Научная статья на тему 'Автоматическая система управления спектральным составом света для помещений закрытого грунта'

Автоматическая система управления спектральным составом света для помещений закрытого грунта Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
257
63
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ СВЕТА / УРОВЕНЬ ОСВЕЩЕННОСТИ / ВЕГЕТАТИВНЫЙ ПЕРИОД / RGB-СВЕТОДИОД / АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Анохин Константин Сергеевич, Ашанин Василий Николаевич

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Автоматическая система управления спектральным составом света для помещений закрытого грунта»

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: [email protected]

Ашанин Василий Николаевич

кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой электроэнергетики и электротехники,

Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.