Светодиоды или «Натрий»?

Что такое теплицы без светокультуры? Это урожайность в среднем до 50 кг/м2 в течение года. При этом производство зимой простаивает, а владелец несет расходы на обогрев теплицы, зарплаты сотрудникам и многое другое.

Все поменялось с появлением натриевых ламп высокого давления (НЛВД). Цикл выращивания стал круглогодичным. Добавилось всего 3 месяца работы, а урожайность выросла до 140-150 кг/м2. Предприятия стали зарабатывать на реализации востребованных овощей зимой, доходность отрасли повысилась.

Дела могли бы обстоять еще лучше, если бы энергозатраты не увеличивались. На предприятии со светокультурой они выше примерно в 60-100 раз. Если в традиционных теплицах с кратковременным электрическим освещением в рассадных отделениях расходуется (60÷70)∙103 кВт/ч на 1 га, то со светокультурой – до (40÷70)∙10⁵ кВт/ч. А мы помним, что доля затрат на электроэнергию в себестоимости тепличной продукции – 30-50%. Из-за этого вопрос энергоэффективности становится насущным.

Светодиоды – решение проблемы?

Согласно подсчетам ВНИСИ, все теплицы в России потребляют 7,6 млрд кВт/ч в год. Но если заменить все натриевые лампы ДнаТ на светодиодные (СД), то электроэнергии может быть сэкономлено на 3 млрд кВт/ч за год. Для сравнения: Новосибирская ГЭС за тот же год генерирует 2,3 млрд кВт/ч.

Такой потенциал в энергосбережении соблазняет производителей в зарубежных странах – они охотно устанавливают в теплицах светодиодное освещение. К сожалению, этого нельзя сказать о российских производителях. У нас внедрение СД происходит в разы медленнее – по ряду причин.

Особенности национальной светокультуры

В России светодиоды дороже, чем за границей. Если сравнивать цены за рубежом на натриевое освещение с ценами на СД, то там разница в стоимости составляет 250%. А в России – 450%. Добавим к этому дешевую электроэнергию у нас (относительно западных стран), и получится, что окупить светодиодное освещение нам намного сложнее. Нужно учитывать и расходы на новую инфраструктуру.

Во многих отечественных теплицах уже установлены светильники для ДНаТ. Чтобы заменить их на светодиодные панели, нужно: 

а) массово продать имеющиеся светильники; 

б) поменять электрику под новые панели; 

в) купить новые панели. 

В итоге оказывается, что дешевле оставить все как есть и менять НЛВД по мере их перегорания. Расходы на тотальный слом инфраструктуры, закупку дорогого оборудования в обмен на экономию и без того недорогой электроэнергии – это уже не кажется выгодной сделкой.

Можно предположить, что дороговизна светодиодов – вопрос временный. Постепенно они будут дешеветь. Но до сих пор это работало только с устаревшими моделями. Новые СД, отвечающие текущим требованиям производства, стоят все также дорого. Перспектив снижения цен на современные светодиоды пока не видно.

Вот почему крупные агрохозяйства с огромным опытом, которые умеют считать деньги, до сих пор используют натриевые лампы. Да, они охотно соглашаются повесить светодиоды в своих теплицах, но не согласны за них платить.

Эксперимент ВНИСИ

В фитотроне кафедры физиологии растений РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева провели собственные фотобиологические исследования эффективности натриевых ламп и светодиодов. Ученые сравнили продуктивность салатных культур при выращивании под разными облучателями.

Наибольшую продуктивность все испытуемые сорта показали под облучением светильниками с НЛВД с ЕV порядка 12 клк (~170 мкмоль/(м2∙с)). Результаты представили в виде серии световых кривых, которые связывают продуктивность растений (N) с освещенностью (ЕV) или плотностью потока фотонов (Еppf). Под продуктивностью понималась средняя полезная биомасса салата.

Однако полученные данные в известной степени "рафинированные", так как не учитывают энергетических затрат, которые необходимы для работы НЛВД на указанном уровне. Сотрудники ВНИСИ подсчитали, что такая же продуктивность салатных культур, как под лампами НЛВД, может быть достигнута при использовании современных красно-синих СД со светоотдачей 50% – для этого им понадобится мощность на 40-45% меньше.

Таким образом, превосходство светодиодов в экономии энергии очевидно. Дело только в сроках окупаемости полной замены НЛВД на СД. Разница в стоимости между облучателями столь высока, что окупить ее можно только через 67 лет, как рассчитали во ВНИСИ. Исследователи опирались на цены 2015 года, но учитывая современную рыночную конъюнктуру, ситуация едва ли улучшилась.

Модернизированные решения

Итак, технико-экономические оценки, выполненные ВНИСИ и другими экспертными учреждениями, дают понять – сегодня вопрос состоит не в том, какие из ламп – натриевые или светодиодные – являются более энергоэффективными, а в том, какие рентабельные. Технология СД решила проблему энергоэффективности, а как решить вопрос ее окупаемости?

Все больше светотехников приходят к выводу, что гигантская разница в стоимости НЛВД и СД может быть компенсирована за счет создания комбинированных облучателей. То есть использовать светодиоды только как дополнение.

Так, авторы статьи "Светодиоды и интенсивная светокультура растений" рассмотрели пример создания комбинированного облучателя на базе ДНаТ 250. Если к его мощности 250 Вт добавить с помощью светодиодов красную составляющую излучения в 27 Вт лучистой энергии – то есть 53-55 Вт мощности, – то он успешно заменит облучатель ДНаТ 400 в теплице для выращивания томатов.

Срок окупаемости такого облучателя на момент написания статьи составил 4,4 года. Но авторы уверены, что при использовании многочиповых модулей (например, линейчатых) стоимость СД-части облучателя можно серьезно снизить, а срок окупаемости довести до одного года или до двух.

Облучатель мощностью 250 Вт можно приблизить и к ДНаТ 600. В этом случае к ДНаТ 250 добавляются четыре СД мощностью 50 Вт. Это сильно сократит расход электричества. При цене электроэнергии 3,3 руб./кВт-ч и времени работы ОУ в год (принято 5475 ч) срок окупаемости такого светильника – 0,16 года.

Вариаций гибридных решений можно создать сотни и тысячи. Оптимальный вариант появится, если провести эксперименты в пределах любой теплицы при участии фитофизиологов и светотехников.

В итоге проблема поиска энергоэффективности и рентабельности может быть решена с помощью компромисса. Две мощные технологии – НЛВД и СД – в этот переходный период, когда цены на светодиоды неоправданно высоки, могут помогать друг другу, а не конкурировать.

автор: Дмитрий Завадский

При написании обзорной статьи использованы следующие источники:

galad.ru, ledholding.ru, habr.ru, led-e.ru, rusteplica.ru

(1) Всероссийский научно-исследовательский светотехнический институт им. С.И. Вавилова

(2) Прикупец Л. Б., Тараканов И. Г. Светодиодные облучатели: из фитотрона в теплицу? https://galad.ru/helpful/articles/980267/

(3) Туркин А., Сарычев Г., Гаврилкина Г., Репин Ю. Светодиоды и интенсивная светокультура растений // Полупроводниковая светотехника. № 1(27)’2014