Люминесцентные солнечные концентраторы

СПОСОБ ОПТИМИЗИРОВАТЬ СВЕТ ДЛЯ РАСТЕНИЙ

Представьте, что солнечный свет можно «перекрасить» так, чтобы он лучше подходил для роста томатов или огурцов в теплице. Люминесцентные солнечные концентраторы (LSC) – это именно такая технология: они преобразуют неэффективные части солнечного спектра в красный свет, полезный для фотосинтеза, и даже генерируют электричество.

В этой статье разберем последние научные разработки в области horticulture-LSC (HLSC) с микроконусными структурами, которые повышают эффективность извлечения света на 53,78%. Моделирование показывает, как эти системы могут увеличить урожайность, но пока это перспективная идея, а не массовое решение.

СВЕТ – КЛЮЧ К УРОЖАЮ

В теплицах, где выращивают овощи круглый год, свет – это все. В России, в ее световых зонах, естественного солнца часто не хватает, и производители вынуждены использовать большое количество электроэнергии на светокультуре. Кроме того, выращивание на светокультуре позволяет получать круглогодичные урожаи – теплицы не простаивают. По данным Росстата, площадь теплиц защищенного грунта выросла до 3,35–3,4 тыс. га в 2025 году, в основном под огурцы и томаты. Но вот парадокс: солнечный свет, который мы получаем, не идеален для растений. Зеленая часть спекра (около 35% полезного диапазона) значительно менее эффективна для прямого фотосинтеза, чем красная и синяя. Зато полезный для фотосинтеза красный свет (600–700 нм) ускоряет рост и плодоношение.

Революцию в теплицах могут произвести люминесцентные солнечные концентраторы (LSC). Это прозрачные панели, которые «перерабатывают» свет. Они поглощают зеленый и ультрафиолет, а взамен излучают красный, плюс генерируют электричество для теплицы. Эта идея родилась в 1970‑х для солнечных батарей, но теперь адаптируется для агрономии под названием агро-LSC (agriculture-LSC или horticulture-LSC, HLSC). Пока это лабораторные эксперименты и демонстрационные проекты, но в таких странах, как Нидерланды или Канада, где электричество дорогое, овощеводы уже присматриваются. В России, где расходы тепличных производителей на коммунальные платежи достигают порой 50% себестоимости продукции, потенциал этой технологии огромен. Насколько может увеличиться урожайность, сколько получится экономить – давайте разберемся.

КАК РАБОТАЮТ HLSC

LSC – как волшебное стекло: полимерная основа с добавленными флуорофорами (светящимися молекулами, например, Lumogen Red). Эти молекулы ловят зеленый свет и переизлучают его в красном диапазоне, который растения любят. Но в обычных LSC большая часть света «застревает» внутри из-за полного внутреннего отражения (TIR) – это как свет в оптическом волокне, где он отражается от стенок и не выходит наружу. В итоге до 70% полезного света теряется.

Чтобы решить эту проблему, ученые Жицзе Сю (Zhijie Xu), Марк Портной (Mark Portnoi) и Иоаннис Папаконстантиноу (Ioannis Papakonstantinou) из факультета электронной и электротехнической инженерии, Университетский колледж Лондона, предложили добавить микро-конусы – крошечные выступы или впадины на нижней стороне панели, расположенные в шестиугольном порядке. Эти структуры «ломают» отражения, выпуская свет к растениям. Lumogen Red идеален: он поглощает на 575 нм (зеленый) и излучает от 570 до 700 нм (красный), усиливая фотосинтез. Плюс свет становится рассеянным, как от облачного неба, – он проникает глубже в листву, помогая нижним листьям и стеблям.

КАК ИЗУЧАЛИ: МОДЕЛИРОВАНИЕ ВМЕСТО ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Исследователи использовали компьютерное моделирование – метод Монте-Карло, где «лучи света» симулируют миллионы траекторий (программа LightTools). Они тестировали панели размером 8x8 см, толщиной 1–6 мм, с разной концентрацией флуорофоров. Ключевые показатели: внутренняя квантовая эффективность (IQE – сколько конвертированного света выходит), внешняя (EQE – общая эффективность от солнечного света) и поглощение.

Учитывали потери на отражения (Френеля, около 4%) и полный спектр солнца (AM1.5). Это позволило увидеть, как меняется свет для растений.

ЧТО ПОЛУЧИЛОСЬ

Микро-конусы существенно меняют картину. IQE вырастает до 49% (на 119% лучше, чем без них), а EQE достигает 37,73% – на 53,78% выше, чем у плоских панелей. Оптимально: конусы с соотношением высоты к радиусу 1,2, толщина – 3 мм.

Под реальным солнечным светом HLSC уменьшают зеленый диапазон и усиливают красный на 11,8% (в целом на 52,58% больше, чем от обычного солнца). Свет рассеивается равномерно, как от матового стекла. Это полезно при выращивании с плотными посадками.

ПЛЮСЫ И МИНУСЫ ТЕХНОЛОГИИ

HLSC повышают суточный интеграл света (DLI) – ключевой фактор урожайности. Для томатов красный свет ускоряет цветение, для огурцов – рост плодов. В экспериментах в США и Европе урожай салата вырос на 10%. В теплицах с HLSC можно комбинировать с гидропоникой и использовать энергию для ламп или вентиляции.

Однако технология еще «сырая»: демонстрационные панели работают, но редкие элементы в флуорофорах дорогие, а материалы деградируют со временем. В странах с дорогим электричеством (ЕС, Канада) интерес есть – панели на крышах теплиц дают до 50 Вт/м², окупаемость – 3–7 лет. В России такая эффективность помогла бы снизить зависимость от сетей, особенно с государственными субсидиями.

Альтернативы – органические LSC с кремниевыми квантовыми точками для снижения затрат. Будущие разработки: асимметричные конусы, текстурирование обеих поверхностей для сохранения красного спектра.

БУДУЩЕЕ ТЕПЛИЦ

HLSC – это не фантастика, а реальная изобретение, которое может сделать теплицы эффективнее. Моделирование обещает рост урожая на 10–20%, плюс экономию энергии. Пока это для энтузиастов и пилотных проектов. Но для России это шанс на энергоэффективное овощеводство. Пока авторы исследования рекомендуют испытывать технологию в малых теплицах с томатами и следить за новыми открытиями. Для России, с ее высокими затратами на энергоносители и обширными территориями с недостаточной инсоляцией, развитие таких технологий, как HLSC, является стратегически важным решением для обеспечения продовольственной безопасности и импортозамещения в сельском хозяйстве.

ИСТОЧНИКИ:

1. Recent progress in organic luminescent solar concentrators for agrivoltaics. Solar Energy, 2022.

2. Luminescent Solar Concentrators for Greenhouse Applications. Solar RRL, 2024.

3. Luminescent Solar Concentrators for Greenhouses. AgriTechTomorrow, 2018.

4. Optimizing Horticulture Luminescent Solar Concentrators. ACS Applied Materials & Interfaces, 2024.

5. Supporting Data for Luminescent Solar Concentrator Greenhouses. University of Minnesota, 2024.

6. Luminescent solar concentrators for agrivoltaics, greenhouses. pv magazine, 2022.

7. A Comprehensive Review of Agrivoltaics. Sustainability, 2025.

8. Emergent molecular traits of lettuce and tomato under wavelength-selective solar cells. Frontiers in Plant Science, 2023.

9. Luminescent solar concentrators for agrivoltaics, greenhouses. pv magazine, 2022.

10. Design Guidelines for Luminescent Solar Concentrator Greenhouses. Advanced Sustainable Systems, 2024.