Энергоэффективность использования потока излучения листьями салата (Lactuca sativa L. ) при облучении индукционными лампами Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 628.979:581.035

Доктор техн. наук С.А. РАКУТЬКО (СПбГАУ, [email protected]) Соискатель E.H. РАКУТЬКО (ИАЭП, clcna.rakLitko f/ inail.ru) Аспирант А.Н. ВАСЬКИН (СПбГАУ, [email protected])

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ ЛИСТЬЯМИ САЛАТА (LACTUCA SATIVA L.)

ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ИНДУКЦИОННЫМИ ЛАМПАМИ

Прикладная теория энергосбережения, салат, продуктивность, энергоемкость, фотосинтез

Свет является важным фактором роста и развития растений. Растения реагируют не только на интенсивность света, но и его спектральный состав, благодаря способности фоторецепторов активироваться под действием определенных длин волн оптического излучения (ОИ) [1].

В облучательных установках при выращивании растений в контролируемых условиях традиционно применяются натриевые и люминесцентные лампы с различным спектром излучения, однако эти источники света имеют недостатки - малый срок службы, высокую энергоемкость и выделение тепла. Альтернативным источником для систем выращивания растений являются светодиоды. Другим перспективным типом источников излучения являются индукционные лампы [2].

В качестве модельной культуры в данном исследовании выбран салат (Lactuca sativa L.) благодаря его быстрому росту и чувствительности к спектру ОИ. В хозяйственном плане салат пользуется большой популярностью среди покупателей, особенно в зимний период [3].

В Европе ежегодно производят около 3 млн т салата. Причем в течение последних 5— 10 лет его экспорт составляет 800 тыс. т. Главный экспортер — Испания, на долю которой приходится 55% всего экспорта, за ней следует Италия — 16%. Основные импортеры — Германия (35%), и это несмотря на то, что площади под салатом в этой стране занимают около 14 тыс. га, и Англия (23%). Площади под салатом в Европе постоянно растут. Для России необходимо производство салата в России на уровне 15 тыс. т в год на площади 700—800 га. Климат не позволяет круглогодично производить в открытом грунте салат, Урожай, полученный на защищенном грунте (в теплицах), тем более не позволяет покрыть запросы ресторанной отрасли из-за ограниченного количества таких хозяйств: в России всего около 200 тепличных предприятий. Поэтому более 70% потребности данного рынка закрывает импорт из Испании, Италии, Бельгии, Голландии и других стран [4].

Ценность и качество салата зависят от условий его выращивания. Зимний период не является благоприятным для выращивания растений по причине недостатка солнечного света и неудовлетворительной освещенности - важнейшего фактора, определяющего рост растения. По этой причине при выращивании салата необходимо использовать дополнительное облучение.

К настоящему времени накоплен большой эмпирический материал по выращиванию салата под излучением с различным спектральным составом. В зависимости от спектра излучения были обнаружены положительные физиологические, морфологические эффекты, выявлено повышенное содержание питательных веществ. Определены рекомендуемые сочетания энергии в различных диапазонах спектра [5]. Наблюдалась более высокая сухая масса у салата, выращенного под красным светом с добавлением синего, по сравнению с салатом, выращенном только под красным светом [6].

Целью данной работы является представление результатов лабораторных исследований энергоэффективности и продуктивности фотосинтеза в растениях салата, выращиваемого под излучением индукционных источников излучения.

Исследовали рост и развитие растений раннего сорта листового салата Афицион, являющегося гибридом, созданным на основе сорта Батавия. Растения обладают приятным выразительным вкусом, листья сочные и плотные, без горечи, имеют светло-зеленую окраску. Отличается пластичностью, переносит отклонения от оптимальной температуры, не вытягивается при повышенных температурах.

Посев семян был произведен 18.03.2015г. в подготовленный торф (стаканы с торфом массой 295 г). Полные всходы появились 20.03.2015г. Горшочки с наклюнувшимися семенами выставлены на свет. Распикировку произвели 26.03.2015г. по 3 растения в стакане в фазе первого настоящего листа. Массовое появление 2-го настоящего листа (более 70%) наблюдалось 29.03.2015г., третьего листа - 01.04.2015, четвертого листа - 05.04.2015г. в возрасте 16 дней. Биометрические показатели начали измерять, начиная с 18-го дня после пикировки.

Исследования проводились в комнате без естественного освещения площадью 18 м с температурой воздуха +21-+22°С; влажностью воздуха 55-60%; подвижностью воздуха 0,05-0,25 м/с. Влажность субстрата в контейнерах поддерживали в пределах 70-75% дозированным поливом водой с температурой 24-25°С. Подкормку рассады проводили периодически 0,1-0,15% растворами удобрений КН2РО4, М^БС^ и КЖ)з.

Для облучения использовали энергосберегающий фитооблучатель на базе современной индукционной лампы, разработанный совместно с НПО «Псковагроинновации»

специально для тепличных хозяйств (рис. 1).

- ^ —>

/ д

ШЖР

Рис. 1. Внешний вид фитооблучателя

Технические характеристики фитооблучателя: электрическая мощность - 400 Вт, световой поток - 33690 лм, рабочая частота балласта - 225 кГц, температура на колбе лампы - 80 °С, срок службы - 100 тыс. час.

Применяемая индукционная лампа представляет собой люминесцентную лампу нового поколения. В колбе лампы за счет электромагнитной индукции создается поле, которое ионизирует наполняющую лампу смесь. Это приводит к генерации потока ультрафиолетового излучения, который преобразуется люминофором в излучение в зоне фотосинтетически активной радиации со спектром, определяемым химическим составом люминофора. Отсутствие электродов поджига обеспечивает большой срок службы лампы.

Спектральную облученность измеряли прибором ТКА ВД/04 с доработанным программным обеспечением (рис. 2).

л Р

I X

>>

ч ю о

к

СО

К X

о В о

е

о

4

л:

Ч О

•х 2

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

1

Л 1 /\ V.

л ' \ М'

400,0 450,0 500,0

550,0 600,0 650,0 Длина волны, нм

700,0 750,0 800,0

Рис. 2. Спектральная плотность фотонной облученности Перед расстановкой растений определили распределение потока по облучаемой поверхности (рис. За), а также зависимость освещенности от высоты подвеса (рис. 36).

20

*18 ы

ъ

о

= 14

X

<и

о> 12

со

о

°ю

\

>

70 80 90 100 110 Высота подвеса, см

а) б)

Рис. 3. Картина горизонтальных изолюкс (а) и зависимость освещенности от высоты подвеса (б) фитооблучателя

Зависимость горизонтальной освещенности Е в точке проекции светового центра светильника на плоскость от высоты к аппроксимирована уравнением (при этом г" = 0,9999):

Е(И) = 0,0034И2 - 0,8244И + 59,707. (1)

Для определения пределов размещения растений использовали следующую методику. Коэффициент минимальной освещенности определяли по формуле:

Е

2 = (2)

где

Е

Е

ср

значение максимальной освещенности,

Е - значение средней освещенности, лк, определяли по формуле:

Е =

ср

Е . +Е

где

Е

- значение минимальнои освещенности, лк,:

Е. =Е (--1). (4)

mm max \ / v '

г

Высота подвеса облучателя была принята 1 м. При этом уровень максимальной фотонной облученности в точке проекции светового центра облучателя на горизонтальную плоскость составлял =100 мкмоль с"1 м~2, что соответствовало максимальной

шах

освещенности, контролируемой люксметром ТКА-ПКМ, = 11,22 кЛк. Исходя из

допустимого значения z=l,2 и принятого уровня максимальной освещенности, по формуле

(4) было найдено значение минимальной освещенности E^n=7,5 кЛк. Растения салата на

рабочем столе под облучателем располагали на площади, неравномерность облучения по которой составляла не более 20 % (г<1,2), в пределах изолюксы (рис. За), соответствующей

Е°тт . Первоначально было размещено 20 контейнеров с растениями. При этом среднее

значение фотонной облученности, вычисленное по формуле (3), составило Ellc'p =83,4

12 „ мкмоль с" м" . В процессе эксперимента выбранный уровень облученности поддерживали

изменением высоты подвеса облучателя над верхушками растений.

В табл. 1 показаны параметры радиационной среды растений по освещенности,

облученности и спектральному составу потока излучения.

Таблица 1. Параметры радиационной среды растений

Показатель Значение

Максимальная фотонная облученность Е'^ , мкмоль с"1 м-2 100

Максимальная энергетическая облученность ФАР г: , Вт м2 21,5

Максимальная освещенность Е° , лк 4 шах ' 11220

Коэффициент минимальной освещенности г, отн.ед. 1,2

Минимальная освещенность Е^ , лк 7500

Средняя фотонная облученность , мкмоль с"1 м-2 83,4

Состав потока по соотношению энергии (Вт) в диапазонах, % синий (400...500 нм) 21,5

зеленый (500...600 нм) 37,7

красный (600... 700 нм) 35,6

дальнекрасный (700-800 нм) 5Д

В процессе экспериментов периодически фиксировали количество листьев на растении, его площадь, сырую массу и содержание сухого вещества (табл. 2). Массу листьев определяли взвешиванием на весах ВЛ-500. Для определения содержания сухого вещества листья выдерживали при температуре 70°С в сушильном шкафу.

Таблица 2. Интегральные параметры светокультуры салата

Параметр Дата измерений (возраст растения, дн.)

07.04.2015 (18) 14.04.2015 (25) 21.04.2015 (32) 28.04.2015 (39)

Кол-во листьев на растении, шт. 2,97±0,15 5,82±0,10 8,76±0,12 11,84±0,15

Сырая масса всех листьев, г 0,66±0,03 3,45±0,15 10,28±0,62 14,19±0,78

Содержание сухого в-ва в 0,03±0,01 0,18±0,02 0,57±0,05 0,81±0,08

листьях Л/сух, г

Среднее содержание сухого в-ва, % 4,65±0,42 5,29±0,44 5,42±0,43 5,53±0,42

Площадь поверхности всех 42,68 ± 2,5 177,10±5,1 556,33±14,5 598,71±15,3

листьев , см2

Для определения площади поверхности листа использовали фитопланиметр, состоящий из механической части и веб-камеры, подключенной к компьютеру.

На рис. 4 показаны относительные размеры и форма отдельных листьев салата по мере роста и развития растения. На рис. 5 показаны величины, входящие в модель растения.

*• 5 й П Ноыер листа

^ - о. а? 1 2 3 4 5 б 7 3 9 10 и 12

39 * * ? t * * * ? ? » *

32 9 ? ? * * 9 ? * 1

25 ? * ♦ * ? 1ш // рт т„ Г

13 * ? 1 5, Л/, о

Рис 4. Относите:пъныеразмеры Рис. 5. Модель растения

и форма .тисть&в салата

В соответствии с методикой сравнительной оценки эффективности источников излучения по энергоемкости фотосинтеза основными параметрами модели являются суммарная доза энергии ОИ, поглощаемая листьями растения И , возраст Тп, площадь и

масса ЬЛ каждого листа растения [7]. Данная модель растения учитывает динамику изменения площади каждого листа растения и его массы в процессе выращивания [8].

В наших предыдущих исследованиях в качестве системного подхода при исследовании вопросов энергоэффективности предложена прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП), выводы которой могут быть положены в основу технических решений по их оптимизации [9].

С позиций ПТЭЭТП в рамках данного исследования предметом энергетического анализа является модель растения, лист которого представляет собой практически единственный орган, способный синтезировать органические вещества из неорганических под воздействием энергии ОИ. Свет для фотосинтеза захватывается более полно благодаря плоской форме листа, обеспечивающей большое отношение поверхности к объёму. Вода доставляется из корня по развитой сети сосудов (жилок листа). Углекислый газ диффундирует в лист через устьица. Рост и развитие растения непосредственно связаны с размером и продолжительностью работы ассимилирующей поверхности, а также от параметров потока излучения, падающего на лист, в том числе от его спектрального состава [10].

В соответствии с положениями ПТЭЭТП обобщенным параметром, характеризующим эффективность использования энергии, является энергоемкость, показывающая, какое количество энергии потока излучения (т.е. какая доза облучения) затрачивается на синтез одного грамма сырой массы (или сухого вещества) растения при фотосинтезе.

На рис. 6 показаны значения площади для различных листьев растения салата (нумерация листьев по мере их появления). Наибольшая площадь (60 - 100 см ) наблюдалась у листьев среднего яруса. Та же закономерность характерна для содержания сухого вещества в листьях (рис. 7).

0.20

2 120.0

о

Ч 100.0

СЗ ;_ 80.0

и

ч 60.0

л

- 40.0

сЗ

3

о 20.0

£ 0.0

« 0.16 и

^ 0.12

<3

и

« 0.08

га 0.04

О

о.оо

123456789

Номер листа

10 11 12

4 5 6 7 8 9

Номер листа

ю и

Рис. 6. Значения площади различных листьев растения салата

Рис. 7. Сухая масса различных листьев растения салата

Величиной, характеризующей энергоэффективность различных технологических процессов, является энергоемкость. Энергоемкость фотосинтеза ЭФС, моль г 1, в соответствии с ее физическим смыслом как количества энергии, затрачиваемой на единицу массы синтезируемого сухого вещества, вычисляли по формуле:

2Х

ЭФС-^-, (5)

Ум

/ 2 П

где Нп - доза излучения, воспринятая н-ным листом, моль.

На рис. 8 показаны величины ЭФС по сухому веществу для различных листьев растения салата. Уменьшение величины ЭФС наблюдается у более молодых листьев, что свидетельствует о большей энергоэффективности процесса фотосинтеза в этих листьях.

40.00

и

£ 30.00 о

: 20.00

10.00

0.00

Л

= т

В в в —

100.0

и 10.0

о е с

1.0

-III

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Номер листа

Рис. 8. Энергоемкость фотосинтеза для различных листьев растения салата

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Номер листа

Рис. 9. Продуктивность фотосинтеза Для различных листьев растения салата

_2 |

Чистую продуктивность фотосинтеза, г м " сут , определяли по накоплению массы органического вещества в единице площади листа за определенное время для всех N листьев растения по формуле:

2Х

ПФС =

И=1

11=1

где Мп - масса сухого вещества, полученного при фотосинтезе в «-ном

(6)

8п - площадь //-го листа, м2;

Т - «возраст» //-го листа, сут.

На рис. 9 в логарифмической шкале показаны величины ПФС по сухому веществу для различных листьев растения салата. Большие значения величины ПФС наблюдаются у более молодых листьев, что свидетельствует о большей продуктивности процесса фотосинтеза в этих листьях.

В конце эксперимента для растений салата в возрасте 40 дней общая доза облучения, поглощенная листьями, составила И, = 2,05 моль. Продуктивность фотосинтеза составила

ПФС =16,61 мг'м^'сут-1. Энергоемкость фотосинтеза составила ЭФС =2,43 моль г 1.

Результаты экспериментов позволили выявить закономерности роста и энергетики процесса облучения для светокультуры салата.

Проведенные исследования позволили измерить светотехнические и спектральные параметры экспериментального фитооблучателя, отработать методику проведения сравнительных экспериментов по определению энергоэффективности светокультуры салата и показали перспективность использования индукционных ламп в этих условиях.

Литература

1. Liu W., 2012. Light Environmental Management for Artificial Protected Horticulture. Agrotechnology, 1, 1-4.

2. Индукционные лампы для растений URL: http://cargoasia.ru/induktsionnyye-lampy-dlya-rasteniy.

3. Dougher T.A.O., Bugbee В., 2001. Differences in the response of wheat, soybean and lettuce to reduced blue radiation. Photochem. Photobiol. 73, 199-207

4. Салат — самая выгодная овощная культура. Аналитический обзор об агротехнике, развитии отрасли и рыночных перспективах культуры. URL: http://www.agroxxi.ru/ 3.04.2012.

5. Kim Н.Н., Goins G.D., Wheeler R.M., Sager J.C., 2004. Green-light supplementation for enhanced lettuce growth under red- and blue-light-emitting diodes. HortSci 39, 1617-1622.

6. Yorio N.C., Goins G.D., Kagie H.R., 2001. Improving spinach, radish, and lettuce growth under red light-emitting diodes (LEDs) with blue light supplementation. HortSci 36, 380-383.

7. Ракутько E.H., Ракутько C.A. Сравнительная оценка эффективности источников излучения по энергоемкости фотосинтеза // Инновации в сельском хозяйстве.—2015,— №2(12). —С. 50-4.

8. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Оценка энергоэффективности источников оптического излучения с позиций прикладной теории энергосбережения // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.-2015.-№39.-С. 359-367.

9. Патент РФ 2357342. Способ энергосбережения в энерготехнологических процессах / Карпов В.Н., Ракутько С .А. //№2008115845(017799); заявл. 21.04.08., опубл. 25.05.2009.

10. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Метод оценки энергоэффективности фотосинтеза в светокультуре с позиций прикладной теории энергосбережения // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. -2015.-№ 86.-С. 169-183.

УДК 519.254

Канд. физ.-мат. наук С.А. ОСТАНИН (АлтГУ, 051ашп1963(®,таП.ги) Ф. РЫШИКА (Унив. г. Триест, [email protected]) Канд. физ.-мат. наук Г.А. СЕМЁНОВ (СПбГАУ, [email protected])

СПЕКТРАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ АЛГОРИТМ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ЭЛЕКТРОННО-АКУСТИЧЕСКОГО СЕПАРАТОРА СЕМЯН ПОДСОЛНЕЧНИКА

Фотоэлектронный сепаратор, электронно-акустический сепаратор, фракционирование семян подсолнечника, акустический сигнал

Одним из наиболее действенных способов повышения эффективности процесса обработки семян подсолнечника на стадии фракционирования является применение фотоэлектронных сепараторов [1-2]. При этом в процессе очистки семян от органических примесей, битых, щуплых и обрушенных семян чистота достигает весьма высокого уровня -вплоть до значений 99,80 - 99,98% в зависимости от размера в диапазоне от 7 до 9 мм [2]. Высокая степень очистки первичного сырья посредством применения фотоэлектронных сепараторов обусловлена главным образом высокой стоимостью комплектующих элементов. То есть ограничение широты их использования финансовыми факторами в конечном итоге существенно снижает эффективность и рентабельность всего производственного процесса. Рассмотрим некоторые возможные пути снижения стоимости фотоэлектронных сепараторов: от момента приёма фотосигнала до стадии его обработки; отдельно затронем вопрос целесообразности выбора именно фотосигнала в качестве средства детектирования в сравнении с акустическим сигналом.