CC BY
71
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
05.20.02 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Научная статья УДК 58.035.2
DOI: 10.24412/2227-9407-2021-11-17-27
Анализ существующих устройств и технологий для дополнительного освещения рассады
Максим Юрьевич Егоров1в, Галина Сергеевна Корнилова2
1,2Великолукская государственная сельскохозяйственная академия, Великие Луки, Россия 1 [email protected]в, https://orcid.org/0000-0001-6080-2070 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-8145-5589
Аннотация
Введение. В данной статье поднята актуальная тема выращивания рассады при недостаточном освещении. Обоснована необходимость досвечивания растений в сельскохозяйственном производстве, а именно в овощеводстве. Представлены исследования спектрального состава фотосинтетически активной радиации, его влияние на различную культуру.
Материалы и методы. Фотосинтез - сложный процесс в природе. Под воздействием окислительновосстановительных реакций солнечная энергия превращается в питательные вещества, которые необходимы растениям, животным и человеку. Например, глюкоза является единственным источником энергии для мозга и нервной системы.
Результаты. Солнечная энергия участвует в процессе фотосинтеза. Свет по природе чрезвычайно сложное явление. Это и электромагнитные волны, и частицы (фотоны) одновременно. Так, свет как физический феномен имеет ряд характеристик, присущих электромагнитным волнам, одной из которых является спектральная облученность. Без оптического излучения не происходят реакции световой и даже темновой фаз фотосинтеза. Многие ученые доказали, что на развитие, рост и морфогенез растения могут повлиять различные спектры излучения. В основном это красные и синие лучи с определенными длинами волн. Каждый спектр обеспечивает протекание фотосинтеза.
Обсуждение. В настоящее время существует множество различных установок и вместе с тем способов стимуляции растений. Все устройства и способы так или иначе выполняют одну функцию: доведение при любых сезонах года необходимого для рассады светового потока до оптимальных значений, способствующих нормальному и полноценному развитию выращиваемых растений.
Заключение. Несмотря на разнообразие установок для дополнительного освещения, остро стоит вопрос об усовершенствовании уже существующих устройств по критериям энергоэффективности и адаптивности режимов работы.
Ключевые слова: досвечивание, зеленые лучи, красные лучи, рост и развитие растений, свет, световой поток, светодиоды, синие лучи, спектр, фотосинтез, фотосинтетически активная радиация, хлоропласты, хлорофилл, электромагнитные волны
Для цитирования: Егоров М. Ю., Корнилова Г. С. Анализ существующих устройств и технологий для дополнительного освещения рассады // Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). С. 17-27. DOI: 10.24412/2227-9407-2021-11-17-27
© Егоров М. Ю., Корнилова Г. С., 2021
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
17
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX Analysis of existing devices and technologies for additional lighting of seedlings
Maksim Y. Egorov113, Galina S. Kornilova2
12Velikiye Luki's state agricultural academy, Velikie Luki, Russia 1 [email protected], https://orcid.org/0000-0001-6080-2070 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-8145-5589
Abstract
Introduction. This article raises the actual topic of growing seedlings in low light. The necessity of additional illumination of plants in agricultural production, namely in vegetable growing, is justified. Studies of the spectral composition of photosynthetically active radiation and its effect on various cultures presented.
Materials and methods. Photosynthesis is a complex process in nature. Under the influence of redox reactions, solar energy converted into nutrients that are necessary for plants, animals and humans. For example, glucose is the only source of energy for the brain and nervous system.
Results. Solar energy is involved in the process of photosynthesis. Light is an extremely complex phenomenon by nature. These are both electromagnetic waves and particles (photons) at the same time. Thus, light as a physical phenomenon has a number of characteristics inherent in electromagnetic waves, one of which is the spectral irradiance. Without optical radiation, the reactions of the light and even dark phases of photosynthesis do not occur. Many scientists have proved that different radiation spectra can affect the development, growth and morphogenesis of a plant. Basically, these are red and blue rays with certain wavelengths. Each spectrum ensures the course of photosynthesis. Discussion. Currently, there are many different installations and at the same time ways to stimulate plants. All devices and methods somehow perform one function: bringing the light flux necessary for seedlings to optimal values for any seasons of the year, contributing to the normal and full-fledged development of the grown plants.
Conclusion. Despite the variety of installations for additional lighting, there is an urgent question of improving existing devices according to the criteria of energy efficiency and adaptability of operating modes.
Keywords: additional illumination, green rays, red rays, plant growth and development, light, luminous flux, LEDs, blue rays, spectra, photosynthesis, photosynthetically active radiation, chloroplasts, chlorophyll, electromagnetic waves
For citation: Egorov M. Y., Kornilova G. S. Analysis of existing devices and technologies for additional lighting of seedlings // Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 7-17. (In Russ.). DOI: 10.24412/2227-9407-2021-11-17-27
Введение
В России овощеводство занимает одно из ведущих мест среди отраслей сельского хозяйства. Капитальные зимние теплицы расположены в Центральном, Приволжском и Южном федеральных округах РФ, а весенние - в Сибирском. Срок эксплуатации российских теплиц, как правило, равен 30-35 лет. Моральный и физический износ основных фондов составляет более 70 % [1, c. 34].
В настоящее время существуют 82 % устаревших, 13 % реконструированных и 5 % новых теплиц. Согласно госпрограмме «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы» имеется возможность возмещения затрат на энергоресурсы до 20 %, что позволяет повысить рентабельность тепличной продукции. Так, к 2020 году Министерство сельского хозяйства России планирует увеличить площади капитальных
теплиц до 5 тысяч гектаров. Согласно данным ассоциации «Теплицы России», уже в 2017 году общая площадь теплиц выросла почти на 10 % за счет ввода в эксплуатацию новых теплиц1.
Требования, предъявляемые к теплицам, представлены в своде правил СП 107.13330.2012 «Теплицы и парники» от 01 января 2013 года. Данные сооружения относятся к категории Д (сооружения с пониженной пожароопасностью) и к V степени огнестойкости и ненормируемому пределу огнестойкости строительных конструкций.
В соответствии с ГОСТ Р 54257 теплицы и парники относятся ко II уровню ответственности по надежности строительных конструкций и оснований. Как правило, срок полезного использования теплицы составляет семь лет.
В нормативном документе СНиП 2.10.04-85 «Теплицы и парники» от 09 июля 1985 года указаны правила, нормы и требования для электротехниче-
18
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
ских устройств. Их следует проектировать в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ).
Категория электроприемников по обеспечению надежности электроснабжения теплиц и парников принимается в соответствии с требованиями норм технологического проектирования. В коридорах теплиц предусматривают искусственное освещение люминесцентными лампами, при этом освещенность на уровне пола должна составлять не менее 10 Лк.
Создание и строительство новых парников и теплиц требует от инженеров решения множества задач. В частности, необходима разработка современных энергосберегающих технологий, которые позволят снизить затраты на теплицы, а следовательно, и уменьшат затраты на производство овощной продукции. Одним из важнейших направлений научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ здесь является разработка энергоэффективных источников света и способов облучения растений. Это связано с тем, что в зимне-весенний период в теплицах свет является одним из основных и важных факторов, которые воздействуют на рост и развитие растений.
Однако в настоящее время становится популярным выращивание рассады в домашних условиях. В особенности это касается российских огородников и дачников. Но, к сожалению, не во всех природноклиматических зонах РФ зимой можно заниматься разведением рассады. Связано это с тем, что интенсивность и продолжительность действия солнечной радиации на различных территориях Российской Федерации существенно отличаются. Так, на севере нашей страны суммарный доходящий до растений поток солнечной энергии в среднем за год составляет 60 ккал/см2, а на юге - 120 ккал/см2. Поэтому возникает необходимость в дополнительном освещении. Ведь недостаточное количество света приводит к нарушению процессов фотосинтеза растений, что негативно отражается на корневой системе.
Материалы и методы
Известно, что фотосинтез играет важнейшую роль в жизни растений. Растения имеют плоскую и широкую листовую пластину, прозрачную кожицу, благодаря которой свет проникает внутрь листа. В хлоропластах образуется пигмент хлорофилл. Он придает растению зеленую окраску и улавливает энергию света, необходимую для образования органических веществ.
Под действием энергии света в хлоропластах из неорганических (СО2 и Н2О) веществ образуются
кислород (О2), как побочный продукт реакции, и органическое вещество - глюкоза (С6Н12О6). Данный процесс описывается следующей формулой:
6 С02 + 6Н20 - (С6я1206) + 02. (1)
При фотосинтезе в растениях, в том числе относящихся к сельскохозяйственным культурам, образуются глюкоза и крахмал. Глюкоза является важнейшим органическим соединением, которое необходимо для обеспечения дыхания и питания, а крахмал — запасом питательных веществ.
Различают две фазы процесса фотосинтеза: световая (светозависимая) и темновая. Световая происходит с участием квантов света, а темновая протекает одновременно со световой, только в других отделах хлоропласта.
Световая фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов. Фотон света, попадая на хлорофилл, возбуждает его и происходит выделение электронов, имеющих, как известно, отрицательный заряд, и их скопление на мембране. После того, как хлорофилл потерял все свои электроны, кванты света продолжают воздействовать на воду и хлорофилл, вызывая фотолиз:
(2)
Положительно заряженные протоны водорода (ионы водорода) накапливаются на внутренней мембране тилакоида.
Гидроксильные ионы идут на производство кислорода:
4 0 Н - 02 + 2 Н20 . (3)
Когда количество протонов водорода и электронов достигает максимума, запускается специальный переносчик - АТФ-синтаза. Он выталкивает протоны водорода в строму. Затем их подхватывает специальная молекула - НАДФ.
Прохождение протонов водорода через АТФ-синтазу сопровождается синтезом молекул АТФ из АДФ и фосфата. На этом световая фаза фотосинтеза заканчивается, а НАДФН+ и АТФ переходят в тем-новую фазу.
Результатом реакций при темновой фазе фотосинтеза является восстановление поглощенного СО2 при помощи НАДФН+ и АТФ из световой фазы, а еще - синтез сложных органических веществ.
В результате реакций СО2 большинство сельскохозяйственных культур, произрастающих в умеренном климате, образуют дифосфоглицериновую кислоту (С3Н8О10Р2). Такие растения, у которых процесс фотосинтеза протекает в клетках мезофилла, принято называть С3 растениями. В ходе реакций С3-фотосинтеза (цикл Калвина) образуется
19
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
глюкоза. Для построения одной молекулы (С6Н12О6) затрачивается шесть молекул СО2, восемнадцать молекул АТФ, двенадцать НАДФН+ и двадцать четыре протона (иона водорода)2.
Свет воздействует на молекулу хлорофилла, формирует структуру хлоропластов, активизирует ряд ферментов, стимулирует биосинтез белков и нуклеиновых кислот. Свет влияет на газообмен, деление и растяжение клеток, ростовые процессы и на развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения.
В физической оптике свет - это электромагнитное излучение, которое видит человек. В светотехнике же свет является не только электромагнитной волной, но и потоком частиц (квантов или фотонов). Таким образом, свет обладает свойством дуализма.
Свет - это видимая область оптического излучения. Видимые лучи состоят из лучей разной окраски и имеют длины волн в диапазоне 380-780 нм. Традиционно видимый спектр делят на семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.
Одной из главных характеристик светового излучения, в контексте его воздействия на какую-либо поверхность или объект, является спектральная плотность облученности . Она представляет собой отношение облученности АЕ, соответствующей узкому участку спектра АЛ, к длине этого участка [2, с. 170]:
вХ
АЕ
АЛ
(4)
Спектральная облученность измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2).
Результаты
Ряд лучей солнечного спектра влияет на процесс фотосинтеза, ускоряя или замедляя его протекание. Эти лучи принято называть фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Наиболее активными среди ФАР являются ультрафиолетовые (380-400 нм), сине-фиолетовые (400-450 нм) и оранжево-красные (650-680 нм). Меньше всего поглощаются желто-зеленые (500-580 нм) и почти не поглощаются инфракрасные.
С шестидесятых годов двадцатого века активно стали исследовать реакцию растений и процессы в них при искусственной освещенности. Зарубежные ученые выяснили, что 80-90 % поглощаемой хлорофиллом энергии света приходится на синюю и красную области спектра ФАР [3, с. 17].
А. А. Тихомиров и И. А. Шульгин в своих научных работах доказывали влияние спектров ФАР на физиологию растений. Ими установлено, что наиболее эффективными в фотосинтезе пшеницы были зеленые и красные лучи интенсивностью 100 и 600 Вт/м2 соответственно. Синие лучи с такой интенсивностью излучения не оказали существенного влияния на процесс фотосинтеза культуры [4].
В диссертации И. И. Каримова «Повышение эффективности облучения растений с использованием светодиодных светильников в сооружениях закрытого грунта (на примере семенного картофеля)» отмечено, что максимальный фотосинтез в зеленом листе обеспечивается при спектральном излучении красного и синего цветов интенсивностью 10-30 Вт/м2 [5]. По его мнению, в репродуктивный период некоторых растений, например томатов, зеленый свет также необходим, как и лучи, приближенные к ультрафиолетовому излучению.
И. И. Каримов определил, что спектры изучения обеспечивают протекание фотосинтеза, но оказывают различное физиологическое воздействие на растения. Синие лучи (длина волны 380-500 нм) создают условия для регуляции толщины и плотности листьев и стебля, а красные (длина волны 600-700 нм) - для регуляции процессов роста стебля.
В статье «Облучатели для растениеводства с люминесцентными лампами низкого давления и светодиодами» сотрудники ООО «Воля» С. С. Распопов и В. И. Седов представили результаты сравнения ламп ЛЛНД ЛФУ 30 и ЛФ 40-4 при выращивании растений на ранней стадии развития. На примере огурца сорта Успех выяснилось, что сухая масса рассады огурца, выращенного под лампой ЛФУ 30, была в 1,8 раза больше, чем под лампой ЛФ 40-4 [6, с. 43].
Установлено, что облучатели марки СДС 04 со светодиодами общей мощностью 192 Вт имеют преимущества перед люминесцентными лампами. Это и срок службы до 50 000 часов, и отсутствие инфракрасного излучения. Спектр излучения светодиодов находился в диапазоне 450-660 нм, что соответствует красному и синему цвету спектра видимой области оптического излучения. На примере пекинской капусты было установлено, что фитотрон ФСД 01 с облучателем СДС 04 позволяет при облучении в течение 72 дней по 13 часов в сутки интенсифицировать процесс выращивания растений [6, с. 44].
20
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
В диссертации «Повышение эффективности облучения меристемных растений картофеля светодиодными (LED) фотоустановками» Р. Г. Большин исследовал воздействие светодиодного светильника на картофель и установил, что наиболее благоприятным спектральным составом является синекрасный. Применение такого досвечивания позволило улучшить качество картофеля сорта Ладожский на 10.. .15 %. Экономия электрической энергии составила 40-50 % [7, с. 17].
Исследования, проводимые нами на кафедре «Механизация животноводства и применение электрической энергии в сельском хозяйстве» Великолукской ГСХА, доказывают эффективность применения светодиодного досвечивания для зеленых культур [8, с. 155]. Так было установлено, что на фоне дефицита освещения растения находились в угнетенном состоянии, отчего, в конечном итоге, урожайность их была крайне мала (рис. 1).
Обсуждение
Рассмотрим существующие на сегодняшний день устройства для дополнительного освещения растений. В своей научной работе И. И. Каримов дал описание экспериментальной аэропонной установки со светодиодными светильниками мощностью 162 Вт [9].
На фотографиях рисунка 2 представлена установка И. И. Каримова с образцами, полученными в ходе эксперимента. Для опыта применялись светодиоды разных спектров: 48 белых, 24 красных (630-640 нм), 48 длинноволновых красных (640-660 нм), 36 синих (440-460 нм), 6 ультрафиолетовых (380-400 нм).
В качестве исследуемого растения был выбран картофель сорта Ред Скарлетт. Спектральный состав формируемого оптического излучения не менялся до конца вегетации растений. Облучение, созданное светодиодами, происходило в течение двух суток.
Контроль
Рис. 1. Влияние синего и красного спектров излучения на салат Московский парниковый Fig. 1. The influence of blue and red radiation spectra on the Moscow Greenhouse salad Источник: разработано авторами на основании данных [8, с. 157]
Рис. 2. Экспериментальная установка с СДС Fig. 2. The experimental installation with VTS Источник: разработано авторами на основании данных [9, с. 88]
21
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
В результате опыта И. И. Каримов установил, что погрешность между его теоретическими (ожидаемыми, прогнозируемыми) и полученными в результате эксперимента значениями длины и диаметра стеблей картофеля составила 5 %.
Таким образом, применение экспериментальной установки с определенным количеством светодиодных светильников разных спектров позволило получить прирост биомассы картофеля в 3 раза по сравнению с контрольной посадкой, при этом интегральная энергоемкость снизилась в 4 раза.
Главным достоинством предлагаемого И. И. Каримовым способа облучения рассады является то, что он подходит для стимуляции жизнедеятельности любых тепличных культур (огурцы, томаты, перцы, цветы и т. д.). Ещё одним достоинством его облучательной установки является возможность управления микроклиматом и процессами облучения. К недостаткам же можно отнести то, что данная установка занимает достаточно большую площадь помещения и потому не даёт возможности выращивать культуру в домашних условиях. Суммарная мощность представленного ранее спектрального состава облучения потребует огромных затрат на электроэнергию, что для дачников и огородников может быть с большой долей вероятности экономически нецелесообразным. Пожалуй, это самые главные выявленные нами недостатки установки И. И. Каримова.
На рисунке 3 изображена схема устройства для выращивания растений С. С. Распопова и
В. И. Седова [10]. Светильники из люминесцентных фитоламп или планок со светодиодами создают дополнительное освещение.
Функционирование полезной модели происходит следующим образом. На полу 9 в поддонах 11 размещаются горшки 10 с семенами или рассадой растений 12. Над ними размещаются горизонтально посредством цепочек 4 подвесные светодиодные лампы, направляющие 5 с закрепленными на них линейками светодиодов 6.
Если в камере для выращивания располагается рассада, то одновременно включается и нижний ярус 8 светодиодных линеек 6. По мере роста растений 12 подвесные лампы поднимаются, а также подключаются дополнительные ярусы 8, благодаря чему выращиваемые растения получают необходимое количество световой энергии.
Отличительным признаком данного устройства является возможность размещения поддона с растениями на дополнительных ярусах, а недостат-
ком - предназначение в основном для высокорослых растений, сложность регулировки осветительных приборов по высоте и ширине растений.
Рис. 3. Вид сбоку на устройство для выращивания растений: 1 - нижние и верхние прямоугольные обвязки; 2 - стойки; 3 - съемные боковые стенки;
4 - цепочки; 5 - светодиодные лампы; 6 - линейки светодиодов; 7 - фитолампа; 8 - дополнительные ярусы; 9 - пол; 10 - горшок; 11 - поддоны;
12 - растения
Fig. 3. Side view of the device for growing plants:
1 - lower and upper rectangular straps; 2 - racks;
3 - removable side walls; 4 - chains; 5 - LED lamps;
6 - LED bars; 7 - phytolamp; 8 - additional tiers;
9 - floor; 10 - pot; 11 - pallets; 12 - plants Источник: разработано авторами на основании данных [10, с. 4]
Разработанное нами устройство для досвечи-вания рассады [11] представлено на рисунке 4. Эффект дополнительного освещения достигается за счет использования ряда светодиодов с двумя режимами досвечивания и с различной длиной волны излучения:
• красное излучение с длиной волны 660 нм в период времени с 6:00 до 10:00 и с 18:00 до 22:00;
• синее излучение с длиной волны 440 нм в период времени с 10:00 до 18:00.
Принцип действия осуществляется следующим образом. Кронштейн 5 станочного плато со светодиодами 4 с зажимным шарниром 6 крепится на подоконнике струбциной 7. По мере роста и развития растений высота светильника 3 регулируется с помощью рукоятки 8. При достижении растениями значительной высоты к основному светильнику
22
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
добавляются два боковых светильника для освещения растительной массы по бокам.
Рис. 4. Схема устройства для досвечивания рассады: 1 - подоконник; 2 - поддоны; 3 - алюминиевое плато; 4 - светодиодный светильник; 5 - кронштейн;
6 - шарнир; 7 - струбцина; 8 - рукоятка Fig. 4. Scheme of the device for additional illumination of seedlings: 1 - windowsill; 2 - pallets;
3 - aluminum plate; 4 - LED lamp; 5 - bracket;
6 - hinge; 7 - clamp; 8 - handle Источник: разработано авторами на основании данных [11, с. 4]
Достоинством данной установки является включение облучения совместно с образованием всходов растений, а также независимое переключение светодиодов на синий или красный длины волн излучения благодаря подключенному микроконтроллеру.
Плоские основы светильников не позволяют осуществить равномерную освещенность при до-свечивании рассады по всему ее периметру. Данная установка позволяет восполнять свет только в домашних условиях. Для использования установки в больших масштабах (в закрытых грунтах) потребуется корректировка количества светодиодов.
А. А. Фокин и А. Н. Попов разработали экспериментальную установку [12]. С помощью контроллера ВМ-8036 они планируют имитировать естественное солнечное излучение.
На рисунке 5 изображена схема светодиодного светильника со спектром излучения, близким к солнечному свету. Светодиоды красного и синего спектров излучения по 10 штук приклеены на алюминиевый радиатор прямоугольной формы.
Рис. 5. Общий вид экспериментальной светодиодной установки Fig. 5. General view of the experimental LED installation
Источник: разработано авторами на основании данных [12, с. 118]
Трансформатор напряжения питает светодиодный светильник, генератор прямоугольных импульсов и блоки управления светодиодами. Благодаря этому, в определённое время суток светодиоды начинают поочерёдно включаться, а ближе к вечеру - начинают поочерёдно выключаться.
Данная разработка позволит определить оптимальные режимы работы светодиодных светильников для досвечивания растений в сооружениях защищенного грунта. Достоинством установки также является поддерживание теплового режима контроллером ВМ-8036. В случае понижения температуры данный прибор подает питание на магнитный пускатель, с которого напряжение подается на ЛАТР, а затем на нагревательный элемент.
Недостатком экспериментального светодиодного светильника является отсутствие регулировки высоты по мере развития и роста всходов рассады, что неудобно для выращивания взрослых культур (томатов, огурцов и других).
На рисунке 6 изображен светодиодный фитоинкубатор Маркова В. Н. [13]. В данной установке применены светодиоды преимущественно с красным и синим спектрами излучения.
Установка устроена следующим образом. Над рассадой растений 1, высаженной на стеллаже 2, установлено защитное покрытие 3, корпус которого выполнен из прозрачного материала. Источники света, выполненные на светодиодах, располагают на плоских печатных платах 4 в верхней части внутри
23
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
покрытия 3 и по двум прилегающим параллельным боковым поверхностям так, чтобы центральные оси световых потоков светодиодов были направлены вниз на растения и с двух его сторон.
Преимуществом данной установки является возможность регулирования светового потока в зависимости от внешней освещенности и высоты растений, простота и надежность конструкции, а недостатком - невозможность использования в домашних условиях из-за большого размера установки.
Рис. 6. Схема светодиодного фитоинкубатора:
1 - растения; 2 - стеллаж; 3 - покрытие;
4 - плоское печатное плато Fig. 6. Scheme of the LED phytoincubator:
1 - plants; 2 - rack; 3 - cover; 4 - flat printed plate Источник: разработано авторами на основании данных [20]
В производстве, как правило, российские теплицы оснащены высокоэффективными облучатель-ными устройствами. В настоящее время используют облучатель с лампой типа ДРВ-750, ДРЛ-2000, а также облучатель ОТ-400, облучатель серии ФО-ТОС с лампой типа ДРИ. Расстояние между ними и высота их подвески определяются расчетом.
За рубежом также остро стоит вопрос о дополнительном освещении при выращивании различных культур [14; 15]. В Украине, Белоруссии, Латвии и других соседних странах при выращивании культуры в зимнее время применяются традиционно натриевые лампы высокого давления. Светодиодные светильники используются для разведения овощных культур, так как досвечивание данной культуры требует, чтобы светодиоды располагались на определенной высоте, обычно это 4 м над растениями [16].
Голландская фирма «Луминайд» в 2020 году предложила систему для досвечивания ежевики. Благодаря новому расположению линз и оптимизиро-
ванному спектру светильники не требуется размещать между растениями. Светодиодные светильники висят над верхушками растений, но при этом свет попадает не только на верхние листья, как это происходит в случае натриевых ламп, но и на нижние [18].
Финская фирма «Хортилюкс» создала цифровую платформу HortiSense. Данная система отслеживает срок службы светодиодных ламп, контролирует весь процесс досвечивания, а также измеряет и показывает температуру в панелях [19].
В США, как и в России, численность людей, которые занимаются выращиванием рассады, увеличивается. Это связано с ростом потребности в натуральных качественных овощах и фруктах. Разработанная фирмой «GrowFlux» система освещения предположительно снизит потребление энергии городских теплиц на 20-30 %. Помимо этого, фирма проектирует датчики, которые смогут отследить факторы, влияющие на рост сельскохозяйственных культур. Например, уровень углекислого газа, влажности и температуры [21; 22].
Заключение
1. В настоящее время актуальной задачей сельского хозяйства является создание благоприятных условий для выращивания сельскохозяйственных культур. Это касается производства продукции в теплицах и парниках, бизнеса начинающих фермеров и дачников.
2. Процесс фотосинтеза зависит от интенсивности светового потока и продолжительности его действия. В результате реакций, которые происходят в световой и темновой фазах фотосинтеза, происходит образование сложных органических веществ.
3. Многочисленные исследования спектрального состава фотосинтетически активной радиации, выполненные отечественными и зарубежными учеными, доказывают, что синие и красные лучи спектра излучения однозначно положительно влияют на растения, интенсифицируя их развитие и улучшая в конечном итоге их питательные свойства для человека и сельскохозяйственных животных. Причем каждый вид растительных культур требует различного сочетания интенсивностей и продолжительностей указанных излучений.
4. Представленные в данной статье устройства позволяют восполнить необходимый растениям свет. Но на рост, развитие и урожайность растений влияет не только свет, но и температурный режим, полив, влажность и другие важные факторы. В связи с этим остро стоит вопрос о совершенствовании уже созданных устройств и технологий выращивания рассады.
24
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
Примечания:
1 Материалы сайта Agricons [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://agricons.ru/ru/publikatsii/pressa-o-nas/287-top-11-teplits-rossii-v-strane-proizveden-million-tonn-ovoshchej (дата обращения 22.09.2021).
2 Материалы сайта Rosuchebnik [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://rosuchebnik.ru/material/fotosintez/ (дата обращения 22.09.2021).
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Галиуллин Р. Р., Каримов И. И. Эффективность использования светодиодных светильников в тепличных хозяйствах // Журнал УГУЭС. 2016. Т. 12. № 1. С. 34-39.
2. Ракутько С. А., Ракутько Е. Н. Влияние спектрального состава излучения на энергоэкологичность светокультуры // Известия СПбГАУ. 2019. № 54. С. 168-174.
3. Chen C. C., Huang W. D., Huang M. Y., Yang C. M., Lin K. H., Wong S. L. Effects of light quality on the growth, development and metabolism of rice seedlings (oryza sativa l) // Research Journal of Biotechnology. 2014. V. 9. Issue 4. P. 15-24.
4. Червинский Л. С., Луцак Я. М. Обоснование влияния спектрального состава источников световой энергии на жизнедеятельность растений в сооружениях закрытого грунта // Инновации в сельском хозяйстве. 2014. № 4 (9). С. 62-64.
5. Каримов И. И. Повышение эффективности облучения растений с использованием светодиодных светильников в сооружениях закрытого грунта (на примере семенного картофеля) : автореферат дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Троицк, 2017. 20 с.
6. Седов В. И. Распопов С. С., Глаголева А. А., Боев Э. И. Облучатели для растениеводства с люминесцентными лампами низкого давления и светодиодами // Журнал НИИ ОЗГ. 2010. № 1. С. 42-46.
7. Большин Р. Г. Повышение эффективности облучения меристемных растений картофеля светодиодными (LED) фитоустановками : автореферат дисс. на соиск. уч. ст. канд.техн.наук. Москва, 2016. 20 с.
8. Корнилова Г. С., Карасева. Т. Н. Применение светодиодного досвечивания для выращивания зелени в домашних условиях // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве. Великие Луки. 2021. С.155-158.
9. Каримов И. И., Яковлев С. М. Оптимизация расхода электроэнергии на освещение теплиц на основе светодиодных технологий // Инновационное развитие агропромышленного комплекса. Уфа. 2012. С. 20-22.
10. Распопов С. С., Седов В. И. Патент 121989 U1 РФ. Установка для выращивания растений (варианты); заявл. 12.07.2012; опубл. 20.11.2012, Бюл. № 32.
11. Шилин В. А., Герасимова О. А., Соловьев С. В., Егоров М. Ю., Максимов Г. В. Патент 193513 U1 РФ. Установка для досвечивания рассады; заявл. 07.02.2019; опубл. 31.10.2019, Бюл. № 30.
12. Фокин А. А., Попов А. Н. Установка для экспериментального исследования влияния параметров светового излучения на растения // Вестник МГАУ. 2012. № 2. С. 117-121.
13. Марков В. Н. Патент 61984 U1 РФ. Светодиодный фитоинкубатор (устройство); заявл. 07.11.2006; опубл. 23.03.2007, Бюл. № 8.
14. Guo J., Wang J., Li H., Ji Y. A new asymmetric spectrum assignment method to improve spectrum efficiency for spectrum-sliced optical network // Optical Fiber Technology. 2013. V. 19. Issue 6. Part A. P. 565-573.
15. Olle M., Virsile A. The effects of light-emitting diode lighting on greenhouse plant growth and quality // Agricultural and Food Science. 2013. V. 22. Issue 2. P. 223-234.
16. Джумаев Б. Б., АтоевМ. Х., Хамроева Х. М., Абдуллаев А. Фотосинтез и фотосинтетический метаболизм углерода у разных сортов бобовых растений в условиях засухи // Известия АН РТ. 2019. № 2 (205). С. 28-33.
17. Ракутько С. А., Ракутько Е. Н. Оценка равномерности поверхностного распределения потока излучения как фактора энергоэффективности светокультуры // Вестник Мордовского университета. 2021. Т. 31. № 3. С. 470-486.
18. Яковлев А. Н., Упадышева И. Н., Корепанов В. И., Туранов С. Б. Влияние спектрального состава светодиодного источника света на развитие тепличных образцов салата // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики. Саранск. 2015. С. 71-78.
19. Мартиросян Ю. Ц., Мартиросян Л. Ю., Кособрюхов А. А. Динамика фотосинтетических процессов в условиях переменного спектрального облучения растений // Сельскохозяйственная биология. 2019. Т. 54. № 1.
С. 130-139.
25
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
20. Валеев Р. А., Кондратьева Н. П., Кондратьев Р. Г. Светодиодные облучательные установки для ме-ристемных растений // Известия МААО. 2013. № 16. Т. 1. С. 23-25.
21. Xiaolong G., Mo Z., Xian L., Ce S., Ying L., Changbin S. Effects of led light quality on the growth, metabolism, and energy budgets of haliotis discus discus // Aquaculture. 2016. V. 453. P. 31-39.
22. Xu D.-Q., Gao W., Ruan J. Effects of light quality on plant growth and development // Zhiwu Shengli Xuebao. 2015. V. 51. Issue 8. P. 1217-1234.
Статья поступила в редакцию 24.08.2021; одобрена после рецензирования 20.09.2021;
принята к публикации 23.09.2021.
Информация об авторах:
М. Ю. Егоров - к.т.н., доцент, Spin-код: 3327-5599;
Г. С. Корнилова - магистрант, Spin-код: 7551-2052.
Заявленный вклад авторов:
Егоров М. Ю. - научное руководство, формулирование основной концепции исследования, критический анализ и доработка текста.
Корнилова Г. С. - подготовка текста статьи, верстка и форматирование работы, сбор и обработка материалов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Galiullin R. R., Karimov I. I. Effektivnost' ispol'zovaniya svetodiodnykh svetil'nikov v teplichnom kho-zyaystve [The efficiency of using LED lamps in the greenhouse industry], Zhurnal UGUES [Journal of UGUES], 2016, Vol. 12, No. 1, pp. 34-39.
2. Rakut'ko S. A., Rakut'ko Ye. N. Vliyaniye spektral'nogo sostava izlucheniya na energoekologichnost' sveto-kul'tury [Influence of the spectral composition of radiation on the energy-ecological compatibility of light-culture], Izvestiya SPbGAU [Tidings SPbGAU], 2019, No. 54, pp. 168-174.
3. Chen C. C., Huang W. D., Huang M. Y., Yang C. M., Lin K. H., Wong S. L. Effects of light quality on the growth, development and metabolism of rice seedlings (oryza sativa l), Research Journal of Biotechnology, 2014, Vol. 9, Issue 4, pp. 15-24.
4. Chervinskiy L. S., Lutsak Ya. M. Obosnovaniye spektral'nogo sostava istochnikov svetovoy energii na zhiznedeyatel'nost' rasteniy v sooruzheniyakh zakrytogo grunta [Justification of the spectral composition of light energy sources on the vital activity of plants in greenhouses], Innovatsii v sel'skom khozyaystve [Innovations in agriculture], 2014, No. 4 (9), pp. 62-64.
5. Karimov I. I. Povysheniye effektivnosti oblucheniya rasteniy s ispol'zovaniyem svetodiodnykh sve-til'nikov v sooruzheniyakh zakrytogo grunta (na primere semennogo kartofelya) [Increasing the efficiency of irradiation of plants using LED lamps in indoor facilities (for example, seed potatoes). Dr. Sci. (Engineering) thesis], Troitsk, 2017, 20 p.
6. Sedov V. I. Raspopov S. S., Glagoleva A. A., Boyev E. I. Obluchateli dlya rasteniyevodstva s lyuminestsent-nymi lampami nizkogo davleniya i svetodiodami [Irradiators for crop production with low-pressure fluorescent lamps and LEDs], Zhurnal NIIOZG [Journal of Scientific Research Institute of OZG], 2010, No. 1, pp. 42-46.
7. Bol'shin R. G. Povysheniye effektivnosti oblucheniya meristemnykh rasteniy kartofelya svetodiodnymi (LED) fitoustanovkami [Increasing the efficiency of irradiation of potato meristem plants with light-diode (LED) phytoinstallations. Dr. Sci. (Engineering) thesis], Moscow, 2016. 20 p.
8. Kornilova G. S., Karaseva T. N. Primeneniye svetodiodnogo dosvechivaniya dlya vyrashchivaniya ze-leni v domashnikh usloviyakn [The use of LED supplementary lighting for growing greenery at home], Nauchno-tekhnicheskiy progress v sel'skokhozyaystvennom proizvodstve [Scientific and technical progress in agricultural production], Velikiye Luki, 2021, pp. 155-158.
9. Karimov I. I., Yakovlev S. M. Optimizatsiya raskhoda elektroenergii na osveshcheniye teplits na os-nove svetodiodnykh tekhnologiy [Optimization of electricity consumption for lighting greenhouses based on LED technologies], Innovatsionnoye razvitiye agropromyshlennogo kompleksa [Innovative development of the agroindustrial complex], Ufa, 2012, pp. 20-22.
26
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 17-27. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
10. Raspopov S. S., Sedov V. I. Patent 121989 U1 RF. Ustanovka dlya vyrashchivaniya rasteniy (varianty) [Plant for growing plants (options)], zayavl. 12.07.2012; opubl. 20.11.2012, Byul. No. 32.
11. Shilin V. A., Gerasimova O. A., Solov'yev S. V., Yegorov M. Yu., Maksimov G. V. Patent 193513 U1 RF. Ustanovka dlya dosvechivaniya rassady [Installation for supplementary lighting of seedlings], zayavl. 07.02.2019; opubl. 31.10.2019, Byul. No. 30.
12. Fokin A. A., Popov A. N. Ustanovka dlya eksperimental'nogo issledovaniya vliyaniya parametrov svetovo-go izlucheniya na rasteniya [Installation for experimental study of the effect of light radiation parameters on plants], VestnikMGAU [BulletinMGAU], 2012, No. 2, pp. 117-121.
13. Markov V.N. Patent 61984 U1 RF. Svetodiodnyy fitoinkubator (ustroystvo) [LED phytoincubator (device)], zayavl. 07.11.2006; opubl. 23.03.2007, Byul. No. 8.
14. Guo J., Wang J., Li H., Ji Y. A new asymmetric spectrum assignment method to improve spectrum efficiency for spectrum-sliced optical network, Optical Fiber Technology, 2013, V. 19, Issue 6, Part A, pp. 565-573.
15. Olle M., Virsile A. The effects of light-emitting diode lighting on greenhouse plant growth and quality, Agricultural and Food Science, 2013, Vol. 22, Issue 2, pp. 223-234.
16. Dzhumayev B. B., Atoyev M. Kh., Khamroyeva Kh. M., Abdullayev A. Fotosintez i fotosinteticheskiy me-tabolizm ugleroda u raznykh sortov bobovykh rasteniy v usloviyakh zasukhi [Photosynthesis and photosynthetic metabolism of carbon in different varieties of leguminous plants under drought conditions], Izvestiya ANRT [Bulletin AN RT], 2019, No. 2 (205), pp. 28-33.
17. Rakut'ko S. A., Rakut'ko Ye. N. Otsenka ravnomernosti poverkhnostnogo raspredeleniya potoka izlucheniya kak faktora energoeffektivnosti svetokul'tury [Evaluation of the uniformity of the surface distribution of the radiation flux as a factor in the energy efficiency of photoculture], VestnikMordovskogo universiteta [Bulletin Mordovian University], 2021, Vol. 31, No. 3, pp. 470-486.
18. Yakovlev A. N., Upadysheva I. N., Korepanov V. I., Turanov S. B. Vliyaniye spektral'nogo sostava svetodi-odnogo istochnika sveta na razvitiye teplichnykh obraztsov salata [Influence of the spectral composition of a single LED light source on the development of greenhouse lettuce samples], Problemy iperspektivy razvitiya otechestvennoy svetotekhniki, elektrotekhniki i energetiki [Problems and prospects for the development of domestic lighting engineering, electrical engineering and energy]. Saransk, 2015, pp. 71-78.
19. Martirosyan Yu. Ts., Martirosyan L. Yu., Kosobryukhov A. A. Dinamika fotosinteticheskikh protsessov v uslo-viyakh peremennogo spektral'nogo oblucheniya rasteniy [Dynamics of photosynthetic processes under conditions of variable spectral irradiation of plants], Sel'skokhozyaystvennaya biologiya [Agricultural biology], 2019, Vol. 54, No. 1, pp. 130-139.
20. Valeyev R. A., Kondrat'yeva N. P., Kondrat'yev R. G. Svetodiodnyye obluchatel'nyye ustanovki dlya meri-stem-nykh rasteniy [LED irradiation installations for meristem plants], Izvestiya MAAO [Tidings MAAO], 2013, No. 16, Vol. 1, pp. 23-25.
21. Xiaolong G., Mo Z., Xian L., Ce S., Ying L., Changbin S. Effects of led light quality on the growth, metabolism, and energy budgets of haliotis discus discus, Aquaculture, 2016, Vol. 453, pp. 31-39.
22. Xu D.-Q., Gao W., Ruan J. Effects of light quality on plant growth and development, Zhiwu Shengli Xuebao, 2015, Vol. 51, Issue 8, pp. 1217-1234.
The article was submitted 24.08.2021; approved after reviewing 20.09.2021; accepted for publication 23.09.2021.
Information about the authors:
M. Yu. Egorov - Ph. D. (Engineering), associate professor of the chair «Mechanization of livestock production and use of the electric power in agriculture». Spin-code: 3327-5599;
G. S. Kornilova - undergraduate, Spin-code: 7551-2052.
Contribution of the authors:
Egorov M. Yu. - research supervision, developed the theoretical framework, critical analyzing and editing the text. Kornilova G. S. - writing of the draft, made the layout and the formatting of the article, collection and processing of materials.
The authors declare no conflicts of interests.
27
