Новые стратегии LED-освещения повышают эффективность вертикального земледелия

Исследователи из Университета Пердью разработали две простые стратегии LED-освещения для увеличения урожайности и снижения энергозатрат в секторе вертикальных ферм.

Стратегии ближнего освещения и фокусированного освещения, разработанные аспиранткой Фатеме Шейбани и профессором Кэри Митчеллом, используют особые свойства светодиодов.

"Они относительно холодные на излучающей поверхности, в отличие от других источников света", — отмечает Шейбани. Это позволяет размещать светильники ближе к растениям без риска ожога. Кроме того, светодиоды управляются током, а не напряжением, как многие энергоемкие источники света.

Работа ведется в рамках проекта OptimIA (Optimizing Indoor Agriculture), возглавляемого Университетом штата Мичиган.

Вертикальное земледелие использует LED-освещение как единственный источник света. Это самый быстрорастущий сектор агропромышленности в контролируемых условиях. США являются мировым лидером отрасли, однако трудозатраты и стоимость энергии составляют около 60% расходов на содержание фермы, что угрожает будущему стартапов. Высоки и стартовые затраты, особенно на землю в городах и установку LED-систем.

Стратегия ближнего освещения позволяет либо снизить энергопотребление при сохранении урожайности, либо повысить урожайность при прежнем энергопотреблении. Светодиоды, как и солнце, светят во всех направлениях. При стандартном расстоянии до растений значительная часть света под широкими углами проходит мимо. Уменьшение расстояния позволяет растениям поглощать свет, который иначе был бы потрачен впустую.

Сегодня вертикальные фермы могут экономически оправданно выращивать в основном листовую зелень и кулинарные травы из-за их быстрого роста и множества циклов в год. В городских магазинах такая продукция может стоить $16–17 за фунт.

LED-светильники выбраны для вертикальных ферм из-за энергоэффективности, долгого срока службы и высокой фотонной эффективности — способности преобразовывать электричество в свет, полезный для растений. Однако неэффективный захват света снижает эти преимущества. Исследователи заметили, что свет падает не только на растения, но и на стены и проходы. Уменьшение расстояния между светильником и листовым пологом позволило сократить эти потери.

"Мы можем улучшить эффективность захвата фотонов пологом — долю фотонов, достигающих фотосинтезирующего аппарата растений", — говорит Шейбани.

Эффективность измеряется соотношением роста растений к потребляемой светильниками энергии (энергоиспользующая эффективность): граммы свежей или сухой биомассы на киловатт-час. Чем выше этот показатель, тем лучше. В обоих сценариях, протестированных в Пердью, наименьшее расстояние показало наивысшую энергоиспользующую эффективность.

Также тестируется стратегия фокусированного освещения с помощью специальной LED-системы с выборочным управлением. Она решает проблему, когда маленькие, далеко посаженные растения (например, всходы) неэффективно используют свет полного покрытия.

"Пока они смыкаются в полог, проходит две недели. Весь свет между растениями до этого момента — это в основном потери", — объясняет Митчелл.

Система минимизирует эти потери. На ранних стадиях роста используется энергосберегающее фокусированное освещение. "Когда растения достигают стадии, на которой могут эффективно использовать свет, мы можем перейти к обеспечению оптимального количества освещения", — говорит Шейбани.