Харківська національна академія міського господарства

ВЕЛИТ ІРИНА АНАТОЛІЇВНА

УДК 621.327.535

підвищення енергетичної ефективності та екологічної безпеки Високоінтенсивних джерел світла для вирощування овочів в умовах закритого ґрунту

05.09.07 – світлотехника та джерела світла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі світлотехніки та джерел світла Харківської національної академії міського господарства Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Говоров Пилип Парамонович, Харківська національна академії міського господарства, завідувач кафедри світлотехніки та джерел світла

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Андрійчук Володимир Андрійович, Тернопільський державний технічний університет ім Івана Пулюя, завідувач кафедри світлотехніки

кандидат технічних наук, доцент Кислиця Світлана Григорівна, Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка, доцент кафедри автоматики та електропривода

Провідна установа: Національний науковий центр „Інститут метрології” Державного комітету України з питань технічного регулювання та споживчої політики, м. Харків

Захист відбудеться: 12.05.2006р. о 14 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.086.02 при Харківській національній академії міського господарства (61002, м.Харків, вул. Революції, 12).

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

Автореферат розісланий 10.04.2006р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Поліщук В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах ринкової економіки вітчизняне виробництво овочевої продукції вимагає значного підвищення енергоефективності. Шляхи інтенсифікації виробництва овочів, зокрема томатів, що базуються лише на агрономічних засобах, на сьогодні себе практично вичерпали. Одним із напрямів підвищення врожайності томатів при зниженні енерговитрат в умовах закритого ґрунту є застосування опромінення рослин штучним світлом. Енергетичної ефективності систем для опромінення рослин можна досягти за допомогою використання високоефективних джерел світла зі спектральним складом випромінювання, що сприятливо впливає на біологічні процеси в рослинах. Тому розробка та дослідження ламп з ефективним спектральним складом випромінювання для вирощування томатів є актуальними.

У даний час найефективнішими джерелами світла є натрієві лампи високого тиску (НЛВТ), оскільки їх світлова віддача, термін роботи і стабільність параметрів - одні з найкращих серед усіх джерел світла (ДС). З точки зору екології НЛВТ переважають над інші ДС, що мають ртутну основу, тому що питома кількість ртуті на генерацію одиниці світлового потоку в НЛВТ – найменша серед усіх розрядних ламп із ртутною основою. Усі ці переваги НЛВТ мають переконливі й результативні перспективи їх використання в тепличному господарстві. Проте й досі не існує науково-методологічних основ проектування ДС для світлокультури рослин, що б забезпечували найкращі енергетичні та екологічні показники ламп за умов найвищої фітовіддачі рослин. Відсутність обґрунтованих норм проектування таких джерел світла зумовлює необхідність пристосування до цих умов ДС, що мають значно нижчі екологічні й енергетичні показники. Вказані вище фактори стримують упровадження енерго- й ресурсозберігаючих технологій в умовах закритого ґрунту. Тому розробка НЛВТ для світлокультури рослин, що мають підвищені енергетичні та екологічні показники, є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є наслідком досліджень, які проводилися в ТОВ “Український науково-дослідний інститут джерел світла” (м. Полтава) і в Харківській національній академії міського господарства згідно Постанови Кабінету Міністрів України від 30.12.1991р. №393 “Проведення найважливіших наукових досліджень, розробка та освоєння нових технологій і техніки”, пов’язана з програмою Державного комітету з науки і технології “Технологія та обладнання для демеркуризації і комплексної переробки відходів розрядних ламп” (шифр Д7В-63-98), пов’язана з цільовою програмою Мінмашпрому України “Електротехніка”, що діяла протягом 1995-1997рр. (розділ “Світлотехніка та джерела світла”), планами наукових досліджень кафедри світлотехніки та джерел світла ХНАМГ на 2003-2004рр. за темою “Дослідження та розробка принципів і методів розрахунку нових високоінтенсивних засобів, оптимізація режимів освітлення та опромінення установок різного призначення”.

Теоретичні й експериментальні дослідження, обробку й узагальнення результатів здобувач зробила самостійно, а також брала безпосередню участь у впровадженні результатів у виробництво.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення енергетичної ефективності високоінтенсивних джерел світла для вирощування овочів в умовах закритого ґрунту.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

·

·

·

·

·

·

Об’єктом дослідження є процеси, що впливають на зміни спектрального складу та світлової ефективності високоінтенсивних розрядних ламп для світлокультури рослин.

Предмет дослідження – склад амальгами, що забезпечує найвищий рівень енергетичної ефективності та екологічної безпеки високоінтенсивних розрядних ламп.

Методи досліджень. Дослідження виконувалися з використанням комплексного застосування різних методів і методик: температуру плавлення сплавів визначали методом диференційного термічного аналізу; експериментальні дослідження виконували з використанням методів оптичних, електричних та механічних вимірювань; виміри електричних та світлових параметрів проводили згідно з ГОСТ17616-82 “Лампы электрические. Методы измерения электрических и световых параметров”; виміри спектральних і кольорових характеристик виконували згідно з ГОСТ23198-94 “Лампы электрические. Методы измерения спектральных и цветовых характеристик”; визначення вмісту хлорофілу в листках рослин проводили з використанням спектрофотометричного методу; планування та обробку результатів експериментальних робіт здійснювали із застосуванням методів математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів дисертації полягає в тому, що в ній уперше досліджено:

1. Вплив опромінення світлом натрій-цезієвої лампи на реакцію рослин томатів різних сортів та вирощування їх на перших етапах розвитку. Встановлено, що вміст пігментів у сорті томатів “Де Барао” та “Гібрид Тарасенка” при опроміненні натрієвою лампою високого тиску з добавками цезію вищий на 205%, ніж при опроміненні лампою ДНаТ400, і на 125%, ніж при опроміненні лампою ДРЛФ400, а вміст пігментів у рослинах огірка і гороху при опроміненні натрієвою лампою з добавками цезію потужністю 400 Вт вищий у середньому на 39%, ніж при опроміненні лампою ДРЛФ400 і на 28%, ніж при опроміненні лампою ДНаТ400.

2. Склад Na-Cs-Hg амальгами високоінтенсивних розрядних ламп із застосуванням методу диференційного термічного аналізу, що дозволило розробити конструкцію високоінтенсивних натрієвих ламп з добавками цезію для вирощування рослин у закритому ґрунті (зовнішній діаметр розрядної трубки з полікристалічного окису алюмінію 8,9 мм; міжелектродна відстань – 85 мм; склад амальгами натрію з добавками цезію – Hg-20%, Na-75%, Cs-5%; к.к.д. ФАР – 292%) при питомій потужності ламп Р1 5860 Вт/см.

3. Вплив вмісту ртуті на потужність випромінювання, а також доведено, що зменшення процентного вмісту ртуті в амальгамі натрію з Na/Hg=0,7 до Na/Hg0,95 призводить до зниження потужності випромінювання в ділянці ФАР на 6-8%. При цьому за рахунок зниження потужності випромінювання в зеленій ділянці на 8-12% збільшується частка випромінювання в червоній ділянці спектра. Збільшення тиску ксенону в межах від 4 до 20 кПа підвищує к.к.д. ламп у ділянці ФАР, за інших рівних умов, на 10-12%.

4. Спектральний склад випромінювання натрієвих ламп високого тиску зі зменшеною кількістю ртуті (Na0,95). З’ясовано, що вимогам вирощування овочів відповідають такі параметри спектра, які досягаються тиском парів натрію в інтервалі 40-60 кПа.

Практична цінність одержаних результатів визначається передусім тим, що:

1. Розроблено методику конструювання високоінтенсивних розрядних ламп з добавками цезію. Це дозволило підвищити енергетичну та спектральну ефективність ламп для вирощування овочів в умовах закритого ґрунту. Пропоновані джерела світла можуть використовуватись у тепличних господарствах для вирощування томатів.

2. Теоретичні й практичні результати дисертації можуть бути використані при розробці нових опромінювальних установок, а також при визначенні номенклатури ламп, що підлягають розробці й виробництву в Україні.

3. Визначені добавки лужних металів та їх концентрації для поліпшення спектральних характеристик НЛВТ можуть застосовуватись на ТОВ “Завод ГРЛ” (м.Полтава).

Результати досліджень, виконаних у дисертаційній роботі, використані при виконанні науково-дослідних, дослідно-конструкторських, а також технологічних робіт Українським науково-дослідним інститутом джерел світла (м. Полтава), при виробництві високоінтенсивних ламп із добавками цезію на ТОВ “Завод ГРЛ” (м. Полтава), упроваджені в тепличному господарстві в с.Петрівцях Миргородського району для умов інтенсивної світлокультури томатів, що забезпечило збільшення рівня їх продуктивності на 8-10%.

Особистий внесок здобувача відображений в наукових працях, опублікованих разом із співавторами: [1] – виконана особисто; [2] – здобувачем виконано розрахунки й дослідження світлотехнічних характеристик натрієвих ламп високого тиску з добавками лужних металів – цезію, калію, рубідію; [3] – дослідження потрійного сплаву системи натрій-цезій-ртуть для ізоконцентратів з постійним вмістом ртуті; [4,12] – вимір спектрів випромінювання, електричних та світлових параметрів ламп високого тиску з добавками лужних металів; [5,15] – визначення вмісту пігментів у листках томатів різних сортів і статистична обробка результатів; [6] – розрахунок к.к.д. фотосинтетичної активної радіації НЛВТ різних конструкцій; [7] – дослідження спектральних характеристик випромінювання ламп в умовах вирощування рослин у закритому ґрунті; [8] – проведення експериментів та обробка результатів; [9] – експеримент та обробка проміжних результатів; [10,11,14] – оцінка дії випромінювання натрієвих ламп високого тиску з добавками цезію на ріст і розвиток рослин, проведення експериментальних досліджень, розрахунок вмісту пігментів та к.к.д. джерел світла; [13] – експериментальні дослідження.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи обговорювалися на науковому семінарі Наукової ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики” (м.Харків, 2005р.); на науково-технічних конференціях викладачів та співробітників Харківської національної академії міського господарства (2001- 2004рр.); на І і ІІ міжнародних науково-технічних конференціях “Фізичні й технічні проблеми світлотехніки та електроенергетики” (м. Харків, 2003-2005рр.); на міжнародних науково-практичних конференціях “Проблеми енергозабезпечення в АПК України” (2003-2004рр.); на міжнародній конференції “Photosynthesis and Crop Production” (Куіv, 2002р.); на ІІ міжнародній науково-технічній конференції “Світлотехніка та електротехніка: історія, проблеми і перспективи” (м. Тернопіль, 2005р.); на науково-практичній конференції “200 років Полтавській аграрній академії” (м. Полтава, 2002р.).

Публікації. Проблематику, теоретичні й практичні результати дисертаційної роботи висвітлено в 15 друкованих працях, серед яких 1 – без співавторів, 10 – у спеціалізованих наукових виданнях, затверджених ВАК України як фахові.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (152 найменування), двох додатків. Зміст дисертації (в тому числі 36 рисунків і 17 таблиць) викладено на 144 сторінках. Додатки на 13 сторінках. Повний обсяг роботи складає 157сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційного дослідження, сформульовано його мету і завдання, визначено наукову новизну та практичне значення дисертації, описано методи дослідження, подано відомості про апробацію роботи, зазначено кількість публікацій, що відображають теоретичні й практичні результати дослідження.

У першому розділі “Аналіз шляхів підвищення енергетичної ефективності джерел штучного освітлення для вирощування овочів в умовах закритого ґрунту” проведено аналіз вітчизняних і зарубіжних робіт щодо використання джерел штучного освітлення для умов тепличного господарства. Доведено, що кожна культура має потребу в своєму спеціальному джерелі світла, створення якого засноване на дії певних спектральних інтервалів випромінювання, що позитивно впливає на біологічні процеси розвитку рослин. З’ясовано, що спектральний склад світла є найважливішим чинником, який визначає швидкість і якість процесів фотосинтезу і росту рослин. Для вирощування рослин різних видів, сортів використовують освітлення різноманітного спектрального складу. Для світлокультури рослин на сьогодні застосовують широкий асортимент ДС: лампи розжарювання, розрядні лампи низького та високого тиску. Проте не існує спеціальних джерел світла для вирощування рослин томатів в умовах закритого ґрунту. Встановлено, що використання НЛВТ у рослинництві закритих ґрунтів потребує оптимізації спектрального складу випромінювання під конкретну світлокультуру рослин та максимального підвищення потоку випромінювання в цій ділянці ФАР. Доведено, що для поліпшення якості випромінювання натрієвих ламп високого тиску необхідна зміна складу наповнення розрядної трубки (РТ), обґрунтовано необхідність дослідження впливу різних добавок на спектральні характеристики та експлуатаційні параметри НЛВТ.

У другому розділі “Вибір методики експерименту та об’єктів дослідження світлокультури рослин” з’ясовано особливості вибору джерел світла для вирощування овочів в умовах закритого ґрунту. Розроблено методику проведення експерименту, проаналізовано вимоги до джерел світла, які використовують в тепличному господарстві, проведено аналіз та охарактеризовано вплив спектрального випромінювання на розвиток рослин. Оцінено специфіку поглинання рослинами потоку випромінювання (Фе). Визначено вміст хлорофілу в листках рослин різних видів при опроміненні неоднаковим спектральним складом випромінювання.

При серійному виробництві натрієвих ламп високого тиску ДНаТ400 у складі розрядної трубки використовується амальгама натрію із вмістом натрію (251) ваг.%. Введення третього компонента в натрієву амальгаму приводить до зміни температури плавлення, яка може коливатися залежно від співвідношення натрію й металу в сплавах. Зроблено вибір металів-добавок та їхніх концентрацій для поліпшення спектральних характеристик НЛВТ. Однією з перспективних груп металів-добавок є лужні метали – калій, рубідій і цезій. Резонансні лінії випромінювання цих металів лежать у ближній інфрачервоній ділянці. Однак спектри випромінювання їх мають багато ліній в червоній ділянці спектра, з порівняно низькими потенціалами збудження останніх. До того ж фізико-хімічні характеристики калію, рубідію і цезію подібні до фізико-хімічних характеристик натрію. Введення в розряд навіть невеликих добавок лужних металів приводить до істотних змін спектрів випромінювання. Найбільш придатними для поліпшення спектрального складу випромінювання НЛВТ є добавки цезію, оскільки лампи з такими добавками мають найбільшу кількість ліній у червоній ділянці спектра (і частково в синьо-зеленій), збільшені (у порівнянні з К, Rb ) безупинний фон і ширину самообертання резонансних ліній натрію.

Досліджено температуру плавлення потрійних сплавів системи натрій-цезій-ртуть з постійним вмістом ртуті 0,2м.д. методом диференційного термічного аналізу. На підставі розрахованих інтегральних надлишкових вільних енергій Гіббса графічним методом визначені парціальні молярні характеристики для окремих компонентів. Визначено вплив варіантів добавок на спектральні характеристики й світлові параметри натрієвих ламп зі спеціальними добавками. Встановлено вимоги до ламп, що використовуються в рослинництві. За основу порівняльної оцінки взято поняття відносної фітоактивності випромінювання різних ДС, що дозволило оцінити відносну ефективність досліджуваного випромінювання.

Третій розділ “Розробка спеціальних джерел світла для вирощування рослин у закритому ґрунті” присвячено розробці спеціальних джерел світла для рослинництва. Обґрунтовано вибір спектрального діапазону випромінювання ламп для вирощування рослин в умовах закритого ґрунту, виявлено найефективніше конструктивне рішення НЛВТ з поліпшеними спектральними характеристиками. Досліджено світлотехнічні та електричні характеристики розроблених натрієвих ламп, що використовуються в тепличному господарстві. Визначено особливості протікання розрядів у лампі з добавками калію і рубідію. На основі аналізу різних типів ДС (дзеркальні лампи розжарювання з кольоровими фільтрами типу R63, ртутні лампи високого тиску з люмінофорним покриттям на колбі типу ДРЛФ400, натрієві лампи високого тиску типу ДНаТ400), визначено вплив спектра опромінення на вміст пігментів у рослинах томатів, встановлено вимоги до спектра випромінювання ДС для рослин томатів сортів “Де Барао” і “Гібрид Тарасенка”, що вирощуються в умовах закритого ґрунту (рис.1).

Рис.1. Cумарний вміст пігментів у листках томатів сортів “Де Берао” і “Гібрид Тарасенка” при опроміненні лампами розжарювання з кольоровими фільтрами:

1-синій, 2-зелений, 3-жовтий, 4-червоний

Для рослин томатів сорту “Де Барао” сумарний вміст пігментів (Са+Св) виявився вищим при опроміненні червоним світлом. У рослин томатів сорту “Гібрид Тарасенка” вміст (Са+Св) вищий при опроміненні жовтим світлом, ніж білим, зеленим, синім, червоним – на 279, 400, 430, 476 мкг/г відповідно. У табл.1 наведено дані про вміст хлорофілу й каротиноїдів у рослинах томатів сортів “Де Барао” і “Гібрид Тарасенка”, опромінених лампами ДНаТ400 і ДРЛФ400 однакової інтенсивності. Встановлено, що при опроміненні лампами ДНаТ400 сумарний вміст хлорофілу в сортах “Гібрид Тарасенка” і “Де Барао” зменшується, а вміст (Са+Св) в томатах сорту “Де Барао” завжди вищий, ніж у сорті “Гібрид Тарасенка”.

Таблиця 1

Вміст хлорофілу й каротиноїдів (мкг/г) у листках томатів сортів “Де Барао” і “Гібрид Тарасенка”, опромінених натрієвою і ртутною лампами високого тиску

Сорт“ | Де Барао”“ | Гібрид Тарасенка”

Лампа | ДНаТ400 | ДРЛФ400 | ДНаТ400 | ДРЛФ400

День | 9 | 22 | 9 | 22 | 9 | 22 | 9 | 22

Са | 330

21 | 300

21 | 750

21 | 1930

47 | 270

17 | 250

16 | 840

52 | 1480

92

Св | 430

27 | 160

10 | 740

46 | 620

38 | 430

27 | 130

8 | 470

29 | 480

30

Са+Св | 760

99 | 460

69 | 1490

192 | 2550

331 | 590

77 | 380

49 | 1310

170 | 1960

254

Ск | 80

5 | 130

8 | 230

14 | 620

38 | 80

5 | 120

7 | 230

14 | 650

40

Са/Св | 0,80

0,05 | 1,91

0,12 | 1,01

0,06 | 3,1

0,2 | 0,60

0,04 | 1,92

0,12 | 1,78

0,11 | 3,08

0,19

Са+Св/Ск | 9,50

0,59 | 3,54

0,22 | 6,51

0,41 | 4,11

0,26 | 7,37

0,47 | 3,17

0,20 | 5,72

0,35 | 3,01

0,19

Зважаючи на відсутність критеріїв оцінки ламп для рослинництва, сформульовано універсальний показник к.к.д. у діапазоні ФАР у спектральних інтервалах (1=380-500 нм, 2=500-600 нм, 3=600-720 нм):

ФАР=, (1)

де Н – світлова віддача, лм/Вт;

S1400-500нм, S2500-600нм, S3600-700нм – відносна енергія випромінювання у спектральному інтервалі;

683 – світлова ефективність випромінювання, лм/Вт.

По даному показнику проведений аналіз досліджених світлотехнічних параметрів найпоширеніших розрядних ламп, що застосовуються в рослинництві. Показано, що натрієві лампи високого тиску, мають к.к.д. в діапазоні ФАР (27-29%). Один із шляхів подальшого покращення к.к.д. ФАР натрієвих ламп є оптимізація спектрального складу випромінювання і перш за все в червоному та ІЧ діапазоні спектра. Один із шляхів вирішення цієї проблеми є введення в натрієвий розряд елементів, які випромінюють в указаній ділянці спектра.

Доведено, що зміну спектрального складу ДС можна досягнути введенням у розряд добавок тих елементів, потенціали іонізації () яких не перевищують, або наближаються до цNa. Такими, зокрема, є лужні метали (=1,392,09В). Довжини хвиль відповідають червоній ділянці спектра випромінювання в межах видимості (~740нм) і ближній ІЧ-ділянці (Li-670 нм, K-(765, 770) нм, Rb>770нм, Cs-(852, 894) нм).

а) |

б)

Рис.2. Розподіл відносної спектральної енергії випромінювання ламп з різним наповненням:

а) Na-Hg, K-Hg, K-Na-Hg;

б) Na-Hg, Na-Cs-Hg, Na-K-Cs-Hg

Спектральний склад випромінювання ламп зі складом амальгами натрію і добавками цезію (Hg-20%, Na-75%, Cs-5%), калію (Hg-20%, Na-79%, K-1%), рубідію (Hg-20%, Na-79%, Rb-1%) має меншу, ніж стандартні натрієві лампи високого тиску, інтенсивність випромінювання в ділянці 500-600 нм і значно більшу в червоній (600-700 нм) та ближній інфрачервоній ділянках (рис.2).

У результаті дослідження фізико-хімічних властивостей системи Na-Cs-Hg обрано найефективніший склад амальгам. Установлено, що тиск парів компонентів є визначальним параметром для світлових і спектральних характеристик розрядних ламп високого тиску в інтервалі температур від 250 до 530°С при постійному вмісті в сплавах ртуті і співвідношенні в сплавах натрію і цезію 4:1. Розраховано тиски насичених парів для різних температур і зіставлені з тисками парів у бінарній системі Na-Hg (рис.3). Обрано склад амальгами розрядної трубки, в якій співвідношення концентрацій натрію і ртуті близьке до відповідного співвідношення у стандартній натрієвій лампі, а добавки цезію змінюються в межах від 5 до 10ат.%. На рис.4 наведено залежність характеристик потоку випромінювання пальника ламп із міжелектродною відстанню 8,5 см та різними добавками від питомої потужності (P1). Результати досліджень свідчать, що Фе у лампах з добавкою Cs(5%) вищий, ніж у лампах з добавками Cs(5%)-K(1%). Світлова ефективність () при збільшенні Р1 ламп зростає, причому для натрій - ртутних ламп при Р1 (25-60 Вт/см ) є вищою, ніж для ламп із добавками Cs, K, Rb, а при Р1, більшій 6065Вт/см, вища для ламп із наповненням Na-Cs-Hg та Na-Cs-K-Hg і складає 292%.

Рис.3. Залежність тиску парів (Р) від температури (t) для сплавів із різним вмістом компонентів:

1 – Hg; 2 – (Na-78ат.%, Hg-22ат.%);

3 – (Na-30 ат.%, Cs-50 ат.%, Hg-20ат.%); 4 – (Na-50 ат.%, Cs-30ат.%, Hg-20 ат.%); 5 – ( Na-60 ат.%, Cs-20ат.%, Hg-20 ат.%) |

Рис.4. Залежність енергетичного потоку випромінювання (Фе) з різними добавками (1–Cs(5%); 2–K(1%), Cs(5%)) та світлової ефективності () ламп із різним наповненням ( – Na-Hg, o – Na-K-Cs-Hg,

– Na-Cs-Hg, Ч – Hg, ^ – Rb-Na-Hg) від питомої потужності ламп (Р1)

Здійснено розробку й виготовлено лампи ДНаТ400 з добавками Na-Cs-Hg, а також проведено їх промислові випробування (табл. 2).

Таблиця 2

Світлові й електричні характеристики ламп ДНаТ400, заповнених сплавами системи Na-Cs-Hg

№за

п. | Na | Cs | Hg | Uм.,В | Uл.,В | Іл.,

А | Pл.,

Вт | Ф,

лм | Н,

лм/Вт

Ваг. | Ат. | Ваг. | Ат. | Ваг. | Ат.

%

1 | 28.6 | 77 | 6,4 | 3 | 64,9 | 20 | 220 | 120 | 4,8 | 380 | 23940 | 63

2 | 28,9 | 75 | 10,4 | 5 | 62,7 | 20 | 220 | 120 | 4,9 | 380 | 26220 | 69

3 | 25,4 | 73 | 14,6 | 7 | 62,8 | 20 | 220 | 123 | 5,1 | 380 | 24320 | 64

4 | 23,1 | 70 | 19,1 | 10 | 61,0 | 20 | 220 | 124 | 5,2 | 380 | 22800 | 60

Встановлено, що зі збільшенням Р1 і температури холодної зони (tхз) зростання Фе випромінювання відбувається переважно за рахунок зростання його червоної та інфрачервоної ділянок. Відповідно до рис. 5, де показано залежність потоку випромінювання і світлового потоків (Ф) від питомої потужності і температури холодної зони для ламп з наповненням Na-Cs-Hg та Na-Cs-K-Hg, кращі показники мають лампи з добавками цезію. Отже для світлокультури рослин при Р1 5860 Вт/см ефективнішими є натрієві лампи високого тиску з добавками цезію.

Рис.5. Залежність потоку випромінювання (Фе) і світлового потоків (Ф) випромінювання натрієвих ламп потужністю 400 Вт із добавками цезію та калію від температури холодної зони tхз

На основі проведених досліджень встановлено оптимальні параметри ламп, які можна використовувати для світлокультури рослин: зовнішній діаметр розрядної трубки з полікристалічного окису алюмінію – 8,9 мм, міжелектродна відстань – 85мм, склад амальгами натрію з добавками цезію (Hg-20%, Na-75%, Cs-5%), з Хе при холодному тиску 20мм.рт.ст., в інтервалах питомих потужностей розрядного стовпа 55-65 Вт/см і к.к.д. ФАР 29-32%. Доведено, що зміна складу амальгами приводить до зменшення тиску ртуті. Негативні відхилення активності ртуті від прямої ідеального поводження свідчать про максимальне зв'язування цього компонента розплаву в з'єднанні. Це свідчить, що при збільшенні вмісту натрію для променевого розряду натрій і ртуть зв'язуються в металіди і створюються умови для зменшення випаровування ртуті із сполуки.

У четвертому розділі “Дослідження впливу опромінення натрій-цезієвих ламп при вирощуванні рослин, екологічні проблеми високоінтенсивних розрядних ламп” охарактеризовано екологічні показники натрієвих ламп високого тиску в умовах освітлення рослин натрій-цезієвими лампами, проаналізовано ефективність використання натрієвих ламп зі спеціальними добавками (НЛСД) для опромінення рослин і вирощування свіжих овочів узимку. Доведено, що при вирощуванні томатів сорту “Де Барао”, огірків сорту “Фенікс” і гороху сорту “Мадонна” з додатковим освітленням високоінтенсивними натрієвими лампами високого тиску типу ДНаТ400, ртутними лампами типу ДРЛФ400 та експериментальними натрієвими лампами високого тиску з добавками цезію (Na-Cs) потужністю 400Вт (табл. 3) сумарний вміст хлорофілу та відношення суми хлорофілу до каротиноїдів у рослинах томатів, огірків і гороху при опроміненні натрієвою лампою високого тиску з добавками цезію вищий, ніж при опроміненні ДРЛФ400 і ДНаТ400. Вирощування рослин томатів на перших етапах розвитку при опроміненні світлом з різним спектральним складом дозволило встановити відмінності в реакціях рослин на накопичення пігментів та їх співвідношення.

Таблиця 3

Вміст хлорофілу і каротиноїдів (мкг/г) у листках томатів сорту “Де Барао”, огірків сорту “Фенікс”, гороху сорту “Мадонна” при додатковому освітлені високоінтенсивною розрядною натрієвою лампою високого тиску типу ДНаТ400, ртутною лампою високого тиску типу ДРЛФ400, натрієвою лампою високого тиску з добавками цезію потужністю 400Вт

Лампа | ДНаТ

400 | ДРЛФ 400 | Na-Cs | ДНаТ

400 | ДРЛФ 400 | Na-Cs | ДНаТ

400 | ДРЛФ 400 | Na-Cs

Сорт | томати “Де Барао” | огірки “Фенікс” | горох “Мадонна”

Са | 720

±36 | 681

±34 | 1217±61 | 642

±32 | 780

±39 | 942

±47 | 778

±39 | 1028

±51 | 1723±86

Св | 211

±11 | 173

±9 | 1213±60 | 207

±10 | 280

±14 | 568

±28 | 271

±14 | 555

±28 | 912

±46

Са+Св | 952

±47 | 854

±43 | 2430±121 | 849

±42 | 1060

±53 | 1610±81 | 1049±52 | 1583

±79 | 2635±132

Ск | 447

±22 | 262

±13 | 273

±14 | 210

±11 | 353

±18 | 293

±15 | 290

±14 | 429

±21 | 645

±32

Са/Св | 3,7

±0,19 | 3,9

±0,2 | 1±

0,01 | 3,1±

0,16 | 2,8±

0,14 | 1,7±

0.09 | 2,7

±0,13 | 2

±0,1 | 1,9

±0,1

Са+Св/Ск | 2,1

±0,11 | 3,3

±0,16 | 8,9±0,45 | 4,1±

0,21 | 3±

0,15 | 5,5±

0,28 | 3,6

±0,18 | 3,7

±0,19 | 4,1

±0,2

Установлено, що вміст хлорофілу і каротиноїдів у сортах томатів “Де Барао” і “Гібрид Тарасенка” при опроміненні натрієвою лампою високого тиску з добавками цезію вищий, ніж при опроміненні ДРЛФ400 і ДНаТ400 (табл. 4).

Таблиця 4

Вміст хлорофілу і каротиноїдів (мкг/г) у листках томатів сортів “Де Барао” і “Гібрид Тарасенка” при додатковому освітлені натрієвою лампою високого тиску потужністю 400Вт, ртутною лампою високого тиску з люмінофорним покриттям на колбі потужністю 400Вт, натрій-цезієвою лампою високого тиску потужністю 400Вт

Сорт“ | Де Барао”“ | Гібрид Тарасенка”

Лампа | ДНаТ400 | ДРЛФ400 | Na-Cs | Природ. осв. | ДНаТ400 | ДРЛФ400 | Na-Cs | Природ. осв.

День | 9 | 22 | 9 | 22 | 9 | 22 | 9 | 22 | 9 | 22 | 9 | 22 | 9 | 22 | 9 | 22

Са | 425

±21 | 740±37 | 121

±6 | 681

±34 | 478±24 | 1217±61 | 362

±18 | 703

±35 | 309

±15 | 798

±40 | 395±20 | 713

±36 | 710

±36 | 943

±47 | 413±21 | 821

±41

Св | 245

±12 | 211±11 | 68

±3 | 172

±9 | 366±18 | 1213±60 | 128

±6 | 250

±12 | 166

±8 | 299

±15 | 137

±7 | 227

±11 | 356

±18 | 341

±17 | 131±7 | 240

±12

Са+Св | 670

±34 | 951±48 | 189

±9 | 853

±43 | 842±42 | 2430±121 | 490

±24 | 953

±48 | 475

±24 | 1097±55 | 532

±27 | 940

±47 | 1067±54 | 1284±64 | 544±27 | 1061±53

Ск | 178

±9 | 447±22 | 107

±5 | 261

±13 | 182±9 | 273

±14 | 136

±7 | 291

±15 | 147

±7 | 323

±16 | 178

±8,9 | 262

±13 | 314

±16 | 1034±52 | 124±6 | 280

±14

Са/Св | 1,7

±0,09 | 3,5±0,18 | 1,8±0,09 | 3,9±0,19 | 1,3±0,07 | 1±

0,05 | 2,8±0,14 | 2,8±0,14 | 1,9±0,09 | 2,7±0,14 | 2,9±0,15 | 3,1±0,16 | 2±

0,1 | 2,8±0,14 | 3,2±0,16 | 3,4±0,17

Са+Св/Ск | 3,8

±0,19 | 2,1±0,18 | 1,8±0,09 | 3,3±0,16 | 4,6±

0,23 | 8,9±0,45 | 3,6±0,18 | 3,3±0,17 | 3,2±0,16 | 3,4±0,17 | 3±

0,15 | 3,6±0,18 | 3,4±

0,17 | 1,2±0,06 | 4,2±0,21 | 3,8±0,19

На підставі експериментальних досліджень впливу освітлення на продуктивність одного з високопродуктивних голландських томатів гібриду “Кунеро”, проведених в тепличному господарстві в с. Петрівцях Миргородського району Полтавської області, доведено, що в умовах інтенсивної світлокультури томатів застосування натрієвих ламп високого тиску з добавками цезію забезпечує в середньому врожай 13,6 кг на одну рослину за період плодоношення, що на 8% більше, ніж за попередній рік.

На основі аналізу експериментальних зразків натрієвих ламп потужністю 300-400Вт із різним наповненням інертних газів, тиском парів натрію та кількістю введеної ртуті, а також безртутних натрій-ксенонових ламп потужністю 100-150Вт, встановлено, що зменшення вмісту ртуті в амальгамі натрію з Na/Hg=0,7 до Na/Hg0,95 призводить до зниження потужності випромінювання в ділянці ФАР на 6-8%, при цьому збільшується частка випромінювання в червоному діапазоні. Перерозподіл енергії в спектрі видимого випромінювання відбувається внаслідок підвищення тиску парів натрію, що виділяє уширення резонансних ліній (589,0/589,6 нм). Змінюючи температуру холодної зони пальника (температуру амальгами), можна змінювати тиск парів натрію і, отже, перерозподіляти енергію випромінювання в спектрі. Збільшення тиску ксенону в межах від 4 до 20кПа підвищує к.к.д. ламп у діапазоні ФАР, при інших рівних умовах, на 10-12%. Заміна ксенонового наповнення ламп на неон-аргонову суміш (Ne 99,7+ Ar 0,3%), за інших рівних умов, знижує к.к.д. лампи на 20-35%.

Досліджено екологічні проблеми, пов’язані з експлуатацією розрядних ламп, особливостями утилізації та використання відходів розрядних ламп. Утилізацію та переробку ламп доцільно проводити з економічної точки зору - відходи скла, латуні, нікелю, алюмінію та інших матеріалів можуть бути джерелом сировинних матеріалів. Для підвищення екологічності ламп необхідно підвищувати світлову віддачу, стабільність світлового потоку, зменшувати дозування ртуті в лампі, підвищувати ступінь демеркуризації відходів, зменшувати енергоємність та матеріалоємність їх виробництва.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі даних теоретичних та експериментальних досліджень розв’язано науково-технічні завдання, пов’язані з установленням закономірностей формування амальгами, яка забезпечує найвищий рівень енергетичної ефективності та екологічної безпеки високоінтенсивних РЛ. Отримані в дослідженні методи і програми, а також результати їх практичної реалізації роблять суттєвий внесок у теорію та методику проектування джерел світла для рослинництва. Проведені дослідження дають підстави зробити такі основні висновки:

1. Доведено, що опромінення червоним світлом підвищує в рослинах томатів сумарний вміст хлорофілу. Спектральний розподіл випромінювання має загальні закономірності впливу на ефективність накопичення пігментів у різних рослин.

2. У результаті аналізу спектральних характеристик високоінтенсивних розрядних ламп установлено недостатність червоної складової. Рекомендовано наповнення розрядної трубки НЛВТ амальгамами натрію з добавками цезію (Hg-20%, Na-75%, Cs-5%), калію (Hg-20%, Na-79%, K-1%), рубідію (Hg-20%, Na-79%, Rb-1%). Це дозволило наблизити інтервали спектрального випромінювання ламп до спектральних та енергетичних характеристик джерел світла, рекомендованих для вирощування овочів.

3. Експериментально доведено, що коефіцієнт корисної дії фотосинтетичної активної радіації НЛВТ різних конструкцій, які використовуються у світлокультурі рослин, перебуває в межах 272%, а введення в НЛВТ добавок цезію (5–10%) підвищує к.к.д. ФАР до рівня 292%.

4. На основі аналізу складу Na-Cs-Hg амальгами розроблено конструкцію високоінтенсивних натрієвих ламп з добавками цезію для вирощування рослин у закритому ґрунті, які мають розрядну трубку з полікристалічного окису алюмінію (зовнішній діаметр – 8,9 мм; міжелектродна відстань – 85 мм; склад амальгами натрію з добавками цезію – Hg-20%, Na-75%, Cs-5%, з Хе при холодному тиску 20мм.рт.ст., к.к.д. в ділянці ФАР – 292%, при питомій потужності ламп (Р1) 5860 Вт/см).

5. Доведено, що зменшення процентного вмісту ртуті в амальгамі натрію з Na/Hg=0,7 до Na/Hg0,95 призводить до зниження потужності випромінювання в ділянці ФАР на 6-8%. При цьому збільшується частка випромінювання в червоній ділянці спектра (за рахунок зниження в зеленій) на 8-12%. Збільшення тиску ксенону в межах від 4 до 20 кПа підвищує к.к.д. ламп у ділянці ФАР (за інших рівних умов) на 10-12%.

6. Встановлено відмінності в накопиченні пігментів у рослин томатів різних сортів “Де Барао” і “Гібрид Тарасенка” на перших етапах розвитку, зумовлені впливом опромінення світлом натрій-цезієвої лампи. Вміст пігментів у сортах томату “Де Барао” та “Гібрид Тарасенка” при опроміненні натрієвою лампою високого тиску з добавками цезію вищий на 205%, ніж при опроміненні ДРЛФ400 і ДНаТ400.

7. З’ясовано, що на перших етапах розвитку вміст пігментів у рослинах томатів, огірків і гороху вищий у середньому на 39% при опроміненні натрієвою лампою високого тиску з добавками цезію потужністю 400Вт, ніж при опроміненні ДРЛФ400, і на 28%, ніж при опроміненні ДНаТ400, що забезпечує більшу інтенсивність вирощування рослин.

8. Встановлено закономірності впливу амальгам на екологічні характеристики розрядних ламп. Доведено, що зміна складу амальгами призводить до зменшення тиску ртуті в результаті утворення металідів, що в цілому зменшує її випаровування зі сполуки, підвищуючи екологічність лампи.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Велит І.А. Продуктивність томатів сорту Кунеро при додатковому освітленні натрієвими лампами високого тиску // Вісник Сумського національного аграрного ун-ту. -2003. -№10. -С.119-121.

2. Велит И.А., Петренко Ю.П., Кожушко Г.М. Експлуатаційні характеристики високоінтенсивних ламп з добавками цезію, калію, рубідію // Світлотехніка та електроенергетика.-2004.-№4.- С.13-17.

3. Велит І.А., Сахно Т.В., Говоров П.П., Кожушко Г.М. Дослідження Na-Cs-Hg амальгам ламп високого тиску для світлокультури рослин // Світлотехніка та електроенергетика.-2005.-№5.- С.71-76.

4. Говоров Ф.П., Велит И.А., Петренко Ю.П. Спектральные характеристики натриевых ламп высокого давления с излучающими добавками // Світлотехніка та електроенергетика.-2005.-№6.- С.7-10.

5. Велит И.А., Бондарь П.И., Сахно Т.В., Кожушко Г.М. Влияние спектрального состава света на содержание хлорофилла в листьях томата // Физиология и биохимия культурных растений.-2004.-Т.36, №4.-С.349-355.

6. Велит И.А., Петренко Ю.П. Исследование характеристик натриевых ламп, предназначенных для светокультуры растений // Коммунальное хозяйство городов. Науч.-техн. сб. Вып. 58. Сер.: Технические науки и архитектура. -К.:Техника.- 2004.-С.138-142.

7. Велит І.А., Кожушко Г.М., Сахно Т.В. Джерела світла для рослинництва // Комммунальное хозяйство городов. Науч.-техн. сб. Вып. 38. Сер.: Технические науки и архитектура. -К.:Техника.-2002.-C. 237-245.

8. Кожушко Г.М., Велит І.А., Сахно Т.В. Дослідження спектральних характеристик натрієвих ламп із покращеними екологічними властивостями для вирощування овочів у закритому ґрунті. // Зб. наук. праць Полтавського держ. пед. ун-ту ім. В.Г.Короленка. Сер.: Екологія. Біологічні науки. -2001.-Вип. 3 (17).- С.129-135.

9. Кожушко Г.М., Велит І.А., Галай М.В., Каплієва В.М., Сахно Т.В. Екологічні проблеми розрядних ламп: утилізація та використання відходів// Проблемы создания новых машин и технологий. Науч. тр. Кременчугского гос. политехн. ун-та.-2001.- Вып.1.(10). -С.549-552.

10. Кожушко Г.М., Велит І.А., Сахно Т.В. Дослідження дії випромінювання високоінтенсивних розрядних ламп на вміст пігментів у листках рослин // Вісник Харк. держ. техн. ун-ту сільського госп. ім. Петра Василенка.-2004. -Т.2, Вип. 27.-С.17-23.

11. Кожушко Г.М., Велит І.А., Сахно Т.В. Розвиток рослин томатів при опроміненні натрієвими лампами високого тиску з добавками цезію// Праці Таврійської держ. акад.-2004.-Вип.19.-С. 55-60.

12. Велит И.А., Кожушко Г.М. Натриевые лампы высокого давления с излучающими добавками натрий-цезий-ртуть для светокультуры растений // Тези доп. міжнародної наук.-техн. конф. “Фізичні та технічні проблеми світлотехніки та електроенергетики”.– Харків, 2005.-С.5.

13. Велит И.А., Кожушко Г.М. Лампы высокого давления с добавками цезия для светокультуры томатов // Тези доповідей ІІ міжнар. наук.-техн. конф. “Світлотехніка та електротехніка: історія, проблеми і перспективи”.–Тернопіль, 2005. -C.53.

14. Кожушко Г.М., Велит И.А., Сахно Т.В. Эффективность воздействия излучения натриевых ламп высокого давления с добавками цезия на развитие растений томатов// Тези доповідей міжнародної конф. “Фізичні та технічні проблеми світлотехніки та електроенергетики”. – Харків, 2003. -С.12.

15. Velit I.A., Bondar P. I., Sakhno T. V., Kozhushko G. M. The influence of the light spectral composition on the energetic balance of tomato leaf in ontogenesis //International Conference “Photosynthesis and Crop Production”. – Kyiv, 2002. -Р.106-107.

АНОТАЦІЯ

Велит І.А. Підвищення енергетичної ефективності та екологічної безпеки високоінтенсивних джерел світла для вирощування овочів в умовах закритого ґрунту.–Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.07 – світлотехніка та джерела світла. – Харківська національна академія міського господарства, Харків, 2006.

Дисертація присвячена розробці високоінтенсивних джерел світла для вирощування рослин в умовах закритого ґрунту з покращеними енергетичними та екологічними показниками. Доведено, що при опроміненні рослин томатів різних сортів різним спектральним складом сумарний вміст хлорофілу в червоній та жовтій ділянках спектру вищий, ніж в синій і зеленій. Досліджено спектральні характеристики високоінтенсивних розрядних ламп, визначено недостатність червоної складової. Рекомендовано наповнення добавок розрядної трубки НЛВТ амальгами натрію з добавками цезію, калію, рубідію; розроблено конструкцію високоінтенсивних натрієвих ламп з добавками цезію для вирощування рослин у закритому ґрунті. Установлено, що коефіцієнт корисної дії фотосинтетичної активної радіації НЛВТ з добавками цезію (5-10%) складає 292%. Доведено, що зменшення процентного вмісту ртуті в амальгамі натрію призводить до зниження потужності випромінювання в ділянці ФАР, при цьому збільшується частка випромінювання в червоній ділянці спектра (за рахунок