CC BY
51
УДК 621.384 Доктор техн. наук С.А. РАКУТЬКО
(СПбГАУ, sergej1964@yandex.ru) Мл. науч. сотрудник Е.Н. РАКУТЬКО (ИАЭП, elena.rakutko@mail.ru)
ОЦЕНКА ПОЛЕЗНОСТИ ПОТОКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ СВЕТОКУЛЬТУР ТОМАТА И ОГУРЦА
Оптическое излучение, спектральный состав, полезность потока, светокультура
При выращивании растений в светокультуре важным является контроль спектрального состава создаваемого потока оптического излучения [1]. Экономические показатели светокультуры непосредственно зависят от соответствия спектрального состава излучения требуемым значениям [2]. Параметры радиационной среды растения влияют на фоторецепторы (фитохромы, криптохромы и фототропины), которые изменяют экспрессию большого числа генов. Спектральный состав излучения оказывает глубокое воздействие на рост, развитие и физиологию растений. Изменения спектра вызывают различные морфогенетические и фотосинтетические реакции, которые различаются у различных видов растений. Такие фотореакции имеют практическое значение в современных технологиях растениеводства, так как возможность изменения спектра излучения позволяет целенаправленно управлять ростом и развитием растений, их пищевой ценностью. В то время как частные реакции растений по отношению к отдельным спектральным воздействиям иногда могут быть предсказаны на основании опубликованных исследований, общую же реакцию растений, выражаемую в показателях их роста и развития, как правило, трудно прогнозировать из-за сложного взаимодействия многих частных реакций [3].
Термин «качество света» (англ. light quality) в специальной литературе переводится как {{спектральный состав», или «спектр», который обычно представляют графически или таблично значениями интенсивности потока на различных длинах волн.
В философском понимании качество — это присущие какому-либо объекту свойства и характеристики, определяющие объект как таковой и отличающие его от другого объекта [4]. В этом смысле, образуя термин в более узком и прикладном значении (качество света), новое определение не должно противоречить фундаментальному определению качества как категории. Однако в данном случае (как и во многих технических определениях), качество определяется не только как совокупность объективно присущих продукции свойств и характеристик, но и как удовлетворение потребностей (соответствие требованиям). На наш взгляд, способность потока излучения соответствовать предъявляемым требованиям (удовлетворять потребности растения в энергии) следует характеризовать термином полезность (англ. light utility, LU).
Целью данной работы является обоснование параметра, характеризующего близость спектров измеряемого потока, и потока, наиболее эффективного для растений данного вида, названного нами полезностью потока.
Первичной спектральной информацией являются величины энергетической облученности Ея , Втм2 для каждой длины волны X . Спектр излучения, измеряемый
широко распространенными приборами с небольшим шагом по длинам волн, обладает избыточностью, только затрудняющей его качественную оценку. Достаточно признанным в метрологии светокультуры является подход, основанный на выделении трех спектральных поддиапазонов ФАР: синего (B - blue) 400-500 нм, зеленого (G - green) 500-600 нм и красного (R - red) 600-700 нм. Исследования роста, фотосинтеза и продуктивности растений показали, что наиболее благоприятными для выращивания светолюбивых растении являются
следующие доли энергии по спектру ФАР в поддиапазонах: в синем кв =0,3; в зеленом ка =0,2; в красном кК =0,5 [5].
Для некоторых светокультур найдены спектральные соотношения кы , обеспечивающие наилучшие результаты. Так, для огурца - ксмн : кзел : к= 17% : 40% : 43%, для томата - к : к„ : = 15% :17% :68% [6].
сын з кр
Фотонная облученность в диапазоне ФАР определяется как сумма облученностей в поддиапазонах:
ефар = Ев + Ео + Е* . (1)
Доли потоков в общем потоке равны долям соответствующих облученностей в общей облученности ФАР. При трех поддиапазонах достаточно вычисления доли потоков в двух поддиапазонах, например, синем и красном:
к = -Е^, к - Е*
Е.
ФАР
Е
ко = 1 - К - кв .
(2)
ФАР
С данным набором можно сопоставить точку, характеризуемую коэффициентами кв, к , к в треугольной системе координат, оси которой направлены по сторонам
равностороннего треугольника.
Рис. 1. Оценка близости спектрального состава излучения
Рис. 2. Характеристика спектра источников света
Для двух точек А и В (рис. 1) разности координат по соответствующим осям:
А в = кв - К ,
А * = К - К.
(3)
(4)
Расстояние Еш между точками А и В (т.е. степень близости соответствующих спектров) определяется из прямоугольного треугольника ЛВБ:
\ВЦ = АВ Бт60° = Ав; \Щ = |ЛС| + \СВ\; |ЛС| = А*; Щ = А в ОС860° = 1А в; |ЛЯ| = А* +1А в;
Ьм = \АЩ = \АЩ2 + \БЕ\2
1 л/3
(А * +1А в )2 + (у- А в )2;
Ьав +АяАв + А • (5)
Приняв спектр одной из точек в качестве нормируемого, полезность потока можно оценить по величине
Ш = (1 - Ьж ) х 100%, (6)
где Ь^ - расстояние между точками, отображающими измеренный (И) и нормируемый (Н) спектры в треугольных координатах. На рис. 3 показана функциональная схема прибора для определения полезности потока, реализующего рассмотренную методику. Полихроматор (1) разлагает исследуемый поток оптического излучения диапазона ФАР в спектр, характеризуемый величиной энергетической облученности Ея, Вт м2 для каждой длины волны X, нм.
Рис. 3. Функциональная схема анализатора качества спектра
Блок регистрации спектра (2) осуществляет формирование сигнала, пропорционального величине Ех на отдельных длинах волн. Блок (3) определения фотонной облученности преобразует величины энергетической облученности в величины фотонной облученности, мольм-2с-1.
Сумматоры (4), (5) и (6) определяют фотонную облученность в отдельных поддиапазонах ФАР. Сумматор (7) определяет энергию фотонного потока всего диапазона ФАР.
Блоки деления (8) и (9) определяют доли фотонных потоков в спектральных поддиапазонах в относительных единицах. В блоках (10) и (11) задают нормированные для облучаемых культур доли потоков в относительных единицах для первого и второго
спектральных поддиапазонах, например, для синего к"в и красного к"К . Блоки вычитания (12) и (13) формируют значения Ав и А . Блоки (14) - (18) формируют значения Ь, отн.ед. Блоки (19) и (20) формируют значение Ьи, %, отображаемое блоком индикации 21.
Исходные данные для апробации рассмотренного подхода были получены в серии экспериментов по выращиванию рассады огурца и томата в лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИАЭП [7].
Для эксперимента были взяты партенокарпический гибрид огурца Кураж и детерминантный гибрид томата Благовест, предназначенные для выращивания в остекленных и пленочных теплицах. Гибриды предъявляют высокие требования к освещенности. Источниками света служили светодиодные (СД) излучатели фирмы ЬБОБЬ и лампы ДНаЗ супер^ейих S 400 (рис. 4).
Спектры излучения источников измеряли прибором ТКА-ПКМ ВД/04 с доработанным программным обеспечением (рис. 5).
1,0
400,0
500,0 600,0
Длина волны,нм
700,0
Рис. 5. Спектры излучения источников (слева) и прибор для их измерения (справа)
В качестве субстрата использовали верховой торф, нейтрализованный мелом до рН 6,0 и заправленный удобрениями до уровней элементов питания, мг/л: N0 - 240, КН4 - 12, Р2О5 - 60, К2О - 300, Са - 180, М§ - 80, Мп - 0,50, Мо - 0,05, Си - 0,05. Сеянцы томата
3 3
пикировали в стаканчики объемом 663 см , сеянцы огурца - в стаканчики объемом 412 см . Расстановку рассады огурца проводили через 14 дней после появления всходов (25 растений на 1 м ). Расстановку рассады томата проводили дважды: после смыкания рядков и за 2 недели до окончания опыта в возрасте 40 дней от посева (25 растений на 1 м ). Подкормку рассады проводили растворами удобрений К2Б04, М§Б04, КН2Р04 и Са^03)2. Концентрацию питательного раствора удобрений поддерживали в пределах ЕС 1,8-2,5 мСм/см. Влажность субстрата в горшочках 75-80% НВ поддерживали дозированным расходованием воды температурой 24-25оС. Температуру воздуха в светотехнической комнате поддерживали на уровне 23-25оС с помощью принудительной системы вентилирования воздуха. Интегральная облученность оценивалась по величине освещенности, которая составляла 7-8 кЛк для томатов и 5-6 кЛк для огурцов.
На рис. 6 показан внешний вид рассады томата и огурца при использовании лампам ДНаЗ и СД излучателей.
Рис. 6. Рассада томата (слева) и огурца (справа) под лампами ДНаЗ и СД
Как показали результаты экспериментов, при выращивании рассады томата под лампами ДНаЗ наблюдалось вытягивание растений. Начало формирования цветочных кистей отмечали на 48-50-й день после посева. На 53-й день у всех растений была сформирована цветочная кисть.
Под СД излучателями формировались компактные растения томата с мощным, сильно опушенным стеблем, темными с фиолетовыми прожилками листьями. На листьях отмечали единичные бурые пятна, однако в целом это не вызывало инфекционного фона у рассады томатов. У растений на 44-й день после посева полностью сформировалась 1-я кисть над 8-м листом и на 55-й день были сформированы 2-е цветущие кисти. Развитие растений огурца под лампами ДНаЗ имело вегетативную направленность. Образование боковых побегов у рассады огурца отмечали на 23-й день после появления всходов.
Рост и развитие рассады огурца под СД излучателями имело генеративную направленность, проявляющуюся в приобретении темно-зеленой окраски листьев, утолщении корневой шейки и укороченными междуузлиями. Боковые побеги у растений появились на 18-й день после всходов. Характеристики рассады томата и огурца при досвечивании представлены в таблице.
В этой же таблице показаны значения величины полезности спектра Ьи. В качестве нормированных значений приняты указанные выше спектральные соотношения (точка, обозначенная символом «о» для огурца и «т» на рис. 2).
Таблица. Характеристики рассады огурца и томата
Показатели Томат (55 дней) Огурец (25 дней)
ДНаЗ ЬБББЬ ДНаЗ ЬБББЬ
Высота растения, см 79,35±1,21 43,50±0,84 27,85±0,83 15,40±0,61
Количество листьев, шт 12,45±0,15 11,30±0,16 5,75±0,12 5,75±0,10
Диаметр стебля, мм 6,92±0,18 8,57±0,38 6,28±0,18 8,40±0,30
Сырая масса растения, г 53,80±1,9 51,20±1,15 24,70±1,01 30,25±0,97
Сухое вещество, % 5,69±0,34 8,80±0,52 6,00±0,39 7,97±0,30
Ш, % 74,5 86,2 91,3 73,7
Анализ рис.2 и значений Ьи из таблицы показывает, что спектр ламп ДНаЗ ближе к требованиям огурца, а СД - томата. Качество рассады томата, выращенной под СД, лучше, чем под ДНаЗ, при этом значения полезности спектра при СД больше, чем при ДНаЗ (86,2>74,5). Качество рассады огурца, выращенной под ДНаЗ, лучше, чем под СД, при этом значения полезности спектра при ДНаЗ больше, чем при СД (91,3>73,7).
Таким образом, по величине полезности спектра можно судить о большей или меньшей пригодности данного источника излучения для облучения конкретной культуры.
Наглядность величины показателя полезности потока и простота его определения позволяет использовать предлагаемый подход в научных исследованиях, в учебном процессе аграрного вуза, при проведении энергоэкоаудита в культивационных сооружениях, в производственном процессе светокультуры.
Литература
1. Ракутько С.А. Система контроля параметров источников света для облучения растений // Актуальные проблемы электронного приборостроения материалы IX Международной конференции (АПЭП-2008). - Саратов: СГТУ, 2008. - С. 327-330.
2. 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.
3. Mortensen, L.M. and E. Stromme. Effects of light quality on some greenhouse crops. Scientia Hort. 1987, 33:27-36.
4. Гегель. Энциклопедия философских наук. - М., 1974.
5. Протасова Н.Н. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений // Физиология растений. -1987. - Т. 34. - Вып.4.
6. Сарычев Г.С. Продуктивность ценозов огурцов и томатов в функции спектральных характеристик ОСУ // Светотехника. -2001. -№2. -С.27-29.
7. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Мишанов А.П. Сравнительная эффективность применения светодиодных и газоразрядных источников потока оптического излучения для досвечивания рассады томата и огурца // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: Сб.тр. X межд. науч.-техн. конф. 13-14.12.2012. - Саранск: СВМО, 2012. - С.135-139.
УДК 633.521:631.3
Доктор техн. наук МА. НОВИКОВ (СПбГАУ, mihanov25@rambler.iu) Канд. техн. наук С.Б. ПАВЛОВ (НовГУ им. Ярослава Мудрого)
АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗУБА ВОРОШИЛКИ С ЛЕНТОЙ ЛЬНА
Ворошилка, лента льна, зубья, стебли льна, показатель кинематического режима
Ворошение лент льна - одна из необходимых операций в технологии уборки льна-долгунца. Зубья ворошилки, воздействуя на стебли льна, отрывают их от земли (вычёсывают из травы) и вспушивают ленту, в результате создаются благоприятные условия для вылежки тресты, ускоряется сушка стеблей льна перед их подбором и улучшаются условия работы пресс-подборщиков. В настоящее время ворошилки лент льна получили широкое распространение, так как обладают ещё и высокой производительностью, проводя ворошение стеблей льна одновременно в трёх лентах.
Основной недостаток ворошилок - это повреждения стеблей льна зубьями, влияющие на выход длинного волокна. В первых разработанных моделях ворошилок повреждения стеблей льна составляли более 2% [1]. Большинство повреждений стеблей льна возникает в первоначальный момент взаимодействия зубьев со стеблями при входе в ленту льна.
Рассмотрим движение отдельного зуба ворошилки (рис. 1). Зуб совершает сложное движение, вращаясь вокруг центра О с угловой скоростью а и одновременно перемещается вместе с машиной со скоростью ип. В первоначальный момент зуб своей тыльной стороной ложится на поверхность ленты льна. От формы зуба, а именно от угла а отклонения зуба от
