Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1 О состоянии овощеводства защищенного грунта 12
1.2 Характеристика предприятия по выращиванию листового салата в Республике Марий Эл 16
1.3 Существующие источники искусственного облучения рассады в тепличной отрасли 21
1.4 Влияние интенсивности облучения и параметров окружающей среды на продукцию листового салата 28
1.5 Оценка оптимальных спектральных характеристик для досветки рассады листового салата 34
1.5.1. Характеристики современных светоизлучающих диодов 38
1.5.2 Облучатели на базе светоизлучающих диодов 40
1.5.3 Анализ результатов исследований облучения зеленных культур светодиодными источниками излучения 41
1.6 Выводы 44
2 Теоретическое обоснование выбора мощности и типа источника искусственного облучения рассады листового салата 46
2.1 Системы оценки оптического излучения в растениеводстве 46
2.2 Методика выбора оптимальной высоты облучателя для досветки рассады листового салата 48
2.3 Обоснование технических характеристик разрабатываемого светодиодного облучателя 64
2.4 Расчет параметров радиатора охлаждения для светодиодных чипов 69
2.5 Выводы 81
3 Методика экспериментальных исследований 83
3.1 Программа экспериментальных исследований 83
3.2 Методика проведения экспериментов с облучателем с масляным радиатором в качестве охлаждения 85
3.3 Методика проведения экспериментов с рассадой листового салата при 90 использовании разработанного светодиодного облучателя
3.3.1 Выбор методики досветки рассады листового салата 90
3.3.2 Схема и объект исследования 92
3.3.3 Выбор контрольного источника излучения при проведении экспериментов и разработка светодиодного облучателя 101
3.3.4 Методика определения урожайности и ее структуры 105
3.3.5 Статистическая обработка результатов экспериментов 106
3.3.6 Методика определения качественных показателей 107
3.4 Выводы 107
4 Результаты экспериментальных исследований 109
4.1 Результаты экспериментов при использовании светильника с масляным радиатором в качестве охлаждения 109
4.2 Облучение рассады листового салата разработанным светодиодным облучателем 111
4.3 Использование комбинированного облучения рассады листового салата на базе разработанного светодиодного облучателя и натриевых ламп высокого давления в лабораторных условиях 124
4.4 Использование комбинированного облучения рассады листового салата на базе разработанного светодиодного облучателя и натриевых ламп высокого давления в производственных условиях на примере ООО «Грин-Прайс» 130
4.5 Выводы 133
5 Технико-экономическое обоснование целесообразности внедрения энергосберегающих мероприятий 135
5.1 Экономическая оценка перевода предприятия на дифференцированный по времени суток тариф на электроэнергию 135
5.2 Экономическая оценка внедрения масляного радиатора для светодиодного облучателя 140
5.3 Экономическая оценка внедрения комбинированного облучения рассады листового салата разработанным светодиодным облучателем и натриевыми лампами высокого давления 149
5.4 Выводы 157
Заключение 158
Список использованных источников
- Влияние интенсивности облучения и параметров окружающей среды на продукцию листового салата
- Методика выбора оптимальной высоты облучателя для досветки рассады листового салата
- Методика проведения экспериментов с рассадой листового салата при 90 использовании разработанного светодиодного облучателя
- Использование комбинированного облучения рассады листового салата на базе разработанного светодиодного облучателя и натриевых ламп высокого давления в лабораторных условиях
Введение к работе
Актуальность темы. Современные агрокомбинаты являются энергоемкими промышленными предприятиями, применяющими электротехнические и светотехнические средства для выращивания рассады и ведения светокультуры растений. В настоящее время усугубилось финансовое положение предприятий тепличного сектора, что связано с ростом цен на энергоносители. При существующих тарифах на энергоносители, их доля в структуре затрат на производство овощной продукции составляет 50-70 %. На получение оптического излучения в овощеводстве расходуется примерно 20 % потребляемых энергоресурсов. Снижение удельной установленной мощности облучательных установок в теплицах до минимально возможных уровней в соответствии с требованиями технологий выращивания растений является важной задачей повышения экономии в агропромышленном комплексе.
Республика Марий Эл находится во II световой зоне, в которой падающая фотосинтети-чески активная радиация составляет в декабре и феврале 30,63-44,41 мкмоль/м2с, поэтому использование источников искусственного освещения для выращивая продукции в зимний период необходимо.
Благодаря высокой светоотдаче, лампы типа ДНаЗ Reflux заняли доминирующее положение и их доля составляет 50 % от используемых в настоящее время источников оптического излучения в защищенном грунте. Однако, как утверждают А.А. Тихомиров, В.Н. Фатеев, Л.Б. Прикупец и др., для каждой овощной культуры необходим оригинальный подход в использовании доз и спектральных диапазонов облучения. Многочисленными исследованиями установлены спектральные диапазоны для культуры томата и огурца, однако зеленные культуры недостаточно изучены и требуют решения вопроса светокультуры. Традиционно зеленные культуры, в том числе и листовой салат, досвечивают лампами ДНаЗ Reflux, которые имеют низкий КПД в области фотосинтетически активной радиации (ФАР), и спектр данных ламп не отвечает требованиям данной культуры.
В последнее время во всем мире огромное значение уделяется экономии электроэнергии в осветительных и облучательных установках. Основной путь в этом направлении следующий: замена полностью или частично традиционных источников на источники излучения с более высокой светоотдачей в области ФАР (светодиодные источники облучения).
Вопросами применения искусственного освещения с целью повышения урожайности овощных культур в условиях защищенного грунта занимались многие ученые. Среди них как российские учение, так и зарубежные: Л.К. Алферова, Т.П. Астафурова, Ю.М. Жилинский, В.А. Козинский, Н.П. Кондратьева, О.А. Косицын, В.М. Леман, Г.М. Лисовский, С.А. Овчу-кова, Л.Б. Прикупец, Л.Г. Прищеп, Н.Н. Протасова, А.А. Сарычев, И.И. Свентицкой, И.Г. Тараканов, А.А. Тихомиров, Х.Г. Тооминг, В.П. Шарупич, G. Goins, H.H. Kim, R. McCree, J.J. Sager, R.M. Wheeler, N.C. Yorio. С введением со стороны России эмбарго в отношении Запада оптимизация энергетических затрат при выращивании овощных культур, а также интенсификация производства стоит достаточно остро.
Актуальность работы подтверждается Федеральным законом № 261 от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», постановлением Правительства № 315 от 15.04.2014 г. «О внесении изменений в Государственную программу развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы».
Цель диссертационного исследования: повысить эффективность электрооблучения рассады листового салата путем энергосбережения и изучить закономерности роста продуктивности урожая овощных культур от световой среды с целью ее оптимизации.
Задачи исследования:
– на основе анализа влияния интенсивности искусственного облучения на рост и накопление биомассы листового салата разработать методику выбора оптимальной мощности источника искусственного облучения;
– разработать математическую модель теплового режима светодиодных чипов при использовании масляного радиатора в качестве охлаждения;
– разработать энергоэффективный облучатель на базе светодиодных чипов, отличающийся тем, что в качестве охлаждения светодиодных чипов используется масляный радиатор;
– экспериментально исследовать влияние интенсивности искусственного облучения разработанного светодиодного облучателя совместно с натриевой лампой высокого давления на продуктивность листового салата;
– оценить энергетическую эффективность применения различных режимов досвечива-ния при круглогодичном культивировании листового салата в защищенном грунте.
Объект исследования. Технологический процесс искусственного облучения листового салата.
Предмет исследования. Определение оптимальных технологических режимов искусственного облучения листового салата и методы повышения энергетической эффективности при их выращивании.
Методы исследования. В работе использованы аналитические и экспериментальные методы исследования, в основу которых положен системный подход. Решение инженерно-технических задач основывалось на математическом моделировании светотехнических процессов с использованием теоретических основ светотехники. Методология исследования базировалась на светотехнических, фотометрических, спектральных измерениях. Экспериментальные исследования выполнены на современных образцах энергосберегающего светотехнического оборудования. Использована измерительная аппаратура с применением компьютерной техники и прикладных пакетов компьютерных программ.
Научная новизна работы состоит из:
– методики выбора оптимальной мощности источника искусственного облучения для листового салата;
– математической модели теплового режима светодиодных чипов при использовании масляного радиатора в качестве системы охлаждения;
– технического средства для создания энергоэффективного облучения на базе светодиодных чипов, отличающегося тем, что в качестве охлаждения светодиодных чипов используется масляный радиатор;
– результатов экспериментальных исследований влияния интенсивности искусственного облучения разработанного светодиодного облучателя совместно с натриевой лампой высокого давления на продуктивность листового салата;
– обоснования энергетической эффективности путем применения различных режимов досвечивания при круглогодичном культивировании листового салата в защищенном грунте.
Практическая значимость диссертации состоит в разработке энергоэффективного облучателя на базе светодиодных чипов, отличающегося тем, что в качестве охлаждения светодиодных чипов используется масляный радиатор. Разработана методика выбора оптимальной мощности источника искусственного облучения для листового салата. Результаты лабораторных и производственных экспериментальных исследований позволяют определять оптимальные режимы досветки листового салата, приводящие к сокращению периода вегетации листового салата на 4 дня и потребления электроэнергии в 1,68 раза.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Основные результаты диссертационной работы соответствуют пункту «Разработка способов применения, исследования средств электротехнологий и режимов работы электри-
ческих осветительных, облучательных, обогревательных, кондиционирующих установок в растениеводстве и животноводстве» и пункту «Разработка методологических основ создания надежного и экономичного энерго- и электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, разработка новых технических средств» из паспорта специальности 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований и комплекс технических средств внедрены в ООО «Грин-Прайс», ОАО «Тепличное». Результаты исследований используются в Министерстве сельского хозяйства и продовольствия Республики Марий Эл, в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет».
На защиту выносятся следующие основные положения:
– методика выбора оптимальной мощности источника искусственного облучения, позволяющая обосновать наивыгоднейшие технологические параметры светотехнического оборудования для стандартных гидропонных столов;
– математическая модель теплового режима светодиодных чипов, позволяющая обосновать возможность использования масляного радиатора для охлаждения светодиодов;
– техническое средство энергоэффективного облучения листового салата на базе светодиодных чипов как дополнительного к традиционным источникам искусственного облучения, отличающегося тем, что в качестве охлаждения светодиодных чипов используется масляный радиатор;
– результаты экспериментальных исследований влияния интенсивности комбинированного искусственного облучения на базе разработанного светодиодного облучателя и натриевой лампы высокого давления на урожайность листового салата, позволяющие сократить период вегетации рассады листового салата на 4 дня и уменьшить потребление электроэнергии в 1,68 раза;
– обоснование энергетической эффективности путем применения различных режимов досвечивания при круглогодичном культивировании листового салата в защищенном грунте.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельных частей докладывались и обсуждались на научных конференциях преподавателей по итогам научно-исследовательской работы (21–23 марта 2011, 2012 гг., Йошкар-Ола, МарГУ), на Международной молодежной научной конференции «Достижения науки – агропромышленному производству» (23–25 января 2011–2013 гг., Челябинск, ЧГАА), на Международной молодежной научной конференция «Тинчуринские чтения» (27–29 апреля 2011, 2013 гг., Казань, КГЭУ), на V Международной научно-технической конференции «Инновации в сельском хозяйстве» (16–17 декабря 2014 г., Москва, ВИЭСХ). Разработанные новые технические решения защищены патентом на полезную модель.
Публикации и личный вклад автора. Материалы диссертации изложены в 12 печатных работах, в том числе 3 из них в журналах, рекомендованных ВАК, получен один патент на полезную модель. В диссертации представлены результаты исследований, выполненных самим автором. Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, разработке экспериментальных и теоретических методов их решения, в обработке, анализе, обобщении полученных результатов и формулировке выводов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержит 199 страниц основного текста, включая 83 рисунка, 69 таблиц, приложения, списка использованной литературы из 140 наименований.
Влияние интенсивности облучения и параметров окружающей среды на продукцию листового салата
В настоящее время более 70 % генерируемого светового потока создается разрядными источниками света, в том числе металлогалогенными лампами (МГЛ) и натриевыми лампами высокого давления (НЛВД) [48, 99].
Традиционно для электропитания ламп используются системы, работающие от сети переменного тока 50–60 Гц и состоящие из токоограничивающего реактора, последовательно включенного с лампой, и устройства для зажигания разряда [83]. К достоинствам таких систем следует отнести низкую стоимость и достаточно высокую надежность самого электромагнитного балласта. Основные проблемы, связанные с электромагнитными балластами: 1) мерцание от сети 50 Гц, вызывающее утомляемость глаз; 2) нестабильность мощности и светового потока лампы при колебаниях напряжения сети; 3) низкий коэффициент мощности и, соответственно, необходимость применения емкостного компенсатора; 4) большие масса и габариты всей системы электропитания, трудности в управлении радиационным режимом в теплице; 5) газоразрядные лампы являются источниками высших гармоник, которые несут дополнительные энергетические потери и опасность для кабельных линий, трансформаторов и пр.[25, 26, 29, 32, 69].
Натриевые лампы высокого давления (НЛВД) чувствительны к перегрузке по мощности, а традиционные электромагнитные балласты не в состоянии обеспечить стабилизацию мощности на заданном уровне при изменении условий эксплуатации лампы (например, при повышенном напряжении сети), а также изменении ее характеристик в процессе старения. По данным исследований [2, 3, 37], при повышенном напряжении сети (242 В) срок службы сокращается в среднем в 2–3 раза. Требуется более частая замена ламп, что приводит к дополнительным затратам.
Более 20 лет в теплицах РФ используются облучатели ОТ-400 с лампой ДРЛФ 400. К недостаткам этой лампы следует отнести низкие световые отдачи, энергетические и фотосинтезные КПД, а также недостаточное излучение в красной области спектра
Начиная с 1990 г., в теплицах РФ начали преобладать облучатели с МГЛ мощностью 400, 1000 и 2000 Вт, а также с НЛВД мощностью 400 Вт в каркасном исполнении светотехнической арматуры, что увеличивало их материалоемкость и стоимость.
Металлогалогенные лампы (МГЛ) с наполнением In, Na иногда используют в первой (вегетативной) фазе роста растений, поскольку такие лампы излучают достаточное количество синего света [73]. Натриевые лампы высокого давления имеют желтое свечение (2200 K) с очень низким индексом цветопередачи. Как правило, такие лампы используются на поздних (или репродуктивных) стадиях роста. Если использовать фитолампы такого типа на ранних стадиях вегетативного роста, растения растут немного быстрее, чем обычно. Оборотной стороной этого процесса является слишком высокое и раскидистое растение с длинными междоузлиями. Натриевые лампы высокого давления ускоряют процесс образования цветков и плодов у растений. Растения используют красно-оранжевую часть спектра НЛВД-ламп в репродуктивных целях, что позволяет получать более высокие урожаи трав, овощей, фруктов или цветов. Иногда растения визуально, из-за особенностей цветового оттенка ламп, выглядят бледными и нездоровыми [37].
В высоких широтах, где период недостатка солнечного света очень продолжительный, НЛВД-лампы должны сочетаться с другими источниками света для правильного роста. Натриевые лампы высокого давления излучают много тепла, что может вызвать вытягивание стеблей, хотя при должном контроле температуры воздуха эта проблема не так актуальна [46, 53].
До недавнего времени практически монопольное положение на рынке отечественного светотехнического оборудования занимал Кадошкинский ЭТЗ. Завод освоил серийное производство облучателей ЖСП 49-400 (с ДНаТ-400), ЖСП-30-2х400 (2 лампы ДНаТ-400), ГСП 46-400 (с ДРИ 400-5), ГСП 49-1000 (с ДРИ 1000-6) и ГСП 30-2000 (с ДРИ 2000-6). Внедрение последних двух типов облучателей, несмотря на снижение удельной мощности ОУ в 1,5 раза (по сравнению с ОТ-400), не приняло крупномасштабного характера из-за повышенного напряжения сети (380 В), сопутствующего лампам большой мощности, невысокого ресурса ламп (2000...3000 ч) и неравномерности распределения освещенности на рассадном модуле [38].
В последние несколько лет ситуация на рынке заметно меняется, благодаря начавшимся поставкам облучателей ЖСП-30-400, разработанных фирмой ООО «Рефлакс» совместно с ОАО КЭТЗ [76, 77]. Применение этих изделий достаточно выгодно тепличным агрокомбинатам из-за пониженной, примерно в 2 раза, установленной мощности ОУ, простоты обслуживания, приемлемых ценовых показателей, надежности и срока службы зеркальных ламп-облучателей ДНаЗ-400 фирмы «Рефлакс», в которых применяются горелки НЛВД фирмы GE.
В настоящее время облучатели с зеркальной лампой типа ДНаЗ-400 фирмы «Рефлакс» используются более чем в 50 % тепличных агрокомбинатов России и СНГ.
Производителями отечественных облучателей являются — ОАО «КЭТЗ» (г. Кадошкино, Республика Мордовия), фирма «НФЛ» (г. Воронеж), фирма «Точка опоры» (г. Москва) – дистрибьютор фирмы Philips, фирма «Энергосвет» (г. Красногорск Московской области), фирма «Комплект-Электро» (г. Обнинск).
Заслуживает внимания отечественная разработка натрий-скандиевых МГЛ-400 с полым катодом, обеспечивающим зажигание ламп от 220 В без дополнительных зажигающих устройств. Серийный выпуск таких ламп обеспечил снижение стоимости ОУ за счет исключения дорогостоящих импульсно зажигающих устройств (ИЗУ) [66].
Представленная ситуация на рынке тепличного светотехнического оборудования в России будет неполной, если не указать европейские фирмы, производящие светотехническое оборудование для растениеводства (Philips – Нидерланды, Elgo – Польша, Hortemic – Финляндия, Electroscandia – Швеция, GE Европа, Sylvania – Италия, Osram – Германия). Облучатели с НЛВД и МГЛ в большинстве своем работают с электромагнитными ПРА встроенного или независимого исполнения в комплекте с ИЗУ для облегчения зажигания. Основные источники искусственного излучения как зарубежных, так и отечественных производителей приведены в Приложении А. Стоит привести результаты исследований спектральных составов импортных НЛВД и МГЛ мощностью 400–600 Вт при отклонениях напряжения сети (таблица 1.5).
Методика выбора оптимальной высоты облучателя для досветки рассады листового салата
Согласно проделанным расчетам для стандартного гидропонного стола с шириной 1,8 м, наиболее оптимальным по неравномерности облучения будет угол поворота светодиодного светильника на 12,5 по оси z, мощность светодиодов одного облучателя должна быть 126,49 Вт при высоте подвеса светильника в 0,8 м. Общая мощность светодиодов всех светильников для гидропонного рассадного стола 5,5x1,8 м составит 1517,9 Вт.
С точки зрения экономии электроэнергии перечислим основные факторы, которые необходимо учитывать при выборе источников искусственного освещения для салатной продукции [54]: 1. Излучение должно обладать высокой фотосинтетической активностью. 2. Спектральный состав света должен обеспечивать получение здоровых растений с полноценной по составу биомассой. 3. Источник излучения должен иметь высокий КПД и длительный ресурс работы. 4. Нежелательно наличие в спектре излучения значительной составляющей вне диапазона ФАР (400-700 нм), которое приводят к потерям энергии и снижают эффективность источника света. 5. Источник облучения должен обеспечивать экономию электрической энергии.
Основываясь на спектральной фотосинтетической эффективности оптического излучения, полученной И.И. Свентицким [87], мы подбираем светоизлучающие диоды (рисунок 2.14). Длина волны, нм
Спектральная фотосинтетическая эффективность оптического излучения (по И.И. Свентицкому) Разрабатываемый светодиодный облучатель должен быть на базе красных светодиодов с длиной волны от 655 до 690 нм с добавлением излучения синих светодиодов (=440–470 нм) в количестве около 10–20 % по плотности потока фотонов. Кроме того, недостатком светодиодных светильников, описанных в первой главе, является отсутствие излучения в ультрафиолетовой области спектра. В данной работе мы решили скомпенсировать эти недостатки и добавить светодиодов в УФ-А области не более 5 % от интегральной плотности облучения. С целью получения спектра ближе к естественному, а также по ряду публикаций, было решено добавить зеленые светодиоды в количестве не более 10 % от общей интегральной плотности облучения. Выбор светодиодов с конкретной длиной волны зависел от:
В результате поиска светодиодных чипов из доступных каталогов были выбраны светодиоды от фирмы Philips серии Lumileds и фирмы LedEngin. LedEngin является единственной фирмой, которая может поставить ультрафиолетовые светодиодные чипы. На основание спектральной фотосинтетической эффективности оптического излучения (рисунок 2.14) было выбрано сто шестьдесят светодиодов от фирмы Philips, один ультрафиолетовый – фирмы LedEngin [43, 44, 45]. Количество и тип светодиодов с их мощностями сведены в таблицу 2.5.
Основным фактором, влияющим на срок службы светодиода, является температура кристалла светодиода при его работе. Для зеленых и синих светодиодов фирмы Philips допустима температура до 135 С, для красных - до 120 С [43,44]. Согласно технической документации для светодиодов при таких температурах срок службы светодиодных чипов составит менее 50000 ч. На основании этого, основной задачей является грамотное проектирование системы охлаждения светодиодов. Ограничимся максимальной температурой светодиодных чипов в 70 oC. При таких значениях температур световой поток не будет снижен более чем на 20 % у выбранных светодиодных чипов, а срок службы составит более 50000 ч. [43, 44].
Целью решения поставленной задачи является построение модели, адекватно описывающей режим работы светодиодного светильника, для проведения на основе нее расчетов, позволяющих оценить тепловой режим светильника в реальных рабочих условиях.
Рассмотрим два варианта охлаждения светодиодных чипов. Первый – охлаждение светодиодных чипов за счет применения стального корпуса с оребрением, который заполнен трансформаторным маслом (рисунок 2.20), и второй – классически алюминиевый радиатор с точно таким же оребрением [89].
Рассматривался установившийся тепловой режим и течение воздуха. При решении учитывалась теплопроводность и конвективный теплообмен – для этого расчетная область была расширена добавлением объема окружающего воздуха. В объеме окружающего воздуха и в объеме масла, находящегося в радиаторе, решалась сопряженная задача течения вязкой жидкости (масла) в предположении ламинарного характера течения.
Каждый светодиод состоит из подложки, представленной прямоугольным параллелепипедом размерами 4,6х3,2х0,7 мм, и излучающего свет элемента (т.н. p-n перехода), имеющего в модельном приближении форму цилиндра диаметром 2,6 мм и толщиной 1,5 мм. Общий вид расположения светодиодов на облучателе представлен на рисунке 2.21.
Схематическое изображение расположения светодиодов Расположение синих (1 на рисунке 2.21) и зеленых (2 на рисунке 2.21) светодиодов делают равномерным по длине светильника. Ультрафиолетовый светодиод (3 на рисунке 2.21) электрической мощностью 10 Вт устанавливают по середине светильника. Красные светодиоды (4 на рисунке 2.21) занимают доминирующее положение. Свето диоды отделены от окружающей среды кварцевым стеклом (на рисунке 2.21 не показано). Питание светодиодный светильник получает от драйверов (на рисунке 2.21 не показано). Светодиодные чипы подключают последовательно либо последовательно-параллельно.
В процессе работы светодиодной лампы происходит нагрев конструкции за счет тепла, выделяемого р-n переходом. В представленной конструкции тепло передается посредством теплопроводности от светодиода алюминиевой плате, масляному радиатору, стеклу; стекло, масляный радиатор и алюминиевая плата охлаждаются за счет возникающей естественной конвекции - при этом стекло и радиатор охлаждаются потоками окружающего воздуха, в то время как алюминиевая плата охлаждается маслом, циркулирующим внутри радиатора (рисунок 2.22). В качестве примера площади, через которую проходит теплообмен была взята повторяющаяся площадь со свето диодом в ряду размерами 20x20 мм. Габариты светильника 350x250x70 мм. Коэффициент оребрения принят равным 6.
Методика проведения экспериментов с рассадой листового салата при 90 использовании разработанного светодиодного облучателя
В настоящее время агрокомбинаты производят досветку листового салата натриевыми лампами высокого давления. Как и в передовых агрокомбинатах России, так и в Республике Марий Эл досветку осуществляют лампами Reflux 400 или 600 Вт.
Предприятие, как было сказано в первой главе, по выращиванию салата в РМЭ – ООО «Грин-Прайс», которое специализируется на выращивании салата сортов Ромэн, Батавия.
При досветке рассады предприятие 3 недели (20 дней) от посева выдерживает салат на рассадных столах в специальных кассетах. Кассета имеет диаметр и высоту 50 мм. На рассадном столе кассеты с салатом расположены более часто, вплотную друг к другу. После рассадного стола кассеты с салатом пересаживают на гидропонный стол для взрослых растений, где салат дозревает до товарной продукции в 100±10 г. На гидропонном столе кассеты с салатом располагаются на расстоянии 200 мм друг от друга ввиду большого эффекта затенения. Данное расстояние рекомендуют и некоторые авторы [91, 95, 96].
В первые дни роста салат требователен к повышенным уровням облученности, что обеспечивается частым расположением газоразрядных ламп. Снизить энергопотребление возможно за счет применения светодиодных источников излучения в первые дни роста на рассадной камере, располагая светодиоды как можно ниже и создавая высокие уровни облученности.
В процессе исследований нами была разработана структурно-функциональная схема, обосновывающая рациональный способ облучения рассады листового салата за счет эффективного использования электрической энергии и улучшения качества листового салата (рисунок 3.8). В предлагаемой модели приняты следующие граничные условия [49]:
Следовательно, X2 – фаза развития, Х3 – качество семян. 3. Модель справедлива для условий микроклимата, поддерживаемого при выращивании листового салата. Следовательно, Х4 – характеризует питательный раствор; Х5 – влажность; Х6 – температуру воздуха; Х7 – уровень облученности и другие дополнительные факторы. В разрабатываемой модели мы принимаем все уровни этих дополнительных факторов равнозначными, но отдельно занимаемся изучением влияния способов оптического излучения на динамику роста биологического объекта.
Эксперименты проводили над салатом сорта Ромэн. Данный сорт салата в наше время особенно ценен как источник витаминов А и С, а также кальция и железа и является основной продукцией тепличного предприятия ООО «Грин-Прайс» [2, 95].
Принципиальная электрическая схема исследования показана на рисунке 3.9 [27]. Элементы, расположенные на рисунке 3.9, подробно описаны в таблице 3.5. Таблица 3.5 - Описание элементов принципиальной схемы Обозначение Наименование Количество QF1 Выключатель автоматический 3п. 1 QF2, QF3, QF4, QF5, QF6, QF7, QF8 Выключатель автоматический 1п. 7 КМ1, КМ2, КМ3 Пускатель магнитный 3 КК1 Реле тепловое 1 М Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (вентилятор радиальный) 1 SB1 Кнопка «Пуск» 1 SB2 Кнопка «Стоп» 1 ТРМ1 Измеритель-регулятор одноканальный ОВЕНТРМ1 1 Rell, Rel2 Микропроцессорное реле времени ОВЕН УТ24 2 L1 Разработанный светодиодный облучатель 1 L2, L3, L4 Натриевая лампа высокого давления Reflux400 Вт 3 Рисунок 3.9 – Принципиальная электрическая схема экспериментальных исследований Опыты были разделены на 3 части: 1. Оценка влияния интенсивности облучения рассады листового салата разработанным светодиодным облучателем на ее продуктивность в лабораторных условиях. 2. Оценка влияния интенсивности комбинированного облучения рассады листового салата разработанным светодиодным облучателем совместно с натриевыми лампами высокого давления на ее продуктивность в лабораторных условиях. 3. Оценка влияния интенсивности комбинированного облучения рассады листового салата разработанным светодиодным облучателем совместно с натриевыми лампами высокого давления на ее продуктивность в производственных условиях.
Оценка влияния интенсивности облучения рассады листового салата разработанным светодиодным облучателем на ее продуктивность в лабораторных условиях
В целях исследования влияния разработанного светодиодного облучателя на продуктивность листового салата была построена лабораторная установка, вид которой дан на рисунке 3.11 [27]. Лабораторная установка состоит из двух камер длиной 2 метра и шириной 1 метр, одна – с лампами типа ДНаЗ Reflux, другая – с разработанным светодиодным облучателем. Высота камеры составляет 2,5 метра. Стены установки оклеены алюминиевой фольгой на бумажной основе, полы – белой жестью. Установка негерметична и имеет приток воздуха как снизу, так и сверху. За счет принудительной циркуляции воздуха в установке происходит постоянный воздухообмен. Установки расположены в помещении, изолированном от солнечного света. Помещение оборудовано вентиляторами для обеспечения притока свежего воздуха, а также увлажнителями воздуха в целях поддержания оптимальных температурно-влажностных характеристик. Принципиальная схема управления оборудованием дана на рисунке 3.9.
Данное оборудование управляется микропроцессорным реле времени ОВЕН УТ24. Вентиляционное оборудование управляется контроллером температуры ТРМ 1 фирмы ОВЕН с термометром сопротивления ТСМ.50М.
Использование комбинированного облучения рассады листового салата на базе разработанного светодиодного облучателя и натриевых ламп высокого давления в лабораторных условиях
Нетрудно заметить, что листовой салат, выращенный под разработанным светодиодным облучателем, имеет хорошую динамику роста. Выглядит салат крепким и сочным. По уровню нитратов (20-й день) салат удовлетворяет требованиям [63]. Забегая вперед, скажем, что на последний день опытов листовой салат, выращенный под натриевой лампой, набирает больше нитратов [78, 134], чем под светодиодным облучателем, однако по количеству нитратов не превышает норм в обоих случаях.
Разработанный светодиодный облучатель с дозой облучения в области ФАР 100 мкмоль/м2с. При данной облученности эксперименты со светодиодным облучателем были так же остановлены на 35-й день ввиду удовлетворения салата критерию товарной продукции согласно [21]. Результаты опыта можно оценить по таблице 4.8. Таблица 4.8 - Результаты экспериментов с разработанным светодиодным облучателем
Аналогично описанным методикам проведения лабораторных опытов были проведены эксперименты со светодиодным облучателем с дозой облучения в 150 мкмоль/м2с, которые детально даны в приложении Б.
С помощью регрессионного анализа с коэффициентом детерминации R2=0,98 были получены теоретические зависимости, описывающие выход сырой биомассы листового салата G (г.) в зависимости от облученности в области ФАР Е (мкмоль/м2с) для светодиодного облучателя: G = 1,33-10 5E3 -5,95-10 3Е2-0,069Е2+0,90Е-29,50 при R2 = 0,98 (4.1) Дальнейшее увеличение дозы облучения Е на 10 %, согласно уравнению (4.1), приводит к приросту биомассы листового салата, однако не более 6 %. Увеличение дозы с 100 до 120 мкмоль/м2с (20 %) приводит к увеличению сырой биомассы только на 10 %. Считаем, что доза в 100 мкмоль/м2с является оптимальной по приросту сырой биомассы.
Аналогично построим график (рисунки 4.11) по приросту суммарной площади листа. Аналогично получим уравнения для прироста суммарной площади листьев S в зависимости от облученности в области ФАР Е (мкмоль/м2с), для светодиодного облучателя с коэффициентом детерминации R2=0,98:
Дальнейшее увеличение дозы облучения Е на 10 %, согласно уравнению (4.2), приводит к приросту суммарной площади листового салата, однако не более 8 %. Увеличение дозы с 100 до 120 мкмоль/м2с (20%) приводит к увеличению суммарной площади только на 14 %. Считаем, что доза в 100 мкмоль/м2с является оптимальной по приросту суммарной площади листьев листового салата.
Другой важной качественной характеристикой при анализе растений является сухая масса растения. Покажем зависимости сухой массы Gсух рассады от интенсивности облучения Е (мкмоль/м2с) на 20-й день от посева (усредненные значения).
Оценивая таблицы 4.14–4.15, можно сделать вывод, что салат, выращенный под разработанным светодиодным облучателем с дозой облучения в 100 мкмоль/м2с, дает хорошие результаты по приросту биомассы. Графики (рисунки 4.5–4.9) отлично показывают, что выбранная во второй главе доза искусственного облучения в 100 мкмоль/м2с обеспечивает оптимальные урожаи на 20-й от посева день. Увеличение дозы облучения на 10 % приводит к увеличению сырой массы листового салата всего на 6 %, увеличение дозы на 20 % – на 10 %. Увеличение дозы облучения на 10 % приводит к увеличению площади листьев всего на 8 %, увеличение дозы на 20 % – на 14 %. На основании этого оценим перспективность использования комбинированного облучения рассады листового салата в первые дни роста листового салата разработанным светодиодным облучателем с дозой искусственного облучения в 100 мкмоль/м2с, в последующие дни - натриевыми облучателями.
За счет изменения количества натриевых ламп изменяли дозу облучения и наблюдали за откликом салата. Старались выдерживать дозы облучения близкие к предприятию ООО «Грин-Прайс» , а именно 90-120 мкмоль/м2с.
В первой группе опытов выдерживали салат первые 20 от посева дней под светодиодным облучателем, а потом переносили под натриевые облучатели ДНаЗ Reflux с дозой в 105 мкмоль/м2с, во второй группе опытов - под дозу облучения натриевыми лампами в 120 мкмоль/м2с.
Фотография образцов салата на 20-й день: слева - салат, выращенный под ДНаЗ Reflux 400 (контроль 120 мкмоль/м2с), справа - под светодиодным светильником (100 мкмоль/м2с) Средние результаты по всем опытам сведены в таблицах 4.16 и 4.17. Таблица 4.16 - Статистические данные по опытам при переводе салата на облучение в 105 мкмоль/м2с (сырая биомасса)