CC BY
60
УДК 631.544.41
DOI 10.24411/2409-3203-2019-1925
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ
ТЕПЛИЦ
Федорова Ирина Алексеевна
старший преподаватель кафедры агроинженерии ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ Ачинский филиал Россия, г. Ачинск
Аннотация: Сравнение источников излучения всегда вызывает значительные проблемы в отношении сравнительной шкалы. Возможные сравнительные стандарты — это равная освещенность E (для измерений, связанных со «светом»), равная облученность ФАР, та же плотность фотосинтетического фотонного потока PPFD (для измерений роста растений) или даже одна и та же установленная электрическая мощность Ру (для экономического сравнения). Поэтому для каждой из этих задач измерения можно определить правильный сравнительный масштаб. Проблема заключается в том, что выбор сравнительного стандарта будет иметь последствия для результата сравнения. Это особенно важно для выбора ламп для ассимиляционного освещения.
Ключевые слова: Источники излучения, свет, лампы, теплицы.
CRITERIA FOR EVALUATING THE EFFICIENCY OF RADIATION
SOURCES FOR GREENHOUSES
Fedorova Irina Alekseevna
Senior Lecturer, Department of Agricultural Engineering Krasnoyarsk State Agrarian University Achinsk branch Russia, Achinsk
Abstract: Comparison of radiation sources always causes significant problems with respect to the comparative scale. Possible comparative standards are equal illumination E (for measurements related to "light"), equal illumination of PARs, the same density of photosynthetic photon flux PPFD (for measurements of plant growth), or even the same installed electric power Ru (for economic comparison ) Therefore, for each of these measurement tasks, you can determine the correct comparative scale. The problem is that choosing a comparative standard will have consequences for the result of the comparison. This is especially important for the selection of lamps for assimilation lighting.
Keywords: radiation sources, light, lamps, greenhouses.
Для выбора источников излучения для теплиц необходимо определиться в критериях оценки их эффективности.
Сравнение источников излучения всегда вызывает значительные проблемы в отношении сравнительной шкалы. Возможные сравнительные стандарты — это равная освещенность E (для измерений, связанных со «светом»), равная облученность ФАР, та же плотность фотосинтетического фотонного потока PPFD (для измерений роста растений) или даже одна и та же установленная электрическая мощность Ру (для экономического
сравнения). Поэтому для каждой из этих задач измерения можно определить правильный сравнительный масштаб. Проблема заключается в том, что выбор сравнительного стандарта будет иметь последствия для результата сравнения. Это особенно важно для выбора ламп для ассимиляционного освещения [12].
Соотношение между энергетическими единицами (Вт/м2) и облученностью (мВт/м2 PAR) не должно точно указываться для солнечного света, потому что его спектральный состав меняется. Среднее значение коэффициента перевода может быть 0,5, что означает, что примерно 50% солнечного излучения приходится на диапазон от 400 до 700 нм. По той же причине преобразование между единицами освещенности и энергетическими единицами затруднено, поскольку измерения энергии, например, измерение облучения, невозможны при измерениях, произведенных в люксах. Если очень высокая точность не требуется, можно предположить, что освещенность от 90 до 100 лк соответствует солнечному излучению 1 Вт/м2.
Для источников искусственного света можно преобразовать измеренную освещенность в облученность (мВт/м2 PAR) с учетом спектрального распределения излучения источника света. Коэффициент перевода указан в технических данных источников света (табл. 1). Таким образом, информация об освещенности должна быть, безусловно, связана с указанием источника света.
Таблица 1 - Лампы, применяемые для ассимиляционного фотопериодического освещения
Лампа Производитель и тип Мощность, Вт Световой поток, лм Световая отдача, лм/Вт Коэффициент
SON-T Plus Ph, Na 405/436 56000 138/128 2,3
SON-T AGRO Ph, Na 423/454 52000 123/115 2,3
NAV-T Super Os, Na 400/440 55500 139/126 2,3
Planta-T 400 Os, Na 400/440 52000 130/118 2,3
SON-H 3505 Ph, Na 350/372 34500 99/93 2,3
1) Ph=Philips, Os=Osram; 2) Мощность (Вт) без/с балластом; 3) Световая отдача (лм/ Вт) без/с балластом; 4) Коэффициент преобразования ^ в мВт или Ы в мВт/м2; 5) Для замены ртутных ламп высокого давления мощностью 400 Вт; Лампы высокого давления: № =натриевые; МН=металлогалогенные.
Проблему сравнения источников света легко объяснить на примере разных в спектральном отношении натриевых ламп высокого давления и металлогалогенных ламп высокого давления [6]. Натриевые лампы высокого давления в настоящее время являются наиболее важными источниками излучения для ассимиляционных воздействий (рисунок 3.1, а). Металлогалогенные лампы высокого давления также используются в тепличных технологиях в северных широтах (рисунок 1, б).
Рисунок 1 - Источники излучения со спектром: а) натриевые лампы высокого давления; б) металлогалогенные лампы высокого давления
Лампы значительно отличаются в световом излучении из-за состава излучения (рисунок 1, а,б). Таким образом, сравнительная шкала приобретает все большее значение. Для сравнения двух используемых источников излучения использовались освещенность, плотность фотосинтетического фотонного потока и установленная электрическая мощность (т. е. равное потребление энергии). В таблице 2 показано сравнение с одинаковой освещенностью. Таким образом, это сравнение подразумевает две разные лампы для достижения одинаковой освещенности.
Таблица 2 - Сравнение ламп высокого давления при одинаковой освещенности_
Лампа Освещенность Е, лк ФАР, мВт/м2 PPFD, црто1/(т2 Установленная мощность Ру, Вт/м2
Металлогалогенная 3000 8400 47,1 56,4
Натриевая 3000 6900 33,9 39,7
Результат, как и ожидалось, показывает, что натриевая лампа высокого давления приводит к снижению установленной мощности, а также снижению затрат на электроэнергию из-за лучшей светоотдачи. Однако разница в плотности фотосинтетического фотонного потока указывает на лучший рост растений с металлогалогенной лампой высокого давления.
С другой стороны, если система облучения интерпретируется с одинаковой плотностью потока фотонов (PPFD), то получается сравнение, показанное в таблице 3. Предполагается, что полученное таким образом излучение приводит к одинаковому росту растений.
Таблица 3 - Сравнение ламп высокого давления при одинаковой плотности фотосинтетического фотонного потока_
Лампа Освещенность Е, лк ФАР, мВт/м2 PPFD, црто1/(т2 с) Установленная мощность Ру, Вт/м2
Металлогалогенная 2229 6243 35,0 41,9
Натриевая 3097 7124 35,0 41,0
Такой расчет приводит к значительно большей освещенности с натриевой лампой высокого давления. Поскольку обычные методы расчета работают с расчетом освещенности, эта ситуация означает, что вы должны установить более высокую освещенность при использовании натриевой лампы высокого давления для получения того же фотосинтетического фотонного потока в установке, как и с металлогалогенными лампами высокого давления. Интересно, что установленная мощность и, следовательно, энергопотребление обоих источников излучения в этом подходе практически не различаются. Если предположение о том, что такое толкование приводит к равному росту растений, является правильным, то это обстоятельство имеет далеко идущие последствия для будущей оценки источников излучения для облучения растений. Сравнение источников излучения с одинаковой установленной мощностью показано в таблице 4.
Таблица 4 - Сравнение ламп высокого давления при одинаковой установленной мощности
Лампа Освещенность Е, ЛК ФАР, мВт/м2 PPFD, црто1/(т2 с) Установленная мощность Ру, Вт/м2
Металлогалогенная 2660 7448 41,8 50
Натриевая 3780 8694 42,7 50
1 Современные LED-фитоизлучатели для теплиц
Технологии выращивания растений в защищенном грунте требуют применения высокоэффективных источников оптического излучения (ОИ), облучателей, облучательных установок (ОбУ).
В настоящее время уделяется большое внимание развитию промышленной светокультуры, в частности, интенсивной светокультуры растений с широким использованием искусственных источников излучения.
Повышение эффективности использования излучения искусственных источников фотосинтетически активной радиации при выращивании растений в сооружениях защищенного грунта является актуальной задачей, позволяющей решить продовольственную проблему.
Облучатели для теплиц условно можно разделить на четыре типа по способу применения (рисунок 2).
Рисунок 2 - Типы тепличного облучения
В тепличных High Bay технологиях прямого излучения широкое применение находят облучатели фирмы Philips GreenPower LED toplighting [15] (рисунок 3.3), которые являются следующим шагом в разработке и применении особых рецептов выращивания для увеличения урожайности и улучшения качества растений. Верхняя светодиодная досветка является высокоэффективным способом и предполагает уровни облученности 40-300 мкмоль/м2 с. Систему Philips GreenPower LED toplighting можно использовать как прямую замену традиционной досветки или как энергоэффективное дополнение к ней. И даже более важно, что хозяйства, ранее не имеющие возможности использования досветки в своих теплицах, сейчас получают возможность получить все преимущества от нее: эти доказанные преимущества от светодиодной досветки есть даже в низкоэффективных теплицах.
Также компания производитель предлагает на выбор «рецепты досветки» -различные комбинации спектра, интенсивности, времени досветки, равномерности и позиционировании - это было разработано в течение многих лет сотрудничества с тепличными хозяйствами, университетами и исследователями для оптимизации выращивания. Это сделало возможным управление специфичными параметрами растения, такими как компактность, интенсивность окраски, ветвление, стимуляция цветения и другие.
Рисунок 3 - Модуль Philips GreenPower LED toplighting: внешний вид и способы расположения (а - линейная установка, б - короткая линия/в шахматном порядке, в - в шахматном порядке)
Еще один интересный продукт производится компанией DH Licht GmbH -инновационный облучатель LED-KE 300 с пятью цветами спектра [7] (рисунок 4).
Рисунок 4 - Облучатель LED-KE 300: а - внешний вид; б - кривая силы света; в -спектры действия; г - плотность фотосинтетического потока фотонов
В дополнение к возможности адаптации излучения по мере необходимости к культурам и видам или этапам роста отдельных растений излучение дает производителям и исследователям возможность изменить поведение культур в светокультуре. В некоторых исследовательских проектах были получены интересные результаты с узкополосными фотонными пучками светодиодов.
Разнообразные области применения, например, садоводство, садоводческие научно-исследовательские институты, фенотипирование и климатические камеры, практически не ограничены. При подключенной нагрузке 300 Вт светодиод-KE 300 генерирует 569 мкмоль/м2 излучения PAR. Это 1,9 мкмоль на ватт в очень широком спектре. С программным обеспечением ViSuSpectrum 2.0 спектр белого (6500 K), синего (440+465 нм), красного (660 нм) и темно-красного (730 нм) цвета по желанию может быть объединен по интенсивности и соотношению. Последняя технология драйвера с гибридной системой затемнения обеспечивает управление амплитудой без мерцания для работы светодиодов со скоростью 30% до 100%. От 1% до 30% мощности, затемнение возможно с использованием широтно-импульсной модуляции. Блоки драйвера и светодиодные печатные платы монтируются в высококачественном алюминиевом корпусе
из анодированного алюминия и закрыты анодированными алюминиевыми фрезерованными деталями. Оба корпуса могут быть подключены без инструментов или установлены отдельно. Это обеспечивает максимальную гибкость при установке. Электрические соединения двух корпусов, а также электропитания, включая сигнал DALI, выполняются через 5-полюсную подключаемую систему Wieland с сертификацией IP 65. Встроенные мощные светодиоды, печатные платы и все другие компоненты выполнены в Германии. В LED-KE 300 однозначно пересмотрены все компоненты. Угол пучка 80° определяется технологией линз светодиода, поэтому не требуется рефлектор, снижающий эффективность. Размеры: 330*298*203 мм. Вес: 12 кг
Линейные LED-излучатели для стеллажей. Для достижения наилучших результатов растения требуют специального облучения на разных стадиях роста и в разное время суток. Светодиодный исследовательский модуль Philips GreenPower доступен в красных, синих, белых и дальних красных версиях. Красно-синий и белые являются наиболее важными цветами для роста сельскохозяйственных культур, тогда как красный - едва видимый человеческому глазу, влияет на развитие конкретного растения. С модулями в этих четырех цветах теперь можно применить оптимальный световой рецепт на каждом этапе роста урожая. В GreenPower LED research module оператор сможет сам решить, сколько красного, сколько синего и сколько белого излучения необходимо растениям на любой момент времени [38] (рисунок 3.5). Специально разработанная оптическая система светодиодного модуля GreenPower обеспечивает равномерное распределение света по полкам, что означает, что каждое растение получает одинаковый уровень и качество излучения.
Рисунок 5 - Облучатель GreenPower LED research module: а) конструкция и характеристики; б) регулирование интенсивности и цвета
Линейные излучатели для боковой досветки. Светодиодные излучатели GreenPower имеют светодиоды с обеих сторон, поэтому они могут сразу облучать два ряда растений (рисунок 6). Целью облучения является хорошее распределение излучения и помощь в распределении тепла на всех растениях. До сих пор основное внимание уделялось обеспечению равномерного облучения на горизонтальной поверхности. Однако он гораздо эффективнее, если учитывать и вертикальный размер, особенно при выращивании таких растений, как томаты и огурцы.
В зависимости от требуемого уровня облученности могут быть два или более модулей, расположенных выше друг друга. Все растения могут быть облучены в тех местах, где они получают наибольшую пользу. Различные испытания продемонстрировали, что это позволяет значительно улучшить и повысить эффективность выращивания растений, поскольку обеспечиваемое излучение может быть более эффективно преобразовано в сахара, строительные блоки растения.
105 Bi госргкн
Рисунок 6 - Линейные излучатели для боковой досветки GreenPower: а) внешний вид и характеристики; б) установка в одну линию; в) установка в две линии
Применяется GreenPower в комбинации с подсветкой Philips LED GreenPower или Philips MASTER GreenPower плюс 1000 Вт для усиления эффекта.
Решения для закрытых объемов. В светодиодном производственном модуле Philips GreenPower специально спроектировали отражающую оптику, которая минимизирует дорогие потери энергии и обеспечивает равномерное распределение облученности по полкам, поэтому каждое растение получает одинаковый уровень и качество излучения. Это приводит к лучшему, более однородному качеству и более прогнозируемому урожаю (рисунок 7а).
Благодаря своей светодиодной технологии и оптимизированному тепловому дизайну, светодиодный производственный модуль GreenPower излучает очень мало тепла по отношению к растениям. Это означает, что в многоярусных стеллажах слои могут быть расположены близко друг на друга, что позволяет более эффективно использовать пространство. В большинстве случаев это также означает, что требуется меньшее охлаждение. Кроме того, благодаря пассивному воздушному охлаждению модуля никаких дополнительных инвестиций в водоснабжение и дренаж не требуется.
Преимущества светодиодов выходят далеко за рамки экономии энергии, но, глядя на энергию в теплицах, потенциальные сбережения огромны - до 75% при сопоставимых уровнях облученности (мкмоль/см2). Существующая установка с 2*36 Вт или 2*58 Вт может быть заменена только одним производственным модулем светодиодов GreenPower, обеспечивающим сопоставимый уровень облученности (рисунок 76).
Рисунок 7 - Светодиодный производственный модуль Philips GreenPower: а) внешний вид с характеристиками; б) сравнение с люминесцентными источниками излучения
Интегрированный электронный светодиодный драйвер обладает лучшей в своем классе эффективностью, тем самым снижая общее производство тепла и тем самым увеличивая количество потока фотонов на ватт входной мощности. Дизайн для отвода
тепла из светодиодов также был оптимизирован для гарантированного длительного срока службы и минимальной амортизации светового потока. Сами светодиоды предлагают наивысшую производительность на рынке, а оптический дизайн модуля гарантирует, что почти ни один мкмоль/с потока не будет потерян. Все эти факторы в совокупности обеспечивают эффективность системы, как правило, 2,2 мкмоль/Дж.
Выводы:
1. Расчет показывает, что потребление энергии, при сравнении ламп высокого давления у различных источников излучения, при одинаковой плотности потока фотонов практически аналогичное.
2. Представленная информация очень наглядно свидетельствуют о необходимости пересмотра норм и правил по проектированию освещения растений. Данное утверждение подтверждается возможным влиянием спектра источника излучения на габитус растения.
Благодаря таким характеристикам светодиодные производственные модули Philips GreenPower нашли широкое применение в фитотронах, вегетационных шкафах и камерах, климатических камерах.
Анализ информации по материалам изобретений и полезных моделей позволил установить, что научная и инженерная мысль движется в сторону создания систем облучения, адаптирующихся под физиологию растений, за счет регулирования характеристик облучателей.
Список литературы:
1. Сторожев П. И. Исследование по обоснованию автоматического регулирования в теплице температуры воздуха, согласованной с оптическим облучением растений : Автореферат дисс. на соискание уч. степени к.т.н. М., 1974. 18 с.
2. Свентицкий И. И. Теоретические исследования по согласованию температур в культивационных помещениях с оптическим облучением растений. В сб. «Научные труды по электрификации с.х-ва, М., 1968, Т. XXXII. С. 34-66.
3. Садовой А. Ф., Шалин Ю. П. Влияние температуры и облученности на фотосинтез растений пшеницы // Физиология и биохимия культурных растений. 1978, Т. 10, № 1. С. 25-29.
4. Долгих П. П., Шилоносова Т. Ю., Пиль- чук Н. А., Кудашова Е. Н. Патент РФ № 2318368. МКИ7 А0Ш9/24. Устройство для облучения растений; заявитель и патентообладатель Федеральное образовательное учреждение высшего профессионального образования Красноярский Государственный Аграрный Университет. - № 2006104775/12; заяв. 15.02.2006; Опубл. 10.03.08. Бюл. 7.
5. Молчанов А. Г., Самойленко В. В. Энергосберегающее оптическое облучение промышленных теплиц : монография. Ставропольский государственный аграрный университет. Ставрополь : АГРУС, 2013. 120 с.
6. Степанчук Г. В., Ключка Е. П. Методика расчета установки переменного облучения для культивационных сооружений // Научный информационно-аналитический журнал «Электротехнические комплексы и системы управления». № 2, 2011. С. 40-44 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.vitc.ru/electrotech/2011/02/index.php.
7. Чазова И. Ю., Долговых О. Г. Исследование факторов, оказывающих влияние на снижение энергоемкости тепличной продукции // Вестник Удмуртского университета. Серия: Экономика и право. 2012. Вып. 1. С. 72-76.
8. Куприянов А. Энергетика тепличного хозяйства // Агробизнес. 2016. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.agbz.ru/articles/energetika-teplichnogo-hozyaystva (дата обращения 22.01.2018).
9. Bruns H. Wirtschaftlicher Einsatz der elektrischen Energie im Gartenbau / Gartenbau. Technik im Gartenbau unter Glas. KTBL-Arbeitsblatt // Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V., Lfd. Nr. 0625. Darmstadt. 1981. 96 p.
10. Тихомиров А. А., Шарупич В. П., Лисовский Г. М. Светокультура растений: биофизические и биотехнологические основы. Учебное пособие. Новосибирск : Изд-во Сибирского отделения Российской академии наук. 2000. 213 с.
11. Карпов В. Н. Ракутько С. А. Энергосбережение в оптических электротехнологиях АПК. Прикладная теория и частные методики. СПб. : СПбГАУ. 2009. 100 с.
12. Карпов В. Н. Юлдашев З. Ш. Показатели энергетической эффективности действующих агроинженерных (технических) систем. СПб. : СПбГАУ. 2014. 160 с.
13. Соколов И. С. Технологии пятого поколения // Теплицы России. 2015. № 1. С.
22-24.
14. Casey Houweling, Peter Cummings. Greenhouse and forced greenhouse climate control system and method. US 20080000151 A1. June 28. 2007. Publ. 3.01.2008.
15. Meyer J. Pflanzenbelichtung // AEL: Arbeitsgemeinschaft für Elektrizitätsanwendung in der Landwirtschaft e.V., Heft 3. Bonn. 1994. 84 s.
16. Chr. von Zabeltitz, Meyer J., Dickob D., Dierend A., Hölscher T. Planunngshilfen für den Einsatz elektrischer Verbraucher im umterglasgartenbau // Bericht des Institutes für Technik in Gartenbau und Landwirtschaft der Universität Hannover. Essen: AEL e.V. 1989. 65 s.
17. Долгих П. П. Доценко Д. С. Оценка эффективности тепличного облучателя с принудительным охлаждением 2018. научная электронная библиотека [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://elibrary.ru/defaultx.asp (дата обращения 01.08.2019)
♦
