CC BY
32
УДК 631.544.45
ФИТОТРОН ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ
Юрий Игоревич Кидыко, аспирант Иван Николаевич Белехов, аспирант Геннадий Николаевич Самарин, д. техн. н., доцент ФГБОУ ВПО «Великолукская ГСХА» Россия, г. Великие Луки
Разработан фитотрон энергосберегающий для лаборатории микроклонального размножения, превосходящий аналоги по сроку службы и обладающий более низкими энергозатратами.
Ключевые слова: фитотрон; энергосбережение; светодиоды; комбинированное освещение.
На базе ФГБОУ ВПО «Великолукская ГСХА» располагается лаборатория микроклонального размножения растений. С помощью микроклонального размножения (другое название метода - мери-стемное размножение) выращивают декоративные и плодово-ягодные растения, комнатные и срезочные цветы, картофель и прочие овощи. Приоритетным направлением работы лаборатории является разработка методов и технологий ускоренного размножения и производства высококачественного семенного материала картофеля. Также в последние годы специалисты лаборатории занимались получением оздоровленного материала и других культур. Исследования проводятся на землянике, малине, ежевике, яблоне, вишне, смородине.
Среди преимуществ мери-стемного метода размножения рас-
тений можно отметить более высокую урожайность саженцев (например, с обычного кустика клубники можно собрать 200-300 г ягод, а с меристемного - до 1 кг), такие растения более здоровы, они не поражаются вирусами. Также микрокло-нальное размножение дает возможность получения огромного количества однородных растений за время, при котором не даст того же результата ни один другой метод (около 10 тыс. саженцев в год от одного маточного растения).
Для успешного роста микросаженцев требуется строго поддерживать определенные параметры микроклимата в лаборатории. В первую очередь это относится к освещенности. Как известно, для успешного роста и развития растений им необходим солнечный свет. Однако в осенне-весенний период солнечного света недостаточно. По-
этому растения необходимо дополнительно освещать искусственными источниками света - досвечивать [3]. В данной лаборатории досвечи-вание происходит на стеллажах (фитотронах) с помощью люминесцентных ламп 08ЯЛМ L65W/765. Температурный режим поддерживается кондиционерами. В ходе проведенных нами исследований выяснилось, что данная система микроклимата имеет ряд недостатков. Во-первых, высокие энергозатраты (около 200 Вт/м ), обусловленные низким КПД физиологически активной радиации (ФАР) люминесцентных ламп, а также необходимостью охлаждать воздух, сильно нагревающийся от люминесцентных ламп. Проведенные нами измерения показывают, что температура воздуха в лаборатории превышает оптимальную температуру на 5оС. Во-вторых, невозможность регулировать интенсивность и спектр излучения ламп. И в-третьих, низкий срок службы люминесцентных ламп и необходимость их утилизации из-за содержания паров ртути.
В качестве альтернативы мы предлагаем Фитотрон энергосберегающий универсальный (ФЭУ) со светильниками, состоящими из све-тодиодов двух типов - красные (длина волны 660 нм) и синие (длина волны 450 нм) в пропорции 3:1, позволяющими применять импульсное освещение. Данные цвета были выбраны не случайно, именно на такой
спектр света приходятся пики фотосинтеза и фотоморфогенеза [2].
Светодиоды обладают рядом преимуществ по отношению к другим источникам света:
• очень большой срок службы -более 50000 часов, и даже после этого периода светодиод сохраняет около 80% своей яркости;
• низкое энергопотребление -около 35 Вт/м ;
• устойчивость к перепадам температур, низким температурам, виброустойчивость;
• возможность получения света любого спектра;
• мгновенность выхода на рабочие характеристики, устойчивость к частым пускам, возможность использовать в импульсном режиме;
• отсутствие мерцания, характерного для энергосберегающих и люминесцентных ламп;
• безопасность - отсутствие ртути, низкотоковое питание (12-24 В, 380-500 мА) [4].
Схема разрабатываемого фитотрона представлена на рисунке 1.
Фитотрон работает следующим образом. В поддон для рассады засыпается грунт и высаживается рассада. Фитотрон включается в электрическую сеть с безопасным низкотоковым питанием (12-24 В, 0,38-0,5 А) и светильники начинают работать. На светильниках с помощью суточного реле времени устанавливается необходимая величина фотопериода.
Рисунок 1 - Фитотрон энергосберегающий универсальный (ФЭУ)
При досвечивании рассады в пробирках поддон вынимается из фитотрона, а один из светильников переносится на боковую сторону фитотрона и устанавливается в крепления для лучшего освещения. После завершения выращивания фитотрон отключается от электросети для уборки полученной фитомассы.
В конструкции фитотрона предусмотрены крепления для сборки в многоярусные стеллажные системы, что позволит выращивать как небольшое количество рассады, так и рассаду в промышленных объемах.
Применение светодиодных ламп позволит применить импульсное облучение. Исследованиям по влиянию импульсного облучения растений посвящены работы Б.В. Коржа. Опыты по сравнению фотосинтеза при импульсном и не-
прерывном облучении проводились им на листьях фасоли, кукурузы, озимой пшеницы и сахарной свеклы. При чередовании 30-секундного импульсного облучения с 15-секундным непрерывным облучением практически не происходит изменения стационарного СО2-газообмена по сравнению с непрерывным облучением. При этом целесообразно поддерживать длительность непрерывного облучения (ТНЕПр) не менее половины длительности импульсного (ТИМП), то есть
ТНЕПР—0,5 ТИМП.
Максимальный КПД фотосинтеза при непрерывном облучении составляет не более 10%. Опыты, проведенные В.А. Козинским, Б.В. Коржом, Н.П. Болылиной, показали, что при практически не отличающейся сырой массе растений,
выращенных при непрерывном и комбинированном облучении, электрической энергии расходуется меньше в комбинированном режиме. Следовательно, растения именно в этом режиме более эффективно используют энергию оптического облучения, а значит, КПД фотосинтеза в этом режиме выше по сравнению с непрерывным [1].
На предлагаемый фитотрон подана заявка на патент на полезную модель.
В таблице 1 представлено сравнение с существующими аналогами. Из таблицы видно, что разрабатываемый фитотрон в несколько раз превосходит аналоги по сроку
службы светильников, а также отличается в несколько раз более низкими энергозатратами.
Более высокая удельная стоимость разрабатываемого фитотрона окупится за счет энергосбережения и большего срока службы. В среднем срок окупаемости составит менее трех лет.
В настоящий момент создана лабораторная установка фитотрона, представленная на рисунке 2. В лаборатории микроклонального размножения проводятся эксперименты по определению оптимальных параметров фитотрона - определение оптимального спектрального состава и величины фотопериода.
Таблица 1 - Сравнение с существующими аналогами
Основные Предла- ГСП-30- 020ПДР ОТ-400 ОТ- ОГС 01-
технические гаемый 2000- И-2000 МИ- 1000 2000-002
характеристики вариант 001.У5 «Свето-трон» 045.У5 МИ-049.У4 «Фотос-4»
Источник излучения Свето- ДРИ- ДРИ- ДРЛФ- ДРЛФ- ДРИ-
диод 2000-6 2000 400 1000 2000
Срок службы, ч 50000 2000 2000 5000 5000 2000
Площадь облучае-
мой поверхности, см*см 35*145 440*540 490*1470 155*680 280*440 350*600
м2 0,51 23,76 72,03 10,54 12,32 21
Потребляемая 18 2000 3*2000 2*400 1000 2000
мощность, Вт
Удельные затраты 35,29 84,18 83,3 75,9 81,17 95,24
электроэнергии, Вт/м2
Стоимость, руб. 3000 60000 85000 30000 40000 55000
Удельная 5882 2525 1181 2846 3247 2619
2 стоимость, руб./м
Рисунок 2 - Лабораторная установка фитотрона
Данный проект участвовал в финале программы «УМНИК-2014» (Участник молодежного научно-инновационного конкурса) по Псковской области. По результатам голосования жюри проект получил высокую оценку и вошел в число победителей. Кроме того, данная работа была отмечена благодарственным письмом от Администрации Псковской области.
Полученный грант будет большим подспорьем для дальнейшей работы в данной области, а также поможет довести проект до готового промышленного образца и внедрить его в производство. Стоит отметить, что полученный грант -это не только хорошая финансовая помощь, но и высокая оценка проделанной работы, признание актуальности и научной новизны проекта.
Список литературы
1. Корж Б.В. Использование коротких серий импульсного освещения для излучения процесса фотосинтеза дыхания зеленых растений на свету: дис. ... канд. биол. наук / Б.В. Корж. - Л., 1976. - 194 с.
2. Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы / И. Бахарев [и др.]
// Современные технологии автоматизации. - 2010. - №2. - С.76-82.
3. Тихомиров А. А. Светокультура растений в теплицах / А.А. Тихомиров, В.П. Шарупич, Г.М. Лисовский. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 2000. -213 с.
4. Шуберт Ф. Светодиоды / Ф. Шуберт. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 496 с.
E-mail: samaringn@ya.ru
182112 Псковская область, г. Великие Луки, пр. Ленина д. 2, Великолукская ГСХА. Тел.: (81153) 7-16-22
