CC BY
92
УДК 628.931 И.Н. Козырева, ВД. Никитин, Н.В. Цугленок
ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАСТЕНИЕВОДСТВА
В статье рассматривается упрощение расчетов корреляции между фотометрическими и фото-синтезными величинами для оценки эффективности источника излучения для растениеводства. Предложено преобразование формул связи потоков и средних относительных квазимонохроматических энергий излучения.
Ключевые слова: фотосинтезный поток, световой поток, источник излучения.
I.N. Kozyreva, V.D. Nikitin, N.V. Tsuglenok
GRAPH-ANALYTIC INTERPRETATION OF RADIATION SOURCE CHARACTERISTICS AND PARAMETERS FOR PLANT CULTIVATION
The correlation calculation simplification between the photometric and photosynthetic values for the radiation source effectiveness assessment in plant cultivation is considered in the article. The conversion of the flow relation formulas and the average relative quasi-monochromatic radiation energy is offered.
Key words: photosynthetic flow, luminous flow, radiation source.
Введение. Для тепличных облучательных установок выбор источника излучения (ИИ) - важнейшая задача, но работы по этой тематике часто не содержат убедительной и полной светотехнической информации. На этом фоне выгодно отличается статья В.В. Малышева и др. [1], рекомендующая корреляцию между фотометрическими и фотосинтезными величинами для оценки эффективности ИИ.
Свет является одним из существенных факторов окружающей среды, регулирующих рост и развитие растений. Только часть излучения видимого оптического диапазона (область фотосинтетически активной радиации - ФАР) способствует фотосинтезу. Интенсивность стимуляции развития растения возрастает, когда облучение осуществляется в диапазонах спектра излучения, к которому растение наиболее восприимчиво [2, 4-10].
Зеленый одиночный лист поглощает 80-90 % энергии ФАР, отражает 5-10 % и примерно столько же пропускает; основную часть отраженного и пропущенного излучения составляют потоки с Â=500-600 nm [3].
Поглощенная растениями энергия оптического излучения превращается в основном в тепло и частично, в процессе фотосинтеза, - в энергию химических соединений создаваемых органических веществ. Доля наиболее ценной части излучения, потенциально пригодной для осуществления фотосинтеза, зависит от спектрального состава. Эта часть энергии особо важна при искусственном облучении растений.
Несколько замечаний по [1]:
• необходима проверка рекомендаций [1] о расчете лучистого потока Фe, фотосинтезного Фф и фотон-
ного Фэ потоков по световому потоку ФУ (табл. 1, форм. (1), (2), (3));
• в [1] альтернативой Фe, Фф, Фэ может быть только Фv (с нижним подстрочным индексом v - visual), в
светотехнике альтернативой Фл (поток лампы) является Фс (светильника в сборе);
• для фотонного потока указана размерность WeV, но 1 eV=1,6^10-19 J, следовательно, W-eV=1,6^10-19 Jzs-\ что нелепо - на самом деле фотонный поток N/t имеет размерность s-1; в англоязычной литературе размерность плотности фотосинтетического потока фотонов - iimolm^s-1]
• спорно включение в выборку ИИ лампы ДРТИ-1000 - источника ультрафиолетового излучения, применяемого в репрографии.
Приведение к линейной зависимости для возможности анализа
Цель данной работы - упрощение расчетов, их доступность для инженерной практики (ревизия экспериментальных результатов [1] не предполагается).
Таблица 1
Формулы связи потоков и средних относительных квазимонохроматических энергий излучения и преобразования с целью упрощения (тонированы) [1]
Формулы связи по [1] Формулы после преобразования
Лучистый поток
ф Фл'(.'>отні'^'>отн2^'^отнз') \ _ у /і-о,оі5сге\ Г че-1 і
е 683'(0/02'5ОШН1+5о/ЯН2+0,015'5отиз) Уе V о,о2сге-і / Іі-о,о2£ге] ( '
Фотосинтезный поток
ф 0,95-Фл,(0,6-5отЯ1+0,4-5от„2 +5ога„з ) .^. /0,95-0,015^4 Г 0,38-^ (5.
^ 683,(0|02,5отН1+5отН2+0/015'5отКз) V 0,02^-0,57) [0,02^-0,57] ( '
Фотонный поток
^ +2,25-5ОИШ2+1,88,5отя„3) V — х(г 0,015сгЛ I [ 1 йэ 1 (6)
э 683'(0|02,5ошн1+5ошн2+0|015,5откз) Ч 0,02£і3-і / [о.огйз-і] ( )
Параметры формул
(Ь ч я я Л) ‘->ОТН11 ‘-'ОТН2' ^0ТН3 для участков АХ], АХ2, АХз 6=ФГШ(ФУ, У = 5ОТНі(5ОТН2)_1 х = ^0ТНз (*^0ТН2) , ]-е\ф\\э
Для облегчения расчетов, возможности анализа и удобной интерпретации данных [1] формулы (1), (2), (3) были преобразованы соответственно в формулы (4), (5), (6) введением:
• вспомогательных переменных х = 50ТНз(50Т„2) 1,у = 50ТН1(50Т„2) 1 - приведены в преобразованных формулах (4), (5, (6), число исходных параметров сокращено до двух;
• безразмерного параметра бе=Фе683(Ф/)-1 (соответственно аф~Фф, аЭ~Фэ).
Преобразования дают возможность использовать:
• простые, 20 (без аппликаты), графики;
• линейные зависимости как простейший и, вместе с тем, эффективный вид функциональной связи. Важным показателем ИИ является параметр б; например, для лампы ДРЛФ имеем: de=45W•683
/т/Ш-(16000 /т)-=1,92; бф=25 1Ш-683 /т/Щ16000 /т)-=1,067.
Анализ показывает, что табличным данным [1] эквивалентно семейство (убывающих, к<0) прямых
у=кх+Ь (Ь>0 при 1<бе<50) в уравнении (4) = уе = (^ + [1-^02^]' где к=к(бе) выделено
круглой, а Ь=Ь(бе) - квадратной скобкой. Линии равных значений параметра бе (на рис. 1 наряду с бе у линий указано отношение ФеФ/-1) представляют - в рамках данных [1] - математическую абстракцию, поскольку областью существования на каждой линии (или, при приблизительном равенстве, в ее окрестности) является только точка, соответствующая конкретному ИИ из [1]; момент не принципиальный, и ситуация изменится при расширении базы данных (привлечении в последующем других источников информации).
Рис. 1. Точки 1...22 (кроме ДРТИ-1000) в поле отношений средних относительных квазимонохроматических энергий излучения х, у; линии de=const и геометрическое место точек Фе-Ф/-1=соп$1
Фактически положение линий с1е=соп81 на рисунке 1 (являются проекциями на плоскость ХОУ, рис. 2) определяется значением К-р К-^ау, положение точки С' - коэффициентом Кг- Кг(х, у), ход линий ареоле? в пространстве - коэффициентом Кз= Кз(х, у, с1е) (рис. 3).
-Л 1,95
II
1
94
93
0 1
X
*
II
Рис. 2. К построению рисунков 1 и 3
Рис. 3. Определение К и Кз
Алгоритм построения и анализ графика БотН1/5ОТЯН2 = /{БотНъ/ 50#я„2)
Алгоритм построения, пояснения и замечания по рисунку 1 даны в таблице 2.
1
2
3
4
5
6
б
Таблица 2
Алгоритм построения («анатомия» - на рис. 1, 2) и пояснения
Алгоритм построения Пояснения, замечания
• Находятся координаты X=SomH3^(SomH2)-1, У=8отнг(8отн2)~1 искомого ИИ: de-1 абсцисса X = при y=0 и ордината y=b 1 O^OlS dg при х=0 искомого ИИ • Проводится прямая по точкам (x, y=0) и (x=0, у) (контроль - прохождение линии через точку, отображающую искомый ИИ) • Линия маркируется значением бв=Фе683(Ф1/)-1 (Ф -в lm) и значением ФеФу1 (Ф- в klm); результаты расчетов de и ФеФу1 даны в таблице 3, а примеры расчетов линий de=const- в таблице 4 • Наряду с линиями de, «обслуживающими» конкретные расчетные точки, на рисунке 1 дано семейство «круглых» значений de (показаны black), которое необходимо для размещения новых данных (дополнения информации) • Шаг линий на рисунке выбран из соображений компактности • Номера ИИ заключены в кружок либо (при совпадении) в овал • ии(|0имеет координаты х=у=0 и (минимальное) значение 6=1,0 • Выявлено нарушение последовательности: для ИИ21 линия Се=1,47 проходит правее линии с1е=1,567 для ИЙ(4~ 16, 18;(йозможно, для SON-N-AGRO-400 имела место незначительная экспериментальная ошибка • На рисунке 1 не представлено графическое отображение для ДРТИ-1000 (х - неопределенность О 100 - У = — = «); 0 ^ 0 • Точка для ЛОР 1000 - перенесена, чтобы избежать значительного увеличения площади рисунка (обособленная точка х=у=3,07 с Се=6,26)
Таблица 3
Ранжирование ИИ
Ранг Номер в [1] Тип источника ОИ, наполнение Фу, klm Ї О oo CO Фе• Фу-1 Фф' Фу-1 Фэ' Фу-1
1 9 ДРТИ 1000-1, In 2 51,2 75 41,5 197,5
2 1 ДРЛФ 400, Hg 16 1,92 2,81 1,56 6,38
3 3 ЛОР 1000, Li, In 24 6,26 9,17 6,67 21,6
4 4 ДНаЗ-350, Na 34 1,57 2,29 1,29 5,03
5 5 ДРИ 400-5, Na, Sc 36 1,95 2,86 1,56 6,94
6 13 КГ220-2000-4, W, Br 44 3,21 4,70 3,75 10,1
7 16 ДНаЗ-400, Na 44,5 1,61 2,36 1,28 5,01
8 21 SON-T-AGRO-400, Na 54 1,47 2,15 1,39 5,24
9 2 ДРФ 1000, Na, Sc 72 1,94 2,85 1,53 6,93
10 17 ДНаЗ-600, Na 81 1,52 2,22 1,22 4,88
11 20 PLANTSTAR-600, Na 82 1,77 2,59 1,54 5,59
12 15 LU 600, Na 84 1,76 2,58 1,55 5,56
13 18 SON-T600 W, Na 85 1,57 2,31 1,27 5,01
14 19 NaV-T600 S, Na 85 1,53 2,24 1,22 4,88
15 10 ДРТИ 1000-2, Tl 95 1,01 1,47 0,56 3,29
16 6 ДРИ 1000-5, Na, Sc 103 1,96 2,87 1,55 6,94
17 22 LU 750W, Na 112 1,77 2,59 1,68 5,58
18 14 ДРОТ 2000, Sn 120 2,92 4,28 2,41 10
19 11 ДРИ 2000-1, Dy, Ho, Tm 170 2,89 4,24 2,69 9,77
20 7 ДРИ 2000-6, Na, Sc 200 1,96 2,88 1,56 6,94
21 12 ДКсТВ 6000, Xe 220 2,76 4,05 2,59 9,36
22 8 ДМ4-6000, Na, Sc 540 1,96 2,87 1,56 6,94
Таблица 4
Примеры расчетов значений de и параметров линий (фрагмент для № п/п 1, 2, 3 в табл. 3)
Точка Значения параметров
x\y 0в=Фе 683(ФУ)~1 b=y(x)-kx
1 0,385\ 0,538 45683(16000)-1=1,92 1 - 0,015 ■ 1,92 0-538 - пм \м „ ■ 0,385 = 0,927 0.02 ■ 1,92 - 1
2 0,340\ 0,66 205683(72000)-1 =1,94 1 - 0,015 ■ 1,94 0,66 - —- ■ 0,34 = 1,003 0.02-1.94-1
3 3,071\ 3,071 220683(24000)-1=6,26 1 - 0,015 ■ 6,26 3,071 - „ ■ 3,071 = 6,253 0.02 ■ 6,26 - 1
Анализ связи Фе, Фф, Фэ со световым потоком
Представляет интерес подтвердить (или опровергнуть) принципиальную возможность нахождения лучистых \ фотосинтезных \\ фотонных потоков на основе значений ФУ. В таблице 3 представлены ИИ из таблицы 1 [1], проранжированные по значению светового потока, а на рисунке 4 - значения Фф в функции ФУ. Очевидно, что оценка Фф по ФУ в целом связана с неприемлемой погрешностью, однако аппроксимация (грубая) для некоторых ИИ возможна. На рисунке 5 дана зависимость фотонных потоков ФЭ=ФЭ(ФУ). Расчет фотонного потока Фэ через ФУ по формуле (3) [1, с. 20] дает заметную погрешность. Отметим также, что во многих ситуациях нелепо сравнивать «на равных», например, ДКсТВ 6 Ш и ДНаЗ 350 ІУ (отношение по мощности: 6000 350-1~17, по фотосинтезному потоку: 57044-1«13).
Ранг источника излучения по значению светового потока приведен согласно таблице 3
-г''
900 ^ 800 700 600 500 400 300 200 100 0
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Ранг ИИ по значению светового потока
Рис. 4. Значения Фф в функции ФУ: 1 - световой поток ФУ (klm); 2 - фотосинтезный поток Фф (W)
Рис. 5. Зависимость ФЭ=ФЭ(ФУ): область 80...85 klm дана на врезке I; область 500...550 klm - на врезке II
600
500
400
300
200
2
00
0
Ф, klm
Выводы. Значения Фф в функции Ф„. Оценка Фф в функции ФУ в целом связана с неприемлемой погрешностью, однако аппроксимация (грубая) для некоторых ИИ возможна.
Расчет фотонного потока Фэ через ФУ по формуле (3) [1, с. 20] дает заметную погрешность. Спорны сравнение фотонных потоков ИИ, не сопоставимых по мощности, и возможность считать растениеводческой лампу ДРТИ-1000 - источник ультрафиолетового излучения, применяемый в репрографии.
Предложенные преобразования формул связи лучистых, фотосинтезных и фотонных потоков и средних относительных квазимонохроматических энергий излучения упрощают расчеты, повышая их доступность для инженерной практики.
Литература
1. Малышев В.В., Кручинин П.Г., Летаев С.А. Оценка эффективности источников оптического излучения для растениеводства // Техника в сельском хозяйстве. - 2009. - № 4. - С. 19-22.
2. Спектральные характеристики источников света и особенности роста растений в условиях искусственного освещения / Н.Н. Протасова, Дж. М. Уеллс, М.В. Добровольский [и др.] // Физиология растений. - 1990. - Т. 37. - Вып. 2. - С. 386-396
3. Искусственное облучение растений: метод. рекомендации / В.Н. Волков, И.И. Свентицкий, П.И. Сто-рожев [и др.]. - Пущино, 1982.
4. Principles of radiation measurement // Брошюра компании LI-COR. - URL: http://www.licor.com/env/pdf/light/Rad_Meas.pdf (дата обращения: 24.06.2013).
5. Тихомиров А.А., Шарупич В.П., Лисовский Г.М. Биофизические и биотехнологические основы. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. - 213 с.
6. Тихомиров А.А., Лисовский Т.М., Сидько Ф.Я. Спектральный состав света и продуктивность растений. - Новосибирск: Наука, 1991. - 168 с.
7. Справочная книга по светотехнике / под ред. Ю.Б. Айзенберга. - М.: Знак, 2006. - 972 с.
8. Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы / И. Баха-рев, А. Прокофьев, А. Туркин [и др.] // Современные технологии автоматизации. - 2010. - № 2. -С. 76-82.
9. Воскресенская Н.П. Фотосинтез и спектральный состав света. - М.: Наука, 1965. - 311 с.
10. Леман В.М. Курс светокультуры растений. - М.: Высш. шк., 1976. - 271 с.
