Cветоводы для освещения теплиц с клубникой

Сколько нужно света для выращивания клубники в закрытой теплице со стеллажами? Сколько света приходит от солнца? Сколько света дает световод? Сколько нужно электричества для LED ламп в теплице?

Тузовский Михаил, 12 мая 2021 года

Задача освещения закрытой теплицы

Для выращивание клубники в закрытой теплице требуется освещение лампами LED. Технология световодов позволяет доставлять солнечный свет в теплицу.

В данной статье рассчитываем сколько нужно света для выращивания клубники. Сколько солнечного света можно доставить в теплицу световодом. Так же оцениваем потребность в электричестве для освещения теплицы и экономию при использовании световодов.

Читайте также нашу статью с расчетом отопления теплицы: "Сколько нужно тепла, чтобы обогреть теплицу?"

Исходные данные по теплице

Теплица представляет собой закрытый модульный огород состоящий из 3ех модулей. Внешние размеры одного модуля: длина 8.3м, ширина 2.44м, высота 2.66м. Толщина стенки 150мм. Ширина теплицы из трех модулей 7.32м.

Семь стеллажей по 5 полок каждый. Размер полок: длина 6м, ширина 45мм, расстояние между полками по высоте 35мм. Ширина полок на крайних стеллажах 17.5мм.

Площадь теплицы по внешним размерам 61м2. Объем теплицы 133м3.

Площадь помещения со стеллажами: 6мx7.32м = 44м2.

Площадь растительного покрова 6x5x6мx0.35м = 63м2.

Климат: Владивосток, Россия. Широта 43.1.

Схема модульной теплицы огорода с применением световодов

Освещение для клубники

Оценим сколько нужно света для выращивания клубники в закрытой теплице с использованием стеллажей.

Суточное количество солнечного света для роста клубники, DLI:

DLI = 17 - 20 мол/сут/м2 {1}.

В единицах плотности потока фотонов, PPFD:

PPFD = 17 [мол/сут/м2] * 1000000 [μмол/мол] / 3600 [сек/час] / 24 [час] = 200 μмол/с/м2

Или, в энергетических единицах, излучаемая мощность ФАР:

ФАР = (200μмол/с/м2) / (4.54 Ватт ФАР /μмол/с) = 44 Ватт ФАР/м2

Максимальный уровень поглощения и насыщения светом для клубники в единицах плотности потока фотонов, PPFD = 800 - 1200 μмол/с/м2 {1}.

Эффект интерференции или тень от верхних полок

При использовании стеллажей нижние полки получают меньше света чем верхние [5]. Измерения показывают [6], что распределение света между 5 полками примерно такое:

1ая полка(верхняя): 100% света
2ая полка: 42%
3я полка: 34%
4ая полка: 32%
5ая полка (нижняя): 30%

Эффект интерференции или тень от верхних полок

Поток фотонов, PPF, для освещение стеллажа в 5 полок с учетом интерференции света

Поток фотонов для роста клубники на полке площадью 6*0.35м=2.1м2:

PPF (1 полка) = 2.1 м2 * 200 μмол/с/м2 = 420 μмол/с

Если расположить 5 полок горизонтально, то потребуется поток фотонов:

PPF (5 полок горизонтально) =PPF (1 полка) * 5 = 420 * 5 = 2100 μмол/с

Если расположить 5 полок вертикально, то потребуется поток фотонов:

PPF (5 полок вертикально) = 1070 μмол/с (см таблицу выше)

То есть, при вертикальном расположении полок, за счет эффекта интерференции света, потребность в потоке фотонов снижается на 51%.

Сколько нужно света для закрытой теплицы со стеллажами

Для 6 стеллажей по 5 полок каждый, необходимый поток фотонов для выращивания клубники в закрытой теплице площадью 6мx7.32м = 44м2 составит:

PPF_теплица = 6 * 1070 = 6420 μмол/с

Потребность в электричестве для освещения теплицы

Оценим сколько нужно электричества для освещения закрытой теплицы при помощи LED ламп. Для LED ламп полного спектра характерное отношение плотности потока фотонов к потребляемой мощности, PPFD/Ватт, находится в диапозоне от 1.2 до 2.2 μмол/c / Вт. В расчете используем значение 2.

Для освещения закрытой теплицы потребуется:

6420 [μмол/с] / 2 [μмол/c / Вт] = 3210 Вт

Отметим, что тепловое излучение LED ламп составит примерно 5% или 160 Вт.

Доступная солнечная энергия

Оценим сколько доступно солнечной энергии для данного климата.

По картам инсоляции определяем суммарную суточную солнечную радиацию на горизонтальную плоскость = 3.564 кВт/ч/м2 за сутки {2}.

Переводим в единицы суточного количества солнечного света, DLI:

DLI = 3.564 кВт/ч/м2 * 7.265 = 25.89 мол/сут/м2

где коэффициент перевода 1 кВт/ч/м2 = 7.265 DLI мол/сут/м2 [3].

Переводим в единицы плотности потока фотонов, PPFD:

PPFD = 25.89 [мол/сут/м2] * 1000000 [μмол/мол] / 3600 [сек/час] / 24 [час] = 300 μмол/с/м2

Таким образом, для Владивостока, средняя плотность потока фотонов = 300 μмол/с/м2.

Аналогично, для поверхности под углом 40 градусов, PPFD составит:

4.422 * 7.265 * 1000000 / 3600 / 24 = 370 μмол/с/м2

Световоды

Световоды это современная энергосберегающая технология по доставке солнечного света в темные помещения.

Пример использования световодов

Основные элементы световода

Приемник, световая труба, распределитель [4].

Купол световода

LCP панель

Приемники света:

фиксированные. Например: купол, перфорированная акриловая LCP панель с лазерной резкой (LCP - laser cut panel), параболический концентратор (CPC - compound parabolic concentrator) и др;
активные приемники (следует за положением солнца). Например: гелиостаты и другие.

Транспорт света:

зеркальные световые трубы круглой и прямоугольной формы. Внутрення поверхность с использованием материалов с высоким коэффициентом отражения, например, зеркальная алюминиевая фольга (Specular silver film DF2000MA, 3M) [7];
линзы, оптиковолокно и др.

Распределители света:

акриловые рассеиватели круглой или прямоугольной формы;
плоские или параболические отражательные элементы, для перенаправления света на потолок, стены или в рабочую зону;
флуоресцентные кольца и др.

Проектирование световодов

LCP панель и зеркальный световод - простое и экономичное решение

Система световода: LCP панель + зеркальные световые трубы является простым и экономичным решением для доставки солнечного света в помещение [8].

Проектирование LCP панели

Эффективность LCP панели или доля улавливаемого света зависят от угла падения, а также от отношения расстояния между прорезями к ширине панели, D / W [9, 10].

Во время летнего солнцестояния во Владивостоке, максимальная высота солнца составляет 70° {3}.

Высота солнца от времени года для Владивостока

Угол наклона LCP панели будет: 70° / 2 = 35°. А оптимальное отношение D / W составит 0.4.

Эффективность LCP панели от угла падения солнца и отношения D/W

Для акриловой панели шириной 6мм, расстояние между лазерными прорезями составит: 6*0.4 = 2.4мм.

Проектирование зеркальной световой трубы

Эффективность светопропускания трубы определяется коэффициентом отражения материала внутренней стенки трубы. Например, при коэффициенте 80%, при каждом отражении теряется 80% света. Таким образом, необходимо минимизировать количество отражений.

Количество отражений зависит от отношения диаметра трубы к ее длине. Оптимальное соотношение сторон приблизительно 1/10, а максимальное до 1/20 [7]. Низкое соотношение сторон увеличивает количество внутренних отражений и снижает эффективность световода.

Для трубы длиной 6м при отношение 1/10 диаметр 0.6м, а при 1/12 диаметр 0.5м (или высота для прямоугольной формы).

Эффективность световода

Количество света и качество его доставки

Количество поступаемого света определяется площадью поверхности приемника. Чем больше площадь, тем больше количество света (фотонов) которое поступает в систему световода.

Качество доставки света определяется эффективностью элементов системы световода. Эффективность это разница в количестве света на входе и на выходе.

Эффективность отдельных элементов

Приемники: призмы 35% [11].

Зеркальные трубы 50% (длина: 1200мм, ширина: 50мм, отношением 24) [8].

Общая эффективность световода

LCP панель + зеркальная световая труба с соотношением сторон 30 составляет от 20% до 32% [8].

Применение световодов для освещения теплиц

Оценим насколько использование световодов может снизить потребность в электричестве для освещения закрытой теплицы.

Освещение теплиц с применением световодов

Для приема света используем LCP панели под углом 35 градусов с ориентацией на юг.

Для транспорта света - прямоугольные зеркальные трубы: шириной 0.9м, высотой 0.5м, длиной 6м, количество труб 6.

Площадь приема света:

S_приемников = 6*0.9*0.5 / cos (35°) = 3.3м2

Суммарная суточная солнечная радиация на плоскость под углом 40° =

4422Квч/сут/м2 или PPFD = 370 μмол/с/м2

Поток фотонов через площадь приемников:

PPF_световод_вход = 3.3м2 * 370 μмол/с/м2 = 1220 μмол/с

При общей эффективности световода в 30%, поток фотонов в теплицу:

PPF_световод = 1220 μмол/с * 30% = 366 μмол/с

Доля потока фотонов световода от требуемого потока фотонов:

PPF_световод / PPF_теплица = 366 / 6420 = 6 %

Таким образом, использование световодов снижает расходы на электроэнергию на 6%.

Выводы

Использование закрытых модульных теплиц со стеллажами позволяет увеличить урожай на 1 м2 используемой площади, и снизить эксплуатационные расходы на освещение, отопление, вентиляцию и кондиционирование.

Для роста растений в закрытых теплицах необходимо освещение LED лампами. Применение световодов позволяет доставлять солнечный свет внутрь теплицы, тем самым, сокращать затраты на электроэнергию.

В данной статье приводиться методология расчета количества света, необходимого для выращивание клубники в закрытой теплицы. Оценивается энергопотребление для освещения LED лампами. А так же приводиться обзор и методология проектирования световодов.

Для закрытой теплицы размером 8.3х7.32м, требуемое количество света PPF=6420 μмол/с, при расходе электроэнергии на LED лампы 3.210кВт/ч. Применение световодов позволяет снизить расходы на электроэнергию на 6%.

Определения

Фотосинтез активируется потоком фотонов. В процессе фотосинтеза энергия фотонов превращает воду и углекислый газ в пищу для растений.

Активное излучение фотосинтеза, PAR (Photosynthetic Active Radiation), ФАР (фотосинтетически активная радиация) - спектр света необходимый для фотосинтеза, длина волны 400-700 нм (10-9м).

Солнечный свет является наиболее распространенным источником активного излучения фотосинтеза (PAR, от 400 до 700 нм). На PAR приходится около 50% всего солнечного излучения.

Солнечный свет имеет непрерывное и широкое покрытие по всему спектру.

Поток фотонов фотосинтеза, PPF (Photosynthetic Photon Flux), μмол/с (длина волны 400-700 нм)

Плотность потока фотонов, PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density), μмол/с/м2 (длина волны 400-700 нм)

Суточное количество солнечного света, DLI (Daily light integral), ИДО (интеграл дневного освещения) - суточное количество активного солнечного излучения фотосинтеза на единицу площади, мол/сут/м2 (длина волны 400-700 нм)

Гидропоника это способ выращивания растений на искусственных средах без почвы.

Для расчета потребления энергии используется фотопериод в 24 часа, для подбора параметров ламп 14 часов.

Транспирация — процесс движения воды через растение и её испарение через наружные органы растения, такие как листья, стебли и цветки.

Ключевые слова

Теплица, клубника, освещение, электроэнергия, LED лампы, дневной свет, свет, труба, световод, акриловые панели перфорированные лазером, зеркальные световые трубы, система транспортировки дневного света.

Keywords

Greenhouse, strawberry, lighting, electricity, LED lamps, daylight, light, pipe, lightpipe, laser cut panels, mirror light pipes, daylight transport system.

Список литературы

ASHRAE Fundamentals volume. 1997
ASHRAE HVAC Applications handbook. 1999
Faust J. E., Logan J. Daily light integral: A research review and high-resolution maps of the United States //HortScience. – 2018. – Т. 53. – №. 9. – С. 1250-1257.
Obradovic B., Matusiak B. S. Daylight transport systems for buildings at high latitudes. – 2019.
Fernández-Cabanás V. M. et al. Comparative Analysis of Horizontal and Vertical Decoupled Aquaponic Systems for Basil Production and Effect of Light Supplementation by LED //Agronomy. – 2020. – Т. 10. – №. 9. – С. 1414.
Ramírez-Arias J. A. et al. Horizontal and vertical hydroponic systems for strawberry production at high densities //International Symposium on New Technologies for Environment Control, Energy-Saving and Crop Production in Greenhouse and Plant 1227. – 2017. – С. 331-338.
Obradovic B., Matusiak B. S. Daylight autonomy improvement in buildings at high latitudes using horizontal light pipes and light-deflecting panels //Solar Energy. – 2020. – Т. 208. – С. 493-514.
Garcia Hansen V., Edmonds I. Natural Illumination of Deep Plan Office Buildings: Light Pipe Strategies, 14-19 June 2003 //Goteborg, Sweden: ISES Solar World Congress. – 2003.
Edmonds I. R. Performance of laser cut light deflecting panels in daylighting applications //Solar Energy Materials and Solar Cells. – 1993. – Т. 29. – №. 1. – С. 1-26.
Weibye A., Matusiak B. S. Towards new design of laser cut acrylic panels for windows. – 2019.
Whang A. J. W. et al. Natural light illumination system //Applied optics. – 2010. – Т. 49. – №. 35. – С. 6789-6801.