Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 2/2017 vyšlo tiskem
17. 3. 2017. V elektronické verzi na webu bude ihned.

Veletrhy a výstavy
Inspirativní osvětlení ze zahraničních veletrhů 

Příslušenství osvětlovacích soustav
Na osvětlení provozu lze šetřit s minimem investic
Maxos fusion – nový rychlomontážní systém Philips
Inteligentní řešení DALISYS® pro řízení osvětlení

Aktuality

Vše pro stavbu a interiér najdou návštěvníci na březnovém souboru veletrhů Stovky českých i zahraničních společností se představí na největším jarním souboru…

Startuje 9. ročník největší tuzemské ekologické soutěže Odstartoval již 9. ročník největší tuzemské ekologické soutěže E.ON Energy Globe.…

Festival světla BLIK BLIK opět rozsvítí Plzeň Třetí ročník plzeňského festivalu Blik Blik se chystá na pátek 17. a sobotu 18. března.…

Kurz osvětlovací techniky XXXIII – 1. oznámení Česká společnost pro osvětlování, regionální skupina Ostrava, a VŠB – Technická…

Více aktualit

Osvětlení z pohledu rostlin

Ing. Luděk, Hladký, Ph.D.,
Philips ČR s. r. o., divize Lighting OEM
 
Bez rostlin by nebylo života na Zemi, bez světla by nebylo rostlin. Rostliny sto­jí na počátku potravního řetězce a pro­dukují organické látky a kyslík, a tím umožňují život dalších živých organismů. Rostliny využívají světlo absorbované lis­tovými pigmenty jako důležitý zdroj ener­gie při fotochemických procesech. Tyto procesy podporují např. fotoperiodické aktivity rostlin, ovlivňující indukci a kve­tení rostlin, morfologické aktivity, ovliv­ňující tvar a celkovou stavbu rostlin. Nej­důležitějším energetickým procesem je fo­tosyntéza (obr. 1), která využívá světelné záření ke konverzi CO2 a vody na sacha­ridy a následně na další látky (asimiláty), které společně tvoří stavební kameny rost­linných tkání. Proces fotosyntézy lze pre­zentovat následovně:
 
n(6 CO2+ 6 H2O) + světlo → Cn(H2O)n+ 6 O2
 
Rostliny získávají světelnou energii prostřednictvím světelných kvant, foto­nů. Fotony jsou pohlcovány především chlorofylem, ale i jinými pigmenty. Kaž­dý foton vždy uvolní jeden energeticky bohatý elektron, který vstupuje do vlast­ních biochemických procesů. Tyto proce­sy jsou buď anabolické – spojené s výstav­bou látek (fotosyntéza), nebo katabolické – související s odbouráváním a rozkladem látek (dýchání). Fotosyntéza má dvě fáze, jedna probíhá na světle a druhá bez pří­stupu světla; jde o tzv. Calvinův cyklus. Rychlost fotosyntézy (Pn) charakterizu­je intenzitu nárůstu zelené hmoty rostlin a je vyjadřována jako schopnost vstřebá­vání molekul CO2 na jednotku plochy lis­tu za sekundu (mmol CO2·m–2·s–1).
 
Nejdůležitějšími faktory pro zdárný růst rostlin jsou především:
  • světlo,
  • CO2,
  • teplota, popř. vlhkost vzduchu,
  • teplota půdy,
  • obsah vody v půdě,
  • živiny.
V praxi jsou všechny tyto faktory pro růst rostlin více méně rovnocenně důle­žité. Avšak je-li limitujícím faktorem při­rozené denní světlo, je velmi omezena i optimalizace ostatních faktorů. Použi­tím doplňkového osvětlení pro podporu růstu rostlin mohou být tedy optimalizo­vány i ostatní limitující faktory. Umělé osvětlení lze využít především v zahrad­nictví k stimulaci růstu rostlin a tvorbu květů a plodů. Doplňkové umělé osvět­lení, které se využívá k prodloužení při­rozeného denního osvětlení, se nazývá asimilační. Příklad ročního provozu asi­milačního osvětlení je uveden na obr. 2. Asimilační osvětlovací soustavy umožňu­jí především:
  • zvýšit úrodu,
  • prodloužit dobu produkce plodin,
  • zlepšit kvalitu,
  • zlepšit řízení a plánování produkce,
  • zajistit spolehlivou a pravidelnou do­dávku zemědělských produktů.
Umělé osvětlení se využívá také jako úplná náhrada přirozeného denního osvětlení v růstových komorách, jde o tzv. kultivační osvětlení.
 
Značně rozšířeno je i fotoperiodic­ké osvětlování rostlin, které reguluje dobu kvetení a umožňuje indukci květů dlouhodenních rostlin (např. karafiátů) i v zimním období. Oproti asimilačnímu osvětlení je fotoperiodické osvětlení ener­geticky podstatně méně náročné, potřeb­né intenzity osvětlení jsou řádově deset- až patnáctkrát nižší. U některých rostlin není třeba k vytvoření fotoperiodického efektu ani plynulé několikahodinové při­světlování, ale postačuje jen krátkodobé přerušování tmy v noční době.
 

Fotosynteticky aktivní záření

 
Spektrum slunečního záření, které pro­stupuje atmosférou na zemský povrch, obsahuje především širokou oblast op­tického záření, která zahrnuje ultrafia­lové záření (o vlnových délkách 300 až 380 nm), viditelné záření (380 až 780 nm)a infračervené záření (780 až asi 3 000 nm). Viditelné záření, zhodnocené citlivostí lidského oka, se nazývá světlo. Část spek­trální oblasti viditelného záření v oblasti vlnových délek 400 až 700 nm je defino­vána jako fotosynteticky aktivní záření (FAR).
 
Veškeré záření ze slun­ce (je to přímé sluneční záření a rozptýlené záření oblohy) se označuje jako globální záření (měří se na vodorovné ploše). Po­díl fotosynteticky aktivní­ho záření je 45 % z hodno­ty globálního záření. Při posuzování vlivu sluneč­ního záření ve skleníku je ovšem třeba počítat s tím, že vlivem odrazu a absorp­ce skleníkové konstrukce vstupuje do skleníku v zá­vislosti na ročním obdo­bí a použitém materiálu zasklení pouze 65 až 80 % energie, kte­rá dopadá na vnější konstrukci skleníku.
 
Fotosynteticky aktivní záření se hod­notí buď energetickými nebo kvantovými (fotonovými) jednotkami. Energetickou jednotkou toku FAR je watt (W FAR), jednotkou intenzity ozáření je W·m–2FAR, jednotkou dávky ozáření je W·h·m–2FAR. Fotonové jednotky jsou: pro fotonový tok zpravidla mmol·s–1, pro intenzitu ozáře­ní mmol·s–1·m–2, pro (zpravidla denní) dávku ozáření mol·m–2. Fotonové jednot­ky jsou závislé na vlnové délce záření (l).
 
Vzájemný vztah mezi energetickými a fotonovými jednotkami je následující:
 
1 mmol·s–1 = 119,64/l           (W)
 
Vzhledem k závislosti tohoto vztahu na vlnové délce je poměr obou jednotek závislý na spektrálním složení záření, a je tedy pro každý zdroj jiný. Početně se sta­novuje z emisních spekter uvažovaných zdrojů. V obvyklých případech platí, že:
 
1 mmol·m–2·s–1 = 0,20 – 0,24 W·m–2
 

Měření intenzity ozáření

 
Globální záření slunce se měří pyra­nometry ve spektrálním rozsahu 300 až 3 000 nm nebo solarimetry, jejichž spek­trální rozsah zpravidla bývá užší. Pokud se měří pyranometrem, lze stanovit i hod­notu intenzity FAR.
 
Měření viditelného záření (světla) lux­metry je založeno na spektrální citlivosti lidského oka a není dobrým identifikáto­rem pro optimální růst rostlin. Spektrální citlivost rostlin je totiž odlišná, větší citli­vost se projevuje v krajních oblastech vi­ditelného spektra, v „modré“ (s maximem asi 450 nm) a „červené“ (s maximem asi 660 nm), viz obr. 3. Fotosyntéza je účin­nější v červené oblasti spektra, které sti­muluje kvantitativní nárůst rostliny. Nao­pak modrá část spektra značně ovlivňuje morfologické vlastnosti, zabraňuje příliš­nému vytahování rostlin do výšky, pod­poruje odnožování a množství listů, a tím zajišťuje kvalitní růst rostlin.
Různé způsoby měření energie záření při produkci rostlin jsou uvedeny v tab. 1.
 

Intenzita a celkové množství FAR

 
Nejvýznamnější parametry fotosynte­ticky aktivního záření jsou:
  • intenzita FAR (fotonová ozářenost) (μmol·m–2·s–1),
  • dávka FAR (mol·m–2).
Intenzita FAR určuje rychlost fotosyn­tézy (absorpci CO2). Účinnost fotosyn­tézy je vyšší při malých úrovních ozáření a s rostoucí intenzitou fotosynteticky ak­tivního ozáření se účinnost snižuje. V ur­čitém bodě je rychlost fotosyntézy ome­zována a dosahuje saturační úrovně; viz reakční křivka fotosyntézy (Pn) na obr. 4. Vzájemný vztah mezi intenzitou FAR a fo­tosyntézou je závislý především na dru­hu rostlin, vývojovém stadiu a celkových podmínkách růstu. Velmi důležitý je svě­telný kompenzační bod, který stanovuje mezní intenzitu ozáření, při které asimi­lační produkty ještě přispívají k nárůstu rostlinné hmoty. Při nižších hodnotách ozáření rostliny sice asimilují, ale asimi­lát je zároveň odbouráván dýcháním rost­lin. Při doplňkovém osvětlování zpravidla dvoj- až trojnásobek této hodnoty udává doporučenou intenzitu ozáření, která je směrodatná pro výpočet potřeného výko­nu asimilačních svítidel a která zároveň určuje dobu jejich zapínání nebo vypí­nání. Svítidla jsou v provozu tehdy, když intenzita globálního slunečního záření uvnitř skleníku je nižší než doporučená hodnota. Pro rostliny se středními poža­davky na světlo (40 až 50 mmol·m–2·s–1), tj. v rozmezí 20 až 25 W·m–2, pro rostli­ny s vysokými požadavky na světlo (ze­lenina, rajčata, salát, 150 mmol·m–2·s–1), tj. asi 75 W·m–2. Doporučené hodno­ty intenzit ozáření pro různé rostliny jsou např. na www.dhlicht.de, Lichtemp­fehlungen. Je třeba upozornit, že tyto hodnoty platí pro rostliny ve sklenících nebo růstových komorách. K osvětlová­ní okrasných rostlin v bytových nebo pra­covních interiérech se volí hodnoty nižší.
 
Světelnětechnické výpočty osvětlova­cích soustav se běžně provádějí fotome­trickými jednotkami. Intenzita osvětlení se udává v luxech (lx). Proto je užiteč­né pro jednotlivé světelné zdroje uvá­dět přepočítávací koeficienty. Napří­klad pro výbojku Green Power 600 W platí, že intenzita osvětlení 1 000 lx od­povídá fotonové inten­zitě 13,1 mmol·m–2·s–1. Pro lineární zářivky TL a pro kompaktní zá­řivky CFLI je to 13 až 14 mmol·m–2·s–1.
 
Intenzita ozáření FAR je důležitá pro rychlost fotosyntézy, ale pro cel­kové množství nárůstu rostlinné hmoty je důleži­té celkové množství, den­ní dávka FAR. Tato dáv­ka pro jednotlivé rostliny se ale v dostupných mate­riálech obvykle neuvádí, místo ní se udává denní doba přisvětlování.
 

Důležité aspekty zohledňující návrh dodatečného osvětlení

 
  • Doplňkové osvětlení ge­neruje též infračervené zá­ření a ztrátové teplo před­řadných přístrojů, které vytváří uvnitř skleníku pří­davnou tepelnou zátěž. Speciální výbojové světelné zdroje pro zahradnictví, jako jsou Master GreenPower nebo Master GreenVision, mají nejvyšší účinnost systému ve stěžejních oblastech viditelného spektra, a proto i osvětlovací soustava vybavená těmito světelnými zdroji má nejnižší přídavné tepelné zatížení prostoru skleníku.
  • V případě, že nadměrné světlo je emi­továno mimo prostor skleníku, může osvětlovací soustava způsobovat rušivé světlo, které se v posledních několika letech stalo environmentálním a soci­álním problémem. Například nizozem­ská legislativa předepisuje případy, kdy vyzařování světla musí být plně omezeno. To v dnešních sklenících zpravidla není problém, pro­tože ty mají nad svítidly stí­nicí a tepelněizolační clony, které jsou v době ozařování rozvinuty. Clony jsou pro­tkány lesklými hliníkovými proužky, které infračervené záření i světlo odrážejí zpět do rostlinného porostu. Tím se šetří energie pro vytápění a odražené světlo se využije opět k růstu rostlin. Přídav­ná tepelná zátěž od svítidel se využije při vytápění skle­níku, takže se ušetří náklady na topení.
  • Během provozu se výkon světelného systému snižuje, což snižuje úroveň osvětlení rostlin. Proto je důležité při vypracovávání ná­vrhu osvětlovací soustavy volit správ­ný udržovací činitel.

Světelné zdroje a osvětlení

 
V osvětlovacích soustavách asimilač­ního osvětlení bývají používány běž­né vysokotlaké sodíkové nebo haloge­nidové výbojky. Výhodnější z hlediska provozních nákladů je využít speciální světelné zdroje vyzařující ve stěžejních oblastech spektra. Výrazně se tím sníží instalovaný příkon soustavy v porovná­ní s běžnými typy výbojek při zachová­ní stejné produkce plodin. Je-li uvažo­vána osvětlovací soustava s výbojkou Master GreenPower, která zajišťuje in­tezitu FAR 120 μmol·m–2·s–1, lze ušetřit 35 W/m2 instalovaného výkonu ve srov­nání s konvenční halogenidovou výboj­kou HPI-T.
 
Mezi speciální světelné zdroje v sou­stavách asimilačního osvětlení se řadí spe­ciální vysokotlaká sodíková výbojka Mas­ter GreenPower v příkonové řadě 400, 600 a 1 000 W, kterou lze provozovat s kon­venčním nebo elektronickým předřadní­kem. Tyto světelné zdroje jsou dostupné i pro jmenovité sdružené napětí 400 V, což navíc umožňuje minimalizovat výkonové ztráty ve vedení a uspořit materiál na roz­vod elektrické energie.
 
Ve srovnání s prvním produktovým „speciálem“ – vysokotlakou sodíkovou výbojkou SON-T Agro, vyzařující pře­devším ve žluté oblasti spektra, účinnost fotosynteticky aktivního záření vzrost­la o 7 %.
 
Pro fotoperiodické osvětlení se vyu­žívají zpravidla zdroje, jež lze snadno řídit, a tak zajistit rychlý náběh plné­ho světelného toku. Jsou to především lineární a kompaktní zářivky. Novin­kou určenou pro tento účel je světel­ný zdroj na bázi světelných diod LED Flowering.
 
V růstových komorách, které jsou zpra­vidla bez přístupu denního světla, se vyu­žívají halogenidové výbojky HPI-T Plus 400W nebo lineární zářivky TL-D Re­flex s jednostrannou reflexní plochou pro efektivní směrování světelného toku. V poslední době jsou stále častěji využí­vána LED svítidla, která vykazují dlou­hou životnost, umožňují změnit teplotu chromatičnosti, řídit odvod tepla, spořit místo, zlepšovat účinnost optického sys­tému zajišťující rovnoměrnou distribuci světelného toku. K osvětlení vícevrstvé kultivace v regálech jsou určeny lineární LED moduly GreenPower (obr. 5) nebo řetězce světelných diod LED String Gre­enPower s garantovaným servisním živo­tem 50 000 h.
 

Závěr

 
Díky využití doplňkového osvětlení skleníků lze lépe naplánovat období skliz­ně i množství úrody, a tím i dodávku pěs­tovaných produktů k zákazníkovi. Na zá­věr jeden příklad z Nizozemí: při intenzitě FAR 200 μmol·m–2·s–1 (odpovídá osvět­lenosti 15 klx) se úroda rajčat, která jsou vysázena v říjnu, zvyšuje o více než 30 %; při stejných podmínkách produkce růží vzroste až třikrát.
 
Literatura a odkazy:
[1] Growing your profits. Storybook Horticul­ture Lighting, Philips, 2007.
[2] Gartenbeleuchtung – Lichtrezepte. Do­stupné z www.philips.com/horti.
[3] Procházka, S. at al.: Fyziologie rostlin. Aca­demica, Praha, 1998.
 
Recenze: Ing. Petr Hutla, CSc., Výzkumný ústav zemědělské techniky, v. v. i., Praha
 
Obr. 1. Proces fotosyntézy
Obr. 2. Využití do­plňkového osvětlení během ročního období při pěstování rajčat
Obr. 3. Spektrální citlivost lidského oka versus rostlin
Obr. 4. Příklad závislosti fotosyntézy na intenzitě FAR (mě­řeno v jednom bodě na rajčatovém listu během zimního období)
Obr. 5. LED modul Green Power
 

Tab. 1. Různé způsoby měření intenzity záření