Изучаем характеристики LED-ламп для домашней сити-фермы

Привет! В прошлой статье я довольно детально рассказал о наиболее удобных, на мой взгляд, параметрах, с помощью которых можно составить представление о характеристиках светодиодных фитоламп: PPFD и DLI. Но трудность в том, что понятность информации для пользователя в этом случае реализуется за счёт дополнительной работы производителя. Чтобы предоставить вам PAR-карту, причём подробную и с замерами на разной высоте, кому-то нужно будет провести измерения с помощью спектрорадиометра и затем перенести их в графический вид.

Прибор этот не то чтобы совсем редкий, но довольно дорогой. В премиальном сегменте обычно нет проблем с получением PAR-карты. А вот среди бюджетных моделей (тем более кустарных, даже очень качественных) вы вряд ли найдете ту, к описанию которой будут прилагаться замеры PPFD. Поэтому в этот раз давайте поговорим обо всех остальных характеристиках LED для растений.

Мощность, измеряемая в ваттах (Вт, W) — наиболее распространенная характеристика любых ламп для растений, в том числе, светодиодных. Иногда она даже бывает единственным указанным параметром, влияющим на эффективность освещения. Но есть нюанс: мощность — очень необъективный фактор.

Для начала неплохо бы знать, о какой мощности идёт речь: номинальной или потребляемой. Да, они могут отличаться, причём значительно. Продавец может рассчитывать номинальную мощность, исходя из того, сколько ватт указано в паспорте единичного диода, из множества которых состоит панель.

В принципе, всё логично. Соединяем 200 диодов по 0,5 W и получаем LED 100 W, но… нет. В большинстве случаев даже максимальная мощность светильника не подразумевает подачу предельной нагрузки на каждый элемент. В итоге лампа на самом деле может использовать гораздо меньше энергии. И да, обычно всё это верно для потребляемой мощности, т.е. того количества электроэнергии, которое будет расходоваться на работу осветительного прибора. Это вовсе не мощность светового излучения, которая также измеряется в ваттах (ведь это тоже энергия). Да, светодиодные лампы демонстрируют до 95% КПД в плане преобразования электрической энергии в световую, но часть потребляемого электричества всё равно превращается в тепло.

Реальный КПД LED-лампы для растений напрямую определяется качеством сборки, охлаждения и использованных компонентов. Отчасти поэтому так сильно отличается их цена. Другой важный момент — не весь свет одинаково полезен для фотосинтеза, а светодиодные чипы разного спектра значительно отличаются по мощности в силу физических особенностей. 

Более наглядный способ измерения светового излучения. Для большинства бытовых ламп он измеряется в люменах (лм, lm). Не буду объяснять, что такое 1 люмен (это довольно сложно), но приведу пример: обычная бытовая светодиодная лампа излучает примерно 1000 люменов. 

Важно! Этот параметр касается всего светового потока, излучаемого лампой во все стороны. Грубо говоря, он показывает, насколько ярко она светит. При выращивании растений нам важна только та часть световой энергии, которую получают растения, т.е. освещенность. Для её измерения существует другая единица измерения — люксы (лк, lx). Число люксов показывает, сколько люменов облучает 1 кв. метр площади.

1 lx = 1 lm/m², при условии узконаправленного потока шириной в 1 кв. м

Люмены и люксы хорошо подходят при выборе бытового освещения для людских нужд. Это наглядные характеристики, ориентированные на то, чтобы дать пользователю представление о воспринимаемой яркости различных ламп. Но они плохо подходят для растений. Дело в том, что такой способ измерения светового потока не учитывает содержание полезных именно для фотосинтеза частиц света.

Тем не менее вы можете использовать люксы для сравнения различных светодиодных ламп друг с другом и с желаемыми условиями освещённости. Есть даже таблицы, содержащие сведения о предпочтительном уровне яркости в люксах для различных культур. Это не объективно с точки зрения точной светотехники, но допустимо. А работать с люксами и люменами достаточно просто. Люксметр стоит значительно дешевле, чем спектрорадиометр. 

Вы даже можете скачать на свой телефон приложение Люксметр, чтобы поиграть с этим без дополнительных затрат. Датчики яркости в современных смартфонах способы относительно качественно измерять уровень освещенности, и есть софт, который отображает эти значения в люксах. Конечно, это не даст точного результата, но позволит составить первичное представление о яркости различных ламп. Такую функцию также можно использовать для настройки мощности освещения на различных стадиях роста.

Как же тогда узнать, сколько полезного света получают растения? Для этого был придуман другой параметр, который также измеряет световой поток, но уже не весь, а только попадающий в диапазон PAR (фотосинтетически активной радиации). Он так и называется — фотосинтетический поток фотонов, от английского Photosynthetic Photon Flux (PPF).

Этот параметр основан не на воспринимаемой яркости (как люмен), а на количестве частиц (фотонов) света. Поскольку фотоны невероятно малы и многочисленны, то вместо десятизначных и более обозначений ученые используют число моль (mol). Поскольку 1 моль света это довольно много, чаще в обиходе встречается микромоль (ммоль) 

1 моль = 6*10²³ фотонов

1 ммоль (umol) = 6*10¹⁶ фотонов

Поскольку PPF — количественно-временная характеристика, она измеряется в мкмоль/сек. Большой и мощный (порядка 500 Вт) LED-фитосветильник излучает около 1500 ммоль ежесекундно. Но, также как и в случае с люменами, этот параметр не очень наглядный, поскольку отображает весь поток, излучаемый лампой. А для выращивания растений нам нужно понимать, сколько света эти самые растения получают.

Это подводит нас к параметру PPFD, о котором я рассказывал в предыдущей статье. По сути, он является приложением PPF к конкретной площади. Измеряется в микромолях на квадратный метр в секунду (ммоль/м²/сек). Следующее изображение наглядно демонстрирует разницу между этими двумя характеристиками. 

PPFD и PPF соотносятся друг с другом примерно так же, как люксы и люмены, но являются более точными параметрами для сравнения фитосветильников, поскольку отражают не яркость, а реальное количество полезных для фотосинтеза фотонов.

Когда вы сравниваете разные лампы по количеству света, облучающего поверхность под ними (в данном случае не имеет значения, в люксах или PPFD) важно не забывать о том, что световой поток рассеивается по мере увеличения расстояния от источника света. Т.е. чем выше лампа, тем ниже значения. Если в описании устройства вы видите только значение в lux или в ммоль/м²/сек, то необходимо узнать у продавца, на каком расстоянии проводились замеры. 

В принципе, это можно вычислить, исходя из данных о световом потоке, но дополнительно потребуется знать хотя бы угол рассеивания лампы. Но полученные данные будут очень приблизительными. Для повышения объективности измерений также важно учитывать коэффициент светоотражения от стен гроубокса. Качественное светоотражающее покрытие позволяет заметно повысить PPFD.

Под эффективностью обычно понимается соотношение светового потока к затраченной на его излучение электроэнергии. Т.е. либо lm/W, либо PPF/W. Поскольку эффективность — это уже более сложная и профессиональная характеристика, то обычно встречается именно второй вариант.

Этот параметр обозначается аббревиатурой PPE и отражает количество микромолей фотонов PAR, полученных с 1 джоуля (Дж) электроэнергии. 

Казалось бы, идеальная характеристика. Допустим, одна лампа синтезирует 2 мкмоль/Дж, а другая 3 мкмоль/Дж. Значит, последняя на 50% эффективнее использует вашу электроэнергию — всё просто? К сожалению, нет. PPE действительно помогает сравнить два прибора и понять, какой из них эффективнее. Но это даст лишь примерные представления, а не точные данные. 

Всё дело в том, что PPE учитывает только фотоны PAR-спектра. Однако дальний красный (FR), инфракрасный (IR) и ультрафиолетовый (UV) свет также оказывают положительное влияние на развитие растений, хоть и не становятся «топливом» для фотосинтеза непосредственно. Различные эксперименты (например, этот) наглядно демонстрируют, что фитолампа с более низким показателем PPE и расширенным FR-спектром может дать значительно лучший результат, чем более «эффективная» лампа, работающая только в диапазоне PAR. 

Ещё один важный момент при сравнении PPE различных фитоламп — красные светодиоды практически всегда демонстрируют большую эффективность в силу физических особенностей и разной длины волны светового излучения. Поэтому некоторые недобросовестные производители собирают лампы, в которых до 90% диодов будут именно красными. 

В итоге получаются очень привлекательные значения PPE, совершенно не гарантирующие хороший результат. Такие светильники могут быть очень хороши во время цветения, но не подходят для полного цикла. Синий свет очень важен для развития листвы, с помощью которой растения и поглощают световые фотоны.

При рассмотрении эффективности с использованием люменов, этот параметр обычно называют светоотдачей, выражаемой в лм/Вт.

Разработка светодиодных фитоламп, как правило, относится к модульной электронике. Это значит, что большинство производителей не создают всё с нуля, а используют различные готовые элементы, из которых собирается новый товар. В частности, речь идёт про главный компонент LED-освещения — светодиоды. Вернее даже светодиодные чипы, поскольку от обычных индикаторных светодиодов эти устройства отличаются кардинально.

Во многом от качества светодиодных чипов зависит эффективность LED-панели. Они сильно отличаются по светоотдаче, мощности и спектру излучаемого света. Существует немало производителей этих компонентов, известных и не очень. Вот несколько наиболее авторитетных компаний, разрабатывающих светодиодные чипы: Philips Lumileds, Samsung, Cree, Osram.

У каждой фирмы есть различные по характеристикам модели чипов. Прогресс не стоит на месте, поэтому год от года появляются как принципиально новые линейки, так и доработанные версии старых. Разумеется, у этой тенденции есть и обратная сторона. Как и в любой другой технической отрасли, нередко бывает такое, что производитель просто перевыпускает старую версию с незначительными улучшениями и завышенным ценником.

О реальных различиях между топовыми моделями LED-чипов можно написать отдельную статью. Это большая тема, требующая достаточного времени и внимания. Просто запомните, что зачастую самые свежие модели далеко не лучшие по соотношению цена/качество. Если выбор стоит между двумя лампами, в каждой из которых основу составляют определенные диоды, то стоит поискать их сравнение друг с другом.

Также, как я уже говорил, эффективность лампы определяется не только моделями использованных светодиодов, но и качеством их подключения, охлаждения и питания. 

Думаю, уже понятно, что ни одна из перечисленных мной характеристик не дает полного объективного представления о том, какая лампа лучше. Но неужели нет никакого параметра, который бы давал нам понять, на что ориентироваться? На самом деле, есть, хотя с ним тоже не все так просто.

По какому признаку можно судить об успешности садоводческой деятельности? Как вариант, по количеству урожая. При прочих равных условиях, объём собранного продукта будет зависеть от яркости и качества фитосвета. Соотношение массы урожая к затраченной электроэнергии называется эффективностью роста. Это нерегламентированный параметр без специального обозначения.

Эффективность роста измеряется в грамм/кВт*ч. 

Пожалуй, это наиболее понятная и доступная для сити-фермера характеристика. Она отвечает на вопрос «как много урожая я соберу, и сколько это потребует электроэнергии». Отлично. Если бы производители осветительных приборов указывали такой параметр, было бы очень просто проводить сравнение. 

Проблема в том, что для достижения объективности должно быть учтено очень много сопутствующих факторов. На конечный результат оказывают влияние генетика растения, размеры и материал бокса, внешние условия, субстрат и многое другое. И, конечно, для каждой культуры эффективность роста будет значительно отличаться.

В Сети можно найти информацию о сравнении объёмов урожая под разными лампами для конкретной культуры. Но далеко не для всех растений и, тем более, фитоламп. Для создания объективной базы знаний по этому вопросу нужно провести просто колоссальную работу. 

У LED-ламп есть много различных параметров, которые в той или иной мере отражают их эффективность при выращивании растений. Полезный для фотосинтеза свет можно измерять разными способами. К сожалению, на сегодняшний день ни один из них не является абсолютно точным и объективным.

Качество света для растений зависит от многих факторов. Даже измерение объема фотосинтетически активного излучения не дает полного представления об эффективности лампы, поскольку свет вне диапазона PAR также полезен, а различные по цвету диоды внутри этого спектра демонстрируют разные показатели.

Для подбора фитолампы под конкретные условия и культуру я рекомендую вам читать гроу-репорты других садоводов и сити-фермеров. Смотрите, какие лампы используют они, какой в итоге урожай собирают. Фиксируйте все сопутствующие факторы. Это поможет вам составить более реалистичное представление о различиях между осветительными приборами. 

Составление графика освещения на основе потребностей растений в ежедневном освещении (DLI) и выбор тех ламп, которые могут обеспечить нужный уровень PPFD — тоже хороший и рабочий вариант. Да, это не даст полного представления о том, сколько урожая вы соберете в итоге. Но этого вам не покажет и никакой другой параметр, кроме собственного личного опыта. 

В следующей статье мы рассмотрим несколько различных LED-светильников для растений под разный бюджет и условия.

Читайте также:

Автоматизация своими руками: как сделать автополив для растений

Гидропоника в домашних условиях: с чего начать

Метрика фитосвета