автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Обоснование параметров и разработка широкополосной системы освещения растений в защищенном грунте с резонансным электропитанием

На правах рукописи

Соколов Александр Вячеславович

Обоснование параметров и разработка широкополосной системы освещения растений в защищенном грунте с резонансным электропитанием

05.20.02 — электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 МАП г015

Москва, 2015

005569329

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (ФГБНУ ВИЭСХ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

Юферев Леонид Юрьевич

Официальные оппоненты: Кондратьева Надежда Петровна

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автоматизированный электропривод» ФГБОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»;

Воинова Наталья Федоровна

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электрооборудование и автоматика» ФГБОУ ВПО «РГАЗУ»

Ведущая организация: Азово-Черноморский инженерный институт

ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде

Защита состоится 07 июля 2015 г. в 9-30 часов на заседании диссертационного совета Д006.037.01 в Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (ФГБНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства».

Автореферат разослан « а » 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Болынинствотеплнчных хозяйств используют для освещения растений натриевые лампы высокого и низкого давления, а так же металлогалогенные лампы ДРИ. При этом, потребляемая мощность на квадратный метр достигает 125Вт электрической энергии. Спектр натриевых ламп лишь частично заменяет естественный спектр, необходимый для роста и развития растений. Научно и практически доказано, что для освещения растений можно использовать источники света на основе светодиодов различного цвета свечения. Современная промышленность выпускает специальные светильники для растениеводства на основе светодиодов синего и красного цветов, и доказано, что можно значительно повысить урожайность и качество продукции расширением и регулировкой спектра искусственного источника света.

Применение в качестве искусственных источников света светодиодов позволит создать широкополосный облучатель с регулируемым спектром. Для светодиодного освещения с изменяемым спектром излучения потребуется применение большого числа питающих проводов для каждого цвета отдельно или сложная и дорогостоящая система управления. Применение резонансной системы электропитания источников света, позволяет избавиться от большого числа проводов. В связи с этим возникают задачи с разработкой технических средств на основе резонансной системы питания светодиодных источников света. Разработка технических средств широкополосной системы освещения с резонансным электропитанием потребует научного обоснования конструктивных и технологических параметров светильников и системы питания. Этому посвящена настоящая диссертационная работа, что и определяет её актуальность. Работа выполнялась в рамках рабочей программы по фундаментальным и приоритетным прикладным исследованиям на 20122016 гг. №09.03.04.03

Цель работы. Разработка широкополосной системы освещения растений в защищенном грунте с резонансным электропитанием для обеспечения эффективного облучения растений.

Объект исследования — комплект технических средств, состоящий из широкополосных облучателей на основе светодиодных источников различного цвета и многоканальной резонансной системы электропитания.

Предмет исследования — процесс оптимизации спектра широкополосных светодиодных облучателей и разработка энергосберегающей резонанс-

\

ной системы питания светодиодных источников света.

Задачи исследования:

-обосновать возможность использования широкополосной системы освещения растений в защищенном грунте с резонансным электропитанием;

-разработать математическую модель для определения оптимального спектрального состава светильника;

— обосновать парамегры, состав оборудования и разработать методику расчета широкополосной системы освещения с резонансной системой питания;

— разработать экспериментальные образцы и провести лабораторные и производственные испытания;

-на основе экспериментальных испытаний оценить технико-экономическую эффективность внедрения комплекта технических средств в теплицах.

Научную новизну работы представляют:

— универсальная широкополосная система освещения растений с варьируемым спектром на основе разноспектральных светодиодных источников света с многоканальной резонансной системой питания;

— методика моделирования спектральных характеристик светодиодных светильников;

— методика расчета оборудования для резонансной системы электропитания;

— методические положения по применению системы освещения растений с резонансным электропитанием в защищенном грунте.

Новизна технических решений подтверждена 2 патентами РФ. Патент на полезную модель №120307 подано 28.12.2011. Опубликовано: 10.09.2012. Бюл. №25, патент на полезную модель №137973 подано 09.11.2012. Опубликовано: 27.02.2014 Бюл. №6.

Положения, выносимые на защиту:

— разработанная широкополосная энергосберегающая система освещения растений с возможностью изменения мощности и спектра облучения в защищенном грунте и многоканальной резонансной системой питания позволяет снизить капитальные затраты и расход электроэнергии, а так же повысить продуктивность растений;

— разработанная математическая модель облучателя позволяет определить оптимальный спектральный состав и обеспечить наилучшее соответст-

вие спектру действия фотосинтеза;

-разработанная методика расчёта позволяет обосновать технологические и конструктивные параметры светотехнического оборудования и резонансной системы питания для различных помещений защищенного грунта;

-разработанные, изготовленные и испытанные в производственных условиях комплекты технических средств широкополосной системы освещения позволяют сократить период вегетации рассады от 5 до 10 дней до уровня готовности высадки в грунт, а также уменьшить расход электроэнергии в 2 раза, а сечения проводов в 7 раз.

Методика исследований

При выполнении диссертационной работы применялись аналитические и экспериментальные методы исследования. Использовались методы математического моделирования с применением программного обеспечения Eureqa Pro, MS Excel, MathCAD Prime, AutoCAD, теоретические основы радиотехники, светотехники и электротехники, методы спектрального анализа, методы прикладной экономики, а также современная измерительная аппаратура.

Практическая ценность:

— разработана методика моделирования спектра, которая может быть применена при расчёте электротехнических параметров широкополосной системы освещения для различных видов овощных культур;

-разработаны технические средства для освещения растений, позволяющие менять спектр и мощность излучения, а также контролировать эти параметры. При этом уменьшаются расходы на электроэнергию и стоимость системы;

— разработана методика применения широкополосной системы освещения в различных помещениях защищенного грунта, которая может быть использована при проектировании систем освещения теплиц;

— разработана резонансная система питания облучателей для растений и методика расчета резонансных передающих устройств.

Реализация результатов исследований

Результаты проведенных исследований резонансной системы освещения применены в теплицах ООО «Виаи» (Московская область) в 2013 г. в периоды октябрь-ноябрь, в 2014 г. в периоды апрель-май.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и одобрены на международных конференциях: XI Международной научно-практической конференции 14-15 сентября 2010, г. Углич; Международная

научно-практическая конференция молодых ученых «Молодежь и инновации - 2011» Беларусь, Горки 25-27 мая 2011; II Международная научно-практическая конференция«Молодежная наука — как взгляд в будущее» для студентов СПО, ВПО, аспирантов и молодых ученых 22 апреля 2011, г. Оренбург; Международная научно-практическая конференция «Научно-технический прогресс в животноводстве - инновационные технологии и модернизация в отрасли» Подольск, 20-21 апреля 2011 г.; Труды 8-й Международной научно-технической конференции, г. Москва, ФГБНУ ВИЭСХ 2012; 1-я Конференция молодых ученых и специалистов Отделения механизации, электрификации и автоматизации, 6-7 июня 2012, г. Москва, ФГБНУ ГОСНИТИ; 2-я конференция молодых ученых и специалистов Отделения механизации, электрификации и автоматизации, посвященной 145-летию академика ВАСХНИЛ В.П. Горячкина и 130-летию академика ВАСХНИЛ М.Г. Еврей-нова, 2013 г., г. Москва, ФГБНУ ВИЭСХ; 5-я Международная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Инновации в сельском хозяйстве», 16 декабря 2014, г. Москва, ФГБНУ ВИЭСХ; Ежегодные молодежные конференции ФГБНУ ВИЭСХ 2011-2013 гг.

Публикации результатов исследований. Основное содержание диссертации опубликовано в 18 печатных работах, из них 4 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК, и 2 патента РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, цели и задачи исследования. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются общие сведения, зависимость продуктивности растений от спектральных характеристик излучения, искусственные источники света, способы снижения энергопотребления искусственных источников света.

Роль спектрального состава света для нормального роста и высокой фотосинтетической продуктивности растений весьма и весьма существенна. Физико-биохимические эффекты, вызываемые воздействием красного или синего света, или даже простым изменением соотношения красных и синих лучей в источниках света, настолько существенны, что становится актуаль-

ной регуляция фотосинтетической деятельности растений с помощью изменения спектрального состава света.

Взятая в отдельности каждая область спектра фотосинтез-активной радиации (ФЛР) малоэффективна при выращивании растений. Только определенное соотношение энергии по спектру в различных пропорциях помогает достичь оптимальных результатов при выращивании полноценных растений, т.к. у растений имеются системы фоторецепторов, обеспечивающие поглощение энергии по всей области спектра ФАР.

На определенных стадиях роста и развития растений требуются различные участки видимого света в диапазоне 400...700 нм, но с преобладанием красных, синих и фиолетовых лучей. На стадии цветения может оказаться продуктивным добавление желтого или оранжевого света. В период плодоношения и созревания, для некоторых видов растений, возрастает роль, например, зеленого света (огурцы, томаты).

Отсутствие в излучении ламп отдельных участков спектра может привести к нарушению нормального роста растений при их длительном выращивании. Освещением растений занимались Аверчева О.В., Валеев Р.А, Воскресенская Н.П., Ерохин А.Н., Клешнин А.Ф., Ключка Е.П., Кондратьева Н.П., Живописцев E.H., Жилинский Ю.М., Леман В.М., Лямцов А.К., Малышев В.В., Мальчевский В.П., Мошков Б.С., Ничипорович A.A., Овчукова С.А., Прищеп Л.Г., Протасова H.H., Свентицкий И.И., Тихомиров A.A., Ша-рупич В.П.и др.

В лампах, широко используемых в настоящее время в теплицах, спектр в области ФАР, как правило, линейчатый и неполноценный. Обеспечить растения излучением спектра с необходимым уровнем фотосинтез активной радиации можно применением светодиодов для освещения растений. Получить широкий спектр возможно за счет комбинирования светодиодов различного цвета свечения, а при регулировании спектра это позволит обеспечить фитоценоз с максимальной фотосинтетической продуктивностью в соответствии с видовыми особенностями и этапом онтогенеза растений.

Применение светодиодного освещения с изменяемым спектром излучения потребует применения сложной и дорогостоящей системы питания и управления.

Научно доказано, что светодиоды могут работать от резонансной системы электропитания. Резонансная система питания позволяет сократить сечение проводов, потерь электроэнергии, уменьшает стоимость осветительно-

го оборудования и имеет возможность регулирования уровня освещения. Резонансными системами передачи электроэнергии занимались Российские ученые: Авраменко С.В., Некрасов А.И., Рощин O.A., Стребков Д.С., Трубников В.З. и Юферев Л.Ю.

Для разработки энергосберегающей широкополосной системы освещения необходимы новые технические решения с возможностью изменения спектра на основе светодиодов и резонансной системы электропитания.

Во второй главе представлены: математическое моделирование спектрального состава светодиодного облучателя, структура и методика расчета резонансной системы питания растений.

Известно, что у зеленого листа есть общая зависимость спектра действия фотосинтеза зеленого листа. Источнику света необходимо иметь спектральную характеристику, близкую к данной зависимости. Разными учёными установлен одинаковый характер усредненного спектра действия фотосинтеза у зеленых растений, который может быть представлен в виде уравнения, полученного с помощью аппроксимации

g(A.)=l,28cos(0,005 X)2cos(0,63+sin(2,21sin(0,009 X,+0,45 sin(0,09X)x

xcos(0,63+l,66-sin(0,009 X)))))2-cos(0,63A.+l,66sin(0,009-\)), (1)

где X, - длина волны от 3 80 до 700нм; g(A.) - функция, основанная на спектре действия фотосинтеза, полученная по данным работ Маккри [МсСгее, 1972], Инада [Inada, 1976,1977].

Дня оптимизации искусственного источника света должны выполняться три условия: 1 — количество цветов светодиодов в светильнике должно стремиться к единице; 2 - доля совпадения/спектрального распределения источника света с функцией, основашюй на спектре действия фотосинтеза должна стремиться к единице; 3 — мощность облучения должна находиться в диапазоне от 5 до 200 Вт/м2 ФАР.

700 „

JG^-fcWj-A

f - ЗИ> '-'__ty\

J облучателя 700 » V J

380

где./06^-4*,^— доля совпадения спектрального распределения источника света с функцией, основанной на спектре действия фотосинтеза;

700 п

J 'PiM)-^-суммарное значение спектрального распределения энергии

380 i-l

^=0,000492+, ,п1, ,, -^-ю-*.>.;(3)

источника света в относительных единицах в спектральном диапазоне ФАР; К-коэффициент для кривой действия фотосинтеза на рабочей длине волны све-

700

тодиода; суммарное значение спектрального распределения функ-

380

ции, основанной на спектре действия фотосинтеза в относительных единицах.

Современные свегодиоды разных цветов свечения имеют диапазон излучения от 370 до 1000 нм. На их основе можно создавать системы освещения с управляемым спектральным составом излучения в области ФАР для растениеводства в защищенном фунте. Для минимизации количества цветов светодиодов определим оптимальный спектр искусственного источника света.

Рассмотрим различные свегодиоды и рассчитаем их спектральные характеристики на основе паспортных данных: для красного свегодиода получена функция спектральной плотности излучения (погрешность аппроксимации 0,044)

2,12 • со5(107 - Я) - 0,0322 ■ X _

1,26 ^101 • X +133 С(К(6Д1 - ОД 15 ■ X) - 3,95 ■ 105 - X2

для синего светодиода получена функция спектральной плотности излучения (погрешность аппроксимации 0,031)

=_2,19-10-'-X4__602 1 о-5

<Рс™й 7,74-Ю8-Х + 2Д-104-X1 +0,0159-Х4 -6,58-106-Х-29,8-Х5 ' ' '

Модель для 2-х цветов красный +синий

ф*р(син('0 = ^Чф'фцжный^) + ^син'фснний(^): (5)

где Кгр= giX.jp р) = 0,994,^ р-рабочая длина волны красного светодиода, нм; Кстг Р) = 0,51, ^-рабочая длина волны синего светодиода, нм.

В облучателе, содержащем красный и синий цвета, получается небольшое совпадение спектрального распределения источника света с функцией, основанной на спектре действия фотосинтеза (рисунок 1)

700

-= = 0,158. (6)

380

Можно использовать светодиоды других цветов, например, УФ 400нм и зеленого. Для УФ светодиода получена функция спектральной плотности излучения (погрешность аппроксимации 0,023)

Руадоо (*•) ~:

(V)

1,76 ■ 10' + 6,63 • 10"-X2 + 0,00693 • к4 -1,76 • 107 ■ X-111 • X3 '

Для зеленого светодиода получена следующая функция спектральной

плотности излучения (погрешность аппроксимации 0.054)

9ямял(X) = »5^180-^-0.0318-Х2_ . .

2,71 ■ 10 + X -1,04• 10 -X

Модель для 4-х цветов: красный, синий, зеленый и УФ

фкр+син+зел+УфМ=-^кр' фкрасный(Я)+^син' Фсиний(Л)+-^зел' ФэеленыйМ+^УФ' фуф(^)> (9)

где = 1, Хкр р- рабочая длина волны красного светодиода, нм;

Кст,= g(\c„t¡ р) = 0,51, рабочая длина волны синего светодиода, нм; К1С„= g(Xзе!1р) = 0,55, Хзы.р- рабочая длина волны зеленого светодиода, нм; Куф = £(Луф.р) = 0,31, Хуф.р— рабочая длина волны красного светодиода, нм.

К3(х) МсСгее(х)

Рисунок 1 - Сравнение рассчитанных спектров суммарного действия 4-х свето-диодов, спектра действия фотосинтеза и комбинащи красного и синего свето-

диодов

Как видно из полученного графика, при комбинировании данных цветов, в спектре суммарного действия всё равно имеются значительные пропуски.

Доля совпадения спектрального распределения энергии в потоке излучения 4-х цветного светильника с функцией, основанной на спектре действия фотосинтеза

/ кр+син+зел+УФ

кр+син+зсл+УФ

(Х)-(А

59,956 '216,687

= 0,277.

(10)

Рисунок 2- Сравнение спектра суммарного действия 4-х светодиодов, ламп для освещения растений ДНаЗ и спектра действия фотосинтеза Доля совпадения спектрального распределения энергии в потоке излучения 4-х цветного светильника с функцией, основанной на спектре действия фотосинтеза:

700

3 1?") 02 Ц 7 Л, „ 216,687 ' 1 '

380

Определение соотношение мощностей светодиодов в 4-х цветной модели

700 700

--100% = 70,4%; РСсш,а = --100% = 10,3%;

В данный момент появились широкополосные оранжевые светодиоды. Для оранжевого светодиода получена следующая функция спектральной плотности излучения (погрешность аппроксимации 0,041)

- _ 2,1 ■ X соз(2,4 + 0,0063 ■ X)1 <¡05(1,5 + 0,0063 • X) - 459 ■ со5(2,4 + 0,0063 ■ X)3 ■ со5(1,53 + 0,0063 ■ X) ^ ^ 2,66 10!- 2,25-10' 008(5,68 + 0,0118- X)

Модель для 4-х цветов: оранжевый, синий, зеленый и УФ

ФдцМ = ^-оранж 'форанж(^) + -^син'фсиний^) + -Кзел' фзеленый + А!уффуф(Я,),(12)

где А"оРанж= Я(^-оранж р) = 0,86, К1ра„ж.р- рабочая длина волны оранжевого светодиода; Кйт= = 0,51, ^с„„.р- рабочая длина волны синего светодиода; ^зел= я(^сл р) - Аоранж форанж(^зсл р) = 0,51; А^.р- рабочая длина волны зеленого светодиода;7СУф = р) = 0,31, ХуФ[|- рабочая длина волны УФ светодиода.

иЫЛУ-(х) СШи/(х)

МсСгсс(т)

РС

380_

700

■100% = 16,1%; РС,.

380__

700

¡<рщ(Х)-сй.

■100% = 3,2%.

где РСоранж- процент мощности оранжевого светодиода в светильнике; РСС1ШИЙ- процент мощности синего светодиода в светильнике; РСзелень1й-процент мощности зеленого светодиода в светильнике; РСУФ- процент мощности ультрафиолетового светодиода в светильнике.

Облучатель Кол-во цветов светодиодов в облучателе Суммарное значение спеюратьного распределения энергии источника света в спектральном д иапазоне ФАР, у.е. Доля совпадения спектрального распределения источника света с функцией, основанной на спектре д ействия фотосинтеза

Красный+Синий СД 2 34,258 0,158

Красный+Синий+ +Зеленый+УФ СД 4 59,956 0,277

Оранжевый+Синий+ +Зеленый+УФ СД 4 125,02 0,577

Оранжевый+Сшгай+ +3еленый+ УФ+ИК СД 5 138,245 0,638

ДНаЗ - 48,403 0,240

* — суммарное значение спектрального распределения функции, основанной на спектре действ™ фотосишЕза-216,687 у.е.

Из расчетов видно (таблица 1), что тепличная натриевая лампа имеет долю совпадения спектрального распределения в 2,4 раза меньше по сравнению с 4-хцвепюй широкополосной системой. Это позволяет рассчитывать на улучшение продуктивности и качества урожая при применении нового варианта облучателя.

Добавление в модель ещё одного цвета (ИКббОнм) улучшает долю совпадения на 6,1%, но усложняет систему питания. Поэтому для создания широкополосной системы освещения на основе цветных светодиодов выбираем четырехцветную систему, состоящую из следующих светодиодов: УФ - 400 нм, сигай - 470 нм, зеленый - 525 нм, оранжевый — 600 нм.

Для электропитания такой системы освещения разрабатывается резонансная система питания, позволяющая сократить число проводов. При этом для каждого цвета будет свой отдельный преобразователь.

Резонансная система питания состоит из преобразователя напряжения (рисунок 3), линии электропередачи и обратного преобразователя, в состав которого входит трансформатор и выпрямитель.

Источник питания ПреоЙртэ- Сиг«г» часгг.слш

Рисунок 3 — Структурная схема резонансной системы питания Резонансная система питания светодиодов работает следующим образом: напряжение сети, подводимое к преобразователю частоты, преобразуется в напряжение высокой частоты и подается на резонансный трансформатор, состоящий из ЬС-контура и выходной обмотки, с которого подается в линию, к ней подключены приемные трансформаторы с выпрямителями, от которых питаются светодиоды.

В методику расчета резонансной системы питания входит расчет параметров резонансного трансформатора, выходной мощности, приемных трансформаторов и обмоточных данных трансформаторов.

Основным реактивным элементом, задающим выходную мощность резонансного контура, является емкость

С= , (14)

где Лых-мощность передающего преобразователя; О^^-напряжсние на ЬС контуре; [/„с-напряжение на входе ЬС контура (напряжение на выходе инвертора); со - угловая частота (со=2я/).

Из формулы Томпсона определяем индуктивность

1 . 1

Л =

Реактивный ток в контуре

Хг

(15)

Расчет габаритной мощности сердечника

С С f. п

р = 044- с , (17)

150 v '

где Sc - площадь сечения сердечника, см2; S0 — площадь сечения окна сердечника, см2; Дик; - магнитная индукция, Тл; 0,44- коэффициент запаса с учетом работы трансформатора в резонансном режиме.

Первичная обмотка должна быть рассчитана на максимальный реактивный ток I, протекающий через неё. Зная максимальный реактивный ток / и плотность тока J в обмотке (в А/мм2), а так же площадь S0 окна сердечника и коэффициент Ко его заполнения, можно определить по стандартным методикам количество витков.

Приемный трансформатор рассчитывается по известным методикам.

Поскольку каждый канал имеет разную максимальную мощность, то расчеты для них проводятся аналогичным образом отдельно.

В третьей главе, на основании теоретических расчетов, проведена оптимизация параметров и разработка широкополосного энергосберегающего светильника, расчет параметров резонансного передающего преобразователя напряжения для систем освещения растений.

На основе рассчитанных спектральных характеристик 4-х цветного светодиодного светильника для отсека теплицы 6,4><75м необходимо иметь 100 четырехцветных светильников мощностью 300 Вт, общей потребляемой мощностью 31,2 кВт. Исходя из определенного ранее цветового соотношения светодиодов в светильнике мощность передающих преобразователей составит 1 кВт; 3,2; 5 и 22 кВт для каждого цвета отдельно, при этом напряжение в линиях электропередачи составляет 950 В.

Рассчитанные параметры передающего резонансного трансформатора по методике, приведенной во второй главе, представлены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 -Характеристики резонансных контуров передающих трансформаторов

Наименование Ёмкость, Индукшв- Реактивный ток в Напряжение в Резонансная

параметра С, мкФ носп., L, мГн контуре, W, А контуре, U, В частота, 5 кГц

для 1 кВт 0,05 8,42 4,73

дня 3,2 кВт 0,15 2,632 15,1 2000 8

для5кВт 0,24 1,684 23,6

для 22 кВт 1,04 0383 104

Для каждого канала рассчитан передающий трансформатор с запасом по мощности, выбраны сердечники, представленные в таблице 3.

Канал с длиной волны Мощность канала Р, Вт Сердечник конфигурации «ЕЕ» Габаритная мощность сердечника Р, Вт Число витков первичной обмотки 1У1 Зазор сердечника 5, мм Число витков вторичной обмоггки fíl

400 нм 1000 EEllO/18,5 1069 199,5 3,9 94,2

470 нм 3200 ЕЕ128 3460 82,1 5.2 38,8

525 нм 5000 ЕЕ160А 6848 85,2 8,4 40,2

600 нм 22000 ЕЕ240 22735 54,8 23,8 25,9

Для светильников рассчитаны приемные трансформаторы для каждого канала, представленные в таблице 4.

Канал для цвета свсто диода Сердечники конфигурации «Ш» Габаритная мощность сердечника Р, Вт Число В1ПКОВ первичной обмотки m Ток первичной обмотки /к, А Ток вторичной обмотки Лых, А Сечение провода первичной обмотки мм2 Сечение провода вторичной обмотки *5вых, ММ2 Число витков вторичной обмотки т

400 нм Ш7х7 15,88 2870 0,018 0,66 0,005 0,19 76,5

470 нм 11110x10 59,13 1406 0,066 2,46 0,019 0,71 37,5

525 нм 11110*10 59,13 1406 0,066 2,46 0,019 0,71 37,5

600 нм 11116*20 380,27 439,5 0,423 15,8 0,122 4,58 11,7

Светильники подвесные со светодиодными источниками света. Корпус из АБС сополимера, съемная металлическая панель, на которой расположены светодиоды. Рассеиватель- ударопрочный поликарбонат.

Потребляемая мощность светильника для облученности 20Вт/м2 ФАР -300Вт.

Для наилучшей равномерности освещенности необходимо расчитать оптический угол облучателя. Расчет произведен па примере фрагмента теплицы 3*4м свысотой подвеса светильников 2м. Минимальный радиус освещения рассчитаем по формуле

(18)

2 2 К ' где а - половина ширины фрагмента теплицы, м; Ъ — половина длины фрагмента теплицы, м.

Вычислим угол рассеивания линзы светильника а Л

tan- = —= = 0,625-»- = 32° а = 64°. 2 H 2 2

(19)

Для равномерного освещения площади 12 м необходимо разместить 4 источника света таким образом, чтобы радиус освещения от каждого

светильника был 1,25 м. Для этого, при высоте подвеса 1,5 м, расстояние между светильниками должно быть 1,5 м, а между рядами облучателей -2 м.

Светильники

„а ,.'•»...

—

А

——-

/ ч

V' л

\ /ч

У5-

1арез1-!

Сбетильники

Я

/ \

1*2,000

'-Г^ггт^ггтт//

0.000

^ Светильники

-У-

Рисунок 4 - Размещение светильников в фрагменте теплицы Итак, используя 4 светильника, необходимо получить освещенность Е 10000 лм/м2 (20 Вт/м2 ФАР). Расчет освещенности проведем на основе методики коэффициента использования

Е = N—К,. .У "

(20)

где N — количество светильников, шт.; ¥ — светоотдача, лм; 5" - площадь, м ; К-коэффициент запаса.

Найдем необходимый световой поток

£•5 10000-12

= 20000 лм.

(21)

И-К, 4-1,5

Таким образом, для обеспечения необходимой освещенности фрагмента теплицы площадью 12 м2, необходимо иметь 4 светильника с линзами рассеивания в 64°, в составе которых 4 светодиодных матрицы (оранжевый, синий, зеленый и УФ) общей мощностью 300Вт, что подтверждается лабораторными испытаниями. Расчеты для теплиц большею размера аналогичные.

В четвёртой главе приведены результаты разработки методики исследования широкополосной системы освещения с резонансной системой электропитания и обоснование режимов работы, анализ результатов экспериментальных исследований системы, расчёт технико-экономических показателей использования широкополосной системы освещения с резонансной системой электропитания.

Для оценки работоспособности новой широкополосной системы облучения и эффекта от увеличения светового дня был проведен ряд испытаний со светильниками различной мощности.

Лабораторные испытания проводились для сравнения интенсивности потока излучения тепличного облучателя ЖСП 10-600 «AGRO» на основе натриевой лампы высокого давления ДНаЗ-600 и новой многоканальной широкополосной светодиодной системы освещения растений мощностью 100 Вт, содержащей светодиоды с длинами волн 400 нм; 470; 525 и 600 нм, с оптимальным соотношением мощностей 3,2%: 10,3:16,1:70,4% соответственно.

Для оценки полезной мощности использовался прибор-индикатор мощности ФАР, разработанный в ФГБНУ ВИЭСХ. В результате оценки от натриевых газоразрядных ламп высокого давления мощностью 600Вт облученность ФАР на расстоянии 1,5 м составила 18,9 Вт/м2 ФАР, а облученность от новой системы мощностью 100 Вт - 8,4 Вт/м2 ФАР. Из этого следует, что эффективность новой системы примерно в 2 раза больше, что позволит значительно сократить расход электроэнергии на облучение растений в теплицах, используя светодиодные облучатели мощностью 300 Вт.

Производственное испытание №1 (апрель—май 2013 г.). В ФИТО-камерах, размерами 1,5x0,8 м, с одинаковыми условиями были засеяны огурцы «Московский тепличный», томаты «Пламя» и перец «Аккорд». Первые получали только естественный свет в течение 14 ч, у вторых световой день с дополнительным освещением светильниками мощностью 75Вт составлял 20 ч. Дополнительная облученность - 10,5 Вт/м2 ФАР. Период вегетации рассады, находившейся под облучением, сократился примерно на 8-10 дней.

Производственное испытание №2 (октябрь 2013г.).В двух теплицах с одинаковыми параметрами были засеяны укроп, петрушка и салат. В первой теплице получали только естественный свет в течение 10 ч, во второй теплице световой день с дополнительным освещением светильниками мощностью 50 Вт составлял 15 ч. Система освещения обеспечивала дополнительную облученность 8,4 Вт/м2 ФАР (2500 лк) при высоте подвеса 0,45м. Оценку мощности светильника проводили прибором-индикатором мощности фотосинте-тически-активной радиации.

Салат

19 день 26 день 33 день

количество дней

Укроп

Естественное освещение +досветка

40 мм

55 мм

80 мм

Естественное освещение

20 мм

30 мм

55 мм

Листья салата

Естественное освещение + досветка

30 мм

40 мм

65 мм

Естественное освещение

20 мм

25 мм

50 мм

Петрушка

Естественное освещение + досветка

25 мм

35 мм

Естественное освещение

2 мм

15 мм

22мм

В течение 33 дней были получены данные, отраженные в таблице 5. Рост салата «Московский парниковый» (ВНИИССОК) и петрушки «Итальянский гигант» (Дом семян) при естественном

освещении в теплице был зареги- . ЛЙ®»"?!^

I - '

сгрирован приблизительно в 1,5

раза меньше по сравнению с сала- 1 ВНННСЛ Ж

том и петрушкой, облученными ШшИШяЛШШШм^ш1^к

дополнительно (рисунок 6, а, б). ННН^ЕЯвЯк,

Результаты досветки укропа «Ал- . _ -> Г ^

лигатор» (ГАВРИШ) показывают «- " *

почти двойное превосходство в |§||| размерах досвеченных растений против получивших только есте-ственньш свет (рисунок 6, в).

_Таблица 5 - Результаты наблюдения роста рассады

Рисунок 5 — Экспериментальные светодиодные светильники

Тип освещения

19 день 26 день 33 день

Петрушка

19 день 26 день 33 день

количество дней

Укроп

—Досветна+естеств Освещение Естественнное освещение

19день 26 день ЗЗдень количеств) дней

Рисунок 6 - Графики наблюдения роста рассады: а - салат; б - петрушка; в-укроп

Для освещения экспериментального участка расходовалось 50 Вт/м2

электроэнергии, а за весь период испытаний расход электроэнергии составил 24,75 кВтч/м*. Период вегетации рассады, находившиеся под дополнительным облучением, сократился примерно на 5 дней.

Производственные испытания №3 (апрель-май 2014г.). В двух теплицах с одинаковыми параметрами были засеяны помидор и перец. В первой теплице получали только естественный свет в течение 14 ч, во второй теплице световой день с дополнительным освещением светильниками мощностью 75 Вт составлял 15 ч (10 Вт/м2 ФАР). Высота подвеса светильников выдерживалась на уровне 0,5 м. Рассада, сразу после появления всходов, получала облучение с преобладанием красного в спектре ламп в течение 24 ч в первые два дня. На 10 день от всхода была увеличена доля синего и зеленого в спектре в системе освещения (таблица 6).

Температура воздуха в зоне растений во время облучения рассады находилась в пределах 20...22°С. Ежесу-

Рисунок 7 — Рассада томата

точная продолжительность солнечного и дополнительного облучения составляла 14—16 ч.

Светодиодная широкополосная система позволила получить развитые растения на 5-6 дней раньше.

Для освещения экспериментального участка расходовалось 75 Вт/м2 электроэнергии, а за весь период испытаний расход электроэнергии - 31,5кВт-ч/м2.

Томат

ест.+доп. - — -Томат ест.

14 дней 21день 28 дней

-Перец-

Пёрец ест. + доп.

14 дней 21 день

----Перец ест.

28 дней

Рисунок 8 - Графики наблюдения роста рассады

Таблица 6 — Результаты наблюдения роста растений (апрель-май 2014 г.)

Тип освещения 14 день 21 день 28 день

Томат Естественное освещение +досветка 50мм 200мм 380мм

Естественное освещение 30мм 140мм 290мм

Перец Естественное освещение + досветка 30мм 60мм 100мм

Естественное освещение 20мм 45мм 75мм

Экспериментальные испытания (июнь-июль 2014 г.). В двух участках теплицы выращивались рассада огурца «F1 ЛИБЕЛЛЕ». Световой день у растений составлял 17 ч естественного освещения и 5 ч дополнительного облучения светильниками с возможностью изменения спектра мощностью 75 Вт. На первом участке использовалось спектральное соотношение: синий (синий+УФ) 20%, зеленый 40%, красный 40%; во втором: синий (си-ний+УФ) 30%, зеленый 20%, красный 50%. В первом варианте освещения высота растений была выше на 5 мм и среднее количество листьев на растение больше на 5%. Расход электроэнергии составил за 30 дней испытаний 26,25 кВт-ч/м2.

Расчетная стоимость нового оборудования составила 1777 тыс. руб. для блока размером 6,4 х 75 м многопролетной промышленной теплицы. Экономия потребления электроэнергии по сравнению с существующей системой при работе 3650 ч/год составляет 131400 кВт-ч или 525,6 тыс. руб. при стоимости электроэнергии 4 руб. Дополнительная экономия на проводах составляет 56,5 тыс. руб., т.к. суммарное сечение проводов за счет применения резонансной системы сокращается. Срок окупаемости новой системы - 2,8 года.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведенный анализ существующих искусственных источников освещения растений в защищенном грунте позволил обосновать актуальность применения широкополосной системы освещения с резонансным питанием в защищенном грунте.

2. Разработана математическая модель, позволяющая обосновать спектральные характеристики широкополосного источника излучения, на основе которой рассчитана конструкция светильника, состоящего из 4-х цветных светодиодов с длинами волн 400 нм; 470; 525 и 600 нм (с соотношением мощностей 3,2%:10,3:16,1:70,4%), с долей совпадения спектрального распре-

деления энергии светильника с функцией, основанной на спектре действия фотосинтеза 57,7%.

3. Обоснован состав оборудования, включающий в себя широкополосные облучатели и многоканальную систему питания. Разработана методика расчета, позволяющая рассчитать основные характеристики силовой части системы питания мощностью до 31,2 кВт и параметров светильников мощностью до 300 Вт.

4. Разработано оборудование для широкополосной системы освещения растений с резонансной системой питания, позволяющее изменять спектральный состав и мощность излучения для различных растений, в состав которого входили светильники мощностью по 50 Вт, 75 и 100 Вт. Проведенные испытания оборудования позволили получить качественную рассаду на 5-10 дней раньше.

5. Экономический расчет замены действующей системы освещения на основе ламп ДНаЗ на новую показал, что годовой экономический эффект в одном блоке размером 6,4 х 75 м многопролетной промышленной теплицы составляет 626 тыс. руб., при уменьшении расхода электроэнергии в 2 раза. Срок окупаемости новой системы — 2,8 года.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях В изданиях из перечня ВАК

1. Соколов, A.B. Повышение эффективности систем освещения и облучения [Текст]/Стребков Д.С., Юферев JI.IO., Александров Д.В., Соколов A.B. // Теоретический и научно-практический журнал «Механизация и электрификация сельского хозяйства»—2014 — № 1(32). — С.13-16

2. Соколов, A.B. Исследование резонансной системы передачи электроэнергии на повышенной частоте [Текст] / Юферев Л.Ю., Рощин O.A., Александров Д.В., Соколов A.B. //Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». — 2014. — № 8(148). — С. 89-93.

3. Соколов, A.B. Эффективность использования искусственного освещения растений. [Текст]/Соколов A.B., Юферев Л.Ю.// Труды ГОСНИТИ. -2013.-Т. 111.№1.-С. 163-65.

4. Соколов, A.B. Резонансная система освещения растений в теплицах. [Текст]/ Юферев Л.Ю., Соколов A.B., Юферева А.А.//Техника в сельском хозяйстве. - 2014. - №4. - С.12-15.

5. Пат. 120307 Российская Федерация, МПК Н 05 В 37/02. Регулируемая система освещения (варианты)/Юферев Л.Ю., Прокопенко A.A., Алферова

JT.К., Рощин O.A., Михалев A.A., Соколов A.B., Юферева A.A., Харченко Н.В.; патентообладатель ФГБНУ ВИЭСХ, ФГБНУ ВНИИВСГЭ -№2011153583/07; заявл. 28.12.2011; опубл. 10.09.2012,Бюл. №25-5 с.

6. Пат.137973 Российская Федерация, МПК G 01J 3/00. Измеритель фотосинтетически-активной радиации[Текст] /Юферев Л.Ю., Соколов A.B.; патентообладатель ФГБНУ ВИЭСХ- №2012147558/28; за-явл.09.11.2012; опубл. 27.02.2014,Бюл. №6-5 с.

В изданиях

7. Соколов, A.B. Широкополосная система освещения для тепличных растений[Текст] /Соколов A.B., Юферев Л.Ю., Алферова Л.К.// Труды международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве». - 2012. - №2. - С.209-212.

8. Соколов, A.B. Результаты испытаний широкополосной системы освещения рассады[Текст] /Соколов A.B., Юферев Л.Ю.//Инновации в сельском хозяйстве-2014.-№ 1(6).- С.40-45.

9. Соколов, A.B. Проблемы безопасности эксплуатации резонансных систем передачи электроэнергии[Текст] /Юферев Л.Ю., Соколов А .В .//Вестник ВИЭСХ,- 2013,- № 2(11).- С.74-76.

10. Соколов, A.B. Испытания широкополосных светодиодных светильников в ФИТО-камере [Текст] /Соколов A.B., Юферев Л.Ю.//Инновации в сельском хозяйстве - 2013.-№ 3(5). - С.29-31.

11. Соколов, A.B. Индикатор мощности ФАР для освещения растений [Текст] /Соколов A.B. //Инновации в сельском хозяйстве - 2013. - № 1(3).-С. 9-12.

12. Соколов, A.B. Универсальная широкополосная система освещения с варьируемым спектром для теплиц[Текст] / Соколов A.B., Юферев Л.ЮУ/Инновации в сельском хозяйстве - 2012 - № 1(1).- С.10-14.

13. Соколов, A.B. Проектирование преобразователей напряжения для резонансных систем передачи электрической энергии малой мощности[Текст] /Стребков Д.С., Юферев Л.Ю., Соколов A.B., Прошкин Ю.АУ/Сборник научных докладов ВИМ,- 2010 - №2 - С.332-340.

14. Соколов, A.B. Модернизированная энергоэффективная система освещения животноводческих помещений [Текст] /Юферев Л.Ю., Михалев A.A., Соколов A.B., Буднев В.Н.//Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства,- 2011-Т.22.№ 2. - С.234 238.

15.Соколов, A.B. Резонансная светодиодная система освещения для закрытого грунта[Текст] /Юферев Л.Ю., Соколов A.B., Юферева А.А.//Полупроводниковая светотехника - 2014. - Т.2.№ 28 — С. 78-80.

16.Соколов, A.B. Результаты испытаний регулируемой системы освещения рассады [Текст] /Соколов A.B., Юферев Л.Ю. //Инновации в сельском хозяйстве,- 2014.-№2(7).-С.54-58.

П.Соколов, A.B. Моделирование спектров светодиодных матричных светилыгаков[Текст] /Соколов A.B., Юферев Л.Ю. //Инновации в сельском хозяйстве. - 2014. - № 2(7). - С. 65-72.

18.Соколов, A.B. Энергосберегающая система освещения для защищенного грунта[Текст] / Соколов A.B., Юферев Л.Ю. //Инновации в сельском хозяйстве. -2014-№4-С.78-81.

Подписано в печать:

14.05.2015

Заказ № 10772 Тираж - 120 экз. Печать трафаретная. Объем: 1,5усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru