Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современных технологий и оборудований для облучения растений в сооружениях закрытого грунта 12
1.1 Искусственное облучение растений и эффективный спектральный состав излучения 12
1.2 Требования к режиму искусственного облучения растений 17
1.3 Существующие облучательные установки и светильники для сооружений закрытого грунта 20
1.4 Энергоэффективность облучения растений разноспектральными источниками света 28
1.5 Способы регуляции и моделирования физиологических процессов растений с учетом различных факторов среды 32
1.6 Воздействие светодиодного облучения различного спектрального состава на семенной картофель в условиях аэропоники 36
1.7 Выводы и задачи исследований 39
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса облучения растений светодиодным светльником с регулируемым спектром излучения 41
2.1 Математическая модель роста растений 41
2.2 Способ управления ростом растений и система для ее реализации 49
2.3 Оптимизация процесса облучения растений светодиодными светильниками с регулируемым спектром излучения 58
2.4 Выводы по главе 70
ГЛАВА 3. Разработка экспериментальной светодиодной облучательной установки и методика проведенияисследований 72
3.1 Экспериментальная установка для облучения растений на базе светодиодного
светильника с регулируемым спектром излучения 72
3.2 Методика определения оптимальных спектральных характеристик светодиодного светильника 81
3.3 Выводы по главе 84
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования светодиодного светильника с регулируемым спектром излучения 85
4.1 Сравнительная оценка спектральных характеристик излучения экспериментального СДС с существующим светильником на базе НЛВД 85
4.2 Исследование влияния облучения на культуру семенного картофеля с использованием экспериментальной светодиодной облучательной установки 87
4.3 Разработка алгоритма управления светодиодными светильниками 101
4.3.1 Основные положения разработки алгоритма управления СДС 101
4.3.2 Принципы и постановка задачи при разработке алгоритма управления СДС 103
4.3.3 Алгоритм управления СДС и его структурная схема 105
4.4 Выводы по главе 113
ГЛАВА 5. Технико-экономическая оценка эффективности использования светодиодных светильников в тепличных хозяйствах Республики Башкортостан 114
Заключение 124
Литература 126
- Энергоэффективность облучения растений разноспектральными источниками света
- Способ управления ростом растений и система для ее реализации
- Методика определения оптимальных спектральных характеристик светодиодного светильника
- Разработка алгоритма управления светодиодными светильниками
Введение к работе
Актуальность темы. Многолетняя практика выращивания растений в условиях закрытого грунта показала, что одним из основных факторов, определяющих рост и развитие растений, является свет.
В последние годы подавляющее число теплиц оборудуются светильниками на базе натриевых ламп высокого давления (НЛВД). При этом наблюдается тенденция увеличения их мощности от 250 до 600 Вт и выше в связи с недостатком интенсивности излучения в красной области спектра. Отлажен выпуск ламп с зеркальным отражателем типа ДНаЗ, имеющих преимущество по световому потоку. Однако, данному типу ламп присущи серьезные недостатки -относительно не большой срок службы, который зависит от числа коммутаций, сильный нагрев при работе, глубина пульсаций излучения до 70%. Всех этих недостатков лишены современные светодиоды.
Разработка и производство в промышленных масштабах с начала 2000-х годов мощных светодиодов (СД) обеспечило появление конкурента для НЛВД. Светоотдача некоторых типов мощных светодиодов составляет 100…120 лм/Вт, что сравнимо с НЛВД - 100…115 лм/Вт.
Динамика снижения стоимости мощных СД, большой срок службы, подстройка спектральных характеристик под любые виды и сорта плодоовощных растений и зелени, возможность управления мощностью излучения обеспечивают преимущества облучательным установкам на основе светодиодов.
Степень разработанности темы. Учеными в области электрификации
сельскохозяйственного производства Л.К. Алферовой, А.М. Башиловым, И.Ф.
Бородиным, Р.Г. Бутенко, И.Р. Владыкиным, Ф.Я. Изаковым, В.Н. Карповым,
А.П. Коломийцем, Н.Ф. Кожевниковой, В.А. Козинским, О.А. Косицыным, Н.П.
Кондратьевой, В.М. Леманом, А.К. Лямцовым, В.В. Малышевым, С.А.
Овчуковой, С.А. Поповой, А.П. Примаком, Л.Г. Прищепом, Н.Н. Протасовой, С.А. Растимешиным, С.А. Ракутько, Г.С. Сарычевым, И.И. Свентицким, Д.С. Стребковым, К.А. Тимирязевым, А.А. Тихомировым, В.П. Шарупичем, С.М. Яковлевым, R. McCree, B. Singh, P. Mekkel, J. Bonnet, P. Harris, M. Fischer и другими доказана эффективность применения искусственного облучения (досвечивания) в управлении процессом формирования урожая и повышении урожайности растений.
Для досвечивания растений светодиодными светильниками (СДС) необходимо определить требуемые характеристики излучения, разработать методы и алгоритмы управления процессом облучения. Для повышения эффективности досвечивания необходимо оптимизировать режимы облучения растений. Недостаточность исследований в этой области сдерживает развитие энергосберегающих режимов облучения на базе СДС. Применение гибких и динамичных в управлении светодиодов, интегрированных с современными цифровыми технологиями, с возможностями микропроцессорной техники является актуальной, имеет научное и прикладное значение, и может дать
качественный скачок в развитии тепличных хозяйств на основе энергосбережения в процессе облучения растений в условиях закрытого грунта.
Исследования проводились в период с 2012 по 2017 гг. в соответствии с отраслевой научно-технической программой гос. регистрация №115071310048 «Микропроцессорные системы управления энергетическими установками» и госзаданием Министерства сельского хозяйства Российской Федерации на сумму 412 тысяч рублей.
Целью работы является повышение эффективности облучения растений в сооружениях закрытого грунта путем регулирования спектрального состава излучения светодиодных светильников и управления режимами досвечивания.
Объектом исследования является процесс облучения растений
светодиодными светильниками с регулируемым спектральным составом излучения.
Предметом исследования является взаимосвязь энергоемкости процесса облучения растений с энергетическими и спектральными характеристиками светодиодного светильника, воздействующего на растения в процессе роста.
Задачи исследования:
– провести анализ источников оптического излучения для облучения растений, выращиваемых в сооружениях закрытого грунта;
– разработать математическую модель роста растений, устанавливающую взаимосвязь энергоемкости процесса облучения растений с энергетическими и спектральными характеристиками светодиодного светильника;
– на основе математической модели разработать способ управления ростом растений с помощью светодиодного светильника, позволяющий подобрать наиболее благоприятный для растений спектральный состав светильника;
– создать экспериментальную светодиодную облучательную установку с регулируемым спектральным составом;
– оценить экономическую эффективность энергосберегающих мероприятий и выдать технические требования по облучению растений путем регулирования спектрального состава светодиодного светильника.
Достоверность результатов исследований.
Выводы и рекомендации по результатам диссертационной работы
сформулированы на основе теоретических положений, разработанных ведущими
учеными в области электрификации сельскохозяйственного производства.
Результаты диссертационной работы обоснованы теоретическими и
экспериментальными исследованиями.
Научная новизна заключается в том, что впервые:
– разработана математическая модель роста растений, устанавливающая взаимосвязь энергоемкости процесса облучения растений с энергетическими и спектральными характеристиками светодиодного светильника;
– предложен способ управления ростом растений, позволяющий подобрать наиболее благоприятный для роста растений спектр излучения СДС и режимы облучения растений;
– для оценки эффективности энергосберегающего облучения предложен критерий оптимизации процесса облучения по минимуму затрат на электроэнергию.
Теоретическая и практическая значимость работы.
– разработанная математическая модель позволяет оценить энергоемкость процесса облучения различными по спектральному составу источниками оптического излучения;
– предложенный способ управления ростом растений с помощью светодиодного светильника позволяет подобрать наиболее благоприятный спектральный состав излучения и режимы облучения растений, новизна которого защищена патентом РФ №2552033;
– реализация предложенного способа позволяет поддерживать
энергосберегающие режимы облучения растений и снижает затраты до 26,3%;
– создана биотехнологическая натурная модель для получения данных облучения по спектральному составу излучения, необходимых для разных растений.
– результаты исследований используются при облучении растений в лаборатории «Биохимического анализа и биотехнологий» ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ; светодиодный светильник с регулируемым спектральным составом излучения используется в производственном процессе выращивания семенного картофеля сорта Ред Скарлетт в КФХ «Агли» Чишминского района Республики Башкортостан. Отдельные результаты научной работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач
использовались теоретические основы светокультуры, метод Торнли и
вариационный подход описания процессов регуляции в физиологии растений,
теория электрических цепей, численное решение дифференциальных уравнений,
элементы математической статистики, теория активного планирования
экспериментов, обработка результатов экспериментов проводилась с
использованием программных пакетов MS Office, MathCad, Statistica.
Положения выносимые на защиту:
– математическая модель роста растений с определением энергоемкости процесса облучения растений для различных источников оптического излучения;
– способ управления ростом растений, позволяющий подобрать наиболее благоприятный спектр излучения СДС и режимы облучения для растений;
– критерий оптимизации процесса облучения растений для обеспечения энергосбережения с минимальными затратами.
Апробация результатов исследования.
Результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на научных
конференциях и конкурсах: конкурс «Умник» (Уфа 2012), Международной
научно-практической конференции в рамках XXII международной
специализированной выставки Агорокомплекс-2012 «Инновационному развитию агропромышленного комплекса – научное обеспечение» (Уфа, 2012), V всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Молодежная
наука и АПК: проблемы и перспективы» (Уфа, 2012), Всероссийская научно-
практическая конференция посвященная 85-летию со дня рождения известного
ученого растениевода и организатора науки Бахтизина Назифа Раяновича
«Энергосберегающие технологии производства продукции растениеводства»
(Уфа, 2013), Международная научно-практическая конференция «Аграрная наука
– инновационному развитию АПК в современных условиях» (Ижевск, 2013),
Международная научно-практическая конференция в рамках XXIII
международной специализированной выставки Агорокомплекс-2013 «Интеграция
науки и практики как механизм эффективного развития АПК» (Уфа, 2013), VI
всероссийская научно-практическая конференция «Наука молодых –
инновационному развитию АПК» (Уфа, 2013), LIII международная научно-
техническая конференция «Достижения науки – агропромышленному
производству» (Челябинск, 2014), Международная научно-практическая
конференция в рамках XXIV международной специализированной выставки
Агорокомплекс-2014 «Перспективы инновационного развития АПК» (Уфа, 2014),
Выставка «Фестиваль науки» (Уфа, 2014), выставка инновационных технологий в
рамках саммита ШОС и БРИКС (Уфа, 2014), Материалы Всероссийской научно-
практической конференция «Актуальные проблемы энергообеспечения
предприятий» Уфа: Башкирский ГАУ, 2015г, LVI Международная научно-
практическая конференция «Достижения науки – агропромышленному
комплексу» (Челябинск 2017).
Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе четыре работы в изданиях, указанных в «Перечне рецензируемых журналов» Минобразования и науки Российской Федерации, получен патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений.
Работа изложена на 153 страницах текста, содержит 58 рисунков, 19 таблиц и четыре приложения. Список использованной литературы включает 138 наименований, из которых 7 на иностранном языке.
Энергоэффективность облучения растений разноспектральными источниками света
Измерения спектрального состава ОИ называют спектральной фотометрией [70]. Для измерений применяются такие приборы как радиационный измеритель ФАР (фарометр), пиранометр и современные спектрорадиометры и спектрофотомеры. Приборы отличаются диапазоном измерений и чувствительностью [4,110].
С 60-х гг. 20-го столетия, с развитием вычислительной техники и качественных приборов, стали проводиться исследования воздействия отдельных спектральных полос ФАР на физиологию растений. Исследовались фотосинтетического аппарата, рост и состояние растений, под красными, синими или зелёными лучами [115, 129].
Установлено, что основные пигменты листьев хлорофиллы a и b, поглощают 80…90% энергии излучения ФАР синей и красной области спектра, каротиноиды поглощают синий свет, а зеленые лучи наиболее эффективно проникают в загущенном ценозе к нижним ярусам [126, 130]. В работе [107] предложен метод определения универсального спектра ФАР, эффективного фотосинтезного потока, при котором обеспечивается максимальный фотосинтез у большинства растений. При этом предполагается наличие тесной корреляции между величиной фотосинтеза и продуктивностью растений. Необходимость такого сопоставления обусловлена жесткими требованиями: конечная цель выращивания растений в светокультуре – это формирование урожая [115, 131].
На рисунке 1.1 представлен спектральный состав излучения, интенсивностью 10-30 Вт/м2, при котором обеспечивается максимальный фотосинтез в зеленом листе [136].
Однако, известно, что фотосинтез и накопление хозяйственно полезной биомассы при длительном воздействии облучения со смешенным спектральным составом, не всегда коррелирует. Интенсивность фотосинтеза создает лишь необходимые предпосылки для накопления урожая. Так, действие красного света на лист огурца при кратковременном воздействии дает максимальный фотосинтез, а при длительном воздействии приводит зеленый лист к гибели [115].
Накопление биомассы в конечном итоге определяет не фотосинтез, а его продуктивность, т.е. продуктивный рост, фактически накопленные сухие вещества в единицу времени.
В работе [114] предложено разделить растения на 2 группы, различающихся реакцией на «чистый» красный свет: первая группа характеризуется нарушением метаболизма и падением продуктивности, вторая группа – отсутствием аномальных изменений в метаболизме и достаточно хорошей продуктивностью. При этом предельное значение доли красного, обеспечивающего максимальную продуктивность, для разных культур отличается. На разных фазах роста и развития растений требуется различный спектральный состав излучения, но с преобладанием красных, синих и фиолетовых лучей. Роль зеленого спектра для некоторых растений (огурцы, томаты) возрастает в репродуктивный период, за счет проникновения в нижние ярусы [59, 109]. Поэтому очень важным вопросом с точки зрения восприятия растением того или иного спектра излучения является идентификация фенологической фазы роста растений.
Фенологические фазы идентифицируется по субъективным критериям. Особое внимание ученых уделяется определению момент перехода растения с вегетативной на генеративную фазу развития, при этом отмечается, что после смены фаз развития потребление энергетических ресурсов из внешней среды меняется [34, 121].
Вариационный подход трактует процесс роста растений, представляя окружающую среду в качестве резервуара питательного субстрата, или ресурс роста, который автономно уменьшается со временем. При этом скорость потребления ресурса определяется мощностью вегетативных органов (стебель, листья). [83, 116]
Физическое описание процесса роста растений по вариационному подходу Анализ схемы изображенной на рисунке 1.2 показывает, что вегетативные органы являются «полезной» частью растения, поскольку осуществляют поглощение энергии и питательных веществ из окружающей среды. Таким образом, можно сделать вывод о том, что в первую очередь для растений необходимо удовлетворять именно потребности роста стебля и листьев, а рост генеративной части, является чистым стоком, т.е. своеобразным «паразитом». Поэтому необходимо найти разумный компромисс при поддержании роста растения в вегетативной фазе и последующего переключения на генеративную фазу, обеспечением оптимального режима облучения и спектральной облученности [123, 126].
Иллюстрация оптимального момента переключения фаз (штриховая линия) представлена на рисунке 1.3 [82]. Из рисунка 1.3 следует, что биомасса генеративных органов имеет точку глобального максимума, которая зависит от момента начала их формирования.
Способ управления ростом растений и система для ее реализации
По степени важности для жизнедеятельности растений после фотосинтеза отмечают ростовые процессы, т.е. увеличение линейных размеров, скорость накопления биомассы. Поэтому при разработке математической модели за параметры характеризующие рост растений приняты длина и диаметр стебля.
Процесс роста растений часто описывается как взаимодействие четырех основных органов растений: рост листьев, рост стебля, рост корней и рост репродуктивных органов. Из этого следует, что в качестве переменных в математической модели принимаются: биомасса листьев, стебля, корней и репродуктивных органов. Внешними переменными являются интенсивность ФАР, количество воды, концентрация CO2, температура воздуха и количество необходимых для растений питательных веществ [34, 61, 62, 117].
Весь вегетационный цикл растений разделяется на две части: до (вегетативный цикл) и после (генеративный цикл) появления репродуктивных органов. Момент перехода называется бифуркацией. Считается, что в вегетативной фазе новая биомасса распределяется по листьям, стеблю и корням так, чтобы обеспечивалась максимальная скорость прироста общей биомассы до точки бифуркации, при условии, что состояние среды не меняется. В генеративной фазе образование новой биомассы направлено на рост репродуктивных органов [34, 104, 105, 106].
Для того чтобы определить начало и окончание вегетативной фазы, в течение которого предполагается изменение спектральных и энергетических характеристик облучения и с целью идентификации момента переключения с одной фазы в другую, вводятся понятия «дифференциальной энергоемкости» d и «интегральной энергоемкости» i [39, 41]. Считается, что в течение процесса выращивания растений суточное значение суммарной энергии облучения Eрад сут(j), j=1,2,…,m не изменяется и равно сумме энергий естественной и искусственной составляющих Eрад сутU) = Eсол сут(j) + Eиск сутij), J = U, ... Ш, (2.1) где Есолсут0), ЕисксутО) - естественная и искусственная составляющие энергии облучения на j-е сутки, Вт-ч/м2.
При этом значения естественной и искусственной составляющих энергии облучения являются функциями как номера суток j со дня посева, так и номера часа внутри суток, что может быть выражено следующими формулами: 24 24 Есол.сут(3) = У Есол.часі 0 ) = У Рсол .часі 0 ) " &t, j = 1 ... ТП , (2.2) І=1 І=1 24 24 Eиск.сут(J) = У Еискчасі (j) = У Fиск часi (j) At, j = 1... m, (2.3) i=i i=i где Есол.час(і), Fсол.час(j) и Еиск.час(j), Fиск.час(j) - значения почасовых энергии (Вт-ч/м2) и интенсивности (Вт/м2) естественного солнечного и искусственного излучения; j - номер суток со дня посева; At - отрезок времени равный 1-му часу. Интегральная энергоемкость t в момент времени t записывается в виде .(t) =иск.t min. (2.4) Для функции дифференциальной энергоемкости выражение записывается в виде d(t) = иск At - тій, (2.5) где Риск - затрачиваемая на производство продукции мощность, Вт; W{t) - выход продукции (биомасса), г.
Для нахождения t и sd как функции времени необходимо определить выход биомассы в зависимости от времени W(t).
В соответствии с [138] биомасса определяется по следующему выражению: Wpacr(t) = Wm(t) + Wd(t), (2.6) где, Wm(t), VKfl(t) - сухая масса меристематических и вегетативных клеток растений соответственно, г.
Биомасса меристематических клеток определяется по формуле [138]: Wm(f) = N0-a)m- ех ґ, (2.7) где iV0 - количество меристемных клеток в момент времени t = 0, шт; а)т - начальная масса меристемных клеток, г; Я - коэффициент, показывающий распределение между клетками сохранившими меристемную активность, и клетками, потерявшими способность к делению; \i - удельная скорость роста растений, сутки"1; t - время, сутки. Биомасса вегетативных клеток определяется по выражению [138] \i LV55 s s / где о)$ - сухая масса вегетативных клеток в начальный момент времени, г; / - коэффициент, показатель увеличения вегетативных клеток; S - показатель старения растения, сутки"1; \YU--,-)-YU--,-- e-st)\ неполная гамма-функция. Удельная скорость роста согласно Дж.Г.М. Торнли определяется по формуле: 1 dW " = wHF W С другой стороны, в соответствии с работой [106], удельную скорость роста за счет световой энергии с учетом предлагаемого весового коэффициента и доли облученности в і ом спектральном диапазоне определим по формуле: a-(p-WJl--krE0 И = Т , (2-Ю) 1 + a-(p-WR--krE0 V где а - начальный градиент кривой фотосинтеза, гС02 сек-1 /кал см2 мин"1), Wn- биомасса листа, г ср- площадь поверхности единицы массы листа, см2/г E0 - общая создаваемая источником величина облученности, кал см"2 мин"1 kt - коэффициент, учитывающий долю облученности в і ом спектральном диапазоне. - весовой коэффициент заданного спектрального состава облучения, учитывающий его биологическую значимость (определяется экспериментально), Є [0, 1]. Величина р в выражении (2.10) учитывает доступность воды и СО2 для фотосинтезирующих органов растения, и определяется по следующему выражению [106]:
Методика определения оптимальных спектральных характеристик светодиодного светильника
Фактическое значение расхода электроэнергии на комплементарное облучение с блока 2 и показатели производительности с блока 4 (биомасса растения и.т.д) идут на входы блоков 8 и 9 для определения дифференциальной d и интегральной i энергоемкости, далее совместно с данными блока определения дозы облучения 7 подаются в блок формирования программы облучения 10 и производится корректировка параметров циклограммы облучения.
В качестве наиболее простого примера можно привести корректировку циклограммы по суточной дозе облучения. При достижении значения суточной дозы облучения нормируемого уровня на текущие сутки, блок формирования программы облучения заканчивает выполнение программы облучения.
При достижении интегральной энергоемкости i глобального минимума, блок формирования программы облучения производит соответствующую корректировку спектрального состава излучения.
Определяя минимальное значение интегральной энергоемкости, блок 10 либо выдает сигнал к сбору урожая с дальнейшим дозариванием, либо может продолжить корректировку параметров облучения.
Как было отмечено в подразделе 1.2, красный свет 600…780 нм обеспечивает у растений высокий ростовой эффект, а синий 400…500 нм формирует утолченные короткие стебли.
В алгоритме оптимизации, при определении роста стебля растений, задаются граничные условия в отношении длины стебля к диаметру с целью контроля излишней вытянутости или тонкости стебля, которая обозначается как 6Н и сравнивается с фактическим значением 5ф. dCT н . (2.22) 8Н = т, ж — число Для оптимизации спектрального состава источника облучения вводится коэффициент завышения к3 облученности в в і ом спектральном диапазоне, при этом считается, что величина большая или меньшая заданной величины 5Н, прямо пропорциональна величине облученности в спектральном диапазоне, создающей тот или иной ростовой эффект: EKV = kKV -кэ-Е0) Вт \, (2.23) Е0 70 — (2.24) син = ксин -к3-Ео) Вт м2 Е0 70 Алгоритм оптимизации спектрального состава облучения в процессе роста в вегетативной фазе роста растения представлен на рисунке 2.10 /Ввод k,Eопт,б Нет kiEо =kiЕопт- kiEс Измерение lст, dст Расчет бф, kз ,Pэ Расчет интегральной энергоемкости Еi Eкр=kкрkзEо Eсин=kсинEо/kз Г Конец ) Eсин=kсинkзEо Eкр=kкрEо/kз Да Да Рисунок 2.10 – Алгоритм оптимизации спектрального состава излучения светодиодным светильником в процессе роста в вегетативной фазе роста растения Данный алгоритм предполагает оптимизацию спектрального состава облучения в вегетативной фазе роста, в период активного и непрерывного роста растений. Как уже отмечалось, для реализации описанной системы и алгоритма единственным подходящим источником ОИ является СДС, в связи с чем необходимо определить спектральный состав, мощность и количество светодиодов в составе СДС.
При использовании смешанного потока в зоне ФАР, в котором содержатся в определенной пропорции синяя, зеленая и красная полосы спектра, формирование урожая более эффективно [40] чем при излучении той же интенсивности, сосредоточенной в одной или двух из названных спектральных областей. Наиболее подходящий для растений спектральный состав излучения в зоне ФАР зависит от культуры, сорта растений и от спектральной интенсивности облучения в конкретной области спектра. Оптимальное спектральное соотношение ОИ при выращивании одних и тех же растений может быть различным при разных интенсивностях облучения. Так же, как и при одинаковых интенсивностях облучения для разных культур, оптимальный спектральный состав облучения также может различаться [39].
Исходя из требований, предъявляемых к искусственному облучению растений в теплицах, приведенных в подразделе 1.2, универсальный источник облучения должен иметь как минимум три спектральные полосы в зоне ФАР, при этом спектральная интенсивность в красной полосе должна быть в пределах от 40 до 75 % от общей, а зеленая и синяя полосы должны быть в диапазоне от 15 до 45 %.
В соответствии с работой [64, 70] можно более конкретно определить диапазоны длин волн излучения для каждой из трех полос, исходя из графиков спектральных кривых, представленных на рисунке 2.11.
Из рисунка 2.11 видно, что спектры поглощения лучистой энергии для растений имеют два выраженных максимума. Первый находится в синей области на длине волны около 450 нм, второй в красной области – с длиной волны около 660-670 нм. Стоит отметить, что для отдельного зеленого листа коэффициент поглощения лучистой энергии в зеленой области в среднем в 2,5 раза меньше, чем в синей и красной. Однако необходимо учитывать, что в загущенном ценозе поглощение составляющей облучения в зеленой области спектра сравнимо по эффективности с составляющими синей и красной спектральными полосами [6, 32, 116].
В существующих СДС, как правило, используются трехполосная система со следующими спектрами – красный 630 нм, зеленый 550 нм, синий 450 нм [6, 19, 27]. В работах [17, 109] показана возможность использования таких источников излучения в промышленных масштабах и которые по урожайности, срокам созревания, вкусовым качествам дают продукцию сравнимую с традиционными источниками облучения растений.
Светильники с четырьмя спектральными полосами являются более совершенными. В них реализована широкая красная область спектра с длинами волн 630 нм и 670 нм [118]. Эксперименты, представленные в работах [2], показывают, что введение излучения с длиной волны 670 нм дает существенный вклад в развитие растений и для баланса различных видов сахаров в тепличной продукции.
На рисунке 2.12 показан спектр четырехполосного СДС. Относительные показатели спектральной интенсивности излучения следующее: синий – 0,75; зеленый – 0,35; красный 630 – 0,85; красный 670 – 1,0.
Введение в состав СДС широкополосного «теплого белого света» с цветовой температурой 2700 К может способствовать дальнейшей гармонизации спектрального состава излучения светильника в связи с тем, что в нем содержится более «мягкая» синяя составляющая и расширенная спектральная полоса в желто– красной зоне, которая охватывает зону максимальной эффективности фотосинтеза на длине волны 670 нм. Необходимо также включить в состав СДС небольшую интенсивность ультрафиолетового (УФ) излучения (до 10 %) с длиной волны 380 нм [18, 20, 51]. Спектры вновь вводимых в состав СДС теплого белого и УФ светодиодов показаны на рисунке 2.13. Особое значение имеет то, что при применении в составе СДС широкополосного белого излучения, до 10 % уменьшается вклад зеленого спектра в формирование интегрального излучения СДС. Принимая во внимание то, что в разрабатываемом СДС предполагается изменение спектральной интенсивности, появляется возможность отказа от чисто зеленого спектра. При этом, энергию в этой области спектра будет обеспечивать излучение белого СД. С учетом КПД и дороговизны зеленых СД, это позволит сэкономить на стоимости СД.
Разработка алгоритма управления светодиодными светильниками
Фронтальная проекция графических зависимостей прироста длины новых участков стебля и величины диаметра этих участков (рис.4.11а) в зависимости от изменения величины красной составляющей спектра Х1 при фиксированных значениях синего спектра Х2 = [-1;0;+1], в соответствии с планом эксперимента (табл.4.4) выявляет следующие особенности. Кривые длины стебля имеют минимальные значения, которые смещаются из отрицательных параметров оси Х1 к центру эксперимента, что соответствует для Х2 = -1 имеем Х1 = -0,7, для Х2 = +1 имеем Х1 = -0,3, для Х2 = 0 имеем Х1 = -0,5. Что интересно, максимальная длина прироста замечена для пары Х2 = -1 и Х1 = +1, т.е. чем меньше синего спектра, тем больше вытягивается растение. Отсюда можно сделать вывод о том, что красный спектр способствует ускорению роста, а синий должен подавлять способность к вытягиванию, однако, минимальная длина достигнута при совсем другой паре Х2 = +1 и Х1 = var, кривая же Х2 = +1 и Х1 = var располагается между характеристиками. Делаем предположение, что синий спектр в досвечивании нужен и он должен быть больше чем центральная точка эксперимента Х2 = 0, что соответствует 60% и меньше чем максимальная точка эксперимента Х2 = +1, что соответствует 80%, т.е. это золотая середина графической интерпретации по длине стебля.
Что касается графических зависимостей развития диаметра прироста стебля, то кривые имеют максимальные точки экстремумов, причем максимальный диаметр достигается при Х2 = 0 и Х1 = -0,18. В середине располагается кривая с максимумом Х2 = -1, Х1= -0,3. И наконец, кривая зависимости диаметра от красного спектра с наименьшими значениями максимума соответствует паре Х2 = +1, Х1 = -0,1. Оптимумы второго семейства кривых также укладываются в отрицательной части эксперимента по оси Х1 и далее с увеличением Х1 диаметры по длине становятся все меньше и меньше, а значит увеличение красного спектра утончает стебель. Отсюда вытекает, что если следовать золотой середине, то необходимо выбирать пару из среднего графика семейства кривых т.е. пару Х2 = -1 и Х1 = var, в итоге получаем конфликтную ситуацию, с одной стороны для длины стебля имеем Х2= +1, Х1 = var, с другой стороны для диаметра Х2 = -1 и Х1 = var. Нельзя воспользоваться методом прямого компромисса, т.е. нельзя выбрать на оси Х2 = [-1, 0, +1] точку Х2 = 0, соответствующую центру эксперимента, т.к. при данном значении Х2 имеем максимальный диаметр и минимальную длину стебля, а это плохая геометрия стебля, не оптимальное количество заложенных клубней семенного картофеля.
Рассмотрим еще одно семейство характеристик фронтальных проекций прироста длины стебля и величины диаметра (рис. 4.11 б) в зависимости от изменения уже количества синей составляющей спектра Х2 при фиксированных значениях красного Х1 = [-1, 0, +1] в соответствии с планом эксперимента (табл. 4.4). И здесь как и на рисунке 4.11а семейство кривых прироста длины имеет вид вогнутых парабол с минимальными точками, причем минимум характеристик сместился в положительную сторону оси эксперимента Х2. И в этом семействе кривых наблюдается максимальная длина прироста в паре значений факторов Х1 = +1, Х2 = -1. А две другие характеристики практически совпадают, имеют общую точку в пересечении при синем спектре Х2 = 0 (центр эксперимента). Что касается семейства характеристик для диаметра стебля, то выгнутые кривые имеют максимумы при Х1 = 0, Х2 = -0,08 (верхняя характеристика), при Х1 = -1, Х2 = -0,1 (средняя характеристика) и при Х1 = +1 и Х2 = 0 (нижняя характеристика). И в этом случае распределение кривых не носит регуляторный характер. Это значит, что и в данном случае нельзя воспользоваться простым определением средних составляющих, поэтому метод прямого компромисса также не применим. Если взять пару Х1 = -1, Х2 = var, что соответствует среднему графику семейства кривых, то при Х1 = -1 будет минимальный прирост длины, а это нарушений правильной геометрии стебля. Так какую же пару факторов следует выбирать для оптимизации геометрии стебля?
С использованием полученных уравнений регрессии по откликам прироста длины и диаметра стебля, в ПО Mathcad рассчитаны значения откликов для множества различных сочетаний управляемых факторов X1 (интенсивность красного излучения) и Х2 (интенсивность синего излучения) (Приложение 4). Полученные результаты можно использовать в качестве параметров регулирования для алгоритма управления спектрального состава СДС в процессе роста растений.
Для оценки энергетической эффективности регулирования спектрального состава СДС проведен эксперимент с использованием полученных данных. Суть эксперимента заключается в определении спектрального состава СДС, необходимого для обеспечения и поддержания заданных (оптимальных) значений параметров роста растений и урожайности, с последующим расчетом дифференциальной и интегральной энергоемкости. В качестве заданных (оптимальных) параметров растений приняты данные полученные при облучении растений светильником на базе НЛВД мощностью 400 Вт, представленные на рисунке 1.14, при котором достигался наиболее высокий урожай.