CC BY
61
УДК 681.5
К. С. Анохин, В. Н. Ашанин
АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫМ СОСТАВОМ СВЕТА ДЛЯ ПОМЕЩЕНИЙ ЗАКРЫТОГО ГРУНТА
Аннотация. Рассматривается вопрос повышения энергоэффективности искусственной системы освещения помещений закрытого грунта с помощью RGB-светодиодов. С целью минимизации потребления электрической энергии предлагается измерять уровень и спектральный состав естественной освещенности и добавлять с помощью RGB-светильника необходимую для каждого периода развития растений силу света определенного спектрального состава. Изменение спектра и силы излучаемого света предлагается выполнить путем изменения среднего значения тока питания диодов за счет широтно-импульсной модуляции напряжения питания управляемого источника электрической энергии.
Ключевые слова: спектральный состав света, уровень освещенности, вегетативный период, RGB-светодиод, автоматическая система.
Введение
Т-) о о
В последние годы российскими сельскохозяйственными производителями для круглогодичного выращивания растений все чаще используются помещения закрытого грунта. Это определяется разработкой, освоением производства и использованием современных строительных материалов для создания конструкций теплиц и энергоэффективных средств генерации тепловой и световой энергий.
Одним из главных факторов, влияющих на урожайность и сроки созревания растений в теплице, является уровень освещенности [1, 2] и спектральный состав света [3, 4]. Поэтому разработка и внедрение системы искусственного освещения с регулируемыми
и О <_* -р. «J
силой света и спектральным составом является актуальной задачей. В этой связи все шире находят применение светодиодные источники света, технические и эксплуатационные характеристики которых быстро улучшаются при снижении их цены.
В данной статье рассмотрена целесообразность использования RGB-светодиодов для освещения помещений закрытого грунта с возможностью автоматического изменения уровня освещенности и спектрального состава света в зависимости от периода вегетации растений и естественной освещенности.
Применение RGB-светодиодов в технике
Широкое использование RGB-светодиодов в технике, в частности в системах освещения автомобилей [5, 6], связано с возможностью генерации ими света трех цветов тремя обычными светодиодами разного цвета (Red, Green, Blue — красный, зеленый, синий), выполненными в одном корпусе. Конструктивно они содержат один общий катод и по аноду на каждый цвет (рис. 1) [7].
Рис. 1. RGB-светодиод
Энергопотребление светодиодных светильников по сравнению с обычными лампами в десять раз меньше. А по сравнению с натриевыми лампами - в три-четыре раза.
Время беспрерывной работы современных светодиодов достигает от 50 тыс. до 100 тыс. ч [8].
Идея использования именно RGB-светодиодов состоит в особенности влияния светового спектра на рост растений. Зависимость длины волны от спектра света представлена на рис. 2.
ь X
/WWWV\AAAAAAAA/\/W\A/\
видимое излучение
ультрафиолетовое излучение
инфракрасное излучение
400 450 500 550 600 650 700
- длина ВОЛНЫ, НМ |
Рис. 2. Зависимость длины волны от спектра освещения
Как известно, из всего спектра для жизни растений важна фотосинтетически активная (380-710 нм) и физиологически активная (300-800 нм) радиация, но наиболее значимы красные лучи, спектр которых находится в пределах от 600 до 720 нм. Для образования хлорофилла необходимы именно эти световые волны. Эта часть спектра является основным поставщиком энергии для фотосинтеза и влияет на процессы, связанные с изменением скорости развития растения. Вместе с тем избыток красной части спектра задерживает процессы образования генеративных органов. Синие и фиолетовые (380490 нм) лучи, как и красная составляющая, принимают непосредственное участие в фотосинтезе, стимулируют образование белков и регулируют скорость развития растения. При синем свете формируются листья с большим содержанием хлорофилла [9].
Основной задачей при проектировании системы освещения для помещений закрытого грунта на ЕДБ-светодиодах является разработка алгоритма автоматического управления спектральным составом света в зависимости от вегетативного периода роста растения, а также от естественной освещенности помещения. То есть необходимо, чтобы система автоматически, без участия человека, определяла, какой именно вегетативный период наступает у данного растения, а в связи с этим, изменяя ток питания светодиодов, заставляла их светить спектром, который наиболее полезен растению в данную фазу его развития [4]. При этом система освещения с целью повышения энергоэффективности анализирует спектр и силу естественного света и в связи с этим добавляет или уменьшает силу света нужного спектра для конкретного вегетативного периода развития растения. Для различных растений вегетативные периоды роста проходят в различных временных рамках, поэтому разработку программного обеспечения системы необходимо вести для конкретного вида растения.
Вестник Пензенского государственного университета № 4 (16), 2016
На рис. 3 представлена структурная схема предлагаемого автоматического устройства. Она содержит фотоэлемент (ФЭ), предназначенный для определения силы света естественного освещения. Спектрометр измеряет спектральный состав света естественного освещения; данные с него поступают на блок обработки и управления (БОиУ). Он подключается к персональному компьютеру (ПК), задающему программу изменения силы света и спектра излучения ИДВ-светильника, оптимальных для данного вегетативного периода развития растения. БОиУ выдает сигнал на универсальный источник питания (УИП), который, меняя среднее значение тока питания ИДВ-светильника за счет широт-но-импульсной модуляции выходного напряжения источника питания, изменяет спектральный состав и силу света искусственного освещения.
Рис. 3. Структурная схема автоматической системы управления спектральным составом света
на основе ИСВ-светильника
Заключение
Применение ЯОБ-светодиодов является сегодня одним из самых перспективных направлений развития осветительных установок при выращивании сельскохозяйственных культур в помещениях закрытого грунта. Использование адаптивной системы освещения, автоматически подстраивающей спектр излучения совокупности искусственного и естественного света под определенный период роста растений, не только значительно сократит время их созревания, но и позволит уменьшить затраты электрической энергии. А надежность и долговечность светильников на основе ЯОБ-светодиодов значительно увеличит ресурс работы данной системы. В силу этого предлагаемая автоматическая система управления несомненно увеличит эффективность производства и сократит расходы на обслуживание светильных установок в помещениях закрытого грунта.
Библиографический список
1. Белов, В. В. Методика исследования светодиодных ламп в условиях теплиц / В. В. Белов, Ю. Н. Семенов, Д. Н. Волков // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехни-
ки, электротехники и энергетики. Материалы 12 Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. МГУ им. Н. П. Огарева. - Саранск : Издатель Афанасьев В. С., 2015. - С. 67-71.
2. Возможность применения светодиодных облучательных установок в растениеводстве защищенного грунта / С. А. Овчукова, О. Ю. Коваленко, В. М. Максимов, Д. В. Губанов // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики. Материалы 12 Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием МГУ им. Н. П. Огарева. - Саранск : Издатель Афанасьев В. С., 2015. - С. 86-91.
3. Яковлев, А. Н. Влияние спектральных характеристик источников излучения на растения /
A. Н. Яковлев, И. Н. Козырев // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2013. - Т. 56, № 7/2. - С. 112-116.
4. Воскресенская, Н. П. Фотосинтез и спектральный состав света / Н. П. Воскресенкая. - М. : Наука, 1965. - 311 с.
5. Ашанин, В. Н. Система светосигнальных огней транспортных средств на RGB-светодиодах /
B. Н. Ашанин, С. Е. Ларкин, Е. С. Кулагин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : материалы 12 Всерос. науч.-техн. конф. с между-нар. участием / МГУ им. Н. П. Огарева. - Саранск : Издатель Афанасьев В. С., 2015. - С. 210214.
6. Пат. 2579375 Российская Федерация. Система светосигнальных огней автомобиля / Ашанин В. Н., Ларкин С. Е., Глазов А. А. - Опубл. 10.04.2016. Бюл. № 10.
7. URL: https://geektimes.ru/post/256748/
8. URL: http://parnik-teplitsa.ru/svetodiodnye-svetilniki-dlya-teplic-36
9. Маляровская, В. И. Влияние спектрального состава света на рост и развитие LILIUM CAUCASICUM в условиях культуры IN VITRO / В. И. Маляровская, Р. Н. Соколов, Л. С. Самарина // Научный журнал КубГАУ. - № 94(10) - 2013. - С. 1016-1026.
Анохин Константин Сергеевич
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: chapaev001@mail.ru
Ашанин Василий Николаевич
кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой электроэнергетики и электротехники,
Пензенский государственный университет E-mail: eltech@pnzgu.ru
УДК 681.5 Анохин, К. С.
Автоматическая система управления спектральным составом света для помещений закрытого грунта / К. С. Анохин, В. Н. Ашанин // Вестник Пензенского государственного университета. - 2016. -№ 4 (16). - C. 74-77.
Anokhin Konstantin Sergeevich
student,
Penza State University
Ashanin Vasiliy Nikolaevich
candidate of technical sciences, professor, head of sub-department of electrical power engineering and electrical engineering, Penza State University
