полный текст (PDF, ~375 КБ)

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
40
УДК 631.544.4:628.938
МЕТОДИКА РАСЧЕТА УСТАНОВКИ ПЕРЕМЕННОГО ОБЛУЧЕНИЯ
ДЛЯ КУЛЬТИВАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ
Г.В. Степанчук
Доцент кафедры эксплуатации энергетического оборудования и электрических машин
Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии
(г.Зерноград, Ростовская область), кандидат технических наук,
e-mail: g-stepanchuk@mail.ru
Е.П. Ключка
Аспирант Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии
(г.Зерноград, Ростовская область), e-mail: achgaa@zern.donpac.ru
Статья посвящается установке переменного облучения для выращивания растений
в защищенном грунте. Облучательная установка формирует световой режим при помощи движущих облучателей и угла наклона рабочей поверхности. Параметры облучательной установки дают рациональное пространственное и поверхностное распределение оптического излучения. Это позволяет снизить энергоемкость процесса выращивания тепличных растений, увеличить коэффициент равномерности облучения, повысить качество сельскохозяйственной продукции.
Ключевые слова: энергосбережение в электротехнологии, переменное облучение, облучательные установки, продуктивность фотосинтеза, растения защищенного грунта.
В настоящее время при переходе к рыночным отношениям применение оптического излучения в АПК необоснованно уменьшилось. Однако известно, что в технологическом процессе
культивационных сооружений оптическому излучению нет альтернативы. Оно является важнейшим фактором, создающим микроклимат для
нормального роста и развития растений.
Оптическое излучение как вид энергии обладает важными особенностями. Во-первых, положительное действие оптического излучения достигается благодаря проникающей способности
излучения и его специфическому действию на
клеточном и молекулярном уровне в биологическом объекте. Во-вторых, распространение оптического излучения происходит линейно при постоянстве передаваемой мощности по оси угла
распространения, но уменьшении плотности по
площади нормального сечения. В-третьих, распределение энергии оптического излучения следует учитывать не только по спектру и времени,
но и по пространственным координатам [1].
С учетом особенностей оптического излучения электротехнологический процесс облучения растений защищенного грунта, состоит из
ряда преобразований энергии (рис. 1). Технические средства (облучательная установка),
оптическое излучение от искусственного источника облучения к растению образуют биотехническую систему.
Преобразования энергии могут быть представлены последовательностью ряда этапов: 1
этап – подача электроэнергии от источника к
облучательной установки; 2 этап – генерирование потока оптического излучения в источнике
света, используемого в облучательной установке; 3 этап – формирование пространственного
распределения потока оптического излучения;
4 этап – формирование поверхностного распределения энергии потока оптического излучения; 5 этап – поглощение энергии оптического излучения растением и превращение ее в
другой вид энергии.
Рис. 1. Схема преобразования энергии в биотехнической системе
electrotech@v-itc.ru
www.v-itc.ru/electrotech
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Энергетические потери в процессе этих преобразований обусловливают низкую эффективность использования энергии оптического излучения и высокую энергоемкость. Необходимо
отметить, что, по различным оценкам, потери
электроэнергии в них превышают половину отраслевых потерь всех электроустановок при
доле потребляемой энергии 20 % [1]. Процессы
облучения характеризуются малой долей полезно используемой энергии, несмотря на существенную величину электроэнергии, направленную в сельском хозяйстве на эти цели. Поэтому поиск возможностей экономии электроэнергии представляет собой важную практическую задачу. В связи с этим проблема энергосбережения является основополагающей в
применении облучательных установок в сооружениях защищенного грунта. Вместе с тем, поиск снижения потерь на каждом этапе технологической схемы должен применяться там, где
оптическое излучение повышает качество и количество продукции, увеличивает производительность труда и экономически себя оправдывает.
Таким образом, если рассматривать электротехнологический процесс облучения растений с
точки зрения уменьшения энергетических потерь на этапах преобразования оптического
излучения, необходимо учитывать:
1. Рациональный выбор светотехнического
оборудования используемого в облучательной
установке.
2. Рациональное пространственное распределение оптического излучения (применение
различных способов облучения: переменный,
импульсный, комбинированный и т.д.).
3. Рациональное распределение оптического излучения по облучаемой поверхности (учитывая особенности фитоценоза).
4. Реакция растения на фотобиологическое
действие оптического излучения.
На основе анализа ранее проведенных исследований выявлено, что не до конца разработан вопрос о взаимном положении источника
излучения и облучаемой технологической поверхности. Учитывая вышеизложенное, в облучательной установке применили переменное
облучение (создаваемое движущимися источниками излучения) [2] и наклонную технологическую поверхность [3]. Оба этих фактора дают
особое пространственное и поверхностное распределение оптического излучения. Преимущества работы установок переменного облучения
в сравнении с постоянным, импульсным и комбинированным способами заключаются в следующем:
 переменное облучение создает световые
условия, при которых используются свет не
только как фактор, необходимый для нормального хода процесса фотосинтеза, но и как раздражитель, включающий механизмы адаптации
41
растений к постоянно меняющимся внешним
условиям [4];
 повышается равномерность облучения,
создается эффект объемного, рассеивающего,
диффузного облучения [5];
 переменное облучение дает возможность
рационально использовать естественную радиацию, поступающую в теплицу;
 применяя движущие облучатели, можно
сократить число ламп, светотехнического оборудования и т.д., тем самым уменьшить капитальные и энергетические затраты на облучение растений;
 отсутствуют дополнительные электросхемы, регулирующие режим работы ламп, поэтому упрощается обслуживание и повышается
надежность их работы, не уменьшается срок
службы.
Теоретические основы повышения эффективности использования оптического излучения
были рассмотрены О.А. Косицыным. Он предложил математическую модель энергетики искусственного облучения растений, позволяющую быстро оценить изменения в энергетике
данного процесса по двум главным параметрам
– облученности и общей продолжительности
облучения [6, 7].
В общем виде накопленная растениями
биомасса M в относительных единицах может
быть представлена формулой
M  Ср Е t ,
(1)
где С – коэффициент пропорциональности;
р – КПД фотосинтеза растений; Е – облученность растений, Вт/м2; t – время вегетационного
периода роста растения (количество часов облучения).
Биомасса растения будет увеличиваться за
счет создания рационального светового режима облучения, который увеличивает КПД фотосинтеза растений. В исследуемой облучательной установке световой режим создается через
скоростной режим движущих облучателей и
угол наклонной рабочей поверхности.
Скоростной режим движущих источников облучения формирует переменное облучение, характеризуемое следующими параметрами:
 продолжительность работы источников облучения (суммарное время, за которое растение
получает искусственное облучение за весь вегетативный период);
 экспозиция (общее количество облучения,
которое должны получить растения для нормального роста и развития);
 скорость движения облучателей задает
экспозицию (дозу) облучения и длительность
воздействия на растения.
В общем случае экспозиция (доза) облучения
Электротехнические комплексы и системы управления
H  Et.
(2)
№ 2/2011
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
42
Экспозиция, полученная растениями при движении облучателей за временной промежуток от
максимального значения облучения до следующего максимального значения, определяется из
выражения
Hi  Ei  t i ,
(3)
где t i – временной промежуток от максимального значения облучения до следующего максимума, с.
Временной промежуток, в течение которого
происходит смена высокой интенсивности облучения и низкой, зависит от скорости облучателей:
h
ti  ,

(4)
где h – длина полного хода облучателя, м;
v – скорость облучателя, м/с.
Следовательно, экспозиция, создаваемая
движущимися облучателями равна
Hi 
Ei  h
.
v
где I – сила света (пространственная плотность светового потока), кд;  – угол между нормалью к элементу поверхности и направлением
силы света; r – расстояние от источника до облучаемого объекта, м.
Таким образом, из формулы (6) видно, что количество освещенности на единицу рабочей
площади зависит от взаимного положения источника и рабочей поверхности. Из той же формулы
видно, что угол  играет важную роль в распределении светового потока по рабочей поверхности. Чем больше угол  , тем больший поток получает точка А . Увеличим угол  за счет изменения угла наклона рабочей поверхности (рис. 3)
На рис. 3 видно, что расстояние от облучателя
до точки А уменьшилось, угол  увеличился на
величину  . Следовательно, освещенность в
точке А повысилась за счет угла наклона рабочей поверхности  :
E
(5)
I cos(  )
.
r2
(7)
Таким образом, чем выше скорость движения
облучателей за один ход, тем меньшую экспозицию получают растения. Но следует отметить, в
ходе процесса фотосинтеза используется лишь
1…3 % поглощенной оптической энергии. Процесс фотосинтеза протекает как при непрерывном, так и при переменном облучении. Но при
подаче энергии оптического излучения только
во время световой стадии фотосинтеза можно
существенно снизить потери оптической энергии и расход электроэнергии [4, 5].
Рис. 3. Положение облучателя относительно
наклонной поверхности
Расчетное уравнение освещенности для наклонной плоскости в точке A имеет вид [8, 9]
I cos3 
p
(cos   sin ) 
2
hp
h
p
 Е гориз (cos   sin ),
h
EА 
Рис. 2. Расчет освещенности
горизонтальной поверхности
Для определения в общем случае освещенности необходимо вычислить значение направленной к освещаемой поверхности силы света,
расстояние от излучателя до освещаемой поверхности и угол падения света [8, 9]:
E
I  cos 
,
r2
electrotech@v-itc.ru
(6)
(8)
где E А и E гориз – освещенность соответственно
рабочей поверхности в точке А и горизонтальной поверхности, лк;  – угол между направлением силы света к расчетной точке А и осью
симметрии облучателя, град; h – высота облучателя над горизонтальной плоскостью, м;
p – кратчайшее расстояние от проекции оси
симметрии светильника на горизонтальную
плоскость к наклонной плоскости, м.
www.v-itc.ru/electrotech
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
43
А
Mzо ф  И
S  E min t v
 о ф  И
M z
.
S H
(12)
В формулу (12) подставим (5) и (9), отсюда
удельная продуктивность растений
АM
И О Ф  

Е min
p
sin )
h
. (13)
Sh
(cos  
Очевидно, что при сравнении различных вариантов облучательных установок и технологий выращивания растений при искусственном облучении лучшим будет тот из них, для которого
удельная продуктивность растений (показатель
А ) будет больше. Другими словами, необходимо
обеспечивать такие условия для выращивания
растений, при которых A  max .
Рис. 4. Расчет освещенности
для наклонной поверхности
Как видно из анализа формулы (13) требуется
оптимизация групп параметров:
1. Отношение группы величин, характериИз формулы (8) видно, что если освещензующие
параметры облучательной установки –
ность в точке A будет минимальной E А , а ос


И О Ф
вещенность, рассчитанная на горизонтальной
  . В неё входит характеристика приЕ min
поверхности, будет максимальная E гориз , то их
отношение друг к другу дает коэффициент рав- меняемого в установке источника излучения и
скоростной режим облучателя, создающего пеномерности освещения:
ременный способ облучения.
2. Отношение группы величин, характериEA
p
z
 (cos   sin )  0,8...1 . (9) зующие параметры пространственного положеE гориз
h
ния
технологической
поверхности
–
p
Отсюда следует, что коэффициент равно(cos   sin )
h
мерности наклонной поверхности является
. В неё входят параметры устаS h
функцией зависимости z  f (, h, p) от угла наклонной поверхности, от высоты подвеса облу- новки, а именно длина хода облучателя, плочателя и от расстояния облучателя до наклон- щадь технологической поверхности и угол наклонной поверхности.
ной поверхности.
3. Реакция растения на создаваемые светоРассмотрим пути повышения эффективности
вые
условия при помощи облучательной устаиспользования светового потока через удельную
новки – M (увеличение биомассы растения, как
продуктивность растений [6]:
показатель продуктивности фотосинтеза растений в данных световых условиях).
М
Удельная продуктивность растений зависит
А
,
(10)
W
от увеличения биомассы растения. Для этого
необходимо создать равномерность облучения
где M – биомасса продукции, г; W – электричерабочей поверхности за счет регулирования
ская энергия, потребляемая за вегетационный
угла наклонной поверхности. Один облучатель
период облучательной установкой, Вт·ч.
рассчитан на облучение определенной площаОтсюда следует,
ди, если увеличивать площадь, то продуктивность уменьшается. Переменное облучение,
E minS
Q  Pу t v 
tv ,
(11) создающееся движущимися облучателями, увеличивает удельную продуктивность растений,
zофИ
но сдерживающим фактором является путь одгде Pу – мощность облучательной установки, Вт; ного хода облучателя.
Emin – минимальная фотосинтезная облученТаким образом, необходимо оптимизировать
2
ность, фит/м ; о – КПД облучателя, отн. ед.; параметры облучательной установки, а именно
ф – фитоотдача облучателя, фит/Вт; И – ко- скорость движения облучателей и угол наклонной поверхности. Критерием оптимизации явэффициент использования потока в области ляется масса сухого вещества растения как поФАИ (фотоактивного излучения).
казатель эффективности применения данного
Формулу (11) подставляем в (10):
технического решения.
Электротехнические комплексы и системы управления
№ 2/2011
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
44
Литература
1. Карпов, В.Н. Энергосбережение в оптических электротехнологиях АПК. Прикладная теория и
частные методики / В.Н. Карпов, С.А. Ракутько. – СПб. : СПбГАУ, 2009. – 100 с.
2. C1 2328652 RU F21V21/02. Устройство выравнивания степени облученности в производственных помещениях / Г.В. Степанчук, Е.П. Ключка, Е.Е. Якушева ; заявитель и патентообладатель
Азово-Черномор. гос. агроинж. акад. – № 2006142613/28 ; заявл. 01.12.2006 ; опубл. 10.07.08, Бюл.
№ 19, 2008. – 4с. : ил.
3. АG 9/00 RU 11613 U1. Сборно-разборный стеллаж / Г.В. Степанчук, П.В. Гуляев, Е.П. Ключка,
П.Т. Корчагин, Е.В. Сергиенко, Э.Э. Петренко ; заявитель и патентообладатель Азово-Черномор.
гос. агроинж. акад. – № 2010131786/21 ; заявл. 28.08.10 ; опубл. 27.01.2011, Бюл. № 3, 2011. – 4с. :
ил.
4. Мокроносов, А.Т. Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты : учебник
для студентов вузов / А.Т. Мокроносов, В.Ф. Гавриленко, Т.В. Жигалова ; под ред. И.П. Ермакова.
– 2-е изд., испр. и доп. – М. : Академия, 2006. – 448 с.
5. Леман, В.М. Курс светокультуры растений / В.М. Леман. – М. : Высш. шк., 1976. – 272 с.
6. Косицын, О.А. Математическая модель энергетики искусственного облучения растений (Зависимость удельных затрат энергии на единицу фитомассы от продолжительности выращивания
рассады в теплицах) / О.А. Косицын // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. – 2004. – № 5. –
C. 20–21.
7. Косицын, О.А. Учет температуры воздуха при моделировании искусственного облучения растений / О.А. Косицын // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. – 2005. – № 5. – C. 20–21.
8. Лямцов, А.К. Электроосветительные и облучательные установки / А.К. Лямцов, Г.А. Тищенко.
– М. : Колос, 1983. – 224 с.
9. Жилинский, Ю.М. Электрическое освещение и облучение / Ю.М. Жилинский, В.Д. Кумин. –
М. : Колос, 1982. – 272 с.
DESIGN PROCEDURE OF THE ILLUMINATING PLANT
OF ALTERNATING ILLUMINATION FOR CULTIVATION CONSTRUCTIONS
G.V. Stepanchuk, J.P. Kluchka
The article is devoted to the plant of alternating illumination for crop growing in the protected
soil. The unit forms light conditions by the moving illuminators and by proper gradient angle of
the working surface. Characteristic of the unit allows us to produce efficient space and surface
distribution of the optical radiation. It let us to reduce energy intensity of the hothouse crops
growing, to increase uniformity coefficient of irradiation, to improve the quality of agricultural
products.
Key words: energy-saving in electrical engineering technologies, alternating irradiation, illuminating plants, photosynthesis productivity, protected soil plants.
electrotech@v-itc.ru
www.v-itc.ru/electrotech