автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Повышение эффективности облучательной установки для птицеводства

На правах рукописи

Пилыцикова Юлия Алексеевна

Повышение эффективности облучательной установки для птицеводства

05.09.07 - Светотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саранск- 2014

4 ДЕК 7014

005556437

Работа выполнена на кафедре светотехники и кафедре метрологии, стандартизации и сертификации светотехнического факультета федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионатьного образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва"

Научный руководитель: Коваленко Ольга Юрьевка

доктор технических наук

Официальные оппоненты: Микаева Светлана Анатольевна

доктор технических наук, ФГБОУ ВГТО «Московский государственный университет приборостроения и информатики», профессор кафедры электротехники и электроники

Беляков Василий Иванович кандидат технических наук, ГУП Республики Мордовия «Лисма», начальник бюро службы главного технолога

Ведущая организация: ГУП РМ «Научно-исследовательский институт

источников света имени А.Н. Лодыгина» (г. Саранск)

Защита состоится «24» декабря 2014 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.13 при ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва»

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке имени М.М. Бахтина ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарёва» по адресу: 430005 Республика Мордовия, г. Саранск, Большевистская, 68 и на сайте университета: Ьир://\¥\у\у. mrsu.ru/ru/diss/diss.рЬр?ЕЬЕМЕ1\1Т_ГО=31441

Автореферат разослан «24» ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.117.13 г^Г /

доктор технических наук У МФ1 1Г С.А. Панфилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Реализация Государственной программы развития сельского хозяйства на 2013-2020 г.г. предусматривает стимулирование роста производства основных видов

сельскохозяйственной продукции, повышение уровня рентабельности. Острая необходимость разработки и совершенствования

энергосберегающих и биологически эффективных светотехнических установок для птицеводства определяет актуальность настоящей работы.

В целях улучшения энергетических и экономических

показателей облучательных установок в птицеводстве целесообразно применять источники излучения, имеющие наибольшую эффективность воздействия на организм птиц. Это выдвигает научные и практические задачи по совершенствованию светотехнических установок со спектральным составом источников излучения, близким к функции относительной спектральной чувствительности органа зрения (ФОСЧОЗ) птицы. Кроме того, для эритемного облучения сельскохозяйственных животных применяется оборудование, основанное на устаревших

представлениях о функции относительной спектральной эритемной эффективности (ФОСЭЭ), что ограничивает возможности

совершенствования облучательной техники для птицеводства.

Для создания благоприятной светоцветовой среды птицефабрик необходимо совершенствование облучательных светотехнических установок (ОСУ) и источников излучения (ИС), требующее научного обоснования выбора спектрального состава источников излучения с учетом существующих норм и режимов освещения и облучения при обеспечении требований по энергоэффективности.

Цель работы. Исследования были направлены на научное обоснование усовершенствования спектрального состава источников излучения с учетом функции относительной спектральной эритемной эффективности и функции относительной спектральной чувствительности органа зрения птицы, а также разработку научно-технических основ создания облучательной светотехнической установки для облучения молодняка промышленного стада кур в целях повышения показателей продуктивности птицы и снижения затрат на электроэнергию.

Основными задачами работы являются:

создание математического описания функции относительной спектральной эритемной эффективности (ФОСЭЭ) и функции относительной спектральной чувствительности органа зрения (ФОСЧОЗ) и птицы, лежащей в основе формирования спектрального состава источников излучения облучательной светотехнической установки (ОСУ);

разработка программы, позволяющей осуществлять описание ФОСЧОЗ птицы и оценивать спектральный состав источников излучения и ОСУ по коэффициентам использования излучения;

- совершенствование источников ультрафиолетового излучения на основе новых представлений ФОСЭЭ и источников смешанного излучения на основе ФОСЧОЗ птицы;

- совершенствование программы, позволяющей производить расчет спектральной плотности энергетической освещенности для корректировки параметров светоцветовой среды от ОСУ;

- разработка ОСУ с комбинированным спектром излучения. Проведение практических исследований по оценке зависимости показателей развития и продуктивности молодняка птицы при скорректированных параметрах светоцветовой среды.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложено математическое описание функции относительной спектральной чувствительности органа зрения птицы на основе известных научных исследований и программа по ее моделированию, позволяющая формировать вид функции относительной спектральной чувствительности органа зрения биообъекта и оценивать спектральный состав источников излучения по относительным коэффициентам использования излучения;

- разработаны методы и средства совершенствования параметров источников ультрафиолетового излучения с учетом новых представлений ФОСЭЭ, с повышенными значениями эффективной отдачи и коэффициентов использования излучения;

- осуществлена модернизация лампы смешанного излучения с усовершенствованным спектральным составом в соответствии с ФОСЧОЗ и ФОСЭЭ с предложением конкретного технического решения;

- осуществлено совершенствование программы расчета зависимости спектральной плотности энергетической освещенности источников излучения от высоты подвеса, мощности, кривой силы излучения в широком диапазоне длин волн в целях улучшения параметров светоцветовой среды;

- разработан макет комбинированной облучательной светотехнической установки, адаптированный под ФОСЭЭ и ФОСЧОЗ птицы и функцию бактерицидной эффективности.

Положения, выносимые на защиту:

описание модели функции относительной спектральной чувствительности органа зрения птицы, позволяющей оценивать спектральный состав источников излучения для птицефабрик;

- методы и средства совершенствования параметров источников ультрафиолетового излучения низкого давления и ламп смешанного излучения с учетом новых представлений ФОСЭЭ и ФОСЧОЗ;

- принцип создания облучательной светотехнической установки комбинированного действия.

Методика исследований. В работе использованы методы интегрального исчисления и математической статистики, методы спектрального анализа и фотометрические методы измерения, методы прикладной экономики, а также современная измерительная техника.

Практическая значимость. Разработанное математическое описание функции относительной спектральной чувствительности органа зрения птицы обеспечивает возможность ее количественного описания и применения при расчетах коэффициентов использования излучения. Разработанная комбинированная облучательная установка позволяет улучшить параметры светоцветовой среды птицефабрик, осуществить функции освещения, эритемного и бактерицидного облучения и повысить их энергосберегающие свойства.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований по влиянию спектрального состава разработанной комбинированной ОСУ на показатели продуктивности птицы опробованы в птицеводческом хозяйстве ОАО Агрофирма «Октябрьская».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и одобрены на международных конференциях: III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» (г. Саратов, 2012); VI Международной научно-технической конференции «Светотехника и электроэнергетика: история, проблемы, перспективы» (Украина, г.Тернополь, 2012); Международной научно-технической конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (г.Саранск, 2012); VIII, IX, X, XI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электроники и энергетики» (Саранск, 2010,2011,2012,2013); на конкурсе инновационных проектов по федеральной программе «У.М.Н.И.К.» (Саранск, 2012); на XVI научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов национального исследовательского Мордовского государственного университета им. Н.П.Огарева (Саранск, 2012); на Международной научно-практической конференции «Инновационная наука и современное общество» (г.Уфа, 2013).

Работа «Энергосберегающие приборы в птицеводческом хозяйстве» получила диплом победителя Всероссийского конкурса работ студентов и аспирантов «Молодежь - развитию региона» 2012 года.

Личный вклад автора. Основные теоретические положения диссертации, планирование и организация эксперимента, проведение эксперимента, обработка и анализ результатов проведены автором самостоятельно. Ключевые публикации по теме работы написаны лично диссертантом.

Публикации результатов исследований. Основное содержание диссертации опубликовано в 21 печатной работе, из них 4 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК, 1 патент и 1 заявка РФ на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 107 наименований, 7 приложений. Общий объем диссертации составляет 152 страницы, в том числе на 119 страницах изложен основной текст, который содержит 49 рисунков и 46 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи и методы исследований, научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ научно-технической литературы в области применения источников видимого и ультрафиолетового излучения источников излучения и светотехнических установок в птицеводстве. Большой вклад в исследование научных основ воздействия оптического излучения на биообъект и научно-технических принципов совершенствования осветительных и облучательных установок внесли как отечественные, так и зарубежные исследователи: В.В. Мешков, Г.С. Сарычев, Н.В. Пигарев, И.И. Свентицкий, A.B. Чурмасов, Б.Н. Орлов, С.А. Овчукова, JI.B. Абрамова, N.B. Prescott, С.М. Wathes, Bowmaker, A. Yoseph, Kram, Gowardowskii, Zueva, С. Joseph и др.; в исследование научных основ конструирования и реализации эффективных режимов работы разрядных ламп Г.Н. Рохлин, A.M. Кокинов, A.C. Федоренко, А.Е. Атаев, С.А. Микаева, В.И. Беляков и др. Анализ применяемых в птицеводстве источников излучения показал, что светотехнические установки для птицеводческих фабрик комплектуются существующими традиционными источниками света, разработаны с учетом функции относительной спектральной световой эффективности излучения глаза человека У(к). Нет целостной научно-обоснованной концепции учета ФОСЧОЗ птицы, так как она не стандартизована. Кроме того, оборудование, основанное на новых представлениях о ФОСЭЭ, не применяется.

В настоящее время пользуются ФОСЧОЗ птицы, предложенной исследователями N.B. Prescott & С.М. Wathes с максимумами чувствительности в красной (LWS) -630 нм, зеленой (MWS) - 555-565 нм, синей (SWS2) - 480 нм, ультрафиолетовой (SWS1) - 380 нм, и с уровнями в областях спектра: ультрафиолетовой - 20%, синей - 83%, зеленой - 100%, красной 64% . Однако в материале из свободной русской энциклопедии «Традиция» и исследованиях Bowmaker (2007) имеются сведения, что для птицы локальные максимумы ФОСЧОЗ также зафиксированы на длинах волн 370, 445, 508 и 565 нм, уровни максимумов не определены. В данном случае, сдвиг ФОСЧОЗ в сторону коротких длин волн можно предположительно объяснить более низкими уровнями освещенности (по аналогии с эффектом Пуркинье) [1,2]. Сравнительный анализ спектрального состава источников излучения, применяемых для птицеводства, показал, что наиболее эффективным для системы технологического освещения птичника молодняка промышленного стада, является белый свет, комбинация сине-зеленого освещения и ультрафиолетовое излучение. Перспективными источниками излучения в отношении создания спектрального состава в ультрафиолетовой и сине-зеленой области являются эритемные лампы, металлогалогенные лампы и светодиодные источники излучения.

Таким образом, необходимо совершенствовать спектральный состав ИИ для птицеводства в видимой и ультрафиолетовой области с учетом ФОСЧОЗ птицы, а источники ультрафиолетового излучения оценивать и совершенствовать с учетом новых представлений о ФОСЭЭ. Целесообразно провести исследования и оценку зависимости показателей развития и продуктивности молодняка птицы от параметров светоцветовой среды, создаваемой источниками излучения со спектральным составом, скорректированным под ФОСЭЭ и ФОСЧОЗ птицы.

Во второй главе на основе теоретических исследований и научных априорных данных предлагается описание ФОСЧОЗ птицы для оценки и совершенствования спектрального состава источников излучения, используемых в птицеводческих фермах. Предложенное математическое описание функции относительной спектральной чувствительности органа зрения птицы реализовано в программе, которая позволяет получить ее табличное и графическое представление. Дополнительный блок программы дает возможность определять эффективность излучения для выделенных диапазонов в количественном отношении, позволяет производить расчеты интегрального и спектральных коэффициентов использования излучения. Программа имеет возможность задавать различные диапазоны моделируемых ФОСЧ биообъектов и формировать ее форму в зависимости от коэффициентов, определяющих уровни составляющих данной функции. С помощью программы выполнено моделирование ФОСЧОЗ птицы и получены два варианта ФОСЧОЗ птицы, имеющие хорошую сходимость с исследованиями, приведенными в материале свободной русской энциклопедии «Традиция» и Bowmaker и исследований N.B. Prescott & С.M. Wathes. В основе программы лежит алгоритм, где была применена следующая формула [3]:

TÎ гт, V2п 2ст,

где А,(Е) -коэффициенты, определяющие уровни максимумов составляющих кривой спектральной эффективности и зависящие от энергетической освещенности; к, - масштабный коэффициент составляющих кривой относительной спектральной эффективности; i =1,2,..« [3].

По аналогии с растениями оценка эффективности источников излучения с учетом ФОСЧОЗ птицы осуществлена по коэффициентам использования излучения. Для этих целей в лаборатории ЦКП Светотехнического факультета ФГБОУ ВПО МГУ им. Н.П.Огарева были проведены измерения спектральных характеристик источников излучения спектрорадиометрами двух моделей OL77Û и Specbosl211. На основе данных измерений была сформирована база данных программмы, с использованием которой проводились расчеты коэффициентов использования излучения. Коэффициент использования излучения, равный отношению эффективного к полному потоку излучения показывает, какую

часть сложного потока излучения составляет эффективный для данного фотоприемника поток, можно найти из следующего соотношения:

Я2( 120

К = \(ре(Х)кЩЛл1 \(РМШ , (2)

Я1/ яш

где <ре - распределение мощности излучения; к(1)- относительная спектральная чувствительность органа зрения биообъекта; / индекс соответствующего спектрального диапазона.

Спектральные диапазоны были сформированы путем разбиения диапазона спектра излучения на отдельные участки: красный (К), зеленый (3), синий (С), ультрафиолетовый (УФ) с учетом локальных максимумов ФОСЧОЗ. Значения коэффициентов использования излучения некоторых источников света представлены в таблицах 1,2.

Таблица 1 — Значения спектральных коэффициентов использования излучения органом зрения птицы по данным N.B. Prescott & С.М. Wathes для различных источников излучения _

№ п/п Источник излучения Область спектра

УФ (330-395 нм) С (400-500 нм) 3 (505-600 нм) К (605-780 нм)

1 Лампа типа ДНаТ(380-780 им) 0% 6% 21% 6%

2 Лампа типа ЛБ (380-780 нм) 0% 22% 24% 4%

3 Сине-зеленый светодиод (380-780 нм) 0% 7% 61% 0%

4 Синий светодиод (380-780 нм) 0% 88% 2% 0%

Таблица 2 - Значения спектральных коэффициентов использования излучения органом зрения птицы по данным материала из свободной русской энциклопедии «Традиция» и исследованиях Вочутакег для различных источников излучения__

№ п/п Источник излучения Область спектра

УФ (330-395 нм) С (400-500 нм) 3 (505-600 нм) К (605-780 нм)

1 Лампа типа ДНаТ(380-780 нм) 0% 5% 43% 14%

2 Лампа типа ЛБ (380-780 нм) 0% 14% 43% 10%

3 Сине-зеленый светодиод (380-780 нм) 0% 8% 71% 0%

4 Синий светодиод (380-780 нм) 0% 71% 2% 0%

Стоит отметить, что светодиодные источники света излучают в узком диапазоне спектра, и, несмотря на высокие значения коэффициента использования излучения (у синих светодиодов интегральный коэффициент использования излучения - 90%), использование только их спектра недостаточно, но в комбинации с другими ИИ способны обеспечить спектр в

соответствии с ФОСЧОЗ птицы. Необходимо провести исследования по совершенствованию источников излучения на основе новых представлений ФОСЭЭ и ФОСЧОЗ птицы.

Третья глава посвящена совершенствованию источников ультрафиолетового излучения и лампы смешанного спектра.

С целью совершенствования источников излучения низкого давления на базе ГУП РМ «НИИИС им. А. Н. Лодыгина» были проведены исследования с образцами ультрафиолетовых ламп на основе лампы типа ЛЭ в трубках с увеличенной долей излучения в области УФС и УФВ за счет использования стекла марки СЛ-97-2 и за счет частичного нанесения на трубку эритемного люминофорного слоя марки Э-2, с спектром излучения 250-390 нм. Измерение спектральных характеристик опытных партий типа ЛЭБ мощностью 30 Вт в трубках диаметром 26 мм (Т8) и ламп типа PL мощностью 18 Вт в трубках диаметром 16 мм (Т5), полностью и на !4 покрытых люминофором, проводилось в измерительной лаборатории.

За счет участков колбы лампы, свободных от люминофора, эффективность ультрафиолетовых источников излучения была повышена в результате добавления доли излучения в области УФС. Во избежание опасного воздействия разрабатываемых ламп на птицу были проведены расчеты по определению ограничения и введению значений плотности потока излучения в области УФВ и УФС согласно ГОСТ Р МЭК 60335-2-272000.

Полная эффективная поверхностная плотность потока излучения определяется по формуле (3):

E^SXEXДЯ , (3)

250

где Si - функция относительной спектральной эритемной эффективности, К>г поверхностная плотность потока, Вт/м2 нм, АЯ - ширина полосы, нм.

По формуле (3) были рассчитаны значения облученности в различных диапазонах длин волн при высоте подвеса 1м и 2,25м. Для экспериментальных ламп значение облученности при высоте подвеса 1 м в диапазоне длин волн 230-280 нм превысило предельное значение 0,15 Вт/м"; при высоте подвеса 2,25 м в различных диапазонах длин волн значение облученности не превышало предельное значение.

В ГУП РМ «НИИИС им. А. Н. Лодыгина» были исследованы партии ламп в трубках из стекла марки РН160 фирмы «Philips» с эритемным люминофором Э-2. Изготовленные опытные партии ламп мощностью 15 Вт в трубках диаметром 26 мм (Т8) и мощностью 13 Вт в трубках диаметром 16 мм (Т5) отличались удельной нагрузкой люминофорного слоя и давлением наполняющего газа.

Средние значения облученностей области УФС, УФВ, УФА от изготовленных ламп мощностью 15 Вт в трубке диаметром 26 мм (Т8) и 13 Вт в трубке диаметром 16 мм (Т5), создаваемые на расстоянии 1 м после 100 часов горения, получены при обработке результатов измерений, проведенных

с помощью УФ-радиометра ТКА-АВС. Для измерений энергетического потока в областях А и В была использована установка с монохроматором дифракционным МДР-23 и фотоприемником ФЭУ-100. Энергетический поток в видимой области и области УФС оценивался путем расчета потоков по облученностям известных значений в области УФВ и УФС, измеренных с помощью УФ-радиометра ТКА-АВС.

Результаты расчетов показали, что облученности при высоте подвеса 1м, создаваемыми данными экспериментальными лампами ЛЭБ-13 и ЛЭБ-15 с различной удельной нагрузкой люминофора и давления наполняющего газа не превысили значения 0,15 Вт/м2 в областях УФС и УФВ.

Система уравнений 4, которая позволяет рассчитать оптимальные значения лучистого потока в ультрафиолетовых областях спектра данных экспериментальных ламп.

Фу„>с + а5

ФуфВ = аб +в6 ' ёлф (4)

ФуфЛ + в7 'ёлф,

где Фуфс, Фуфв, Фуфа - лучистые потоки, Вт, '¿¡¡ф - удельная нагрузка слоя люминофора, мг/см2.

Численные значения коэффициентов данных уравнений определены для ультрафиолетовых ламп в зависимости от давления наполняющего газа, удельной нагрузки слоя люминофора. Для экспериментальных ламп были рассчитаны значения коэффициентов использования излучения и эффективной отдачи по эритемному действию.

Значения коэффициентов использования излучения по эритемному действию составили для ЛЭБ-13 (давление 4 мм рт ст) с ¿",„/,=2,03 мг/см2 -29%, с К4мг/см2 -58%; для ЛЭБ-13 (давление 8 мм рт ст) с ^=2,03мг/см2 - 30%, с ял^=1,4мг/см2 - 56%; ЛЭБ-15 (давление 2,5 мм рт ст) с #,,/,=3,3 мг/см2-24%, с £\„/;=1 Л 5мг/см2 _ 48%; ЛЭБ-15 (давление 4 мм рт ст) с ^=3,3мг/см2 - 24%, с £1,/=1,15мг/см2-46%.

Значения эффективной отдачи по эритемному действию, Вт/Вт составили для ЛЭБ-13 (давление 4 мм рт ст) с д„ф—2,03мг/см2 — 0,03, с &ф-1,4мг/см2- 0,125; для ЛЭБ-13 (давление 8 мм рт ст) с #„,/,=;2,03мг/см2 -0,03, с £;„/,=1,4мг/см2-0,119; ЛЭБ-15 (давление 2,5 мм рт ст) с&,0=3,3мг/см2 —0,014, с ^=1,15мг/см2-0,087; ЛЭБ-15 (давление 4 мм рт ст) с g„ф=3,3m■/ш2 -. 0,015, с %,„/,= 1,15мг/см2 — 0,082.

С целью выявления существенных различий параметров опытных партий ламп был проведен анализ обнаружения значимых различий между облученностями в области УФВ, создаваемые лампами с различной удельной нагрузкой и давлением наполняющего газа с применением дисперсионного анализа. У опытных ультрафиолетовых ламп мощностью 13 Вт значимых различий не выявлено, значимые различия от фактора — удельная нагрузка слоя люминофора выявлены у ЛЭБ-15. Для них значение отношений средних квадратов равно 12,9, что больше значения Ркр Фишера,

которое равно 4,965. Это свидетельствует о возможности повышения эффективности УФВ за счет уменьшения удельной нагрузки люминофора на 2,18 мг/см2.

Исследовалась возможность повышения эффективности источников излучения с применением питания токами высокой частоты для достижения высоких эксплуатационных параметров источников света при использовании средств измерений на базе персональных компьютеров, которые также позволяют синтезировать сигналы треугольной, пилообразной, прямоугольной формы. Был разработан виртуальный низкочастотный генератор (ВНЧГ), блок схема состоит из следующих основных блоков: генерации сигнала; вывода сигнала на звуковую карту; сохранения результатов в файл. Схема блока генерации имеет соответствующие входы на структурной схеме генератора и регуляторы на передней панели. Исследование метрологических характеристик ВНЧГ осуществлялось по методике, используемой для традиционных низкочастотных генераторов, определяемой в соответствии с требованиями ГОСТ8.314-78 «Генераторы низкочастотные измерительные. Методы и средства поверки». Определение погрешности генератора по шкале частот показало, что максимальное значение относительной погрешности равно 1,2 %.

В целях создания лампы с широким спектром излучения с учетом ФО-СЭЭ и ФОСЧОЗ птицы нами была рассмотрена возможность модернизации лампы типа ДРВэД. Ртутно-вольфрамовые лампы смешанного ихтучения имеют колбу из увиолевого стекла, прозрачного для ультрафиолетового излучения длиной волны более 280 нм. Ртутная четырех электродная горелка лампы включается последовательно с вольфрамовой спиралью, выполняющей следующие функции: балластного сопротивления и дополнительного излучения в красной и инфракрасной части спектра. С целью повышения эффективности, долговечности снижении коэффициента пульсации ртутно-вольфрамовых ламп нами предлагается использование полых катодов в ртутной горелке, что приводит к снижению напряжений зажигания и горения, пускового тока горелки, уменьшению токовой паузы, увеличению рабочего тока, увеличению эффективной отдачи.

В модернизированной лампе предлагается использовать люминофор, излучающий в видимой части спектра, нанесенный на внутреннюю поверхность внешней колбы, часть внешней колбы остается свободной от люминофора, образуя окно для выхода ультрафиолетового излучения. Достичь оптимизации спектрального состава лампы смешанного излучения, можно путем регулирования площади окна колбы. Были проведены расчеты соотношения ультрафиолетового излучения и видимого излучения для достижения приемлемых значений коэффициента использования излучения ФОСЧОЗ птицы. Значения спектральных коэффициентов использования излучения по данным исследований представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Значения спектральных коэффициентов использования излучения органом зрения птицы для лампы типа ДРВэД по данным исследований_

№ п/п Коэффициент использования излучения для ФОСЧОЗ птицы Область спектра

УФ (330-395нм) С (400-500нм) 3 (505600 нм) К (605780 нм)

1 по данным энциклопедии «Традиция» и Bovvmaker 2% 14% 9% 5%

2 по данным N.B. Prescott & С.М. Wathes 0,5% 12% 20,5% 13%

Несмотря на невысокие значения коэффициента использования излучения лампы типа ДРВэД, стоит отметить в качестве достоинства ее широкий спектр излучения, который целиком охватывает область ФОСЧОЗ птицы. Кроме того, предлагаемые лампы имеют поток в области УФВ, обеспечивающий эритемное облучение птицы.

В четвертой главе приводятся анализ влияния спектрального состава разработанной ОСУ на показатели продуктивности птицы, ее экономическая эффективность. В ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарёва» был разработан опытный образец ОСУ со светодиодными кластерами синей и зеленой цветности на основе р-п-перехода в InGaN и ультрафиолетовыми лампами. Были проведены измерения параметров опытного образца, на основе которых были построены кривые силы излучения с интервалом 10°, которые использовались для расчета параметров светоцветовой среды.

С целью определения оптимальной высоты подвеса комбинированной установки и моделирования суммарного спектрального распределения энергетической освещенности Ее(/.), создаваемой данными источниками излучения, была разработана программа, написанная в среде Delphi. Использование данной программы позволяет провести расчет суммарного спектрального распределения энергетической освещенности Ее(Х) в зависимости от расположения и высоты подвеса рассматриваемых источников излучения и обеспечить формирование заданных параметров светоцветовой среды. Входными параметрами для ввода данных являются: спектральное распределение источника излучения, значение лучистого потока, кривая силы излучения, а выходными: спектральное распределение энергетической освещенности, представленной в табличном и графическом виде для различных точек рабочей поверхности. Алгоритмы расчета основывались на определении спектральных энергетических освещенностей в точках рабочей поверхности отдельно для каждого из близко расположенных источников.

В алгоритм программы вошли выражения (5-12).

£«A=yfcosor, (5)

где ЕеА - энергетическая освещенность, Вт/м2, в расчетной точке А на рабочей

поверхности от i - источника 1М - энергетическая сила света излучения в направлении точки А от i-ro источника, кд; где а, = arceos ^ г

Расстояние от расчетной точки А до источника 1, источника 2, источника 3 и

источника 4 определяется: _

с, = v'x2+(o-V)2 С2 =-¡{a-xf +(в-у? = 4*2+Уг ;С4 ^(а-х)2+/ где а, в - длина и ширина площадки в плоскости рабочей поверхности, м; h -высота подвеса, м; х - координата по длине площадке, м; у - координата по ширине площадке, м; с - расстояние от проекции источника на площадку (рабочую поверхность) до расчетной точки А на рабочей поверхности, м; 1¡ -расстояние от источника до точки А, м; а - угол между вертикалью и направлением от источника до точки А, градусах.

i h, 1- •h■ (6)

, Д^о, =/о,-Д(У» (7)

(В)

У=>

Асо = 2.т

где Fe - энергетический поток, Вт; Асо - элементарный телесный угол.

С учетом КПД облучателя (т]обл), коэффициента поглощения излучения в среде (к,), (для диапазона X > 400 нм, к=0; при 1=300-400 им, к=0,001-0,004 м"1; при Х=200-300 нм, к=0,0к0,04 м"1), а также изменение значения 1„ в зависимости от типа КСИ в соответствии с соотношением для косинусной (Д), глубокой (Г) и концентрированной (К) п составляет для Д-2 - 1,0374; К-2-2,3683: Г-2- 1,2928, [4].

K¡ = то, 'cos п.а. (9)

Получаем формулы для спектральной энергетической освещенности в точке А для i-ro источника в виде (для Д, Г и К)

n¡M¡-h, -A^ffl-cos^g^expl-*,-(с,2 +А,;)"2], (10)

3

2s|cos(a0 - ^р) - cos(or0 + )j(c,2 +h,2)

для Л (полуширокой) и Ш (широкой) [4]:

1ш = 101 [соэ ^ •соя0| 51п саг, (И)

где 0 для Л составляет 70°, для Ш - 84,4°; ш для Л - 1,2, для Ш - 1,5; с для Л - 1,66, для Ш- 1,2 [2].

Получаем формулы для спектральной энергетической освещенности в точке А для ¡-го источника в виде (для Л и Ш):

- h, • Ah\. (Я) ■ eos а, (0 sin са,) е\р

2^cos(a„ - - eos(а„ + ~ )

(c,2+h,2)'

На основе расчетов и результатов измерений характеристик источников излучения была разработана и испытана облучательная установка с 2 эритемными (ЛЭБ-15) и 2 бактерицидными источниками излучения (ДБМ-15), с добавлением модуля со светодиодными кластерами (рисунок I).

Рисунок 1 — Облучательная светотехническая комбинированная установка

На рисунке 2 представлен результат моделирования функции относительной спектральной чувствительности органа зрения птицы по данным русской энциклопедии «Традиция» и Всттакег и спектральное распределение излучения облучательной комбинированной установки в сочетании с лампами типа ЛБ-40 в спектральном диапазоне от 330 до 780 нм.

Рисунок 2 - Результат моделирования функции относительной спектральной чувствительности органа зрения птицы по данным русской энциклопедии «Традиция» и Во\утакег и спектральное распределение излучения облучательной комбинированной установки в сочетании с лампами типа ЛБ-

40 (а); спектральное распределение излучения облучательной комбинированной установки в сочетании с люминесцентными лампами типа ЛБ-40 в окне программы (б)

Облучательная светотехническая комбинированная установка является полифункциональной. Профилактическое ультрафиолетовое облучение обеспечивается блоком: эритемные лампы и бактерицидные лампы. Излучение эритемных ламп ЛЭБ-15 в области УФА и УФВ и бактерицидных ламп ДБМ-15 (воздействие отраженным потоком излучения) в области УФС обладает эритемным и антирахитным действием. Обеззараживание микроклимата птичника обеспечивается блоком - облучатель-рециркулятор с бактерицидными лампами ДБМ-15, который обеспечивает обеззараживание потоков воздуха в зоне содержания птицы. Модуль со светодиодными кластерами и эритемные лампы обеспечивают составляющие ФОСЧОЗ птицы. Принцип действия ОСУ: излучение эритемных ламп ЛЭБ-15 с излучением на длине волны 315 нм (область УФВ) осуществляется в нижнюю полусферу, излучение бактерицидных ламп ориентировано вверх, а часть потока перераспределяется в нижнюю полусферу за счет отражения от корпуса облучателя. Воздух за счет конвекции от нагретых дросселей поднимается в верхнюю часть корпуса облучателей, где подвергается облучению бактерицидными лампами и выходит через верхнее выходное отверстие. При охлаждении обеззараженный воздух опускается, поступая в зону содержания птицы. Бактерицидные лампы ДБМ 15 с излучением на длине волны 254 нм (область УФС), обеспечивают обеззараживающее действие. Бактерицидные лампы находятся в закрытом кожухе облучателя, могут использоваться постоянно, даже в присутствии людей, не оказывая вредного воздействия на обслуживающий персонал. Излучение модуля со светодиодными кластерами сине-зеленой цветности осуществляется в нижнюю полусферу.

Для комбинированной установки коэффициенты использования излучения для ФОСЧОЗ птицы по данным энциклопедии «Традиция» и Bowmaker и по данным N.B. Prescott & С.М. Wathes соответственно

составили 62% и 80,3%.

Исследования по влиянию спектрального состава разработанной ОСУ на продуктивные и физиологические показатели кур проводились в секции молодняка родительского стада «ROSS - 308». Совместно с данной установкой применялась установка с традиционными лампами типа ЛБ-40, обеспечивающие среднюю освещенность 76 лк. В секции содержания молодняка птицы была отведена территория шириной - 2,5 м, длиной -4,7м для расположения ОСУ со спектральным составом, адаптированным под ФОСЭЭ и ФОСЧОЗ. Для комбинированного освещения ОСУ с лампами типа ЛБ-40 коэффициенты использования излучения для ФОСЧОЗ птицы по данным энциклопедии «Традиция» и Bowmaker и по данным N.B. Prescott & С.М. Wathes соответственно составили 61% и 62,3%.

Из суточных ремонтных курочек и петушков промышленного стада кросса «Ross 308» в каждом опыте методом аналогов сформировали по 2 группы - контрольную (базовую) и опытную (по 30 голов петушков и по 50 голов курочек). Условия содержания птицы контрольных и опытных групп

были одинаковыми и обеспечивались в соответствии с руководством по содержанию родительского стада «Ross 308». Влияющей переменной являлся спектральный состав источников излучения: в контрольном (базовом) варианте для общего освещения использовали люминесцентные лампы типа ЛБ-40, в опытном варианте в дополнение к люминесцентному освещению применяли комбинированную установку с ультрафиолетовыми лампами и сине-зелеными кластерами. Дозы облучения устанавливались в соответствии с рекомендациями по применению ультрафиолетового излучения в животноводстве и птицеводстве. Режим освещения устанавливался в соответствии с руководством по содержанию родительского стада «Ross 308». Для опытных групп за счет применения местного освещения значение освещенности было в среднем на 7 лк выше (76 лк и 83 лк соответственно).

Режим облучения: эритемные лампы включали один раз в сутки в 8:30 на 15 мин до достижения 14-дневного возраста; два раза в сутки в 8:30 и 13:00 на 15 минут, начиная с 14 дневного возраста; бактерицидные лампы включали 2 раза в сутки в 8:30 и 13:00 на 1,5 ч до достижения 14 дневного возраста, а начиная с 14 дневного возраста, время одного облучения увеличили с 1,5 до 2 часов. При местном освещении светодиодами использовался следующий режим: 1-е сутки - 24ч.; 2-е сутки - 23ч.; 4-10-е сутки - 20 ч.; 11-е - сутки и далее - 8ч.

В производственных исследованиях по влиянию спектрального состава источников излучения на молодняк птицы учитывали и определяли следующие показатели: входные параметры - доза и время облучения, выходные - однородность стада, сохранность поголовья, яйценоскость, на среднюю несушку, выход яиц, живая масса птиц.

В результате сравнительного анализа производственных испытаний сделан вывод, что разработанный способ освещения и облучения позволяет: повысить продуктивность (до 10%), однородность промышленного стада ремонтного молодняка (до 9%), сохранность птицы (до 4%). Среднегодовой экономический эффект от реализации продукции при использовании комбинированных облучательных установок в сравнении с базовым вариантом составил на 300 голов 722700 рублей, подтвержденный актом внедрения.

Для выявления ресурса экономии затрат при использовании разработанных облучательных установок для 10 секций с молодняком птицы было проведено технико-экономическое сравнение затрат на период времени 10 лет. Полные приведенные затраты при использовании комбинированных облучательных установок оказались на 6% ниже полных приведенных затрат при использовании установок с люминесцентными лампами (базовый вариант).

Выводы

1. Предложено математическое описание функции относительной спектральной чувствительности органа зрения птицы на основе известных научных исследований и программа по ее моделированию, позволяющая формировать вид функции относительной спектральной чувствительности органа зрения биообъекта и оценивать спектральный состав источников излучения по относительным коэффициентам использования излучения;

2. Разработаны методы и средства совершенствования параметров источников ультрафиолетового излучения на основе научного подхода с учетом новых представлений ФОСЭЭ с повышенными значениями эффективной отдачи и коэффициентов использования излучения.

3. Осуществлена модернизация лампы смешанного излучения с усовершенствованным спектральным составом в соответствии с ФОСЧОЗ и ФОСЭЭ с предложением конкретного технического решения

4. Усовершенствована программа расчета спектральной плотности энергетической освещенности от комплекса источников излучения при различной высоте подвеса от кривой силы излучения, мощности, в широком диапазоне длин волн для корректировки параметров светоцветовой среды.

5. Разработан с предложением конкретного технического решения макет комбинированной облучательной светотехнической установки, адаптированной под ФОСЭЭ и ФОСЧОЗ птицы и функцию бактерицидной эффективности, проведены исследования по оценке зависимости показателен развития и продуктивности молодняка птицы, скорректированных параметрах светоцветовой среды.

7. Проведен расчет технико-экономической эффективности, который показал, что полные приведенные затраты при использовании комбинированных облучательных установок оказались на 6% ниже полных приведенных затрат при использовании установок с люминесцентными лампами (базовый вариант); среднегодовой экономический эффект от реализации продукции при использовании комбинированных облучательных установок в сравнении с базовым вариантом составил на 300 голов 722700 рублей.

Цитируемая литература

1. Prescott, N.B. Spectral sensitivity of the domestic fowl. / Prescott N.B. Wathes C.M. // British Poultry Science 4999". Issue 3. Volume 40. - Silsoe Research Institute, Bedfordshire, England, UK, 1999 . - P. 332-339.

2. Русская энциклопедия: Традиция/Цветное зрение у птиц // http://traditio-ru.org/wiki/

3. Коваленко, О.Ю. Светотехнические установки для повышения продуктивности сельскохозяйственных животных: дис. на соискание ученой степени д.т.н.: 05.09.07, 05.20.02 / О.Ю.Коваленко. - Саранск, 2009. - с.346

4. Справочная книга по светотехнике / Под редакцией Ю.Б. Айзенберга. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Знак, 2006. - 975 с.

Основные публикации по теме диссертации

1. Пилъщикова, Ю.А. Моделирование относительной спектральной чувствительности органа зрения биообъекта для оценки эффективности источников излучения / Ю.А Пилыцикова, О.Ю. Коваленко, Е.Д. Гусева, М.В. Кудашкина// Современные проблемы науки и образования, 2014. -№ 4.

2. Пилыцикова, Ю.А. Влияние комбинированного излучения на молодняк птицы/ Ю.А. Пилыцикова, О.Ю. Коваленко, С.А. Овчукова // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ, 2012. - № 2. - С.29-31.

3. Богатырев, С.Д. Генератор частоты на персональном компьютере / С.Д. Богатырев, Ю.А. Пилыцикова, В.В. Родин // Фундаментальные исследования, 2012. - № 11. - С. 909-912.

4. Борискина, A.A. Светодиодный прибор улучшенной цветопередачи / А.А.Борискина, О.Ю.Коваленко, Ю.А. Пилыцикова// Фундаментальные исследования, 2013.-№4. - С. 1054-1058.

5. Борискина, А. А.Улучшение цветопередачи светодиодного светильника / А.А.Борискина, О.Ю.Коваленко, Ю.А. Пилъщикова /7 Светотехника и электроэнергетика: история, проблемы, перспективы: сб. науч. тр. VI междунар. науч.-техн. конф. - Украина, Тернополь. Тернопольский национальный технический университет им. Ивана Пулюя, 2012.-С. 38.

6. Коваленко, О.Ю. Измерение спектральных характеристик цветных светодиодов современными спектрорадиометрами. / О.Ю.Коваленко, Ю.А. Пилыцикова, C.B. Прытков // Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте: сб. науч. тр. Sworld,2013. - №7. -С.13-16.

7. Пилыцикова, Ю.А.Создание высокоэффективных источников света и световых приборов для птицеводства./ Ю.А. Пилыцикова, О.Ю.Коваленко //Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании, сб. науч. тр. Sworld, 2013. - №2. - С.45-47.

8. Ковапенко, О.Ю. Повышение эффективности ультрафиолетовых ламп / О.Ю.Коваленко, Ю.А. Пилыцикова / Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электроники и энергетики: сб. науч. тр. IX междунар.науч.-техн.конф.- Саранск: СВМО, 2011. - С. 129-130.

9. Коваленко, О.Ю. Ультрафиолетовые лампы с расширенным спектром излучения / О.Ю.Ковапенко, Ю.А.Пилыцикова // Фундаментальные и прикладные проблемы физики: материалы междунар.науч.-техн.конф. -Саранск: СВМО, 2012. - С. 4-7.

10. Пилыцикова, Ю.А. Результаты исследования кривой силы света светодиодных кластеров синего и зеленого свечения /Ю.А. Пилыцикова// Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: сб. науч. тр. X междунар.науч.-техн.конф. -Саранск: СВМО, 2012. - С. 42-44.

11. Пилыцикова, Ю.А. Экономика и развитие облучательной техники. / Ю.А. Пилыцикова, Е.А. Коваленко // Инновационная наука и современное общество: сб. статей междунар. науч.-практич. конф. - Уфа, 2013. - С.99-102.

12. Пилыцикова, Ю.А. Влияние облучательных установок на продуктивность птицы /' Ю.А. Пилыцикова// Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы III междунар. науч.-практич. конф. - Саратов: Кубик, 2012.-С. 195-197.

13. Пилыцикова, Ю.А.Влияние энергосберегающих установок на однородность птицы / Ю.А.Пилыцикова, Е.С. Копейкина// Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы III междунар. науч.-практич. конф. -Саратов: Кубик, 2012. - С.197-198.

14. Коваленко, О.Ю. Энергосберегающие установки для птицеводства / О.Ю.Коваленко, Ю.А. Пилыцикова// Светотехника и электроэнергетика: история, проблемы, перспективы: сб. науч. тр. VI междунар. науч.-техн. конф. - Украина, Тернополь. Тернопольский национальный технический университет им. Ивана Пулюя, 2012. - С. 66.

15. Пилыцикова, Ю.А. Энергосберегающие приборы в птицеводческом хозяйстве / Ю.А. Пилыцикова// Молодёжь - развитию региона: сб. работ победителей Всерос. конкурса работ студентов и аспирантов/ редкол.: В.Д. Черкасов (отв. ред.) [и др.] - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2012. - С. 232238.

16. Пилыцикова Ю.А. Исследования влияния ульрафиолетового излучения при выращивании петухов родительского стала в ранний период / Ю.А. Пилыцикова // Светотехника, электротехника и метрология: сб. науч,-методич. трудов. - Саранск, 2012. - С. 92-94.

17. Богатырев, С.Д. Об использовании виртуальных приборов в учебном процессе. / С.Д. Богатырев. Ю.А. Пилыцикова, В.В. Родин // Светотехника, электротехника и метрология: сб. науч.-методич. трудов. - Саранск, 2012. -С. 29-32.

18. Пилыцикова, Ю.А. Комбинация ультрафиолетового и сине-зеленого освещения в птичнике как драйвер роста. / Ю.А.Пилыцикова// Проблемы и

перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: сб. науч. тр. IX междунар.науч.-техн.конф. - Саранск: СВМО, 2011.-С. 67-70.

19. Пилыцикова, Ю.А. О методическом подходе к оценке показателя дискомфорта при освещении светодиодами. / Ю.А. Пилыцикова // материалы XVI науч.-практич. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов национального исследовательского Мордовского государственного университета им. Н.П.Огарева. - Саранск, 2012. - С. 69-70.

20. Абрамова, JI.В.Исследование зрительного утомления в установках со светодиодами / Л.В. Абрамова, Е.М. Михайлова, Ю.А. Пилыцикова// Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: сб. науч. тр. VIII междунар.науч.-техн.конф. — Саранск: СВМО, 2010. - С. 27-29.

21. Коваленко, О.Ю.Погрешность при измерении освещенности спектрорадиометром модели Specbos-1211 / О.Ю. Коваленко, Ю.А. Пилыцикова, С.В.Прытков // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электроники и энергетики: сб. науч.тр. XI междунар.науч.-техн.конф.- Саранск: СВМО, 2013 - С. 159-130.

1. Патент на полезную модель 124046 РФ. Ртутно-вольфрамовая лампа смешанного излучения / Коваленко О.Ю., Овчукова С.А., Коваленко Е.А., Пилыцикова Ю.А., Максимов В.М. (Россия). - №2012109092/07; заявл. 11.03.2012; опубл.10.01.2013, Бюл. №1. - 2 е.: ил.

2. Заявка на патент на полезную модель № 2014131518, решение о выдаче от 03.09.2014 / Коваленко О.Ю., Пилыцикова Ю.А., Ашрятов A.A., Амелькина С.А., Кудашкина М.В.

Патенты

Отпечатано ООО «] 3 РУС>. 430005, г. Саранск, ул. Советская, 22. ч-

Подпнсано в печать 21.1114 Формат 60x84 '/,,. Уел печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ .4° 366