 |
Импульсный режим работы светодиодных осветительных установок в теплице
|
|
|
|
Введение
Электрификация всех отраслей сельского хозяйства – одно из решающих условий создания материально-технической базы в нашей стране. Серьезное внимание должно уделяться сельскому хозяйству, его электрификации, так как это является основным и непременным условием комплексной механизации и автоматизации всех сельскохозяйственных процессов, резкого повышения производительности труда и коренного подъема сельского хозяйства. Электрификация постоянно претерпевает существенные качественные изменения, заключающиеся в модернизации существующего и создании нового электрооборудования, в том числе и осветительных установок.
На получение оптического излучения (ОИ) в сельском хозяйстве расходуется примерно 20 % потребляемой электроэнергии. Достоинства ОИ, как фактора энергетического и регуляторного воздействия на биологические объекты, общеизвестны: экологическая чистота, легкая управляемость, простота, дешевизна генераций и др. Доступная возможность получения требуемых параметров пространственного распределения потока ОИ, его спектрального распределения и интенсивности облучения позволяет говорить об ОИ, как о средстве тонкого целевого воздействия со значительным эффектом. Общеизвестна также экономическая эффективность применения ОИ. Несмотря на эти и другие достоинства, масштабы применения ОИ в сельском хозяйстве в настоящее время даже в регионах с высоким уровнем электрификации соответствуют примерно 20–25 % потребности. Это объясняется в основном ограниченностью номенклатуры технических средств освещения, низкой надежностью его работы, недостаточной обоснованностью нормативных параметров. Повышение эффективности воздействия ОИ на биологические объекты возможно на основе глубоких знаний фотобиологии, распространения электромагнитных излучений в биологических средах, связи первичных и конечных эффектов воздействия, методов оценки этих и других явлений.
|
|
|
Совершенствование источников излучения применяемых в условиях защищённого грунта
Современные агрокомбинаты являются самыми энергоемкими промышленными предприятиями, применяющими электротехнические и светотехнические средства для выращивания рассады и ведения светокультуры растений.
Вопросы совершенствования источников оптического излучения (ОИ), облучателей и повышение эффективности облучательных установок (ОУ) для растениеводства, методов оценки их эффективности при эксплуатации в теплицах, а также нормирования освещения являются чрезвычайно актуальными для агротехнического производства.
Увеличение производства сельскохозяйственной продукции при сокращении численности рабочей силы и затрат электроэнергии может быть обеспечено рациональным выбором светотехнического оборудования для теплиц, относительно дешевого по сравнению с зарубежными аналогами.
В связи с этим, необходимо выявить направления технических усовершенствований в соответствии со специфическими требованиями к облучателям и ОУ и оценкой спектральной эффективности основных источников ОИ для растениеводства.
Источники ОИ, применяемые для дополнительного облучения рассады
и светокультуры растений, должны удовлетворять ряду специфических требований:
· спектральный состав излучения должен быть благоприятен для выращивания большинства растений и приходится на диапазон длин волн спектра, наиболее эффективно поглощаемых их листьями (Δλ = 380 – 710 нм или 400–700 нм - область ФАР).
· КПД ФАР (фотосинтетически активная радиация) ~ оценивает отношение излучения источника в области ФАР ко всей его мощности. Наибо-лее часто употребляемые источники излучения имеют следующие КПД ФАР, %: ДРЛФ 400 – 12 %, ДРФ 1000 – 18–20 %, ДНаТ400 – 25–26%, ДРИ 1000-6 и ДРИ2000 -6 – 2 7 – 28 %, ДКсТЛ 10000 – 10–12 %;
|
|
|
· интенсивность излучения должна быть достаточной для создания высоких уровней облученности (десятки Вт ФАР/м 2) или освещенности (3000–10000 лк и более). Коэффициент перевода единиц освещенности (лк) в единицы облученности (Вт ФАР/м 2), например для ламп типа ДРИ 2000 - 6 - 3,05 х 10 -3. Это требование может быть обеспечено лишь при большой единичной мощности каждого источника излучения. Мощность источников излучения, рекомендуемая нами для МГЛ – 1000–2000 Вт; для НЛВД – 400–1000 Вт. Для увеличения единичной мощности разработаны также облучатели типа ЖСП 44-2x400 с двумя НЛВД типа ДНаТ 400;
· средства искусственного облучения не должны обладать большими размерами, т. к. это приводит к значительному экранированию естественного излучения в светлое время суток. Разработаны новые лампы типа «Рефлакс» ДНАЗ - 350 с зеркально или диффузно отражающим покрытием для замены лампы ДРЛФ 400 в облучательах ОТ 400 МИ со световым по-током более 30 клм и габаритными размерами 120 х 320 мм;
· лампы должны обладать высокой световой отдачей при относительно минимальной стоимости, т.е. должны быть экономичными. Световая отдача ламп типов ДРИ - 1000 - 6, ДРИ - 2000 - 6 и ДНаТ 400 – 100 лм/Вт и более, ДНаТ 600 (импорт.) – до 150 лм/Вт.
Импульсный режим работы светодиодных осветительных установок в теплице
Основные энергетические затраты при выращивании растений в теплицах приходятся на системы освещения. Поэтому, вопросам эффективности использования осветительных установок в теплицах уделяется особое внимание. Их эффективность можно оценить по совокупности нескольких параметров: энергоэффективность, спектр излучения ламп и его соответствие спектру поглощения растений, надежность.
Направлениями для снижения энергопотребления осветительных установок при выращивании растений в теплице могут быть:
оптимальные спектры излучения, наиболее благоприятные для растения;
импульсное облучение растений с максимально возможной частотой подачи светового потока на растения, не ухудшающего их продуктивность и качество.
|
|
|
Известно, что растение использует световую энергию для обеспечения внутренних процессов, одним из которых является фотосинтез. Также известно, что воспринимается не вся подаваемая на растение световая энергия. В ходе световой фазы фотосинтеза растение усваивает и накапливает энергию для внутренних процессов, в темневой фазе протекают ферментативные реакции, которые могут проходить как на свету, так и в темноте.
В настоящее время учеными проводятся исследования импульсного освещения биологических объектов, частота которого находится в килогерцовых диапазонах. Например, в работе Мальцевской Н.В. было исследовано влияние импульсного освещения на рост светозависимых микроорганизмов. При длительности световых импульсов 10 -3 -10 -5 с и интервалами между ними 10 -2 с был выявлен прирост биомассы на 13 % относительно результатов постоянного освещения, а удельные затраты энергоресурсов снизились в десятки раз, в зависимости от длительности светового импульса.
Известно также, что частицы живого растения, получая световую энергию, отдают часть этой энергии в виде квантов люминесценции.
Мы предполагаем, что при импульсном облучении растений снижение
энергоемкости может быть достигнуто в результате отключения освещения через определенные промежутки времени. Частота освещения должна
соответствовать продолжительности выхода люминесценции на максимальное значение (рисунок 1). Рациональная частота следования световых им-пульсов без нанесения вреда растениям и при минимальной энергоемкости освещения может быть определена по времени выхода люминесценции растения на постоянный уровень.
Для определения оптимальной частоты следования световых импульсов, необходимо выяснить время отклика зеленого листа растения на единичный световой импульс. Схема проведения эксперимента представлена на рисунке 2.
Рисунок 1 – Время реакции растений на световой импульс
Рисунок 2 – Схема получения люминисцентного отклика растения: БП – блок питания; Т – таймер; ОУ – осветительная установка; ФП - фотоприёмник; ПК – персональный компьютер
|
|
|
Питание экспериментальной осветительной установки осуществляется при помощи блока питания (БП). Для формирования световых импульсов определенной частоты, мощности и скважности используется программируемый таймер (Т). После прохождения через реле-таймер, сформированный электрический импульс подается на осветительную установку (ОУ), которая осуществляет подачу светового потока на растение. Фиксировать отклик растения на световой импульс предполагается с помощью фотоприемника (ФП). Зафиксированный с помощью фотоприемника сигнал обрабатывается.
Необходимо исследовать зависимость люминесцентного отклика растения от длительности и величины светового импульса. Время T 0 (рисунок 1), за которое растение воспринимает световой поток, преобразуя полученный свет в энергию для внутренних процессов, должно равняться продолжительности светового импульса.
Стоит отметить, что для осуществления поставленных целей необходимо отказаться от использования широко применяемых ламп, а также осветительных установок на их основе. Для работы в импульсном режиме в
наибольшей степени подходят светоизлучающие диоды (СИД).
Светодиодные светильники обладают всеми необходимыми характеристиками для реализации досвечивания растений в теплице. СИ имеют
различные спектральные характеристики излучения и, компонуя их, можно добиться любой спектральной характеристики светового потока, подаваемого на растения. На рисунке 3 показаны спектральные характеристики осветительных установок на основе светоизлучающих диодов XLamp MC-E LED фирмы Cree.
Рисунок 3 – Спектральные характеристики СИД XLamp MC-E LED: 1 – белый; 2 – синий; 3 – зелёный; 4 - красный
Предварительные эксперименты по изучению влияния СИД различного
спектрального состава на растения в теплице подтверждают возможность
их дальнейшего применения, т.к. они позволяют осуществить импульсное
освещение с частотой до десятков кГц и получить различные комбинации спектров излучения.
|
|
|
