автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение эффективности облучательных установок для меристемных растений картофеля

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ГНУ ВИЭСХ)

КОЗЫРЕВА Екатерина Александровна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ МЕРИСТЕМНЫХ РАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

003475477

Работа выполнена в Федеральном государственном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования Ижевской государственной сельскохозяйственной академии (ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА) и в Государственном научном, учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кондратьева Надежда Петровна Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Растимешин Сергей Андреевич доктор технических наук, профессор Башилов Алексей Михайлович Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт овощеводства (ГНУ ВНИИ О)

Защита диссертации состоится «_»_2009 г. в

_часов на заседании диссертационного совета Д 006.037.01 при Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский пр-д, д. 2,

Телефон: (499)171-19-20. Факс: (499)170-51-01. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ.

Автореферат размещен на сайте www.viesh.ru и разослан_2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2, Диссертационный совет.

Факс: (499)170-51-01, E-mail: viesh@dol.ru. Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических нау$_ч ^ А. И. Некрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В диссертационной работе для исследования выбрана культура меристемный картофель, выбор связан с тем, что картофель имеет большое продовольственное значение, так как занимает второе место в структуре питания населения, уступая только зерновым.

В Удмуртской Республике исторически сложившиеся природно-климатические условия и экономические отношения благоприятствуют возделыванию картофеля на значительных площадях. В настоящее время средняя урожайность картофеля по Республике колеблется от 11,5 до 13 т/га. Одна из основных причин получения низких урожаев картофеля заключается в низком качестве посадочного материала. В семенном фонде коллективных хозяйств доля элитного картофеля составляет до 4,5 %. Следовательно, увеличение производства элитного картофеля, улучшение сортового состава, внедрение современных технологий позволит резко повысить эффективность картофелеводства.

За рубежом элитный картофель выращивается в меристемных лабораториях, оборудованных дорогостоящими установками. Дорогостоящее оборудование быстро окупается за счет высокой стоимости элитного картофеля и повышения урожайности до 60 т/га.

В Удмуртской Республике посадочный материал также выращивается в специализированных меристемных лабораториях. Процесс выращивания меристемы достаточно трудоемкий и энергоемкий. В связи с резким удорожанием электрической энергии в диссертационной работе решается задача научного обоснования технических решений для интенсификации электрооблучения меристемных растений картофеля, способствующих увеличению выхода продукции и снижению энергетических затрат.

Учеными в области электрификации сельскохозяйственного производства Л.Г. Прищепом, И.Ф. Бородиным, Д.С. Стребковым, A.M. Башиловым, С.А. Растимешиным, Р.Г. Бутенко, И.И. Свентицким, В. В. Малышевым,

Ю.М. Жилинским, В.М. Леманом, Г.С. Сарычевым, A.A. Тихомировым, А.П. Примаком, В.Н. Карповым, В.П. Шарупичем, А.П. Коломийцем, В.А. Козин-ским, O.A. Косицыным, Н.П. Кондратьевой и другими разработаны теоретические основы применения оптического излучения для выращивания растений и эффективного использования электрической энергии для этих целей.

Исследования и разработки выполнялись автором в соответствии с отраслевой научно-технической программой 0.сх.71 «Осуществить поиск и разработку высокоэффективных методов и средств рационального использования электрической энергии в сельскохозяйственном производстве и быту сельского населения» и по заданию программы РАСХН «Разработать ресур-соэкономичные экологически безопасные и экономически оправданные технологии возделывания сельскохозяйственных культур» (2000...2010гг.), по комплексным темам НИС ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА (2000...2007гг.).

Целью работы является научное обоснование и разработка энергосберегающих облучательных установок на базе разрядных ламп низкого давления и светодиодов, позволяющих снизить потребление электроэнергии и увеличить выход семенного здорового элитного посадочного материала ме-ристемного картофеля.

Основные задачи работы:

• Провести аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по оценке воздействия оптического облучения на растения в защищенном грунте.

• Разработать математическую модель по обоснованию эффективного режима облучения, устанавливающую связь между способом облучения и развитием меристемных растений культуры картофеля.

• Разработать методику расчета коэффициента мощности облучательных установок с газоразрядными лампами, работающих в комбинированном режиме, и предложить способы повышения коэффициента мощности.

• Обосновать и разработать технические требования на комплект оборудования, обеспечивающий включение люминесцентных ламп низкого давления в комбинированном режиме.

• Провести лабораторные и производственные испытания и определить экономическую эффективность применения комбинированного и светодиодного облучения меристемных растений культуры картофеля. Объектом исследования является система, состоящая из меристемной

культуры картофеля, технических средств облучения и технологических мероприятий, позволяющая снизить потребление электроэнергии облучатель-ных установок.

Научная новнзна работы состоит в том, что впервые:

• теоретически и экспериментально установлена целесообразность совершенствования облучательных установок для выращивания меристемной культуры картофеля с применением комбинированного режима с люминесцентными лампами низкого давления и светодиодами, обеспечивающих экономию электроэнергии;

• предложена структурно-функциональная схема по обоснованию наиболее эффективного режима облучения, устанавливающая связь между способом облучения и развитием меристемных растений культуры картофеля, зависящая от параметров микроклимата;

• получена математическая модель по определению эффективного режима облучения меристемного картофеля по минимуму удельного расхода электрической энергии;

• предложен новый комбинированный способ облучения растений, позволяющий сократить потребление электрической энергии на 20%, а на светодиодах - 75%;

• обоснован способ повышения показателей эффективности облучательных установок, работающих в комбинированном режиме облучения (коэффициент мощности).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса преобразования энергии оптического излучения при выращивании меристемного картофеля.

2. Использование светильников с лампами типа ЛБ-80 и со светодиодами при облучении меристемных растений картофеля, с целью снижения затрат электроэнергии на 20% при использовании с комбинированным режимом работы ламп ЛБ-80, а со светодиодами типа Ь\УК 9653/Х1 1^кек - на 75%.

3. Результаты исследований, лабораторных и производственных испытаний с технико-экономической оценкой эффективности различных способов облучения меристемного картофеля.

Практическая значимость исследования.

• Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили снизить затраты электроэнергии при облучении меристемного картофеля;

• Разработано устройство управления РЛ НД для реализации комбинированного режима облучения.

• Технические требования на комплект оборудования управлением работой ламп в комбинированном режиме были переданы на ЗАО «Удмур-тагропдомэнерго», ООО «Удмуртский агроэнергосервис», для изготовления партии. Было изготовлено 7 комплектов оборудования. Разработанное оборудование успешно прошло производственную проверку в течение 2 лет.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе при выполнении курсового, дипломного проектирования, в научных работах студентов ФГОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии, включены в учебник и учебные пособия.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы проверены в лаборатории кафедры автомати-

зированного электропривода ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА и в промышленной меристемной лаборатории Удмуртского НИИСХ в экспериментальном тепличном комбинате пос. Первомайский, в Учхозе «Июльское».

Результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-производственных конференциях в Ижевской государственной сельскохозяйственной академии (ИжГСХА, Ижевск, 2002...2008 гг.).

На основе разработанной в диссертации методики электрооблучения растений предложен расчет скорости газообмена двуокиси углерода при импульсном облучении, на который получено Свидетельство об отраслевой регистрации разработки за № 11630, выданное Федеральным агентством по образованию: ФГНУ «Государственный координационный центр информационных технологий»: Отраслевой фонд алгоритмов и программ.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах, в том числе две работы в издании, в указанном в «Перечне ведущих журналов и изданий...» ВАК Минобразования и науки РФ, получено Свидетельство об отраслевой регистрации разработки.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа изложена на 153 страницах текста, содержит 45 рисунков, 22 таблицы и три приложения на 18 страницах.

Список использований литературы включает 116 наименований, из которых 16 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследования и положения, выносимые на защиту, раскрыта научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе «Современная технология выращивания меристем-ного картофеля и способы облучения» рассмотрена современная технология выращивания меристемного картофеля и различные способы облучения.

В меристемной лаборатории размещено 40 двухсторонних стеллажей, каждый стеллаж имеет по 4 полки, на одной полке находятся пять штативов по 31 растению на каждую сторону. В январе 17 пробирок с растениями устанавливаются в штативы на стеллажи, где их облучают люминесцентными лампами ЛБ80 в течение четырех недель. Для ускоренного размножения семенного картофеля применяют метод черенкования. Черенкуют ростки картофеля каждые четыре недели, при этом сразу же отбраковываются зараженные ростки. При попадании в пробирку вируса происходит потемнение питательной среды. В течение года ростки с одной партии черенкуют 5...6 раз. В конце мая растения из пробирок высаживают в теплицу для получения картофеля элиты. В условиях защищенного грунта из пробирочных растений выращиваются миниклубни. В табл. 1 приведены технологические параметры в различные периоды лабораторных исследований. Из табл. 1 следует,. что для выращивания 40 ООО меристемных растений требуется при облучении люминесцентными лампами ЛБ-80 в непрерывном режиме электрической энергии 21846,5 кВт-час.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований, направленные на разработку более энерго- и ресурсосберегающих облучателышх установок для выращивания меристемного картофеля.

Таблица 1

Технологические параметры лабораторных исследований

Периоды лабораторных исследований Количество растений, шт. Количество ламп, шт. Расход энергии при непрерывном облучении, кВт-ч

Январь 17 3 138.2

Февраль 117 3 138.2

Март 816 9 428.5

Апрель 5714 57 2714.1

Май 40000 387 18427.4

£ расход электроэнергии 21846.5

Июнь Высадка в теплицу -

Во второй главе «Теоретическое обоснование использования комбинированного режима облучения меристемного картофеля» решается вопрос обоснования энергоэкономичного источника излучения и режима облучения меристемного картофеля. Для оценки энергоемкости различных процессов при выращивании растений можно воспользоваться эксэргией, которая показывает усвояемость энергии оптического излучения меристем-ными растениями. Ввиду отсутствия приборов для измерения эксэргии в диссертационной работе этот способ оценки излучений не рассматривается.

Проведен анализ источников оптического излучения для облучения растений. Предложен рациональный режим облучения растений (комбинированный), учитывающий особенности процесса фотосинтеза, позволяющий повысить эффективность использования электрической энергии.

Комбинированный режим представляет комбинацию импульсного и непрерывного облучения, параметры которого были выбраны нами из работ канд. биол. наук Коржа Б.В. - длительность светового импульса 0,5 с, тем-

нового - 1,0 с, продолжительность импульсного облучения составляет 30 с, непрерывного - 15 с (рис. 1).

Для реализации комбинированного режима облучения необходимо разработать электрические схемы, позволяющие использовать разрядные лампы низкого давления, максимально сохраняя их светотехнические характеристики и срок службы.

II ! III ■ ■ ' ^ : Г ■ 1 !|

Гс =0.5 с. ¡ггЮс. ти =30 с. 5 с тнИ5с /

Рис. 1. График комбинированного режима облучения: ¡с - длительность импульса излучения; ¡п- длительность паузы; Тц-длительность импульсного облучения; тн - длительность непрерывного облучения; Т-период комбинированного режима облучения

В процессе исследований нами была разработана структурно-функциональная схема, обосновывающая рациональный способ облучения меристемных растений картофеля за счет эффективного использования электрической энергии и улучшения качества меристемных растений картофеля (рис. 2).

В предлагаемой схеме приняты следующие ограничения:

1. Исследования проводились для меристемных растений картофеля, т.е. X]-определяет вид растения;

2. За основу принята используемая в Государственном научном учреждении «Удмуртский научно-исследовательский институт сельского хозяйства» (ГНУ УГНИИСХ) технология выращивания меристемного картофеля. Следовательно, х2 - фаза развития, х3 - качество семян;

3. Схема справедлива для условий микроклимата, поддерживаемого при выращивании меристемных растений картофеля; т.е. х4 - характеризует питательный раствор; х5 - влажность; х6 - температуру воздуха; ъ _ уровень облученности. В разрабатываемой схеме принимались все уровни дополнительных факторов такими, которые устанавливаются в ГНУ УГНИИСХ для меристемных растении картофеля.

Влияющие факторы х„

X,

х2

Х3

Рис. 2. Структурно-функциональная схема воздействия энергии оптического излучения на биологический объект

Нами предложена математическая модель по определению наиболее эффективного режима облучения меристемного картофеля. Критерием эффективности электрооблучения предлагается принять минимум удельного расхода электрической энергии, который определяется как отношение израсходованной на выращивание растений электрической энергии к выходу продукции (площади листьев меристемных растений картофеля):

Q

? = у->пип, (1)

где - удельный расход электрической энергии, «Вт -ч 0 - израсходовании ^

ная на выращивание растений электрическая энергия, кВт-ч\ 5 - площадь листьев меристемных растений, мм2.

Процесс Ъ

Результат У

Культура картофель

Наибольшая удельная продуктивность

Израсходованная на выращивание растений электрическая энергия при непрерывном способе их облучении люминесцентными лапами, (?„е„р, определяется из выражения:

Я„епР=1.2.Рл-пл-Мдн-1раб, (2)

где 1,2 - коэффициент потерь мощности в ПРА для разрядных ламп низкого давления; Рл - мощность одной лампы (0,08 кВт); пл - количество ламп (36

шт.); №д„- количество дней работы облучательной установки (42 дня); (ра6 -количество часов работы осветительной установки в день (16 час).

При облучении меристемных растений светодиодами типа 9653/Х11^кек электрическая энергия, бс/даол > определяется из выражения:

Ъстт ~ ? с/тол ~ПСДИОД ' N й„ • I йгац

»

где Ргтп:{ - мощность одной лампы на светодиодах, кВт;

псдиол - количество ламп на светодиодах, штук; пСД1ЮД - 36

Количество израсходованной электроэнергии 0 при комбинированном режиме облучения лампами ЛБ-80 определяется по выражению:

О ЛР.ПР ~ ^ ■ Р Л ' п Л ' * И МЛ. СВЕТ +

+ 1,2 • 0 ,2 • Р л • п л -1гшн + ( (4)

+ 1,2 • Р л - ПЛ -Ы

где Хишсв„ - время работы лампы в импульсном режиме;

1ТШН - время темновой паузы;

1нкпг " время работы лампы в непрерывном режиме.

Расход электрической энергии при различных режимах облучения, рассчитанный по формулам (2, 3, 4), приведен на рис. 3.

2500

Непр. наЛБ-80 непр.на сеетояиодах комбинир. на ЛБ-80

РЕЖИМЫ ОБЛУЧЕНИЯ

Рис. 3. Расход электроэнергии при различных режимах облучения за 42 дня выращивания меристемного картофеля

Проведенные нами исследования позволили получить следующие графические зависимости, иллюстрирующие изменение площади листьев меристемного картофеля в зависимости от режима облучения (рис. 4). Из рис. 4 видно, что все три кривые имеют сложный характер. Поэтому для получения их достоверной математической интерпретации они были разбиты условно на три участка. Первый участок характеризует развитие растений с первого по 10 день; второй - с 10 по 30 день; третий - с 30 по 42 день. Используя программу электронных таблиц Excel, были найдены теоретические зависимости, описывающие процесс нарастания площади листьев меристемного картофеля при непрерывном облучении (контроль), при облучении комбинированным способом: с дежурным разрядом в период темновой паузы и без него.

Рис.4. Изменение площади листьев меристемных растений картофеля

за 42 дня

Математическая зависимость, показывающая динамику нарастания площади листьев меристемных растений картофеля (мм2) при непрерывном облучении растений лампами ЛБ-80 имеет вид:

sHnp=

4,92£e°'103N, где ОчЬИЮ; при R2 =0,998;

0,323-N2-3,264N+2Q4, где 10<N-(30; при R2=1,0 (5)

0,048-N2+3,66-N-l$6, где 30£N-<42; при R2=1,0

S

При облучении растений комбинированным способом лампами ЛБ-80:

5,071-е°'128?>), где (>-<N-<10; при Я2=0,999; 0,5131М2-6,531-N+4^2,где 10<^-<30;при Я2=0,998; (6)

0,012-Ы2+0,98-К+364, где 30<М-<42; при Я2 =1,0

'Д/РАЗР=

При облучении растений в непрерывном режиме светильниками на базе светодиодов типа 1ЛУК 9653/Х1 Ligitek:

^/дисуг

5,042-e°'I34N, где O^N-clQ при R2 = L0 ;

0,522-N2-7,524 N+4} 19, где 10<Nx30; при R2 =0,998; (7)

0,009 N2+0,73» N+4214, где 30<N-<42; при R2 =1,0

Подставляя значения формул (2,3,4) и (5,6,7) в формулу (1) получаем выражения удельного расхода электрической энергии, которые решаем с помощью программ электронных таблиц Excel. После проведения математических вычислений получили, что применение комбинированного режима на газоразрядных лампах низкого давления позволяет снизить показатели удельного расхода электрической энергии на 26%, а при реализации его на светодиодах - на 75%.

В третьей главе «Обоснование и разработка технических средств на систему облучения меристемного картофеля» представлены технические решения для реализации комбинированного режима освещения.

В системе управления программируемым устройством нами выбран микроконтроллер типа IR21592. Он отвечает всем современным требованиям по обеспечению надежной работы.

о-

о-

I

T1220f S

-о-

vamoM/

Т

СА1 ,

"О"

VCOx-O J Я222х

т

i i

wr

- '-<У -

1

СИ

С2

470хЯ

■±ао.1

Рис. 5. Схема системы управления люминесцентными лампами в комбинированном режиме

Микроконтроллер IR21592 имеет FLASH-память объемом 8 Кбайт, ОЗУ объемом 1 Кбайт и EEPROM - память данных объемом 512 байт. Максимальное количество контактов ввода/вывода равно 23, количество восьми разрядных потов ввода/вывода три В, С, D. Напряжение питания 4,5. ..5,5 В.

Микроконтроллер позволяет управлять работой люминесцентных ламп в комбинированном режиме по программе в среде «AVR Studio 4», с использованием языка программирования «Ассемблер». Схема систем управления JIJI НД в комбинированном режиме показана на рис. 5.

При реализации комбинированного режима облучения электрическая энергия из сети потребляется неравномерно.

В общем случае при постоянном во времени потреблении электроэнергии коэффициент мощности для нелинейной X нагрузки находится из выражения:

Рср Л

X=-f = -j-™<P, (8)

где Рср - средняя активная мощность; 5 - полная мощность; /, - действующее значение первой гармоники тока; I - действующее значение тока; cosp -

коэффициент сдвига фаз. Отношение у носит название коэффициента искажения.

При неравномерном во времени потреблении электроэнергии коэффициент мощности для нелинейной х нагрузки определяется как:

Z = (9)

где Гд - действительное время включения облучательной установки за период комбинированного режима Г.

Таким образом, при работе источника излучения в комбинированном режиме коэффициент мощности % зависит не только от коэффициентов сдвига фаз и искажения, но и зависит от соотношения работы установки Тм к величине этого периода Т. Поэтому дальнейшее увеличение результирующего коэффициента мощности связано с увеличением времени работы осветительных установок Тд.

Для повышения результирующего коэффициента мощности нами предложен способ последовательно-согласованного включения облучатель-ных установок. Способ заключается в том, что каждая последующая газоразрядная лампа включается в момент выключения предыдущей, т.е. будет иметь место последовательно-согласованное включение (ПСВ) осветительных установок (рис. 6).

(Р, *Рг *Р,)

ХР

(Р^Р^Р,)

1 п п п П_□_

-П_п п

XI

п

3 с

а)

оШ

I-7/

б)

Рис. 6. Гоафики потребления мощности для трех установок, работающих в комбинированном режиме: а) при последовательно-согласованном включении; б) при одновременном их включении

В нашем случае, при длительности светового импульса ^ = 0,5 с и тем-новой паузы 1-1=1,0 с для сглаживания графика потребляемого тока достаточно включать последовательно - согласованно три лампы или три подгруппы ламп.

Для выравнивания во времени графика потребляемой электроэнергии тремя группами осветительных установок, работающими в комбинированном режиме, необходимо сместить во времени моменты включения этих групп ламп осветительных установок друг относительно друга, т.е. в момент выключения первой группы включать вторую, а в момент выключения второй включать третью и т. д.

При работе осветительных установок в комбинированном режиме имеет место снижение коэффициента мощности за счет неравномерного во времени потребления электроэнергии. Нами предложен способ последовательно-согласованного включения таких осветительных установок, позволяющий повысить результирующий коэффициент мощности до 0,7+0,8, выравнить во времени график потребления суммарной электрической энергии, то есть

улучшить энергетические характеристики осветительных установок, работающих в комбинированном режиме.

В четвертой главе «Результаты лабораторных и производственных испытаний» приведены результаты экспериментальных исследований при различных режимах облучения меристемного картофеля разрядными лампами низкого давления и светодиодами.

Испытания проводили в меристемной лаборатории Удмуртского государственного НИИСХ, а также в тепличном комбинате поселка «Первомайский» и учхозе «Июльское». В меристемной лаборатории исследовались три способа облучения:

- непрерывный на базе люминесцентных ламп ЛБ-80;

- комбинированный на базе люминесцентных ламп ЛБ-80;

- непрерывный на базе светильников на светодиодах типа Ь\УК 9653/Х1 Ь^Иек.

В меристемной лаборатории поддерживались следующие параметры микроклимата: температура воздуха 21±1°С, влажность воздуха 80%, фотопериод - 16 часов в сутки. Замеры освещенности проводились прибором марки «ТКА».

Облучение меристемного картофеля осуществлялось с января по май месяц при выращивании 40000 растений. Схема опыта и результаты потребления электрической энергии в табл. 2.

Из табл. 2 видим, что расход энергии при непрерывном облучении растений лампами ЛБ-80 составляет 21846,5 кВт-час, а при комбинированном режиме облучения расход энергии составляет 17477,2 кВт-час; при непрерывном облучении растений лампами на светодиодах расход энергии составляет 5461,6 или в денежном выражении при стоимости электроэнергии 2,0 руб. за 1 кВт-час, при непрерывном на ЛБ-80 - 43693 руб., при комбинированном облучении лампами ЛБ-80 34954,4 руб. и при непрерывном облучении лампами на светодиодах типа Ь\УК 9653/Х1 ]^иек - 10923,3 руб.

Таблица 2

Потребление электроэнергии на облучение меристемного картофеля

Периоды лабораторных исследований Количество растений, шт. Количество ламп, шт. Количество потребляемой элеютрооне ргии. кВт'ч Стоимость электроэнергии, руб.

Непрерывный режим облучения на лампах ЛБ-80 Комбинированный режим облучения на лампах ЛБ-80 Непрерывный режим облучения на свего-диодах Непрерывный режим облучения на лампах ЛБ-80 Комбинированный режим облучения на лампах ЛБ-80 с дежурным разрядом Непрерывный режим облучения на свето-диодач

Январь 17 3 138.2 110.6 34.6 276.5 221.2 69.1

Февраль 117 3 138.2 110.6 34.6 276.5 221.2 69.1

Март 816 9 428.5 342.8 107.1 857.1 685.7 214.3

Апрель 5714 57 2714.1 2171.3 678.5 5428.2 4342.6 1357.1

Май 40000 387 18427.4 14741.9 4606.9 36854.8 29483.8 9213.7

V - 21846.5 17477.2 5461.6 43693 34954.4 10923.3

Июнь Высадка в теплицу

В мериетемной лаборатории в процессе роста растений ежедневно проводились измерения общей площади листьев по методике профессора Н. Ф. Коняева.

Таблица 3

Изменение площади листьев меристемного картофеля при различных способах облучения, мм2

Дни Способ облучения

Непрерывный режим облучения на лампах ЛБ-80 Комбинированный режим облучения на лампах ЛБ-80 Непрерывный режим облучения на светодиодах типа 1ЛУК 9653ОТ

5 10,1 ±0,354 10,7±0,342 10,6±0,339

10 15,2±0,054 16,05±0,055 15,9±0,054

15 24,01 ±0,013 25,68±0,014 25,44±0,014

20 36,6±0,005 38,52±0,005 38,16±0,005

25 46,7±0,002 50,29±0,003 49,82±0,003

30 51,9±0,001 55,64±0,002 55,12±0,001

42 53,8±0,012 57,56±0,011 55,95±0,002

Средний прирост общей площади листьев у 50 растений за 42 дня приведен в табл. 3. Данные табл. 3 показывают, что растения, облучаемые комбинированным способом, несколько быстрее набирают зеленую массу, что свидетельствует о наиболее высоком к.п.д. фотосинтеза в этом варианте. Выход зеленой массы при комбинированном облучении увеличился на 7%, а при облучении светодиодами на 4%.

Производственные испытания проходили в тепличном комбинате поселка «Первомайский» и учхозе «Июльское». В начале июля пробирочные растения, полученные при различных режимах облучения, высаживали в теплицу. В процессе выращивания меристемы картофель (сорт «Удача») получили 15-16 тонн тепличных миниклубней (мериклон, размером 30...40 мм) с площади 1 га. Миниклубни после хранения и предпосадочной обработки высаживались в полевые условия для выращивания на II и III годы. Урожайность элитного картофеля показана в табл. 4.

Таблица 4

Урожайность элитного картофеля за I, II и III годы

Год посадки картофеля Площадь посадки картофеля, га Урожайность в т/га

Непрерывный режим облучения на лампах ЛБ-80 Комбинированный режим облучения на лампах ЛБ-80 Непрерывный режим облучения на светодиодах

I 1 15,5 16,0 15,6

II 10 16,4 17,0 16,7

III 40 19,3 20,0 19,4

Урожайность картофеля повысилась при комбинированном облучении люминесцентными лампами ЛБ-80 на 7%.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка эффективности применения облучательных установок для мериетемных растений картофеля» приведен технико-экономический расчет использования энергосберегающих облучательных установок.

Расчет экономической эффективности проводился по методу приведенных затрат.

Для сравнения использовались три способа облучения меристемного картофеля:

1. непрерывный на базе люминесцентных ламп ЛБ80;

2. комбинированный режим облучения на базе люминесцентных ламп

ЛБ80;

3. непрерывный на базе светильников со светодиодами.

Приведенные затраты (3) определялись по формуле:

3 = К-Е„ + С3,

где К - капитальные вложения, руб.;

Е„ - нормативный коэффициент (Е„ = 0,15);

С3 - эксплуатационные затраты, руб.

Эксплуатационные затраты (С3) определяются по формуле: Сз - Сз + Са + С3п СТр + СПр,

где Сэ- стоимость электроэнергии, руб./кВт-час;

Са- амортизационные отчисления;

Сзп - стоимость заработной платы, руб.;

Стр - стоимость текущего ремонта, руб.;

Спр - прочие эксплуатационные расходы, руб.

Главные составляющие эксплуатационных затрат - стоимость электроэнергии и амортизационные отчисления.

В данном случае у нас электрическая энергия используется на облучение растений картофеля в меристемной лаборатории и приводится в табл. 2.

Результаты расчета приведенных затрат для выращивания 40000 мери-стемных растений приведены в табл. 6.

Из табл. 6 видно, что при использовании нового метода комбинированного режима облучения в сравнении с непрерывным режимом облучения лампами ЛБ-80 меристемных растений картофеля приведенные затраты уменьшились на 8512,5 рублей при выращивании 40000 растений, а расход

электрической энергии на облучение уменьшился на 20% или 4369,3 кВт-час. При сравнении контроля (непрерывный режим облучения с лампами ЛБ-80) и с облучением растений картофеля в непрерывном режиме светильниками на светодиодах приведенные затраты увеличились на 10191,3 рублей.

Таблица 6

Расчет эффективности по приведенным затратам

Наименование показателей Обозначение Ед. из-мер. Базовый вариант на лампах ЛБ80 (непрерывный режим облучения) Комбинированный режим облучения на лампах ЛБ80 Непрерывный режим облучения светильниками на светодиодах

1. Капитальные вложения К руб. 96750,0 101750,0 387000,0

2. Эксплуатационные расходы (себестоимость) с. ЕХб. год 45283,9 36021,4 11937,7

3. Приведенные затраты 3 руб. год 59796,4 5.1283,9 69987,7

Увеличение приведенных затрат с использованием светильников на светодиодах связано с большой стоимостью светодиодов и малой их светоотдачей. Расход электрической энергии при использовании светильников на светодиодах снизился на 75%, или на 16384,9 кВт-час при выращивании 40000 растений меристемного картофеля. В ближайшее время наметилась тенденция быстрого снижения стоимости светодиодов и увеличения их светоотдачи, в этом случае при облучении картофеля светодиодами приведенные затраты будут значительно меньше, чем при базовом и комбинированном режиме облучения лампами ЛБ-80.

Общие выводы по работе 1. Анализ причин низкой урожайности картофеля (11,5...13 т/га) в Удмуртской Республике указал на низкое качество посадочного материала семенного картофеля. Получить качественный семенной картофель возможно при выращивании меристемного картофеля. Процесс этот трудоемкий и

энергоемкий, составляет 21847кВт.*ч на 40000 растений. Необходимо обосновать и разработать эффективные, энергосберегающие облучательные установки для выращивания меристемного картофеля.

2. Предложен новый способ облучения меристемного картофеля (комбинированный), позволяющий увеличить продуктивность картофеля на 7-9% и уменьшить расход электроэнергии на 20% при использовании люминесцентных ламп ЛБ-80.

3. Разработана математическая модель, позволяющая определить наиболее эффективный режим облучения меристемного картофеля по удельным энергозатратам на его выращивание.

4. Разработаны технические требования и устройства для реализации комбинированного режима облучения на базе программируемого микропроцессора Ш21592. Технические требования переданы на ЗАО «Удмуртагро-промэнерго» и изготовлено 7 комплектов оборудования.

5. Предложен способ последовательно-согласованного включения люминесцентных ламп низкого давления в комбинированном режиме, позволяющий повысить коэффициент мощности до 0,7+0,8.

6. Проведены исследования меристемной лаборатории при различных режимах облучения на 40 000 пробирочных растениях. Расход энергии при непрерывном режиме на лампах ЛБ-80 составил 21846,5 кВт-ч, при комбинированном режиме на лампах ЛБ-80 - 17477,2 кВт-ч и при непрерывном облучении светодиодами типа Ь\УК 9653/Х1Ь'^кек - 5461,6 кВт-ч. Средний прирост площади листьев при комбинированном режиме облучения - на 7%, а на светодиодах - на 4%. Урожайность по элитному картофелю на третий год посадки составила:

- при комбинированном облучении на лампах ЛБ-80 - 20 т/га;

- при непрерывном облучении на лампах ЛБ-80 - 19,3 т/га;

- при непрерывном облучении светодиодами типа Ь\УК 9653/Х1 1^кек -19,4 т/га. ^

7. Приведенные затраты при выращивании 40 ООО меристемных растений картофеля при комбинированном облучении на лампах ЛБ-80 в сравнении с непрерывным облучением уменьшились на 8512,5 рублей и при облучении непрерывным способом светильниками на светодиодах приведенные затраты увеличились на 10191,3 рублей из-за высокой стоимости светодио-дов. Расход электрической энергии при использовании светильников на светодиодах уменьшился на 16384,9 кВт-ч.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах автора:

1. Кондратьева Н.П., Козырева Е.А. Инженерное обеспечение комбинированного режима облучения растений. Анализ существующих способов облучений // Труды научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 450-летию вхождения Удмуртии в состав России. - Ижевск: ИжГСХА, 2006. С. 15.

2. Кондратьева Н.П., Козырева Е.А., Кондратьев Р.Г. Реализация комбинированного режима облучения растений разрядными лампами // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 10. С.28.

3. Кондратьева Н.П., Козырева Е.А., Кондратьев Р.Г. Комбинированному режиму облучения тепличных растений - инженерные разработки // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 6. С.4.

4. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки за №11630. Расчет скорости газообмена двуокиси углерода при импульсном облучении / Ко-репанов Д.А., Кондратьева Н.П., Козырева Е.А. // 13.10.2008. (Выдано Федеральным агентством по образованию: ФГНУ «Государственный координационный центр информационных технологий»: Отраслевой фонд алгоритмов и программ).

5. Козырева Е.А. Анализ электрических схем для электрооблучения растений // Труды 6-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (13... 14 мая 2008 г.). Часть 3. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. - С. 390....394.

Подписано в печать 07.05.2009 г. Тираж 100 экз.

Формат 60х84\ 16

Уч.-изд. л. 1.2 Заказ № 18

Отпечатано ОАО «НТЦ электроэнергетики» 111395, г. Москва, Аллея Первой Маевки, 15

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МЕРИСТЕМИОГО КАРТОФЕЛЯ И СПОСОБЫ ОБЛУЧЕНИЯ.

1.1. Тенденция производства и потребления картофеля.

1.2. Технология выращивания меристемного картофеля.

1.3.Облучение растений оптическим излучением.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО РЕЖИМА ОБЛУЧЕНИЯ МЕРИСТЕМНОГО КАРТОФЕЛЯ.

2.1. Пути повышения эффективности использования оптического излучения и выбор источника излучения для облучения меристемного картофеля.

Использование светодиодов.

2.2. Разработка математической модели по обоснованию эффективных режимов облучения.

2.2.1. Обоснование параметров комбинированного режима облучения

2.2.2. Математические модели режимов облучения меристемного картофеля.

Выводы по главе.

ГЛАВА 3.ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НА СИСТЕМУ ОБЛУЧЕНИЯ МЕРИСТЕМНОГО КАРТОФЕЛЯ.

3.1 Обоснование использования микроконтроллера JR21 592.

Режим включения источников излучения.

3.2. Система управления люминесцентными лампами низкого давления с

ЭПРА.

3.2.1 Расчет напряжения подогрева на электродах люминесцентных ламп при разных частотах.

3.3 Методика расчета коэффициента мощности облучатсльпых установок с газоразрядными лампами, работающих в комбинированном режиме. Способы повышения коэффициента мощности.

Разработка способов улучшения показателей эффективности использования электрической энергии.

Выводы по главе.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ

ИСПЫТАНИЙ.

4.1. Характеристика объекта исследования и условия проведения опытов. Электротехнология выращивания меристемных растений картофеля в лабораторных условиях. 1 1 <S

4.2. Технология выращивания меристемных растений в производственных условиях.

Периоды лабораторных исследований.

4.3. Определение спектральных коэффициентов перевода единиц освещенности в эффективные единицы.

Методика расчета коэффициентов перевода.

Результаты расчета эффективных потоков и коэффициентов перевода.

Выводы по главе.

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВ1IOCTII ПРИМЕНЕНИЯ ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТ АНОВОК ДЛЯ МЕРИСТЕМНЫХ

РАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ.

Анализ состояния производства картофеля в последние годы показывает, что в ходе проведения аграрной реформы, перераспределения земель, приватизации, социальных и структурных преобразований в сельской местности произошли существенные изменения в структуре производства картофеля по основным категориям хозяйств.

В 2000г. было произведено картофеля во всех категориях хозяйств примерно 30 млн.т., а в 1991-1995гг. среднегодовой уровень валового производства составил до 39 млн.т.

В 2000г. картофель во всех категориях хозяйств размещался на площади 3,2 млн.га, в том числе в личных подсобных хозяйствах- на 2,7млн.га (84%) . в сельскохозяйственных предприятиях- примерно, 450 тыс.га (14%) и фермерских хозяйствах-45тыс.га (2%).

Продолжается нежелательная тенденция сокращения площадей под картофель вследствие снижения урожайности и валовых сборов. Основные причины продолжающегося сокращения посевных площадей этой культуры в сельскохозяйственных предприятиях - трудности с реализацией выращенного урожая, плохая организация приема продукции в местах производства, недостаток финансовых средств и т.п.

В последнее время серьезные трудности стали возникать и с реализацией семенного картофеля высших репродукций в элитно-семеноводческих хозяйствах. Многим сельхозпредприятиям и фермерским хозяйствам недоступны семена высших репродукций из-за их неудовлетворительного финансового и экономического положения.

Большого внимания заслуживает положительный зарубежный опыт и опыт тех регионов России, где путем перевода отрасли на использование факторов интенсивного развития (новые сорта, высококачественный сертифицированный семенной материал, современные технологии п т.д.) удалось у.1 •

Л --1

II ! Зл>

Я** даже при сокращении площадей существенно повысить урожайность, добиться экономии электроэнергии, значительно сократить потери и сохрани п. необходимый объем без липших затрат па экстенсивное производство.

В 2008г. в России с учетом сложившегося соотношения посевных [[лошадей под картофель в хозяйствах всех категорий был получен средний урожай 1 1т/га и обеспечено валовое производство 35млп.т., в том числе в сельскохозяйственных предприятиях 4, 1млн.т.

Некоторые хозяйства, использующие хороший опыт по производству картофеля с применением современной западной техники и технологии, стали получать стабильно высокие урожаи (ЗОт/га).

Показатели но посевным площадям, урожайности и валовым сборам картофеля на ближайшую перспективу определены, обоснованны представленм в Федеральной программе производства картофеля на период до 2010 года (Программа «Картофель»).

В программе предусматривается принятие па федеральном уровне экстренных мер, направленных на повышение эффективности картофелеводства, серьезное улучшение семеноводства и развитие переработки продукции; ориентировать сельскохозяйственные предприятия прежде всего па развитие семеноводства и наращивание объемов производства семенного картофеля высшик репродукций, лучших и наиболее перспективных сортов, учитывая реальные потребности в высококачественных семенах всех производителей включая фермерские и личные подсобные хозяйства.

Для проведения сортосмены и сортообповления этим категориям хозяйств ежегодно необходимо, примерно 2млн.т. сортовых семян высших репродукций. С учетом этой потребности производство семенного картофеля должно составлять 4,5.5млн.т., а площади семеноводческих посевов-500.550 тыс.га. Иначе может сложиться критическое положение с семеноводством этой важнейшей продовольственной культуры, и те сортовые ресурсы, которые создавались в течение многих лет, могут быть безвозвратно утеряны. На сегодняшний день эта проблема определяет необходимость в разработке попых инженерш,ix решений (электротсхиологий) для выращивания меристем-ных картофеля в водных питательных растворах.

Одним из критериев развития картофелеводства па современном уровне является интенсификация процесса электрооблучения меристемпых растений картофеля способствующих увеличению выхода продукции и снижению энергетических затрат. Развитие новых технологий и расширение их функциональных возможностей определяет новые требования к качеству конечного продукта, а именно' к выращиванию элитного картофеля, позволит резко повысить эффективность картофелеводства при одновременном снижении энергозатрат за счет новых научно-обоснованных разработок по облучатель-пым установкам (ОУ), отвечающим требованиям производства.

Принимая во внимание то, что на цели облучения в защищенном грунте затрачивается существенное количество электрической эперпш, то эффективное расходование электрической энергии каждой ОУ приведет к ощутимой экономии в стране. Повышение эффективности электрооблучения позволит предприятиям АПК снизить себестоимость продукции, получить эко-помию-электроэпергии и увеличить прибыль.

Для эффективного использования световой энергии в меристемпых теплицах, наиболее важны три основные характеристики излучения: спектральный состав источника оптического излучения, уровень освещенности (облученности) и продолжительность суточного облучения растений.

В диссертационной работе для исследования выбрана культура меристем ный картофель, выбор связан с тем, что картофель имеет большое продовольственное значение, так как занимает второе место в структуре питания населения, уступая только зерновым.

В ,Удмуртской Республике исторически сложившиеся природно-климатические условия и экономические отношения благоприятствуют возделыванию картофеля на значительных площадях. В настоящее время средняя урожайность картофеля по Республике колеблется от 1 1,5 до 13 т/га. Одна из основных причин получения низких урожаев картофеля заключается в низком качестве посадочного материала. В семенном фонде коллективных хозяйств доля элитного картофеля составляет до 4,5 %. Следовательно, увеличение производства элитного картофеля, улучшение сортового состава, внедрение современных технологий позволит резко повысить эффективность картофелеводе гва.

За рубежом элитный картофель выращивается в меристемных лабораториях, оборудованных дорогостоящими установками. Дорогостоящее оборудование быстро окупается за счет высокой стоимости элитного картофеля и повышения урожайности до 60 т/га.

В Удмуртской Республике посадочный материал также выращивается в специализированных меристемных лабораториях. Процесс выращивания меристемы достаточно трудоемкий и энергоемкий. В связи с резким удорожанием электрической энергии в диссертационной работе решается задача научного обоснования технических решений для интенсификации электрооблучения меристемных растений картофеля, способствующих увеличению выхода продукции и снижению энергетических затрат.

Учеными в области электрификации сельскохозяйственного производства Р.Г. Бутенко, Л.Г. Прищепом, И.Ф. Бородиным, Д.С. Стребковым, Н.П. Протасовой, И.И. Свентицким, А.К. Лямцовым, A.M. Башиловым, С.А. Рас-тимешиным, Ю.М. Жилинским, В.М. Леманом, Г.С. Сарычевым, А.А. Тихомировым, А.П. Примаком, В.Н. Карповым, В.П. Шарупичем, С.А. Овчуко-вой, А.П. Коломийцем, Л.К. Алферовой, Н.Ф. Кожевниковой, В.А. Козин-ским, О.А. Косицыным, Н.П. Кондратьевой, R. МсСгее, P. Mekkel, В. Singh, М. Fischer, J. Bonnet, P. Harris и другими доказана эффективность применения оптического излучения (ОИ) для получения дополнительной растениеводческой продукции, решены ряд теоретических и прикладных задач в области применения и создания источников излучения для сельскохозяйственных предприятий и биологических исследований.

Исследования и разработки выполнялись в течение десяти лет лично автором в соответствии с отраслевой научно-технической программой

О.сх.71 «Осуществить поиск и разработку высокоэффективных методов и средств рационального использования электрической энергии в сельскохозяйственном производстве и быту сельского населения» и по заданию программы РАСХН «Разработать ресурсоэкономичные экологически безопасные и экономически оправданные технологии возделывания сельскохозяйственных культур» (2000.2010гг.), по комплексным темам НИС ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА (2000.2007).

Целью работы, является научное обоснование и разработка энергосберегающих облучательных установок па базе разрядных ламп низкого давления и светодиодов, позволяющих снизить потребление электроэнергии и увеличить выход семенного здорового элитного посадочного материала меристемного картофеля.

Объектом исследования является система, состоящая из меристемной культуры картофеля, технических средств облучения и технологических мероприятий, позволяющая снизить потребление электроэнергии облучательных установок.

Предметом исследования являлось изучение процессов воздействия оптических электрооблучательных установок на меристемные растения картофеля.

Методология исследования базируется на системном подходе к комплексу теоретических и экспериментальных результатов, полученных при помощи методов математического и статистического анализа, математического и физического моделирования, светотехнических, фотометрических, биометрических методов, на использовании современного математического пакета компьютерного моделирования MathCAD, прямого наблюдения и эксперимента.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые: • теоретически и экспериментально установлена целесообразность совершенствования облучательных установок для выращивания меристемной культуры картофеля с применением комбинированного режима с люминесцентными лампами низкого давления и светодиодами, обеспечивающих экономию электроэнергии;

• предложена структурно-функциональная схема по обоснованию наиболее эффективного режима облучения, устанавливающая связь между способом облучения и развитием меристемных растений культуры картофеля, зависящая от параметров микроклимата;

• получена математическая модель по определению эффективного режима облучения меристемного картофеля по минимуму удельного расхода электрической энергии;

• предложен новый комбинированный способ облучения растений, позволяющий сократить потребление электрической энергии на 20%, а на светодиодах - 75%;

• обоснован способ повышения показателей эффективности облучатель-ных установок, работающих в комбинированном режиме облучения (коэффициент мощности).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса преобразования энергии оптического излучения при выращивании меристемного картофеля.

2. Использование светильников с лампами типа ЛБ-80 и со светодиодами при облучении меристемных растений картофеля, с целью снижения затрат электроэнергии на 20% при использовании с комбинированным режимом работы ламп ЛБ-80, а со светодиодами типа LWK 9653/XI Ligitek - на 75%.

3. Результаты исследований, лабораторных и производственных испытаний с технико-экономической оценкой эффективности различных способов облучения меристемного картофеля.

Практическая значимость исследования.

• Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили снизить затраты электроэнергии при облучении меристемного картофеля;

• Разработано устройство управления PJI НД для реализации комбинированного режима облучения.

• Технические требования на комплект оборудования управлением работой ламп в комбинированном режиме были переданы на ЗАО «Удмур-тагропромэнерго» для изготовления партии. Было изготовлено 7 комплектов оборудования.

Разработанное оборудование успешно прошло производственную проверку в течение 2 лет.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе при выполнении курсового, дипломного проектирования, в научных работах студентов ФГОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии, включены в учебник и учебные пособия.

Реализация результатов исследований

Технические требования на систему управления работой ламп в комбинированном режиме были переданы на ЗАО «Удмуртагропромэнерго» для изготовления партии. Было изготовлено 7 комплектов электрооборудования.

Разработанное оборудование проходило производственную проверку в течение 2 лет.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе при выполнении курсового, дипломного проектирования, в научных работах студентов ФГОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии, включены в учебник и учебные пособия.

Достоверность выводов и рекомендаций обеспечена современными методами исследования на моделях и на действующем оборудовании с применением специальных пакетов программ, экспериментально и документально подтверждена лабораторными и хозяйственными испытаниями.

Экономический эффект от реализации результатов работы

Приведенные затраты при выращивании 40000 меристемных растений картофеля при комбинированном облучении на лампах ЛБ-80 в сравнении с непрерывным облучением уменьшились на 8512,5 рублей и при облучении непрерывным способом светильниками на светодиодах приведенные затраты увеличились на 10191,3 рублей из-за высокой стоимости светодиодов. Расход электрической энергии при использовании светильников на светодиодах уменьшился на 16384,9 кВт-ч.

Апробация основных результатов по теме диссертации.

Основные положения и результаты диссертационной работы проверены в лаборатории кафедры автоматизированного электропривода (АЭГ1) ФГОУ В ПО Ижевской ГСХА и в промышленной меристсмной лаборатории Удмуртского НИИСХ в экспериментальном тепличном комбинате пос. Первомайский УР. Производственные посадки проводились в Учхозе «Июльское», основных результатов по теме диссертации.

Результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-производственных конференциях в Ижевской государственной сельскохозяйственной академии (ИжГСХА, Ижевск, 2002.2008 гг.).

На основе разработанной в диссертации методики электрооблучения растений был предложен расчет скорости газообмена двуокиси углерода при импульсном облучении, на который было получено Свидетельство об отраслевой регистрации разработки за № 11630, выданное Федеральным агентством по образованию: ФГНУ «Государственный координационный центр информационных технологий»: Отраслевой фонд алгоритмов и программ.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах, в том числе одна работа в издании, указанном в «Перечне ведущих журналов и изданий.» ВАК Минобразования и науки РФ, получено Свидетельство об отраслевой регистрации разработки.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и при

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ причин низкой урожайности картофеля (11,5. 13 т/га) в Удмуртской Республике указал на низкое качество посадочного материала семенного картофеля. Получить качественный семенной картофель возможно при выращивании меристемного картофеля. Процесс этот трудоемкий и энергоемкий составляет 21847кВт.*ч на 40000 растений. Поэтому необходимо обосновать и разработать эффективные, энергосберегающие облу-чательные установки для выращивания меристемного картофеля.

2. Предложен новый способ облучения меристемного картофеля (комбинированный) позволяющий увеличить продуктивность картофеля на 7 - 9% и уменьшить расход электроэнергии на 20% при использовании люминесцентных ламп ЛБ-80.

3. Разработана математическая модель, позволяющая определить наиболее эффективный режим облучения меристемного картофеля по удельным энергозатратам на его выращивание.

4. Разработаны технические требования и устройства для реализации комбинированного режима на базе программируемого микропроцессора IR21592. Технические требования переданы на ЗАО «Удмуртагропром-энерго» и изготовлено 7 комплектов оборудования.

5. Предложен способ последовательно согласованного включения люминесцентных ламп низкого давления в комбинированном режиме, позволяющий повысить коэффициент мощности до 0,7-Ю,8.

6. Проведены исследования в меристемной лаборатории при различных режимах облучения на 40000 пробирочных растениях. Расход энергии при непрерывном режиме на лампах ЛБ-80 составил 21846,5 кВт-ч, при комбинированном режиме на лампах ЛБ-80 - 17477,2 кВт-ч и при непрерывном облучении светодиодами типа LWK 9653/XI Ligitek - 5461,6 кВт-ч.

Средний прирост площади листьев при комбинированном режиме облучения увеличился на 7%, а на светодиодах - на 4%. Урожайность по элитному картофелю на третий год посадки составила:

- при комбинированном облучении на лампах ЛБ-80 - 20 т/га;

- при непрерывном облучении на лампах ЛБ-80 - 19,3 т/га;

- при непрерывном облучении светодиодами типа LWK 9653/XI

Ligitek - 19,4 т/га.

7. Приведенные затраты при выращивании 40000 меристемных растений картофеля при комбинированном облучении на лампах ЛБ-80 в сравнении с непрерывным облучением уменьшились на 8512,5 рублей и при облучении непрерывным способом светильниками на светодиодах приведенные затраты увеличились на 10191,3 рублей из-за высокой стоимости светодиодов. Расход электрической энергии при использовании светильников на светодиодах уменьшился на 16384,9 кВт ч.

143

1. Афанасьева Е.И., Скобелев В.М. Источники света и пускорегулирую-щая аппаратура: Учебник для техникумов.-2-ое изд., перераб.-М.: Энергоатомиздат, 1986

2. Болыпина Н.П., Овчукова С.А., Мельников В.М. Возможности применения облучателей на базе металлогалогенных ламп при импульсном облучении растений. / Тезисы НПК. Челябинск: ЧИМЭСХ, 1984

3. Болыпина Н.П., Овчукова С.А., Мельников В.М. Возможность применения облучательных установок на базе МГЛ при импульсном облучении растений / Труды НТК ЧИМЭСХ . Челябинск: ЧИМЭСХ, 1984, с. 19.20

4. Болыпина Н.П., Овчукова С.А., Рязанова Т.В. Применение импульсного облучения в с.х. производстве. / Сб. трудов НПК «Пути повышения эффективности с.-х. производства», Барнаул: Тр. АН Сибири, 1983.

5. Болыпина Н.П., Рязанова Т.В. К использованию импульсного облучения растений / Сборник научных трудов МИИСП «Рациональная электрификация с. х.». М.: МИИСП, 1984

6. Болыпина Н.П., Фомин Е.М. Результаты опытов по светокультуре гвоздики ремонтантной / Межвуз. Сборник научных трудов «Электрификация технологических процессов животноводства и растениеводства и их энегообеспеченность». Горький: Горьк. СХИ, 1990

7. Большина Н.П., Фомин Е.М., Невский А.В. Оценка эффективности ме-таллгалогенных ламп при выращивании овощных и цветочных культур защищенного грунта. / Применение оптических излучателей в с.х. Саранск, 1985, с. 65.68.

8. Большина Н.П. Живописцев Е.Н. Исследование ламп ДРЛФ400 в комбинированном режиме / Сб. научных трудов МИИСР «Автоматизация процессов с.-х- производства». .:МИИСП,1983

9. Большина Н.П. Фомин Е.М., Кабанова И.Н. Дополнительное облучение при вегетативном размножении ремонтантной гвоздики / Сборник научных трудов МИИСП «Использование электроэнергии в с.х. и электроснабжение с.-х. районов». М.: МИИСП, 1984

10. Бондарь А.Т., Статюха Г.А. Планирование эксперимента в технической технологии. Киев: Высшая школа, 1978, 88с.

11. З.Бородин И.Ф. и Кирилин Н.И. Практикум по основам автоматики и автоматизации производственных процессов М., «Колос», 1974.

12. Бродский В.З. Введение в факторное планирование эксперимента. М.: Наука, 1976, 222 с.

13. Былов В.Н., Райков Н.И., Агаджанян И.В. Управляемая культура ремонтантной гвоздики. / Цветоводство, 1983, № 4, с. 14. 16.

14. Васильев В.И., Вассерман AJL, Щеголева Ю.А. Ультрафиолетовые облучатели лечебно-профилактического назначения // Электронная промышленность. 1982. Вып. 8 (114). с. 83 . 84.

15. Вассерман А. Л. Ксеноновые трубчатые лампы и их применение. М.: Энергоатомиздат, 1989.

16. Вассерман А.Л. Ультрафиолетовые бактерицидные установки для обеззараживания воздушной среды помещений. М.: Дом Света, 1999, 15с.

17. Вердеревская А.Н, Волкова Е Б., Троицкий A.M. Особенности эксплуатации комплекта "Натриевая лампа высокого давления — пускорегули-рующий аппарат" // Светотехника. -1989.- № 11, С.8-11.

18. Бородин И.Ф. Технические средства автоматики.- М.: Колос, 1982.-303 с

19. Брандт А.Б. Использование эффективных единиц./ Светотехника, 1980, № 1, с. 24.26

20. Влияния режима бесстартерного зажигания на долговечность катодов люминесцентных ламп. Дисс. На соиск. Уч. Степени канд. техн. наук., М., 1969 г., 267 с.

21. Воронцов В.В. Научно-производственное объединение // Цветоводство/- 1977.- №3, -С. 1.

22. Воскресенский И.Г. Импульсное досвечивание растений в условиях защищенного грунта.- Зап. ЛенСХИ, 1970, т. 118, с.75-81.

23. Выращивание посадочного материала ремонтантной гвоздики при дополнительном излучении // Цветоводство, 1982, №3, с. 10.

24. Гаврилова Л.И., Дойникова С.А., Еремин Е.А., Пахомов В.И., Характеристики излучения дуговых трубчатых ксеноновых ламп.- Светотехника, 1987, №1,с.11-14.

25. Герасимчук Ю.В., Скрыпник Н.Н., Корж Б.В. Светоимпульсная облу-чательная установка для сооружений защищенного грунта.- В сб.: Проблемы фотоэнергетики растений и повышение урожайности. Львов, 1984, с.240.

26. Глухов И.В., Елисеев В.И. Высшие гармоники тока установок светоим-пульсного облучения растений и способы их уменьшения. Зап. ЛенСХИ, 1975, т. 258, с. 23 - 31.

27. ГОСТ 16354-77. Лампы ртутные высокого давления общего назначения. Технические условия./

28. ГОСТ 21430-75. Лампы газоразрядные. Методы измерения электрических параметров и светового потока.

29. Дядченко О. Миллион алых роз. Сельская жизнь от 27 апреля 1984 г.

30. Елисеев В.И. Исследование схем импульсных облучательных установок с емкостно-диодными преобразователями и влияние их на сельскохозяйственные электрические сети. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Л., Пушкино, 1976.

31. Живописцев Е.Н., Большина Н.П., Обухов С.Г., Совершенствование установок для облучения растений. — Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1984, №19, с. 54-55.

32. Жилинский Ю.М., Косицин О.А., К методике оценки технико-экономической эффективности облучательных установок в тепличном овощеводстве. Тр.ЧИМЭСХ, Челябинск, 1974, вып. 75, с. 259-262.

33. Жилинский Ю.М., Кумин В.Д., Электрическое освещение и облучение., М., Колос, 1982 г., 268 с.

34. Жилинский Ю.М., Овчукова С.А., Большина Н.П., О возможности применения ламп типа ДРЛ с полым катодом в сельскохозяйственном Агропрпроизводстве. Тезисы Всесоюзной конференции «Человек и свет» г. Саранск, 1982 г.,

35. Зайцев Г.И. Методика биометрических расчетов. М., Наука, 1973, 265 с.

36. Зуев Л. Экономичный преобразователь для питания люминесцентной лампы от аккумуляторной батареи // Радио.-2001 .-№ 2,-С. 34-35.

37. Изаков Ф.Я., Козинский В.А., Лукиенко Т.В., Шаповалов А.Т., Яснов Г.А. Практикум по применению электрической энергии в сельском хозяйстве. М., Колос, 1972.

38. Калва Л.Э. Маточники из меристемных черенков // Цветоводство.-1976, №9.41 .Свентицкий И.И. Экологическая биоэнергетика растений и сельскохозяйственное производство ОНТИ НЦБИ АН СССР, Пущино,1982, С.222.

39. Шевелуха B.C., Свентицкий И.О.Изд.Высшая школа, 2008, С.710.

40. Касьянова Т.Г., Висянцева Л.В., Алейникова Т.М. Для повышения продуктивности маточников. Цветоводство. -1977. - №2- С.9.

41. Квашин Г.Н. За полярным кругом. Цветоводство, 1980, №5, с. 5.

42. Квашин Г.Н. Исследование работы сельскохозяйственных облучательных систем и установок для растениеводства с использованием групповых систем включения. А.Р., дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук. М., ВИЭСХ, 1983 г.

43. Кожушко Г.М., Рохлин Г.Н. Характеристики металлогалогенных ламп с различным наполнением.- Светотехника, 1982, №11, с. 1-3.

44. Козинский В.А. К теории расчета фитооблучателей с люминесцентными лампами. Дисс. на соискан. уч. ст. канд. наук, Челябинск, 1971

45. Козинский В.А. Карусельная установка.- Картофель и овощи, 1966, №4.

46. Козинский В.А. Теоретическое обоснование и методика расчета передвижных облучательных установок.- Методическое пособие, г. Челябинск, 1968, 13с.

47. Козинский В.А. Электрическое освещение и облучение.— М.:

48. Козырева Е.А. Анализ электрических схем для электрооблучения рас-тений//Труды 6- Межд.науч.-техн. конф. ( 13-14 мая 2008г.) «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве». Часть 3—М.: ВИЭСХ, 2008.С.390-394.

49. Колкер М.И., Полищук Я.А., Обухов С.Г. Электропечи сопротивления с широтно-импульсным регулированием с применением тиристоров. -Библ. электротермиста. М., 1977, вып. 64.

50. Кондратьева Н.П., Козырева Е.А. Обоснование разработки инженерных решений для реализации комбинированного режима облучения растений // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2002. № 5. С.17-18.

51. Кондратьева Н.П., Козырева Е.А. Схема автоматического управления работой разрядных ламп в комбинированном режиме облучения // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 8. С.9-10.

52. Конлов Н.Ф. Математические методы определения площади листьев растений. Доклады ВАСХИИЛ, М., №9, 1970, с. 5.

53. Константинов И.Н. Основы сельскохозяйственного опытного дела. М., Сельхозгаз, 1982, 446 с.

54. Корж Б.В. Использование коротких серий импульсного освещения для излучения процесса фотосинтеза дыхания зеленых растений на свету. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. биол. наук. Л., 1976, 194 с.

55. Корж Б.В. Фотосинтез и фотодыхание гетерозисных гибридов кукурузы при различных температурах. Тр. ВИР им. И.И. Гаврилова по прикладной ботанике, генетике и селекции. Л., 1980, т. 67, вып. 2, с. 83-87.

56. Косицин О.А. Исследование процесса оптического облучения плодоносящих растений огурцов в теплицах и разработка метода расчета облучательных электроустановок. Дисс. на соискания уч.ст.канд.техн.наук. М., 1977.

57. Краснопольский А.В. Разработка методов расчета, оценки и схем пус-корегулирующей аппаратуры для газоразрядных ламп. Дисс. на соиск. уч.ст.канд.техн.наук., М., 1963, 175 с.

58. Кузнецов О.И. Облучатель ОТ-100 в импульсном режиме для производства рассады огурцов. Зап. ЛенСХИ, 1976, т.855, с. 75 - 90.

59. Кузнецов О.И. Разработка генераторов импульсов и исследование режимов искусственного облучения растений. Дис.на со-иск.уч.ст.канд.техн.наук., Л., Пушкино, 1971.

60. Лабунцов В.А., Обухов С.Г., Яров В.А. Регулирование среднего и действующего значения напряжения преобразователя с высоким значением коэффициента мощности. преобразовательная техника, 1971, вып. 18.

61. Лебедева в.В. Электросветокультура. Цветоводство, 1958, №1, с.23.

62. Левин С.И. Статические методы контроля и анализа качества источников света. М., из стандартов, 1968., 164 с.

63. Леман В.М. Курс светокультуры растений М., Колос, 1970

64. Лисовский Г.И., Прикупец Л.Б., Сарычев Г.С., Сидько Ф.Я., Тихомиров А.Н. Экспериментальная оценка эффективности источников света с светокультуре растений. Светотехника, 1983, №4, с. 7-9. люминесцентных ламп. М., ИЛ, 1961.

65. Малышев В.В., Мудрак Е.И., Рымов А.И., Сарычев Г.С. Облучательные установки с протяженными отражающими поверхностями. Светотехника, 1983, №3, с. 17.

66. Марзоев В.В. Оборудование для облучения растений. Техника в сельском хозяйстве. 1981, №3, с. 19-20.

67. Маршак И.С., Импульсные источники света. М., Госэнергоиздат, 1963.

68. Масекас С.Ю. Обоснование выбора схемы мгновенного зажигания люминесцентных ламп в ждущем режиме. Дисс. на соиск. уч. ст. канд.техн.наук. М.,1964, 204 с.

69. Матвеев В.В., Овчукова С.А., Большина Н.П., Новые источники облучения в растениеводстве. Цветоводство №2, с.5.

70. Мельников С.В., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование экспере-мента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. М., Колос, Комиздат, 1989.

71. Мошков Б.С. Выращивание растений при искусственном освещении. М.,'1975.

72. Мудраж Е.И. Облучатели тепличные для цветочных теплиц,- Цветоводство, 1979. №7, с.2.

73. Ничипорович А.А. Фотосинтез и вопросы продуктивности растений. М., Наука, 1963, 158с.

74. Номенклатурный справочник. Источники света. Саранск, 1984 г.

75. Обухов С.Г. Коэффициент мощности импульсных регулирующих устройств.- Электричество. 1965. №11,с.36.

76. Овчукова С.А., Козинский В.А., Большина Н.П. Способы повышения эффективности облучательных установок в промышленном растениеводстве. В сб.; Проблемы фотоэнергетики растений и повышение урожайности. Львов. 1984. с.257-258.

77. Османов С.С. Карусельная высокочастотная установка переменного облучения.- Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1978, №1, с. 11-13.

78. Семенов Б. Силовая электроника для любителей и профессионалов. — М.: Солон-Р, 2001.

79. Справочная книга для проектирования электрического освещения. Под ред. Г.М. Кнорринга, Л., Э., 1976, 382 с.

80. Справочная книга по светотехнике. Под ред. Ю.А. Айзенберга, М., Энергоатомиздат, 1983, 472 с.

81. Станко С.А., Вассерман А.Л., Шахов А.А. Светоимпульсный стробоскопический метод в фотосинтезе растений. В сб.: Проблемы фотоэнергетики растений и повышение урожайности, 1978, с. 218-220.

82. Тимирязев К.А. Избранные сочинения. М., Сельхозгиз, 1948, т.1.

83. Тимирязев К.А. Космическая роль растений. В сб.: Солнце, жизнь и хлорофилл. М-Петроград, Госиздат, 1923, 324 с.

84. Тиходеев П.М. Световые измерения в светотехнике, (фотометрия) М.-Л., 1962, 464 с. Госэнергоиздат.

85. Фатеев В.И. Исследование путей повышения эффективности установок для искусственного облучения растений. Дисс. на соиск. уч.ст.канд.техн.наук, Челябинск, 1978, 163 с.

86. Харкевич А.А. Основы радиотехники. М., Связъиздат, 1963. 560 с.

87. Хрусталев Д. Электронные балласты для люминесцентных ламп. — М.: Схемотехника, 2001, № 2, с. 35.

88. Шарупич В.П. О проектировании сооружений искусственного климата для выращивания растений. — Светотехника, 1984, № 10, с. 12.

89. Шестопалов В.И., Вассерман А.Л., Квашин Г.Н., Рошаль А.А. Использование установок ФОУ-1-6 для промышленной светокультуры овощей. Техника в сельском хозяйстве, 1982, № 12.

90. Широков В.И. Компактные электронные люминесцентные лампы: выбираем, применяем, ремонтируем. // Радиохобби. — 2001.-№ 3, с. -С.48—52.

91. Корис Р. Шмидт-Вальтер X. Справочник инженера-схемотехника. М., Техносфера, 2008. 607 с.

92. Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто! T.1(+CD).-а. М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2007.- 312с.: ил.

93. Клапвайк Д. Климат теплиц и управление ростом растений. Пер. с гол-ландск. и предисл. Д. О. Лебла. М., «Колос», 1976.

94. Emercon R., Arnold A. A separation of the reaction in photosuntesis by means of in termitteut Zicht. Jicht. J. Cen. Physiola, 1932, v. 15, № 4, p.p. 391.420.

95. Me Cree Н/J/, Joomis R.S. Photosynthsis in fluctuaning light. Ecology., 1969, №3, v.50.

96. Mekkel P. Uber Belichtung von Pflanze mit einer Folge von Electro-nenblitzen. Naturwissenschaft, 1961, v. 48, №11, J 435 (Laboratorium Fur organische Jynthese, Leipzig).

97. Warburg O, Uber dit Geschwindigkeit der photochemischen kohlen-sanrezersetzung in lebenden Zellen Biohim., 1919, Bdl00,Y230-270.

98. Warburg 0.,ychreder W., Gattung N. Zuchtung der Chlrelle mit fluk-tuirender zichtensitat. Zeitschrift fur Naturforschung, 1956/ v/116,№ll, Y.654-657.

99. Zummer K. Zur Wirkung von Jtorlicht bei einiger photoperiodisch reagierenden Zierpflanzen. Gartenbauwissenschaft, 1973, v/ 38, №1, J. 57.63. , 1991.