ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

Скрипник Микола Микитович

УДК 628.979.001.2

ЕНЕРГО - І РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧІ ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЇ ОПРОМІНЮВАННЯ ДОНОРІВ ТА РЕГЕНЕРАНТІВ РОСЛИН

05.09.16 – електротехнології та електрообладнання

в агропромисловому комплексі

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконувалась в Національному аграрному університеті

Кабінету Міністрів України

Науковий консультант: заслужений діяч науки і техніки України,

академік УААН і РАСГН, доктор технічних наук,

професор Мартиненко Іван Іванович,

Національний аграрний університет,

професор кафедри автоматизації

сільськогосподарського виробництва

Офіційні опоненти : –

доктор технічних наук, професор Романовський Іван Якимович,

Національний університет харчових технологій, професор кафедри фізики –

доктор технічних наук, доцент Щур Ігор Зенонович,

Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри електроприводу і автоматизації промислових установок–

доктор технічних наук, професор Кучин Лев Федорович,

Харківський державний технічний університет сільського господарства,

професор кафедри “Загальна електротехніка”

Провідна установа: Таврійська державна агротехнічна академія Міністерства аграрної політики України, м. Мелітополь

Захист відбудеться “ 16 ” січня 2003 року о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 Харківського державного технічного університету сільського господарства за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці університету Харківського державного технічного університету сільського господарства.

Автореферат розісланий “_10___” грудня 2002 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Черенков О.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Впровадження в сільськогосподарське виробництво сучасних електротехнологій, зокрема електротехнологій вирощування донорів та регенерантів рослин пов'язане з вирішенням ряду науково-технічних проблем, насамперед з дослідженням і розробкою систем опромінювання, забезпечення мікроклімату, контролю режимів роботи і параметрів електрообладнання. При цьому першочергове завдання полягає в розробці таких електротехнологічних засобів, методів теоретичних і експериментальних досліджень, які, з одного боку, враховують умови вирощування рослин, режими опромінювання і живлення, конструкцію і розташування технологічного обладнання, вимоги не порушувати захисні оболонки рослин-регенерантів (будь-які досліди, пов'язані з їх розгерметизацією, порушують технологічний цикл), необхідність рівномірного розподілу опроміненості, боротьби з шкідливою фітофторою, а з іншого - забезпечують істотне (до 40%) скорочення витрат електричної енергії, а також вартості обладнання порівняно з існуючими системами.

Є доцільним широке застосування моделювання для дослідження режимів опромінювання рослин, визначення основних параметрів систем, обґрунтування характеристик "система-об’єкт" опромінювання з урахуванням частотних діапазонів, процесів газообміну, швидкості поглинання споживних речовин. Необхідні також дослідження характеристик різнотипових джерел опромінювання, енергетичних характеристик, робочих і критичних режимів роботи опромінюючих систем (у тому числі систем з груповими ПРА, з імпульсними запалюючими пристроями, з пристроями для вмикання газорозрядних джерел на підвищеній частоті та ін.).

Названі вище дослідження дозволяють отримати вихідні дані, необхідні для науково обґрунтованої розробки і впровадження енерго- і ресурсозберігаючого опромінювання рослин, а також прогнозування енергоспоживання цих засобів, що має важливе народногосподарське значення і зумовлює актуальність впровадження нових електротехнологій в сільськогосподарське виробництво.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в 1975-2002 рр. у відповідності з тематичними планами Української академії аграрних наук, Українського науково-дослідного інституту механізації і електрифікації сільського господарства, Національного аграрного університету та цільових комплексних науково-технічних програм, затверджених Державним Комітетом по науці і техніці колишнього СРСР, Міністерством плодоовочевого господарства СРСР, планами ряду міністерств, аграрних та промислових підприємств, у тому числі:–

науково-технічною програмою на 1986...1990 рр. 0.51.14, затвердженою ДК СРСР по науці і техніці 30.X. 1985 р., № 555 "Вивчити можливість застосування в СТК нових джерел світла і способів освітлення з метою прискорення селекційного процесу і зниження енерговитрат";–

постановою НТР Мінплодоовочгоспу СРСР стосовно використання електрообладнання для імпульсного опромінювання рослин (ТК 577-83-28 від 15 липня 1983 р.);–

програмою фундаментальних досліджень УААН на 1991... 1995 рр., напрямок Ф 10, розділ 17Р.8.1.2 "Розробити теоретичні основи та обґрунтувати застосуван-ня електрофізичних засобів для безвірусного вирощування меристемних рослин в сільськогосподарському виробництві";–

Державною науково-технічною програмою "Енерго- та ресурсозберігаючі технології у сільськогосподарському виробництві" (шифр 97312, 1997-1998 рр.);–

темою фундаментальних наукових досліджень "Енерго- та ресурсозберігаючі технології в промисловості і АПК" (наказ № 60-А від 23.02.2001 р. "Про затвердження фундаментальних наукових досліджень УАЗТ на 2001-2005 рр.).

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування і створення енерго- і ресурсозберігаючих електротехнологій опромінювання донорів та регенерантів рослин, які забезпечують суттєве скорочення витрат електричної енергії, матеріальних витрат і строків отримання продукції в галузі елітного насінництва.

В процесі її реалізації були сформульовані і розв'язані такі задачі:–

удосконалення та розробка методів оцінки ефективності електротехнологій опромінювання донорів та регенерантів рослин;–

обґрунтування інтегральних показників енерго- і ресурсозбереження як єдиних критеріїв оцінки ефективності опромінювання в рослинних електротехнологіях;–

оцінка ефективності опромінювання в рослинних електротехнологіях на основі інтегральних показників енергозбереження;–

аналіз і дослідження процесів опромінювання в рослинних електротехнологіях;–

дослідження та обґрунтування енерго- і ресурсозберігаючих режимів і систем опромінювання донорів та регенерантів рослин;–

обґрунтування показників енерго- і ресурсозбереження електротехнологій з малопровідними системами опромінювання (на основі мережі живлення "лінійна-фазна-половина лінійної напруги").

Об'єктом дослідження є процеси опромінювання донорів та регенерантів рослин (безперервні, регульовані безперервні, квазістаціонарні, комбіновані, високочастотні, спектральні, чергуючі, експрес-діагностики тощо), які забезпечують підвищення рівня енерго- і ресурсозбереження в рослинних електротехнологіях.

Предметом дослідження є параметричні, режимні і циклічні характеристики “система – об’єкт ”, а також залежності, які характеризують процеси та режими в електротехнологіях опромінювання донорів та регенерантів рослин.

Методи дослідження. У процесі проведення досліджень використовувались:–

теоретичні методи електротехніки, світлотехніки, світлокультури рослин, методи лінійного і динамічного програмування, технологічного та економічного прогнозування;–

аналіз та наукове узагальнення літературних джерел з теорії енерго- і ресурсозбереження, моделювання і прогнозування науково-технічного прогресу;–

методика аналізу рослинних електротехнологій на основі єдиних критеріїв оцінки ефективності джерел і систем опромінювання (інтегральних показників енерго- і ресурсозбереження ), яка розроблена в дисертації.

Наукова новизна одержаних результатів : –

вперше запропоновано і теоретично обґрунтовано застосування системи інтегральних показників енерго- і ресурсозбереження (ІЕ, ІЕР, ІЕРС-показників) для оцінки ефективності опромінювання донорів та регенерантів рослин з врахуванням параметричних, режимних, циклічних характеристик “система - об’єкт ”, відповідних моделей (Н-моделей підвищення світлової віддачі джерел; -моделей зменшення втрат потужності; індуктивно-ємнісних LC-моделей заощадження електричної енергії; F-моделей підвищення строку служби опромінювачів; моделей енергозбереження “зірка-трикутник” тощо) і коефіцієнтів енергозбереження (режимних, частотних, спектральних), що дозволяє за єдиними критеріями порівнювати і прогнозувати використання джерел, режимів і систем опромінювання в галузі;–

отримані енергетичні характеристики енергозберігаючих режимів і систем опромінювання на основі нової мережі живлення опромінювачів рослин, що дозволило обґрунтувати критичні і робочі режими експлуатації електрообладнання в електротехнологіях вирощування донорів та регенерантів рослин;–

отримали подальший розвиток методи дослідження і засоби забезпечення енерго- і ресурсозберігаючого опромінювання в рослинних електротехнологіях, які дозволяють оцінити і прогнозувати техніко-економічну ефективність режимів, систем опромінювання, встановити взаємозв'язок між параметрами опромінювання і розвитку рослин, при яких досягається найбільш ефективне використання електричної енергії, зменшення матеріальних витрат;–

запропонована нова методика досліджень, в основу якої покладено три взаємозв'язаних фактори (специфічність, енерго- і ресурсозбереження електротехнологій), кожен з яких обумовлює відповідний напрямок наукових досліджень з єдиною метою - визначення базових техніко-економічних показників і на їх основі - прогнозування джерел, режимів і систем опромінювання в рослинних електротехнологіях;–

обґрунтовані методи дослідження і засоби забезпечення низько- і високочастотних режимів, режимів на промисловій частоті із з'єднанням джерел в "зірку" з ізольованою нейтраллю, "зірку" із заземленою нейтраллю, "трикутник";–

обґрунтовані параметри і режими експлуатації систем опромінювання з індивідуальними і груповими пускорегулюючими апаратами;–

обґрунтовані техніко-економічні показники рослинних електротехнологій, які дозволяють здійснити аналіз, моделювання, прогнозування ефективності джерел, режимів і систем опромінювання, а також перенесення результатів досліджень з режиму на режим, з системи на систему, з електротехнологій опромінювання донорів на електротехнології опромінювання регенерантів і навпаки.

Результати досліджень є основою розрахунків, науково обґрунтованого вибору і проектування сучасних електротехнологій опромінювання рослин, що суттєво зменшує витрати на розробку і практичне впровадження нових електротехнологій в сільськогосподарське виробництво.

Практичне значення одержаних результатів : –

розроблені принципи, сформульовані основні положення і вимоги до енерго- і ресурсозберігаючого опромінювання в рослинних електротехнологіях, які забезпечують ефективне стимулювання їх розвитку, суттєве скорочення витрат електричної енергії, маси і розмірів ПРА при мінімальній кількості джерел і комутуючих елементів;–

розроблені, досліджені і впроваджені в сільськогосподарське виробництво і промисловість комплекти електротехнологічного обладнання для забезпечення безперервних, квазістаціонарних і комбінованих режимів опромінюван-ня рослин, групового і індивідуального керування режимами роботи джерел, контролю параметрів опромінюючих систем і розвитку рослин, застосування яких сприяє підвищенню продуктивності праці, якості елітного насіннєвого матеріалу, скороченню матеріальних витрат і строків отримання продукції;–

обґрунтовані, розроблені і впроваджені агротехнічні і електротехнологічні вимоги до режимів і систем опромінювання рослин, які забезпечують зменшення витрат праці в 2,7...3 рази і отримання додаткової продукції в межах 15-20%;–

обґрунтовані і досліджені режими роботи і параметри газорозрядних джерел низького і високого тиску з урахуванням режимів опромінювання і особливостей електротехнологій вирощування донорів і регенерантів рослин;–

обґрунтовані і досліджені енерго- і ресурсозберігаючі режими і системи опромінювання на основі нової мережі живлення опромінювачів (лінійна-фазна-половина лінійної напруги);–

запропоновані методи випробовування і експрес-діагностики опромінюючих систем.

На розроблені методи та ряд електротехнологічних засобів одержано 13 авторських свідоцтв. На їх основі створені електротехнологічні пристрої і системи опромінювання, електровимірювальна апаратура, електрообладнання для рослинних електротехнологій, які випробовувались в провідних науково-дослідних інститутах, сільськогосподарському виробництві і промисловості.

Особистий внесок автора. Нові наукові результати дисертації отримані здобувачем особисто. У наукових працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає у наступному: у наукових працях [1, 2, 3, 12, 13, 15, 16, 17] автору належить розробка і обґрунтування моделей “система-об’єкт”, які характеризують електротехнічні процеси опромінювання рослин; у роботах [11, 24, 25, 26, 40] автору належить обґрунтування інтегральних показників енерго- і ресурсозбереження; у роботах [27-38] автору належить розробка окремих пристроїв для опромінювання рослин, контролю і вимірювання електричних та світлових величин.

Як відповідальний виконавець, автор брав безпосередню участь на всіх етапах впровадження у виробництво результатів досліджень (в галузях агропромислового комплексу, світлотехнічній та електротехнічній промисловості) і підготовці публікацій.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи і її результати апробовані на науково-практичних конференціях і семінарах, зокрема на:–

шостій Всесоюзній конференції по фотоенергетиці рослин (Львів, 1980 р.);–

VІ-й Всесоюзній науково-технічній нараді по автоматизації виробничих процесів в рослинництві (Каунас, 29 червня - 1 липня 1982 р.);–

засіданні секції №2 "Производство плодоовощной продукции, винограда и раннего картофеля" НТР Мінплодоовочгоспу СРСР по використанню електрообладнання для імпульсного опромінювання рослин в спорудах захищеного ґрунту (Москва, 15 липня 1983 р.);–

Всесоюзній конференції "Проблемы фотоэнергетики растений и повышение урожайности" (Львів, 3-5 квітня 1984 р.);–

Всесоюзній науковій конференції "Пути повышения эффективности использования и экономии электроэнергии в системах электроснабжения промышленности и транспорта (Казань, 18-19 вересня 1984 р.);–

республіканській науково-технічній конференції "Совершенствование зональних систем машин и пути повышения производительности труда в сельском хозяйстве" (Київ, 21-22 вересня 1984 г.);–

науково-практичному семінарі "Электрификация в решении Продовольственной программы СССР" (Мелітополь, 1985 р.);–

ІІІ-й робочій нараді спеціалістів країн-членів РЕВ і виконавців проекту "Биометрия" (Пущіно, СРСР, 17-21 червня 1985 р.);–

ІІ-й Всесоюзній науково-технічній конференції "Энергосберегающее электрооборудование для АПК" (Москва, 23-26 жовтня 1990 р.);–

Наукових конференціях професорсько-викладацького складу та аспірантів НАУ (1993-1998рр.)–

ІV-й міжнародній науково-практичній конференції УАЗТ "Проблеми регулювання зовнішньоекономічної діяльності України в сучасних умовах" (Київ, 25 травня 2001 р.)–

міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” на базі Національного наукового центру “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” УААН (25-28 вересня 2001р.).–

VІІ-й міжнародній науково-практичній конференції “Энергосбережение, эффективность, экология”(Київ, 16-17 травня 2002 року);–

міжнародній науково-технічній конференції “Енергоефективність –2002”(Київ 29-30 жовтня 2002р).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 52 наукові праці, в тому числі 24 статті в наукових фахових виданнях (із них 14 одноосібних), 2 довідника, 13 авторських свідоцтв, 11 тез конференцій (із них одна одноосібна), 2 інформаційні листки.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку бібліографічних джерел з 196 найменувань, додатків. Основний зміст роботи викладено на 264 сторінках машинописного тексту, 50 рисунках і 18 таблицях.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подана загальна характеристика роботи, показані актуальність теми і доцільність проведення досліджень, зв'язок роботи з науковими програмами, сформульовані мета і основні задачі досліджень, висвітлені наукова новизна і практична цінність роботи, сформульовані наукові положення, що виносяться на захист, визначено особистий внесок автора, кількість публікацій.

У першому розділі проведений аналіз існуючих електротехнологій опромінювання рослин, обґрунтована необхідність вдосконалення відомих і розробки принципово нових методів і технічних засобів опромінювання , а також електровимірювальної апаратури. Виходячи з того, що існуючі системи не забезпечують енергозберігаючі режими опромінювання , мікроклімату і живлення рослин, що призводить до перевитрат в 1,5-2 рази, погіршення якості кінцевої продукції, обґрунтована необхідність розробки нових режимів і систем опромінювання рослин в біотехнології.

Значний внесок в розвиток науки по застосуванню електроенергії в сільському виробництві зроблений дослідженнями І.Ф.Бородіна, І.О.Будзко, В.М.Гарбуза, Г.Б.Іноземцева, М.О.Корчемного, Л.Ф..Кучина, І.І.Мартиненко, В.І.Мішина, В.К. Мурзіна, Л.Г.Прищепа, І.Я.Романовського, М.А.Романченко, П.І.Савченко, О.Д.Черенкова, А. С. Черепнева, І.З. Щура та інших.

Аналітичне узагальнення наукових досліджень по використанню режимів і систем опромінювання рослин показало недостатність теоретичних і експериментальних розробок в цій галузі, незважаючи на високу біологічну ефективність нових електротехнологій, які дозволяють скоротити строк виробництва елітного насіннєвого матеріалу, прискорити впровадження в виробництво нових сортів, підвищити якість рослинної продукції.

Немає достатньої ясності в питаннях вибору типів і кількості джерел, пускорегулюючих апаратів, імпульсних запалюючих пристроїв, індивідуальних і групових баластів, обґрунтування енергозберігаючих режимів опромінювання, регулювання параметрів опромінюючих систем в процесі експлуатації. Відсутність або недостатньо ефективне використання групових баластів і групового керування режимами роботи джерел значно збільшує втрати в ПРА і призводить до перевитрат електроенергії.

В електротехнологіях опромінювання донорів та регенерантів рослин переважно застосовують газорозрядні джерела низького і високого тиску. В типових культиваційних спорудах розміщують сотні джерел і десятки тисяч пристроїв для вирощування рослин-регенерантів, які не забезпечують раціонального використання електричної і теплової енергії, корисного об'єму споруд, порушують температурний режим. Наявність значної кількості баластних дроселів в порівняно невеликих об'ємах спричиняє значні коливання температури, що негативно впливає на розвиток рослин, примушує розташовувати пускорегулюючу апаратуру в окремих приміщеннях.

Крім того, в процесі вирощування рослин режими опромінювання підтримуються, як правило, незмінними, що не дозволяє ефективно використовувати біологічні особливості засвоєння рослинами променистої енергії, оскільки вимогливість рослин до умов навколишнього середовища (тривалості режимів і параметрів опромінювання, спектрального складу, температури, концентрації вуглекислого газу тощо) змінюється в зв'язку з проходженням рослинами різних етапів онтогенетичного розвитку. Недосконалими є і конструкції пристроїв для вирощування рослин. Все це призводить до суттєвого зменшення ефективності опромінювання. У зв'язку з цим необхідні дослідження і обґрунтування нових енерго- і ресурсозберігаючих режимів опромінювання рослин і розробка наукових основ їх використання.

В другому розділі проведений аналіз екологічних, біологічних, електротехнологічних, економічних та проектно-конструкторських вимог до систем опромінювання, які передбачають: чергування безперервних, квазістаціонарних, комбінованих режимів опромінювання, групове керування і регулювання режимів роботи різнотипних джерел; регулювання тривалості режимів і параметрів опромінювання; автоматичне надходження повторних серій високовольтних імпульсів для запалювання газорозрядних джерел високого тиску; контроль режимів роботи систем опромінювання, вимірювання основних параметрів джерел; використання імпульсних запалюючих пристроїв для різнотипних джерел; використання мінімальної кількості джерел, ПРА, комутуючих елементів, підвищення світлової віддачі джерел.

Необхідність реалізації квазістаціонарних режимів зумовлена наступним:–

названі режими забезпечують підвищення ефективності опромінювання і зменшення енергетичних витрат за рахунок підсилення життєдіяльності рослин: численними дослідами доведений позитивний вплив цих режимів на швидкість фотосинтетичного поглинання вуглекислого газу (збільшення в 1,3.....1,8 рази), розвиток, накопичення сухих речовин і інші процеси;–

жорсткі вимоги електротехнологій опромінювання донорів та регенерантів рослин зумовлюють необхідність періодичної зміни рівнів опроміненості з більшої на меншу і навпаки;–

квазістаціонарні режими сприяють більш рівномірному розподілу рівнів опроміненості рослин порівняно з безперервними;–

квазістаціонарні режими доцільно використовувати не тільки для опромінювання рослин, а й для експрес-діагностики джерел. Практична реалізація квазістаціонарних і чергуючих режимів опромінювання характеризуються вимогою: сила струму, який протікає через джерела, не повинна зменшуватися нижче певного критичного рівня, при якому підтримується стійкий газовий розряд і лампи не гаснуть. Тому можливе використання тільки таких систем, які дозволяють виключити темнові паузи, а імпульси опромінювання різної амплітуди і тривалості накладати на мінімальний рівень опромінювання.

Необхідність застосування систем експрес-діагностики полягає не тільки в можливості забезпечення квазістаціонарних режимів, які сприяють прискореному розвитку рослин, покращенню їх біометричних показників і продуктивності, а й в можливості швидкісного моделювання реальних режимів експлуатації, проведення прискорених випробувань систем опромінювання, скорочення витрат електроенергії. Особливо доцільним є застосування систем експрес-діагностики для контролю спаду світлового потоку джерел, визначення терміну їх заміни, обґрунтування вимог до конструкції джерел, отримання вихідних даних, необхідних для розробки і впровадження енергозберігаючих джерел в сільськогосподарське виробництво.

Проблеми енерго- і ресурсозбереження також пов'язані з єдиною системою експрес-діагностики джерел і рослин, можливістю використання розроблених режимів як при вирощуванні рослин, так і в умовах заводів світлотехнічного профілю (розробка вимог до конструкції джерел, забезпечення прискорених випробувань джерел).

Відбір систем опромінювання здійснювали на основі аналізу їх електричних схем заміщення, цільових функцій та моделей енергозбереження. Визначення найбільш доцільних варіантів проводили з врахуванням витрат електроенергії, матеріальних витрат, інтенсивності розвитку рослин.

Однією з основних проблем впровадження новітніх електротехнологій в АПК є забезпечення єдиних критеріїв оцінки режимів і систем опромінювання рослин, їх обґрунтування і прогнозування. Існуючі методи передбачають, як правило, загальний техніко-економічний аналіз без виділення взагалі або без детального розгляду таких факторів як "специфічність", "ресурсозбереження", "енергозбереження" електротехнологій, параметричних, режимних, циклічних, спектральних характеристик "система-об'єкт", кривих росту рослин, визначення на їх основі витрат і заощадження електричної енергії та ін. Явно недостатньо досліджень, які кількісно і якісно характеризують специфічні особливості опромінювання донорів та регенерантів рослин, особливо з використанням культиваційних систем вертикального типу, суміщених пристроїв для вирощування і опромінювання рослин та ін. Це не дозволяє оцінити "питому вагу" кожного базового фактору, параметрів, режимів і циклів опромінювання рослин, що призводить до суттєвих похибок при визначенні техніко-економічних показників електротехнологій. Незважаючи на велику кількість існуючих методів аналізу електротехнологій і електрообладнання саме поняття "специфічність" електротехнологій вирощування і опромінювання рослин як техніко-економічна категорія не має чіткого науково-технічного визначення і загальноприйнятої методики досліджень. Існуючі методи досліджень також не дають однозначної відповіді на питання, як оптимізувати режими енерго- і ресурсозбереження, як забезпечити вимірювання і контролювання основних параметрів опромінюючих систем в процесі експлуатації та ін. В кінцевому підсумку все це ускладнює наукове і практичне використання результатів досліджень і їх перенесення з однієї електротехнології на іншу, з режиму на режим, з одного типу рослин на інший, а також впровадження стандартизованих характеристик енерго- і ресурсозбереження в АПК.

Дослідження сучасних електротехнологій вирощування і опромінювання рослин передбачає проведення системного аналізу і патентного пошуку з метою виявлення найбільш ефективних технічних рішень, узагальнення методів енерго- і ресурсозбереження, виявлення патентів-аналогів, обґрунтування вимог до режимів і систем опромінювання. Основні вимоги до сучасних електротехнологій вирощування і опромінювання рослин слідуючі: уніфікація електрообладнання, що дозволяє застосовувати його в різних електротехнологіях і електротехнологічних процесах; багатоцільове використання технологічного і електричного обладнання; наявність для кожної електротехнології оптимального поєднання джерел, ПРА, опромінюючих систем, чітка взаємодія великої кількості пристроїв, систем, вимірювальних приладів високий рівень електроавтоматизації технологічних процесів.

В основу методики досліджень покладено три взаємозв'язаних фактори: специфічність, ресурсозбереження, енергозбереження. Кожен з цих факторів обумовлює відповідний напрямок досліджень з єдиною метою - визначення інтегральних показників енергозбереження і на їх основі - моделювання і прогнозування електротехнологій:

1)

2)

3)

Особливістю методики є ступінчаста система аналізу - від базових факторів до інтегральних показників енергозбереження. Перший ланцюг трансформує загальні вимоги до світових електротехнологій в конкретні вимоги до електротехнологічних процесів опромінювання донорів та регенерантів рослин, а також до енергозберігаючих режимів. Параметричні, режимні і циклічні характеристики "система-об'єкт" є другим ланцюгом між фактором “специфічності” і об'єктом. Третім ланцюгом між об'єктом і інтегральними показниками енергозбереження є криві росту, аналіз яких дозволяє оцінити ефективність тієї чи іншої електротехнології, того чи іншого режиму (системи)опромінювання, визначити заощадження електричної енергії, кількісні і якісні показники вихідної рослинної продукції.

Фактор “специфічність” є пріоритетним, оскільки враховує основні вимоги (екологічні, технологічні, біологічні, технічні, проектно-конструкторські, економічні та ін.) до електротехнологій опромінювання донорів та регенерантів рослин і ступінь впливу параметрів, режимів і циклів опромінювання на їх розвиток. Основними ознаками фактору "специфічність" є рівні, режими, рівномірність і спектральний склад опромінювання.

Основні вимоги до фактору "енергозбереження" - заощадження електричної і теплової енергії. Реалізація цих вимог пов'язана з розробкою, дослідженням і впровадженням перетворювачів частоти, низько- і високочастотних режимів опромінювання, систем на промисловій частоті, а також нових способів і засобів вимірювань електричних і світлових величин. Використання названих розробок, результатів дослідження і моделювання режимів і систем опромінювання, а також взаємозв'язаного регулювання індуктивності і ємності ПРА дозволило суттєво зменшити втрати електричної енергії, втрати потужності в ПРА, підвищити світлову віддачу джерел на 8-10%, спростити і підвищити точність вимірювання електричних і світлових величин в чергуючих, квазістаціонарних і комбінованих режимах опромінювання рослин.

Практичне значення запропонованої методики полягає в тому, що на її основі можливо не тільки порівнювати електротехнології вирощування і опромінювання донорів, регенерантів та ценозів рослин, а й переносити результати досліджень з електротехнології на електротехнологію, з режиму на режим, а також прогнозувати основні параметри джерел, ПРА, опромінюючих систем. Це досягається шляхом зіставлення параметричних, режимних і циклічних характеристик "система-об'єкт" (рис 1.), кривих росту рослин, моделей енерго- і ресурсозбереження, а також основних техніко-економічних і прогнозних характеристик. На основі аналізу кривих росту, моделей енергозбереження та результатів впровадження розраховували поточні і прогнозні витрати електричної енергії.

В третьому розділі наведені результати досліджень характеристик і режимів роботи систем опромінювання з різнотипними джерелами і ПРА, обґрунтування параметрів і режимів опромінювачів, визначення основних параметрів коливань рівнів опроміненості рослин і діапазонів цих коливань. Наведені також результати дослідження енергетичних характеристик джерел і систем опромінювання, розробки електротехнологічних пристроїв для регулювання параметрів опромінювання. Широке застосування різнотипних джерел, ПРА, імпульсних запалюючих пристроїв обумовлює розробку простих і надійних систем опромінювання, які забезпечують сучасні вимоги до енерго- і ресурсозбереження в рослинних електротехнологіях. Дослідження названих систем проводили для газорозрядних джерел низького і високого тиску, а також джерел розжарювання. При цьому вимірювались величини напруг, струмів і потужностей джерел, ємності і індуктивності ПРА, а також рівні опроміненості рослин.

Рис 1. Характеристики взаємозв’язку “система- об’єкт опромінювання”.

В результаті аналізу енергетичних характеристик, отриманих для різнотипних ПРА, але при використанні одних і тих же джерел (для підвищення достовірності досліджень), встановлено, що розроблені системи мають ряд переваг порівняно з існуючими - регулювання в широких межах режимів і параметрів опромінювання рослин, більш високий коефіцієнт потужності порівняно з існуючими системами, зменшення маси і розмірів ПРА, висока надійність систем за рахунок відсутності стартерів, мінімізації кількості комутуючих елементів і ліній з'єднань.

Ефективність опромінювання в рослинних електротехнологіях зв'язана з використанням такого показника як кількість вуглекислого газу, засвоєного одиницею площі поверхні рослини в розрахунку на одиницю потужності системи опромінювання. Для порівняння ефективності безперервних і квазістаціонарних режимів опромінювання запропоновані моделі і показники, які враховують : середню інтенсивність газообміну, інтенсивність газообміну на протязі імпульсів опромінювання (вона є функцією від величини опроміненості і тривалості імпульсів), інтенсивність газообміну при безперервному опромінюванні, а також основні режими і параметри опромінювання.

В дисертації наведено також лінійні і експоненціальні моделі ефективності опромінювання, які враховують біологічні, і електротехнологічні вимоги до опромінювання донорів та регенерантів рослин, а також вимоги енергозбереження. Кінцеві результати теоретичних досліджень характеризують залежності:

де q - показник ефективності енергозберігаючих (квазістаціонарних) режимів опромінювання;

K1, K2, K3 – коефіцієнти енергозбереження;

Д, Z – коефіцієнти лінеаризації, які залежать від амплітуди імпульсів опромінювання;

А, В – постійні коефіцієнти, які характеризують газообмін рослин і визначаються по результатах експериментальних досліджень світлових кривих. –

тривалість періодів безперервного опромінювання; с; –

тривалість періодів квазістаціонарного опромінювання, с;

і – тривалість імпульсів опромінювання, с;

д – тривалість пауз між імпульсами опромінювання, с;

Рн – питома потужність системи при безперервному опромінюванні , Вт м-2;

Рі – питома потужність системи на протязі імпульсів опромінювання Вт м-2;

Рg – питома потужність системи в паузах між імпульсами опромінювання, Вт м-2;

а1, в1– поточні і одноразові витрати для базової електротехнології;

а2,, в2 – поточні і одноразові витрати для енергозберігаючої електротехнології.

Отримання найбільшого техніко-економічного ефекту від впровадження систем опромінювання пов'язане з мінімізацією питомих витрат їх елементів з урахуванням режимів і основних характеристик систем.

При проведенні експериментальних досліджень вимірювали величини струмів і потужностей окремих джерел і трифазної системи, падіння напруг на індивідуальних конденсаторах і групових індуктивних баластах при схемах з'єднання "трикутник", "зірка" з ізольованою нейтраллю, "зірка" з заземленою нейтраллю і варіюванні загальною кількістю джерел і ємністю конденсаторів. Вибір варіантів обумовлювався результатами досліджень енергетичних характеристик опромінювачів в безперервних і квазістаціонарних режимах. Режими роботи джерел визначаються властивостями газового розряду і параметрами схеми. При зміні величин ємності конденсаторів, кількості джерел і баластних опорів опромінювачів, перемиканнях схем з'єднань відповідно змінюються режими роботи джерел, їх потужність, світловий потік. Досліджені залежності загального фазного струму і потужності електротехнологічних систем, струму і потужності окремих джерел від загальної кількості джерел при груповому баласті з шести, п'яти, чотирьох, трьох і двох обмоток опромінювачів. Як показує аналіз результатів досліджень, найкращий варіант застосування таких систем з точки зору зменшення витрат, підвищення коефіцієнта потужності системи, створення енергозберігаючих режимів опромінювання досягається при з'єднанні джерел загальною кількістю 33 штук (базовий варіант) по схемі "зірка" з ізольованою нейтраллю.

В результаті проведених досліджень обґрунтовані основні параметри джерел, систем і ПРА, а також втрати потужності в ПРА (рис.2 ), які визначають витрати електричної енергії.

В основі розділу 4 лежать теоретичні і експериментальні дослідження режимів експлуатації джерел, ПРА, систем; спадання світлового потоку в процесі експлуатації, обґрунтування робочих зон і критичних режимів опромінюючих систем, експлуатаційних вимог, дослідження і обґрунтування основних характеристик споживання електричної енергії, частотних зон, режимів і параметрів опромінювання рослин.

В результаті математичного моделювання і експериментального дослідження основних характеристик опромінюючих систем (при використанні групових і індивідуальних ПРА, різних частотних діапазонів, а також змінних співвідношень кількості газорозрядних джерел низького і високого тиску) обґрунтовано застосування таких систем, які забезпечують: заощадження електричної енергії і матеріальних витрат; регулювання в широких межах режимів опромінювання; застосування промислової, підвищених і знижених частот; підвищення світлової віддачі джерел; використання уніфікованих ПРА, мінімальної кількості комутуючих елементів і ліній з'єднань.

У цьому ж розділі визначені основні робочі зони систем опромінювання, обґрунтовані нові методи і аналітичні залежності, з допомогою яких виявлені ефективні режими і засоби опромінювання рослин. З метою зіставлення значної кількості існуючих, розроблених і виявлених шляхом патентного пошуку режимів і електротехнологічних систем запропоновані критерії ефективності, які характеризують вказані системи (з урахуванням робочих і критичних зон експлуатації, режимів опромінювання, особливостей технології і конструкції). Доведена доцільність застосування математичного моделювання енергоспоживання опромінюючих систем для оцінки поточного споживання електричної енергії і економічної ефективності тієї чи іншої системи.

При моделюванні враховані основні параметри опромінюючих систем, втрати потужності в ПРА, витрати і вартість електроенергії для кожного режиму.

Строк служби газорозрядних джерел опромінювання рослин не повинен зменшуватися в квазістаціонарних режимах порівняно з безперервними. Для забезпечення цієї вимоги при проведенні експериментальних досліджень температура пальників і колб газорозрядних джерел високого тиску підтримувалась такою ж, як і в безперервних режимах при номінальній потужності. В результаті аналізу результатів (рис.3.) встановлено:

Рис.3. Результати досліджень низькочастотних режимів.

1) При регулюванні напруги живлення в межах 0,8 ... 0,93 від номінального значення відносні значення струмів в квазістаціонарних, безперервних і чергуючих режимах залишаються практично незмінними і становлять відповідно 2,03; 0,91 та 0,31 (по відношенню до номінального значення струму джерел опромінювання);

2) Граничне допустиме збільшення величин струму і потужності систем опромінювання в квазістаціонарних режимах порівняно з безперервними (верхня критична межа) становить відповідно 2,33 ...2,34 та 2,64 ...2,65 рази. При перевищенні цих співвідношень строк служби газорозрядних джерел зменшується порівняно з експлуатацією їх в безперервних режимах з номінальною потужністю;

3) Мінімально допустима величина струму джерел опромінювання в чергуючих режимах становить 27 ... 29% від струму джерел в безперервних режимах (нижня критична межа). При зменшенні цього співвідношення не забезпечується надійне запалювання і стійка робота газорозрядних джерел;

4) Межі регулювання відносної ємності опромінювачів становлять 0,72 ... 0,8.

Загальна тенденція за останні роки - істотне збільшення світлової віддачі джерел при одночасному зменшенні споживання електричної енергії, маси і розмірів ПРА, тенденція використання високочастотних ПРА. З метою визначення режимів роботи систем опромінювання рослин, при яких досягається максимальна світлова віддача, проводились експериментальні дослідження з регулюванням потужності джерел в межах 0,5 ... 1,25 від номінального значення. Частота однополярних імпульсів струму живлення змінювалася в межах 0,1 ... 2 кГц. Вимірювання величин струму і напруги джерел здійснювали з допомогою термовакуумних перетворювачів. При вимірюванні світлових потоків методом заміщення використовувався фотометричний шар.

На рис.4. наведені результати досліджень високочастотних режимів опромінювання для систем з груповим вмиканням газорозрядних джерел низького тиску.

Рис. 4. Залежності світлової віддачі джерел від параметрів опромінювання.

Точки перегинання кривих, які відповідають режимам, де забезпечувалась номінальна потужність джерел, є шуканими значеннями частот живлення. Максимальний приріст світлової віддачі має місце в діапазонах частот 380 ...780, 460 ... 900, 580 ... 1100 Гц в залежності від величини ємності комутуючого конденсатора. Верхня межа частоти живлення складає 1100 Гц. При ній досягається найбільша світлова віддача, зменшення маси і розмірів ПРА. Нижня межа частоти живлення (580 Гц) зумовлена необхідністю забезпечення чергуючих режимів опромінювання, при яких підтримується стійкий газовий розряд джерел.

Енерго- і ресурсозбереження, збільшення світлової віддачі газорозрядних джерел на 8-10% досягається з використанням мінімальної кількості напівпровідникових і комутуючих елементів (конденсатор є одночасно і ємнісним баластом, і комутуючим елементом інвертора) при одночасному зменшенні ваги і розмірів ПРА. Наявність додаткових джерел живлення значно підвищує надійність систем опромінювання в електротехнологіях вирощування донорів і регенерантів рослин

Взаємозв'язане регулювання основних параметрів опромінювання, величин ємності та індуктивності ПРА, потужності джерел і систем, кількості джерел і баластних дроселів - один з факторів мінімізації витрат електричної енергії при використанні індивідуальних і групових ПРА. Необхідне воно і при регулюванні режимів опромінювання (безперервних, квазістаціонарних, чергуючих), а також при перемиканнях схем з'єднань джерел: "зірка" з ізольованою нейтраллю, "зірка" з заземленою нейтраллю, "трикутник". Відсутність взаємозв'язаного регулювання параметрів опромінювання призводить до значних перевитрат електричної енергії (до 35-40%) і матеріальних витрат, особливо при використанні групових ПРА. Тому проводились дослідження енергозберігаючих режимів опромінювання (безперервних, квазістаціонарних, чергуючих) з метою визначення для кожного режиму таких співвідношень основних параметрів, при яких забезпечуються мінімальні витрати електричної енергії і матеріальні витрати.

На рис.5 наведені результати експериментальних досліджень основних режимів опромінювання рослин: квазістаціонарних (криві 1, 2, 3, 4), безперервного (крива 5) і чергуючих (криві 6, 7, 8).

Рис.5 Енергозберігаючі режими опромінювання: 1-4 - квазістаціонарні; 5 - номінальний; 6-8. - чергуючі; 9,10 - криві потужностей джерел і систем.

Вказані криві визначають такі параметри систем опромінювання, при яких забезпечуються мінімальні витрати електричної енергії. Точки перетину кривих енергозбереження з січними кривими 9 і 10 (останні отримані для безперервних режимів при номінальній потужності джерел) окреслюють робочі зони систем при переході з одного режиму опромінювання на інший. Отримані результати досліджень показують, як саме треба змінювати співвідношення між основними параметрами систем опромінювання (ємність - індуктивність ПРА, потужності джерел - потужності систем, кількості джерел - кількості баластних дроселів та ін.).

На основі аналізу і узагальнення параметричних характеристик "система-об'єкт" опромінювання отримана модель ефективності основних параметрів опромінювання в електротехнологіях опромінювання донорів і регенерантів рослин:

де qп - параметричний показник ефективності опромінювання;

Кз – коефіцієнт заповнення імпульсів опромінювання; –

постійний коефіцієнт –

частотний коефіцієнт ефективності опромінювання; –

відносний інтервал регулювання параметрів опромінювання ().

Експериментальними дослідженнями встановлено, що значення частотного коефіцієнта знаходяться в межах від.0,25 до 0,35, причому, чим менше значення названого коефіцієнту, тим більш ефективний режим опромінювання рослин. Найбільш ефективні режими опромінювання забезпечуються при регулюванні частоти імпульсів опромінювання в межах 0,55...2,7 Гц. При частоті 0,55 Гц значення частотного коефіцієнта становить 0,25.

Аналіз режимних характеристик "система-об'єкт" опромінювання показує, що названі характеристики мають по дві точки перегинання (верхню і нижню). Верхні точки перегинання є граничними межами тривалості квазістаціонарних режимів, після чого необхідне перемикання систем на безперервні режими опромінювання, а нижні - окреслюють межу перехідної зони до нового усталеного значення. Після завершення безперервного режиму опромінювання рослин цикл повторюється. Таким чином, кожний цикл опромінювання складається з режимів:

1) енергозберігаючий (квазістаціонарний) режим опромінювання з найвищим показником ефективності опромінювання;

2) регульований безперервний режим опромінювання з поступовим зменшенням інтенсивності розвитку рослин від максимального до нового усталеного значення (перехідний режим);

3)

На основі аналізу і узагальнення режимних характеристик "система-об'єкт" опромінювання отримана модель ефективності основних режимів опромінювання в електротехнологіях вирощування донорів і регенерантів рослин:

де qp – показник ефективності режиму опромінювання рослин;–

відносний інтервал (на основі експериментальних досліджень режимних характеристик "система-об'єкт" опромінювання його значення знаходиться в межах від 0,01 до 0,0125);

b – постійний коефіцієнт (за даними експериментальних досліджень він дорівнює 0,8).

Значення показника ефективності опромінювання можуть бути більше, менше або дорівнювати одиниці. Чим менше його значення, тим більш ефективний режим опромінювання (з точки зору інтенсивності розвитку рослин і заощадження електричної енергії). Якщо названий показник дорівнює одиниці, то режими опромінювання, які порівнюються, є рівноцінними.

В результаті проведених досліджень отримано узагальнені моделі енергозбереження, які встановлюють взаємозв'язок між основними параметрами і режимами опромінювання:

Для підвищення надійності електротехнологічного процесу опромінювання рослин проводили дослідження і обґрунтування критичних і робочих зон експлуатації систем опромінювання (рис. 6).

Рис. 6. Залежності параметрів опромінювання від відносної потужності електротехнологічних систем : I, II, III - робочі зони систем опромінювання ; 1, 2, 3, 4, 5 - криві енергозбереження при відносній індуктивності відповідно 1; 0,83;0,67;0,5;0,3; 6,7- криві критичних режимів при з'єднанні джерел відповідно в "трикутник" і "зірку" з ізольованою нейтраллю.

Основні ознаки критичних зон: повне або часткове незапалювання джерел в групі; погасання частини джерел при перемиканнях режимів опромінювання; нестійка робота джерел; ненадійне запалювання джерел в чергуючих режимах опромінювання. При зміні параметрів ПРА, перемиканнях схем з'єднань ("зірка" з ізольованою нейтраллю", "зірка" з заземленою нейтраллю, "трикутник") відповідно змінюються режими роботи джерел, їх потужність, світловий потік та ін. Відповідно змінюються критичні і робочі зони експлуатації систем опромінювання, звужуються або розширюються межі регулювання основних параметрів систем. Перемикання однієї і тієї ж кількості джерел з "зірки" на "трикутник" звужує робочі діапазони і дещо погіршує експлуатаційні характеристики систем опромінювання.

В структурі матеріальних витрат як комплектів "джерела - ПРА", так і систем опромінювання рослин в цілому найбільшу "питому вагу" (до 70-80%) становить вартість ПРА.

Узагальнення результатів експериментальних досліджень проведено з допомогою показника, який мінімізує витрати електричної енергії, втрати в ПРА, матеріальні і експлуатаційні витрати. З цієї точки зору найбільш ефективне використання безперервних режимів опромінювання досягається в діапазоні 0,888 ... 1,178 від номінальної потужності систем опромінювання, тобто збільшення потужності систем не повинно перевищувати 17,8%, а зменшення -11,2% від номінального значення. Для реалізації чергуючих і квазістаціонарних режимів опромінювання рослин обґрунтовано межі регулювання потужності систем відповідно 0,6 ... 1,73 і 0,73 ... 1,84 від номінального значення. Граничні межі регулювання потужності систем опромінювання складають 0,27 ... 3,33 від номінального значення (вихід за ці межі не забезпечує ефективної експлуатації джерел і систем опромінювання рослин).

Оскільки отримані залежності пов'язані з відносною потужністю систем опромінювання,