автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение эффективности использования оптического излучения в светокультуре огурца

На правах рукописи

Митягина Яка Георгиевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СВЕТОКУЛЬТУРЕ ОГУРЦА

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

003458470

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячки-на» (ФГОУ ВПО МГАУ).

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Косицын Олег Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Воробьев Виктор Андреевич, кандидат технических наук, с.н.с. Малышев Владимир Викторович

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии (ВНИИСБ)

Защита диссертации состоится 26 января 2009 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.02 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» (ФГОУ ВПО МГАУ) по адресу: 127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16а, корп. 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан 12 декабря 2008 года и размещен на сайте ФГОУ ВПО МГАУ www.msau.ru 12 декабря 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В.И. Загинайлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимость перехода на малообъемную технологию и технологию выращивания в светокультуре, вызвана сезонностью производства продукции защищенного грунта. Рынок овощей, в особенности в крупных городах, где развита сетевая торговля, требует постоянной поставки продукции. Малообъемная технология и технология выращивания в светокультуре позволяет благодаря применению искусственных субстратов и искусственных источников излучения обойтись без почвы и восполнить недостаток солнечного излучения в зимние месяцы. Использование дополнительного облучения позволяет увеличить в 2,5 раза урожайность с квадратного метра в год, получить тепличным комбинатам дополнительную внесезонную прибыль, добиться более раннего поступления продукции и равномерно использовать рабочую силу в течение года.

Объективная необходимость снижения энергоемкости производства овощей в светокультуре требует повышения эффективности использования дополнительного облучения. Поэтому, тема диссертационной работы, посвященная повышению эффективности использования оптического излучения в светокультуре огурца, является актуальной, имеет научное и практическое значение.

Цель работы. Повышение эффективности использования оптического излучения при выращивании растений огурца в светокультуре путем улучшения равномерности обучения всего растения.

В связи с этим поставлены следующие основные задачи исследования:

- Разработка конструкции шпалер, способствующей повышению равномерности облучения растений огурца в светокультуре;

- Разработка методики расчета облучательной установки для выращивания огурцов в светокультуре на основе моделирования растения в различные периоды его роста;

- Исследование равномерности искусственного облучения огуречного растения в зависимости от параметров облучательной установки и конструкции шпалер;

- Экспериментальное исследование зависимости роста и продуктивности растений при выращивании растений на новых конструкциях шпалер в светокультуре;

- Определение экономической эффективность разработки; Объект исследования. Плодоносящие растения огурца, как биологические приемники оптического излучения, выращиваемые в теплице при дополнительном облучении.

\

Предмет исследования. Влияние пространственного облучения, равномерности облучения вдоль стебля на рост и развитие растений огурца.

Методы исследования. Исследования выполнены с использованием .методов математического и статистического анализа, математического и физического моделирования, прямого наблюдения и эксперимента.

Научная новизна. Выполненные исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов, заключающихся в разработке:

- способа размещения растений в теплице, способствующего по-вышгнию эффективности использования оптического излучения.

- методики расчета облучательнбй установки для дополнительного облучения растений;

- моделей растения огурца выращиваемого на вертикальных и дугообразных шпалерах;

Практическая ценность работы заключается в создании метода и средств, позволяющих:

- повысить эффективность использования искусственного излучения облучательных установок для выращивания растений в светокультуре

- снизить затраты электроэнергии на единицу производимой продукции;

- уменьшить трудоемкость выращивания овощей в теплицах;

- повысить эффективность использования естественного излучения;

Реализация результатов исследования. Основные результаты исследования приняты для практического применения в теплицах ФГОУ СПС «Яхромского аграрного колледжа».

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывали :ь на международной научно-практической конференции «Роль моле дых ученых в реализации национального проекта «Развитие АПК» (Москва, МГАУ 29-30 мая 2007 года), международной научно-пракгической конференции «Инновационные технологии в сельском хозяйстве» (Москва, МГАУ 20-22 ноября 2007 года), международной научно-практической конференции «Инновации в области земледельческой механики» (Москва, МГАУ 12-13 февраля 2008 года).

Публикации. Основные теоретические положения и результаты исследования опубликованы в 7 научных работах, в том числе 2 в журналах по перечню ВАК и защищены патентом №63170.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 147 наименований, изложена на 126 страницах, включая 69 рисунков и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведен краткий анализ состояния современного овощеводства защищенного грунта и использования дополнительного облучения во внесезонный период.

В главе 1 «Состояние вопроса и задачи исследования» проведен обзор литературных источников, по вопросам производства и потребления продукции защищенного грунта, повышения эффективности выращивания овощей в теплицах. Рассмотрены проблемы выращивания растений в светокультуре.

Важный вклад в развитие научной базы создания искусственных источников излучения, разработку облучательных установок и повышение эффективности их использования, влияние искусственного излучения на рост и развитие растений внесли исследования известных ученых светотехников и физиологов: Вассермана А.Л., Воробьева В.А., Епанешникова М.М., Ермакова Е.И., Жилинского Ю.М., Клешни-на А.Ф., Косицына O.A., Кумина В.Д., Лемана В.М., Липова Ю.Н., Малышева В.В., Мешкова В.В., Мошкова Б.С, Ничипоровича A.A., Прищепа Л.Г., Сарычева Г.С, Свентицкого И.И., Соколова М.В., Фатеева В.И., Шарупича В.П., Шульгина И.А. На основе анализа имеющихся работ по использованию оптического излучения в светокультуре огурца выявлены недостатки существующих облучательных установок и сформулированы задачи исследования.

В главе 2 «Теоретические основы повышения эффективности использована? оптического излучения в облучательной установке для выращивания растений огурца в светокультуре» рассмотрены пути повышения эффективности использования оптического излучения.

Удельная продуктивность растений равна:

где М - масса овощной продукции, кг; 2 - электрическая энергии потребляемая за вегетационный период г» облучательными установками, кВт-ч.

где Ру - мощность облучательной установки, Вт; /у - продолжительность вегетационного периода, ч; £гг.т - минимальная фотосинтезная облученность, фит/м2; 5 - облучаемая площадь, м2; Z - коэффициент равномерности облу-Е .

чения, 2 = 51; Т|0 — КПД облучателя, отн.ед; Т)ф- фитоотдача, фит/Вт; Т)и- коэффициент использования потока излучения в области ФАИ.

(1)

(2)

ф 5

~ _ пад _ Р

где Фпзд ~ поток, падающий на растения, фиг; Фо5л - поток, облучателей, фит; - облучаемая площадь занятая под растениями, м2.

...... М . ... ,.. ..

Учитывая, что "А = —, получим:

^mm^V Emintv

„ М ,

где = — -урожайность кг/м . j

Очевидно, что при сравнении различных вариантов облучательных установок и технологий выращивания растений при искусственном облучении, лучшим будет тот из них, для которого удельная продуктивность растений (показатель А) будет больше. Другими словами, необходимо обеспечивать такие условия для выращивания в светокультуре, при которых А —»max.

Как видно из анализа формулы (3) требуется оптимизация двух групп параметров: 1) Облучательной установки (параметры Т|0Т|Ф).

TUZM %ZMy 2) Отношение группы величин ———— или —-.

min^V roin^V

Одним из путей, обеспечивающих максимальную продуктивность растгний, является программирование основных факторов влияющих на рост и развитие растений: интенсивность, направленность, продолжительность и спектральный состав излучения, температура, С02, водный режим и режим минерального питания. Говоря о резервах и путях повышения удельной продуктивности растений в светокультуре (А), следует обратить внимание еще на две возможности, которые вытекают из формулы (3). Имеется, введу облучаемая площадь, занятая под растениями Sp. А также коэффициент равномерности Z. При традиционной схеме размещения растений в оптимальном варианте SP<S, a Z=0,1. Если же увеличивать Sp и Z, то при прочих равных условиях показатель А можно повысить в несколько раз.

Для повышения эффективности использования дополнительного облучения плодоносящих растений огурца разработана конструкция шпалер, состоящая из упругих дуг. Сущность разработанной конструкции шпалер, состоит в том, что шпалеры, выполненные в виде параллельных дуг и соединенные между собой в средней части упругой

связью, устанавливаются между рядами высаженных растений. Шпалеры могут быть стационарными из металлоконструкций и временными из шпагата на период ведения культурооборота. При выращивании растений огурца способом малообъемной гидропоники возможно два варианта размещения стационарных шпалер. Первый - это напольный без заглубления шпалер в грунт (рис. 1 а,б) и второй - креплением шпалер на стеллажах (рис. 2). При использовании временных шпалер не нужны дополнительные капитальные вложения на металлоконструкции самих шпалер. Необходимо только натянуть уже существующую в теплицах шпалерную проволоку ниже (рис. 3).

а)

Рисунок 1 - Напольное размещение шпалер в теплице при выращнва-11Ш1 растений огурца способом малообъемной гидропоники: а) вдоль рядов растений; б) вид сверху; 1 - шпалеры; 2 - емкости с субстратом; 3 -растущее растение огурца; 4 - полимерная белая пленка; 5 - жесткая связь для устойчивости шпалер

нии растений огурца способом малообъемной гидропопики: 1 - шпалеры; 2 - емкости с субстратом; 3 - растущее растение огурца

помощью шпагата в теплице при выращивании растений огурца способом малообъемной гидропоники: 1 - шпалерная проволока; 2 - емкости с субстратом; 3 - шпагат; 4 - растущее растение огурца; 5 - полимерная белая пленка

По мере роста растения отплодоносившый стебель не придется приспускать, а растущий нужно будет только перекидывать на соседнюю шпалеру, т.е. стебель всегда будет располагаться горизонтально. Это позволит повысить равномерность облучения вдоль стебля, увеличить облучаемую площадь растений, снизить влияние градиента температуры по вертикали, повысить урожайность и снизить трудоемкость выращивания овощей в светокультуре.

Зеленый лист и, тем более, растение в целом являются объемными приемниками излучения. Их пространственная характеристика может изменяться в зависимости от роста и развития растения, объема ценоза, условий облучения и многих других факторов.

Поэтому расчет облучательной установки для дополнительного облучения плодоносящих растений огурцов довольно сложен и объемен. Но с широким распространением вычислительной техники появилась возможность ускорить процедуру светотехнических расчетов, которую можно смоделировать, используя специализированное программное обеспечение. Для этого была разработана методика расчета и модели растения огурца.

Световое поле - область пространства, в которой имеет место перенос световой энергии источника света (излучения). В соответствии с теоретической светотехникой средняя облученность выбранной поверхности, расположенной в окрестности точки светового поля определяется выражением:

Е=\ЬД3)Д1, : (4)

П

где £„ -яркость источника, освещающего поверхность; /(Р) - индикатриса облученности или пространственная характеристика приемника излучения; И - телесный угол, окружающий точку, в которой определяется значение Е.

Функция Др) - пространственная характеристика приемника излучения зависит от положения источника, освещающего выбранную поверхность, и формы этой поверхности:

/(Р)^, (5)

где 5о - площадь проекции поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению излучения; 5ц - площадь поверхности, средняя облученность которой определяется.

Пространственная характеристика всего растения очень сложна, однако с помощью гониофотометра оригинальной конструкции была определена пространственная характеристика 25 дневной рассады огурца. Исследования показали, что растение с тремя настоящими листьями имеют пространственную характеристику, приближенную к функции ЛР) = 0,25(1 + сояр) (рис. 4), т.е. - полусферы.

10 20 30 40 50 60 70 60 90100110

а б

Рисунок 5 - Растение огурна на вертикальной шпалере (а) н его пространственная модель (б)

Рисунок 4 - Пространственные характеристики: - полусферы-ф) = 0,25(1 + + собР); -■--пространственная характеристика рассады огурца с тремя настоящими листами; --тоже, с четырьмя настоящими листами

Рассматривая особенности роста листьев на стебле отдельного растения огурца, можно заметить, что непосредственно над каждым листом располагается лист четвертого от него яруса. Это позволило представить пространственную модель растения огурца в виде полусфер находящихся друг над другом (рис. 5).

Рассматривая особенности расположения листьев растения выращиваемого с помощью дугообразных шпалер, можно заметить, что листья располагаются в одной плоскости там, где стебель меняет свое положение. Исследования стереометрии листа огуречных растений, при дополнительном облучении показали, что форма листа приближена к полусферической. В плотной посадке листья будут представлять множество полусфер расположенных рядом. Известно, что для оценки облученности близко расположенных физических тел с учетом их взаимного затенения следует применять косинусную зависимость, т.е. эти группы приемников излучения моделировать плоской горизонтальной пластиной. Поэтому пространственная модель растения выращиваемо- -го на дугообразных шпалерах примет вид, представленный на рис. 6 б.

С целью проверки применимости разработанных моделей растения огурца и методики расчета был произведен теоретический расчет облу-чательной установки, результаты которого приведены на рисунках 7, 8.

а б

Рисунок 6 - Растение огурца на дугообразной шпалере (а) и его пространственная модель (б): 1 - вид сбоку; 2 - вид сверху

Е листьев вдоль стебля растений огурца, выращиваемого на вертикальных шпалерах;-теоретическое; а, •, - экспериментальное для растений длиной Ь соответственно 0,5 м, 1,3 м, 2 м

Рисунок 8 - Относительное распределение искусственной облученности Е листьев вдоль стебля растений огурца, выращиваемого на дугообразных шпалерах:-теоретическое; ■, - экспериментальное для растений

длиной Ь соответственно а) 0,5 м, 3,5 м, б) 2 м, 3 м

Математическая обработка показала, что экспериментальные данные согласуются с теоретическими, при этом погрешность сравнительной оценки распределения облученности вдоль стебля растений состав-

ляет при малой высоте растения 26% и при высоте 2 м - 6 %, что вполне приемлемо.

С помощью специализированной компьютерной программы предназначенной для светотехнических расчетов, разработанной методики расчета и моделей растения огурца было исследовано влияние параметров облучаяельной установки на равномерность облучения вдоль стебля растения.

По результатам расчетов были построены ¡рафики зависимости равномерности облучения растений Ъ на вертикальных и дугообразных шпалерах от высоты подвеса над фунтом (субстратом) Ь и расстояния между облучателями Ц(рис. 9, 10).

Дпя растения высотой 1 м

1 1,5 2 2,5 3 м

£3 0-0,05 «0,05-0.1 П 0,1-0,15 0 0,15-0,2 «0,2-0,25

Рисунок 9 - Зависимость равномерности облучения Ъ вдоль стебля растения на вертикальных шпалерах от^ысоты подвеса над грунтом (субстратом) Н и расстояния между облучателями Ь„

На равномерность облучения растений огурца выращиваемых на вертикальных шпалерах в большей степевд оказывает влияние высота подвеса облучателей и в меньшей расстояние между ними (рис. 9).

Для высоты растения более двух метров равномерность облучения резко снижается с 0,25 до 0,07, что свидетельствует о нецелесообразно-

Для растения высотой 0,5 м

ста использования высоких шпалер. Чем больше высота растения, тем выше над верхушками необходимо располагать облучатели.

Для растения дойной 0,5 м

Для растения длиной 1 м

Ь«5м 0,1 /

1 1,5 2 2,5 31,, м □ 0-0,1 Я 0,1-0,2 а 0,2-0, ЗО 0,3-0,4 НО, 4-0,5

Для растения длиной 2 м

а 0,05-0,1

■ 0,2-0.25

□ 0,1-0.15

Для растения длиной более м

2 25 3 и'м

В 0,2-0,4 00,4-0,' ■ 0,8-1

,6

Рисунок 10 - Зависимость равномерности облучения Z вдоль стебли растений на дугообразных шпалерах от высоты подвеса над грунтом (субстратом) И и расстояния .между облучателями Ь0

На равномерность облучения растений огурца выращиваемых на дугообразных шпалерах при длине стебля до 1,5. м в большей степени оказывает влияние высота подвеса облучателей и в меньшей расстояние между ними (рис.10). Однако при длш^й растения более 2 м на равномерность влияют как высота подвеса светильников, так и расстояние между ними. Малая высота подвеса облучателей над верхушками растений резко снижает равномерность облучения. Рекомендуемая высота подвеса составит 4 м, а расстояние между облучателями -1,6 м.

В главе 3 «Экспериментальные исследования выращивания растений огурца в светокультуре» изложены условия проведения опытов и характеристика объекта исследований, технология выращивания рассады и растений огурца, методика исследований зависимости роста и продуктивности растений. ' '

На основании экспериментальных исследований получены зависимости равномерности облученности вдоль стебля растений огурца выращиваемых на вертикальных и дугообразных шпалерах (рис.1 Г). При вертикальном выращивании растений огурцов с ростом стебля средняя облученность растения снижается, а на дугообразных шпалерах возрастает.

Рисунок 11 - Распределение искусственной облученности по листьям вдоль стебля растений огурца: а) длиной 0,5 м; б) 1,5 м; в) 2 м;

г) 3 м*;---на вертикальных шпалерах (контроль);---на дугообразных шпалерах (опыт). * длина стебля в отн. ед., т.к. при выращивании на вертикальных шпалерах растение приспускают, а при выращивании на .дугообразных - нет

В задачу исследований также входило изучить динамику нарастания биологической массы растения (листьев, стеблей, плодов) в зависимости от условий пространственного облучения. Учет площади листовой поверхности проводили с помощью палетки, учет массы плодов и всего растения производили взвешиванием.

Параметр Вариант Изменение в % к контролю

контроль опыт

Длив:а стебля на 59 день от посева, см 131 152 +16,0

Длина стебля на 78 день от посева, см 168 201 +19,6

Длина стебля надень ликвидации, см 246 311 +26,4

Средняя площадь листа, см"'' 92,33 110,17 +19,3

Средняя масса плода, г 101 119 +17,8

Урожайность, кг 12,13 14,59 + 20,3

Средняя масса стебля с листьями на момент ликвидации 202,3 240,6 +18,9

Рисунок 12 - Влияние пространственного облучение на рост и развитие растений: а) количество листьев на центральном стебле; б) длина центрального стебля:-контроль;---опыт

Таблица 2 - Фенологические наблюдения

Фазы развития растения Вариант выращивания

контроль опыт

Посев на рассаду 17.03 17.03

Появление всходов 23.03 23.03

Фаза развития семядолей 25.03 25.03

Фаза первого настоящего листа 29.03 29.03

Фаза 3-4 настоящих листьев 10.04 10.04

Высадка на постоянное место 17.04 17.04

Фаза 5-6 настоящих листа 21.04 20.04

Фаза 9-10 настоящих листьев 27.04 25.04

Начало цветения 02.05 30.04

Первый сбор 09.06 27.05

Последний сбор 10.07 10.07

Число дней от посева до всходов 6 6

Число дней от посева до высадки 30 30

Число дней от первого до последнего сбора 31 44

Период вегетации растений от посева до последнего сбора, дни 115 115

В период роста и развития растений проводили учет количества листьев на растении, площадь каждой листовой пластинки и площадь листьев на одном растении. Исследования показали (рис.12), что при увеличении равномерности облучения растений вдоль стебля их продуктивность увеличивается.

В главе 4 «Экономическая эффективность принятых решений» выполнен расчет экономической эффективности применения дугообразных шпалер дня выращивания растений огурцов в светокультуре на площади 10000 м2. При отсутствии дополнительных капитальных вложений получен годовой экономический эффект в размере 4848 тыс. руб.

Общие выводы

1. На основе анализа литературных источников по выращиванию растений в светокультуре разработана конструкция шпалер, способствующая повышению равномерности искусственного и естественного облучения в 2 раза.

2. Разработана методика расчета облучательной установки для выращивания огурцов в светокультуре на основе моделирования растения в различные периоды его роста.

3. Разработанная модель растения огурца позволяет с точностью 94% расчитать облученность растений, выращиваемых в светокультуре.

4. Выявлено, что равномерность облучения вдоль стебля растения в меньшей степени зависит от расстояния между облучателями и в большей от высоты их подвеса. С увеличением длины стебля при выращивании растений на вертикальных шпалерах равномерность снижается с 0,3 до ОД, а при выращивании на дугообразных шпалерах увеличивается с 0,3 до 0,8-0,9.

5. Теоретические исследования распределения облученности вдоль стебля растений показали, что для удовлетворительной равномерности минимальная высота подвеса облучателей над верхушками растений не должна быть менее 1 м, а расстояние между облучателями - менее 1,5 м. Рекомендованная высота подвеса облучателей ЖСП-600-1 с лампами ДНаЗ-600 над уровнем субстрата -4м (при высоте шпалер 2 м), а расстояние между облучателями 1,6 м.

6. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что разработанная конструкция шпалер, позволяет повысить эффективность использования дополнительного облучения в светокультуре огурца. Продуктивность растений в среднем повысилась на 20 %., экономический эффект в расчете на 10000 м2 составил 4848 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Митягина, Я. Г. Современные тенденции развития облучателъ-ной техники в тепличном овощеводстве [Текст] / Я.Г. Митягина, O.A. Косицын // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Серия «Агроинженерия». -№1.-2006. -С. 24-25.

2. Митягина, Я. Г. Новая конструкция шпалер для выращивания растений в светокультуре [Текст] /Я.Г. Митягина // Вестник ФГОУ ВПОМГАУ. Серия «Агроинженерия». -2008. - №2 (27).-С. 44-46.

3. Митягина, Я. Г. Проблемы и перспективы развития тепличного овощеводства [Текст] / Я.Г. Митягина П Объединенный научный журнал. - 2005. - №25. - С. 66-68.

4. Митягина, Я. Г. Повышение эффективности выращивания растений огурца в светокультуре [Текст] / Я.Г, Митягина // Роль молодых ученых в реализации национального проекта «Развитие АПК» : сб. материалов международной конференции. - М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2007. - С. 232-236.

5. Митягина, Я. Г. Повышение эффективности использования дополнительного облучения при выращивании растений с длинным стеблем. [Текст] / Я.Г. Митягина / Международный научный журнал. -2007.-№2(2).-С. 67-70.

6. Митягина, Я. Г. Об освещении [Текст] / Я.Г. Митягина, O.A. Косицын // Тепличные технологии. - 2007. - № 1. - С. 40-41.

7. Пат. 63170 Российская Федерация. Шпалеры для тепличного растениеводства [Текст] / Митягина Я.Г., Косицын O.A. - Бюд. №15. -2007.-Действие с 27.11.06.

Подписано к печати 9.12.2008

Формат 60x84/16

Печать - трафаретная

Уч.-изд. л. 1,1

Усд.-иеч. л. 1,2

Тираж 100 экз.

Заказ № 373

Отпечатано в издательском центре

ФГОУВПО МГАУ

127550, Москва, Тимирязевская ул., 58

Введение.

ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Тенденции производства и потребления продукции защищенного грунта.

1.2. Анализ состояния проблемы повышения эффективности производства овощей защищенного грунта.

1.3. Проблемы и особенности выращивания растений в светокультуре

1.4. Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. Теоретические основы повышения эффективности использования оптического излучения в облучательной установке для выращивания растений огурца в светокультуре.

2.1. Пути повышения эффективности использования оптического излучения при использовании искусственных источников излучения.

2.2. Разработка конструкции шпалер для выращивания растений в светокультуре.

2.2.1. Обоснование параметров конструкции шпалер.

2.2.2. Конструкция шпалер для выращивания растений огурца в светокультуре.

2.3. Расчет облучательной установки для выращивания растений огурца в светокультуре.

2.3.1.Выбор светотехнической программы.

2.3.2.Разработка пространственной модели растения огурца.

2.3.3.Методика расчета.

2.3.4.Расчет облучательной установки.

2.4. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования выращивания растений огурца в светокультуре.

3.1. Характеристика объекта исследований и условия проведения опытов.

3.1.1. Технология выращивания рассады.

3.1.2. Технология выращивания растений огурца.

3.2. Методика исследований зависимости роста и продуктивности растений при выращивании растений на новых конструкциях шпалер в светокультуре.

3.3. Результаты экспериментальных исследований.

3.3.1.Повышение эффективности использования искусственного излучения при выращивании в светокультуре.

3.4. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Экономическая эффективность принятых решений.

4.1 .Определение годовых эксплуатационных затрат.

4.2. Определение элементов эксплуатационных затрат.

4.3. Определение показателей экономической эффективности.

На сегодняшний день в Российской Федерации эксплуатируются порядка 2,6 тыс. га зимних остекленных теплиц и 1,5 тыс. га пленочных теплиц. Российский рынок стремительно развивается - этому способствует изменившаяся структура питания и стремление к здоровому образу жизни. Овощи, фрукты и зелень теперь нужны круглый год и в немалых количествах. За 2006 год 19 тепличными комбинатами Московской области было реализовано более 85 тысяч кг овощей. Ежегодно потребителям Москвы и области реализуются более 90 тыс. тонн витаминной продукции [140].

Отрасль овощеводства защищенного грунта в Российской Федерации начала формироваться в 70-х годах прошлого столетия. Основной пик строительства теплиц пришелся на 1972-1986 годы. К настоящему времени износ основных фондов приблизился к 80 %, теплицы эксплуатируются более 30 лет, при этом не проводились реконструкции и техническое перевооружение.

Вследствие физического износа теплиц повышаются затраты на отопле

V" ние, ремонт ограждающих конструкций и остекление. Экономическое положение большей части тепличных хозяйств оставляет желать лучшего. Многие тепличные комбинаты не могут компенсировать свои производственные затраты из-за низкого уровня технологии и высокой стоимости энергоресурсов.

Конструктивные решения старых теплиц не всегда позволяют внедрять прогрессивные технологии, без чего невозможно добиться увеличения производства продукции как главной составляющей экономики предприятий. Тяжелые условия труда в старых теплицах порождают отток кадров, особенно в Московском регионе. Вместе с тем, в настоящее время обострилось положение с использованием энергоресурсов в тепличном овощеводстве, что связано со значительным ростом цен на них. При существующих тарифах на теплоэнергоносители, их доля в структуре затрат на производство овощной продукции составляет 60-70 % [89]. Необходимо срочно искать дополнительные источники финансирования, привлекать инвестиционные, лизинговые компании, банки, региональные органы власти и т.п., постоянно находится в конкурентной среде, не боятся идти на финансовый риск. Следует экономически обосновывать строительство и ввод в эксплуатацию теплиц нового поколения, одновременно выводя из оборота старые, содержание которых расточительно.

Для решения задачи коренной реконструкции тепличных предприятий привлекают внимание и поддержку власти, как на региональном, так и на федеральном уровне. В Государственной думе РФ подготовлен Федеральный закон «О развитии сельского хозяйства и агропромышленного рынка в Российской Федерации». В проекте этого закона, к сожалению, нет ни одного слова об овощеводстве защищенного грунта как отрасли сельского хозяйства. Увеличение объемов производства отечественной сельскохозяйственной продукции, в том числе и продукции овощеводства, имеют не только экономическую значимость, но и политическую. Нужно в полной мере задействовать свои производственные мощности и трудовой потенциал и уменьшать импорт продовольствия.

Производительность труда в нашем тепличном овощеводстве ниже в 2-3 раза, чем в развитых странах Европы. Если лучшие тепличные комбинаты России такие, как «Московский» и «Белая дача» (Московская обл.); «Майский» и «Весенний» (Республика Татарстан); «Алексеевский» (Республика Башкортостан); «Тепличный» (Вологодская область) производят более 30 кг/кв.м огурцов и более 40 кг/кв.м томатов (за один оборот), то тепличный комбинат «Майский» использовав технологию светокультуры получил по итогам 2005 г. 103 кг огурца с одного кв. метра. В Финляндии (наш ближайший сосед) и Голландии получают до 70 кг/кв.м огурцов и 60 кг/кв.м томатов за оборот. А самые прогрессивные технологии в новейших культивационных сооружениях дают там 100-120 кг овощей с одного кв. метра в год. При этом на одном гектаре теплиц там работает до 4-х человек, тогда как у нас минимум 10 человек [39].

В России сектор защищенного грунта имеет шанс выжить при трех условиях: внедрении энергосберегающих технологий; повышении урожайности культур; более эффективном использовании кадров [128].

На сегодняшний день актуальным становится выращивание в светокультуре круглый год, которое позволяет получить максимальный урожай с квадратного метра в короткие сроки. Единственным в России тепличным комбинатом, где более 10 % площадей переведено на круглогодичное производство овощей является «Майский» в Казани. Тепличный комбинат «Майский» — это современное, постоянно совершенствующее своё производство предприятие, где для работников созданы все необходимые социально-бытовые условия. Предприятие активно использует для светокультуры энергоэкономичные лампы «Рефлакс», что позволяет снизить потребление электроэнергии в 2-2,5 раза за счет сокращения числа световых точек, меньшей единичной мощности облучателя и ускорения сроков выгонки рассады. Однако с ростом цен на энергоноситили и электроэнергию встает проблема себестоимости продукции. Затраты на электроэнергию при выращивании в светокультуре овощей и цветов составляют свыше 30%. На сегодняшний день эта проблема определяет необходимость разработать новые инженерные решения (технологии) при выращивании растений в светокультуре.

Общие выводы

1. На основе анализа литературных источников по выращиванию растений в светокультуре разработана конструкция шпалер, способствующая повышению равномерности искусственного и естественного облучения в 1,5 раза.

2. Разработана методика расчета облучательной установки для выращивания огурцов в светокультуре на основе моделирования растения в различные периоды его роста.

3. Разработанная модель растения огурца позволяет с точностью 94% рассчитать облученность растений, выращиваемых в светокультуре.

4. Выявлено, что равномерность облучения вдоль стебля растения в меньшей степени зависит от расстояния между облучателями и в большей от высоты их подвеса. С увеличением длины стебля при выращивании растений на вертикальных шпалерах равномерность снижается с 0,3 до ОД, а при выращивании на дугообразных шпалерах увеличивается с 0,3 до 0,8-0,9.

5. Теоретические исследования распределения облученности вдоль стебля растений показали, что для удовлетворительной равномерности минимальная высота подвеса облучателей над верхушками растений не должна быть менее 1 м, а расстояние между облучателями - менее 1,5 м. Рекомендованная высота подвеса облучателей ЖСП-600-1 с лампами ДНаЗ-600 над уровнем субстрата -4м (при высоте шпалер 2 м), а расстояние между облучателями 1,6 м.

6. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что разработанная конструкция шпалер, позволяет повысить эффективность использования дополнительного облучения в светокультуре огурца. Продуктивность растений в среднем повысилась на 20 %., экономический эффект в расчете на 10000 м составил 4848 тыс. руб.

АКТ о внедрении результатов научно-исследовательской работы

Мы, нижеподписавшиеся представители ФГОУ СПО «Яхромский аграрный колледж» в лице директора Амусова С.Э. и заместителя директора по научной работе Виноградова О,В. с одной стороньи представители ФГОУ ВПО «МГАУ им. В.П. Горячкина», в лице профессора кафедры «Электротехнологии в с.-х. производстве» Косицына O.A. и ст. преподавателя Митягиной Я.Г., с другой стороны, составили настоящий акт о внедрении научных рекомендаций по повышению эффективности выращивания растений огурца на дугообразных шпалерах в тепличном комбинате ФГОУ СПО «Яхромский аграрный колледж».

Практическое применение рекомендаций позволяет повысить продуктивность растений, а также снизить трудоемкость производства овощей.

Результатом практического применения рекомендаций становится повышение производительности в среднем на 6. 10 %, Увеличение продуктивности на 18.22 %.

Зам. директора по научной работе, к.т.н.

О.В. Виноградов

1. Азейнберг Ю.Б., Бухман Г.Б., Леман В.М. и др. Осветительная установка с плоским световодом для выращивания сельскохозяйственных культур в помещениях без естественного света. / Светотехника, 1978, №5.

2. Айзенберг Ю.Б. Основы конструирования световых приборов:- М.: Энергоатомиздат, 1996. 704 е.: ил.

3. Белогубова E.H., Васильев A.M., Гиль Л.С., и др. Современное овощеводство закрытого и открытого грунта. К.: ОАО «Издательство «Киев. правда», 2006. - 528 с.

4. Брызгалов В.А., Советкина В.Е., Савинов Н.И. Овощеводство защитного грунта Под. ред. В.А, Брызгалова. Л: Колос, Ленингр. отд-е, 1983. -352 с.

5. Будак В.П. Визуализация распределения яркости в трехмерных сценах наблюдения. М.: МЭИ, 2000. - 136С

6. Будак В.П. Компьютерная графика светотехнический проект на компьютере. Светотехника, 1999, №1. С. 22-25.

7. Будак В.П. Компьютерная графика. Сборник описаний лабораторных работ: Учеб. пособие. -М.: Издательство МЭИ, 2004. 68 с.

8. Будак В.П., Макаров Д.Н. Программы расчета и визуализации осветительных установок // Новости светотехники. Под общей редакцией доктора техн. наук, профессора Ю.Б. Айзенберга.: М. Дом света, 2005.

9. Вассерман А. Л., Квашнин Г. Н., Малышев В. В. Об оценке эффективности действия источников излучения на растения // Светотехника, 1986, №7, С.14- 16.

10. Вассерман А. Л., Малышев В. В. Об оценке эффективности облучения растений // Светотехника, 1985, № 8, С. 16 -17.

11. Ващенко С.Ф. Овощеводство защищенного грунта. Сельское хозяйство за рубежом, 1982, №10.

12. Ведомости 09.10.2000 / www.marketsurveys.ru

13. Венцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 1999. - 576 с.

14. Воробьев В.А. Эксплуатация и ремонт электрооборудования и средств автоматизации. :М. «КолосС», 2004.

15. Воробьев В.А. Электрификация и автоматизация с.-х. производства . -:М. «КолосС», 2005.

16. Выращивание овощей по системе малообъемной технологии / www.teplisa.narod.ru

17. Гаврилов Н.И. Теплоснабжение и конструкции сооружений защищенного грунта по основным зонам страны. / В кн. Рациональное размещение и использование защищенного грунта. Орел, 1967.

18. Гавриш С.Ф. и др. Гибрид огурца Fl Кураж: технология выращивания партенокарпического гибрида / НИИОЗГ; М.: НП «НИИОЗГ», 2005. -152 е.: 44 ил.

19. Гавриш С.Ф. и др. Пчелоопыляемые гибриды огурца для защитного грунта: Особенности биологии и технологии выращивания / НИИОЗГ; С.Ф.Гавриш, В.Г.Король, A.B. Шамшина, В.Н. Юваров, А.Е. Портян-кин М.: НП «НИИОЗГ», 2005-136 е.: 43 ил.

20. Гаенко Н.П, Лебл Д.О. Тепличное производство в Голландии. М.: Колос, 1971.

21. Галкин М.А., Липов Ю.Н. Гидропоника в СССР. Сборник докладов на симпозиуме «Механизация и автоматизация работ в защищенном грунте». Блейсвик, Нидерланды, 1987.

22. Галушко Э.Д. и д.р. Комплексная механизация возделывания овощных культур. -М.: Колос, 1966.

23. Гершун A.A. Световое поле от поверхностных излучателей равномерной и неравномерной яркости // Тр. ГОИ, 1928. Т. 4. Вып. 38. С. 10-19.

24. Гидропоника / www.ftcntr.ru/Bulitn/2001-01/content.htm

25. Гидропонная установка для производства овощей по системе Фест-Альпа-Рутнер. Фирма Vogelbusch, Австрия. Проект. Vienna, 1983.

26. Гидропонный метод выращивания овощей в теплицах / www.fito-agro.ru/agro.htm

27. Гликман М.Т., Клинникова С.С. К вопросу об учете климата при формировании типов теплиц. Сб.тр. Гипронисельпрома, вып. 2. - М.: Стройиздат, 1969.

28. Горский Г., Орешин М., Лихачев Ю. эффективность строительства гидропонных теплиц. Картофель и овощи, 1972, №9

29. Григорьев В.А., Зорин В.М. Теплоэнергетика и теплотехника. Справочник. -М.: Энергия, 1980.

30. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: КОЛОС, 1968.

31. Епанешников М.М. Оптимальные кривые силы света светильников для освещения промышленных предприятий. Светотехника, 1967, №12, с. 18-20.

32. Ермаков В.И., Черноусов И.Н, Принципы создания осветительных устройств для интенсивной светокультуры растений. // Проблемы культивирования растений в регулируемых условиях. Л., 1984.

33. Ермаков Е.И., Черноусой И.Н. Влияние ультрафиолетового излучения галогенной лампы накаливания на растения // Светотехника. 1985. -№2-С. 13-16.

34. Ермоленко В.А., Богачев Г.И., Савчук С.К. Надежность эксплуатации камер искусственного климата. Техника в сельском хозяйстве, 1982, №2.

35. Живописцев E.H., Косицын O.A. Электротехнология и электрическое освещение. М.: Агропромиздат,1990. - 303 с.

36. Жилинский Ю.М. Разработка и исследование вопросов электрификации процесса искусственного облучения овощных растений, выращиваемых в теплицах. Канд.дисс. М., 1970.

37. Жилинский Ю.М., Свентицкий И.И. Электрическое освещение и облу-, чение в сельскохозяйственном производстве. М.: Колос, 1968. - 303 с.

38. Зееман И. Климат теплиц и его регулирование. М.: Сельхозгиз, 1961.

39. Иванов И. Многорядная теплица // Тепличные технологии 2006. - № 1,№2.

40. Иванов И. Системы зашторивания // Тепличные технологии 2005. -№4 (5).-С. 30-34.

41. Камчатный В.И. Математические методы изучения роста и продуктивности растений. М.: Наука, 1976.

42. Камчатный В.И., Синковец Г.А. К методике определения площади листьев овощных растений // Овощеводство и бахчеводство. — Киев, Урожай, 1981, вып. 26.

43. Капельное орошение в промышленных теплицах / www.fito-agro.ru/poliv.htm

44. Кирий П.И. Опыт выращивания пчелоопыляемого гибрида огурца Fl Атлет в зимне-весеннем обороте в ОАО «Комбинат «Тепличный», с. Калиновка, Броварского р-на Киевской обл. // Гавриш. 2002. - №6. -С.14-17.

45. Клапвайк Д. Климат теплиц и управление ростом растений. М.: Колос, 1976.

46. Клешнин А.Ф. и др. Выращивание растений при искусственном освещении. М.: Сельхозгиз, 1959. - 352 с.

47. Клешнин А.Ф. Растение и свет: теория и практика светокультуры растений. М.: издательство АН СССР, 1954. - 456 с.

48. Клешнин А.Ф., Рождественский В.И. Управление культивированием растений в искусственной среде: Биотехнические основы. М.: Наука, 1980.- 199 с.

49. Колосов И.И. Поглотительная деятельность корневых систем растений. -М.: Изд. Ан СССР, 1962.-388 с.

50. Корогодов Н.С., Шульцев Г.П. Производство овощей под стеклом и пленкой. -М.: Колос, 1979.

51. Корольков Е. и др. Новый тип теплиц, обогреваемой тепловыми отходами промышленности. Картофель и овощи, 1971, №1.

52. Косицын O.A. Исследование процесса оптического облучения плодоносящих растений огурцов в теплицах и разработка метода расчета об-лучательных электроустановок: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1977, 187 с. с фото.

53. Косицын O.A. .Математическое моделирование пространственных характеристик биологических приемников излучения. Светотехника, 1978, №6, С.15-16.

54. Косицын O.A., Суетинов Г.С, Овсянникова Е.А., Моделирование индикатрисы облученности плотно расположенных тел с шаровидной поверхностью// Сборник научных трудов МГАУ (Агроинженерия) -№3(18) —С.20-21.

55. Кунгс Я.А. Технико-экономическое сопоставление облучательных установок теплиц / Кунгс Я.А., Михеева И.А., Цугленок Н.В. // Техника в сельском хозяйстве. 2002. - N6.-С. 13-15

56. JIapxep В. Экология растений / пер. с нем. Д.П. Викторова. М.: Мир, 1978.-383 с.

57. Леман В.М. Культура растений при электрическом свете. М.: Колос, 1971.

58. Леман В.М. Курс светокультуры растений. — М.: Высшая школа, 1976. -271 с.

59. Липов Ю.н„ Галкин М.А. Гидропоника в СССР./ В кн. «Механизация и электрификация работ в защищенном грунте». Материалы международных симпозиумов. М.: ВИСХОМ, 1998.

60. Липов Ю.Н. Научные основы расчета комплекса машин для защищенного грунта. М.: ВИСХОМ, 1993

61. Липов Ю.Н., Галкин М.А., Сысоев Е.С., Вик Р. Устройство блочно-модульного комплекса, системы и принципы управления. Сборник докладов на международном симпозиуме ЮНИДО. М., 1988.

62. Льоци М. История физики. М.: Мир, 1970. - 464С.

63. Малышев В.В. Выбор светотехнического оборудования для теплиц.// «Мир теплиц» (Научно-производственный журнал для специалистов защищенного грунта), 1997 г. №7, С. 56-57.

64. Малышев В.В. Нормирование освещённости в теплицах. М.: Сб. тр. ВИЭСХ. 2000, С. 425-428.

65. Малышев В.В. О нормах дополнительного облучения растений в теплицах. Светотехника. 1988 г. №7, С. 13-15.70