Установка для верхнего и междурядного облучения длинностебельных растений

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._

supplemental blue or far-red lighting. Journal of the American Society for Horticultural Science120: 808-813.

11. Rakutko S., Rakutko E., Tranchuk A. Comparative Evaluation of Tomato Transplants Growth Parameters underLED, FluorescentandHigh-pressure Sodium Lamps// 14th International Scientific Conference «Engineering for Rural Development» 2022.05.2015 Jelgava, Latvia.

УДК 628.979:581.035

С.А. РАКУТЬКО, д-ртехн. наук; А.С. ТРАНЧУК, Е.Н. РАКУТЬКО, А.Н. ВАСЬКИН

УСТАНОВКА ДЛЯ ВЕРХНЕГО И МЕЖДУРЯДНОГО ОБЛУЧЕНИЯ ДЛИННОСТЕБЕЛЬНЫХ РАСТЕНИЙ

Представлена конструкция и методика компоновки облучательной установки для верхнего и междурядного облучения длинностебельных растений. Преимуществами установки являются повышение удобства в эксплуатации и равномерности облучения ярусов листьев растений, исключение возможности ожега листьев растений и ухудшения качества плодов, ее высокая экономическая эффективность.

Ключевые слова: теплица, облучательная установка, методика компоновки, междурядное досвечивание, индукционные лампы

S.A. RAKUTKO, DSc (Engineering); A.S. TRANCHUK; E.N. RAKUTKO; A.N. VAS'KIN

GREENHOUSE IRRADIATION FACILITY FOR OVERHEAD AND INTER-ROW LIGHTING OF LONG-STALKED PLANTS

The paper presents the design and layout technique of greenhouse irradiation facility for overhead and inter-row lighting of long-stalked plants.This facility demonstrates the following advantages: improved user-friendliness and irradiation

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

uniformity of plant leaf tiers; excluding the possibility of plant leaves burns and deterioration of fruit quality; high economic efficiency.

Keywords, greenhouse, irradiation facility, layouttechnique, inter-row supplementary lighting, induction lamp.

Свет играет важную роль в продукционном процессе растений. Снижение количества облучения на 1% ведет к такому же снижению продуктивности растений. Многочисленными исследованиями установлено, что при использовании верхнего облучения в теплице интенсивность потока резко падает после прохождения света через листья. При этом наблюдается обеднение спектрального состава света (меньше синих и красных лучей и больше зеленых). Свойства ценоза в целом как фотосинтезирующей системы отличаются от характеристик отдельного среднего листа. Здесь начинает играть роль направление света и степень его рассеяности, в том числе от соседних листьев [1]. В реальных ценозах при одинаковых мощностях лучистых потоков боковое освещение более эффективно, чем освещение сверху, поскольку оно более объемно и лучше распределяется по ассимилирующей поверхности ценоза. Для достижения этого эффекта наряду с облучателями, расположенными над ценозом, применяют т.н. интерлайтинг (interlighting) - систему дополнительного междурядного досвечивания растений излучателями, расположенными непосредственно в ценозе. Применение такого приема на огурцах задерживает старение листьев, способствует улучшению качества продукции, уменьшению доли нестандартных плодов в урожае, повышает урожайность огурца за счет увеличения массы и количества плодов.

Для светокультуры характерны существенные энергетические затраты, поэтому вопросы экологичности и энергоэффективности приобретают особую актуальность [2]. Традиционными источниками излучения для применения в светокультуре являются натриевые лампы, однако эти источники имеют недостатки - малый срок службы, высокую энергоемкость, недостаточную оптимальность распределения интенсивности излучения по длинам волн в диапазоне фотосинтетически активной радиации (ФАР, 400 - 700 нм). Для интенсивного фотосинтеза у растений необходимым является не только обеспечение общего количества энергии ОИ, но и соответствующего спектрального состава излучения. Для

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._

экономически обоснованного применения источников излучения в светокультуре важной является и оценка их энергетической эффективности [3, 4].

Так, в Голландии в осенне-зимний период верхние лампы обеспечивают поток ФАР к ценозу огурца на уровне 16 мольм-

2сутки-1, а досвечивание внутри ценоза позволяет снизить суммарный

2 1

поток ФАР до 10 мольм" сутки за счет уменьшения мощности или количества верхних ламп [5]. Продуктивность светокультуры при этом не снижается вследствие более объемного и равномерного распределения светового потока по ассимилирующей поверхности растений. В Финляндии источники, размещаемые в ценозе, обеспечивают поступление 24-48 % всей световой энергии. Из-за короткого фотопериода, в зимнее время 50 % ламп располагают над рядами и 50 % - между рядами. Лампы обычно отключают, когда интенсивность солнечной радиации достигает 240-300 Втм" и за сутки ее приход составляет 1200 Джсм" . Здесь интерлайтинг используют для увеличения урожайности и снижении энергоемкости при выращивании огурцов и сладкого перца [6].

При интерлайтинге, в зависимости от мощности используемых

2 1

ламп, листья среднего яруса получают на 70-150 моль м" сутки ФАР

больше, чем при верхнем освещении [7, 8]. Общий приход ФАР к

2 1

ценозу составляет 40-50 моль м сутки , что позволяет полностью реализовать потенциал продуктивности светокультуры и получать до 180 кгм-2 плодов огурца в среднем за год.

Результаты экспериментов свидетельствуют о наличии прямой связи между интенсивностью применяемого искусственного света и продуктивностью зимней культуры огурца в теплице. Улучшение световой среды внутри ценоза способствует более раннему началу сбора огурцов (почти на 2 недели) и сокращению продолжительности оборота на неделю. Положительный эффект на урожайность и высокая товарность продукции обеспечивают рентабельность производства на уровне 37 %. Полученные в исследованиях данные позволяют рассматривать досвечивание в ценозе как эффективный прием интенсификации светокультуры огурца. Результаты экспериментов показывают снижение себестоимости огурца на 12 % в сравнении с сопоставимыми по мощности системами верхнего досвечивания. Средняя за неделю продуктивность огурца возрасла на 15 % (с 2.3 до 2.7 кгм-2), а товарность продукции повысилась на 2.4 %

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

Прием досвечивания внутри ценоза обеспечивает возможность использования системы «интерплантинга», т.е. высадки новых растений в рядах функционирующей культуры. Применение этого приема на практике существенно повышает экономическую эффективность использования площади теплицы за счет получения дополнительной продукции.

Настоящая работа является продолжением экспериментов по продвижению индукционной лампы в светокультуру, проводимых в научно - исследовательской лаборатории «Энергоэффективные электротехнологии в АПК» ИАЭП (г. Санкт-Петербург) совместно с НПО «Псковагроинновации» (г. Псков) [10].

Целью является представление результатов работы по созданию технического решения, обеспечивающего повышение эффективности светокультуры при выращивании длинностебельных растений.

Известны технические решения для реализации такой технологии. Так, при использовании облучательной установки [11] на начальных стадиях выращивания, при малой длине стебля растения, устройство выполняет функцию верхнего облучения. По мере роста растения для обеспечения бокового облучения листьев среднего и нижнего ярусов источник света переводят в вертикальное положение. В качестве источников света используются ртутные, натриевые или металлогалогенные лампы мощностью от 100 до 700 Вт.

Недостатками известного технического решения являются неудобство в эксплуатации при его применении в теплице, связанное с необходимостью ручного согласования высоты подвеса установки и угла наклона источника света, недостаточная равномерность облученности ярусов листьев растений, проистекающая из-за существенного расстояния между лампами, представляющими собой точечные источники излучения, возможность ожега листьев и ухудшения качества плодов из-за высокой температуры колбы применяемых ламп, повышенные затраты на облучательную установку из-за невысокого срока службы применяемых ламп и необходимости их замены.

На рисунке 1 представлена конструкция разработанного в лаборатории облучателя.

Устройство включает источник (1) света, прикрепленный держателем (4) к нижней части опорного (9) каркаса, на нижней плоскости которого размещен неподвижный (3) отражатель. К боковым ребрам каркаса с помощью шарниров (15) прикреплены подвижные (2) отражатели, которые с помощью крепления (5) поворотного (6) троса через ролики 7 и 8 соединены с натяжным (12) блоком. К этому же блоку с помощью крепления (17) подъемного (11) троса подвешен опорный (9) каркас.

Натяжной (12) блок крепится к несущей (14) конструкции с помощью подвесного (13) троса. К верхней плоскости опорного (9) каркаса прикреплен блок (10) питания, а внутри его размещены питающие (16) кабели. Электрическое питание Э подают от щита управления. При этом продольный размер конструкции облучательной установки выбирается равным длине ряда облучаемых растений. В качестве источника света используется индукционная лампа мощностью 400 Вт, максимумы в спектре излучения люминофорного покрытия у которой лежат в области 400-500 и 600700 нм.

Устройство работает следующим образом. Основные детали облучательной установки смонтированы на опорном (9) каркасе, который размещают в теплице над субстратом (19) с в выращиваемыми растениями (18) с помощью подъемного (11) троса,

72

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

натяжного (12) блока и подвесного (13) троса, прикрепленного к несущей (14) конструкции теплицы. На начальных этапах выращивания, при малой высоте растений, с помощью натяжения В поворотного (6) троса выставляют подвижные (2) отражатели таким образом, что бы обеспечить равномерное верхнее облучение растений потоком Ф. При увеличении длины стебля растений по мере их роста с помощью изменения натяжения А подьемного (11) троса изменяют положение (9) в ценозе, одновременно с помощью изменения натяжения В поворотного (6) троса выставляют подвижные (2) отражатели таким образом, что бы обеспечить равномерное облучение средних и нижних листьев.

На рис. 2 показан вариант конструкции облучателя, изготовленный в лаборатории энергоэффективных

электротехнологий ИАЭП для лабораторных испытаний. Облучатель снабжен подвижными отражателями, для его использования как для верхнего, так и нижнего применения).

На рис. 3 показаны кривые распределения силы света облучателя: А - в главной продольной плоскости, Б - в главной меридианальной плоскости. Фотометрирование проводили при максимальном поднятии подвижных отражателей.

На рис. 4 показано размещение облучателя в междурядиях огурца при его опытной эксплуатации в тепличном комплексе. На двух рядах нижние источники излучения, в качестве которых использовали лампы ДНаТ 250, были заменены на облучатель, выполненный по одному из вариантов разработанной конструкции (без подвижных отражателей).

Методика компоновки облучательной установки заключается в следующем. Облучатели размещают горизонтально в ценозе с шагом L, формируя световую линию общей длиной А, которая определяется длиной ряда выращиваемых растений. Ширина междурядий составляет Б, высота облучения растений H.

Задачей расчета является определение расстояния между облучателями L, количества облучателей в ряду Жи в теплице Ы0, суточной дозы облучения D.

О 10 20 30 40

Рис. 3. КСС облучателя при его Рис. 4. Размещение облучателя в горизонтальном расположении ценозе

Расчетная схема показана на рисунке 5.

а--

щ р>

L А

ш

"I Н

В

Рис. 5. Расчетная схема для компоновки облучательной установки

Исходные данные для расчетов. В теплице длина ряда А=64 м, междурядиеБ=1,5 м, количество рядов п=36, ширина полосы облучения Н=1 м, нормируемая облученность внутри ценоза от

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

интерлайтинга £=100 мкмольс-1м-2, фотонный поток от одного облучателя Ф=533 мкмольс-1, фотопериод Т=12 ч. Принимаем, что что для достижения наивысшей продуктивности растений огурца необходимая суточная доза составляет D=40 моль.

Целью применения дополнительного внутриценозного облучения является передача растениям недостающей дозы потока оптического излучения. При этом на долю внутриценозного облучения для обеспечения максимального энергосбережения должно приходиться до 70 % всего потока или Dвн=0,7'D=27,2 моль. Недостающую дозу 40-27,2=12,8 моль растения получают от верхнего облучения и естественной освещенности.

Площадь ценоза, на которой один облучатель создаст нормируемую облученность

^ =-^- =2,7 м2.

1 3600 • 2 • Е • Т • 10

Площадь облучаемой поверхности одного ряда растений внутри ценоза

^ = ан =641=64 м2.

Количество облучателей в ряду

ж = А =64/2,7=25 шт.

Расстояние между облучателями

L = ^ =64/(25-1)=2,5 м.

Количество облучателей на теплицу

ы0 = пы=3625=260 шт.

Экономический расчет эффективности замены натриевых ламп (НА) нижнего яруса (базовый вариант) на предлагаемый облучатель с индукционными лампами (ИЛ) приведен в таблице 1. Методика расчета предусматривает учет расходов на приобретение облучателей, на электроэнергию, аммортизацию ламп. Источниками эффективности применения облучателя с индукционными лампами являются экономия на лампах за счет их повышенного срока службы и повышение урожайности облучаемой культуры за счет оптимизации спектрального состава потока излучения.

Таблица 1

Расчет экономической эффективности_

Статьи затрат Вариант

НА ИЛ

1. Капвложения К, € 324000 360000

Цена облучателя Ц, € 150 400

Количество облучателей К, шт 2160 900

Затраты на облучатели (К=КЦ), € 324000 360000

2. Расход электроэнергии (Э=КРТ), кВтч 2612736 1632960

Мощность облучателя Р, кВт 0,28 0,42

Продолжительность работы установки в год Тг, мес. 9 9

Продолжительность облучения в сутках Тс, час. 16 16

Число часов работы в год (Т=30ТгТс), час. 4320 4320

3. Годовые экспл.издержки (И=Зэ+Зл), € 427368,96 195177,6

Срок службы лампы Тл, час. 10000 100000

Тариф на электроэнергию Цэ, €/кВт.ч 0,11 0,11

Затраты на энергию (Зэ=ЭЦэ) , € 287400,96 179625,6

Затраты на ресурс лампы (Зл=ЦЫТ/Тл), € 139968 15552

4. Приведенные затраты (П=ЕК+И), € 475968,96 249177,6

Норма.коэфф.эффективности (Е) 0,15 0,15

5. Годовой экон.эффект на лампах (Г1=П1-П2), € 226791,36

6. Годовой экон.эффект от повышения урожайности (Г2 = У^ЦК), € 101250,00

Базовая урожайность У, кг/м2 180,00

Площадь, занимаемая растениями S, м2 4500,00

Цена на продукцию Ц, € 2,5

Прирост урожайности К, % 5

7. Общий годовой экономический эффект (Г=Г1+Г2), € 328041,36

8. Срок окупаемости (О=К2/Г), лет 1,1

Таким образом, в работе рассмотрена конструкция и принцип действия облучателя, который может быть применен как для верхнего, так и для междурядного облучения растений в теплице. Облучатель разработан в коллаборации научно-производственного объединения «Псковагроинновации» и лаборатории энергоэффективных электротехнологий института агроинженерных и экологических проблем (ИАЭП). Применена люминесцентная индукционная лампа, по своим параметрам наиболее оптимально соответствующая требованиям светокультуры. Экономический расчет показал, что, несмотря на существенные капиталовложения на

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

реконструкцию облучательной установки она окупается в течение года.

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

1. Heuvelink E., Bakkerm M.J., Hogendonk L., Jense J., Kaarsemaker R., Maaswinke R. Horticultural lighting in the Nitherlands new developments // Acta Horticulture. 2006. V. 711. P. 25-34.

2. Ракутько С.А. Спектральные отклонения и энергоемкость процесса облучения растений // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.2008. -№ 10. С. 156-160.

3. Ракутько Е.Н., Ракутько С.А. Сравнительная оценка эффективности источников излучения по энергоемкости фотосинтеза // Инновации в сельском хозяйстве. 2015.- №2(12).С. 50-54.

4. Ракутько С.А. Оценка эффективности энергосберегающих мероприятий в электротехнологиях оптического облучения // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2008. № 11. С. 31-33.

5. Trouwborst G., Schapendonk A.H.C.M., Rappoldt K., Pot Sander, Hogewoning S.W. Ieperen W. The effect of intracanopy lighting on cucumber fruit yield - Model analysis // Scientia Horticulturae. 2011. V.129. P. 273-278.

6. Koivisto A., Hovi-Pekkanen T. Interlighting in the Production of Greenhouse Cucumber: Economic Comparison Using the Simulation Model.- Europ.J.Hort.Sci., 2008.- 74(4).- p. 177-182.

7. Hovi-Pekkanen T., Tahvonen R. Effect of interlighting on yield and external fruit qualityin year-round cultivated cucumber // Scientia Horticulturae. 2008. V.116. P. 152-161.

8. Pettersen R.I., Torre S., Gislerod H.R. Effects of intracanopy lighting on photosyn-thetic characteristics in cucumber // Scientia Horticulturae. 2010. Vol. 125. № 2. P. 77-81.

9. Григорай Е.Е., Далькэ И.В., Табаленкова Г.Н., Головко Т.К. Световой режим и продуктивность тепличной культуры огурца при использовании дополнительных источников освещения в междурядьях// Гавриш. 2012. №3. С. 10-13.

10. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Транчук А.С. Энергосберегающий фитооблучатель с индукционной лампой для интенсивной светокультуры /Интеллектуальные машинные технологии и техника для реализации Государственной прграммы развития сельского хозяйства. Сб. науч. докладов межд.научно-

77

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._

технич. конф. (15-16 сент 2015 г, Москва), ч.2.- М.: ФГБНУВИМ, 2015. С.268-271.

11. Patent EP №2090824 «Greenhouse light, greenhouse light system and method for altering the radiation pattern of a greenhouse light» /T. Helle. - app. № 09152454.6, pub. 19.08.2009.

УДК 621.548

Э.А. ПАПУШИН, канд. техн. наук;А.С. БЫЛЕЕВ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ВЭУ-16\30

В статье представлен вариант изменения конструкции головной части ветроэнергетической установки ВЭУ-16/30, в результате которого решена задача ее частичного уравновешивания. Естественным противовесом в конструкции служит генератор. За счёт исключения из конструкции узлов трансмиссии: карданных валов, угловых редукторов, повышается надежность и исчезает необходимость мероприятий по ремонту и техническому обслуживанию, связанных с ними. Снижается уровень шума, возникающего при работе ветроустановки, источником которого являлись опоры карданных валов трансмиссии.

Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, локальная энергетика

E.A. PAPUSHIN, Cand.Sc. (Engineering); A.C. BYLEEV FGBNU IEEP, Saint Petersburg, Russia

IMPROVING THE EFFICIENCY OF THE WIND POWER PLANT "ВЭУ -16\30"

The article presents a version of changes in the design of the head of the wind turbine "ВЭУ-16\30" aimed to solve the problem of its partial equilibration. The generator serves as a natural counterweight in the structure. The exclusion of transmission units, such as cardan shaft and angle-change gearbox, increases reliability and eliminates the need for repair and maintenance measures associated with them. The level of noise, which arises during the operation of the wind turbine, withthe source being the supports of propeller shafts of transmission, becomes lower.