Обоснование и разработка энергоэффективной системы освещения растений в теплице

УДК 621.385: 631.234

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ РАСТЕНИЙ В ТЕПЛИЦЕ

Канд. техн. наук, доцент ТГАТУ

Таврический государственный агротехнологический университет

Аннотация. Обоснована необходимость использования светодиодных источников света в теплице для облучения растений, разработана и запатентована регулируемая светодиодная систему облучения с использованием моста Вина.

Ключевые слова: теплица, облучение растений, светодиодные источники света, регулятор освещённости, мост Вина.

Постановка проблемы. На сегодняшний день расходы на энергоресурсы составляют значительную часть в себестоимости сельскохозяйственной продукции. Искусственное освещение является одним из энергоёмких и важных факторов при выращивании растений. На сегодня в осветительных установках Украины расходуется примерно 25% генерирующей электрической энергии, то есть около 25 млрд. кВт. ч.

Анализ последних исследований и публикаций. Приведены нормативные документы по энергоэффективности источников света [1…3]. Рассмотрены новые возможные пути интенсификации производства растений и рационального использования электрической энергии при искусственном облучении растений [4…8]. Учёными в области электрификации сельскохозяйственного производства (Р. Бутенко, , и др.) доказана эффективность облучения (различного по характеру) для дополнительного получения растениеводческой продукции, обоснованы и сформулированы требования к нормативу облучения [4…6]. Рассмотрены энергоэффективные источники света и системы облучения [7,8].

Цель статьи. Обосновать необходимость использования светодиодных источников света в теплице для облучения растений и разработать энергоэффективную систему облучения.

Основные материалы исследования. Экономически целесообразно облучать только рассаду, так как период вегетации у рассады 25 ... 50 дней, и облучению подвергаются сразу большое количество растений. При этом продукцию получают на 20 ... 30 дней раньше, и урожайность рассадных культур повышается на 20 ... 25% [6]. Вместе с тем, отсутствие в излучении ламп отдельных участков спектра может привести к нарушению роста растений при длительном выращивании их под этими источниками света.

Таблица 1 - Длина волн и их влияние на растения [8]

Диапазон длин волн, нм	Влияние на растения
400…500 (синий цвет)	Формирование низкорослых растений с низкой производительностью в результате накопления в листьях ингибитора роста. При этом стебли укороченные, листья утолщенные, но мелкие.
500…600 (зеленый цвет)	Формирование растений с вытянутыми формами и тонким листьями, с низкой производительностью.
600…780 (красный цвет) важная зона 640…680 нм	Формирование у растений высокого ростового эффекта. При недостатке этого излучения у растений формируются неполноценные генеративные органы, что приводит к низкой урожайности.

Интенсивность света влияет на скорость фотосинтеза. При низкой интенсивности света преобладают процессы дыхания растений (энергия для жизнедеятельности извлекается за счет распада ранее синтезированных веществ). При повышении интенсивности света линейно увеличивается фотосинтез.

При низкой интенсивности света растения получаются вытянутые. В корнеплодных (например, редиса) плоды образуются плохо, растения формируют цветоносные стебли. У томатов и огурца цветы опадают, плоды небольшие, вкусовые качества низкие.

Интенсивный свет позволяет увеличить урожай, получать крупные плоды высокого качества, значительно снизить сроки вегетации. Интенсивный свет позволяет скоординировать фотосинтез, рост и развитие растений [8].

В то же время для выращивания зелени сильный свет вреден, так как рост листовой поверхности замедляется, качество листьев снижается, они желтеют и становятся жесткими.

Установлена оптимальная норма облучения в теплице: для выращивания рассады - 40 Вт/м2 ФАР с фотопериодом 14 часов, для выращивания на продукцию - 100 Вт/м2 с фотопериодом 16 часов, средняя суточная интенсивность естественного света - 100 Вт/м2 [7]. Разработаны и выпускаются приборы для индикации фотосинтетически активной радиации систем освещения в тепличных хозяйствах (рис.1).

Рисунок 1 – Индикатор ФАР систем освещения в тепличных хозяйствах ТМ "OzuV": диапазон контролирующей мощности - 1 ... 200 Вт/м2; ширина спектра - 350 ... 720 нм.

Индикатор предназначен для контроля мощности систем освещения в тепличных хозяйствах.

Растениям в разные периоды роста необходимы разные уровни интенсивности света и спектральный состав излучения, доходящий до них в условиях их экологической ниши. Для правильного развития растений важно, чтобы они получали свет, хорошо сбалансированный по спектру [7].

Минимальный для роста растений уровень интенсивности светового потока составляет - 2 ... 8 Вт/м2. Минимальные среднедневные уровни интенсивности светового потока, при которых растения могут нормально развиваться, цвести и плодоносить, - 20 Вт/м2. При выгонке рассады - 50 ... 60 Вт/м2. Для формирования хозяйственно-полезного урожая - 100 ...200 Вт/м2. При мощности выше 200 Вт/м2 происходит насыщение [7].

С помощью этого прибора (см. фото на рис.1) можно выбрать лучший светильник или подобрать правильное освещение в контролируемой теплице.

По литературным источникам [4,5] определены оптимальные облучения для различных режимов и последовательностей чередования циклов. За основу взята концентрация хлорофилла (мг/г сухой массы листьев) для 20-дневных растений огурцов и томатов, в зависимости от режима искусственного облучения (табл. 2). В таблице 2 приведены основные режимы облучения и интенсивность, в зависимости от времени суток, а также показана сухая масса листьев огурцов и томатов от определенного режима облучения и интенсивности [4].

На основе этих данных проведено математическое моделирование в программе MathCad, по которому можно выбрать режим облучения и необходимую интенсивность для определенного вида растения.

Таблица 2 - Концентрация хлорофилла (мг/г сухой массы листьев) в 20-дневных растений огурцов и томатов, в зависимости от режима искусственного облучения

Режим облучения, интенсивность	Культура растений	Время суток, час	Среднее значение
6	10	14	18	22	6
Постоянный 7фт/м2	Огурцы	9,26	9,75	10,34	9,89	8,93	9,02	9,53
Помидоры	9,40	10,24	10,37	10,05	9,21	9,51	9,79
Постоянный 15фт/м2	Огурцы	7,50	8,80	9,11	8,33	7,34	7,41	8,08
Помидоры	6,82	8,45	8,66	8,51	6,80	6,96	7,70
Переменный, 4 ч - 15фт/м2, потом 4 ч - 7фт/м2 и т. д.	Огурцы	9,14	10,07	11,22	9,49	8,66	9,10	9,61
Помидоры	9,35	9,41	12,15	9,76	9,10	9,38	9,85
Переменный, 4 ч - 7фт/м2, потом 4 ч - 15фт/м2 и т. д.	Огурцы	7,64	8,50	8,30	11,09	7,40	7,53	8,41
Помидоры	8,80	9,62	9,10	11,85	8,74	8,87	9,49

Рисунок 2 - График постоянного режима облучения - 7 фт/м2

Рисунок 3 - График постоянного режима облучения - 15 фт/м2

Рисунок 4 - График переменного режима облучения:

4 ч - 7фт/м2; затем 4 ч - 15 фт/м2 и т. д.

Рисунок 5 - График переменного режима облучения:

4 ч - 15 фт/м2; затем 4 ч - 7 фт/м2 и т. д.

Концентрация хлорофилла в течение суток непрерывно менялась, увеличиваясь примерно до середины дня и светового периода, и уменьшалась в конце светового периода. При постоянном облучении с интенсивностью 15 и 7 фт/м2 разница между минимальными и максимальными значениями составила: у рассады огурца 12 ... 19%, у томатов 18 ... 21%.

При переменном облучении концентрация хлорофилла была выше, чем при постоянном облучении. Таким образом, режим плавающего облучения, при котором растения вечером получали 7 фт/м2, а утром - 15 фт/м2, способствовал накоплению хлорофилла, и тем самым повышалась энергоэффективность освещения растений.

На практике для облучения использовались компактные люминесцентные лампы ТМ Delux синего, красного и зеленого цветов. Высоту подвеса светильников регулировали в зависимости от стадии развития растения.

Также мы регулировали цвет облучения: красный цвет для облучения использовался постоянно, а синий и зеленый периодически. Сначала использовали цвета облучения: красный + синий, так как синий цвет используется в начальной стадии развития растения, а затем освещали красным + зеленым цветом, который необходим для формирования растений с вытянутыми формами и тонким листьями. Доосвещение проводили преимущественно ночью, точнее с 16 ч до 8:00 утра (рис.6).

В основу нашего изобретения [9] поставлена задача совершенствования регулируемой системы освещения растений в теплице путем изготовления преобразователя напряжения в виде электронного генератора синусоидальных колебаний, за счет чего уменьшаются массогабаритные размеры, и использования источника питания системы TNS для повышения электробезопасности.

.

Рисунок 6 - Облучение тибетского лука в квартире

Регулируемая светодиодная система освещения растений в теплице (рис. 7) содержит блок управления, электронные генераторы синусоидальных колебаний, резонансные трансформаторы TV1, линии электропередачи ЛЭП, ограничивающие емкости C5, C6 или индуктивности L1-L4, двухполупериодные выпрямители VD1 ...VD4 - VDm...VDn, цепи светодиодов VD11-VDn, емкости C4, C7, источник питания [9].

Рисунок 7 - Принципиальная схема светодиодной системы освещения растений в теплице

Блок управления, подключенный к нескольким электронным генераторам синусоидальных колебаний, для каждого цвета отдельно. При этом в электронных генераторах через резонансный трансформатор TV1 подключены n линий электропередачи ЛЭП (n = 1,2,3 ... k), к которым присоединены параллельно через ограничивающую емкость C5,C6 или индуктивность L1-L4 m цепей из двухполупериодных выпрямителей VD1 ... VD4 - VDm... VDn и светильников VD11-VDn (m = 1,2,3 ... p). В каждой цепи соединены последовательно от одного до нескольких светильников, состоящих из z светодиодов (z=1,2,3 ... x). При этом отдельные разноцветные светильники могут быть объединены в один. Первичная обмотка резонансного трансформатора TV1 присоединена к выходу электронного генератора синусоидальных колебаний через конденсатор С4. Дополнительно параллельно светодиодным цепям может быть присоединена емкость С7.

На рис. 8 изображена принципиальная схема электронного регулятора синусоидальных колебаний с использованием моста Вина [9].

Рисунок 8 - Принципиальная схема электронного генератора синусоидальных колебаний с мостом Вина

Мост Вина 1 [9] электронного генератора синусоидальных колебаний выполнен на RC-элементах С1, С2, R2, R4 с образованием последовательной цепи с конденсатора C1 и фоторезисторов R2, R4, параллельно фоторезистору R4 присоединен конденсатор C2.

Выход моста Вина, которым является общая точка фоторезисторов R2, R4 через последовательно соединенные первый усилитель 2 на транзисторе VT1 и второй усилитель 3 на транзисторе VT2 присоединен к первичной обмотке резонансного трансформатора TV1 [9]. Коллектор транзистора VT2 второго усилителя 3 присоединен к свободному выводу конденсатора C1 моста Вина 1 для образования положительной обратной связи. Эмиттер транзистора VT1 первого усилителя 2 через резисторный делитель напряжения с резисторов R1, R3 присоединен к коллектору транзистора VT2 второго усилителя 3 для образования отрицательной обратной связи. Коллектор транзистора VT1 первого усилителя 2 через конденсатор связи C3 присоединен к базе транзистора VT2 усилиПроводник источника питания подсоединен через резистор R5 к базе транзистора VT1 и через резистор R7 - к базе транзистора VT2, а через резистор R6 - к коллектору транзистора VT1 и через резистор R8 - к коллектору транзистора VT2 второго усилителя 3, присоединенным через емкость C4 к первичной обмотке резонансного трансформатора TV1.

Управляющий вход электронного генератора синусоидальных колебаний, образованный цепью из двух последовательно соединенных светодиодов VD37, VD38 для облучения последовательно соединенных фоторезисторов R2, R4 моста Вина 1, присоединенный к выходу блока управления. Свободный вывод светодиода VD38, конденсатора C2, фоторезистора R4 и транзисторных усилителей 2,3 объединены общей шиной с защитным РЕ-проводником источника питания.

Устройство работает следующим образом. Изменение величины напряжения, поступающего от блока управления на вход моста Вина 1 электронного генератора, вызывает изменение частоты генерации синусоидальных колебаний на выходе. Выходной сигнал первого усилителя 2 из коллектора транзистора VT1 через конденсатор связи C3 поступает на базу транзистора VT2 второго усилиИспользование двухкаскадного усилителя 2,3, охваченных частотно зависимой положительной обратной связью через мост Вина 1 на конденсаторах C1, C2, и фоторезисторах R2, R4, который поступает на базу транзистора VT1, позволяет изменять фазу выходного сигнала на 360о, т. е. не изменять фазу сигнала на частоте генерации. При подаче напряжения от блока управления на вход электронного генератора яркость светодиодов VD37, VD38 увеличивается, а сопротивление фоторезисторов R2, R4 моста Вина уменьшается. Соответственно увеличивается и частота генерации по формуле [9]

f = 1/2RC, (1)

где R - сопротивление резисторов R2, R4; С - емкость конденсаторов C1, C2.

Увеличенная частота f поступает через соответствующий резонансный трансформатор TV1 на светильники VD11-VDn. При этом емкостное сопротивление Хс по известной формуле

Хс=1/2fС, (2)

где С - емкость элемента C5, C6, уменьшается.

А индуктивное сопротивление элемента L1-L4 по формуле

ХL=2fL, (3)

где L - индуктивность элемента L1 ... L4, увеличивается.

Присоединение выхода моста Вина через последовательно соединенные транзисторные усилители 2,3 до первичной обмотки резонансного трансформатора TV1 обеспечивает подачу регулируемых высокочастотных колебаний в линию электропередачи. В результате изменяется напряжение, поступающее через выпрямитель VD1 ... VD4 - VDm... VDn на соответствующие светильники VD11 ... VDn, что приводит к изменению их яркости и спектра, если светодиоды входят в общий светильник. Эмиттер транзистора VT1 первого усилителя 2 через резисторный делитель напряжения с резисторов R1, R3 присоединен к коллектору транзистора VT2 второго усилителя 3 для образования отрицательной обратной связи, которая обеспечивает заданный коэффициент усиления (Ку ≥3) первого усилителя 2.

Использование электронного генератора синусоидальных колебаний, выполненного на двух транзисторных усилителях с положительной обратной связью через мост Вина [9], приводит к уменьшению массогабаритных размеров преобразователя напряжения. Коллекторный выход второго усилителя подсоединен к свободному выводу конденсатора моста Вина для образования положительной обратной связи, который обеспечивает генерацию синусоидальных колебаний. Присоединение выхода моста Вина через последовательно соединенные транзисторные усилители к первичной обмотке резонансного трансформатора обеспечивает подачу регулируемых высокочастотных колебаний в линию электропередачи светодиодных светильников [9].

Образование отрицательной обратной связи путем присоединения эмиттера транзистора первого усилителя через резисторный делитель напряжения к выходу второго усилителя обеспечивает заданный коэффициент усиления. Присоединение выхода блока управления к электронному генератору через цепь из двух последовательно соединенных светодиодов для облучения фоторезисторов моста Вина, приводит к управляемому изменению их сопротивления и частоты синусоидальных колебаний [9].

Выводы. Разработанный алгоритм функционирования и программа управления светодиодной осветительной системой, поддерживают необходимый спектральный состав излучения, позволяют корректировать спектр излучения в пределах от 380 до 780 нм. Математическое моделирование в программе MathCad, обеспечивает выбор энергоэффективных режимов облучения рассады, что подтверждено нашими опытами с облучением лука Тибетский. Для светодиодных ламп можно получить практически любой спектр, необходимый для конкретных растений и для конкретной стадии развития. Единственный недостаток светодиодных источников света является пока что относительно высокая стоимость. Разработана светодиодная система облучения растений в теплице, обеспечивающая необходимый спектр излучения, позволяет сократить потребление электроэнергии на 50% и повысить производительность рассады на 20 %. Новизна нашей разработки подтверждена патентом Украины [9].

Список использованных источников

1. Государственная целевая экономическая программа энергоэффективности на 2010-2015 годы. Утверждена постановлением Кабинета Министров Украины от 1.03.2010, № 000.

2. О внесении изменений в Государственную целевую экономическую программу энергоэффективности и развития сферы производства энергоносителей из возобновляемых источников энергии и альтернативных видов топлива на 2010-2015 годы. Утвержден постановлением Кабинета Министров Украины от 12.09. 2012, № 000.

3. Государственная целевая научно-техническая программа "Разработка и внедрение энергосберегающих светодиодных источников света и осветительных систем на их основе". Утверждена постановлением Кабинета Министров Украины № 000 от 01.01.2001.

4. Вовденко световой характеристики светодиодного светильника / // Механизация и электрификация сельского хозяйства.- 2011.- №11 - С.31.

5. Мороз растений томата, выращенных под светодиодными облучателями с различным спектральным составом и интенсивностью / , , . - Минск: ГНУ, 2012 - С.59-61.

6. Гладин светодиодных технологий в сельском хозяйстве / // Полупроводниковая светотехника. - 2012. - № 2. - С.60-65.

7. Васильев облучатели лечебно-профилактического назначения / , , // Электронная промышленность. - 1982. - Вып. 8 (114). - С. 83 - 84.

8. Валеев эффективности облучения меристемных растений с внедрением светодиодных установок: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.20.02 / . - М. : ВИЭСХ, 2014.- 19 с.

9. Пат. 99479 Україна. МПК (2015.01) A01G9/00. Регульована світлодіодна система освітлення рослин в теплиці/ , В. Т. Діордієв, О. В. Піхтарь, . –Заявл. 22.12.2014; Опубл. 10.06.2015.- Бюл. №11.

.