Оценка влияния нестабильности питающего напряжения на эффективность функционирования облучательных установок в сооружениях защищенного грунта Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311(075) Канд техн. наук C.B. ГУЛИН

(СПбГАУ, serg.gulin201 OiSiyandex.ra) Канд техн. наук А.Г. ПИРКИН

(СПбГАУ, pirkin.ag(a!mail.ra)

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК В СООРУЖЕНИЯХ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

Поток излучения, коэффициент отклонения параметров газоразрядных ламп, эффективная отдача излучения

В современных условиях развития сельскохозяйственного производства, связанных с постоянно возрастающими ценами на электроэнергию, важнейшей задачей является оценка влияния питающего напряжения на эффективность функционирования энерготехнологических систем.

Результаты исследований спектральных и энергетических характеристик газоразрядных ламп (ГЛ), используемых в системах облучения растений показывают, что одной из основных причин потерь энергии, передаваемой от источников к растениям, является нестабильность сетевого напряжения [1]. Изменение условий электрического питания обусловливает отклонение выходных параметров ГЛ (мощность, поток излучения, срок службы и др.) от заданных (номинальных) величин. В то же время регулирование напряжения на ГЛ в соответствии с характеристиками спектра и мощности позволяет их стабилизировать.

Поток излучения можно рассматривать как некоторый частный (технологический) критерий эффективности облучательной установки, оценивающий непосредственное влияние излучения на физиологические процессы в растениях.

Стабилизация потока излучения может быть достигнута за счет регулирования напряжения на

ГЛ.

Для обоснования методов и технических средств стабилизации параметров ГЛ для растений необходимо оценить энергетические и материальные потери, обусловленные нестабильностью напряжения. Имеющиеся на сегодняшний день данные по характеристикам ГЛ позволяют сформировать методику их оценки. Поскольку технологические допуски на изменение интенсивности отдельных спектральных линий и диапазонов не заданы, любые отклонения их потока от номинального считаем потерями.

Так как оптические характеристики являются функциями напряжения питания, поток излучения на определенной длине волны в общем случае можно представить в следующем виде:

Фя = КяФян, (1)

где Ф^н - номинальный поток на длине волны X, Вт; К% - коэффициент отклонения потока.

Поток излучения в диапазоне длин волн АХ = /- - /., определяется как

¿2

фдя= / Кдфдн£и. (2)

¿1

В то же время интегральный поток Фи физиологически значимого излучения в диапазоне АХ может быть представлен как

Ф = К Ф (3)

где Ки - коэффициент отклонения интегрального потока физиологически значимого диапазона.

При этом отклонения (потери) излучения АФ определяются как

ЛФя = (Кя - 1)ФЯ; (4)

¿2

ЛФдя = I (Кл - 1)ФЛ dA; (5)

¿1

ЛФИ = (Ки - 1)ФИ. (6)

Так как параметры ГЛ в номинальных режимах заведомо известны, то для оценки отклонений и потерь достаточно получить значения характеризующих их коэффициентов. Тогда степень влияния отклонений ис можно представить в относительных единицах.

В соответствии с изложенным отклонения потока излучения на длине волны X или заданном спектральном диапазоне будем характеризовать спектральным коэффициентом отклонения потока Кх. По известной зависимости 1\) =/ (£/с) можно оценить относительное отклонение интенсивности ЗКх от заданной (номинальной) величины на участке с длиной волны X в соответствии с выражением:

К я — Кзн

5КЯ = Ян, (7)

где КЛ|| - относительное номинальное значение потока.

Так как отклонения интенсивности излучения 6К, при колебаниях 11 с имеют различный знак, изменения интегрального потока излучения с учетом перераспределения энергии по спектру могут быть охарактеризованы среднеквадратичным отклонением дК, в интервале АХ = Х2 - X]. Тогда:

5КЛ =

г я.

/

8КЛ2(рлс1Л

(8)

1А

где (рх - плотность распределения энергии излучения в интервале АХ.

Энергетические потери излучения в диапазоне АХ в соответствии с принятыми допущениями определяются суммой отклонений монохроматических излучений по модулю и могут быть представлены в виде:

Я2

АКАЛ= I т<рлс(л.

Я1

(9)

Если не учитывать спектральные изменения, то отклонения и потери потока в диапазоне волн АХ определяться как

6Ки = АКи=\Ки-1\. (10)

При этом очевидно, что всегда АКИ < ЛК -,л. Таким образом, оценка параметров радиационного режима селекционного климатического сооружения (СКС) по интегральному потоку дает заниженную величину потерь энергии излучения.

При культивировании растений в СКС актуальной задачей является плавное регулирование потока ГЛ. Но как было показано в работе [2], при этом также отмечается перераспределение энергии излучения ламп по спектру. Таким образом, обеспечение технологических требований по интегральному потоку сопровождается отклонениями спектра излучения ГЛ от номинального. Заданный интегральный поток излучения Ф3 при регулировании можно представить как

я2

Фз = *з / Фан<Ы. (П)

Я1

где К3 - коэффициент, характеризующий заданную глубину регулирования.

Тогда монохроматический поток излучения на длине волны определится как

Фл = К3КАФЛн. (12)

Относительное отклонение интенсивности на длине волны X определится разностью коэффициентов отклонения потока К, и коэффициента регулирования К ;.

= (13)

Среднеквадратическое отклонение и потери при этом определятся в соответствии с формулами (8) и (9).

Отклонения облученности в ценозе за период вегетации удобно характеризовать среднеквадратичной величиной оКБ. При этом следует учесть функцию плотности распределения уровня напряжения в течение вегетации (ри.

Тогда, имея функцию плотности распределения облученности по площади ценоза <р.-< и спектральную плотность распределения излучения (рх ГЛ при 11г = 11,,. получим величину среднеквадратичного отклонения облученности от заданной аКЕ в виде:

аКи =

Я2 52 Ц2

///

1А щ

1

5Кл(рл(р3(ри с1Л (Ш

2

(14)

По среднеквадратичному отклонению можно сравнить отклонения параметров светового потока (СП) при различных способах регулирования облученности. Например, при плавном регулировании величина аКЕ будет в основном определяться спектральными изменениями. В то же время аКЕ при включении-выключении групп источников будет обусловлено нарушением равномерности облученности по площади ценоза. В зависимости от технологических требований возможна коррекция результатов сравнения путем введения коэффициента ценности к отклонениям, обусловленным изменением спектра или структуры поля излучения.

Потребляемая ГЛ электрическая мощность в условиях нестабильности 11с может быть представлена

Р = КРРН, (15)

где Рн - мощность ГЛ при £/#; КР - коэффициент отклонения мощности.

Тогда отклонение мощности от номинальной величины ЗР определяется как

8Р=РН(КР- 1) (16)

или в относительных единицах:

8Кр = Кр- 1. (17)

Принятая в настоящее время оценка радиационных режимов по критерию достаточности [3], оговаривает поддержание гарантированного минимума облученности физиологически активной радиации (ФАР) при минимальных напряжениях, что достигается увеличением коэффициента запаса облучательных установок и дополнительными мощностями ГЛ. Для их характеристики введем коэффициент дополнительного отклонения параметров:

Кл = Ф„ ■ Фпип , (18)

где Ф„„„ - значение потока при минимальном уровне напряжения. При этом потребляемая мощность при колебаниях £/с от £/„„■„ до 11„,ах составит величину:

Р = КлКРРн. (19)

Расход электроэнергии с учетом изменений £/с определится как

<Ъ = КэСэн , (20)

где Оэн - расход электроэнергии при 11с = £/д; Кэ - коэффициент изменения расхода электроэнергии, определяемой по формуле:

и \

кэ = кд I Кр<риаи, (21)

Уть...

где (ри~ плотность распределения напряжения за расходный период. Эффективная отдача Н, излучения ГЛ на длине волны при колебаниях 11г определится как

Яя = ^АнДян. (22)

где Нхн - отдача при И,- = 11н; Кх„ = К, А"/. - коэффициент отклонения эффективной отдачи.

Колебания и отклонения £/с влияют и на срок службы ГЛ, который по данным [4] определится

г = тнК~ч , (23)

где тн - номинальный срок службы, час; с/ - коэффициент, определяемый типом ламп.

Для оценки влияния 11с на наработку ГЛ введем коэффициент изменения срока службы ГЛ -Кт, который определится по формуле:

№тау

-<7

КТ= I Ксч(риаи. (24)

^тт

Обозначения расчетных коэффициентов отклонений основных параметров ГЛ от номинальных приведены в табл.1.

Таблица 1. Основные параметры ГЛ и обозначения коэффициентов их отклонений

Параметры Коэффициент отклонения

Напряжение питания, ис, В Кс

Поток ФАР, Ф, Вт кф

Плотность потока излучения в спектральных диапазонах ДА, Фх, Вт/нм Кх

Потребляемая мощность, Р, Вт КР

Установленная мощность, Ру, Вт Ку

Эффективная отдача, Н, Вт/Вт Кн

Срок службы, г, час К

Энергия излучения, О, Вт.ч. Ко

Потребляемая электроэнергия, Э, Вт.ч. Кэ

На основании полученных данных определены уравнения, связывающие эти коэффициенты с напряжением питания при условии обеспечения облученности фитоактивной радиацией (ФАР) не ниже номинальной.

На основании расчетных данных и регрессионных зависимостей, полученных в [5], определены уравнения, связывающие эти коэффициенты с напряжением питания при условии обеспечения облученности ФАР не ниже номинальной:

Кл = КА{ахКгс + ЬАКС + сА) ; КР = KpiapK2 + ЬрКс + сР) ;

Ку = КдKp.min > Кн = К^Кр1;

Umax

Kq= I KÄ(pcdU ;

uL (25)

Um n.x

Кэ= I Kp<pcdU ■

Umin

Umax

KT= f K-q(pcdU,

U min

где ah h,, ch aP, bP, cP - коэффициенты регрессий.

На базе уравнений (25) получены алгоритмы и построены номограммы для определения коэффициентов отклонения излучения ФАР, его синей, зеленой и красной составляющих и потребляемой мощности для различных типов ГЛ.

Номограммы для ламп ДРИ-2000 приведены на рисунке. Порядок определения коэффициентов по ним следующий:

1. Определяется исходное значение минимального уровня напряжения сети £/„„>,.

2. Из точки Kc.min на оси абсцисс параллельно оси ординат проводится прямая до пересечения с графиком функции Кд = f (Кг). которая характеризует дополнительные отклонения излучения, обусловленные добавкой мощности ГЛ.

"0,90 0,95 1,00 105 "'"0,90 0,95 {00 1,05 0,90 0,95 1,00 1,05 0,90 0,95 1,00 1,05 0,90 0,95 1,00 1,05

Рис. 1. Номограммы для определения коэффициентов отклонения излучения ФАР (Ф), его синей (с), зеленой (з), красной (к) составляющих и мощности (Р) ламп ДРИ-2000

3. Из точки Кс.тт на оси абсцисс параллельно оси ординат проводиться прямая до пересечения с графиком функции Кд = / (Кс), которая характеризует дополнительные отклонения излучения, обусловленные добавкой мощности ГЛ.

4. Из точки пересечения прямой с функцией Кд = / (Кс) проводится горизонтальная линия параллельно оси абсцисс до пересечения с осью ординат. Полученная точка на оси ординат будет соответствовать коэффициенту отклонения потока при £/с = 11н с учетом дополнительно установленной мощности ГЛ. Пересекающая данную точку (или ближайшую к ней) кривая К, = / (Кс) будет характеризовать отклонения потока излучения рассматриваемого диапазона при колебании напряжения сети от £/„„„ до (/„„,..

Полученные с использованием алгоритмов и номограмм данные по коэффициентам отклонения для ламп ДРИ-2000 и ДНаТ-400 приведены в табл.2.

Таблица 2. Пределы изменений коэффициентов отклонений параметров ГЛ

при изменении напряжения

Тип ГЛ Коэффициент AUc. 0 о к UH

±5 ±7.5 ±10

ДРИ-2000 Кф 1.00-1.55 0.85 - 1.68 0.70 - 1.80

Кс 1.03 - 1.47 0.87-1.54 0.71 - 1.60

Кз 1.03 - 1.49 0.89-1.58 0.74-1.30

Кк 0.83 - 1.48 0.53 - 1.76 0.43-2.11

КР 1.14-1.42 1.06 - 1.49 1.00-1.56

Кд 1.28 1.28 1.28

ДНаТ-400 Кф 1.00-1.38 0.93 - 1.30 0.88-1.64

Кс 1.00-1.36 0.94 - 1.48 0.88-1.60

К3 1.06-1.30 1.03-1.38 1.00 - 1.47

Кк 0.94-1.45 0.88-1.62 0.78-1.81

Кг 1.02-1.31 0.94-1.38 0.88-1.45

Кд 1.16 1.16 1.16

Анализ данных показывает, что технологические требования к радиационному режиму не обеспечиваются даже в рамках стандарта на напряжение сети. По-прежнему существенно нарушаются допуски на спектральное соотношение. При этом дополнительная установленная мощность составляет величину порядка 15% от номинальной. Отклонение потребляемой мощности доходит до 40%.

Таким образом, при соблюдении критерия достаточности за счет дополнительных мощностей ГЛ не обеспечиваются технологические требования по спектру, интенсивности, равномерности излучения. При этом возрастают материальные и энергетические затраты. Очевидно, что наиболее полной компенсации потерь можно добиться дополнительным регулированием питания и использованием стабилизирующих устройств для ГЛ. Полученные алгоритмы позволят количественно оценить целесообразность тех или иных способов компенсации отклонений, сопоставить необходимые затраты с технологическими потерями в условиях реальных режимов питания облучательных установок.

Результаты, полученные в настоящей статье, позволят подойти к оценке экономической эффективности функционирования облучательных установок в сооружениях защищенного грунта.

Литература

1. Гулин C.B. Энергетическая эффективность спектральных параметров облучательных установок селекционных климатических сооружений // Известия МААО. - 2013. - №18. - С.8 -11.

2. Гулин C.B., Ракутько С.А. Энергоэффективность спектростабилизирующего регулирования потока разрядных источников излучения с точки зрения прикладной теории энергосбережения // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2012. - №28. - С.377 -383.

3. Ракутько С.А. Прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах АПК: структура и основные положения // Энергосбережение и водоподготовка. - 2009. - №4(60). - С.65-61.'

4. Гулин C.B., Пиркин А.Г. Использование комплексного подхода для решения задач эксплуатации электротехнологических систем на предприятиях АПК // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2014. - №37. - С.199 -203.

5. Гулин C.B., Мельник В.В. Индуктивно-полупроводниковый балласт для растениеводческих ламп: Сб. науч. тр. / СПбГАУ. - СПб., 2009. - С.203'-206.

6. A.c. СССР №1753631, МПК H 05 В 41/00, G 05 F 1/44, H 05 В 37/00, А 01 G 9/24. Способ стабилизации светотехнических характеристик газоразрядного источника излучения и устройство для его осуществления / C.B. Гулин, В.В. Мельник, В.Н. Карпов, А.З. Саакян; Опубл. 07.08.92; Бюл. №29.