СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ СИСТЕМЫ ОБЛУЧЕНИЯ РАСТЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ ВЫРАЩИВАНИЯ ПРИ УПОРЯДОЧЕННОЙ КОМПОНОВКЕ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
METHOD FOR REDUCTION OF PLANTS RADIATION SYSTEM ENERGY INTENSITY IN PROCESS OF THEIR GROWTH WITH ORDERED LAYOUT OF LIGHT SOURCES

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к области тепличного растениеводства, в частности к светокультуре.
Известно понятие энергоемкости, в соответствии с которым энергоемкость - это величина потребления энергии и(или) топлива на основные и вспомогательные технологические процессы изготовления продукции, выполнение работ, оказание услуг на базе заданной технологической системы [ГОСТ Р 51387-1999. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения. Введ. 2000-07-01].
Численным выражением энергоемкости системы является показатель, представляющий собой отношение энергии, потребляемой системой, к величине, характеризующей результат функционирования данной системы. В применении к системе облучения растений энергия, потребляемая системой, представляет собой электрическую энергию, которая используется источниками света (ИС) для создания требуемых параметров радиационного режима растений. Под величиной, характеризующей результат функционирования данной системы, следует понимать электрическую энергию, которая потребляется ИС на создание нормируемых параметров радиационного режима облучаемых растений.
Для системы облучения растений как технического средства передачи энергии от источника электрического питания к выращиваемым растениям величина энергоемкости является показателем эффективности системы облучения растений.
Известен способ снижения энергоемкости системы облучения растений в процессе их выращивания, предусматривающий равномерное распределение общего количества ИС между фазами питающий сети. Затем нагрузки каждой фазы делят на группы из условия ограничения общего количества ИС данного типа на группе [Жилинский Ю.М. Электрическое освещение и облучение. / Ю.М.Жилинский, В.Д.Кумин. - М.: Колос, 1982, с.233-235].
Недостатком такого способа является то, что компоновка ИС вдоль протяженных групповых линий производится без учета показателей зависимости основных характеристик ИС от напряжения питания, что связано с повышенной энергоемкостью системы облучения растений.
6
Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ упорядоченной компоновки ИС системы облучения растений в процессе их выращивания [патент РФ 2106778, МПК A01G 9/24. Способ упорядоченной компоновки источников оптического излучения системы облучения растений в процессе их выращивания./Ракутько С.А., Карпов В.Н., Гулин С.В.; заявитель Ракутько С.А., патентообладатель Дальневосточный государственный аграрный университет. - №94028963/15; заявл. 03.08.94; опубл. 20.03.98], который ведут следующим образом:
1) равномерно распределяют ИС между фазами питающей сети;
2) вдоль питающей линии намечают места для установки ИС;
3) определяют фактическое значение величины питающего напряжения в местах установки ИС;
4) до начала эксплуатации из партии ИС данного типа создают представительную выборку и проводят ее ресурсные испытания;
5) в ресурсных испытаниях определяют зависимость коэффициента отклонения спектра от напряжения питания для ИС с различным временем наработки;
6) устанавливают функциональную связь между оптимальным значением питающего напряжения и временем наработки ИС, обеспечивающую минимальные значения найденного коэффициента отклонения спектра на любой момент времени;
7) определяют фактическое время наработки ИС;
8) для установки в намеченных местах вдоль питающей линии выбирают ИС с временем наработки, при котором наблюдается минимальное значение коэффициента отклонения спектра.
Недостатком известного способа является то, что оценка ИС и определение их места по длине групповой питающей сети производится по критерию снижения спектральных отклонений, что не равнозначно снижению энергоемкости системы облучения растений.
Техническим результатом изобретения является снижение энергоемкости системы облучения растений в процессе их выращивания при упорядоченной компоновке источников света.
Способ снижения энергоемкости системы облучения растений в процессе их выращивания при упорядоченной компоновке источников света заключается в следующем:
1) равномерно распределяют ИС между фазами питающей сети;
2) вдоль питающей линии намечают места для установки ИС;
3) определяют фактическое значение величины питающего напряжения в местах установки ИС;
4) до начала эксплуатации из партии ИС данного типа создают представительную выборку и проводят ее ресурсные испытания;
5) в ресурсных испытаниях определяют зависимость энергоемкости системы облучения растений от напряжения питания для ИС с различным временем наработки,
6) устанавливают функциональную связь между оптимальным значением питающего напряжения и временем наработки ИС, обеспечивающую минимальные значения найденной энергоемкости на любой момент времени;
7) определяют фактическое время наработки ИС;
8) для установки в намеченных местах вдоль питающей линии выбирают ИС с временем наработки, при котором наблюдается минимальное значение энергоемкости системы облучения.
Новые существенные признаки:
5) в ресурсных испытаниях определяют зависимость энергоемкости системы облучения растений от напряжения питания для ИС с различным временем наработки;
6) устанавливают функциональную связь между оптимальным значением питающего напряжения и временем наработки ИС, обеспечивающую минимальные значения найденной энергоемкости на любой момент времени;
8) для установки в намеченных местах вдоль питающей линии выбирают ИС с временем наработки, при котором наблюдается минимальное значение энергоемкости системы облучения.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
U
На фиг.1 показана зависимость энергоемкости системы облучения растений ε, отн.ед., от величины напряжения питания, заданной относительной величиной k, для ИС с различным временем наработки Т, тыс.ч.
Значения напряжения питания задают относительной величиной
п
где U - текущее значение напряжения питания. В;
н
U - номинальное значение напряжения питания для ламп данного типа, В.
На фиг.2 показана функциональная связь между оптимальным значением питающего напряжения , отн.ед., и временем наработки ИС Т, час, обеспечивающая минимальные значения энергоемкости и являющаяся основой для выбора места установки ИС с определенным временем наработки Т в определенное место вдоль групповой питающей линии, где в силу разного значения напряжения вдоль питающей линии обеспечивается минимальное значение энергоемкости. Обозначения на фиг.2: 1 - групповой щиток, 2 - групповая линия, 3 - облучатели.
В основе изобретения лежит использование явления зависимости основных характеристик ИС, прежде всего - спектральных от величины питающего напряжения и времени наработки ИС. Происходящие в процессе эксплуатации ИС спектральные изменения не могут быть в полной мере скомпенсированы изменением величины питающего напряжения. Это объясняется необратимыми изменениями, имеющими место в газоразрядных ИС - диффузией атомов добавок через стенки горелки, изменение излучательных характеристик ИС, старением оптических материалов и т.д.
Однако для ИС с определением времени наработки имеется такое питающее напряжение (его можно считать оптимальным), при котором спектральные отклонения минимальны.
i
син
зел
кр
В настоящее время в соответствии с действующими в отрасли методиками спектральный состав излучения характеризуют соотношением интенсивности излучения трех спектральных диапазонов k, %: синего k (400…500 нм), зеленого k (500…600 нм) и красного k (600…700 нм).
син
зел
кр
син
зел
кр
Для некоторых светокультур найдены спектральные соотношения, обеспечивающие наилучшие результаты. Например: для огурца - k:k:k=17%: 40%: 43%, для томата - k:k:k=15%:17%:68% [Прикупец Л.Б. Оптимизация спектра излучения при выращивании овощей в условиях интенсивной светокультуры./Л.Б.Прикупец, А.А.Тихомиров//Светотехника. - 1992. - № 3. - С.5-7].
i
iн
Энергоемкость системы облучения растений снижается при приближении спектральных характеристик ИС, задаваемых k, к нормируемым значениям, задаваемым k. Это объясняется тем, что снижаются потери, необходимые для компенсации недостатка потока в тех спектральных диапазонах, где наблюдается снижение потока излучения против необходимого. При отклонении спектра ИС от требуемого происходит увеличение энергоемкости системы облучения растений, что связано с необходимостью обеспечить требуемую дозу облучения в определенном «дефицитном» спектральном диапазоне, завысив ее в других диапазонах путем завышения общей мощности облучательной установки.
Величина завышения
iн
Энергия, потребляемая облучательной установкой в номинальном режиме (при нормируемых спектральных параметрах, характеризуемых величинами k)
0
где P - мощность облучательной установки в номинальном режиме;
0
Т - время облучения растений.
i
Энергия, потребляемая облучательной установкой при компенсации недостатка дозы в «дефицитном» спектральном диапазоне (требуемая энергия при реальных спектральных параметрах, характеризуемых величинами k)
Тогда энергоемкость системы облучения растений
Таким образом, величина энергоемкости численно равна коэффициенту завышения величины потока в наиболее «дефицитном» спектральном диапазоне, т.е. зависит от спектрального состава излучения, на который влияет величина питающего напряжения и время наработки ИС.
С другой стороны, в предлагаемом способе учитывается тот факт, что в протяженных электрических линиях по их длине происходят потери напряжения, т.е. в местах установки источников излучения вдоль групповой линии естественным образом наблюдаются различные значения питающего напряжения.
Положение облучателя на групповой линии характеризуется относительным расстоянием
где l - расстояние от группового щитка до ИС, м;
L - общая длина групповой линии, м.
U
U
U
Величина допустимых потерь ΔU является исходной при расчете площади сечения проводникового материала и составляет 5% (т.е. ΔU=0,05). В начале электрической линии k=1, в конце k=0,95. Зависимость коэффициента k от времени наработки T, обеспечивающая минимальные значения энергоемкости может быть выражена в виде уравнения регрессии
где  - оптимальное значение относительной величины питающего напряжения из условия обеспечения наименьшей энергоемкости, отн.ед.;
-1
α - параметр, характеризующий функциональную связь  ч;
Т - время наработки ИС, ч.
U
При постоянной площади сечения линии справедливо следующее соотношение между величиной k и относительным расстоянием l':
Расстояние, на котором необходимо расположить ИС с временем наработки Т для обеспечения минимального значения энергоемкости
Таким образом, предлагаемый способ предполагает упорядоченную компоновку групп ИС, при которой ИС в соответствии с зависимостью их энергоемкости от величины питающего напряжения (т.е. с учетом времени наработки) упорядочено располагаются на групповых линиях. Тем самым производится компенсация повышения энергоемкости по причине зависимости энергоемкости ламп от величины питающего напряжения и времени наработки.
2
2
Пример. Способ осуществляется при облучении рассады томатов в зимней ангарной теплице размерами 40×18 м. При нормируемой удельной мощности 100 Вт/м и площади 720 м требуемая мощность облучательной установки составит 72 кВт.
Полагаем, что при выполнении электрической сети облучательной установки площадь поперечного сечения проводов каждой групповой линии определялась исходя из обеспечения минимума расхода проводникового материала. При этом допустимыми в конце линии были приняты потери 5%.
При использовании для облучения ламп ДРИ-2000 мощностью 2 кВт каждая их потребуется 36 шт. Располагая облучатели в три ряда (по числу фаз сети), количество облучателей в ряду на групповой линии составит 12 шт.
Задачей снижения энергоемкости является определение места расположения конкретного ИС вдоль групповых питающих линий (т.е. их упорядоченная компоновка).
Общая длина линии L=40 м.
U
Исходя из схемы размещения облучателей по формуле 6 определяют относительные расстояния от щитка до облучателей l'. По формуле 8 определяют относительные значения величины напряжения питания k у мест установки облучателей. Полученные численные значения для данного примера приведены в таблице.
Для каждого ИС известными методами определяют его наработку.
На представительной выборке ИС данного типа находят зависимость энергоемкости системы облучения, выполненной из ИС с различной наработкой от величины питающего напряжения. Указанная зависимость для ламп ДРИ 2000 показана на фиг.1. Из условия обеспечения минимального значения энергоемкости устанавливают функциональную связь оптимального значения питающего напряжения  от времени наработки ИС Т.
Компоновка ламп ДРИ-2000 с различным временем наработки на групповых линиях
№
l, м
l', отн.ед.
k<sub>U</sub>, отн.ед.
Т, тыс.ч.
1
3,33
0,08
1,00
0,10
2
6,67
0,17
0,99
0,21
3
10,00
0,25
0,99
0,31
4
13,33
0,33
0,98
0,42
5
16,67
0,42
0,98
0,52
6
20,00
0,50
0,98
0,63
7
23,33
0,58
0,97
0,73
8
26,67
0,67
0,97
0,83
9
30,00
0,75
0,96
0,94
10
33,33
0,83
0,96
1,04
11
36,67
0,92
0,95
1,15
12
40,00
1,00
0,95
1,25
Облучатели компонуют ИС из условия соответствия реального напряжения у конкретных облучателей и требуемого по критерию минимальности энергоемкости устанавливаемых ИС.
На фиг.2 показана функциональная связь между оптимальным значением питающего напряжения , отн.ед., и временем наработки ИС Т, час, по которой производится выбор места установки ИС с определенным временем наработки Т в определенное место вдоль групповой питающей линии в целях обеспечения минимального значения энергоемкости системы облучения растений.
В случае отсутствия ИС с требуемым временем наработки компоновка производится исходя из найденной закономерности: источники, требующие для минимальных значений энергоемкости меньшей величины питающего напряжения (с большим временем наработки для ламп ДРИ 2000), размещаются пропорционально дальше от начала групповой линии (щитка). В следующих циклах вегетации, когда наработка применяемых ИС увеличивается, минимальных значений энергоемкости добиваются соответствующим регулированием величины питающего напряжения. Определение характеристик ИС производится при их входном контроле (тестировании).
Значения требуемой наработки экземпляров ламп ДРИ 2000, которыми производится комплектование соответствующих облучателей, приведены в таблице.