автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Формирование фитопотоков светодиодных облучательных установок для выращивания сельскохозяйственных культур в условиях защищенного грунта

На правах рукописи

Козырева Ирина Николаевна

ФОРМИРОВАНИЕ ФИТОПОТОКОВ СВЕТОДИОДНЫХ ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

Специальность: 05.09.07 - Светотехника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 ОКТ 2014

Томск-2014

005553509

005553509

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель: Корепанов Владимир Иванович,

доктор физико-математических наук

Официальные оппоненты: Овчукова Светлана Александровна, доктор

технических наук

Защита состоится «12» ноября 2014 г. в 14:00 ч. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.117.13 при ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П.Огарёва» по адресу: 430005, г.Саранск, ул. Большевистская, д. 68, ауд.243.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке имени ММ. Бахтина ФГБОУ ВПО «МГУ им. НЛ. Огарёва» по адресу: 430005 Республика Мордовия, г. Саранск, Большевистская, 68 и на сайге университета: http://www.mrsu.ги/ги/(11зз/с1!53.рЬр?ЕЬБМЕЫТ_[1>=30723

Автореферат разослан «09» октября 2014 г.

Куренщиков Александр Владимирович, кандидат технических наук

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие

Республики Мордовия «Научно-исследовательский институт источников света имени А.Н. Лодыгина»

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.117.13 кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Идеальным для растений источником излучения (ИИ) является солнце. Однако круглогодичное выращивание сельскохозяйственных культур в большинстве регионов возможно лишь в условиях защищенного грунта при дополнительном искусственном облучении. Около 15-20 % потребляемой агропромышленным комплексом электрической энергии (ЭЭ) расходуется на получение оптического излучения (ОИ) [1,2]. В такой ситуации одним из главных условий экономичности сельскохозяйственного производства становится экономия энергоресурсов. К тому же современные стандарты ресурсосбережения призывают к применению энергоэффективных ИИ[3].

Одним из способов оптимизации расходов на ЭЭ, составляющих значительную часть себестоимости продукции, является создание энергоэффективных облучательных установок (ОбУ) для теплиц. В основе выбора критериев энергоэффективности должны лежать спектральный состав излучения, энергия ОИ, способствующая фотосинтезу (поскольку из всех фотопроцессов, происходящих в растениях, фотосиитез является самым энергоемким [4, 5]).

Только часть излучения видимого оптического диапазона способствует фотосинтезу - область фотосшггетически активной радиации (ФАР). Эффективный для роста растений ИИ должен преобразовывать как можно больше ЭЭ в фотосинтетически активное излучение.

В основном в теплицах используются газоразрядные лампы с определенным и трудно варьируемым спектральным составом излучения. Применение светодиодов, позволяет изменять спектральный состав и интенсивность излучения, т. е. создавать управляемые облучательные установки. Перспективность применения светодиодов в теплицах обусловлена следующими возможностями:

— формирование заданного спектрального состава в диапазоне ФАР и управление им;

— удовлетворение требованиям, предъявляемым к электрическим устройствам, работающим в особо опасных помещениях;

— снижение тепловыделения, вызывающего увядание растений;

— повышение экологической безопасности при повреждении ИИ (исключение возможности попадания ртути в грунт).

Несмотря на стремительное развитие светодиодов, научно-технические основы проектирования ОбУ для растений на их основе не систематизированы, не сформулированы принципы создания установок с управляемым спектральным составом.

Работа соответствует:

— приоритетному направлению развития науки, технологий и техники Российской Федерации («Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика») и Перечню критических технологий Российской Федерации («Технологии создания электронной компонентной базы и энергоэффективных световых устройств»),

— технологической платформе «Развитие российских светодиодных технологий».

■ Целью работы является определение принципов формирования эффективных потоков облучательных установок для растений, разработка научно-технических основ создания энергоэффективных облучательных установок для растений на основе светодиодов с управляемым спектральным составом и интенсивностью излучения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— анализ возможностей светодиодного освещения для создания оптимальных условий роста растений в теплицах;

— разработка методики оценки плотности фотосинтетического потока фотонов источников излучения с учетом спектрального состава и энергетической яркости;

— определение критерия для сравнительной оценки источников излучения и облучательных установок для растений;

— обоснование принципов повышения энергоэффективности светодиодных облучательных установок для теплиц;

— определение принципов управления спектральным составом и интенсивностью излучения светодиодного светового прибора или ОбУ для теплиц.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Определены основные принципы повышения энергоэффективности светодиодных облучательных установок для теплиц.

2. Определены принципы создания адаптивных облучательных установок для теплиц. Показано, что создание облучательных установок на основе светодиодов с управляемым спектральным составом и интенсивностью излучения в зависимости от вида, стадии развития растения, времени суток и погодных условий является универсальным способом повышения энергоэффективности облучательных установок для теплиц.

3. Предложена методика для оценки плотности фотосинтетического потока фотонов светодиодных модулей с учетом спектрального состава и энергетической яркости излучения.

4. В качестве основного критерия сравнения энергоэффективности облучательных установок для теплиц предложено использовать величину стоимости единицы фотосинтезной энергии, рассчитанной с учетом

спектрального состава и относительной спектральной фотосинтезной эффективности излучения.

5. Предложено аналитическое выражение для определения критических значений КПД фотосинтетически активной радиации, при которых светодиодные источники излучения могут конкурировать с традиционными.

Практическая значимость. Результаты диссертационного исследования могут быть использованы для создания, разработки энергоэффективных светодиодных осветительных устройств для теплиц. Результаты составляют научно-техническую основу разработки нового класса облучательных установок для теплиц - адаптивных облучательных установок. Материалы могут быть использованы в образовательном процессе (курсы «Основы светотехники», «Проектирование облучательных установок», «Облучательные установки») направления «Оптотехника». Методика оценки плотности фотосинтетического потока фотонов светодиодных модулей, разработанный стенд и устройство управления могут быть использованы для выявления оптимальных режимов облучения на разных стадиях развития растений, создания банка данных режимов облучения для программы управления параметрами адаптивной облучательной установки.

Результаты получены при выполнении проекта, поддержанного грантом Российского фонда фундаментальных исследований (№14-08-00109).

Результаты исследования легли в основу заявки на выполнения проекта «Энергоэффективные адаптивные светодиодные световые устройства для тепличного растениеводства на основе автоматизированных систем управления фитопотоками», вошедшего в число победителей конкурсного отбора научных проектов в рамках реализации государственного задания в сфере научной деятельности (проектная часть госзадания «Наука», проект № 8.2500.2014/К). ^

Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования, проведением измерений в соответствии с ГОСТ Р 8.563-2009.

Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. Принципы повышения энергоэффективности светодиодных облучательных установок для теплиц:

- повышение доли низкоэнергетического красного излучения;

- применение светодиодов на основе СаИ;

- формирование оптимального спектрального состава излучения путем подбора цветовых сочетаний светодиодов;

- управление спектральным составом, интенсивностью излучения* в зависимости от вида, стадии развития растения, времени суток и погодных условий.

2. Принципы создания адаптивных облучательных установок для теплиц, в основе которых лежит управление спектральным составом и интенсивностью излучения в зависимости от вида, стадии развития растения, времени суток и погодных условий.

3. В качестве основного критерия сравнения энергоэффективности облучательных установок для теплиц предлагается применять стоимость единицы фотосинтезной энергии, рассчитанной с учетом спектрального состава и относительной спектральной фотосинтезной эффективности излучения.

4. Аналитическое выражение для определения критических значений КПД фртосинтетически активной радиации.

. ' Личный вклад автора в диссертационную работу заключается в постановке задач исследования, планировании и проведении экспериментов, обработке и интерпретации полученных результатов. Обсуждение методов решения поставленных задач проводилось с научным руководителем и соавторами, указанными в опубликованных работах.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах в Институте физики высоких технологий Национального исследовательского Томского политехнического университета (Томск), а также на конференциях: XX международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2014), Ш Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2014), XI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (Саранск, 2013), XIV всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города», (Красноярск, 2013), международной заочной научно-практической конференции «Наука и образование в XXI веке» (Тамбов, 2013), VI международной научно-практической конференции «Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития современного общества» (Москва, 2012), научно-технической конференции «Молодые светотехники России», (Москва, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 1 статья в журнале, индексируемом РИНЦ, 1 монография, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 90 наименований. Работа изложена на 119 страницах, содержит 19 таблиц, 34 рисунка и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, отражена научная новизна работы, определены положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ современного состояния исследований по разрабатываемой научной проблеме. Рассмотрены фотобиологические процессы при воздействии оптического излучения, влияние спектрального состава света на рост и развитие растений, системы оценки оптического излучения в растениеводстве. Систематизирована информация об ИИ и ОбУ, применяемых в растениеводстве защищенного грунта. Показана перспективность применения ОбУ на базе светодиодов.

Во второй главе представлены разработанные и использованные в работе методики экспериментальных исследований.

Поскольку определение числа фотонов в пределах ФАР является прогрессивным методом контроля параметров ОбУ для теплиц, разработана методика для оценки плотности фотосинтетического потока фотонов (ПФПФ, РРРВ) светодиодных модулей, основанная на сравнении спектров излучения исследуемых ИИ со спектрами излучения образцового ИИ с известным распределением спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ).

Для проведения спектральных измерений применялась аттестованная в соответствии с ГОСТ Р 8.563-2009 методика измерения спектральных и цветовых параметров и характеристик излучения, устанавливающая процедуру проведения измерений спектральной плотности энергетической освещенности электрических ламп, светоизлучающих диодов и светодиодных светотехнических изделий.

Для проведения измерений разработан стенд, включающий:

- Монохроматор МДР-206 с турелью светофильтров и ФЭУ, косинусный корректор. Компьютер.

- Образцовый (лампа ТРШ 2850-3000) и исследуемые (светодиодные модули (СДМ) на базе КОВАЛ' светодиодов (рис. 1, табл. 1)) источники излучения.

- Стабилизированные источники питания.

Рис. 1. Светодиодный модуль: 1 — печатная плата; 2 — RGBW светодиод;3 - радиатор; 4 — разъем питания и управления

' 1......ТТ.... J

Рис. 2. Структурная схема регулируемого четырехканапъного источника тока

Таблица 1 - Характеристики RGBW светодиода

Характеристика Красный Зеленый Синий Белый

X , им / Г . К d цв 620-630 нм 520-535 нм 450-465 нм 3700-4300 К

Ф, лм (7=350 мА) 30,6 67,2 8,2 80

и, В 2,1 3,4 3,2 3,2

Для исследования характеристик, управления спектральным составом и интенсивностью излучения четырехцветного СДМ разработано лабораторное устройство управления. Независимое управление каждым цветом (путем задания токовых режимов, отличных от номинальных) осуществлялось с помощью регулируемого четырехканального стабилизированного источника тока устройства управления (рис. 2). Аналогичное устройство может быть в составе драйвера управления адаптивной ОбУ.

Плотность фотосинтетического потока фотонов источника излучения определяется по выражению:

N

PPFD =-, (1)

где N - число фотонов лучистого потока (с"1), Аоб11 - площадь облучаемой поверхности (м2), NA - число Авогадро (А^=6,022-1023 моль"1), t - время (с).

Число фотонов лучистого потока ИИ в диапазоне ФАР:

j л 700

cosa ^

hcl L

где Lex - спектральная плотность энергетической яркости излучающей поверхности ИИ (Вт-м"2-ср"'), Ат„ - площадь излучающей поверхности (м2), А-обл площадь облучаемой поверхности (м2),а — угол между нормалью к поверхности и направлением распространения излучения (°),h - постоянная Планка (й= 6,626-10"34 Дж-с), с - скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме (с=2,998-Ю8 м/с),/- расстояние между излучающей и облучаемой поверхностями (м).

Сущность метода измерения распределения СПЭЯ состоит в том, что после калибровки установки по спектральной чувствительности с помощь образцового ИИ, распределение СПЭЯ {Lexo) которого известно из

сертификата калибровки, и вычисления градуировочных коэффициентов, производится измерение спектра излучения исследуемого источника по

аналогичной методике при точно такой же геометрии расположения ИИ.

СПЭЯ исследуемого источника определяется по выражению:

где ЬеМ — спектральная плотность энергетической яркости излучающей поверхности образцового источника (Вт-м'^ср'1), 1ао/1е1, — интенсивность излучения образцового / исследуемого ИИ, Аш„^Аиза1 - площадь излучшощей поверхности образцового / исследуемого ИИ (м2).

Методики и оборудование позволяют оценивать ПФПФ СДМ при разных режимах работы (паспортизацию отдельных элементов ОбУ) и использовать данные для создания установок с заданными спектральным составом и интенсивностью излучения.

Третья глава посвящена определению критерия сравнения энергоэффективности ИИ и ОбУ для растений.

Оценка экономичности ОбУ методом приведенных затрат, описанная в [6], весьма трудоемкая. Охватывает много факторов, содержит громоздкие вычисления, но сводится к сравнению стоимости установок, затрат на монтаж, эксплуатацию и т. п., однако, не учитывает спектрального состава излучения, имеющего для растений неоспоримое значение. По существу, при сравнении установок учитывается освещенность, что некорректно из-за различия спектральной фотосинтезной эффективности излучения и спектральной световой эффективности излучения для стандартного фотометрического наблюдателя.

Предложено применить в качестве критерия сравнения установок стоимость единицы фотосинтезной энергии (ЕФЭ) и ограничиться учетом нескольких существенных факторов:

С^Ч-^+С+Р-Ъ-тУ, (4)

где д - тариф на ЭЭ, руб./кВт-ч; щ, — КПД ФАР ИИ, отн. ед. \ поток фотонов, моль с"1 \ ПФПФ, моль (м2 с)'1; С - стоимость ИИ, руб.; Г -мощность ИИ, кВт; т — срок службы ИИ, ч.

Критические значения КПД ФАР, при которых светодиодные ИИ могут конкурировать с традиционными, предложено оценивать по формуле:

ы

где 1=1 - альтернативный ИИ, /=2 — светодиодный ИИ, а,=(-1)'.

Методика определения критических значений (принципиально) показана на рисунке 3.

Коэффициент полезного действия ФДР. 44

Рис. 3. Определение критических значений КПД ФАР: 1 - зависимость С(>!ф) светодиодов для интервала наиболее вероятных значений г/,/,; 2 - область конкурентноспособности светодиодов (заштрихована) по сравнению с источником ИИ1

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований, определены основные принципы повышения энергоэффективности светодиодных ОбУ для теплиц:

Поскольку для осуществления фотосинтеза необходимо перевести в возбужденное состояние молекулы хлорофилла а, то для осуществления этой реакции может быть достаточно ОИ в области 680 нм. Отметим, что использование такого длинноволнового ОИ с энергетической точки зрения наиболее выгодно. Например, разница энергии кванта при 1=680 нм и 1=400 нм составляет более 1 эВ. Поэтому одним из принципов повышения энергоэффективности светодиодных ОбУ является максимально возможное увеличение доли низкоэнергетического красного излучения.

Второй принцип - применение светодиодов на основе нитрида галлия, поскольку это привлекательно с экономической точки зрения. Спектральный состав излучения может быть скорректирован с помощью люминофоров.

Известно, что растению требуется воздействие излучения всего спектрального диапазона ФАР, т. к. при монохроматическом излучении не удается получить полноценных растений. Применение цветных светодиодов позволяет получать различный спектральный состав излучения. При этом соотношение цветовых компонентов ОбУ должно быть достаточным для осуществления самого энергоемкого процесса - фотосинтеза и дозированным, но также достаточным, для реализации других функций светового воздействия на растения. Отсюда, третий принцип повышения энергоэффективности -формирование спектрального состава излучения путем подбора цветовых сочетаний светодиодов.

Поскольку соотношение энергий в спектре ИИ индивидуально для каждого вида и стадии развития растений, актуально создание световых приборов и ОбУ, способных изменять спектр и интенсивность излучения, в зависимости от определенных факторов. Управление спектральным составом, интенсивностью излучения в соответствии с требованиями для данного растения, в зависимости от времени года, времени суток и погодных условий является четвертым принципом повышения энергоэффективности ОбУ.

Все эти принципы реализуются с помощью универсального способа -создания адаптивных облучательных установок. Излучение таких установок

дополняет недостающее солнечное. Они могут применяться в комбинированных ОбУ, для досветки культуры внутри ценоза и обеспечивают возможность корректировки спектрального состава в процессе эксплуатации в зависимости от вида, стадии развития растения, времени суток и погодных условий. Поэтому, обязательным элементом ОбУ должна быть система контроля параметров и характеристик ФАР в теплице, например, на основе компактных радиометров. Управление дополнительным светодиодным облучением должно быть основано на сравнении измеренных параметров с заданными.

В основе конструирования ОбУ должен лежать модульный принцип, а модуль состоять из определенного количества светодиодов различных цветов. Управление спектральным составом и интенсивностью излучения осуществляться заданием значений таков, протекающих через светодиоды. Экспериментально полученные зависимости интенсивностей излучения СДМ от тока показаны на рисунке 4 и свидетельствуют, что уменьшение тока не уменьшает энергоэффективность светодиодов. В основе схемотехнического решения — разработка коллективных драйверов с возможностями управления токами в широких пределах по специальной программе.

На рисунке 5 (кривая 1) показан пример формирования исходного спектрального состава модуля - основы будущей ОбУ. Излучение со спектром близким к относительной спектральной фотосинтезной эффективности излучения К{Х)ф (кривая 2 на рис. 5) может быть получено сочетанием светодиодов двух цветов — белого и красного. Поскольку у белого светодиода значительную долю составляет синий компонент свечения, то добавление излучения красного светодиода дает суммарный спектр, близкий к спектру действия фотосинтеза. Сине-зеленая составляющая спектра также обеспечивается белыми светодиодами. Считаем, что дополнительным преимуществом их применения является то, что белый свет позволит без отключения установки выполнять работы, связанные с уходом за растениями.

Рис.4. Зависимости интенсивностей излучения СДМ от тока: 1 - синий; 2 — красный; 3 — зеленый; 4 - белый

50 100 150 200 250 300 350 Ток, мА

I м

Рис. 5. Спектр излучения I — комбинациябелого и красного светодиодое;2 - относительная спектральная фотосинтезная эффективность излучения по Свеитицкому

400 500 600 700

Длина волны, нм

Такое сочетание светодиодов представляется привлекательным для создания ОбУ и с экономической точки зрения. Мощные белые светодиоды на основе GaN применяются для освещения, поэтому объем их потребления составляет значительную долю от общего потребления ярких светодиодов, следовательно, цена ниже. Спектральный состав излучения можно корректировать и с помощью разных типов люминофоров - это путь разработки специализированных светодиодов.

Для обоснования принципов создания энергоэффективных адаптивных ОбУ были проведены исследования влияния спектрального состава излучения на рост и развитие модельных растений.

Исследовано влияние излучения стандартных ламп и лабораторных светодиодных модулей квазимонохроматического излучения на рост и развитие модельных растений — листового салата «Московский парниковый». Растения в течение 17 суток выращивались в контейнерах с универсальным питательным ночвогрунтом в шести макетах фитотронов различными стандартными лампами (табл. 2) и лабораторными СДМ красного, синего и зеленого квазимонохроматического излучения (рис. 1, табл. 1). Фотопериод составлял 12 часов.

Таблица 2 - Характеристики ламп

№ Номенклатура Р, Вт Гцв, К Ф, лм

1 Светодиодная СТ 220-10,5 RUSLED 10,5 5000 850

2 Компактная люминесцентная IMavigatorSFlO 11 4000 615

3 Накаливания Navigator 60 2680 710

У растений образовалось по 4 листа, причем у салата в фитотроне с синим СДМ, четвертый лист образовался на 4 суток раньше. Растения с максимальной шириной листа получены в фитотронах с красным и синим модулями. Растения с минимальной высотой получены в фитотроне с синим СДМ. Качественно подтверждено влияние спектрального состава излучения на рост, развитие растений и необходимость излучения всего диапазона ФАР, подтверждающие актуальность регулирования спектрального состава.

Исследовано влияние излучения СДМ с различным соотношением красной и сине-зеленой компонентами на листовой салат сортов «Московский парниковый», «Спринтер»; огурец «Апрельский Р1». В качестве ИИ применялись СДМ с различным соотношением интенсивностей красного и белого цветов, установленные в трех макетах фитотронов. Соотношение интенсивностей излучения цветовых компонентов (при соблюдении равенства световых потоков) регулировалось значениями тока. В каждом из макетов фитотронов устанавливался свой токовый режим (комбинации показаны в таблице 3).

Таблица 3 - Значения токов цветовых компонентов светодиодных модулей в фитотронах_

№ макета фитотрона (режима) I, мА

красный (^=620-630 им) белый (Т,га=3700-4300 К)

1 (максимальная интенсивность излучения красных светодиодов) 350 120

2 (минимальная интенсивность излучения красных светодиодов) 2 210

3 (средняя интенсивность излучения красных светодиодов) 160 150

Включение и отключение модулей по заданной программе осуществлялось с помощью устройства управления. Продолжительность суточного облучения растений составляла 12 часов в непрерывном режиме.

За 17 дней эксперимента у растений огурца образовалось по четыре листа. В макетах фитотронов с режимами 2 и 3 (см. табл. 3) четвертый лист образовался на 16 сутки, в макете фитотрона с режимом 1 - на 15 сутки. У растений салата образовалось 4-6 листов, максимальное - у салата «Спринтер» при режиме 1.

У растений, выращенных в фитотронах с режимами 1 и 3 (по сравнению растениями, выращенными в фитотроне с режимом 2):

—прирост высоты стеблей увеличился в 1,7 и 2,4 раза соответственно у салата сорта «Спринтер»; в 1,1 и 1,2 раза — у салата сорта «Московский парниковый»; в 0,8 и 0,9 раз-у огурца «Апрельский Р1»;

—прирост длины листа увеличился в 2,4 и 1,2 раза у салата сорта «Спринтер»; в 1,8 и 1,1 раза - у салата сорта «Московский парниковый»; в 1,8 и 1,1 раза-у огурца «Апрельский Б1»;

—прирост ширины листа увеличился в .2,1 и 0,6 раз у салата сорта «Спринтер»; в 1,8 и 1,2 раза - у салата сорта «Московский парниковый»; в 1,8 и 1,2 раза —у огурца «Апрельский Р1».

Полученные результаты подтверждают возможность разработки СП, со спектральным составом излучения, сформированным сочетанием светодиодов двух цветов — белого и красного.

Оценка НФПФ СДМ производилась по описанной в главе 2 методике. Расчет СПЭЯ модулей производился в следующей последовательности. Измерялись спектры излучения модулей в номинальных режимах работы с учетом спектральной характеристики чувствительности измерительного тракта спектрометра (рис. 6). В процессе измерений выявлено смещение максимума излучения красного СДМ в длинноволновую область спектра, при включении комбинаций RGB, RGBW (5 и 6 на рис. 6). Смещение и спад интенсивности объясняется изменением температурного режима (повышением температуры) СДМ.

Рис. 6. Спектры излучения светодиодных моду пей при номинальных режимах питания: I — белого; 2 ~ зеленого; 3 - синего; 4 -красного; J> - комбинация RGB; 6 -комбинация RGBW

На основании результатов спектральных измерений и данных сертификата калибровки, распределение плотности энергетической яркости СДМ было определено по выражению (3). Число фотонов, которые могут быть поглощены растениями (ТУ), определялось умножением выражения (2) на относительную спектральную фотосинтезную эффективность излучения; 11ФПФ оценивалась по выражению (1).

Результаты оценки числа фотонов N и плотности фотосинтетического потока фотонов РРКП для СДМ показаны в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты расчета числа фотонов N и PPFD (для /= 1,7 м)

№ п/п Светодиодный модуль N,cl PPFD, мкмоль ■ м2 • с"1

сс= 0° а=20° сс= 0° а=20°

1 красный 1,7-1019 6,9-lO"5" 28 11

2 зеленый 1,5-1019 5,91018 24 10

3 синий 1,3-Ю19 5,5- 10!В 22 9

4 белый 1,9-Ю19 7,81018 32 18

5 RGB 5-1019 2-10ге 85 35

6 RGBW 6,6101У 2,7-1019 110 45

400 450 500 550 6Q0 650 700

Измерения спектров излучения опорного ИИ и исследуемых СДМ производились при одинаковых геометрических условиях, поэтому для проверки корректности оценки плотности потока фотонов, па основании полученных данных проведен расчет контрольной характеристики — освещенности. Расчетное значение освещенности на 4% превысило результат экспериментальной проверки при заданных условиях.

Оценка равноценности СДМ традиционным ИИ произведена согласно методике сравнения по стоимости единицы фотосинтезной энергии. Для сравнения стоимостей различных ламп выделялся параметр «стоимость одного ватга» (С-Г1). Расчет стоимости ЕФЭ выполнен по выражению (4). для интервала вероятных значений КПД ФАР //,¿=(5...35)%; расчетного значения >1фсдм~ 19%; интервала вероятных значений параметра СР"'=(50...200) руб./Вт; <7=3,5 руб./кВтч. Зависимости Оф^ф) показаны на рисунке 7.

¡л\

\

М.ДНаЗ«0 1» ДНаЗ ООО

м.Р1*мга!Пай ват 15 льчв г«.швов

1С дрл» чоа гг-кг-га»

1/ МА5ПН КОМ ! рмлцт-ма 23 Сга»*»«Ыг НГТ-25*-(»и-£4<1

Рис. 7. Сравнение стоимости ЕФЭ СДМ и натриевых, люминесцентных и других ламп

*.....

Ко эф ф я щяе «т воаезжно дсаст

Для заданных условий расчета СДМ смогут конкурировать с большинством рассматриваемых традиционных ИИ по стоимости ЕФЭ при С Р"'<50 руб./Вт в диапазоне КПД ФАР (25...35)%, что реально с учетом тенденции снижения стоимости светодиодов и диапазона максимально возможного КПД ФАР СД 25-30%.

Стоимость ЕФЭ может применяться в качестве в качестве основного критерия сравнения энергоэффективности ОбУ для теплиц.

В заключении по результатам работы сделаны следующие выводы:

1. Определены основные принципы повышения энергоэффективности светодиодных облучательных установок для теплиц и принципы создания адаптивных облучательных установок для теплиц. Показано, что создание адаптивных облучательных установок на основе светодиодов является универсальным способом повышения энергоэффективности облучательных установок.

2. Предложена методика и разработан стенд для оценки плотности фотосинтетического потока фотонов светодиодных модулей с учетом спектрального состава и энергетической яркости излучения в диапазоне длин волн 400-700 нм. Для исследования характеристик и управления спектральным

составом, интенсивностью излучения четырехцветного светодиодного модуля на базе 1ЮВ\¥ светодиодов разработано лабораторное устройство управления с функцией формирования фиксированного выходного тока по каждому из четырех каналов в диапазоне значений токов 0-350 мА.

3. Из светодиодных модулей с известным распределением энергетической яркости могут быть созданы различные по мощности и спектральному составу облучательные установки. Знание спектральной плотности энергетической яркости отдельных элементов модулей, входящих в состав облучательной установки (паспортизация отдельных элементов), позволит проводить фотосинтетическую оценку проектируемой установки.

4. В качестве основного критерия сравнения энергоэффективности облучательных установок для теплиц предложено использовать величину стоимости единицы фотосинтезной энергии, рассчитанной с учетом спектрального состава и относительной спектральной фотосинтезной эффективности излучения.

5. Предложено аналитическое выражение для определения критических значений КПД фотосинтетически активной радиации, при которых светодиодные источники излучения могут конкурировать с традиционными.

6. Для заданных в работе условий расчета светодиодные модули смогут конкурировать с большинством рассматриваемых традиционных источников излучения по стоимости единицы фотосинтезной энергии при С-Р"'<50 рубУВт в диапазоне КПД фотосинтетически активной радиации (25...35)%, что реально с учетом тенденции снижения стоимости светодиодов и диапазона максимально возможного КПД фотосинтетически активной радиации светодиодов 25-30%.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Яковлев АЛ., Козырева И.Н., Степанов С.А., Туранов С.Б., Крутикова Л.Л. Исследование спектральных характеристик одиночных листьев растений // Известия высших учебных заведений. Физика. — 2012 — Т. 55 № 6/2 — С. 158-163.

2. Яковлев А.Н., Козырева И.Н. Влияние спектральных характеристик источников излучения на растения//Известия высших учебных заведений. Физика.-2013 - Т. 56. № 7/2. - С. 112-116.

3. Козырева КН., Никитин В.Д., Цугленок Н.В. Графоаналитическая интерпретация параметров и характеристик источников излучения для растениеводства //Вестник КрасГАУ. - 2013. -№ 12. - С. 23-241.

4. Козырева И.Н., Никитин В.Д. Сравнение источников излучения для растениеводства по стоимости единицы световой энергии и аналогам // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс].-Краснодар: КубГАУ, 2014.-№05(099).-ША [article ID]: 0991405075. -Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/75.pdf.

5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013660758, дата регистрации в реестре программ для ЭВМ 18 ноября 2013 г. «Моделирование лазерного воздействия на диффузно-рассеивающие оптические среды с выгоранием вещества при прямоугольном лазерном импульсе». Яковлев А.Н., Козырева И. Н., Костиков К.С.

6. Гончаров А.Д., Денисов И.П., Козырева КН., Федченко Ю.В., Яковлев А.Н. К вопросу энергоэффеюивности и энергосбережения в освещении // Полупроводниковая светотехника. - 2011. — № 4. — С. 60-64.

7. Запысова А.Г., Яковлев А.Н., Козырева И.Н. Анализ осветительных установок, используемых в теплицах //Вестник энергоэффективности. - 2013. — № 2 (02). - С. 20-24 [Электронный ресурс]. URL:http://vestnik-energo.ruA

8. Яковлев А.Н., Козырева КН., Степанов С.А., Туранов С.Б., Крутикова Л.Л. Исследование спектральных характеристик одиночных листьев растений // Молодые светотехники России: Тезисы докладов на научно-технической конференции, Москва, 6-8 Ноября 2012. - Москва: МЭИ, 2012 -С. 19-20.

9. Козырева КН., Яковлев А.Н. Энергоэффективность облучательных установок для растений // Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития современного общества: Материалы VI международной научно-практической конференции, г. Москва, 26-27декабря 2012 г. - Москва: Издательство «Спецкнига», 2012. - С. 60-63.

10. Козырева КН. Оценка плотности фотосинтетического потока фотонов//Наука и образование в XXI веке: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 сентября

2013 г., Тамбов: в 34 частях, часть 28. Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество». - 2013. - С. 68-70.

11. Козырева И.Н., Корепанов В.И. Оценка плотности фотосинтетического потока фотонов // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках П Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3—4 декабря 2013 г.). - Саранск: Афанасьев В.С., 2013. - с. 38-12.

12.Козырева КН., Никитин В.Д. Пример расчета сетей со стальными проводами // Сибирский энергетический форум (рамках XXI специализированной выставки «Электротехника. Энергетика. Автоматизация. Светотехника»): сборник материалов, 2013. - 140 е., - С. 78-81.

13.Козырева И.Н., Никитин В.Д., Кунгс Я.А. Использование корреляции между фотометрическими и фотосинтезными величинами для оценки эффективности облучательных установок // Сибирский энергетический форум (рамках ХХТ специализированной выставки «Электротехника. Энергетика. Автоматизация. Светотехника»): сборник материалов, 2013. — 140 е., - С. 73-77.

14. Костиков КС., Козырева И.Н., Яковлев А.Н., Толкачева К.П. Методика создания аккредитованной светотехнической лаборатории для реализации серийного производства световых приборов на основе свегодиодов. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. — 116 с.

15.Козырева И.Н., Садченко В.О. Возделывание светолюбивых культур в условиях искусственного освещения различными источниками света // Высокие технологии в современной науке и технике. - Томск: Изд-во ТПУ, 2014. -С. 232-235.

16. Туранов С.Б., Козырева КН., Яковлев А.Н Способы оценки фотосинтетически активной радиации//Современные техника и технологии: сборник трудов XX международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 14-18 апреля 2014 г. в 3 Т. / ТПУ.-2014.-Т. 1.-С. 149-150.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Долгих П.П., Завей-Борода В.Р., Кунгс Я.А., Никитин В.Д., Цугленок Н.В. Энергосберегающие облучательные установки для сооружений защищенного грунта / Учебное пособие. Красноярск: Издательство Красноярского государственного аграрного университета, 2006. - 108 с.

2. Кондратьева НЛ. Повышение эффективности электрооблучения растений в защищенном грунте: дисс. ... д-ра тех. наук: 05.20.02 / Кондратьева Надежда Петровна. - Москва, 2003. — 365с.

3. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [Электронный ресурс]. URL: http://www.rg.ru/2009/ll/27/energo-dok.html (дата обращения: 09.10.2013).

4. Георгиев Т.Д. Оценка фотосинтезной эффективности излучения и разработка высокоэкономичных источников для облучения растений // Светотехника. - 1979. -№11- С. 22-24.

5. Акинфеева Н.Б., Мудрик В.А., Поджарский М.Н., Свентицкий И.И. Об использовании эффективных величин при решении сельскохозяйственных и эколого-биосферных проблем // Светотехника. - 1979. -№ 5. - С. 17-20.

6. Валяев Д.Б., Малышев В.В. Технико-экономическое обоснование применения светодиодных светильников в теплицах//Инновации в сельском хозяйстве. - 2013.-№ 3 (1). - С. 55-57.

Тираж 100 экз. Заказ № 00210. Отпечатан в ООО «НИП» 634029, г. Томск, ул. Советская, 47 Тел. (3822) 53-14-70, 52-83-10