автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Обоснование применения светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в защищенном грунте

На правах рукописи

ФОКИН Алексей Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОСВЕЧИВАНИЯ ОВОЩЕЙ В ЗАЩИЩЕННОМ ГРУНТЕ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ОКТ 2013

Мичуринск-наукоград РФ 2013

005534668

Работа выполнена на кафедре «Электрификации и автоматизации сельского хозяйства» инженерного факультета федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «МичГАУ»)

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Гордеев Александр Сергеевич

Шувалов Анатолий Михайлович,

доктор технических наук, профессор, государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук», лаборатория «Альтернативные источники энергии взамен жидкого топлива», заведующий

Юдаев Игорь Викторович,

доктор технических наук, доцент,

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный аграрный университет», электроэнергетический факультет, декан

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет им. П.А. Костычева»

Защита состоится «18» октября 2013 г. в 10— часов на заседании объединённого диссертационного совета ДМ 220.041.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «МичГАУ») по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «МичГАУ», с авторефератом - на официальном сайте ФГБОУ ВПО «МичГАУ»: www.mgau.ru.

Автореферат разослан « 17 » сентября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ланцев Владимир Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Проблема энергосбережения является одной из самых актуальных в современном мире, её решению развитые страны уделяют большое внимание.

В отрасли тепличного овощеводства технологии светокультуры и электродосвечивания овощей являются наиболее энергоёмкими. Доля отраслевого потребления электроэнергии в технологических процессах тепличного производства с использованием оптического излучения составляет 10-15%, а потери в них доходят до 40%.

Учёными в области электрификации сельскохозяйственного производства и светотехники Л.Г. Прищепом, В.М. Неманом, A.A. Тихомировым, В.П. Шарупичем, И.И. Свентицким, И.Ф. Бородиным, В .В. Малышевым, Н.П. Кондратьевой, H.H. Протасовой, Ю.М. Жилинским, Г.С. Сарычевым, A.A. Ничипоровичем, И.В. Юдаевым, Е.А. Козыревой, С.А. Ракутько, A.M. Шуваловым и другими разработаны теоретические основы применения оптического излучения для выращивания растений и эффективного использования электрической энергии для этих целей.

Для рационального использования электроэнергии в этой области используются специализированные источники света, отличающиеся от обычных спектральным составом оптического излучения.

В настоящее время в тепличных комбинатах наиболее широко применяются натриевые лампы высокого давления. Это обусловлено высокой светоотдачей данных источников света. Однако, излучение этих ламп содержит те участки спектра, в которых растения не поглощают или поглощают в малом количестве - электрическая энергия, преобразованная в оптическое излучение, расходуется нерационально. Также натриевым лампам высокого давления присущи и другие недостатки.

В условиях рыночных отношений доля затрат на электроэнергию в себестоимости продукции тепличных комбинатов стала определяющим показателем экономической эффективности. Наибольший процент в себестоимости отечественных овощей защищенного грунта составляет доля энергетических затрат - 65-75%.

Для того чтобы выйти из такой ситуации необходимо использовать в тепличном производстве новые технологии, которые обеспечили бы высокорентабельное производство овощей и решили бы проблему круглогодичного обеспечения населения витаминной продукцией.

Поэтому тема диссертационной работы, посвященная применению светоизлучающих диодов для снижения энергозатрат на досвечивание овощей в защищенном грунте, является актуальной и имеет научное и практическое значение.

Целью работы является научное обоснование применения светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в защищенном грунте и определение оптимальных режимов их работы.

Задачи исследования:

- анализ известных и перспективных источников оптического излучения для электродосвечивания овощей в защищенном грунте;

- разработка математической модели, устанавливающей функциональную связь между параметрами источников света, такими как спектральный состав оптического излучения, электрическая мощность, световой поток, и удельным эффективным квантовым потоком, от которого зависит скорость фотосинтеза;

- разработка установки для проведения экспериментальных исследований влияния параметров светодиодных светильников на урожайность растений и разработка методики проведения экспериментов;

экспериментальное определение основных технологических параметров светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в защищённом грунте, таких как спектральный состав оптического излучения, частота следования световых импульсов, скважность световых импульсов;

- определите технико-экономической эффективности применения светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в защищённом грунте.

Объект исследований: процесс электродосвечивания овощей в защищённом грунте светодиодными светильниками.

Предмет исследований: зависимость удельной величины электроэнергии, затраченной на досвечивание растений, от параметров светодиодных светильников.

Методика исследований

В работе использованы методы системного и математического анализа, элементы математической статистики, теория планирования экспериментальных исследований, теоретические основы светотехники и светокультуры. Экспериментальные исследования проводились с использованием современных образцов энергосберегающего светотехнического оборудования и микропроцессорных устройств. В работе использованы современная измерительная аппаратура и программно-технические средства. Теоретические исследования и обработка результатов экспериментов реализовывались в программных пакетах Matlab, MathCad, MS Office, Statistica.

Научная новизна работы

- Разработана математическая модель, устанавливающая функциональную связь между параметрами источников света, такими как спектральный состав оптического излучения, электрическая мощность, световой поток, и удельным эффективным квантовым потоком, от которого зависит скорость фотосинтеза.

- Теоретически и экспериментально обосновано применение для электродосвечивания светодиодов красного свечения, как наиболее эффективных преобразователей электрической энергии в энергию оптического излучения, необходимую для протекания фотосинтеза.

Научная гипотеза

Снижения удельных затрат электроэнергии на досвечивание растений можно добиться применив светоизлучающие диоды со спектрами излучения, соответствующими максимумам поглощения хлорофиллов, в импульсном режиме работы. В этом случае большее количество световой энергии будет поглощаться, а количество отражённой энергии будет минимальным.

Практическая значимость работы

- Разработан режим работы светодиодных излучателей, позволяющий снизить затраты электроэнергии на досвечивание овощей в теплицах на 27%.

- Обосновано применение импульсного облучения светодиодными светильниками для снижения энергозатрат на досвечивание.

- Разработана и создана экспериментальная установка, позволяющая определять эффективность различных источников оптического излучения для электродосвечивания овощей в защищённом грунте.

Достоверность результатов работы

Выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационном исследовании, базируются на теоретических положениях и научных принципах, разработанных ведущими учёными по фундаментальным и прикладным аспектам электрификации сельскохозяйственного производства. Основные выводы диссертационного исследования обоснованы теоретическими положениями и экспериментальными данными.

На защиту выносятся:

- математическая модель, устанавливающая функциональную связь между параметрами источников света, такими как спектральный состав оптического излучения, электрическая мощность, световой поток, и удельным эффективным квантовым потоком, от которого зависит скорость фотосинтеза;

- обоснование использования светильников на базе светоизлучающих диодов для элекгродосвечивания овощей в защищенном грунте с целью снижения затрат электроэнергии при работе в импульсном режиме работы;

- результаты исследований, лабораторных и производственных испытаний с технико-экономической оценкой эффективности различных способов облучения растений.

Реализация результатов исследований

Основные положения и рекомендации диссертационного исследования рассмотрены и включены в план перспективных разработок предприятия, специализирующегося на производстве светодиодных светильников, ООО «Эконекс» (г. Волгоград).

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Электрификации и автоматизации сельского хозяйства» Мичуринского государственного аграрного университета при проведении лекционных и лабораторных занятий по дисциплинам «Электротехника и электроника», «Светотехника» по специальности 110302 - «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства».

Также результаты диссертационной работы были приняты для использования при совершенствовании системы элекгродосвечивания рассадного отделения теплицы типа «мультиспен» модели «Ришель 9,6 БЫ» учебно-исследовательского тепличного комплекса Мичуринского государственного аграрного университета.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на: XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» г. Тамбов, 2008; всероссийской научно-практической конференции «Инновационно-техническое обеспечение ресурсосберегающих технологий в АПК» г. Мичуринск, 2009; научно-практической конференции «Инновационные технологии производства, хранения и переработки плодов и ягод», г. Мичуринск, 2009; III Международной выставке-интернет-конференции «Энергообеспечение и строительство» г. Орёл, 2009; научно-практической конференции «Комплексное решение вопросов энергосбережения и ресурсосбережения для инновационного развития агропромышленного комплекса», г. Рязань, 2010; семинаре «Управление электрохозяйством предприятий агропромышленного комплекса», г. Мичуринск, 2010; 64-й научно-практической конференции студентов и аспирантов, г. Мичуринск, 2012.

Макеты и презентации экспонировались на ежегодной Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи «НТТМ-2012» (премия «Призёр» по поддержке талантливой молодёжи приоритетного национального проекта «Образование» по итогам конкурсной программы выставки). В рамках проводимых научно-исследовательских работ были исполнены государственные контракты по программам Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на базе созданного в соответствии с 217-ФЗ малого инновационного предприятия ООО «НПЦ «ТехноСад»: программа У.М.Н.И.К.-2009, государственный контракт № 7133р/9641 от 31.07.2009г.; программа У.М.Н.И.К.-2010, государственный контракт№ 8695р/13986 от 14.01.2011г.

Публикация результатов работы

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа содержит 132 страницы основного текста, 41 рисунок, 18 таблиц и 9 приложений. Библиографический список включает в себя 129 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследования, научная новизна, практическая значимость, изложены цель, объект и предмет исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Анализ современных технологий и электрооборудования, применяемых при досвечивании овощей в защищенном грунте. Задачи исследования» посвящена изучению применяемых в настоящее время технологий и электрооборудования для электродосвечивания овощей в защищенном грунте. В этом разделе рассмотрены основные принципы поглощения света растениями, взаимосвязь эффективности процесса фотосинтеза и параметров источников света для электродосвечивания.

Недостаток естественного освещения в зимний период может быть компенсирован путём увеличения интенсивности освещения или продолжительности периода, в течение которого растение получает свет, или же и того и другого. Для этого применяется относительно интенсивное искусственное досвечивание.

Суммарный процесс фотосинтеза разделяют на две взаимосвязанные стадии: световую (поглощение квантов света) и темновую, которая протекает без непосредственного участия света. Световая фаза фотосинтеза проходит за более короткий промежуток времени, чем темновая. Рядом учёных доказано, что применение импульсного облучения растений эффективнее, чем непрерывного - работы в этом направлении вели В.М. Леман, A.A. Шахов, О.Ю. Воронина, Н.П. Болыпина, Е.А. Козырева, Т.Й. Кару, Н.П. Кондратьева, Б.В. Корж и др. Также во многих научных работах говорится о том, что для эффективного фотосинтеза растениям необходим красный свет и лишь небольшая доля синего света.

В настоящее время одной из самых удачных ламп для досвечивания растений признана отечественная лампа Рефлакс типа ДНаЗ. Однако, данному типу ламп присущи некоторые недостатки: спектральные характеристики этих ламп не соответствуют оптимальному спектру, при котором фотосинтез протекает наиболее эффективно; данные источники света не позволяют применять импульсное или комбинированное облучение без влияния на их ресурс; сравнительно короткий срок службы.

Электродосвечивание овощей в защищенном грунте можно реализовать, применив в качестве источников света полупроводниковые светоизлучающие диоды. Основным преимуществом СИД перед используемыми в настоящее время лампами является то, что электрическая энергия, подведенная к прибору, преобразуется в такую световую энергию, которая полностью усваивается растениями и не отражается в окружающую среду. Снижения удельных затрат электроэнергии на досвечивание растений также можно добиться применив светоизлучающие диоды в импульсном режиме работы.

Поэтому обоснование применения светодиодных светильников для

электродосвечивания овощей в защищенном грунте и определение оптимальных режимов их работы является актуальным научным направлением.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса электродосвечивания овощей в защищенном грунте» приводится разработанная математическая модель процесса электродосвечивания растений, которая связывает параметры растения (спектральное распределение коэффициента эффективности фотосинтеза) и параметры источника

излучения (спектральное распределение мощности излучения, электрическую мощность, световой поток, удельный эффективный квантовый поток).

Ввиду сложности установления функциональных зависимостей между параметрами облучения и массой полученного урожая при элекгродосвечивании овощей, эффективность различных источников света определялась по полезному световому потоку, который влияет на скорость фотосинтеза.

Рисунок 1 - Алгоритм расчёта удельного эффективного квантового потока источника и

проверки полученных данных

Чтобы оценить эффективность источника света при выращивании растений, необходимо рассчитать его светоотдачу, измеренную в количестве фотонов излучаемых за

секунду на единицу электрической мощности (——). Для этого необходимо знать

Втс

характерный для источника спектральный состав излучения. Спектральные диаграммы показывают распределение мощности излучения источников в ваттах или милливаттах, приведенной к световому потоку 1 лм в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм. Также для расчёта должна быть известна величина полного светового потока источника и его электрическая мощность. Алгоритм, разработанный нами для расчёта, представлен на схеме (рис. 1). Рассчитанный таким образом удельный эффективный квантовый поток источника света может являться характеристикой его эффективности в процессе электродосвечивания.

В общем виде математическая модель, которая позволяет оценить эффективность различных источников света в процессе электродосвечивания растений, выглядит как:

ф„

эф уд

Ф-106 W-c-h-N

|ШОЛЬ

(1)

А 400

Вт ■ с

По приведённому выше алгоритму был рассчитан удельный эффективный квантовый поток ряда источников света, в том числе и тех, которые наиболее широко применяются для электродосвечивания в настоящее время. Результаты теоретических исследований сведены в таблицу 1, где сверху вниз расположены исследованные источники света по убыванию величины Фкв Эф ул.

Таблица 1 — Характеристики исследованных источников света

№ Тип источника излучения Электрич. Световой Светоотдача Удельный

мощность поток (удельный эффективн. поток

источника Р, источника световой фотонов Фи, эуд,

Вт Ф, лм поток) С, лм/Вт цмоль/(Вт-с)

1 СИД KPNR-080-1 1 18 18 1,673

2 СИД KPNR-199-1 1 50 50 1,269

3 СИД ARPL-Star-1W Red 0,84 45 54 1,212

4 Лампа Reflux S600 600 85800 143 1,143

5 СИД HPL-H77FR1BA 0,9 43 48 0,796

6 СИД КИПД140А-140-К-2 1 40 40 0,675

7 СИД LT-0738 10 200 20 0,409

8 Лампа ДРЛФ 400 20000 50 0,381

В третьей главе «Программа, оборудование и методика проведения экспериментальных исследований светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в защищённом грунте» приведена программа экспериментальных исследований влияния характеристик светодиодных светильников для электродосвечивания овощей на их эффективность, описана

экспериментальная установка для лабораторных исследований процесса досвечивания овощей, разработана методика проведения экспериментов.

Лабораторная установка для проведения экспериментов (рис. 2), состоит из 10 ячеек (6 основных и 4 резервных), в которых температура воздуха и уровень освещенности поддерживаются на уровнях, соответствующих реальным условиям стеклянных зимних теплиц. Структурная схема установки показана на рисунке 3.

Тепловой режим в ячейках поддерживается на заданном уровне с помощью устройства управления на базе (Россия). Если необходимо повысить температуру в ячейках, контроллер подает питание на магнитный пускатель, с которого напряжение подается на ЛАТР, а затем на нагревательный элемент. ЛАТР используется для регулировки мощности, потребляемой нагревательным элементом.

Рисунок 2 - Экспериментальная установка микропроцессорного контроллера ВМ-8036

Устройство управления также отвечает за имитацию естественного солнечного излучения внутри ячеек. Как видно из структурной схемы, внутри каждой ячейки находится 4 группы люминесцентных светильников (ЛС) со спектром излучения, близким к солнечному свету. Подобно восходу солнца, в определённое время суток группы люминесцентных светильников начинают поочерёдно включаться. Ближе к вечеру, подобно заходу солнца, группы светильников начинают поочерёдно выключаться.

12 3 4 5 6 7

Рисунок 3 - Структурная схема экспериментальной установки: 1 - устройство управления; 2 - генератор импульсов; 3 - блок питания 35 В; 4 - ячейка для выращивания растений; 5 -люминесцентный светильник; 6 — блок управления СИД-светильником; 7 - светодиодный светильник 40 Вт; 8 - датчик температуры; 9 - ПРА для лампы Reflux; 10 - JIATP; 11 -нагревательный элемент; 12 - лампа ДНаЗ Reflux; 13 - СИД-лампа 2 Вт

Для имитации системы электродосвечивания и исследования влияния её параметров на продуктивность растений, в первых трёх ячейках установлены светодиодные светильники, в четвёртой ячейке установлена лампа ДНаЗ Reflux, в пятой и шестой ячейках - по 10 светодиодных ламп синего и красного свечения (рис. 4).

Светодиодный светильник (рис. 4а) состоит из сорока светодиодов, приклеенных на алюминиевый радиатор прямоугольной формы. Номинальная электрическая мощность светильника - 40 Вт. Электрическая схема светодиодного светильника включает в себя четыре стабилизатора тока (по одному на каждый десяток светодиодов).

Рядом со светодиодным светильником, в ячейке размещается блок управления, который позволяет изменять режимы работы светильника. С помощью блока управления можно задавать частоту световых импульсов (100 Гц, 1 кГц, 10 кГц и 100 кГц) и их длительность по отношению к периоду (от 10% до 100% с шагом 10%).

Растения, выращенные под светодиодными светильниками с различными параметрами, сравниваются с растениями, выращенными в контрольной ячейке. Лампа Reflux мощностью 70 Вт, установленная в 4-ой ячейке (рис. 46), имитирует систему электродосвечивания, основанную на лампах ДНаЗ Reflux S600, наиболее широко применяемых в зимних теплицах в настоящее время. Данная ячейка является контрольной.

В пятой и шестой ячейках установлено по десять светодиодных ламп с цоколем Е27, рассчитанных на напряжение 220 В (рис. 46). Используются лампы синего и красного свечения. Изменяя количественное соотношение синих и красных ламп в ячейках, можно выявить оптимальное соотношение синего и красного света при досвечивании растений в зимних теплицах. -

В качестве культуры-индикатора был № , "¡5-'-^¡5 - ^дЖЯаМшЕаКЯЯВ выбран зелёный лук. Технология ^."^•¿^¿й^^;''?}!,11 'Ф^ЗДИЯ^^^В выращивания зелёного лука в ''''Н»;*

экспериментах соответствовала технологии ' «Л ^ й'^'''

выращивания его в защищенном грунте. (*' '^^НВИИгч '

Перед посадкой луковицы прогревали в • ^^^^^^ЯИИ^^НЫвс!

течение суток при температуре 35°С, а Ьй», '"^ММ

затем обрезали высушенную шейку на 1-1,5 ННшг* дИИ

см выше «плечиков» луковицы, что ¿¡^И

ускоряет отрастание побега, облегчает его ■ = _ _

вытягивание и положительно влияет на 1

В^течение всего периода вегетации в ^ ' ^^^^^^^^^

ячейках днём поддерживалась температура 25°С, а ночью 22°С.

Световой режим поддерживался . системой имитации солнечного света на ::: 1..3".

уровне, соответствующем солнечному декабрьскому дню. Досвечивание растений во всех ячейках осуществлялось круглосуточно на протяжении всего периода выращивания.

Срок выращивания растений от посадки до уборки урожая составлял 23-26 дней, в зависимости от сроков появления первых ростков. Первые ростки появлялись в различных опытах через 4-7 дней. По окончании срока выращивания зелёные листья лука срезали с луковиц и взвешивали на электронных весах (рис. 6). Во всех экспериментах за отклик было принято отношение количества электроэнергии, затраченной на досвечивание растений в ячейке, к их массе. Количество электроэнергии, затраченное системой досвечивания на выращивание урожая, рассчитывалось как мощность источника света в ячейке, умноженная на время досвечивания. Каждый эксперимент проводился в трёхкратной повторности. Все опыты были рандомизированы.

Для экспериментального исследования влияния спектральных характеристик светодиодных светильников на их эффективность при электродосвечивании овощей использовались синие и красные светодиодные лампы. Был проведен однофакторный эксперимент, управляемым фактором в котором являлось соотношение синих и красных ламп в ячейке. Уровень фактора выражался в натуральных величинах и представлял собой количество красных ламп в процентах от общего количества. Для проведения данных опытов были задействованы ячейки № 5 и № 6 экспериментальной установки. В каждой ячейке было установлено 10 светодиодных ламп мощностью 1,2 Вт - красные, и 1,6 Вт -синие.

Рисунок 4 — Источники света: а) светодиодные светильники, б) лампа Reflux и светодиодные лампы синего и красного свечения

Рисунок 5 - Ячейка экспериментальной установки с лотком для выращивания лука на

Рисунок 6 - Сбор урожая

Для исследования влияния частоты и коэффициента заполнения световых импульсов светодиодных светильников для электродосвечивания на их эффективность был проведён

многофакторный эксперимент. В опытах использовались светодиодные

светильники номинальной мощностью 40 Вт, установленные в ячейках № 1, 2 и 3. За управляемые факторы были приняты частота следования световых импульсов и коэффициент заполнения световых импульсов (отношение длительности светового импульса к периоду в %).

В четвёртой главе «Результаты экспериментальных исследований и обработка полученных данных» проведён анализ полученных экспериментальных данных, их математическая обработка, получены уравнения регрессии, отражающие зависимости отклика от управляемых факторов.

Проведенные эксперименты по исследованию влияния характеристик светодиодных светильников для электродосвечивания на урожайность растений показали, что растения могут расти и развиваться при досвечивании светом, близким к монохроматическому. В результате визуальной оценки растений

выращенных под светодиодным излучением различного спектрального состава можно отметить, что растения, выращенные под светом красных светодиодов, более близки по структуре и окраске к растениям, выращенным под светом ламп ДНаЗ, чем растения, выращенные под синими светодиодами.

Растения, выращенные под синими светодиодными лампами, не только отличались по массе листьев от растений, выросших под светом красных СИД-ламп, но и часто имели к концу периода выращивания засыхающие листья. Корневая система, однако, была более развита у растений в ячейках с досвечиванием синими светодиодными лампами. Несмотря на то, что в ряде экспериментов растения, выращенные под красными светодиодными светильниками, были близкими по длине и массе листьев к растениям, выращенным под лампой Reflux, корневая система последних всегда была более развита.

При снижении коэффициента заполнения световых импульсов до определённого значения потребляемая электрическая мощность светодиодных светильников значительно падала, однако, это почти не сказывалось на урожайности растений, вследствие чего удельные затраты электроэнергии на досвечивание единицы продукции снижались. При малых значениях коэффициента заполнения световых импульсов урожайность также была низкой, что вело к увеличению удельных затрат электроэнергии. В целом, по результатам предварительного анализа полученных экспериментальных данных можно сказать, что

культура зелёного лука отзывчива на изменения как частотно-импульсных, спектральных характеристик источников излучения для электродосвечивания.

Чтобы

40

и 35

У

£ 30

'^Я

ж

V 20

О

V 15

X

ш 10

«

I

п 5 ■

0

> 0 35,23 -0,595-х-г 3,677 •1(Г _ 1 X"

— —

40 60 80 100

Значение фактора х, %

выяснить, достоверны ли полученные опытные данные в пределах требуемой точности,

проводили их

математическую обработку. В результате обработки экспериментальных данных однофакторного эксперимента по

исследованию влияния спектральных характеристик светодиодных светильников на их эффективность при электродосвечивании овощей установлено, что для математического описания результатов данного

Рисунок 7 - График полученного уравнения регрессии второго порядка: х - количество красных ламп в процентах от общего количества, %; у - отношение электроэнергии, затраченной на досвечивание растений в ячейке, к их массе. Вт-ч/г эксперимента необходимо применить уравнение регрессии второго порядка вида:

у(х) = Ь0 + Ь, • х + Ь2 • х2. (2)

В данном уравнении: х - уровень фактора в натуральных величинах (количество красных ламп в процентах от общего количества, %), у - значение отклика (отношение электроэнергии, затраченной на досвечивание растений в ячейке, к их массе, Вт-ч/г). В результате анализа экспериментальных данных на ПК получены следующие значения коэффициентов уравнения регрессии:

Ь0 = 35,231; Ь, = -0,595; Ъ2 = 3,677-10"3.

График полученного уравнения регрессии второго порядка с нанесением средних значений экспериментальных данных и значений стандартного отклонения изображён на рисунке 7.

Оптимизацию значений изучаемого фактора (поиск экстремума функции) также проводили с использованием ПК. Вычисленное значение х, соответствующее минимуму: х = 80,9 %. Значение отклика в данной точке составляет: у(80,9) = 13,12 Вт-ч/г.

Таким образом, по результатам проведённого эксперимента видно, что для досвечивания растений больше всего необходим красный свет (более 80 %).

Также была проведена обработка опытных данных, полученных в результате многофакторного эксперимента по исследованию зависимости удельных затрат электроэнергии на досвечивание от частоты следования и коэффициента заполнения световых импульсов источников света. В данном эксперименте управляемым фактором X] являлась частота следования световых импульсов, фактором х2 - коэффициент заполнения световых импульсов. За отклик у было принято отношение электроэнергии, затраченной на досвечивание растений в ячейке, к их массе. Для упрощения последующих расчетов коэффициентов уравнения регрессии производили кодирование факторов. После обработки данных на ПК получено уравнение регрессии второго порядка вида:

у = 37,171-1,025-Х1+11,297-Х2+8,411-Х12+1,645-Х1-Х2+13,442-Х22, (3)

которое адекватно описывает опытные данные. График полученного уравнения регрессии представлен на рисунке 8.

В пятой главе «Оценка экономической эффективности применения светодиодных светильников для досвечивания овощей в защищенном грунте» даны расчёты показателей экономической эффективности применения светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в зимней теплице учебно-исследовательского тепличного комплекса Мичуринского государственного аграрного университета. Площадь данной теплицы составляет 5040 м2. Система электродосвечивания установлена в рассадном отделении площадью 720 м2, где выращивается рассада томата и огурца, а также салат, редис, лук на перо, зелень.

В базовом варианте электродосвечивание растений осуществляется 112 светильниками ЖСП 64-600-001 (ООО «НФЛ») с лампами НЛВД фирмы 08ПЛМ мощностью 600 Вт. Срок службы данных ламп, составляет 5000 ч. Потребляемая электрическая мощность одного светильника - 630 Вт. Общая установленная мощность системы досвечивания составляет 70,56 кВт. В предлагаемом варианте планируется заменить светильники ЖСП на светодиодные мощностью 440 Вт, срок службы СИД-светильников, заявленный производителем, составляет 50000 ч.

В результате проведенных расчётов были определены следующие параметры

В результате анализа уравнения регрессии (3), описывающего результаты многофакторного эксперимента, на поверхности отклика определена точка оптимума. Рассчитаны значения факторов и отклика в этой точке: значение первого фактора (частота следования световых импульсов) xj = 1148 Гц; значение второго фактора (коэффициент заполнения световых импульсов) х2 = 33,2 %;

При этих значениях

у - 37,171-1,U25-Xi-Hl,297,X; : факторов, значение отклика

......г......| I | Г I 4---:'! ■-.! ] ! !:">-.. (отношение электроэнергии,

затраченной системой

досвечивания в ячейке, к массе растений в этой ячейке) равно у = 34,77 Втч/г, что на 27 % меньше, чем среднее значение отклика в контрольной ячейке.

По результатам обработки экспериментальных данных можно сказать, что оптимальными параметрами светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в защищенном грунте являются: спектр светового излучения с преобладанием красной составляющей;

режим частота световых 1148 Гц; заполнения

Рисунок 8 - График поверхности отклика (значения факторов указаны в кодированных единицах): Х1 - частота следования световых импульсов, ед.; Хг - коэффициент

заполнения световых импульсов, ед.; у — отношение электроэнергии, затраченной на досвечивание растений в ячейке, к их массе, Вт-ч/г

импульсныи досвечивания; следования импульсов коэффициент световых импульсов - 33,2 %.

экономической эффективности: чистый дисконтированный доход (ЧДД) за счёт экономии энергоресурсов за весь срок эксплуатации светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в защищенном грунте составил 2 729 370 руб.; полный дисконтированный доход за счёт экономии энергоресурсов за весь срок эксплуатации светодиодных светильников составил 4 146 870 руб.; индекс доходности инвестиций равен 2,93; срок окупаемости инвестиций с учётом дисконтирования поступающих доходов за счёт экономии энергоресурсов составил 4,4 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ современного состояния процесса досвечивания овощных культур в защищенном грунте показал, что в настоящее время в данной сфере тепличного производства используются источники излучения, которые не позволяют без влияния на их ресурс применять импульсное или комбинированное облучение. Спектральные характеристики применяемых в настоящее время в защищённом грунте источников света не соответствуют оптимальному спектру, при котором фотосинтез протекает наиболее эффективно.

2. Разработана математическая модель, устанавливающая функциональную связь между параметрами источников света, такими как спектральный состав оптического излучения, электрическая мощность, световой поток, и удельным эффективным квантовым потоком, от которого зависит скорость фотосинтеза. С помощью разработанной математической модели был проведён сравнительный анализ различных источников света, в результате которого выяснилось, что некоторые типы светодиодов красного свечения по величине удельного эффективного квантового потока превосходят лампы ДНаЗ в полтора раза.

3. Разработаны методика и программа проведения экспериментальных исследований влияния параметров светодиодных светильников на их эффективность при электродосвечивании овощей в защищённом грунте. Исходя из программы проведения экспериментов определены конструктивно-технологические параметры лабораторной установки и диапазоны регулирования: освещённость создаваемая системой имитации солнечного излучения - 0-10 клк; температура воздуха внутри установки - 10-40°С; квантовый поток системы досвечивания - 0-50 цмоль/с; частота следования световых импульсов подаваемых светодиодными светильниками, работающими в импульсном режиме досвечивания - 100-10000 Гц; коэффициент заполнения световых импульсов, подаваемых светодиодными светильниками - 10-100%; соотношение синих и красных светодиодных ламп в ячейке - от 0:10 до 10:0. Разработана и создана лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований, отвечающая заданным требованиям.

4. Экспериментальные исследования показали, что применение в качестве источников излучения светоизлучающих диодов в импульсном режиме работы снижает затраты электроэнергии в процессе электродосвечивания овощей в защищённом грунте на 27 %. Оптимальными параметрами для светодиодных светильников при электродосвечивании овощей в защищённом грунте являются: спектр светового излучения с преобладанием красной составляющей; импульсный режим досвечивания; частота следования световых импульсов - 1148 Гц; коэффициент заполнения световых импульсов - 33,2 %.

5. Экономическая оценка эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия показала, что применение светодиодных светильников при электродосвечивании овощей в защищённом грунте экономически выгодно. На примере учебно-исследовательского тепличного комплекса МичГАУ были определены следующие

параметры инвестиционного проекта:

- ЧДД за счёт экономии энергоресурсов за весь срок эксплуатации светодиодных светильников для досвечивания овощей составил 2 729 370 руб.;

- срок окупаемости инвестиций с учётом дисконтирования поступающих доходов за счёт экономии энергоресурсов составил 4,4 года.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ

ПУБЛИКАЦИЯХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Фокин, A.A. Применение светодиодных светильников в защищенном грунте [Текст]/ A.A. Фокин// Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - 2012. -№2.-с. 112-116.

2. Фокин, A.A. Установка для экспериментального исследования влияния параметров светового излучения на растения [Текст]/ A.A. Фокин, А.Н. Попов// Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - 2012. - №2. — с. 117-121.

3. Фокин, A.A. Экспериментальные исследования влияния параметров светодиодных светильников на урожайность зеленого лука при электродосвечивании [Текст]/ A.A. Фокин// Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - 2013. - №4. -с. 153-159.

Публикации в сборниках докладов и материалах международных научно-практических конференций

1. Фокин, A.A. Математическая модель энергосбережения при электродосвечивании растений светодиодами [Текст]/ A.A. Фокин// Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21): сб. тр. XXI Междунар. науч. конф.; под общ. ред. B.C. Балакирева. - Тамбов: Издательство ТГТУ, 2008. - т. 11 - с. 156-159.

2. Фокин, A.A. Энергосберегающая технология электродосвечивания овощных культур в защищенном грунте [Текст]/ A.A. Фокин// Инновационно-техническое обеспечение ресурсосберегающих технологий АПК: сб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф., 4-5 мая 2009 г. - Мичуринск: Изд-во Мичуринского госагроуниверситета, 2009. - с. 203-208.

3. Фокин, A.A. К методике расчета светодиодных излучателей для теплиц [Текст]/ A.A. Фокин// Энергообеспечение и строительство: Сборник материалов III Международной выставки-Интернет-конференции: в 2 ч.; Часть 2. - Орел: Изд-во ООО ПФ «Картуш», 2009. -с. 75-79.

4. Фокин, A.A. Перспективы использования светодиодных излучателей в технологиях защищенного грунта [Текст]/ A.A. Фокин// Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК: Мат. Междунар. науч.-практ. конф., 13-14 мая 2010г. - Мичуринск-наукоград: Изд-во ФГОУ ВПО МичГАУ, 2011. - с. 223-226.

5. Фокин, A.A. Установка для экспериментального исследования влияния параметров светового излучения на урожайность растений [Текст]/ A.A. Фокин// Актуальные проблемы энергетики АПК: Материалы III Междунар. науч.-практ. конф./ Под ред. A.B. Павлова. - Саратов: Изд-во «Кубик», 2012. - с. 278-281.

Публикации в других изданиях

1. Фокин, A.A. Особенности расчета мощности излучения светодиодных систем электродосвечивания для теплиц [Текст]/ A.A. Фокин// Инновационные технологии производства, хранения и переработки плодов и ягод: Мат. науч.-практ. конф., 5-6 сентября 2009 года - Мичуринск-наукоград, 2009. - с. 207-209.

2. Фокин, A.A. Применение энергосберегающих технологий в защищенном грунте [Текст]/ A.A. Фокин, A.C. Гордеев// Материалы 64-й научно-практической конференции студентов и аспирантов (I раздел): сб. науч. тр./ Под ред. В.А. Солопова, Н.И. Грекова и др. - Мичуринск: Изд-во Мичуринского госагроуниверситета, 2012. - с. 83-85.

Отпечатано в издательско-полиграфическом центре МичГАУ

Подписано в печать 12.09.13г. Формат 60x84 '/ 16, Бумага офсетная № 1. Усл.печ.л. 0,9 Тираж 100 экз. Ризограф Заказ № 17532

Издательско-полиграфический центр Мичуринского государственного аграрного университета 393760, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101, тел. +7 (47545) 5-55-12

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ ФГБОУ ВПО МИЧГАУ «МИЧУРИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Фокин Алексей Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОСВЕЧИВАНИЯ ОВОЩЕЙ В ЗАЩИЩЕННОМ ГРУНТЕ

Специальность

05.20.02. - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Гордеев А.С.

Мичуринск-наукоград, 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ДОСВЕЧИВАНИИ ОВОЩЕЙ В ЗАЩИЩЕННОМ ГРУНТЕ......................11

1.1 Применение досвечивания в защищённом грунте...................................11

1.2 Принципы восприятия света растениями................................................. 13

1.3 Спектральный состав света, необходимый для эффективного фотосинтеза........................................................................................................16

1.4 Существующие источники света для досвечивания растений............... 19

1.5 Использование светодиодов для электродосвечивания..........................26

1.6 Динамическое освещение растений в защищённом грунте....................28

1.7 Научная гипотеза.........................................................................................30

1.8 Выводы.........................................................................................................31

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОДОСВЕЧИВАНИЯ ОВОЩЕЙ В ЗАЩИЩЕННОМ ГРУНТЕ.... 33

2.1 Математическая модель процесса электродосвечивания

растений..............................................................................................................33

2.2 Анализ эффективности различных источников света.............................38

2.4 Выводы.........................................................................................................44

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОСВЕЧИВАНИЯ ОВОЩЕЙ В ЗАЩИЩЁННОМ ГРУНТЕ..............................................................................................................45

3.1 Программа проведения экспериментальных исследований................... 45

3.2 Расчет мощности люминесцентных и светодиодных светильников

для экспериментальной установки..................................................................47

3.3 Экспериментальная установка для лабораторных исследований досвечивания овощей........................................................................................50

3.4 Технология выращивания зелёного лука как индикатора эффективности действия излучателя...............................................................61

3.5 Методика определения оптимальных спектральных характеристик светодиодных светильников, оптимальной частоты следования и коэффициента заполнения световых импульсов............................................64

3.6 Выводы.........................................................................................................68

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБРАБОТКА ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ...............70

4.1 Результаты экспериментальных исследований зависимостей эффективности светодиодных светильников для электродосвечивания

от их характеристик...........................................................................................70

4.2 Обработка результатов экспериментальных исследований зависимости удельных затрат электроэнергии на досвечивание от спектральных характеристик источников света.............................................72

4.3 Обработка результатов экспериментальных исследований зависимости удельных затрат электроэнергии на досвечивание от частоты следования и коэффициента заполнения световых импульсов источников света................................................................................................82

4.4 Выводы.........................................................................................................86

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ ДЛЯ ДОСВЕЧИВАНИЯ ОВОЩЕЙ В ЗАЩИЩЕННОМ ГРУНТЕ......................88

5.1 Исходные данные для расчёта................................................................... 88

5.2 Оценка экономической эффективности применения светодиодных светильников для электродосвечивания овощей............................................89

5.3 Выводы.........................................................................................................94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................95

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................97

ПРИЛОЖЕНИЯ

111

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

АТФ - аденозинтрифосфат

ДКсТ - лампа дуговая ксеноновая трубчатая

ДНаЗ - лампа дуговая натриевая зеркальная

ДНаТ - лампа дуговая натриевая трубчатая

ДРЛ - лампа дуговая ртутная люминесцентная

ДРЛФ - лампа дуговая ртутная люминесцентная физиологическая

ЗГ - защищенный грунт

ЛАТР - лабораторный автотрансформатор

ЛЛ - люминесцентная лампа

ЛС - люминесцентный светильник

МГЛ - лампа металлогалогенная

НАДФ - никотинамидадениндинуклеотидфосфат

НЛВД - натриевая лампа высокого давления

ОУ - облучательная установка

ПК - персональный компьютер

ПО - программное обеспечение

1111Ф - плотность потока фотонов

ПРА - пускорегулирующий аппарат

ПФЭ - полный факторный эксперимент

СИД - светоизлучающий диод

ФАР - фотосинтетически активная радиация

ЭПРА - электронный пускорегулирующий аппарат

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Проблема энергосбережения является одной из самых актуальных в современном мире, её решению развитые страны уделяют большое внимание.

В агропромышленном комплексе огромное количество электроэнергии затрачивается на технологические нужды в тепличных комбинатах. Наиболее энергоёмкими являются технологии светокультуры и электродосвечивания овощей. Доля отраслевого потребления электроэнергии в технологических процессах тепличного производства с использованием оптического излучения составляет 10-15%, а потери в них доходят до 40% [33].

Учёными в области электрификации сельскохозяйственного производства и светотехники Л.Г. Прищепом, И.Ф. Бородиным, В.В. Малышевым, И.И. Свентицким, В.М. Леманом, A.A. Тихомировым, В.П. Шарупичем, Н.П. Кондратьевым, H.H. Протасовой, Ю.М. Жилинским, Г.С. Сарычевым, A.A. Ничипоровичем, Е.А. Козыревой, С.А. Ракутько и другими разработаны теоретические основы применения оптического излучения для выращивания растений и эффективного использования электрической энергии для этих целей.

Для рационального использования электроэнергии в этой области используются специализированные источники света, отличающиеся от обычных спектральным составом оптического излучения.

В настоящее время в тепличных комбинатах наиболее широко применяются натриевые лампы высокого давления. Это обусловлено высокой светоотдачей данных источников света. Однако, спектральный состав излучения этих ламп не полностью удовлетворяет потребностям растений и содержит те участки спектра, в которых растения не поглощают или поглощают в малом количестве. Таким образом, электрическая энергия,

преобразованная в оптическое излучение, расходуется нерационально. Также натриевым лампам высокого давления присущи и другие недостатки.

В условиях рыночных отношений доля затрат на электроэнергию в себестоимости продукции тепличных комбинатов стала определяющим показателем экономической эффективности. Наибольший процент в себестоимости отечественных овощей защищенного грунта составляет доля энергетических затрат - 65-75%.

Для того чтобы выйти из такой ситуации необходимо использовать в тепличном производстве новые технологии, которые обеспечили бы высокорентабельное производство овощей и решили бы проблему круглогодичного обеспечения населения витаминной продукцией.

Поэтому тема диссертационной работы, посвященная применению светоизлучающих диодов для снижения энергозатрат на досвечивание овощей в защищённом грунте, является актуальной и имеет научное и практическое значение.

Целью работы является научное обоснование применения светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в защищенном грунте и определение оптимальных режимов их работы.

Задачи исследования:

- анализ известных и перспективных источников оптического излучения для досвечивания овощей в защищённом грунте;

разработка математической модели, устанавливающей функциональную связь между параметрами источников света, такими как спектральный состав оптического излучения, электрическая мощность, световой поток, и удельным эффективным квантовым потоком, от которого зависит скорость фотосинтеза;

разработка установки для проведения экспериментальных исследований влияния параметров светодиодных светильников на урожайность растений и разработка методики проведения экспериментов;

экспериментальное определение основных технологических параметров светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в ЗГ, таких как спектральный состав оптического излучения, частота следования световых импульсов, скважность световых импульсов;

- определение технико-экономической эффективности применения светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в защищенном грунте.

Объект исследований: процесс электродосвечивания овощей в защищенном грунте светодиодными светильниками.

Предмет исследований: зависимость удельной величины электроэнергии, затраченной на досвечивание растений, от параметров светодиодных светильников.

Методика исследований

В работе использованы методы системного и математического анализа, элементы математической статистики, теория планирования экспериментальных исследований, теоретические основы светотехники и светокультуры.

Экспериментальные исследования проводились с использованием современных образцов энергосберегающего светотехнического оборудования и микропроцессорных устройств. В работе использованы современная измерительная аппаратура и программно-технические средства.

Теоретические исследования и обработка результатов экспериментов реализовывались в программных пакетах Matlab, MathCad, MS Office, Statistica.

Научная новизна работы

Разработана математическая модель, устанавливающая функциональную связь между параметрами источников света, такими как спектральный состав оптического излучения, электрическая мощность, световой поток, и удельным эффективным квантовым потоком, от которого зависит скорость фотосинтеза.

- Теоретически и экспериментально обосновано применение для электродосвечивания светодиодов красного свечения, как наиболее эффективных преобразователей электрической энергии в энергию оптического излучения, необходимую для протекания фотосинтеза.

Практическая значимость работы

- Разработан режим работы светодиодных излучателей, позволяющий снизить затраты электроэнергии на досвечивание овощей в теплицах на 27%.

- Обосновано применение импульсного облучения для снижения энергозатрат на досвечивание.

- Разработана и создана экспериментальная установка, позволяющая определять эффективность различных источников оптического излучения для электродосвечивания овощей в ЗГ.

Достоверность результатов работы

Выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационном исследовании, базируются на теоретических положениях и научных принципах, разработанных ведущими учёными по фундаментальным и прикладным аспектам электрификации сельскохозяйственного производства. Основные выводы диссертационного исследования обоснованы теоретическими положениями и экспериментальными данными.

На защиту выносятся:

- математическая модель, устанавливающая функциональную связь между параметрами источников света, такими как спектральный состав оптического излучения, электрическая мощность, световой поток, и удельным эффективным квантовым потоком, от которого зависит скорость фотосинтеза;

- обоснование использования светильников на базе светоизлучающих диодов в импульсном режиме работы для электродосвечивания овощей в защищенном фунте;

- результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний с технико-экономической оценкой эффективности применения светодиодных светильников.

Реализация результатов исследований

Основные положения и рекомендации диссертационного исследования рассмотрены и включены в план перспективных разработок предприятия, специализирующегося на производстве светодиодных светильников, ООО «Эконекс» (г. Волгоград). Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Электрификации и автоматизации сельского хозяйства» Мичуринского государственного аграрного университета при проведении лекционных и лабораторных занятий по дисциплинам «Электротехника и электроника», «Светотехника» по специальности 110302 - «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства». Также результаты диссертационной работы были приняты для использования при совершенствовании системы электродосвечивания рассадного отделения теплицы типа «мультиспен» модели «Ришель 9,6 БЯ» учебно-исследовательского тепличного комплекса Мичуринского государственного аграрного университета.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на: XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» г. Тамбов, 2008; Всероссийской научно-практической конференции «Инновационно-техническое обеспечение ресурсосберегающих технологий в АПК» г. Мичуринск, 2009; научно-практической конференции «Инновационные технологии производства, хранения и переработки плодов и ягод», г. Мичуринск, 2009; III Международной выставке-интернет-конференции «Энергообеспечение и строительство» г. Орёл, 2009; научно-практической конференции «Комплексное решение вопросов энергосбережения и ресурсосбережения для инновационного развития агропромышленного

комплекса», г. Рязань, 2010; семинаре «Управление электрохозяйством предприятий агропромышленного комплекса», г. Мичуринск, 2010; 64-й научно-практической конференции студентов и аспирантов, г. Мичуринск, 2012.

Макеты и презентации экспонировались на ежегодной Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи «НТТМ-2012» (получена премия «Призёр» по поддержке талантливой молодёжи приоритетного национального проекта «Образование» по итогам конкурсной программы выставки).

В рамках проводимых научно-исследовательских работ были исполнены государственные контракты по программам Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на базе созданного в соответствии с 217-ФЗ малого инновационного предприятия ООО «НПЦ «ТехноСад»: программа У.М.Н.И.К.-2009, государственный контракт № 7133р/9641 от 31.07.2009г.; программа У.М.Н.И.К.-2011, государственный контракт № 8695р/13986 от 14.01.2011г.

Публикация результатов работы

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 132 страницы основного текста, 41 рисунок, 18 таблиц и 9 приложений. Библиографический список включает в себя 129 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ДОСВЕЧИВАНИИ ОВОЩЕЙ В ЗАЩИЩЕННОМ ГРУНТЕ

1.1 Применение досвечивания в защищённом грунте

Еще в первой половине двадцатого века медленный рост растений в зимний период принимался как нечто неизбежное. Использование теплиц и систем обогрева не решало проблему полностью, поскольку одной из причин медленного роста было отсутствие одного из важнейших факторов роста растений, а именно, света. Влияние света на растения и возможности дополнить дневной свет в зимний период изучались в течение многих лет, но практически только в пятидесятые годы эти исследования привели к желаемым результатам.

Свет важен для растений по трем причинам [31]. Во-первых, он необходим для фотосинтеза, при котором СО2 и вода соединяются в присутствии света с образованием углеводов - пищи растения. Во-вторых, свет регулирует внешний вид растений, что видно по этиоляции растений, выросших в темноте. В-третьих, относительная продолжительность периодов освещения и темноты регулирует ряд физиологических процессов и, в частности, цветение большого числа растений.

Недостаток естественного освещения может сказываться на одной или на всех этих реакциях растения, и когда для изменения этих условий пользуются искусственным освещением, следует учитывать его воздействие на все указанные реакции. Зимние дни относительно коротки, и интенсивность освещения очень низка (рис. 1.1). Так как скорость роста растений зависит от общего количества света, получаемого ими в течение дня, оба параметра являются лимитирующими и скорость роста очень сильно ограничивается.

Общее количество света, получаемого растениями в пасмурный декабрьский день, может составлять 6% количества света, получаемого в

ясный июньский день, а средняя освещенность в декабре может составить всего 7% соответствующ�