B06 Эксплуатационное энергосбережение в тепличных облучательных установках

Ракутько С.А., Дальневосточный ГАУ, г. Благовещенск

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

Важнейшим условием достижения рентабельности производства растениеводческой продукции защищенного грунта при рыночном механизме  хозяйство­вания является обеспечение энергосберегающих принципов и реше­ний. Опыт применения оптического излучения (ОИ) в условиях интенсивной светокультуры свидетельствует о недостаточно  высокой  эф­фективности  его использования,  значительных энергетических и материальных потерях. В этой связи возникает проблема рационального использова­ния  энергии  источников света (ИС),  основой решения которой является концепция эксплуатационного  энергос­бережения, направленная в первую очередь на снижение  издержек при  эксплуатации тепличных облучательных установок (ТОУ).

Принцип строгой  нормируемости всех параметров ОИ в промышленной  световой  технологии  интенсивного выращивания культур  подразумевает обеспечение соответствия реальных параметров применяемых  ИС  заданным.  Прежде всего это справедливо для спектральных параметров.  В данной работе рассмотрены некоторые приемы эксплуатационного энергосбережения в тепличных облучательных установках. В основу рассматриваемых приемов положена характеристика спектрального состава ОИ с помощью коэффициента отклонения спектра.

Исследованиями  установлено,  что  различные  виды растений для достижения максимальной продуктивности светокультуры требуют различного спектрального  состава  излучения, причем оптимум выражен достаточно четко. Предложено спектральный состав излучения характеризовать соотношением интенсивности излучения трех (n=3) спектральных диапазонов ki,%:  синего kсин (400..500 нм), зеленого kзел (500..600 нм) и kкр (600..700 нм). Для некоторых светокультур найдены спектральные соотношения k,  обеспечивающие  наилучшие  результаты.  Так,  для  огурца - kсин : kзел : kкр = 17 % : 40 % : 43 %, для томата - kсин : kзел : kкр = 15 % :17 % :68 % (средние из приведенных в [5]). При таком подходе количество спектральных интервалов может быть увеличено, что усложняет получение аппроксимационных зависимостей показателей продуктивности светокультуры от спектра излучения (как это выполнено для «трехкомпонентного» излучения). Более удобным было бы характеризовать спектр излучения, точнее, его отклонение от нормируемого, одним числом. Это вполне возможно, если нормируемый спектральный состав задавать точкой в n- мерном пространстве с координатами kiн, а значение спектрального состава ИС - точкой с координатами ki.

Тогда критерием близости реального спектра излучения ИС к нормируемому является коэффициент отклонения спектра Ks, отн.ед., как величина, определяющая расстояние в n- мерном пространстве,  вычисляемое по формуле:

 (1)

Равенство Ks = 0 свидетельствует о соответствии спектрального состава излучения ИС нормируемому. С другой стороны, любые отклонения спектральных характеристик ИС от  нормируемых приводят к увеличению значения Ks,  тем большему,  чем большие отклонения имеют место.

Способ компоновки групп ламп. В процессе выращивания растений путем прогноза или  непос­редственных измерений,  проводимых при тестировании ИС, опреде­ляют действительную долю потока энергии  каждого  источника  в учитываемых спектральных  диапазонах,  по  формуле 1 вычисляют значения Ks, для формирования воздействующего на растения данной культуры  потока  излучения используют  ИС с минимальным значением Ks. Например, способ  осуществляется при искусственном облуче­нии культур огурца и томата с применением газоразрядных ламп (ГЛ)  типа  ДНаТ-400. Результаты  определения спектрального состава излучения партии ламп и вычисления коэффициентов отклонения спектра ламп  отно­сительно нормируемых  для этих культур представлены в табл. 1. Здесь же показаны результаты компоновки групп ламп для облуче­ния культур огурца и томата. Принадлежность конкретной лампы к дан­ной группе (отмечено символом ‘х’ в табл. 1) сопровождается условием  наименьшего значения коэффициента отклонения спектра для этой группы.

Таблица 1

Состав излучения, значения коэффициентов отклонения спектра источников света и их  приемлемость для условий светокультур

№ ИС

Спектральный состав излучения, %

Коэффициенты отклонения спектра для культур, отн.ед.

Приемлемость ИС для культур

kсин

kзел

kкр

огурца, Ksо

томата, Ksт

огурца

томата

1

5

38

57

10.7

14.9

х

-

2

11

31

58

10.6

10.2

-

х

3

7

34

59

11.4

12

х

-

4

8

34

58

10.6

12.1

х

-

5

7

33

60

12.1

11.3

-

х

6

9

40

51

6.5

16.9

х

-

7

9

32

59

11.3

10.7

-

х

Таким образом,  путем  компоновки  групп  ИС  с  близкими спектральными параметрами осуществляется стабилизация радиаци­онного режима в теплице путем исключения потерь,  связанных  с разбросом параметров отдельных ламп [1].

Способ электрического  питания  газоразрядных ламп.  Сущ­ность способа основана на  использовании  явления  зависимости спектрального состава  излучения ГЛ от значения питающего нап­ряжения U и времени наработки лампы T.

Значения U  представлены  относительной величиной

KU= U/ UH        (2)

где UH - номинальное значение напряжения питания для ламп данного типа.

По результатам измерения спектральных характеристик ламп с разным значением T при различном U вычисляются значения Ks.  Из-за необратимых изменений, происходящих в процессе эксплуатации ГЛ, их спектральные характеристики не могут быть в полной мере скомпенсированы измене­нием значения U, однако при каком то значении U  спектральные отклонения минимальны (Ks прини­мает наименьшее из возможных значений).

Способ осуществляется  следующим образом.  До начала эксплуатации из партии ламп данного типа создают представительную выборку и проводят ее ресурсные испытания, заключающиеся в оп­ределении зависимости Ks, вычисляемого по формуле 1 от значения U для ламп с различным  T. У полученных эмпирических функциональных зависимостей нахо­дят положения минимумов и определяют значения U,  со­ответствующие найденным минимумам для ламп с различным T.  За­тем определяют функциональную зависимость U от T, при которой достигаются наименьшие значения Ks для ламп с различным T. Получаемая  зависимость Ksопт (T) является алгоритмом изменения U течение времени эксплуатации, обеспечи­вающим  минимально  возможные отклонения спектрального состава излучения от нормированных значений.

Например, способ реализуется при эксплуатации  металлога­логенных ламп (МГЛ) типа ДРИ-2000.  Поскольку при изготовлении МГЛ возможно задание практически любого спектрального  состава излучения путем варьирования составом и концентрациями излуча­ющих добавок,  нормируемый спектральный состав (Ks = 0) может быть при­нят  при  номинальном  значении U (KU = 1) и для новых ламп (T= 0). На рис. 1, в левой его части, приведены зависимости Ks от U  для ламп с временем наработки T.


Рисунок 1. Зависимости коэффициента отклонения спектра Ks от значения питающего напряжения для ламп с различным временем наработки T и оптимальный алгоритм изменения величины питающего напряжения Ksопт (T) 

В правой части рис. 1 показана зависимость коэффициента Ksопт (T), обеспечивающая минимальные отклонения спект­рального  состава излучения от нормируемого и являющаяся алго­ритмом изменения U  в  процессе  эксплуатации ламп ДРИ-2000.  Обработка полученной зависимости по методу наи­меньших квадратов позволяет записать ее в виде уравнения регрессии

Ksопт (T) = 1 - 0.065T + 0.0064T2            (3)

Таким образом,  путем оптимального управления U  ИС  осуществляется регулирование параметров радиацион­ного режима в теплице  [2].

Способ упорядоченной компоновки групп ламп. В основе способа лежит использова­ние рассмотренного выше явления зависимости основных характеристик ГЛ от  значения U и T. Учитывается так же тот факт, что в протяженных электрических линиях по их дли­не происходят потери напряжения. Данный способ предполагает упорядо­ченную компоновку групп ИС, при которой лампы в соответствии с чувствительностью их спектpальных хаpактеpистик к значению U  (т.е.  с учетом времени наработки) упорядо­ченно располагаются на групповых линиях  [3].

Способ эксплуатации газоразрядных ламп в теплице. Способ предусматривает компоновку ИС в группы для включения в облучательную установку и их использование в течение периода вегетации растений, причем критерием размещения ИС в группе является близость их спектральных параметров [4].

Наши последующие исследования в данном направлении показали, что существует непосредственная связь между энергоемкостью облучения растений и спектральными параметрами ИС [7]. Поданы заявки на патент: «Способ снижения энергоемкости при облучении растений» /№2008127673(033934), заявл. 07.07.08.; «Способ снижения энергоемкости электрического питания газоразрядных ламп при облучении растений» /№2008127720(033991), заявл. 07.07.08; «Способ снижения энергоемкости системы облучения растений в процессе их выращивания при упорядоченной компоновке источников света /№2008128798(035534), заявл. 14.07.08. Частные методы оценки и способы повышения энергоэффективности процессов облучения расширены до прикладной теории энергосбережения [6].

Выводы. Мероприятия по обеспечению более точного соответствия спектрального состава применяемых ИС требуемым значениям следует считать энергосберегающими мероприятиями. Эксплуатационное энергосбережение в облучательных установках возможно путем нормализа­ции параметров радиационной среды теплицы, основанной на определении реальных параметров ИС в процессе их аттестации. Преимущественной областью  применения рассмотренных приемов являются селекционные  климатические  сооружения, где  требования к качеству радиационного режима наиболее высо­кие. 

Литература:

  1. Пат. 2053644  Российская Федерация, МПК6 A01G9/24, A01G31/02. Способ искусственного облучения растений в процессе выращивания / Ракутько С.А.- №93008935/15; заявл.17.02.93; опубл. 10.02.96.
  2. Пат. 2073317 Российская Федерация, МПК6  H05B41/36. Способ питания газоразрядных ламп при облучении растений / Ракутько С.А. - №93028234/07; заявл.01.06.93; опубл. 10.02.97.
  3. Пат. 2106778 Российская федерация, МПК6 A01G9/24. Способ упорядоченной компоновки источников оптического излучения системы облучения растений в процессе их выращивания / Ракутько С.А., Карпов В.Н., Гулин С.В.-№94028963/15; заявл.03.08.94; опубл. 20.03.98. 
  4. Пат.2115293 Российская Федерация, МПК6 A01G9/24, A01G7/04, H05B1/00, H05B33/00, H05B41/06, H05B41/231, H05B41/46. Способ эксплуатации газоразрядных ламп в теплице / Карпов В.Н., Ракутько С.А., Шарупич В.П., Немцев Г.Г.- №92015195/13; заявл. 28.12.92; опубл. 20.07.98.
  5. Прикупец, Л.Б. Оптимизация спектра излучения при  выращивании  овощей в условиях интенсивной светокультуры / Л.Б.Прикупец, А.А.Тихомиров // Светотехника.- 1992.- No 3.- С. 5-7.
  6. Ракутько, С.А. Общие принципы энергетического анализа прикладной теории энергосбережения и их практическое применение // Энергетический вестник.- СПб: СПбГАУ, 2009.-С.90-96.
  7. Ракутько С.А. Спектральные отклонения и энергоемкость процесса облучения растений / С.А.Ракутько // Известия СПбГАУ.-2008.-№10.-С.156-160.

Тематика: ,

Комментариев: 9


» Кузьмин Владимир (об авторе) { Июнь 9, 2009 - 02:06:23 }

Уважаемые авторы. Какие измерительные приборы использовались для спектральных измерений?
С уважением Кузьмин.

» Гулин Сергей (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 06:06:03 }

На сегодняшний день задача минимизации расхода энергии при искусственном облучении растений чаще решается локальными мероприятиями, что ненаказуемо само по себе, но являясь цепью разрозненных мероприятий, дает слабый эффект.
В представленной Вами публикации совершенно правомерно предлагается рассматривать и реализовывать процесс искусственного облучения растений, как отдельный единый технологический цикл, включающий в себя последовательно этапы от преобразования электрической энергии в энергию оптического излучения в искусственных источниках света, до преобразования подготовленного, трансформированного и транспортированного к растениям оптического излучения в требуемый растениеводческий продукт (эффект)
Каким образом и на каком этапе учитываются в разработанной прикладной теории энергосбережения и системе энергосберегающих мероприятий мнгновенные колебания напряжения питания разрешенные действующим стандартом , либо при его не соблюдении.?

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 12:06:17 }

Ответ Владимиру Кузьмину. В свое время для исследования спектральных и электрических характеристик нами был изготовлен комплекс на базе МДР-23. В дальнейшем на него была подана заявка “Измерительно-вычислительный комплекс периодического контроля и тестирования источников света для облучения растений”, в настоящий момент получено решение ФИПС о выдаче патента.

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 12:06:11 }

Ответ С.В.Гулину.
Да, Вы правы. В докладе В19 присутствует формула для определения энергоемкости технологического процесса облучения на этапе подаче электроэнергии. Она подразумевает учет отклонений напряжения, выраженных через гистограмму.
При мгновенных колебаниях (как разрешенных стандартом, так и нет), так же имеют место энергетические потери. Этому вопросу следует уделить внимание в дальнейших исследованиях, благодарю Вас за отмеченный недостаток.

» Козлов Игорь (об авторе) { Июнь 11, 2009 - 09:06:28 }

Имеет ли физический смысл формула (1)?

» Кузьмин Владимир (об авторе) { Июнь 11, 2009 - 12:06:09 }

Уважаемый Сергей. Во первых, спасибо за ответ. Во вторых. Мы разрабатываем и серийно производим малогабариные, переносные приборы для измерения спектрального состава источника оптического излучения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра и последующего вычисления необходимыв эффективных, световых и энергетических величин. Я думаю, что Вам будет полезна информация размещенная на нашем сайте. Эл. адрес НТП “ТКА” выглядит так:
http://www.tka.spb.ru
Мне кажется, что нам есть смысл пообщаться. Мой телефон (812)2714901, E mail: kvnlight@mail.ru
С уважением Кузьмин Владимир Николаевич
Зам. директора по оптике и фотометрии

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 13, 2009 - 12:06:29 }

Козлову Игорю.
Формула (1) особого физического смысла не имеет. При ее “конструировании” нами двигало желание ввести вместо нескольких спектральных коэффициентов одно значение. Это оказалось удобным. В дальнейшим нами был обработан эмпирический материал, собранный Л.Б.Прикупцом и др.авторами и получены некоторые интересные зависимости. Математически же формула представляет собой расстояние в n-мерных кординатах между двумя точками: реальным спектральным составом и требуемым.

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 13, 2009 - 12:06:59 }

Кузьмину В.Н.
Уважаемый Владимир Николаевич!
Благодарю Вас за информацию, за приглашение к общению.
Я надеюсь, это обязательно произойдет. Я являюсь докторантом СПбГАУ (г.Пушкин), этой осенью намереваюсь туда поехать. Обязательно с Вами свяжусь.

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 15, 2009 - 04:06:28 }

Автор благодарит всех участников Национальной Светотехнической Конференции – 2009, прочитавших наш доклад, а особенно, принявших участие в его обсуждении.
Дополнительную информацию по рассматриваемому вопросу можно найти в сле-дующих работах автора:
1. Ракутько, С.А. Способ снижения энергоемкости в тепличных облучательных уста-новках / С.А.Ракутько // Международный сельскохозяйственный журнал.- 2009.- №2.-С.63-64.
2. Ракутько, С.А. Система контроля параметров источников света для облучения расте-ний // Материалы 8-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2008). 24-25 сент.2008 г., СГТУ.-г.Саратов, 2008.-С.327-330.
3. Ракутько, С.А. Оптимизация энергосбережения в оптических электротехнологиях сельского хозяйства / С.А.Ракутько // «Энергосбережение - теория и практика».- труды IV-ой межд.школы-семинара.- М.: Изд.дом МЭИ, 2008.- С.174-176.
4. Ракутько, С.А. Информационно-вычислительные аспекты аттестации растениеводче-ских источников света // Материалы IX Межд. научно - техн. конф. «Информационно-вычислительные технологии и их приложения».-г.Пенза: РИО ПГСХА, 2008.-С.241-244
5. Ракутько, С.А. Комплекс технических и программных средств для измерения пара-метров источников света / С.А.Ракутько // Материалы IV межд.науч.-техн.конф. «Авто-матизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического произ-водств, технология и надежность машин, приборов и оборудования». Т.2.-24-26.10.2008.-Вологда: ВоГТУ, 2008.-С.79-82.

До свидания!

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
30 queries. 11.910 seconds.