Выращивание на электрическом освещение
Основным источником искусственного освещения служат различные электрические лампы. Все они являются приборами, в которых электрическая энергия превращается в лучистую с тем или иным спектральным составом. Соотношение между видимым и невидимым излучением у различных типов ламп различно.
Все современные наиболее распространенные лампы могут 1,ыть разделены на 2 группы. У одних излучение имеет сплошной непрерывный спектр, а у других прерывистый — линейный.
К первой группе относятся лампы дуговые и накаливания, ко второй — газосветные и люминесцентные. Изготовляются, правда пока еще редко, лампы, соединяющие в себе оба этих типа.
Лампы первого типа по своей мощности излучения, а главное по характеру спектра стоят ближе к солнечному освещению, чем лампы второй группы. Еще ближе спектр излучения к солнечному может быть получен у комбинированных ламп.
Наиболее мощными источниками искусственного излучения являются дуговые осветительные приборы, но они сложны в эксплуатации.
Основным источником электрического освещения в настоящее время является газополная лампа накаливания. Лучистый поток, испускаемый ею, создается за счет накала током вольфрамовой спирали. При горении лампы в нормальном режиме она нагревается до температуры в2800° К (абсолютная). Для предохранения вольфрамовой нити от распыления колбы ламп наполняются не поддерживающими горения газами: азотом, аргоном, их смесыо или криптоном. Поэтому они и называются газополными в отличие от ламп накаливания, у которых внутри колбы создается безвоздушное пространство (вакуумные лампы).
Спектральный состав излучения ламп накаливания находится в соответствии с температурой накала вольфрамовой спирали. Характер его представлен на рис. 2.
Максимум излучения ламп накаливания лежит в пределах от 900 до 1100 мр. От него к ультрафиолетовой области количество энергии резко убывает, а в инфракрасной области спадает очень плавно. В результате на видимую область приходится только около 12% от всей энергии лучистого потока, создаваемого лампой накаливания. Все остальное ее количество лежит в пределах инфракрасного излучения. Это обстоятельство делает лампу накаливания очень несовершенным источником освещения и плохим преобразователем электрической энергии в световую. Поэтому все время и продолжаются поиски более экономных электрических осветительных приборов.
В видимой области излучения ламп накаливания мощяоатж до спектру быстро падают по направлению от красного к фиолетовому концу. Если разбить весь видимый спектр 500-ваттной лампы накаливания, как это сделано в табл. 3, на 3 части — сине-фиолетовую, желто-зеленую и красно-оранжевую и сравнить их мощности между собою, приняв за 100% энергию всей видимой области, то получатся следующие соотношения: сине-фиолетовая радиация 11,2, желто-зеленая 29 и красно-оранжевая почти 60%. Исходя из этих соотношений, лампы накаливания считают хорошим источником радиации для фотосинтеза, но плохим для формообразовательных процессов.
При сопоставлении этих данных нетрудно видеть иные соотношения в указанных отрезках спектра.
В спектре полуденного солнца процентное соотношение их почти одинаково, тогда как в радиации ламп накаливания сине-фиолетового излучения почти в шесть раз меньше, чем красно-оранжевого. Только эта особенность мешает созданию за счет излучения ламп накаливания световых условий, во всем подобных солнечному.
Собирая в осветительные установки достаточно мощные лампы накаливания, особенно зеркальные, и используя при этом соответствующие фильтры и экраны, можно получать лучистые потоки, значительно превосходящие прямые солнечные лучи в любой области спектра. Таким образом, если не считаться с затратами электроэнергии, очень высокими при эксплуатации ламп накаливания, последние могут быть признаны хорошим искусственным источником освещения для замены солнечной радиации. И если их широкое использование в практике пока дорого, то для научно-исследовательских работ, имеющих целью выяснение световых потребностей растений, они совершенно незаменимы.
Лампа накаливания хотя и не является настоящим точечным излучателем, но практически близка к нему, и поэтому мощность ее лучистого потока быстро убывает при возрастании расстояния между нитью накала и освещаемым объектом. До известной степени здесь справедливо правило обратных квадратов, по которому можно считать, что мощность (плотность) лучистого потока отдельной лампы обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Поэтому высокий подвес отдельных, хотя бы и мощных ламп, без специальной арматуры прожекторного типа приводит к значительному уменьшению мощности лучистого потока, достигающего освещаемой поверхности.
Большим преимуществом ламп накаливания пербд всеми другими источниками искусственного освещения является простота их использования. Если учесть к тому же, что работающие с ними подвергаются наименьшей опасности, а также и относительно невысокие единовременные затраты на их эксплуатацию, то станет понятной необходимость широких исследований, направленных на нзучение лампы накаливания, как источника освещения для выращивания растений.
Электрические лампы, действие которых основано на использовании свечения газа или паров металлов в процессе газового разряда, называются газосветными. В отличие от ламп накаливания, газосветные лампы имеют спектр, состоящий из отдельных линий и полос. Распределение энергии по спектру зависит от природы газа или пара, его состояния и т. д.
Чаще всего для газосветных ламп используется или газ неон, или пары ртути и натрия, спектры излучения которых показаны на рис. 3.
Свечение неона в видимой области слагается из желтого, оранжевого и красного участков спектра и поэтому его цвет оранжево-красный. Пары натрия светятся желтым светом за счет двойной линии спектра, характеризующейся.длинами волн в 589 и 589,6 .м;*. Ртутные лампы светятся голубоватобелым светом и имеют в спектре видимой области 4 отдельных линии: фиолетовую, синюю, зеленую и желтую.
Все эти лампы, благодаря их определенной цветности, употребляются только для специальных целей. Кроме того, они обычно требуют специальных пусковых приспособлений (дросселей) и повышенных напряжений (не ниже 220 в).
Ртутные и особенно натриевые лампы обладают, по сравнению с другими электрическими излучателями, повышенной отдачей света, доходящей до 50 лм/вт, поэтому они достаточно экономны, но цвет их неприятен для зрения. Поверхность излучения их больше, чем у ламп накаливания, так как они в большинстве случаев представляют собою трубки или, во всяком случае, удлиненные светящиеся объемы. Такая форма делает их более удобными при выращивании растений,
Особенного внимания заслуживают ртутные лампы как дополнительный источник синего и фиолетового света, находящегося в минимуме в лучистом потоке ламп накаливания.
Почти 40% ее падает на длины волн в 405 и 436 му. Опыт показал, что за счет излучения только этих двух монохроматических участков спектра можно без труда получать мощности порядка не менее 78—80 вт на 1 мг, т. е. больше, чем в прямом солнечном излучении в каждой из указанных областей при его общей мощности 500 вт на 1 м2. Понятно, что добавление излучения ртутных ламп к радиации ламп накаливания в общей осветительной установке приблизит спектральный состав искусственного света к солнечному.
Кроме того, все газосветные лампы, и упомянутые выше, и другие, например гелиевые, аргоновые, криптоновые, ксеноновые и т. д., выгодно использовать для выделения отдельных областей спектра при изучении влияния его на рост и развитие растений. Вообще газосветные лампы представляют в этом отношении очень большой интерес для многих светофизиологических исследований, не говоря уже о том, что некоторые из них находят и уже нашли и сейчас практическое применение в светокультуре растений.
В последнее время все чаще и чаще и во все увеличивающихся масштабах начинается использование люминесцентного освещения, причем оно сразу же начало внедряться в практику светокультуры растений. Люминесцентные трубки являются фотолюминесцентными газосветными лампами, большей частью ртутными. От обычных газосветных ламп они отличаются тем, что на внутренние стенки газоразрядных трубок нанесено порошкообразное кристаллическое вещество люминофор. Люминофором является всякое вещество — газообразное, жидкое, твердое, обладающее явлением фотолюминесценции. Применяются люминофоры для улуч-шепия световой отдачи и цветности газосветных ламп. В состав
лх входят окислы металлов, соли кислот, сернистые и селенистые соединения, а также тяжелые металлы или редкие земли (самарий и празеодим).
Спектральная характеристика люминофора определяется его спектрами поглощения и излучения, состоящими из ряда полос различной интенсивности.
Из приведенной таблицы видно, что какой бы цветностью излучения люминофора не характеризовались люминесцентные лампы, все они очень далеки от монохроматичности.
Кроме свечения люминофора, в радиации фотолюминесцентных ламп всегда присутствуют характерные спектральные линии видимого ртутного излучения, не поглощаемого люминофором.
Наиболее распространенной является люминесцентная лампа белого света. Ее спектральная характеристика дается на рис. 4. Наибольшим количеством энергии обладает красно-оранжевая часть спектра этой лампы (до 45%). Мало уступает ей и желто-зеленая часть, зато в сине-фиолбтовой части энергии меньше всего —только 16%. Такое распределение энергии по спектру люминесцентной лампы белого света несколько роднит ее с тем же качеством лампы накаливания. Принципиальное отличие люминесцентных ламп от ламп накаливания заключается в их ограниченной и не могущей быть усиленной мощности лучистого потока с единицы излучающей поверхности.
С незначительными мощностями излучения люминесцентных ламп связана и их низкая собственная температура, обычно не превышающая 50°. Благодаря такой пониженной температуре трубок растения не обжигаются, даже прикасаясь к ним. Зато люминесцентные лампы сами чувствительны к температуре воздуха и плохо горят в холодных помещениях.
При оценке энергетических возможностей упомянутых выше электрических ламп для целей выращивания растений на искусственном освещении необходимо признать исключитель
Как видно, и конструктивно и по расходу электроэнергии вти два типа осветительных установок значительно отличаются одна от другой.
Установка с лампами накаливания и водяным потолком состоит из следующих частей:
1) крюки для подвешивания отражателя,
2) трос,
3) зажим для регулировки высоты ламп над резервуаром,
4) отражатель металлический, изготовленный из алюминия или белой жести, внутри которого укреплен деревянный каркас с вмонтированными в него электропатронами (каркас на рисунке не показан),
5) электролампы,
6) резервуар для воды,
7) стеклянное дно из зеркального стекла толщиной 6—7 мм,
8) стяжка,
9) штанга высотой 1,5м (4 штуки),
10) втулка подъемного стола,
11) деревянное основание для крепления установки,
12) подъемный стол для растений, который может подниматься и опускаться по мере надобности,
13) упор для фиксирования высоты ламп под стеклом,
14) подъемная лента,
15) рукоятка подъема стола,
16) стопор. Если сеть трехфазная, то лампы разбиваются на группы для более равномерной нагрузки фаз.
Основой стеклянного фильтра, его дном, является зеркальное стекло толщиною в 6—7 мм. Стенки его делаются из оцинкованного кровельного железа в 120 мм высоты. Нижний отгиб, на который кладется стекло, должен иметь 20—25 мм. Стекло и железо соединяются битумной замазкой, которую наносят в расплавленном состоянии.
Электрическое напряжение данной установки стандартное: 127—220 в — в зависимости от рабочего напряжения электроламп. Колбы электроламп частично погружены в воду кюветы так, чтобы расстояние от колбы до стеклянного дна было 1,5—2 см.
В простейшем случае для освещения площади одного квадратного метра на отражателе монтируются 16 электроламп. Таким образом, расход электроэнергии на 1 м2 составляет: 16 X 200 = = 3200 вт (3,2 кет), 16 X 300 = 4800 вт (4,8 кет).
Возможно также и смешанное использование ламп разной мощности, если размеры их колб равны между собою.
Как показывает опыт, на одном квадратном метре можно вырастить, например, 36 штук рассады томатов за 20 дней при продол лштельности освещения 16—18 часов в сутки. Учет расхода электроэнергии на выращивание одного растения прост. При мощпости 3,2 кет (на 1 м2) расход в сутки составляет 3,2 X 18 = = 57,6 квт-ч; если продолжительность выращивания 20 суток, то расход электроэнергии на выращивание всех растений на 1 м2 будет: 57,6 X 20 = 1152,0 квт-ч, следовательно, расход на выращивание одного растения составит 1152 : 36 = 32,0 квт-ч.
В случае применения 300-ваттных ламп, когда на 1 м2 расходуется 4,8 кет электроэнергии, расход ее составит 34 квт-ч на одно растение при условии, что лампы будут гореть по 16 часов в сутки, а срок выращивания рассады сократится до 16 дней.
Установки первого типа, где комбинируется свет люминесцентных ламп со светом ламп накаливания, значительно более экономичны, Они состоят из следующих частей: 1) каркас, на котором монтируются три люминесцентные лампы по 30 вт (220 в); 2) лампы дневного света (люминесцентные) 30 вт (220 в); 3) автомобильная лампа 21 em 6 е (24 штуки), два ряда по 12 ламп; все автомобильные лампы соединены между собою последовательно; 4) держатель ламповых патронов; 5) ламповый патрон.
Электрическая схема такой установки приведена на том же рисунке. Для ее осуществления необходимо иметь две фазы, создающие между собой напряжение 220 в для питания люминесцентных ламп, и нулевой провод; напряжение между этим проводом п любой фазой будет равно 127 в для питания мелких автоламп.
Для освещения 1 м2 необходимо три таких установки, которые включаются так, чтобы нагрузка на каждую отдельную фазу была одинакова.
Как видно, схема такой установки более сложна, чем при использовании только одних ламп накаливания. Кроме того, для 6-вольтовых лампочек требуется специальная арматура, без этого пользование ими опасно, так как они питаются от нормальной осветительной сети, при последовательной схеме включений. По этой причине совершенно недопустимо использование автолампочек с арматурой, при которой возможен контакт человека с неизолированным проводником, находящимся под напряжением. Люминесцентные лампы следует использовать только в стандартной хорошо изолирующей арматуре.
Освещаемая площадь равна 0 3 м2. Мощность всей установки определяется суммой мощностей, затрачиваемых на питание люминесцентных ламп 30 X 3 = 90 вт и около 300 вт на автомобильные лампочки, всего примерно /,00 вт на 0,3 м2, или на 1 м2 1,2 кет.
Общий вид установки комбинированного освещения можно видеть на рис. 22. Для досвечивания растений в условиях защищенного грунта лучше всего пользоваться или подвижными осветительными установками, или люминесцентными трубками, находящимися между растениями.
Выбор того или иного способа досвечивания зависит от характера культуры. Так, например, при шпалерных культурах огурцов и томатов верхнее освещение менее рационально, чем боковое. Для его осуществления, особенно при наличии достаточно высоких температур воздуха, могут быть использованы с большим успехом люминесцентные трубки дневного ели белого света. Указанные трубки 30- или еще лучше 40-ваттные, имеющие длину от 95 до 125 см, размещаются в виде заборов между рядами растений. При этом гораздо правильнее размещать их не в вертикальном, а в горизонтальном направлении, т. е. параллельно почве.
В этом случае, пока растения невелики, можно пользоваться незначительным количеством трубок и по мере роста растений поднимать и высоту заборов. Если нижние листья опадают и нижние трубки становятся ненужными, их вынимают. Вертикальное расположение трубок делает такую регулировку невозможной.
Люминесцентные трубки монтируются на легких металлических или деревянных рамах с помощью специальных патронов с вставленными в них стартерами. Дроссели монтируются отдельно. Расстояние между осями трубок определяет их количество на каждый квадратный метр вертикальной плоскости, а следовательно и вообще на всю подлежащую досвечиванию кубатуру теплицы. Чем хуже условия естественного освещения, тем меньше расстояния должны быть между осями трубок; наоборот, чем больше света в теплицах, тем реже могут быть расположены трубки.
Для того чтобы по мере улучшения естественного освещения можно было бы наиболее просто, не изменяя самих установок, сократить количество трубок, их лучше всего располагать па 10 см друг от друга. Точнее, расстояние между осями трубок должно быть в 10 см.
Тогда, размещая трубки подряд, через одну или через две, можно тем самым создавать «заборы» с различною частотою трубок — через 10, 20 и 30 см. Такая система освещения очень лабильна и не мешает использованию растениями естественного освещения. Лучистый поток люминесцентных ламп при таком их размещении в пространстве используется наиболее полно и является достаточно объемным.
Подвижные осветительные установки дают хороший результат при выращивании не очень высоких растений. Сама осветительная часть подвижной установки должна быть проста и легка. Лучше всего этой цели удовлетворяют зеркальные лампы накаливания без всякой дополнительной арматуры, если не считать небольшого круглого щитка, предохраняющего лампу от капель конденсата с кровли теплиц. Такие лампы могут быть смонтированы в один или два ряда с расстояниями по 20—25 см друг от друга на легких деревянных или металлических каркасах. В течение всего времени досвечивания такая установка находится в возвратно-поступательном движении над вершинами растений. Движение ее осуществляется с различными скоростями, обычно 1 ж за 5 секунд, за счет мотора, снабженного дополнительно автоматическим переключателем и редуктором, регулирующим скорость.
Смысл применения подвижных осветительных установок заключается в том, что движение устраняет ряд недостатков, присущих неподвижным источникам света в условиях теплиц. Прежде всего движение позволяет максимально приблизить источники света к растениям без их ожогов (перегрева) и тем самым способствует уменьшению удельного расхода электрической энергии. Одновременно достигается наибольшая равномерность и объемность освещения растений и, наконец, наименьшее затенение их арматурой от естественного света.
Использование подвижных осветительных установок приводит к специфическому распределению лучистой энергии во времени, а это влечет за собою совершенно определенный ритм в переменном температурном режиме листьев растений.
В случае периодически переменного пагрева, что имеет место в подвижных установках, кроме мощности лучистого потока, как было показано В. Г. Кармановым, большое значение приобретает и время воздействия в каждом отдельном цикле дви-жения. А отсюда следует, что величина нагрева и характер его определяются не только мощностью лучистого потока, а и временем воздействия этой мощности, т. е. скоростью движения, периодом движения (его амплитудой) и величиной тепловой инерционности листьев растений. Все эти факты будут не одинаковы для различных видов растений, особенно отличающихся друг от друга по толщине листьев, и для различных температур воздуха.
До сих пор настоящих попыток внести ясность во взаимоотношения всех указанных выше факторов в их действии на температурный режим листьев растений не было. А именно этот комплекс должен являться тем показателем, который следует положить в основу конструктивных расчетов подвижных осветительных установок.
При использовании в теплицах для целей досвечивания стационарных установок из ламп накаливания опасный для растений перегрев может быть устранен двумя способами: во-первых, снижением температуры воздуха, окружающего растения, за счет меньшего отопления теплиц или их лучшей вентиляции и, во-вторых, путем рассредоточения мощностей лучистых потоков ламп накаливания.
Последнее достигается заменою крупных ламп в 500, 300 и 200 вт мелкими низковольтными (6-вольтными) автомобильными лампочками в 21 вт мощностью. Осуществляя их горение с некоторым недокалом, часто бывает выгодной замена 12 такими лампочками одной 200-ваттной лампы. В этом случае мощность 200-ваттной лампы распределяется между 12 мелкими, и понятно, что каждая из них уже не обжигает растения без непосредственного контакта с ним.
Используя такие мелкие лампы, надо заботиться, как это будет показано ниже, уже не о снижении температуры воздуха, а об ее повышении.
В заключение описания основных осветительных установок лаборатории следует подчеркнуть, что они еще далеки от совершенства и нуждаются в значительных конструктивных изменениях, направленных на более полное использование лучистого потока имеющихся в них различных типов электрических ламп.
Использвание искусственного освещения - Выращивание на электрическом освещение
Остались вопросы по теме - "Выращивание на электрическом освещение", задайте их на