CC BY
34
УДК 681.1+681.9+578
ОЦЕНКА ПРЕВРАТИМОСТИ ГЛАВНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВХОДА В АГРАРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
А.Н. ОБЫНОЧНЫЙ, инженер Л.Ю. ЮФЕРЕВ, кандидат технических наук, младший научный сотрудник
И.И. СВЕНТИЦКИЙ, доктор технических наук, главный научный сотрудник ВИЭСХ
E-mail: oanychl9@mciil.ru
Резюме. Главный первичный источник энергии для аграрного производства — энергия оптического солнечного излучения. Решить существующие проблемы отрасли возможно только при использовании надежной количественной оценки потенциальной превратимос-ти (эксэргии) основного энергетического входа в биологическую часть биосферы по его преобразованию растениями в процессе фотосинтеза (эксэргия оптического излучения в растениеводстве).
Ключевые слова: эксэргия, энергия, растения, оптическое излучение, эксэргия оптического излучения в растениеводстве, сельскохозяйственная продукция, продуктивность, урожай, растениеводство, агротехнологии, измеритель суммарной эксэргии, измеритель мощности эксэргии.
Энергия оптического солнечного излучения (света) — главный первичный источник энергии для формирования продуктивности сельскохозяйственных растений и природных растительных ценозов. Все технологические процессы земледелия направлены на повышение эффективности ее использования растениями в процессе фотосинтеза и формирования урожая. В агроценозах, как правило, для повышения урожая затрачивают значительное количество техногенной энергии и возникает необходимость в обеспечении энергоэффективного производства [1].
Стремление получать как можно больше продукции с единицы площади — интенсификация производства — сопровождается ростом удельных затрат техногенной энергии [2]. Анализ результатов исследований по уменьшению энергоемкости растениеводческой продукции показывает, что основное направление решения этой проблемы — увеличение коэффициента использования растениями той части солнечного излучения, которая потенциально пригодна для фотосинтеза и формирования продуктивности [3].
Как общая продуктивность растений, так и величина хозяйственно полезного урожая зависят от многих погодно-экологических факторов, свойств почвы и применяемых агротехнологий. Для решения сложной задачи оптимизации формирования урожая необходимо использовать компьютерные технологии. Исследования по программированию урожая ведутся с
начала 50-х гг. XX столетия [4]. На основе их результатов были выявлены принципиальные трудности компьютеризации и информатизации аграрного производства [5]. Наиболее важные из них — отсутствие надежных моделей для прогнозного определения продуктивности (урожая) растений в зависимости от погодноклиматических факторов и агротехнологий, непригодность традиционных агроэкологических величин для использования в компьютерных технологиях из-за отсутствия их количественных определений и взаимной согласованности этих определений, а также из-за отсутствия теоретических основ в агроэкологии [6].
Решение перечисленных и ряда иных проблем возможно только при наличии надежной количественной оценки потенциальной превратимости (эксэргии) основного энергетического входа в аграрное производство и биологическую часть биосферы — эксэргии оптического солнечного излучения. То есть реализация очень важного научного тезиса К.А. Тимирязева («... Я считаю излишним настаивать на том, как важно знать ту долю солнечного излучения, которую растения могут использовать»), длительное время остававшегося неосознанным, позволяет перевести как агроэкологию, так и аграрное производство на принципиально новый, теоретический уровень знаний. Надежное количественное определение эксэргии солнечного излучения в растениеводстве — «той части солнечной энергии, которую растения могут использовать» — основа для решения следующих важных аграрно-экологических задач:
создание системы величин, количественно определенных на одной аналитической основе и выраженных в одинаковых единицах [6];
разработка системы энерго- и ресурсосберегающей оптимизации производства продукции растениеводства [7];
обоснование закона выживания, согласно которому осуществляется развитие (онтогенез, филогенез) организмов и их природных сообществ, а также определение основного механизма выживания природных и агропроизводственных систем [8].
Все зеленые растения благодаря своей способности осуществлять фотосинтез преобразуют поступающую к ним энергию оптического солнечного излучения (света) в химическую энергию органического вещества. При разработке и применении высокоэффективных («точных», «оптимальных») агротехнологий очень важно знать потенциальную превратимость растениями энергии солнечного оптического излучения (ОИ) или излучения электрических ламп. Потенциально преврати-мую часть энергии принято называть эксэргией или свободной энергией [9].
Величина эксэргии ОИ служит точкой отсчета (началом исчисления) для определения как потенциальной продуктивности растений, так и потенциального плодородия земельного угодия. Ее можно использовать в качестве исходной величины при количественном взаимно согласованном определении основных (ключевых) агроэкологических и агроклиматических (биоклиматических) величин, а также в системах автоматического многосвязного управления микроклиматом культивационных помещений (теплиц, камер искусственного климата и др.).
В качестве исходного принципа в разработке метода и прибора для определения эксэргии оптического излучения мы использовали принцип энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции, который в виде зеркальной динамической симметрии объединяет второе начало термодинамики и противоположный ему по смыслу закон выживания.
Используя данные о приходящей на поверхность земли общей энергии оптического излучения, получаемые метеорологическими станциями (в нашем случае обсерваторией МГУ) за вегетационный период с 10 мая по 20 сентября 2004 г. мы провели расчет эксэргии методом графического интегрирования по зависимости:
Аг=750 *2
еои ~0*95 ^ Г^(Л)^ -ЩЛ)Х (йЖ, (1)
Д,=300г,
где 0,95 — максимальная спектральная эффективность ОИ с длиной волны 680 нм; ^(Я) ,ц — спектральная интенсивность солнечного излучения; К{Х)/ — относительная спектральная эффективность фотосинтеза; Я,, Л2 — граничные значения длин волн фотосинтетически активного участка; 1Х, /2 — время начала и конца поступления энергии ОИ к растениям.
Обобщение результатов экспериментальных данных многих исследователей для различных видов хлорофиллсодержащих растений показало, что спектральная эффективность фотосинтеза для всех видов растений одинакова и с достаточным для практики приближением может быть принята в соответствии с ОСТ 60.689.027-74 и ОСТ 46.140-83.
Кроме того, удалось выявить принципиальную возможность непосредственного измерения эксэргии ОИ в растениеводстве. Для этого были созданы измерители мощности эксэргии и величины суммарной эксэргии. Спектральная чувствительность приборов подобна спектральной эффективности фотосинтеза модельного листа растения в соответствии с упомянутыми ОСТ. Измеритель мощности эксэргии оптического излучения в отношении фотосинтеза растений позволяет определять эту величину в пределах 20...200 Вт/м2. Измеритель суммарной эксэргии дает возможность установить ее значение за некоторый промежуток времени, например, за световой день, месяц или вегетационный период. Мощность эксэргии ОИ представляет собой величину, которая ограничивает скорость фо-
Рис. 1. Общая схема (а) и внешний вид (б) измерителя эксэргии оптического излучения (пояснения в тексте): 1 — блок приемника ОИ, 2 — косинусная насадка, 3 — диафрагма, 4 — светофильтры, 5 — фотоэлемент, 6 — предварительный усилитель, 7 — герметичный корпус, 8 — блок настройки и градуировки измерителя, 9 — стрелочный прибор, 10 — переключатель диапазонов измерения, 11 — регулятор установки на «ноль», 12 и 13 — светодиоды, 14 — блок интегратора, 15 — жидкокристаллическое табло, 16 —клавиатура управления, 17 — источник питания, 18 — разъем подключения к компьютеру.
тосинтеза растений и формирование ими продуктивности (урожая).
Работает измеритель эксерги и следующим образом. Блок приемника ОИ устройства располагают в месте (точке) измерения эксэргии. Поступившее солнечное излучение на приемник 1, прошедшее через косинусную насадку 2, которая корригирует падающее излучение под косинусную зависимость, проходит через диафрагму 3 и светофильтры 4, корригирующие спектральную чувствительность прибора в соответствии с ОСТ 60.689.027-74 и ОСТ 46.140-83. При этом часть энергии ОИ попадает на фотоэлемент 5, который создает напряжение пропорциональное величине эксэргии оптического излучения в растениеводстве. Напряжение на фотоэлементе 5, создает фототок, обусловливающий соответствующее показание стрелочного прибора 9. Затем сигнал подается на блок интегратора эксэргии 15. Он снимает и записывает в памяти показания стрелочного прибора 9 с задан-
Рис. 2. Электрическая принципиальная схема прибора — измерителя эксэргии ОИ в растени еводстве.
ным интервалом времени, после этого интегратор подсоединяется разъемом 18 к компьютеру для списания результатов измерения.
При измерении эксергии ОИ сигнал от селенового фотоэлемента Ш (рис. 2) подается на предварительный усилитель с коэффициентом усиления 50, собранный на прецизионном операционном усилителе АЯ1 и элементах Я2 — Я5, С1 — СЗ. Резистором Я5 устанавливается баланс усилителя.
Измерительный блок собран на прецизионном операционном усилителе АЯ2, нагрузкой которого служит измерительная головка. Резистором Я15 калибруется чувствительность прибора, резистор Я6 предназначен для установки на «0».
Источник питания — 2 последовательно включенные батареи по 9В, с которых напряжение по-
дается на стабилизатор, собранный по схеме с эмит-терным повторителем на транзисторе 01 и элементах Я11- Я14, С6~ С8. Резисторы ЯП, Я12 обеспечивают питание операционных усилителей.
Прибор откалиброван во ВНИИОФИ на оптической скамье по шкале, соответствующей 1:1, то есть по 4 диапазонам измерения с учетом кратности каждого из них — в первом диапазоне (1:1) предел измерения равняется 10 Вт/м2, во втором диапазоне (1:3) — 30 Вт/м2, в третьем (1:10) — 100 Вт/м2, в четвертом (1:30) - 300 Вт/м2.
По рекомендации ВНИИОФИ прибор был откалиброван для источника класса А в значениях 1:1 для первого диапазона измерений.
От ВНИОФИ получен сертификат на прибор как на средство измерения, а также эталонная светоизмерительная лампа для поверки его градуировки. Технические данные прибора: масса устройства 1 кг;
габаритные размеры измерительного блока длина повода датчика срок службы батарей при непрерывной работе
220 х 110 х 110 мм;
50 см;
около 240 ч
Литература.
1. Свентицкий И. И., Башилов А. М. Энергожономная природа и необходимость энергоэффективного производства.//Достижения науки и техники АПК. 2002, № 5, с. 30 — 32.
2. Свентицкий И. И., Башилов А. М. Интенсификация производства агропродукции и рост ее энергоемкости.// Достижения науки и техники АПК. 2002, № 6, с. II — 14.
3. Свентицкий И. И., Башилов А. М. Основной резерв снижения энергоемкости сельскохозяйственной продукции.// Достижения науки и техники АПК. 2002, № 7, с. 24 — 26.
4. Климов А.А., Листопад Г.Е., Устенко Г.П. программирование урожая. Труды Волгоградского с.х. института, т. XXXYI, Волгоград, 1971.
5. Свентицкий И. И., Башилов А.М. Принципиа,1ьные трудности компьютеризации и информатизации аграрного производства.// Достижения науки и техники АПК. 2002, № 8, с. 26 — 29.
6. Свентицкий И.П., Башилов А.М. Агроэкология — наука или комплекс эмпирических знаний'!// Достижения науки и техники АПК. 2002, №9, с. 21- 24.
7. Свентицкий И.П., Башилов А.М. Компьютерная система ресурсоэкономного производства продукции растениеводства.//Достижения науки и техники АПК. 2003, № 3, с. 33 — 36.
8. Свентицкий И. И., Башилов А.М. Основной механизм выживания развивающихся природных и агропроизводственных систем.// Достижения науки и техники АПК. 2002, Ns 11, с. 25 — 27.
9. Лачуга Ю. Ф. Точное земледелие и животноводство — генеральное направление развития сельскохозяйственного производства в 21 веке./ / В кн.: Машинные технологии производства продукции в системе точного земледелия и животноводства. М.: ГПУВИМ, 2005. С. 8 — 11.
ESTIMATION OF TRANSFORMATION OF THE MAIN ENERGY ENTRANCE INTO THE AGRARIAN PRODUCTION A.N. Obynochnyj, L.J. Juferev, 1.1. Sventickij
Summary. The main primary energy source for the agrarian production is the energy of the optical solar radiation. To solve the existing problems of the branch is possible only with using of reliable quantitative assessment of potential transformation (exergie) of the basic energy entrance into the agrarian production and the biological part of the biosphere by its conversion by plants in the photosynthesis process (exergie of optical radiation in crop production).
Keywords: exergie, energy, plants, optical radiation, exergie of optical radiation in crop production, agricultural products, productivity, yield, crop production, agro-technologies, gauge of total exergie, gauge of exergie power.
