ХАРКІВСЬКА АКАДЕМІЯ МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

АНДРІЙЧУК Володимир Андрійович

УДК.621.327.534

НАУКОВО-ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ОПРОМІНЮВАЛЬНИХ УСТАНОВОК ДЛЯ СВІТЛОКУЛЬТУРИ РОСЛИН

05.09.07 – світлотехніка та джерела світла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Світлотехніки, електротехніки та електроніки”

Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя

Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант доктор технічних наук, професор кафедри

“Світлотехніки та джерел світла” Харківської

державної академії міського господарства,

Заслужений діяч науки і техніки

Намітоков Кемаль Кадирович.

Офіційні опоненти : доктор фізико-математичних наук, професор

Рой Віктор Федорович,

Харківська державна академія міського господарства, професор кафедри електрозабезпечення міст, м.Харків;

доктор технічних наук, доцент

Щур Ігор Зенонович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

професор кафедри електропривода та автоматизації

промислових установок, м.Львів;

доктор технічних наук, професор

Тимчик Григорій Семенович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри виробництва приладів, м.Київ.

Провідна установа –– Харківський державний науково-дослідний інститут метрології ДержавногоКомітету України з технічного регулювання та споживчої політики, м.Харків.

Захист відбудеться “.20.”..травня..2003 р. о “..12..” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.086.02 у Харківській державній академії міського господарства за адресою: 61002, м.Харків, вул. Революції, 12.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківської державної академії міського господарства за адресою: 61002, м.Харків, вул. Революції, 12.

Автореферат розісланий “..17..”..квітня..2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Поліщук В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Характерною особливістю сільськогосподарського виробництва на сучасному етапі є те, що частка електроенергії в собівартості продукції не просто зросла, а перетворилася у визначальний фактор. Це спонукає до зміни підходів у створенні технологічних процесів та конструюванні установок для оптичних технологій, які ґрунтуються на підвищенні енергетичної ефективності опромінювальних пристроїв (ОП). Ефективність поглинутої енергії випромінювання нерідко буває невисокою через низьку якість опромінення, що зумовлено невідповідністю спектрального складу випромінювання і спектра поглинання об’єкта, нерівномірністю розподілу опромінення по опромінюваній поверхні або об’єму опромінюваного простору. Поряд із цим важливу роль відіграє і характер опромінення. Використання переривчастого опромінення із врахуванням часу релаксації станів опромінюваного об'єкта дозволяє значно підвищити ефективність дії випромінювання, хоча цій проблемі в літературі приділено небагато уваги, а для оптичних технологій в АПК вона й досі залишається мало вивченою. Розрахунки показують, що витрати електроенергії в оптичних технологіях в аграрному секторі економіки становлять 15 - 20% від загальних витрат у галузі. Це надає особливої актуальності проблемі енергозбереження в технологіях опромінення, важливе місце серед яких займає вирощування рослин у закритому ґрунті. Поряд із цим проблема підвищення ефективності ОП для світлокультури рослин вимагає вирішення таких завдань: створення методологічних засад та технічних засобів пошуку високоефективних джерел випромінювання, побудова адекватних математичних моделей опромінювальних установок (ОУ) та вироблення на їх основі аналітичних методів світлотехнічного розрахунку, впровадження сучасних систем моніторингу та керування роботою ОУ. Все це становить науково-технічні основи створення високоефективних ОП, що є актуальним для подальшого розвитку оптичних електротехнологій в АПК.

Зв’язок із науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась з урахуванням вимог “Державної програми енергоощадності в агропромисловому комплексі”, затвердженої 1 грудня 1997 р. Кабінетом Міністрів України та згідно із програмами держбюджетних тем: “Розробка генеруючої системи для вивчення впливу магнітних та світлових полів на біологічні об’єкти та живі організми” (0193U039361) 1991-1994 рр, “Моделювання фотобіологічних процесів у змінних світлових полях” (0407/561) 2001 р.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є розробка науково-технічних основ підвищення ефективності опромінювальних установок для світлокультури рослин у замкнутому екологічному середовищі і створення на їх основі нових технічних засобів та технологічних схем опромінення, а також оптимізація їх параметрів і режимів роботи.

Об’єктом дослідження є змінні світлові поля та технологічні процеси вирощування рослин у них.

Предметом досліджень є аналітичні методи світлотехнічного розрахунку параметрів змінних світлових полів та технічне обладнання для їх створення, математичні моделі фотобіологічних процесів та опромінювальних пристроїв змінного опромінення, технологічні схеми світлокультури рослин у змінних світлових полях.

Методи досліджень. Розроблений у дисертації метод визначення ефективності джерел випромінювання для оптичних технологій ґрунтується на числових методах інтегрування добутку декількох функцій, заданих графічно, та визначенні масштабних множників для переходу від відносних до світлових або енергетичних величин. При моделюванні опромінювальних пристроїв змінного опромінення виходили з того, що окремі його ланки з усіма закріпленими на них елементами є твердими тілами, а ОП в цілому утворює механічну систему, для якої чинними є основні закони механіки твердого тіла. Для розрахунку основних параметрів даних ОП використовувались методи матричного числення та векторної алгебри. Аналітичне представлення світлового розподілу круглосиметричних опромінювачів ґрунтується на методі сплайн-апроксимації графічних функцій. В основу аналітичного розрахунку ОУ постійного і змінного опромінення з круглосиметричними та несиметричним опромінювачами покладено: точковий метод світлотехнічного розрахунку, метод інтерполювання за допомогою многочлена Лагранжа для двомірного випадку з врахуванням похибки інтерполяції, метод суперпозиції світлових полів та метод трансляції матриці середнього опромінення. Основний об’єм експериментальних досліджень щодо впливу світлових полів на ріст і розвиток рослин закритого ґрунту було проведено на швидкоростучій рослині Brassica rapa з використанням стандартних методик визначення сухої біомаси рослин, концентрації пігментів та відновлених коферментів у листках. Результати експериментальних досліджень опрацьовували з використанням методів математичної статистики.

Для досягнення вказаної мети ставились такі завдання:–

розробити математичні моделі світлотехнічних установок для створення змінних світлових полів на основі опромінювачів з круглосиметричним та несиметричним світловими розподілами, виходячи з яких виробити метод аналітичного розрахунку параметрів даних полів;

розробити алгоритм та створити програмне забезпечення для аналітичного світлотехнічного розрахунку ОУ на ПЕОМ;–

розробити метод та технічні засоби для оцінки енергетичної ефективності джерел випромінювання і провести експерименти з визначення найбільш ефективних ламп для світлокультури рослин;

розробити конструкції опромінювальних пристроїв змінного опромінення з врахуванням анатомо-фізіологічних особливостей рослин, виготовити й дослідити експериментальні зразки пристроїв в умовах промислових технологічних процесів;

розробити алгоритм та систему керування роботою ОП змінного опромінення;

провести експериментальні дослідження впливу змінних світлових полів на ріст і розвиток рослин у замкнутому екологічному середовищі з метою перевірки адекватності розроблених математичних моделей та підтвердження зростання ефективності запропонованих опромінювальних установок.

Наукова новизна отриманих результатів.

На основі аналізу кінетики процесів фотосинтезу та росту і розвитку рослин уперше дано наукове обґрунтування та розвинуто новий напрямок підвищення ефективності опромінення рослин, який базується на використанні змінних світлових полів.

Уперше розроблені науково-технічні основи побудови та розрахунку параметрів ОУ для створення змінних світлових полів, які полягають у встановленні зв’язку між світлотехнічними характеристиками поля та конструктивними особливостями ОП.

Розвинуто засади методології визначення ефективності джерел випромінювання для оптичних технологій, що дозволило встановити взаємний зв’язок між системами ефективних величин за рахунок введення масштабного множника, в результаті чого, розроблений метод оцінки ефективності ламп для світлокультури рослин, що відрізняється підвищеною точністю розрахунку, оперативністю та універсальністю проведення й орієнтований на вирішення проблем енергоощадності в оптичних технологічних процесах АПК.

Удосконалено математичні моделі ОП змінного опромінення з круглосиметричним і несиметричним світловими розподілами за рахунок уведення функціонального взаємозв’язку їх трьох структурних елементів: джерела випромінювання, довільно орієнтованого приймача та посівної ділянки. На основі даної моделі розроблено аналітичний метод світлотехнічного розрахунку ОУ як постійного, так і змінного опромінення з різними типами опромінювачів і метод побудови фотометричних тіл із використанням сплайн-методів, а також лінійного та квадратичного інтерполювання многочленом Лагранжа, які відрізняються підвищеною точністю та скороченням часу проведення розрахунку з використанням ПЕОМ.

Удосконалено математичну модель опорно-поворотного пристрою ОУ змінного опромінення за рахунок введення взаємозв’язку між узагальненими кутами повороту окремих ланок і координатами опромінюваної поверхні, що дало змогу визначити раціональні режими роботи та створити систему керування, яка забезпечує однакові світлові умови різних ділянок поверхні.

Уперше встановлено, що залежність ефективності росту та розвитку рослин від рівня опромінення ФАР в змінному світловому полі має максимум, який для рослин родини хрестоцвітих розташований у діапазоні 60...70 Вт/м2, для паростків картоплі в культурі in vitro – 80...90 Вт/м2, для квітів гвоздики – 100…120 Вт/м2.

Уперше встановлено вплив періодичності зміни світлового поля в часі на ефективність росту та розвитку рослин і експериментально показано, що для рослин родини хрестоцвітих при періодичності в межах 0,7...1,2 хв. повністю зберігаються їх ростові параметри, але при цьому знижуються витрати електроенергії в 1,7...2,2 рази на одиницю продукції.

На основі досліджень впливу параметрів змінних світлових полів на ріст і розвиток рослин закритого ґрунту отримано експериментальне підтвердження розвинутого в роботі напрямку підвищення ефективності опромінювальних установок для світлокультури рослин за рахунок змінного характеру опромінення.

Практичне значення отриманих результатів.

На основі запропонованих математичних моделей ОП отримано аналітичний метод світлотехнічного розрахунку опромінювальних установок як постійного, так і змінного опромінення, розроблено алгоритми та пакети програм даного розрахунку на ПЕОМ, що дозволяють оперативно визначати параметри світлового поля для різного типу опромінювачів.

Розроблений метод, який може бути поширений на інші оптичні технології, та сконструйована автоматизована спектрометрична установка, що дозволяють протягом короткого часу проводити підбір джерел випромінювання (ДВ) з високою енергетичною ефективністю для світлокультури рослин з різними спектральними характеристиками листкового покриву.

Розроблена технологічна схема світлокультури рослин у змінному світловому полі, що дозволяє підвищити ефективність опромінювальних установок, знизити матеріальні та енергозатрати на вирощування рослин в замкнутому екологічному середовищі. Встановлено, що при цьому затрати електроенергії на одиницю продукції знижуються в 1,7 – 2,2 рази.

Розроблено конструкції ОП для створення змінних світлових полів з широким діапазоном зміни параметрів, що дозволяє використовувати їх як у промислових умовах, так і при проведенні науково-дослідних робіт з визначення оптимальних параметрів опромінення різних сільськогосподарських культур.

Результати роботи були передані ряду науково-дослідних, вищих навчальних закладів та господарсько-виробничих підприємств (Поліській філії Харківського науково-дослідного інституту ґрунтознавства та агрохімії; Тернопільському державному педагогічному університету ім. В.Гнатюка; Українському світлотехнічному інституту; АТ "Ватра"; Тернопільському міському господарству "Зеленбуд"; Тернопільському обласному еколого-натуралістичному центру), де вони використовувалися в науковій роботі, навчальному прцесі, для вирішення практичних проблем енергоощадності, про що свідчать отримані довідки про впровадження.

Особистий внесок здобувача. У поданій роботі викладено основні результати досліджень, отримані автором самостійно у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за 15 років роботи. Вагомі здобутки досягнуто у співавторстві з працівниками та аспірантами кафедри під керівництвом автора. Особистий внесок дисертанта в роботах, виконаних у співавторстві, такий: у [1] – написання розділу 3; в [2,26,27,30,33,34] - розробка методів, виведення основних математичних співвідношень; у [8,19,31,41,42] - постановка задач, розробка основних теоретичних положень, побудова математичних моделей, розробка конструкцій ОП; [5,9] - обґрунтування методології, створення математичних моделей і розрахункових схем для визначення світлотехнічних параметрів ОП; [6,11,14,17,43] – побудова математичних моделей ОУ, виведення основних математичних співвідношень, розробка алгоритмів розрахунку, аналіз результатів; [7] – розробка блок-схеми установки та принципової схеми керування кроковим двигуном, створення програмного забезпечення керування роботою установки; [10,12] – побудова математичних моделей, виведення формул, розробка алгоритму розрахунку, аналіз результатів; [13,18] – побудова математичної моделі ОУ, виведення основних математичних співвідношень, розробка алгоритму керування роботою установки, аналіз результатів розрахунку. В роботах [35,36,38,40] дисертант розробив ОП для вегетаційно-кліматичної камери, проводив статистичну обробку експериментальних результатів. Роботи [3,4,15,16,20,28,29,32,37,39] опубліковані самостійно. У винахідницьких працях здобувач генерував ідеї, брав безпосередню участь у розробленні конструкцій пристроїв, оформленні патентів [21-25].

Апробація результатів дисертації. Основні результати виконаних досліджень доповідались на наукових конференціях професорсько-викладацького складу й аспірантів Тернопільського державного технічного університету ім. І.Пулюя (1996 – 2002 рр.); Міжнародній науковій конференції, присвяченій 150-річчю від дня народження Івана Пулюя (м. Тернопіль, 1995 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Світлотехніка ’95" (м. Тернопіль, 1995 р.); Австро-Українському симпозіумі "Агрокультура: наука і практика" (м. Львів, 1996 р.); 2-й Міжнародній науково-практичній конференції "Управління енерговикористанням" (м. Львів, 1997 р.); 1-й Міжнародній науково-практичній конференції "Системи транспортування, контролю якості та обліку енергоносіїв" (м. Львів, 1997 р.); Міжнародній конференції "Онтогенез рослин у природному та трансформованому середовищі" (м. Львів, 1998 р.); І Всеукраїнській науковій конференції "Екологічний стрес і адаптація в біологічних системах" (м. Тернопіль, 1998 р.); 2-й та 3-й Міжнародних науково-практичних конференціях "Проблеми економії енергії" (м. Львів, 1999, 2001 рр.); 2-ому Міжнародному Смакулівському симпозіумі "Фундаментальні і прикладні проблеми сучасної фізики" (м. Тернопіль, 2000 р.); Міжнародній конференції по моделюванню технічних систем "MS’2001-Lviv" (м. Львів, 2001 р.); Міжнародній науковій конференції "Биологические ресурсы и устойчивое развитие" (Россия, Пущино, 2001 г.).

Публікації. Основні положення дисертації викладено в 43 публікаціях, у тому числі: в одному навчальному посібнику, в 19 статтях у фахових наукових виданнях, у 5 патентах на винахід та 18 матеріалах і тезах наукових конференцій, симпозіумів та семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел із 343 найменувань та додатку. Загальний обсяг роботи – 302 сторінки, у тому числі: 265 сторінок основного тексту, 100 рисунків і 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та завдання досліджень, відображено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі “Взаємодія оптичного випромінювання з біологічними об’єктами” висвітлено сучасний стан досліджуваної проблеми, показано її важливість та наведено результати, отримані іншими авторами. Основна увага зосереджена на взаємодії оптичного випромінювання з біологічними об’єктами та аналізі технологічних процесів на основі фотобіологічної дії випромінювання. Показано, що пошук шляхів підвищення ефективності опромінювальних установок для фотобіотехнологій є актуальною проблемою, яка особливо гостро відчувається у тепличних господарствах, де здійснюють вирощування сільськогосподарської продукції в закритому ґрунті. Визначено основні напрямки енергоощадного опромінення рослин: підбір високоефективних ДВ із максимально сприятливим спектральним складом випромінювання, забезпечення заданого розподілу густини потоку випромінювання як по опромінюваній поверхні, так і в опромінюваному просторі, розробка сучасних систем моніторингу та керування роботою ОУ, використання змінного опромінення з врахуванням кінетики окремих технологічних процесів. Розглянуто стан проблеми у кожному із вказаних напрямків. Показано, що важливу роль при цьому відіграє характер опромінення. Починаючи з моменту поглинання випромінювання і до утворення кінцевого продукту проходить певний проміжок часу, який визначається кінетикою перебігу окремих реакцій. Протягом даного часу опромінюваний об’єкт може зовсім не реагувати на дію випромінювання або перетворювати його з дуже низькою ефективністю. При опроміненні технологічної системи постійним потоком випромінювання значна частина його буде використовуватися неефективно або навіть гальмувати перебіг технологічного процесу, викликаючи небажане нагрівання структурних елементів чи дію інших захисних реакцій. Використання переривчастого опромінення з врахуванням часу релаксації опромінюваного об’єкта дозволяє значно підвищити ефективність дії випромінювання. Пошук оптимальних часових режимів змінного світлового поля для світлокультури рослин спонукав розглянути фотофізичні, фотохімічні та фотобіологічні процеси на різних стадіях фотосинтезу та кінетику перебігу фотосинтетичних реакцій.

На основі аналізу опублікованої інформації показано актуальність проблеми, зроблено постановку задачі, в якій визначено основні напрямки підвищення ефективності опромінювальних установок для світлокультури рослин, які зводяться до: вибору високоефективних джерел випромінювання, підвищення точності світлотехнічного розрахунку, впровадження сучасних систем моніторингу та керування роботою ОУ, використання змінних світлових полів.

У другому розділі “Джерела випромінювання для світлокультури рослин” викладено метод оцінки ефективності ДВ для світлокультури рослин, подано його математичне обґрунтування, дано опис розробленої установки експериментального визначення ефективності джерел випромінювання для оптичних технологій.

При визначенні біологічної цінності випромінювання для рослин закритого ґрунту розглянуто три підходи.

1) Визначення ефективності джерел випромінювання в системі фотосинтезних величин, в основі якої є фотосинтезний потік або фітопотік, що визначається за формулою:

,

де () - спектральна густина потоку випромінювання; Vфс() - відносна спектральна фотосинтезна ефективність випромінювання.

2) Оцінка ефективності джерел за інтегральним потоком випромінювання, який припадає на видиму область і називається потоком фотосинтезноактивної радіації (ФАР). У цьому випадку спектральна ефективність приймача зображається П-подібною функцією, тобто зелений листок рослини замінено приймачем із неселективною чутливістю.

3) Оцінка ефективності джерел за співвідношенням між потоками квазімонохроматичного випромінювання в ряді ділянок видимої області. Якщо вважати, що у фотосинтезі беруть участь, крім хлорофілу, також каротиноїди та інші фотопігменти, то область ФАР можна розбити на зони у відповідності із спектрами поглинання цих пігментів. Згідно ОСТ   140-83 – Dl1=380-500 нм, Dl2=500-600 нм і Dl3=600-780 нм, фотосинтезний потік можна подати у вигляді складових:

,

де Фе – потік ФАР; – усереднена відносна енергія випромінювання на і-й ділянці спектру Dlі у відсотках до загального випромінювання ФАР; Кф(lі) – функція спектральної фотосинтезної ефективності випромінювання, яка згідно ОСТ 46 140-83 приймається: Кф(l1)=0,6; Кф(l2)=0,4; Кф(l3)=1,00.

В усіх трьох підходах для оцінки фотосинтезної ефективності випромінювання необхідно знати спектральну густину потоку випромінювання j(l), яка в більшості випадків записується у відносних одиницях. Для даного випадку було розроблено метод розрахунку фотосинтезного потоку, потоку ФАР і оцінки ККД ламп.

Для розрахунків брались світловий потік та спектральний розподіл випромінювання джерела. Ці величини отримувалися експериментально або з інформаційних листків виробника. Вимірювання спектрального розподілу джерел випромінювання проводилось на розробленій автоматизованій спектрометричній установці, зібраній на базі монохроматора УМ-2, керування роботою якої та опрацювання експериментальних даних здійснювались за допомогою персонального комп’ютера. Світловий потік вимірювався у фотометричній кулі з селеновим приймачем, спектральна чутливість якого нормалізована функцією відносної спектральної світлової ефективності випромінювання V(l) для денного зору.

Світловий потік ДВ записувався:

де m – масштабний коефіцієнт; j(l) – функція відносного спектрального розподілу випромінювання.

Інтеграл представлявся як площа фігури, обмеженої графіком добутку функцій j(l)ЧV(l) та віссю довжин хвиль, яка визначалась на ПЕОМ.

За виміряним світловим потоком та площею Sc визначався масштабний коефіцієнт:

Через коефіцієнт m та площу під відповідними графіками визначалися: повний потік випромінювання, що припадає на видиму область спектру – , та фотосинтезний потік або фітопотік – .

Коефіцієнт корисної дії випромінювання джерела для світлового та фотосинтезного потоків визначалися згідно формул: , .

Усі розрахунки проводились на ПЕОМ за спеціально розробленою програмою.

Результати експериментів та розрахунків, отриманих для ряду ДВ, подані в таблиці 1.

Також було проведено визначення ефективності ДВ у співвідношенні між потоками квазімонохроматичного випромінювання в окремих ділянках видимої області. Незважаючи на різні підходи оцінки ефективності, вони не суперечать один одному, а, навпаки, доповнюють і дають близькі за величиною результати. Приведені в таблиці дані дозволяють констатувати, що найбільш перспективними джерелами для світлокультури рослин, які поряд з високою енергетичною ефективністю володіють хорошою фітовіддачею, є дугові металогалогенні та натрієві лампи високого тиску.

Таблиця 1

Тип джерела випроміню-вання | Світ-ловий потік, КЛм | Повний потік випро-мінювання, Вт | Фіто-потік, фіт | Коефіцієнт корисної дії, % | Фітовід-дача джерела, фіт/Вт | Світло-віддача джерела, Лм/Вт | Віддача джерела в області ФАР, Вт/Вт

фото-синтезної | світлової

ДБРНаТ-100 | 7 | 20.6 | 10.2 | 49.3 | 49.9 | 0.102 | 70 | 0.21

ДРЛФ-400 | 20 | 52.9 | 27.9 | 52.2 | 55.6 | 0.070 | 50 | 0.13

ДНаТ-400 | 47.5 | 106.9 | 56.1 | 52.5 | 65.3 | 0.140 | 118.8 | 0.27

ДРФ-1000 | 72 | 236.8 | 106.3 | 44.9 | 44.7 | 0.106 | 72 | 0.24

ДРИ-1000-2 | 70 | 273.6 | 134.7 | 49.2 | 37.6 | 0.134 | 70 | 0.27

ДРИ-2000-2 | 190 | 476 | 234 | 49.2 | 58.7 | 0.117 | 95 | 0.24

ДРИ-2000-2М | 190 | 665.2 | 352.7 | 53.1 | 42.2 | 0.176 | 95 | 0.33

SHP-TS600

Silvania | 90 | 380 | 293 | 77.1 | 34.7 | 0.488 | 150 | 0.63

ДНаС-340 | 30 | 109.2 | 56.6 | 51.8 | 32.1 | 0.166 | 88.2 | 0.32

КГ-2000 | 55 | 194.6 | 89.5 | 46.0 | 41.6 | 0.045 | 27.5 | 0.10

У даному розділі також проведена оцінка ефективності комбінацій різноспектральних джерел випромінювання в області ФАР.

У третьому розділі “Науково-технічні основи розробки опромінювальних пристроїв змінного опромінення” представлені результати математичного опису первинних процесів фотосинтезу та аналізу кінетики їх протікання, що послужило науковим обґрунтуванням розвинутого в роботі нового напрямку підвищення ефективності опромінювальних установок для світлокультури рослин, який базується на використанні змінних світлових полів, розглянуто конструкції та наведено основні світлотехнічні параметри опромінювальних пристроїв змінного опромінення.

При моделюванні первинних процесів фотосинтезу виходили із закону діючих мас, коли кожен із компонентів реакції є незалежним і на їх взаємодію не накладаються ніякі обмеження. Для цього була використана спрощена Z-схема, яка охоплює послідовність реакцій у світловій фазі фотосинтезу; записувалась система нелінійних диференціальних рівнянь, котра, після відповідних перетворень, розв’язувалась числовим методом Рунге-Кута; будувались графіки зміни концентрації кожної із компонентів реакції при імпульсному збудженні. Встановлено, що на початковій стадії фотосинтезу час релаксації фотосинтетичної системи лежить у межах 10–4...10-6с.

На більш пізніх стадіях фотосинтезу поряд з переносом заряду необхідно враховувати перенесення проміжних продуктів фотосинтезу, а також дифузію СО2, води, мінерального живлення, що важко піддається математичному опису. Про їх кінетику можна говорити на основі експериментальних досліджень накопичення сухої біомаси та ферментів у змінному світловому полі, результати яких подано у шостому розділі.

Було виготовлено і проведено попередні випробування трьох типів конструкцій опромінювальних пристроїв для створення змінних світлових полів: з обертанням опромінювача або його відбивного елемента навколо однієї, або двох осей; з прецесійним рухом опромінювача навколо вертикальної осі; із зворотно-поступальним рухом опромінювача.

Як світловідбивний елемент у даних ОП використано відбивач прожектора ЖО-01, світильника РСП-04, тепличного опромінювача РСП-ВОТ-02, які володіють ширококутовим розподілом світлового потоку та високим ККД (не менше 0,75). Установки укомплектовувались газорозрядними джерелами випромінювання ДНаТ-400, ДРИ-400-5, ДРИ-1000-2, ДРИ-2000-2М. Підбір типу опромінювача здійснювався в залежності від структури рослин та особливості їх онтогенезу.

На рис. показано зовнішній вигляд ОП з обертальним рухом опромінювача та подано графіки залежності опромінення горизонтальної площини від відстані до опромінювача, закріпленого на тринозі на висоті h=3 м при різних кутах його нахилу до вертикалі. З графіків випливає, що оптимальним кутом нахилу є кут =30.

а) б)

Рис.1. а) зовнішній вигляд ОП з обертальним рухом опромінювача ЖО-01 з ДНаТ-400: 1 – опромінювач; 2– джерело; 3 – струмознімач; 4 – редуктор; 5 – електродвигун; 6 – тринога; б) графіки залежності опромінення горизонтальної площини від відстані до опромінювача, розташованого на висоті h=3 м при різних кутах його нахилу до вертикалі : 1 - 10; 2 - 20; 3 - 30; 4 - 40; 5 - 50.

Максимальна відстань від опромінювача до точки, де рівень опромінення достатній для вирощування рослин у закритому ґрунті, складає l = 4…5 м, що відповідає площі посіву, яку можна опромінювати за допомогою даної ОУ S = 40…60 м2.

Були розроблені конструкції з обертанням опромінювача навколо двох осей, розташованих у вертикальній та горизонтальній площинах, а також з обертально-коливним рухом опромінювача, що дозволило впливати на рівень опромінення будь-якої частини вибраної ділянки і таким чином досягнути однакових умов для світлокультури рослин.

Дані конструкції дозволяють одночасно використовувати декілька різноспектральних ДВ, які в сумі дають найбільш сприятливий для росту та розвитку рослин спектр випромінювання. Для цього були розроблені дво- та чотирилампові ОУ з обертальним та обертально-коливним рухом опромінювачів із комбінацією ламп типу ДНаТ та ДРИ, потужністю 250 і 400 Вт.

ОУ з обертальним та обертально-коливним рухом опромінювачів виявилися найбільш ефективними для високорослих рослин (огірки і томати на шпалерах), а також для вирощування паростків картоплі в культурі in vitro, оскільки для них необхідний боковий напрямок потоку випромінювання. Для вирощування розсади та низькорослих рослин перевага надається вертикально направленому потоку випромінювання. У зв'язку з цим була розроблена серія опромінювальних пристроїв змінного опромінювання із прецесійним рухом опромінювача як з постійним, так і змінним кутом прецесії, для яких було створено математичну модель та розроблено метод розрахунку кута. Зовнішній вигляд таких ОП показано на рис. .

а) б)

Рис.2. Зовнішній вигляд ОП з прецесійним рухом опромінювача: а) з постійним кутом прецесії; б) із змінним кутом прецесії: 1 – опромінювач; 2 – рухомий вантаж; 3 – електродвигун з редуктором; 4 – направляюча штанга; 5 – додатковий вантаж.

Опромінювальний пристрій з постійним кутом прецесії складається з опромінювача та додаткового вантажу, що обертається навколо вертикальної осі. Вантаж зміщує центр ваги конструкції і нахиляє опромінювач на кут до вертикалі. Кут нахилу задається як вагою вантажу, так і довжиною плеча, яке можна змінювати. Отримано аналітичну залежність величини кута від параметрів установки:

,

де Р1-Р6 – приведені центри мас окремих елементів конструкції; l1l6 – відстань від центрів мас до точки обертання; 13 – початкові кути зміщення сил Р1Р3.

ОП із змінним кутом прецесії опромінювача, крім рухомого вантажу Р2, має закріплений нерухомий вантаж Р3. Кут прецесії буде максимальним, коли обидва вантажі будуть знаходитися з одного боку від опромінювача, і мінімальним — коли з протилежних. При цьому опромінювальна площадка набирає еліптичної форми, що збільшує коефіцієнт використання світлового потоку на прямокутних ділянках посіву.

Проведено розрахунок кута нахилу опромінювача та положення джерела випромінювання від кута повороту рухомого вантажу . Розрахунки проводились на ПЕОМ за розробленою програмою. Результати розрахунку для опромінювача РСП-04В з лампою ДНаТ-400 вказані на рис.3.

а) б)

Рис .3. Залежність кута нахилу оптичної осі опромінювача від кута повороту рухомого вантажу P2 (а) та зміна положення точкового джерела А опромінювача за один оберт рухомого вантажу (б).

Зовнішній вигляд ОП із зворотно-поступальним рухом опроміннювача подано на рис.4. Він складається із опромінювача (1), електродвигуна з редуктором (2), кінцевих вимикачів (5). На вал електропривода установки одягнутий шків, який входить у зачеплення з натягнутим тросом або стальним кутником (3) , по якому він переміщається за рахунок сили тертя. Напруга живлення опромінювача та електродвигуна подається гнучким кабелем від щита керування, у якому розміщений пускорегулюючий пристрій. Кабель живлення на кільцях підвішений до несучого троса або до натягнутого поряд дроту.

Рис.4. Опромінювальний пристрій із зворотно-поступальним рухом опромінювача: 1 – опромінювач; 2 – електродвигун з редуктором та шківом; 3 – стальний трос або кутник; 4 – обмежувальна пластина; 5 – кінцевий вимикач.

Очевидним є, що конструкція ОП не вимагає великих матеріальних витрат на її монтаж і може бути швидко перенесена з однієї ділянки на іншу. Її нескладно пристосувати до будь-якого приміщення теплиці.

Розрахунок швидкості переміщення опромінювача за заданою енергією опромінення вибраної ділянки проводився за формулою:

,

де Не – енергія опромінення одиниці площі ділянки; I() – сила випромінювання, яка залежить від кута нахилу оптичної осі опромінювача до вертикалі; АС(х) – вектор, що з’єднує положення опромінювача з вибраною точкою світлового поля С; b – віддаль, яку проходить опромінювач; No – вектор нормалі до опромінюваної ділянки.

Отримано, що для опромінювача РСП-04В з лампою ДНаТ-400 при переміщенні його від початку до кінця ділянки посіву довжиною Оb=4 м при дозі опромінення ФАР Н=150 Дж/м2 швидкість його руху =0.178 м/с.

У четвертому розділі “Світлотехнічний розрахунок опромінювальних установок переривчастої дії” представлено розроблений аналітичний метод світлотехнічного розрахунку ОУ змінного опромінення з точковими опромінювачами як з круглосиметричним, так і несиметричним світловим розподілом, який ґрунтується на математичній моделі установки, геометрична схема якої подана на рис. 5.

Рис.5. Геометрична схема опромінювальної світлотехнічної установки з опромінювачем з некруглосиметричним світловим розподілом: OXYZ — система координат опромінювальної установки в цілому; AFEI—система координат випромінювача; PX1Y1Z1 —система координат приймача; AI — оптична вісь ОП.

При моделюванні ОУ виходили з того, що установка складається з трьох частин: джерела випромінювання, приймача та земельної ділянки. З кожною із них пов’язана своя система координат: з джерелом — AFEI, з приймачем — PX1Y1Z1, з земельною ділянкою теплиці, в якій розглядається опромінювальна установка в цілому, пов’язана система ОXYZ.

Координати одиничних векторів обох систем відносно системи ОXYZ задаються співвідношеннями:

;–

+ +

+;

=,

;

;

,

де — одиничні вектори в системі OXYZ.

Опромінення елементарної ділянки поверхні dS, яка охоплює довільну точку світлового поля С, згідно закону квадратів відстаней записувалось через скалярний добуток двох векторів:

,

де АС – вектор, що з’єднує положення опромінювача з вибраною точкою світлового поля; N – вектор нормалі до опромінюваної площини.

Для опромінювальних пристроїв з круглосиметричною діаграмою направленості потоку випромінювання I() задавався аналітично у вигляді степеневого ряду:

де – кут між оптичною віссю опромінювача і напрямком до вибраної точки світлового поля; гр – граничний кут, для якого можна вважати I()=0.

Для ОП з несиметричним світловим розподілом сила випромінювання І(,) залежить від кутів () – у поперечній або екваторіальній та () - у повздовжній або меридіанній площинах. Кутовий розподіл вектора сили випромінювання I(,) отримувався експериментально і подавався у вигляді таблиць, на основі яких будувалися фотометричні тіла кожного із опромінювачів з певним джерелом випромінювання, і які служили основою для подальших світлотехнічних розрахунків. Кути і для вибраної точки світлового поля С у системі координат джерела для опромінювача з параболо-еліптичним відбивним елементом (ЖО-01) задавалися виразами:

;

,

а для ОП з параболо-циліндричним відбивачем (РСП-ВОТ-02) –

=

=

При знаходженні сили випромінювання для кутів і , які не співпадають із табличними, використовувався метод інтерполювання. Інтерполяцію проводили за допомогою інтерполяційного многочлена Лагранжа:

F(,) = ,

Fi,j(,)=Ii,j(,).

Було використано два способи інтерполювання лінійне, коли n = 1, та квадратичне – для n = 2. Також було проведено оцінку похибки інтерполювання. Вираз для абсолютної похибки для n=1

,

а для n=2

.

Для проведення розрахунку опромінення елементарної ділянки dS у формулу для визначення Ес підставляємо I(,) та координати векторів і . Розрахунок I(,) проводився на ПЕОМ по розробленій програмі згідно алгоритму: за заданими координатами точки С визначаються кути і та знаходиться ділянка [p,q; p+1,q+1] матриці Iij, в яку потрапляє дана точка; проводиться лінійна інтерполяція згідно формули Лагранжа; оцінюється похибка лінійного інтерполювання; проводиться порівняння абсолютної похибки розрахованої величини з абсолютною похибкою виміряних I(p,q), якщо похибка розрахованої величини R1(,) менша або дорівнює 0,5 одиниці молодшого розряду експериментальних величин, то отримане I(,) використовується в подальших розрахунках, якщо ж переважає вказану величину, то відбувається перехід до квадратичної інтерполяції; проводиться інтерполювання за допомогою інтерполяційного многочлена другого порядку; оцінюється похибка квадратичного інтерполювання R2(,); проводиться її порівняння з похибкою експериментально отриманих величин і, якщо вона не перевищує її, то отримане I(,) береться для подальших розрахунків, якщо ж перевищує – то програма інформує про це оператора.

Для розрахунку опромінення площини довільної орієнтації була розроблена ще одна програма, послідовність операцій в якій відбувається за наступною схемою: задаються координати ОП в системі OXYZ та кут нахилу його оптичної осі до вертикалі; в системі OXYZ задається опромінювана площина і зв’язується з нею система координат приймача PX1Y1Z1; на опромінюваній площині вибирається прямокутна ділянка з сторонами Rx1 Ry1, які співпадають з осями PX1 та PY1; задаєтьтся напрям одиничного вектора нормалі (Nx, Ny, Nz) до вибраної ділянки, який співпадає з віссю PZ1; ділянка розбивається на елементарні квадрати з стороною ; кожному елементу розбиття присвоюється пара цілих чисел (і,j), які відповідають його координатам по осях PX1 і PY1, якщо за одиничний відрізок прийняти ; визначається середнє опромінення Eij кожного елемента ij; опромінення всієї ділянки задається матрицею {E} розміром Rx1/Ry1/, елементами якої Eij є середні значення опромінення кожного ij.

На рис.6 наведено результати розрахунку за вказаним методом опромінення площин трьох орієнтацій від опромінювача з параболо-еліптичним відбивним елементом ЖО-01 та джерелом випромінювання ДНаТ-400.

Матриця {}, елементами якої є i,j, давала розподіл середнього опромінення вибраної ділянки при змінному опроміненні.

Розрахунок опромінення вибраної ділянки RxRy, від ОУ, яка має декілька опромінювальних пристроїв змінного опромінення, проводилося для двох схем розміщення ОП – у вершинах квадратів та у вершинах рівносторонніх трикутників. При цьому використовувався принцип суперпозиції світлових полів від різних опромінювальних елементів та метод трансляції матриці середнього опромінення {} елементарних ділянок, що була отримана для вибраного опромінювача змінного опромінення. Період трансляції a відповідав такій відстані між двома сусідніми ОП, при якій розподіл опромінення горизонтальної площини, розміщеної між ними, був максимально однорідним.

За заданими координатами першого опромінювача та розрахованому а визначалися положення всіх інших ОП і розраховувався розподіл середнього опромінення вибраної ділянки.

Проектування установок штучного опромінення для теплиць вимагає обов’язкового врахування специфіки параметрів опромінювальних об’єктів. У роботі наведені графіки розподілу площі листкової поверхні різних рослин за кутом нахилу елементарних листкових площадок до горизонту. Запропоновано враховувати просторову орієнтацію приймачів оптичного випромінювання через інтегральні характеристики світлового поля ОП.

На рис.7. подано графіки розподілу опромінення ФАР (Вт/м2) горизонтальної площини. Тут також наведено положення опромінювачів на вибраній ділянці. На осях відкладено кількість елементів розбиття =0.4м.

а) б)

в) г)

Рис.6. Криві однакового опромінення ФАР (Вт/м2) від опромінювача ЖО–01 з ДНаТ–400, розташованого під кутом =40 до вертикалі на h = 3м і к=30: а) горизонтальної площини; б) вертикальної площини; в) площини нахиленої під кутом n=60; г) проекція оптичної осі ОП на координатну площину OXY та лінія перетину опромінюваної площадки PX1Y1 з цією площиною.

Аналогічні розрахунки проведені в роботі для ОП з коливним та прецесійним рухами опромінювача.

У даному розділі також подана характеристика світлотехнічних параметрів, що враховують продуктивність і енергетичну ефективність ОУ. До таких параметрів відноситься ефективна поглинута енергія випромінювання. Енергетична ефективність ОУ визначається відношенням ефективного значення енергії, яку випромінює установка Qe, до енергії, яку споживають її джерела Qy, або відношенням ефективного потоку випромінювання до її середньої потужності за час експлуатації.

а) б)

в)

Рис.7. Розподіл горизонтального опромінення ФАР (Вт/м2) ділянки (8м12м) від ОУ з ОП ЖО-01 і ДНаТ-400, розташованими на h=3м під кутом =40 до вертикалі, які обертаються навколо вертикальної осі і розміщені у вершинах квадратів: а) положення опромінювачів; б) криві однакового опромінення; в) просторовий графік розподілу опромінення.

Підвищення енергетичної ефективності ОП пов’язано із зниженням енерговитрат на їх експлуатацію та зменшенням часу окупності. Ефективність ОП у кінцевому варіанті визначається вартістю світлової енергії, яка генерується протягом усього часу його експлуатації.

Для порівняння ефективності ОУ брався потік ФАР вихідного і порівнювального варіантів. Відносна потужність ОУ, що порівнювались, визначалась за формулою:

Pвд =,

де KЗ1, KЗ2 - коефіцієнти запасу; 1, 2 - коефіцієнти втрат у баластах; , - опромінення ФАР; , - к.к.д. ламп в області ФАР ( =) для першого і другого варіантів відповідно.

При порівнянні виходили з того, що опромінення ФАР робочої поверхні є однаковим для обидвох випадків, тобто при ЕФ1 = ЕФ2. Вважали, що коефіцієнти втрат у баластах обидвох варіантів однакові: 1 2. Для орієнтовного обчислення припускали, що KЗ1 KЗ2. Тоді Pвд, а відносна економія електроенергії при використанні ДВ іншого типу дорівнюватиме:

Aвд100%.

Необхідну кількість опромінювачів у двох варіантах ОУ, що порівнюються, визначали виходячи із відносної потужності:

N2 = N1 Pвд,

де N2 - число ОП в ОУ, що порівнюється; N1 - число ОП у вихідній ОУ.

Такі ж обчислення були виконані для ОУ переривчастого опромінення з обертальним та коливним рухами опромінювачів. Результати розрахунків подані у таблиці 2. Річна економія електроенергії, розрахована відносно ОУ з опромінювачами неперервної дії ОТ-400, сягає понад 20 тис. кВтгод на площі 230м2 при рівні опромінення ФАР 30 Вт/м2.

Опромінювальні пристрої змінного опромінення використовувалися також для вирощування паростків картоплі в культурі in vitro. Традиційно вони вирощуються на стелажах, оснащених люмінесцентними лампами типу ЛФ-40, ЛД-40 або ЛБ-40. Один такий стелаж містить 60 ламп, які протягом доби у середньому працюють 18 годин. Встановлена потужність такої ОУ 2,4 кВт. Добове споживання електроенергії 43,2 кВтгод.

Таблиця 2

Тип опромінювача | Тип лампи | К-сть опромінювачів, шт. | Строк служби, год. | Річний час експлуата-ції,

год. | Спожита електро-енергія за рік, кВтгод. | Річна економія електро-енергії, кВтгод. | ОТ-400 | ДРЛФ-400 | 133 | 7000 | 550 | 29260 | -- | КОП272400-009 | ДРИ 400-5 | 72 | 10000 | 550 | 15840 | 13420 | ЖСП-ВОТ-04 | ДРИ 400-5 | 72 | 10000 | 550