Пленочно-керамический композит для тепличных хозяйств

Рахимов Р.Х.¹, Ермаков В.П.¹, Рахимов М.Р.^1
1Институт Материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии Наук Республики Узбекистан

Rahimov R.H.¹, Ermakov V.P.¹, Rahimov M.R.^1
1Institute of Materials Research and Production Association "Physics-Sun" of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Рахимов Р.Х., Ермаков В.П., Рахимов М.Р. Пленочно-керамический композит для тепличных хозяйств // Современные научные исследования и инновации. 2011. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2011/10/4199 (дата обращения: 19.10.2015).

Технико-энергетические параметры действующих сельскохозяйственных отапливаемых сооружений и различных тепличных и сушильных гелиотехнических устройствах со светопрозрачными ограждениями остается на уровне достижений 70-х годов. За последние годы также не получены важные результаты по существенному улучшению их показателей.

В связи с этим, совершенствование оптических теплофизических характеристик и снижения стоимости сельскохозяйственных отопливаемых объектов и гелиоустановок со стеклянным, особенно пленочными светопрозрачными ограждениями относится к актуальным вопросам использования солнечного излучения и энергосбережения.

Для прорыва в исследованиях и разработках в этом направлении необходимы новые подходы и идеи, способствующие созданию дешевых пленочных материалов с оптимальными оптическими свойствами, позволяющими достигать максимальной эффективности использования солнечной и других видов энергии.

Наш подход к решению проблемы состоит в создание композитной пленки на основе энерго-, светопреобразующих керамических порошковых компонентов и полимерных материалов. В настоящем сообщении приводится теоретическая оценка и полученные практические предварительные результаты эффективности применения керамико-полимерной композитной пленки, предназначенной для использования в сельскохозяйственных отапливаемых сооружениях и различных тепличных гелиотехнических устройствах со светопрозрачными ограждениями.

При низких потоках и неблагоприятных углах падения светового потока, композитная пленка показала высокую эффективность по сравнению с пленкой без керамики. Сравнительные испытания эффективности композитных пленок проведены в Германии доктором П.Йоном. Схема установки приводится на рис.1.а,б. На рис 1а-показан макет закрытый сверху прозрачной пленкой, и на рис 1б – пленкой с керамикой.

Выбран следующие условия эксперимента:

• угол падения солнечных лучей на пленки около 30 градусов,
• температура воздуха вне макета 8^оС,
• небо ясное, безветренно.

A

Б

Рис.1. Схема оценки эффективности пленки с керамикой.

Угол падения солнечных лучей выбран с учетом того, что в весенний период, когда используются подобные системы, он, приблизительно, 30 градусов.

Если рассмотреть использование солнечной энергии в системе с прозрачной пленкой и пленкой с керамикой, то видно, что в первом случае солнечные лучи проходят через пленку и не падают на черную бумагу преимущественно нагревая боковую поверхность макета. В случае же пленочно-керамического композита, керамика поглощает солнечные лучи и его собственное излучение нагревает черную бумагу.

Время экспозиции выбрано 2 минуты для того, чтобы исключить влияние объемного нагрева и выявить эффективность введения в пленку керамики.

Результаты опыта представлены в таблице 1, которые показывают, что наличие керамического порошка в пленке приводит к повышению температуры пленки и черной бумаги на 15^оС.

Таблица 1

Таким образом, как следует из приведенных данных, 1% добавка керамики в пленку позволяет существенно усилить эффективность использования солнечной энергии, что особенно важно при неблагоприятных углах падения светового потока.

Также мы представляем предварительные результаты по исследованию композита полиэтиленовая пленка-керамика на основе оксида железа с трехслойным каскадным преобразованием солнечного света и исследованы его эффективность в солнечном воздухонагревателе, а также спектральные характеристики.

Каскадный композит состоит из трех слоев.

Первый – полиэтиленовая пленка с добавками, преобразующими ультрафиолетовый диапазон в видимый. Это позволяет не только более эффективно использовать энергию солнечного света, но и защищает саму пленку от фотодеструкции, что значительно увеличивает срок ее службы.

Второй - является упрочняющим, а также снижает обратное излучение преобразованного третьим слоем видимого спектра в инфракрасное (ИК) излучение. Кроме того, он является дополнительным теплоизолирующим слоем в ночное время.

Третий слой является основным, преобразующим неиспользуемую для фотосинтеза часть видимого излучения в ИК. В его нижнюю часть внедрена функциональная керамика в количестве 2,5% (мас) от массы нижнего слоя пленки.

Общая толщина композита – 100 мкм.

Установка для определения эффективности передачи энергии представляет собой 3 термоизолированных ящика с размерами 700x400х300 мм3. Одна из камер покрыта полиэтиленовой пленкой (контроль), вторая – композитной пленкой, а третья-трехслойной пленкой с каскадным преобразованием. Дно камеры покрыто черной бумагой. Датчики температуры в каждой из камер расположены над черной бумагой и прикрыты экранами, защищающими их от прямого воздействия излучения. Источником первичного излучения является Солнце. Измерения проводили при различных температурах окружающей среды. Полученные результаты приводятся в таблице 2.

В качестве сравнения выбрана однослойная композитная пленка с содержанием функциональной керамики 1,5% (мас) в связи с тем, что она наиболее эффективна в повышении температуры камеры, по сравнению с чистой полиэтиленовой пленкой или подобными композитами при других концентрациях функциональной керамики[1].

Таблица 2. Зависимость температуры внутри камеры от времени экспозиции для различных температурных условий окружающей среды

Примечание. Т₁- температура в камере под полиэтиленовой пленкой;

Т₂ - температура в камере под однослойной композитной пленкой;

Т₃ – температура в камере под трехслойным каскадным композитом;

∆Т₁ – разница температур в камерах для чистой полиэтиленовой пленки и простого композита с содержанием функциональной керамики 1,5 % (мас);

∆Т₂ – разница температур в камерах для чистой полиэтиленовой пленки и каскадного композита с содержанием функциональной керамики в нижнем слое 2,5 % (мас);

∆Т₃ – разница температур в камерах для однослойной композитной пленкой и каскадного композита с содержанием функциональной керамики в нижнем слое 2,5 % (мас);

Как следует из приведенных данных, использование композита с каскадным преобразованием обеспечивает повышение температуры по сравнению с обычным однослойным композитом на 1-7 градусов.

Для более детального выявления механизмов полученного эффекта был проведен дополнительно следующий эксперимент.

После захода Солнца, камеры прогревали воздушным калорифером с терморегулятором до 22^оС и определяли скорость охлаждения в камерах после отключения подогрева. Температура окружающей среды 6^оС.

Полученные данные приводятся в таблице 3.

Таблица 3. Зависимость скорости снижения температуры для камер с покрытием различными пленками.

Т₁ – чистая полиэтиленовая пленка толщиной 100 мкм

Т₂ – однослойный композит толщиной 100 мкм и содержанием функциональной керамики 1,5% (мас).

Т₃ – трехслойный композит с каскадным преобразованием, с содержанием керамики в нижнем слое 2,5% (мас).

Как следует из данных таблицы 2, трехслойный каскадный композит сохраняет температуру в камере значительно эффективнее, чем однослойный композит и чистая полиэтиленовая пленка.

Также были измерены спектры пропускания для обычного композита с содержанием функциональной керамики 1,5% (масс) и трехслойного каскадного преобразователя спектра с содержанием функциональной керамики в нижнем слое 2,5% (мас) относительно чистой полиэтиленовой пленки толщиной 100 мкм. Полученные результаты приводятся в таблице 4. Оптические измерения проводили на приборе КФК-2-УХЛ-4,2.

Таблица 4. Оптическая плотность для различных композитов

Данные таблицы 3 показывают, однослойный композит значительно лучше пропускает длины волн в ультрафиолетовой и коротковолновой видимой области спектра вплоть до 540 нм, а трехслойный композит значительно лучше пропускает длину волны с максимумом 670 нм. Это как раз тот диапазон, который наиболее эффективен для фотосинтеза растений.

Объяснить полученную картину можно следующим образом. Трехслойный композит содержит дополнительный слой, преобразующий ультрафиолетовое излучение в видимое. Вероятнее всего, эта дополнительная энергия, которая впоследствии преобразуется нижним слоем трехслойного каскадного композита является одной из причин более значительного повышения температуры в камере.

Таким образом, как следует из приведенных данных, трехслойный каскадный преобразователь оказался наиболее эффективным из представленных в данном сообщении.

Полученные эффекты можно объяснить следующим образом.

1. Наличие верхнего слоя со специальной добавкой для преобразования ультрафиолетового спектра в видимый повышает эффективность преобразования этой энергии в ИК-излучение нижним слоем, а также возможно, что если этот спектр находится в зоне фотосинтеза растений, может быть использован ими, в то время как ультрафиолетовая часть не осуществляет фотосинтез. Эта часть работы требует дополнительной проверки. Этот же слой повышает срок службы пленки за счет снижения процесса фотодеструкции.

2. Второй слой, толщиной около 30 мкм свободно пропускает видимый свет, который доходит до третьего, преобразующего слоя. Однако этот слой, как и верхний, плохо пропускает дальнее ИК-излучение, что дает возможность более эффективно сохранять температуру в камере после захода Солнца.

3. Нижний слой с функциональной керамикой позволяет преобразовать падающее на него излучение в дальнее ИК-излучение, а находящиеся над ним слои снижают его излучения наружу, повышая, таким образом, эффективность его использования.

Как было показано в [2], свет с длиной волны 620-700 нм способствует переходу фитохрома растений в активную форму, которая позволяет им значительно быстрее развиваться, защищаться от всякого рода заболеваний, так как, в этом случае, процессы развития растений идут настольно быстро, что полностью расходуются питательные вещества и нет среды для развития возбудителей болезней, а реабилитационные процессы идут значительно быстрее.

Наличие же света с длиной волны 750 нм переводит фитохром за счет конформационных изменений в неактивную форму, что резко снижает все биохимические процессы, необходимые для развития растений. Квантовый выход первого процесса около 1, а обратного – около 0,3.

Как следует из данных, приведенных в таблице 3, трехслойный и однослойный композиты имеют четко выраженные пики в диапазоне стимуляции фитохрома. Таким образом, можно ожидать, что развитие растений под такой пленкой окажется значительно эффективнее, чем под обычной полиэтиленовой пленкой. И дело не только в скорости развития, но также и в защите от различного рода заболеваний.

Конечно, следует также сказать и об эффективном повышении температуры в светлое время суток, а также ее сохранения после захода Солнца. Это может привести к экономии топлива на 40 и более процентов. Естественно, это также способствует сохранению экологии.

Таким образом, предложенный трехслойный композит с каскадным преобразованием на основе оксидов железа, хрома, кальция, магния и меди и полиэтиленовой пленки существенно повышает процесс передачи солнечной энергии, и по сравнению с обычной пленкой имеет следующие преимущества:

1. Позволяет эффективнее использовать солнечную энергию при выращивании растений под пленкой.

2. Его эффективность по температуре в камере выше по сравнению с обычной пленкой, что особенно важно, при пасмурной и облачной погоде.

3. Композит, в отличие от обычной полиэтиленовой пленки не запотевает, так как нагревается до более высоких температур под действием солнечной энергии, что затрудняет конденсацию влаги на нем.

4. Обладает хорошей пропускной способностью красной части спектра, необходимой для фотосинтеза растений.

5. По сравнению с однослойным композитом на той же основе, является более эффективным в повышении температуры в камере, а также значительно лучше сохраняет температуру в объеме камеры после захода Солнца.

6. Позволяет использовать ультрафиолетовую часть спектра, что одновременно повышает срок службы композитной пленки.

7. Максимум пропускания излучения в видимом диапазоне находится в области 620-700 нм, что способствует переходу фитохрома растений в активную форму, которая позволяет им значительно быстрее развиваться, защищаться от всякого рода заболеваний, так как, в этом случае, процессы развития растений идут настольно быстро, что полностью расходуются питательные вещества, и нет среды для развития возбудителей болезней, а реабилитационные процессы идут значительно быстрее.

Изложенное выше открывает широкие перспективы для массового практического использования трехслойного композита с каскадным преобразованием в парниках, теплицах, водонагревателях, воздухонагревателях, а также в различных аспектах человеческой деятельности.

Библиографический список

1. Р.Х.Рахимов, В.П.Ермаков, М.Р.Рахимов. Гелиотехника. 2010. № 1, с.59-62.

2. Рахимов Р.Х. Воздействие концентрированных видов энергии на индукцию липазной активности в семенах хлопчатника.

3. http://www.ks.uz

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: