области ФАР должна быть не менее 2,0 мкмоль / Дж для приборов, предназначенных для освещения растений сверху. Как видно из рис. 7с, эффективность исследуемой фитоленты в области ФАР при рабочем токе составляет 2,62 мкмоль / Дж, что на 31% выше нормы.
Поглощению света фотосистемами способствуют фотосинтетические пигменты. Кислородные фотосинтезаторы, к ним относятся такие растения, как водоросли и цианобактерии, используют пигменты хлорофилла. Существует несколько различных типов хлорофилла, причем хлорофилл a и хлорофилл b являются наиболее распространенными типами в наземной растительности [12]. Оба пигмента обладают пиками поглощения в красной и синей областях спектра, причем хлорофилл a имеет пики при 430 и 662 нм, а хлорофилл b – при 453 и 642 нм (расположение этих пиков смещается в зависимости от свойств клетки, в которой они находятся).
Водоросли и цианобактерии содержат дополнительные типы пигментов хлорофилла, такие как хлорофиллы c, d и f [13]. Аноксигенные фотосинтезаторы, такие как пурпурные бактерии, зеленые серные бактерии, гелиобактерии и нитчатые аноксигенные фототрофы, используют альтернативные, но родственные пигменты, называемые бактериохлорофиллами [14]. В дополнение к пигментам, улавливающим первичный свет, фотосинтезаторы используют «антенные пигменты», например, каротиноиды, для захвата фотонов с более высокой энергией и передачи их в фотосистему. На рис. 8 показаны спектры поглощения различных хлорофиллов и других светоулавливающих пигментов, а также спектр излучения фитоленты, люминесцентной и светодиодной ламп. Основная доля ФАР приходится на красный и зеленый диапазоны: светодиодная фитолента имеет соотношение по значению PPFD: 15% синего (400–500 нм) + 40% зеленого (500–600 нм) + 45% красного (600–700 нм).
Оценка влияния формы спектра на эффективность облучательного прибора в области ФАР осуществлялась путем наложения на спектр поглощения пигментов растений, таких как хлорофилл a, хлорофилл b и каротиноиды (рис. 8). Наилучшее перекрытие спектров излучения приборов и поглощения фотохимических пигментов с учетом КПД преобразования электрической мощности в оптическую наблюдается у светодиодных излучателей и составляет 42,2% в отличие от 8,9% у фитолампы и 9,6% у люминесцентной лампы.
Обсуждение результатов
Флуоресцентное освещение в сочетании с лампами накаливания поддерживает вегетативный рост растений, окраску, внешний вид и качество продукции, аналогично тому, что происходит при солнечном излучении. Однако наблюдается снижение скорости роста и накопления биомассы. Белые светодиоды в сочетании с красными СИД способствуют накоплению углеводов и повышению эффективности использования энергии по сравнению с люминесцентными лампами на стадии прорастания и последующих стадиях культивирования [15].
Нами было установлено, что среднее значение плотности фотосинтетического фотонного потока, требуемое для эффективного выращивания растений (≈300 мкмоль / м2 / с), достигается при рабочем токе одного метра фитоленты на расстоянии ≈20 см от облучаемой области. Спектральный состав светодиодной фитоленты с соотношением в области ФАР 15% синего, 40% зеленого и 45% красного света, не считается оптимальным для стимуляции роста зеленых сельскохозяйственных культур. Это согласуется с результатами работ [16, 17], авторы которых показали, что специальным подбором светодиодов, излучающих на определенных длинах волн, можно обеспечить достаточную энергию для стимуляции фотосинтетических пигментов, большее накопление сухой массы. Для максимальной стимуляции роста таких растений более предпочтительным является спектр с более высоким содержанием синего и красного света, которые составляют до 80% от общего PPFD.
Известно, что использование светодиодов по сравнению с такими традиционными устройствами, как натриевые лампы высокого давления или люминесцентные лампы, дает более высокую энергетическую эффективность. Эффективность воздействия излучения фитоленты на растения, оцененная в работе, существенно превосходит эффективность воздействия альтернативных источников излучения и составляет 42%, что в 4,7 раза выше эффективности фитолампы полного спектра в области ФАР и в 4,4 раза выше эффективности люминесцентной лампы.
Заключение
Светодиодная фитолента со спектральным составом: 15% синего, 40% зеленого и 45% красного света, обладая высокой эффективностью, возможностью диммирования (регулировка яркости освещения) и спектром излучения, соответствующим спектрам поглощения пигментов растений, делают устройство наиболее предпочтительным для использования в агропромышленных предприятиях для увеличения продуктивности сельского хозяйства. При этом следует учитывать также простоту и безопасность монтажа осветительного прибора. Высокая эффективность фитоленты позволит повысить качество роста разнообразных классов сельскохозяйственных культур в автономных агропромышленных предприятиях. В дальнейших исследованиях планируются исследования методов сокращения энергозатрат при использовании светодиодной фитоленты в тепличных промышленных комплексах.
REFERENCES
Chang M-H., Das D., Varde P. V., Pecht M. Light emitting diodes reliability review. Microelectronics Reliability. 2012; 52(5): 762–782. DOI: https://doi.org/10.1016/j.microrel.2011.07.063
Yang Z-C., Kubota C., Chia P-L., Kacira M. Effect of end-of-day far-red light from a movable LED fixture on squash rootstock hypocotyl elongation. Scientia Horticulturae. 2012; 136: 81–86. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scienta.2011.12.023
Tennessen D. J., Singsaas E. L., Sharkey T. D. Light-emitting diodes as a light source for photosynthesis research. Photosynthesis Research. 1994; 39: 85–92. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00027146
Fujiwara K, Sawada T, Kimura Y, Kurata K. Application of an automatic control system of photosynthetic photon flux density for LED–low light irradiation storage of green plants. HortTechnology. 2005; 15: 781–786. DOI: https://doi.org/10.21273/HORTTECH.15.4.0781
Gong Z., Jin Sh., Chen Y. Size-dependent light output, spectral shift, and self-heating of 400 nm InGaN light-emitting diodes. Journal of Applied Physics. 2010; 107(1): 013103–013103–6. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3276156
Bochkareva N. I., Gorbunov R. I., Klochkov A. V., Lelikov Yu. S., Martynov I. A., Rebane Yu. T., Belov A. S., Shreter Yu. G. Optical properties of blue light-emitting diodes in the InGaN/GaN system at high current densities. Physics of Semiconductor Devices. 2008; 42: 1384–1390. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063782608110225
Pikhtin A. N. Quantum and Optical Electronics / Textbook. – M.: Abris. 2012. 656 p. (In Russ.).
Пихтин А. Н. Квантовая и оптическая электроника / Учебник. – М.: Абрис, 2012. 656 C.
Romanovich M. M., Lamkin I. A., Tarasov S. A. Accounting the quantum-confined Stark effect on the determination of the active LED region temperature. Journal of Physics Conference Series. 2019; 1400: 066046. DOI: https://doi.org/10.1088/1742‑6596/1400/6/066046
Menkovich E. A., Tarasov S. A., Lamkin I. A., Suihkonen S., Svensk O., Lipsanen H. Investigation of physical processes occurring at low temperatures and currents in light-emitting nanoheterostructures based on semiconductor nitrides. Nanophysics and nanotechnologies MIPT Proceedings. 2014; 6(1): 12–19. (In Russ.).
Менькович Е. А., Тарасов С. А., Ламкин И. А., Suihkonen S., Svensk O., Lipsanen H. Исследование физических процессов, возникающих в условиях низких температур и токов в светоизлучающих наногетероструктурах на основе полупроводниковых нитридов. Нанофизика и нанотехнологии. Труды МФТИ. 2014; 6(1): 12–19.
Pikhtin A. N., Tarasov S. A., Menkovich E. A. Patent No. 2473149 C1 of the Russian Federation, IPC H01L 21/66. Method for determining the temperature of the active area of the LED: No. 2011147653/04: application 23.11.2011: publ. 20.01.2013.
Пихтин А. Н., Тарасов С. А., Менькович Е. А. Патент № 2473149 C1 РФ, МПК H01L 21/66. Способ определения температуры активной области светодиода: № 2011147653/04: заявл. 23.11.2011: опубл. 20.01.2013.
GOST R 57671-2017. Irradiation devices with LED light sources for greenhouses. General technical conditions. – M.: Standartinform. 2017. (In Russ.).
ГОСТ Р 57671-2017. Приборы облучательные со светодиодными источниками света для теплиц. Общие технические условия. – М.: Стандартинформ. 2017.
GOST 34819-2021. Lighting devices. Lighting requirements and test methods. – M.: Russian Institute for Standardization. 2022. (In Russ.)
ГОСТ 34819‑2021. Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний. – М.: Российский институт стандартизации. 2022.
Kiang N. Y., Siefert J., Govindjee G., Blankenship R. E. Spectral Signatures of Photosynthesis. I. Review of Earth Organisms. Astrobiology. 7: 222–251. DOI: https://doi.org/10.1089/ast.2006.0105
Robert B., Cogdell R., Grondelle R. The Light-Harvesting System of Purple Bacteria. Light-Harvesting Antennas in Photosynthesis. 2003; DOI: https://doi.org/10.1007/978‑94‑017‑2087‑8_5
Yan Z. N., He D. X., Niu G. H., Zhou Q., Qu Y. H. Growth, nutritional quality, and energy use efficiency in two lettuce cultivars as influenced by white plus red versus red plus blue LEDs. Int. J. Agric & Biol. Eng. 2020; 13(2): 33–40. DOI: https://doi.org/10.21273/HORTSCI14236‑19
Avendaño-Abarca V. H., González-Sandoval D. C., Munguía-López J. P., Hernández-Cuevas R., Luna-Maldonado A. I., Vidales-Contreras J. A., Niño-Medina G., Rodríguez-Fuentes H. Growth and total nutrimental absorption of baby romaine lettuce cultivated with led lighting under plant factory system. Informacion Tecnica Economica Agraria. 2020; 116(4): 280–293. DOI: https://doi.org/10.12706/itea.2020.011
Armanda D. T., Guinée J. B., Tukker A. The second green revolution: Innovative urban agriculture’s contribution to food security and sustainability – A review. Global Food Security. 2019; 22: 13–24. DOI: https://doi.org/10.1016/j.gfs.2019.08.002
АВТОРЫ
Дегтерева Мария Михайловна – аспирант, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0001-6797-0595
Левин Евгений – аспирант, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0009-0000-3811-487X
Дегтерев Александр Эдуардович – аспирант, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-6151-6567
Богданов Александр Александрович – студент магистратуры, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0009-0004-2540-4228
Ламкин Иван Анатольевич – к. т. н., доцент кафедры фотоники, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-3680-7725
Тарасов Сергей Анатольевич – доктор технических наук, заведующий кафедрой фотоники, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-6321-0019
Сергеев Павел Андреевич – инженер, генеральный директор ООО «Светояр», Санкт-Петербург, Россия.
ВКЛАД АВТОРОВ
Дегтерева Мария Михайловна – измерение параметров фитоленты в области фотосинтетически активной радиации, редактирование статьи, анализ литературы; Левин Евгений – измерение спектрально-энергетических характеристик фитоленты, редактирование статьи, анализ литературы; Дегтерев Александр Эдуардович – измерение электрических характеристик светодиодов, редактирование статьи; Богданов Александр Александрович – измерение электрических и колориметрических характеристик фитоленты, редактирование статьи; Ламкин Иван Анатольевич – руководство научной работой, планирование работ, редактирование статьи; Тарасов Сергей Анатольевич – постановка задачи и руководство научными исследованиями; Сергеев Павел Андреевич – постановка задачи, предоставление образцов для исследования.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них отсутствует конфликт интересов. Результаты исследований были обсуждены и отражены в рукописи, которая является совместной работой.
М. М. Дегтерева 1, Е. Левин 1, А. Э. Дегтерев 1, А. А. Богданов 1, И. А. Ламкин 1, С. А. Тарасов 1, П. А. Сергеев 2
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия
ООО «Светояр», Санкт-Петербург, Россия
Выполнена оценка эффективности светодиодной фитоленты в области фотосинтетически активной радиации и проведено ее сравнение с альтернативными фитооблучателями, применяемыми в промышленных тепличных комплексах. Эффективность фитоленты в области фотосинтетически активной радиации составила 42%, что в 4,7 раза выше эффективности фитолампы полного спектра и в 4,4 раза выше эффективности люминесцентной лампы. Определены спектрально-энергетические характеристики светодиодной фитоленты. Среднее значение плотности фотосинтетического фотонного потока, применимое для выращивания растений (≈ 300 мкмоль / м2 / с), достигается при снятии излучения с одного метра фитоленты на расстоянии ≈20 см от облучаемой области при пропускании через нее тока. Благодаря высокой эффективности, фитолента позволит улучшить рост различных классов сельскохозяйственных культур в автономных агропромышленных предприятиях, а также позволит снизить затраты на электроэнергию.
Ключевые слова: фитолента, спектральная характеристика, ватт-амперная характеристика, вольт-амперная характеристика, эффективность, фотосинтетически активная радиация, плотность фотосинтетического фотонного потока
Статья получена: 24.10.2023
Статья принята: 07.11.2023
Введение
В условиях быстрого роста населения продовольственный кризис приобрел характер, влияющий на выживание и развитие человечества. Сопутствующие ему эрозия почв, суровые погодные условия, разрушение окружающей среды еще больше усугубляют его воздействие на устойчивость развития стран. Свет сильно влияет на биосинтез и накопление различных вторичных метаболитов растений, которые имеют решающее значение для качества урожая. Спектральный состав света оказывает большое влияние на процессы роста и регенерации и является одним из главных факторов биопродуктивности растений. Светодиоды обладают значительным потенциалом в качестве фитооблучателей, и в свете активного развития агропромышленного комплекса возникает необходимость исследования характеристик выпускаемых промышленностью светодиодных облучателей и оценки их эффективности для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур и повышения качества продукции.
Фитооблучатели на основе светодиодов – это новая технология искусственного сельскохозяйственного освещения. Светодиоды имеют огромное количество преимуществ для применения в коммерческом выращивании растений. Их долговечность и прочность обеспечивают более легкую установку и манипуляции по сравнению с обычными осветительными приборами, такими как натриевые лампы высокого давления и люминесцентные лампы, которые имеют хрупкие стеклянные оболочки [1]. Еще одна особенность светодиодов заключается в том, что размер их чипа, как правило, намного меньше самих растений, что позволяет создавать разнообразные конструкции источников света как для культивирования тканей в пробирках с использованием нескольких светодиодов, так и для освещения тепличных культур с использованием больших массивов светодиодов в зависимости от масштабов выращивания [2]. Небольшой размер светодиодов также расширяет разнообразие доступных методов освещения растений, таких как облучение определенных органов и неограниченное направленное облучение [3]. Расположение источников освещения в непосредственной близости к растениям также возможно благодаря использованию светодиодов видимого спектра, которые не выделяют большого количества тепла [4]. Таким образом, в свете активного развития агропромышленного комплекса возникает необходимость исследования характеристик выпускаемых промышленностью светодиодных облучателей и оценки их эффективности для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур и повышения качества продукции. Целью работы является оценка эффективности светодиодной фитоленты со спектральным составом 15%С + 40%З + 45%К (С – синее, З – зеленое, К – красное излучение) в области фотосинтетически активной радиации для выращивания качественной сельскохозяйственной продукции в условиях искусственного проращивания, заключение о целесообразности использования исследуемой светодиодной фитоленты, а также сравнение с альтернативными фитооблучателями, применяемыми в промышленных тепличных комплексах.
Материалы и методы
Помимо традиционных источников излучения, к которым относится люминесцентная лампа, для выращивания растений также применяют светодиодные лампы полного спектра или светодиодные фитоленты. Таким образом, в работе проведено сравнение характеристик фитоленты с конкурентами, присутствующими на рынке агрооблучателей.
Светодиодная (СИД) фитолента «Arlight» FITOLUX-A144–10mm 24V Day4000-Red (14 Вт / м, IP20, 2835, 5м) состоит из двух типов светодиодов: первый тип представляет собой белый SMD-светодиод с люминофором (устройство, выполненное в небольшом корпусе с вмонтированным светоизлучающим кристаллом, которое поверхностно монтируется на печатную плату, см. рис. 1 а), содержащий в себе один кристалл. Образец имеет размеры 2,9 × 3,3 × 1,0 мм. Напряжение открытия составляет 2,54 В, рабочий диапазон 2,56–2,86 В. Второй тип представляет собой красный SMD светодиод (рис. 1b), содержащий в себе один кристалл. Образец имеет размеры 2,9 × 3,1 × 1,0 мм. Напряжение открытия составляет 1,66 В, рабочий диапазон 1,68–1,98 В.
Светодиодная фитолента (1 метр) состоит из 16 секций, содержащих в себе 9 светодиодов: 6 белых и 3 красных (рис. 1c). Соединение секций в ленте – последовательное.
Для проведения сравнения мы использовали светодиодную фитолампу полного спектра со спектральным составом 1%УФ + 39%С + 15%З + 38%К + 7%ДК (УФ – ультрафиолетовое излучение, ДК – дальнее красное излучение) для выращивания растений ALMGD и люминесцентную лампу Camelion 13 Вт 4200 К со спектральным составом 1%УФ + 23%С + 40%З + 33%К + 3%ДК (рис. 1d, f). Для этих ламп были измерены спектральные характеристики и плотности фотосинтетического фотонного потока на разных расстояниях при рабочем напряжении питания.
При проведении измерений применялось следующее оборудование: спектрометр Ocean Optics HR4000, обладающий спектральным диапазоном от 200 нм до 1050 нм, и спектрометр UPRtek PG200N Spectral PAR Meter со спектральным диапазоном от 350 нм до 800 нм. Спектрометр Ocean Optics HR4000 совместно с интегрирующей сферой использовался для измерения спектрально-энергетических характеристик фитоленты и отдельных светодиодов, входящих в ее состав, что схематично представлено на рис. 2. Спектрометр UPRtek PG200N Spectral PAR Meter использовался для измерения количества и качества света в области фотосинтетически активной радиации.
Проведение экспериментов
Исследование вольт-амперных характеристик разных СИД (рис. 3) одного типа показало незначительные отличия, являющиеся допустимыми и связанными с особенностями технологического процесса производства светодиодов.
Отличия же ВАХ красных светодиодов от белых вызваны различием материалов изготовления. Так для изготовления красных светодиодов обычно используется твердый раствор AlGaAs, что и обуславливает более низкое рабочее напряжение красных СИД [5]. Белые светодиоды представляют собой широко распространенные белые люминофорные светодиоды, состоящие из желтого люминофора, нанесенного на синий кристалл, изготовленный из твердого раствора на основе InGaN, с чем и связано большее напряжение питания.
Спектр излучения светодиода определяется спектром люминесценции полупроводника, который определяется его зонной структурой, в первую очередь шириной запрещенной зоны [6]. Присутствие квантовых ям, нитей или точек в активной области приводит к тому, что спектр излучения определяется их параметрами, в частности положением уровней размерного квантования [7]. Базовым материалом для коротковолновых источников излучения (0,25–0,6 мкм) является нитрид галлия и его твердые растворы, для СИД на желтую, оранжевую, красную и ближнюю ИК-области спектра (0,58–0,9 мкм) – арсенид галлия и прямозонные твердые растворы в системах (Ga, In, Al)P и (Ga, Al)As. В активной области используются только прямозонные материалы [7]. Для разных диапазонов ширина спектра излучения разная, потому что она определяется распределением носителей заряда в запрещенной зоне.
Мы провели исследования в условиях комнатной температуры при различных токах накачки светоизлучающих структур. Белые люминофорные светодиоды имеют пики в синей (454 нм) и желтой (575 нм) областях спектра. Пиковая длина волны красного светодиода составляет 664 нм.
В совокупности спектры излучения белых и красных светодиодов формируют спектр излучения фитоленты (рис. 4). Спектр излучения люминесцентной лампы (рис. 4) характеризуется множественными пиками, наибольшая интенсивность излучения наблюдается на длинах волн 611 нм; 545 нм и 542 нм. Спектральная характеристика фитолампы (рис. 4) содержит 2 основных пика излучения, лежащих в синей (461 нм) и красной (638 нм) областях.
Результаты
При увеличении тока наблюдается изменение длины волны излучения белых и красных светодиодов. У белых светодиодов это изменение связано с квантоворазмерным эффектом Штарка (КРЭШ). Внутренние пьезоэлектрические поля создают эффект Штарка, снижающий внутреннюю квантовую эффективность. Этот эффект заключается в изменении энергетического спектра атомов, молекул и кристаллов в электрическом поле и проявляется в гетероструктурах с квантовыми ямами (КЯ) в синем сдвиге экситонной линии поглощения КЯ. Сдвиг спектра люминесценции при малых токах обусловлен влиянием упругих напряжений, вызывающих появление деформации решетки на гетеропереходе, и встроенного электрического поля [8]. Под воздействием встроенного электрического поля форма ямы сильно искажается, и появляется КРЭШ. Это приводит к увеличению расстояния между уровнями, что вызывает сдвиг спектра люминесценции в коротковолновую область (рис. 5а). При увеличении внешнего напряжения влияние встроенного поля компенсируется, и сдвиг уменьшается. Эффект Штарка наиболее выражен в светодиодах на основе гетероструктур InGaN и AlGaN [9].
Известно, что у красных светодиодов наблюдается смещение пика длины волны излучения: увеличение тока приводит к разогреву активной области кристалла и сдвигу спектральной характеристики в длинноволновую область, что связано с температурным изменением ширины запрещенной зоны [10]. Мы также наблюдали этот эффект (рис. 5b).
Важнейшей характеристикой светодиодов является η – эффективность преобразования электрической энергии в световую. Эффективность светодиода представляет собой его коэффициент полезного действия (КПД) и связана с внешним квантовым выходом электролюминесценции ηе соотношением [7]:
η = ≈ ηe,
где ħω – энергия фотона, соответствующая максимуму спектра излучения, U – приложенное внешнее напряжение.
Нами были рассмотрены зависимости эффективности фитоленты от тока (рис. 6), на которых можно наблюдать снижение характеристики, которое связано с уменьшением квантового выхода люминесценции из-за разогрева структуры протекающим током, а также с насыщением излучательной рекомбинации и снижением ее эффективности из-за заполнения энергетических уровней в активной области.
Важнейшим показателем для использования осветительного прибора в области выращивания растений является то, какое количество света в области фотосинтетически активной радиации (PAR – photosynthetically active radiation) он создает. Поясним для справки, что фотосинтетически активная радиация (ФАР) – это часть электромагнитного излучения, которая может быть использована в качестве источника энергии для протекания процесса фотосинтеза в зеленых растениях.
ФАР измеряется как плотность фотосинтетического фотонного потока (PPFD – Photosynthetic Photon Flux Density), единица измерения мкмоль / м2 / с. Несмотря на то, что ФАР охватывает всю видимую часть спектра, наиболее эффективными являются синяя и красная части спектра с вторичными пиками в желтой и оранжевой частях. Ультрафиолетовое (УФ) и инфракрасное (ИК) излучение находятся за пределами видимого диапазона света и не входят в диапазон ФАР. PPFD – плотность фотосинтетического фотонного потока, мкмоль / м2 / с. PPFD измеряет количество света ФАР (фотонов), которое попадает на поверхность растения каждую секунду. Чтобы свет был эффективным для выращивания эфиромасличных, овощных и других культур, он должен иметь значения PPFD от 150 до 600 мкмоль / м2 / с. Для сравнения отметим, что PPFD естественного солнечног а имеет значение 900–1 500 мкмоль / м2 / с в момент, когда солнце находится в зените.
PPF – фотосинтетический поток фотонов (Photosynthetic photon flux), мкмоль / с. PPF измеряет общее количество ФАР, которое производится системой освещения каждую секунду.
Фотосинтетический поток фотонов рассчитывается по формуле [11]:
,
где FPAR – фотосинтетический поток фотонов, мкмоль / с; ϕλ – спектральная плотность распределения мощности излучения прибора (в области ФАР), Вт / нм; λ – длина волны, нм; h – постоянная Планка; c – скорость света; NA – число Авогадро; K – коэффициент пропорциональности.
Эффективность излучательного прибора в области ФАР рассчитывается по формуле [11]:
ηPAR = ,
где ηPAR – эффективность в области ФАР, мкмоль / Вт / с; P – потребляемая мощность, Вт. С увеличением расстояния PPFD убывает согласно закону обратных квадратов. Общее значение PPFD светодиодной фитоленты (рис. 7 а) возросло, так как возросло количество светодиодов: 6 белых и 3 красных. Среднее значение ФАР, применимое для выращивания растений (≈300 мкмоль / м2 / с) и достигаемое при рабочем токе, снято с одного метра фитоленты на расстоянии ≈20 см (максимально достижимое значение PPFD на данном расстоянии) от облучаемой области.
Мы измерили фотосинтетический поток фотонов осветительного прибора (рис. 7b) при помощи интегрирующей сферы. Внутренняя часть полой сферы имеет белое (фторопласт), обладающее высокой отражающей и рассеивающей способностью. В соответствии со светотехническими требованиями ГОСТ Р 57671-2017 эффективность приборов в области ФАР должна быть не менее 2,0 мкмоль / Дж для приборов, предназначенных для освещения растений сверху. Как видно из рис. 7с, эффективность исследуемой фитоленты в области ФАР при рабочем токе составляет 2,62 мкмоль / Дж, что на 31% выше нормы.
Поглощению света фотосистемами способствуют фотосинтетические пигменты. Кислородные фотосинтезаторы, к ним относятся такие растения, как водоросли и цианобактерии, используют пигменты хлорофилла. Существует несколько различных типов хлорофилла, причем хлорофилл a и хлорофилл b являются наиболее распространенными типами в наземной растительности [12]. Оба пигмента обладают пиками поглощения в красной и синей областях спектра, причем хлорофилл a имеет пики при 430 и 662 нм, а хлорофилл b – при 453 и 642 нм (расположение этих пиков смещается в зависимости от свойств клетки, в которой они находятся).
Водоросли и цианобактерии содержат дополнительные типы пигментов хлорофилла, такие как хлорофиллы c, d и f [13]. Аноксигенные фотосинтезаторы, такие как пурпурные бактерии, зеленые серные бактерии, гелиобактерии и нитчатые аноксигенные фототрофы, используют альтернативные, но родственные пигменты, называемые бактериохлорофиллами [14]. В дополнение к пигментам, улавливающим первичный свет, фотосинтезаторы используют «антенные пигменты», например, каротиноиды, для захвата фотонов с более высокой энергией и передачи их в фотосистему. На рис. 8 показаны спектры поглощения различных хлорофиллов и других светоулавливающих пигментов, а также спектр излучения фитоленты, люминесцентной и светодиодной ламп. Основная доля ФАР приходится на красный и зеленый диапазоны: светодиодная фитолента имеет соотношение по значению PPFD: 15% синего (400–500 нм) + 40% зеленого (500–600 нм) + 45% красного (600–700 нм).
Оценка влияния формы спектра на эффективность облучательного прибора в области ФАР осуществлялась путем наложения на спектр поглощения пигментов растений, таких как хлорофилл a, хлорофилл b и каротиноиды (рис. 8). Наилучшее перекрытие спектров излучения приборов и поглощения фотохимических пигментов с учетом КПД преобразования электрической мощности в оптическую наблюдается у светодиодных излучателей и составляет 42,2% в отличие от 8,9% у фитолампы и 9,6% у люминесцентной лампы.
Обсуждение результатов
Флуоресцентное освещение в сочетании с лампами накаливания поддерживает вегетативный рост растений, окраску, внешний вид и качество продукции, аналогично тому, что происходит при солнечном излучении. Однако наблюдается снижение скорости роста и накопления биомассы. Белые светодиоды в сочетании с красными СИД способствуют накоплению углеводов и повышению эффективности использования энергии по сравнению с люминесцентными лампами на стадии прорастания и последующих стадиях культивирования [15].
Нами было установлено, что среднее значение плотности фотосинтетического фотонного потока, требуемое для эффективного выращивания растений (≈300 мкмоль / м2 / с), достигается при рабочем токе одного метра фитоленты на расстоянии ≈20 см от облучаемой области. Спектральный состав светодиодной фитоленты с соотношением в области ФАР 15% синего, 40% зеленого и 45% красного света, не считается оптимальным для стимуляции роста зеленых сельскохозяйственных культур. Это согласуется с результатами работ [16, 17], авторы которых показали, что специальным подбором светодиодов, излучающих на определенных длинах волн, можно обеспечить достаточную энергию для стимуляции фотосинтетических пигментов, большее накопление сухой массы. Для максимальной стимуляции роста таких растений более предпочтительным является спектр с более высоким содержанием синего и красного света, которые составляют до 80% от общего PPFD.
Известно, что использование светодиодов по сравнению с такими традиционными устройствами, как натриевые лампы высокого давления или люминесцентные лампы, дает более высокую энергетическую эффективность. Эффективность воздействия излучения фитоленты на растения, оцененная в работе, существенно превосходит эффективность воздействия альтернативных источников излучения и составляет 42%, что в 4,7 раза выше эффективности фитолампы полного спектра в области ФАР и в 4,4 раза выше эффективности люминесцентной лампы.
Заключение
Светодиодная фитолента со спектральным составом: 15% синего, 40% зеленого и 45% красного света, обладая высокой эффективностью, возможностью диммирования (регулировка яркости освещения) и спектром излучения, соответствующим спектрам поглощения пигментов растений, делают устройство наиболее предпочтительным для использования в агропромышленных предприятиях для увеличения продуктивности сельского хозяйства. При этом следует учитывать также простоту и безопасность монтажа осветительного прибора. Высокая эффективность фитоленты позволит повысить качество роста разнообразных классов сельскохозяйственных культур в автономных агропромышленных предприятиях. В дальнейших исследованиях планируются исследования методов сокращения энергозатрат при использовании светодиодной фитоленты в тепличных промышленных комплексах.
REFERENCES
Chang M-H., Das D., Varde P. V., Pecht M. Light emitting diodes reliability review. Microelectronics Reliability. 2012; 52(5): 762–782. DOI: https://doi.org/10.1016/j.microrel.2011.07.063
Yang Z-C., Kubota C., Chia P-L., Kacira M. Effect of end-of-day far-red light from a movable LED fixture on squash rootstock hypocotyl elongation. Scientia Horticulturae. 2012; 136: 81–86. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scienta.2011.12.023
Tennessen D. J., Singsaas E. L., Sharkey T. D. Light-emitting diodes as a light source for photosynthesis research. Photosynthesis Research. 1994; 39: 85–92. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00027146
Fujiwara K, Sawada T, Kimura Y, Kurata K. Application of an automatic control system of photosynthetic photon flux density for LED–low light irradiation storage of green plants. HortTechnology. 2005; 15: 781–786. DOI: https://doi.org/10.21273/HORTTECH.15.4.0781
Gong Z., Jin Sh., Chen Y. Size-dependent light output, spectral shift, and self-heating of 400 nm InGaN light-emitting diodes. Journal of Applied Physics. 2010; 107(1): 013103–013103–6. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3276156
Bochkareva N. I., Gorbunov R. I., Klochkov A. V., Lelikov Yu. S., Martynov I. A., Rebane Yu. T., Belov A. S., Shreter Yu. G. Optical properties of blue light-emitting diodes in the InGaN/GaN system at high current densities. Physics of Semiconductor Devices. 2008; 42: 1384–1390. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063782608110225
Pikhtin A. N. Quantum and Optical Electronics / Textbook. – M.: Abris. 2012. 656 p. (In Russ.).
Пихтин А. Н. Квантовая и оптическая электроника / Учебник. – М.: Абрис, 2012. 656 C.
Romanovich M. M., Lamkin I. A., Tarasov S. A. Accounting the quantum-confined Stark effect on the determination of the active LED region temperature. Journal of Physics Conference Series. 2019; 1400: 066046. DOI: https://doi.org/10.1088/1742‑6596/1400/6/066046
Menkovich E. A., Tarasov S. A., Lamkin I. A., Suihkonen S., Svensk O., Lipsanen H. Investigation of physical processes occurring at low temperatures and currents in light-emitting nanoheterostructures based on semiconductor nitrides. Nanophysics and nanotechnologies MIPT Proceedings. 2014; 6(1): 12–19. (In Russ.).
Менькович Е. А., Тарасов С. А., Ламкин И. А., Suihkonen S., Svensk O., Lipsanen H. Исследование физических процессов, возникающих в условиях низких температур и токов в светоизлучающих наногетероструктурах на основе полупроводниковых нитридов. Нанофизика и нанотехнологии. Труды МФТИ. 2014; 6(1): 12–19.
Pikhtin A. N., Tarasov S. A., Menkovich E. A. Patent No. 2473149 C1 of the Russian Federation, IPC H01L 21/66. Method for determining the temperature of the active area of the LED: No. 2011147653/04: application 23.11.2011: publ. 20.01.2013.
Пихтин А. Н., Тарасов С. А., Менькович Е. А. Патент № 2473149 C1 РФ, МПК H01L 21/66. Способ определения температуры активной области светодиода: № 2011147653/04: заявл. 23.11.2011: опубл. 20.01.2013.
GOST R 57671-2017. Irradiation devices with LED light sources for greenhouses. General technical conditions. – M.: Standartinform. 2017. (In Russ.).
ГОСТ Р 57671-2017. Приборы облучательные со светодиодными источниками света для теплиц. Общие технические условия. – М.: Стандартинформ. 2017.
GOST 34819-2021. Lighting devices. Lighting requirements and test methods. – M.: Russian Institute for Standardization. 2022. (In Russ.)
ГОСТ 34819‑2021. Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний. – М.: Российский институт стандартизации. 2022.
Kiang N. Y., Siefert J., Govindjee G., Blankenship R. E. Spectral Signatures of Photosynthesis. I. Review of Earth Organisms. Astrobiology. 7: 222–251. DOI: https://doi.org/10.1089/ast.2006.0105
Robert B., Cogdell R., Grondelle R. The Light-Harvesting System of Purple Bacteria. Light-Harvesting Antennas in Photosynthesis. 2003; DOI: https://doi.org/10.1007/978‑94‑017‑2087‑8_5
Yan Z. N., He D. X., Niu G. H., Zhou Q., Qu Y. H. Growth, nutritional quality, and energy use efficiency in two lettuce cultivars as influenced by white plus red versus red plus blue LEDs. Int. J. Agric & Biol. Eng. 2020; 13(2): 33–40. DOI: https://doi.org/10.21273/HORTSCI14236‑19
Avendaño-Abarca V. H., González-Sandoval D. C., Munguía-López J. P., Hernández-Cuevas R., Luna-Maldonado A. I., Vidales-Contreras J. A., Niño-Medina G., Rodríguez-Fuentes H. Growth and total nutrimental absorption of baby romaine lettuce cultivated with led lighting under plant factory system. Informacion Tecnica Economica Agraria. 2020; 116(4): 280–293. DOI: https://doi.org/10.12706/itea.2020.011
Armanda D. T., Guinée J. B., Tukker A. The second green revolution: Innovative urban agriculture’s contribution to food security and sustainability – A review. Global Food Security. 2019; 22: 13–24. DOI: https://doi.org/10.1016/j.gfs.2019.08.002
АВТОРЫ
Дегтерева Мария Михайловна – аспирант, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0001-6797-0595
Левин Евгений – аспирант, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0009-0000-3811-487X
Дегтерев Александр Эдуардович – аспирант, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-6151-6567
Богданов Александр Александрович – студент магистратуры, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0009-0004-2540-4228
Ламкин Иван Анатольевич – к. т. н., доцент кафедры фотоники, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-3680-7725
Тарасов Сергей Анатольевич – доктор технических наук, заведующий кафедрой фотоники, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-6321-0019
Сергеев Павел Андреевич – инженер, генеральный директор ООО «Светояр», Санкт-Петербург, Россия.
ВКЛАД АВТОРОВ
Дегтерева Мария Михайловна – измерение параметров фитоленты в области фотосинтетически активной радиации, редактирование статьи, анализ литературы; Левин Евгений – измерение спектрально-энергетических характеристик фитоленты, редактирование статьи, анализ литературы; Дегтерев Александр Эдуардович – измерение электрических характеристик светодиодов, редактирование статьи; Богданов Александр Александрович – измерение электрических и колориметрических характеристик фитоленты, редактирование статьи; Ламкин Иван Анатольевич – руководство научной работой, планирование работ, редактирование статьи; Тарасов Сергей Анатольевич – постановка задачи и руководство научными исследованиями; Сергеев Павел Андреевич – постановка задачи, предоставление образцов для исследования.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них отсутствует конфликт интересов. Результаты исследований были обсуждены и отражены в рукописи, которая является совместной работой.
Отзывы читателей
