"Третья Конференция по фито освещению предоставила посетителям обширную научную и деловую информацию, и докладчики на конференции в Портленде ясно дали понять, что будущее за светодиодным освещением", - комментирует МОРИ РАЙТ.
Ведущие исследователи и практики светодиодного садового освещения собрались 9 октября 2018 г. в Портленде, штат Орегон, на третьей Конференции LEDs Magazine по садовому освещению. Аншлаг на конференции способствовал налаживанию деловых связей, экспонаты на столах (Илл. 1) упаковывались во время перерывов и вечернего приема, а докладчики сообщили множество сведений о научных основах светодиодного освещения (SSL) для садоводства, а также о бизнес-модели искусственного освещения и, в первую очередь, светодиодного освещения. Действительно, прошли очень интересные обсуждения на темы реакции растений на спектр, новых метрик, получения ответной реакции от растений и бизнес-модели светодиодного освещения; здесь мы обобщим некоторые из этих презентаций.
Основным докладчиком на конференции 2018 г. был Эрик Ранкл (Илл. 2), профессор и приглашенный специалист кафедры растениеводства в Университете штата Мичиган. Ранкл был одним из первых, кто стал использовать светодиоды для садового освещения, и у него, возможно, самая передовая лаборатория садового освещения на основе светодиодов в мире. Мы рассмотрели детали применения семиканальной светодиодной системы, которую Ранкл использует в Лаборатории освещения контролируемой окружающей среды (CELL), в предыдущей статье и здесь дадим только краткие сведения. Эта система также изображена на обложке этого выпуска. Система (Илл. 3) включает в себя два преобразованных люминофором белых канала, четыре монохромных цветовых канала и ультрафиолетовый (УФ) канал.
Исключать или использовать длину волны?
Ранкл начал свое выступление с рассказа о том, что его магистерские и докторские исследования были сосредоточены на свете и на том, как регулировать свет в теплицах. "В конце 1990-х гг. или примерно в это время светодиоды уже широко использовались, но никто не предполагал, что они так быстро придут в садоводство. Поэтому многие мои исследования были сосредоточены на том, как свет регулировал цветение, и как различные диапазоны волн, когда мы исключили их, регулировали рост и развитие. Сейчас мы делаем почти противоположное. Вместо того чтобы исключать различные диапазоны волн, теперь мы добавляем разные диапазоны. И самое интересное - мы узнаем, что делают разные диапазоны волн, но мы не всегда можем предсказать, как они реагируют друг на друга".
ИЛЛ. 1. Экспонаты, представленные на столах, позволяли посетителям Конференции по садовому освещению увидеть новейшие светодиодные компоненты, использующие такие технологии, как оптика, а также готовые осветительные изделия, разработанные специально для применения в садоводстве.
Ранкл также посетовал, что реальное изучение интенсивности все еще находится на ранней стадии, и исследования до сих пор сосредоточены только на свете, в то время как может быть важно в конечном итоге изучить, как свет взаимодействует с другими параметрами окружающей среды. Он добавил: "Это сыграет большую роль в наших будущих исследованиях".
В начале своего выступления Ранкл продемонстрировал относительно простую диаграмму (Илл. 4), на которой показаны три способа, которыми свет и применение света могут воздействовать на растения. Он описал это воздействие как представление трех величин: Эти величины - количество или интенсивность света, качество света, или спектральное распределение мощности (SPD), а также продолжительность применения света в день, которая часто описывается как фотопериод осветительной системы. В первую очередь, эти величины влияют на биомассу растений, морфологию и цветение, соответственно.
Биомасса растений относится к росту побегов или корней, или толщине стебля. Морфология относится к физической архитектуре растения, такой как высота стебля и количество ветвей. Цветение не требует объяснений, хотя Ранкл отметил, что цели цветения могут быть совершенно разными, например, у декоративных и плодовых растений.
ИЛЛ. 2 С основным докладом выступил Эрик Ранкл (кафедра растениеводства Университета штата Мичиган).
Ранкл заметил, что было бы очень удобно, если бы в ходе исследований эти величины могли рассматриваться как некие бункеры, каждый для получения основного результата, описанного выше. Однако он добавил, что "чем больше мы узнаем об освещении и применении света для растений, тем больше мы понимаем, что все эти факторы взаимодействуют друг с другом". Этот фактор, показанный на диаграмме, усложняет исследования и фактически означает, что у исследователей имеются соответствующие элементы управления для изучения всех величин - отсюда и сложность установки для светодиодного освещения в лаборатории Ранкла.
ФАР и не только
Далее Ранкл рассказал, как растения реагируют на свет в целом, начав с важного обсуждения специфических для садоводства метрик и закончив сложным набором графиков, показанных на Илл. 5. Он отметил: "Естественно, что мы применяем наше собственное понимание восприятия света растениями". Как мы писали уже много раз, это неправильная концепция. Вышеупомянутые графики показывают визуальную реакцию человека на свет, что обозначено как световая эффективность (LE).
На графиках видно, что работа Ранкла вышла за пределы так называемой области фотосинтетически активной радиации (ФАР), которая возможна в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм. Ранкл провел исследование, ориентированное как на УФ область ниже области ФАР, так и на дальнокрасную область выше области ФАР. Он сообщил, что исследования дальнокрасной области находятся на относительно ранней стадии, но такие длины волн влияют на фотосинтез.
ИЛЛ. 3 Лаборатория освещения контролируемой окружающей среды (CELL) Ранкла имеет семиканальную систему светодиодного освещения, разработанную для исследовательской работы компанией Osram. [Фото: Лаборатория CELL Университета штата Мичиган, фото: Qingwu (William) Meng.]
Графики показывают, что растения имеют множество фоторецепторов, которые должны быть нацелены на садовое освещение; после этого началось обсуждение, сосредоточенное на поглощении фитохрома. Существуют два типа фитохромов - один поглощается в красном спектре на верхнем конце диапазона ФАР (PR), а другой поглощается в дальнокрасной области над дипазоном ФАР (PFR). Пики поглощения имеют длину волны 660 и 735 нм соответственно, и Ранкл отметил, что эти рецепторы были найдены у большинства растений. Дальнокрасные фоторецепторы влияют на реакции растений, такие как избегание тени с помощью удлинения стеблей или расширения листьев.
Еще один важный рецептор, или пигмент, найденный во всех растениях, - это криптохром. Пики поглощения для криптохромных рецепторов варьируются в зависимости от культуры, согласно Ранклу, но на графике, который он показал, поглощение криптохрома расположено в основном в синей области, а также в УФ диапазоне. Он добавил, что спектр с длиной волны 450 нм, как правило, обеспечивает хорошую реакцию на криптохром. Наконец, Ранкл заметил, что фоторецепторов гораздо больше, но он сосредоточил свое выступление на синей, красной и дальнокрасной областях, как показано на Илл. 5.
Ранкл сообщил, что преобладание синих, красных и дальнокрасных светодиодов сделало удобным изучение реакций растений на энергию в этих диапазонах. Однако он отклонил идею о том, что зеленый свет неэффективен с точки зрения поглощения хлорофилла. Он показал график приема фотонов в диапазонах от 300 до 800 нм, и только немного больше света отражается или передается в зеленой области по сравнению с синей или красной областями. Большая часть исследования Ранкла сосредоточена на том, какие положительные эффекты могут быть достигнуты с помощью дальнокрасного спектра и каковы последствия включения зеленого спектра в смесь спектров.
Применение и время использования
Ранкл также подчеркнул, что исследования должны учитывать, измеряем ли мы мгновенный эффект фотонов или рассматриваем их долгосрочное применение, и то, как растения реагируют на такое длительное воздействие. Ранкл заметил, что он в основном ориентировался на долгосрочную реакцию.
Он добавил, что общие способы применения садового освещения относятся к одной из трех категорий:
- Фотопериодическое освещение в теплицах или на открытом воздухе для воздействия на конкретное действие, такое как цветение
- Дополнительное освещение в теплицах для увеличения роста и урожайности
- Светодиодное освещение в помещениях, например для вертикальных ферм
Как было показано в простом эксперименте с фотопериодическим освещением в случае цветения, колокольчик декоративный остался в вегетативной стадии с фотопериодом, равным 14 или менее часам освещения. Однако фотопериод, равный 15 или более часам, дал репродуктивное растение, которое цвело. Ранкл описал это конкретное воздействие как очень сильное, но много раз добавлял, что ожидаемое воздействие будет гораздо менее заметно.
ИЛЛ. 4 Три величины света оказывают различное воздействие на растения, однако исследователь также указывает, что существует взаимодействие между этими величинами.
Первоначально большая часть исследований цветения проводилась с лампами накаливания, потому что такие источники производят как красный, так и дальнокрасный спектр, и исследователи подтвердили, что добавление дальнокрасного спектра улучшало цветение. Теперь Ранкл и другие исследователи могут использовать светодиоды для более подробной проверки соотношений красного и дальнокрасного света. Действительно, он заявил, что светодиодное освещение неэффективно для ускорения цветения, если нет дальнокрасного спектра. Для случая исследований с львиным зевом он заявил, что соотношение дальнокрасного и красного спектра, равное 0,6-0,7, обеспечивает наилучшие результаты. Необходимо понять следующее: это соотношение указывает, что для воздействия на цветение требуется большее количество дальнокрасной энергии, чем красной.
Дополнительное светодиодное освещение теплицы
Переходя к дополнительному освещению теплицы, Ранкл сказал, что в основном сейчас можно видеть натриевые лампы высокого давления (HPS), потому что это оборудование очень доступно по цене, хотя он добавил, что использование светодиодов за последние несколько лет увеличилось. Целями таких способов применения являются увеличение урожая для растений типа томатов или получение более толстых стеблей, а также выращивание более качественных декоративных растений.
Наиболее важной метрикой для такого дополнительного освещения является общее количество света, получаемого растением, определяемое как интеграл дневного света (DLI). На простом примере он показал декоративные саженцы, выращенные с использованием величин DLI 6, 10 и 16, измеренных в молях/м2×d. Этот диапазон может соответствовать пасмурному осеннему дню на северо-западе Тихоокеанского побережья США или солнечному дню для более теплого климата. Воздействие более высокой величины DLI приводит к появлению более толстых стеблей и лучшему укоренению - и тем больше вероятность того, что растение сможет пережить транспортировку и пересадку.
Ранкл отметил, что положительное влияние дополнительного освещения неоспоримо. Но это не относится к потребительской стоимости. Садовод должен рассматривать стоимость дополнительного освещения и то, могут ли более быстрые циклы роста и растения лучшего качества оправдать эту стоимость. И здесь нет однозначного ответа. Что касается жизнеспособности светодиодного освещения, то он заметил: "Этот вопрос мне задают довольно часто. Мой ответ - смотря по обстоятельствам. Это не отговорка; вы должны учитывать свои конкретные условия выращивания, производимый урожай, время года, насколько дорогой для вас является электроэнергия и т. д."
Имеет ли значение спектр?
Конечно, ответ на ключевой вопрос - имеет ли значение спектр - может отдать предпочтение светодиодному освещению по сравнению с традиционными источниками. Ранкл сказал, что в испытаниях с петуниями под натриевыми лампами высокого давления и светодиодными лампами, включая различные смеси красного, зеленого и синего спектров в случае со светодиодами, интенсивность имела гораздо большее значение, чем спектр, когда свет находился в диапазоне плотности фотосинтетического фотонного потока (PPFD) 90 мкмоль/м2×с. Однако он добавил, что спектр, по-видимому, имеет большее значение, когда производители используют гораздо более низкую интенсивность.
ИЛЛ. 5 У растений гораздо больше фоторецепторов, чем считалось ранее. График показывает реакцию человеческого зрения, обозначенную как световую эффективность (LE), по отношению к реакции красных (PR) и дальнокрасных (PFR) пигментов фитохрома, а также пигмента криптохрома (CRY), все по отношению к общедоступному монохромному спектру светодиодов.
Наконец, Ранкл обратил внимание на освещение от единственного источника, включая вертикальные фермы. Кроме того, исследования включали более старые работы, а также работы в относительно новой Лаборатории CELL, упомянутой выше. Исследователи протестировали герань с различными комбинациями синих, красных и дальнокрасных светодиодов, а также с вариациями интенсивности каждого из трех светодиодов. Результаты испытаний слишком сложны, чтобы их здесь подробно описывать. Однако с точки зрения здоровья и качества растений дальнокрасный спектр в целом улучшил результаты, и синий спектр также был важен. В последующих испытаниях добавление зеленого спектра оценивалось на салате-латуке. И зеленый, и дальнокрасный спектр увеличивали расширение листьев. Ранкл пришел к выводу, что, хотя оптимальный спектр "очень ситуативен", он может иметь "выраженные эффекты" при использовании единственного источника освещения. Тем не менее, существует спектральное взаимодействие, а также взаимодействие с интенсивностью, которые требуют более тщательного изучения.
Метрики, стандарты и льготы
На конференции прошел ряд очень интересных обсуждений, которые были сосредоточены на метриках, стандартах и новых нормативных документах, которые повлияют на то, сможет ли садовое осветительное оборудование соответствовать требованиям для получения льгот, связанных с преобразованием рынка, например, вычетов за коммунальные услуги. Эксел Пирсон представил полную обновленную информацию о последних работах Консорциума DesignLights (DLC), сосредоточенных на садовом освещении, которые дадут хороший старт для программ получения льгот. Мы рассмотрели эту работу в предыдущей статье и не будем возвращаться к ней здесь.
Разработка стандартов также остается важной и является основой для таких программ, как те, которые реализуются DLC.
Бизнес-модель
Теперь перейдем к бизнес-модели. Несколько докладчиков конференции представили предметные исследования с анализом окупаемости. Во многих случаях светодиоды по-прежнему проигрывают натриевым лампам высокого давления и другим традиционным источникам света, поскольку традиционные источники стоят гораздо меньше, а в некоторых случаях дают большую интенсивность. Однако светодиоды находятся на пути постоянного улучшения.
Даг Оппедал, директор Evergreen Consulting Group, представил одно такое исследование на примере культурного растения, для которого натриевые лампы высокого давления по-прежнему остаются выбором многих производителей. Он изучил помещение для цветения растений при производственном выращивании, и цветение оказалось этапом, на котором требуется наибольшая интенсивность. В исследовании рассматривалось помещение с 218 натриевыми лампами высокого давления мощностью по 1000 Вт по сравнению с тем же количеством светодиодных ламп мощностью по 640 Вт, которые стоили 1200 долларов каждая. В Орегоне такая инвестиция в светодиодное освещение обеспечила бы получение льгот в размере чуть более 100 000 долларов. С учетом льгот окупаемость составляет 2,4 года, и с этого момента инвестиции будут приносить 64 128 долларов в виде дополнительной прибыли каждый год.
Прогнозы в отношении рынка
В конце конференции состоялась одна из самых ожидаемых презентаций дня, с которой выступил Филип Смоллвуд, директор по исследованиям Strategies Unlimited и сопредседатель конференции (Илл. 6). Действительно, один посетитель конференции в конце дня отметил, что ему "понравилось выступление одного парня по имени Филли Смоллвуд". На конференции Смоллвуд представил свои последние исследования рынка по использованию освещения в садоводстве.
ИЛЛ. 6 Филип Смоллвуд заявил, что светодиоды захватят 30-40% рынка тепличного освещения к 2022 г., однако уже к 2020 г. обгонят традиционные источники света.
Прежде всего, Смоллвуд призвал реально оценивать перспективы применения светодиодов, заметив, что, по мнению многих, рынок светодиодного освещения для садоводства через пять лет может вырасти до 8 миллиардов долларов. Он сказал: "Это интересное практическое применение, и оно будет расти, но есть много нюансов, которые необходимо учитывать, делая такие прогнозы". Как заметил Смоллвуд, нужно понять - разные варианты использования будут иметь разные уровни принятия светодиодного освещения, поскольку светодиоды используются по всему миру. Действительно, только география определяет, сколько именно дополнительного освещения может потребоваться.
Кроме того, как он заметил, мы должны помнить, что "это бизнес". Все решения об использовании светодиодов в садоводстве должны основываться на анализе затрат. Поэтому Смоллвуд и его команда учитывают окупаемость своих рыночных прогнозов. Он пояснил, что светодиодное освещение имеет неоспоримые преимущества. Первое - это настраиваемый спектр. И это не обязательно означает настройку во время работы; настройку можно выполнить в процессе изготовления светильников, когда можно будет подобрать набор светодиодов для каждого конкретного случая. Кроме того, длительный срок службы и возможность размещения источников света вблизи растений являются очень большими преимуществами. Вы не можете размещать традиционные источники света в такой близости из-за генерируемого тепла. В заключение он сказал: "Я не сомневаюсь, что светодиоды захватят этот рынок. Вопрос лишь в том, как быстро они это сделают".
Анализ доступного рынка
Исследование Strategies Unlimited основано на анализе доступного рынка, который, в конечном счете, является результатом потенциальных способов применения садового освещения. Например, Смоллвуд сообщил, что сегодня все теплицы в мире занимают площадь в 55 миллиардов кв. футов. Но только менее 1% от этого количества теплиц используют дополнительное освещение. Регионы вблизи экватора не нуждаются в дополнительном освещении, а экономически бедные регионы просто не могут себе этого позволить.
Конечно, такие регионы, как Северная Америка и Западная Европа, могут позволить себе теплицы и дополнительное освещение. Смоллвуд заметил, что общая установленная база теплиц в США составляет около 1,5 млрд. кв. футов, и что только 10-15% этой площади используют дополнительное освещение, включая фермы по выращиванию декоративных растений и овощей. Западная Европа имеет более обширную базу - около 20 млрд. кв. футов, и около 10% теплиц используют дополнительное освещение.
Сегодня проникновение светодиодов на фермы по выращиванию декоративных растений и овощей остается очень низким. Однако Смоллвуд заметил, что он рассматривает это как положительный момент, поскольку это дает возможность развития для светодиодов. Мировой рынок теплиц в настоящее время достигает 4 млрд. долларов, и он увеличится до 8 млрд. долларов к 2022 г. Светодиодное освещение будет отвечать за большую часть этого роста, и его доля к 2022 г. увеличится до 30-40% от установленной базы.
Что касается вертикальных ферм, то этот рынок будет обслуживаться почти исключительно светодиодами. Этот способ применения будет обслуживать большое количество населения с ограниченными пахотными землями. Однако затраты являются высокими. Смоллвуд заявил, что более 56% затрат на вертикальные фермы приходится на оплату труда. Большинство существующих вертикальных ферм не являются прибыльными; согласно данным Смоллвуда, теплицам, ставшим прибыльными, понадобилось для этого в среднем семь лет. Он заметил: "Это медленно движущийся рынок, к нему есть большой интерес, но он еще не сформировался". Кроме того, он добавил, что рынок освещения для вертикальных ферм достигнет более 350 млн. долларов к 2022 г.