CC BY
6
Экономический срок службы источников света в тепличном овощеводстве
П.В. Терентьев, Д.А. Филатов, А.С. Куропатов, С.В. Шильников,
А.С. Соколова
Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород
Аннотация: В настоящее время основными источниками света в тепличном овощеводстве являются натриевые лампы высокого давления. Наиболее перспективными источниками искусственного освещения являются облучатели на основе светодиодов. Они могут обеспечивать свет узкого спектра в диапазонах волн, подходящих для роста и развития растений, так же обладают более низкой температурой нагрева, что позволяет приближать тепличные облучатели к растениям. Цель исследования - определить экономический срок службы натриевых и светодиодных источников света в тепличном овощеводстве с учетом влияния их деградации на урожай. Светодиоды, как и натриевые лампы, деградируют в процессе эксплуатации. Это приводит к снижению светового (фотосинтетического фотонного) потока источников света и, в конечном итоге, к снижению урожайности. Вследствие этого определена функциональная зависимость урожая от уровня светового потока и спрогнозирован экономически целесообразный срок службы источников света. Ключевые слова: источники света, световой поток, светодиодные светильники, натриевые лампы, урожайность, энергоэффективность, экономичность.
Прогнозирование экономически целесообразного срока службы источника света при облучении растений осуществляется разработанным авторами способом. Данный способ учитывает снижение светового потока (фотосинтетического фотонного потока) источника света в процессе эксплуатации с течением времени, приводящее к росту энергоемкости системы облучения и, как следствие, росту энергоемкости продукции [1,2]. Способ позволяет планировать замену источника света для снижения
экономического ущерба от несвоевременной замены и снижения энергоемкости системы облучения растений.
Поставленная задача решается выполнением алгоритма, включающего: • измерение светового потока источника света (фотосинтетического фотонного потока) в течение времени;
• построение функциональной зависимости изменения светового потока (фотосинтетического фотонного потока) источника света от времени эксплуатации;
• измерение урожая при изменении уровня светового потока источника света, построение функциональной зависимости урожая от уровня светового потока источника света [3]
• вычисление за расчетный период работы экономического ущерба от снижения светового потока источника света
• прогнозирование (определение) экономически целесообразного срока службы источников света путем сравнения затрат на новые источники света и экономического ущерба в процессе эксплуатации.
На основании данных производителя источника света или экспериментальным путем определяется функциональная зависимость изменения светового потока источника света Ф( от времени эксплуатации I, имеющая общий вид (отн. ед.) [4]:
где Ь0, Ь\, Ь2 - постоянные коэффициенты, зависящие от источника
света.
По функциональной зависимости, полученной до начала эксплуатации, определяют среднюю величину светового потока Ф1 за /-ый расчетный период.
Экспериментальным путем измеряют получаемый урожай при различных уровнях светового потока источника света. Затем на основе полученных данных определяют функциональную зависимость урожая Qi от уровня светового потока Фи имеющей общий вид (отн. ед.):
где a0, a¡, a2 - постоянные коэффициенты, зависящие от культуры растений и типа источника света.
Зная величину светового потока Фi, по функциональной зависимости, полученной до начала эксплуатации, определяют среднюю величину урожая Qi за i-ый расчетный период.
За расчетный период работы величину экономического ущерба yi от снижения светового потока источника света определяют по выражению:
где Qi - величина урожая за i-ый период от базового значения, отн.ед.; Q6 - базовый урожай при номинальном световом потоке источника света, кг/м ; Ci - стоимость единицы урожая, руб./кг.
Определяют (прогнозируют) экономически целесообразный срок службы источников света на основании выполнения условия:
где N- количество необходимых для замены источников света, шт.; Сис. - стоимость одного источника света, руб./шт [5,6].
Способ осуществляется при выращивании салата на площади 10 м [7]. Необходимо спрогнозировать экономически целесообразный срок службы ламп ДНаЗ-400 и тепличных облучателей TL-PROM FITO со светодиодами Oslon SSL фирмы Osram. Время работы источников света за 1 сезон - 3360 часов. Один культурооборот - 672 часа.
Базовый урожай, полученный при номинальном уровне светового потока натриевого источника света (ДНаЗ-400) 5,7 кг/м за культурооборот. Количество источников света - 12 шт. суммарной мощностью 4,8 кВт.
Базовый урожай, полученный при номинальном уровне светового потока светодиодного источника света 2,85 кг/м за культурооборот. Количество источников света - 10 шт. суммарной мощностью 0,5 кВт.
На рис. 1 показаны функциональные зависимости натриевого источника света и светодиодного источника света.
1.00
0.9?
0.90
0.80
0.7?
0,70
у = -шЬх2-0,003 1.001"
1
10
С, тыс часов
1?
20
1.00
0.9?
0.90
0.8?
0.30
0.75
о.-'о
у = 5х2 - 0,005 1*0021
10
(лыс часов
1?
Рис. 1 - Функциональная зависимость светового потока натриевого (а) и светодиодного (б) источника света от времени эксплуатации До начала эксплуатации определим функциональную зависимость урожая от уровня светового потока источника света. Полученная функциональная зависимость урожая от уровня светового потока натриевого и светодиодного источника света показана на рис. 2.
Рис. 2 - Функциональная зависимость урожая от уровня светового потока натриевого (а) и светодиодного (б) источника света Зная средний световой поток за каждый год эксплуатации, по функциональной зависимости определим средний урожай (в ближайшем приближении за 10 лет). По выражению (3) за расчетный период работы определим величину экономического ущерба У от снижения светового потока источника света. Стоимость продукции 250 руб./кг. Данные сведены в таблицу №1 для натриевого источника света и в таблицу №2 для светодиодного источника света.
Таблица №1
Оценка экономического срока службы ламп ДНаЗ при выращивании салата
Год Средний световой поток от базового Фг, отн.ед. Средняя годовая урожайность Qi, отн.ед. Средний годовой экономический ущерб урожайности У/, руб. Суммарный экономический ущерб урожайности
1 0,99 0,986 1 002 1002
2 0,97 0,958 2 959 3961
3 0,95 0,932 4 854 8815
4 0,93 0,906 6 688 15503
5 0,91 0,881 8 459 23962
6 0,89 0,857 10 169 34131
7 0,87 0,834 11 817 45948
8 0,85 0,812 13 403 59350
9 0,83 0,791 14 927 74277
10 0,81 0,770 16 389 90666
По выражению (4) спрогнозируем экономически целесообразный срок
службы источников света.
Стоимость одной лампы ДНаЗ-400 составляет 1845 руб./шт. Суммарные затраты на замену 12 источников света составят 22140 руб.
М Инженерный вестник Дона, №1 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2021/6799
Из таблицы видно, что экономически целесообразный срок службы ламп ДНаЗ-400 при выращивании салата составляет 4 года (при работе 3360 часов в год), т.к. на 5-ый год выполняется условие по выражению (4):
22140<23962
Для снижения экономического ущерба от несвоевременной замены и снижения энергоемкости системы облучения растений необходимо заменить лампы ДНаЗ-400 после 4 лет эксплуатации, даже если они не вышли из строя.
Таблица №2
Оценка экономического срока службы облучателя
TL-PROM FITO 45 UN при выращивании салата
Год Средний световой поток от базового Ф1, отн.ед. Средняя годовая урожайность 01, отн.ед. Средний годовой экономический ущерб урожайности У1, руб. Суммарный экономический ущерб урожайности п X у *, ру6. г=1
1 0,99 0,984 573 573
2 0,97 0,959 1 453 2026
3 0,95 0,934 2 334 4359
4 0,93 0,910 3 216 7575
5 0,91 0,885 4 099 11674
6 0,89 0,860 4 984 16659
7 0,87 0,835 5 870 22529
8 0,85 0,810 6 758 29287
9 0,83 0,785 7 646 36933
10 0,81 0,760 8 536 45469
11 0,940 0,922 2 775 48244
12 0,935 0,916 2 995 51239
13 0,930 0,910 3 216 54455
14 0,925 0,904 3 437 57891
15 0,920 0,897 3 657 61549
Стоимость одного облучателя TL-PROM FITO 45 UN составляет 5680
руб./шт. Суммарные затраты на замену 10 шт. составят 56800 руб.
Из таблицы видно, что экономически целесообразный срок службы TL-PROM FITO 45 UN при выращивании салата составляет 13 лет (при работе 3360 часов в год), т.к. на 14-ый год выполняется условие по выражению (4):
56800<57891
Для снижения экономического ущерба от несвоевременной замены и снижения энергоемкости системы облучения растений необходимо заменить PROM FITO 45 UN после 13 лет эксплуатации [8-11].
В результате полученных расчётов экономический срок службы светодиодных источников света в 3 раза выше, чем натриевых источников света. По результатам исследований можно сделать вывод о том, что при тепличном овощеводстве энергоэффективным и экономически выгодным будет использование светодиодных источников света.
Литература
1. Дальке И.В., Буткин А.В., Табаленкова Г.Н. Малышев Р.В., Григорай Е.Е., Головко Т.К. Эффективность использования световой энергии тепличной культурой листового салата // Известия ТСХА. 2013. №5. С. 60-68.
2. Маркова А.Е., Мишанов А.П., Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Энергоэффективность светокультуры салата при различной фотонной облученности // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 90. С. 33-39.
3. Долговых О.Г., Красильников В.В., Газтдинов Р.Р. Влияние лазерной обработки на семена яровой пшеницы Ирень // Инженерный вестник Дона, 2012, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1422
4. Кондратьева Н.П., Филатов Д.А., Терентьев П.В. Зависимость гармоник тока тепличных облучателей от напряжения питания // Светотехника. - 2020, № 2, С. 85-88.
5. Стерхова Т.Н., Савушкин А.В., Сиротин А.А., Корнаухов П.Д. Электрический способ обеззараживания семян сельскохозяйственных культур // Инженерный вестник Дона, 2013, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1590
6. Кондратьева Н.П., Филатов Д.А., Терентьев П.В., Зиганшин Б.Г. Экспериментальные исследования температуры нагрева тепличных облучательных установок // Вестник Казанского ГАУ. 2020, №1(57), с. 76-80.
7. Gazula, A., M.D. Kleinhenz, J.C. Scheerens, and P. P. Ling. 2007. Anthocyanin levels in nine lettuce (Lactuca sativa) cultivars: Influence of planting date and relations among analytic, instrumented, and visual assessment of color. HortScience 42:232-238.
8. Son, K.H. and M.M. Oh. 2013. Leaf shape, growth, and antioxidant phenolic compounds of two lettuce cultivars grown under various combinations of blue and red light-emitting diodes. HortScience 48:988-995.
9. W. Garrett Owen, Roberto G. Lopez. 2015. End-of-production Supplemental Lighting with Red and Blue Light-emitting Diodes (LEDs) Influences Red Pigmentation of Four Lettuce Varieties. HortScience 50(5):676-684.
10. Gherghina E., Luta G., Dobrin E., Draghici E., Balan D. Martinez Sanmartin, A. 2020. Biochemical changes under artificial LED lighting in some Lactuca sativa L. varieties. AgroLife Scientific Journal. Vol.9 No.1 pp.141148.
11. Olle, M., Virsile, A. 2013. The effects of light-emitting diode lighting on greenhouse plant growth and quality. Agricultural and Food Science, 22(2), 223-234.
References
1. Dalke I.V, Butkin A.V, Tabalenkova G.N., Malyshev R.V., Grigorai E.E., Golovko T.K. Izvestiya TsKhA, 2013, № 5, 60-68 р.
2. Markova A.E., Mishanov A.P., Rakutko S.A., Rakutko E.N. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva, 2016, № 90, 33-39 p.
3. Dolgovykh O.G., Krasilnikov V.V., Gaztdinov R.R. Inzhenernyj vestnik Dona, 2012, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1422
4. Kondrateva N.P., Filatov D.A., Terent'ev P.V. Svetotekhnika. 2020, №2, pp.8588
5. Sterkhova T.N., Savushkin A.V., Sirotin A.A., Kornaukhov P.D. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1590
6. Kondrateva N.P., Filatov D.A., Terent'ev P.V., Ziganshin B.G. Vestnik Kazanskogo GAU, 2020, № 1 (57), 76-80 p.
7. Gazula, A., M.D. Kleinhenz, J.C. Scheerens, and P.P. Ling. 2007. Anthocyanin Levels in Nine Lettuces (Lactuca sativa): Influence of Planting Date and the Relationship between Analytical, Instrumental and Visual Color Assessment. HortScience 42: 232-238.
8. Son of K.Kh. and M. Oh. 2013. Leaf shape, growth, and antioxidant phenolic compounds of two lettuce varieties grown with different combinations of blue and red LEDs. HortScience 48: 988-995.
9. W. Garrett Owen, Roberto G. Lopez. 2015. Additional lighting with red and blue LEDs (LEDs) at the end of production affects the red pigmentation of the four lettuce varieties. HortScience 50 (5): 676-684.
10. Gergina E., Luce G., Dobrin E., Dragichi E., Balan D. Martinez Sanmartin, A. 2020. Scientific journal AgroLife. Volume 9 No. 1 p. 141-148.
11. Olle, M., Virsile, A. 2013. Agriculture and Food Science, 22 (2), 223-234.
