Оценка эффективности светодиодного облучателя «Оптолюкс-Спэйс-Агро» для светокультуры

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

практический журнал «Механизации и электрификации сельского хозяйства» 2014. №4.С. 24-26.

9. Эрк А.Ф., Никитин А.В. Использование активных и пассивных солнечных коллекторов в системах солнечного водонагрева в СевероЗападном регионе РФ /А.Ф. Эрк, А.В. Никитин // Энергосберегающие технологии и технические средства для их обеспечения в сельскохозяйственном производстве: Междунар. науч.-прак. конф. молод. ученых, г. Минск, 25-26 августа 2010 г./РУП НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства. Минск, 2010. С. 277280.

10. Sudachenko V.,Popov A. Mathematical model to form a greenhouse temperature regime with the use of the solar energy storage means// Renewable Energy in Agriculture. Proceedings of the International Conference. Lithuanian Institute of Agricultural Engineering Raudondvaris. 16-17 September 1999, pp. 93-98.

УДК 628.979:581.035

С.А. РАКУТЬКО, д-р техн. наук; А.П. МИШАНОВ, А.Е. МАРКОВА, канд. с.-х. наук, Е.Н. РАКУТЬКО

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СВЕТОДИОДНОГО ОБЛУЧАТЕЛЯ «ОПТОЛЮКС-СПЭЙС-АГРО» ДЛЯ СВЕТОКУЛЬТУРЫ

Выполнен литературный обзор требований к аграрным светодиодным облучателям. Представлены характеристики облучателя «Оптолюкс-Спэйс-Агро», предназначенного для использования в светокультуре. Анализ показал перспективность данного облучателя в светокультуре.

Ключевые слова: теплицы, облучательная установка, светокультура, светодиоды, методика компоновки.

S.A. RAKUTKO, DSc (Engineering); A.P. MISHANOV; A.E. MARKOVA, Cand. Sc. (Agriculture); E.N. RAKUTKO

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

APPLICABILITY ASSESSMENT OF LED LIGHTER "OPTOLUX-SPACE-AGRO" FOR INDOOR PLANT CULTIVATION

The literature review of the requirements for agricultural LED lighters was made. The characteristics of LED lighter "Optolux-Space-Agro" designed for indoor plant cultivation are presented. The analysis proved the good prospects of the greenhouse application of the lighter under investigation.

Keywords, greenhouse, irradiation facility, indoor plant lighting, LED, layouttechnique.

Использование светодиодов (СД) для облучения представляет собой технологию, принципиально отличную от традиционных газоразрядных ламп. В настоящее время СД активно внедряются в теплицах, что объясняется их преимуществами перед другими источниками излучения. Эти оптоэлектронные устройства отличаются высокой энергоэффективностью, длительным сроком службы, низкой температурой излучателя, возможностью регулирования спектра излучения, безинерционностью и экологической чистотой.

Важнейшим достоинством СД является возможность управлять спектральным составом излучения. Уже существуют светодиоды для спектральных диапазонов от ближнего инфракрасного до ближнего ультрафиолетового, которые могут быть подобраны для конкретных культур и оптимизированны для их максимальной продуктивности при соблюдении энергоэффективности. Необходимость регулирования спектра излучения в светокультуре объясняется чувствительностью растений к излучению различных длин волн. Принято выделять в области фотосинтетически активной радиации (ФАР) с длинами волн 400-700 нм следующие диапазоны: синий (B -blue) 400-500 нм, зеленый (G - green) 500-600 нм, красный (R - red) 600-700 нм). Важным является наличие излучения в дальнекрасном диапазоне (FR - farred) 700-800 нм.

Излучение в R и В диапазонах оказывает наибольшее влияние на рост растений, являясь основным энергетическим источником для фотосинтетической ассимиляции углекислоты. Проведенные исследования выявили спектры действия фотосинтеза у высших растений. Известно, что они имеют максимумы в этих диапазонах [1]. Синий свет подавляет удлинение гипокотиля и приводит к

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

производству биомассы, а красный способствует удлинению гипокотиля и увеличению площади листьев [2]. По литературным данным, СД облучатели чаще всего состоят из R, G и FR светодиодов. Такие растения, как перец, шпинат, редис, салат успешно культивируют с помощью СД этих диапазонов [3]. Изучению влияния R и FR излучения на рост и развитие растений уделяется большое внимание [4]. FR излучение, действуя на фотопреобразования фитохрома, является необходимым для нормальных фотоморфогенетических процессов в растениях.

Фитохром представляет собой белки, позволяющие воспринимать внешнюю световую среду растений. Его световоспринимающей частью является хромофор, который имеет две взаимопревращаемые изоформы с различными спектрами поглощения в R и FR диапазонах [5]. Облучение потоком R или FR изменяет соотношение изоформ фитохрома и влияет на биохимические и физиологические реакции, такие как всхожесть, удлинение стебля и синтез пигмента. Действие R или FR излучения в конце фотопериода влияет на вытягивание стебля [6]. Действие фитохромов зависит от относительных количеств его активной и неактивной форм, содержащихся в тканях растений, что положительно коррелирует с отношениями R:FR в широком диапазоне условий облучения.

Низкое соотношение R:FR вызывает ряд реакций в растениях, известных как синдром избегания затенения, которые включают удлинение междоузлий, черешков и листьев, усиление апикального доминирования, сокращение разветвления и ускорение цветения [7]. Высокое соотношение R:FR вызывает физиологические реакции, приводящие к компактной кроне растений [8]. В опытах сочетание FR-СД с R-СД или люминесцентными лампами оказывали существенное влияние на характеристики роста салата: увеличение биомассы, длину листа, однако негативно влияли на концентрацию хлорофилла, антоцианов и каротиноидов. Стимуляция роста салата под дополнительным FR облучением связана с увеличением площади листьев и, следовательно, с увеличением падающего на растение потока [9]. Дополнительное освещение инфракрасным излучением приводит к вытягиванию гипокотиля у томата [10]. В зависимости от спектрального состава излучения различна энергоэффективность светокультуры [11].

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

Целью данной работы является независимый анализ выпускаемого ООО «ЛЕД-Энергосервис» СД облучателя на предмет возможности его применения в светокультуре.

Облучатель выпускается в двух вариантах исполнения по методу крепления: подвесной (габаритные размеры 322x322x295 мм, масса 4,7 кг) и пристраиваемый поворотный (габаритные размеры 322x322x300 мм, масса 5,0 кг).

Внешний вид облучателя, показан на рисунке 1.

Рис. 2. Десятидневные сеянцы Рис. 3. Выгонка петрушки под

томата под облучателем облучателем

В лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИАЭП облучатель использовали для выращивания рассады томата (рис. 2) и выгонки петрушки (рис. 3).

Электрические и светотехнические параметры облучателя приведены в таблице 1.

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

Таблица1

Параметры облучателя «Оптолюкс-Спэйс-Агро»

Параметр Значение

Напряжение питания, В 186-264

Активная мощность, Вт 140

Коэфф.мощности, отн.ед., не 0,95

менее

Энергетический поток, Вт 33

Световой поток, лм 3887

Фотонный поток, мкмольс-1 171

КПД облучателя составляет 23,6 %, световая отдача 27,8 лмВт, фотонная отдача 1,2 мкмольс-1Вт-1.

КСС облучателя измеряли на распределительном фотометре с шагом 5 о. Экспериментально полученная КСС в виде функции в полярных координатах ^ показана на рисунке 4, справа, и соответствует типу К (концентрированная).

т 180 160 140 ¡20 100 1 х, отн.ед.

80 60 40 20

О 10 20 30 40

Рис. 4. КСС облучателя

На этом же рисунке, слева, показана диаграмма Руссо ^, полученная перестроением в прямоугольной системе координат функции ¡а. Площадь под диаграммой Руссо пропорциональна потоку излучения в пределах определенных углов. Для непосредственного нахождения углов и потоков построена интегральная кривая.

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

а

Диаграмма Руссо позволяет найти плоский угол соответствующий для круглосимметричного излучателя зональному углу, в пределах которого заключена определенная доля потока. Задав долю потока равной 90 %, по диаграмме находим, что искомый поток заключен в пределах конуса с углом при вершине 30о. Этому углу соответствует площадка на облучаемой поверхности диаметром

На рисунке 5 показана зависимость горизонтальной освещенности, лк, от высоты подвеса облучателя, м. Пунктирная линия построена по экспериментальным данным, сплошной - кривая, описываемая аппроксимирующей функцией.

Рис. 5. Зависимость создаваемой облученности от высоты подвеса

При малой высоте подвеса (менее 1 м) аппроксимирующая кривая существенно отличается от экспериментальных данных. При больших высотах можно пользоваться аппроксимирующим уравнением. Для обратного расчета, по заданной освещенности требуемая высота подвеса определяется из уравнения

,8,33 - ln Eч

h = exp

1,85

Спектральную плотность фотонной облученности ФАР (photosynthetic photon flux density, PPFD) измеряли прибором ТКА ВД/04 с доработанным программным обеспечением (рисунок 6).

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

4000

'а 3000 Й

о

13

£

о

Рн Рц Рц

2000

1000

400 450 500 550 600 650

Длина волны, нм

700

750

800

Рис. 6. Спектральная плотность фотонной облученности

При данном спектре излучения вычислены переводные коэффициенты, приведенные в таблице 2.

Таблица 2

-.—ж- *

Переводные коэффициенты для различных систем величин

0

лк мкмольс" "м-2 Втм-2

лк - 0,04396 0,00846

мкмольс-1м-2 22,7472 0,19244

Втм-2 118,2025 5,1963 -

например,! лк соответствует 0,04396 мкмольс- м

Состав потока излучения характеризовали процентным соотношением количества фотонов в отдельных спектральных поддиапазонах (таблица 3).

Таблица 3

_Спектральный состав потока излучения, %._

Диапазон По ФАР

Синий (В) 22,3 16,4

Зеленый 8,9 6,5

Красный 68,8 50,5

Дальнекрасный (FR) - 26,6

Итого 100% 100 %

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

Спектральный состав излучения по соотношению диапазонов ФАР соответствует требованиям, предъявляемым к растениеводческим источникам излучения. Соотношение R:FR=1:1,9 позволяет прогнозировать перспективность применения облучателя в светокультуре.

Рекомендуется следующая методика расчета и компоновки облучательной установки с применением «Оптолюкс-Спэйс-Агро».

Пусть выращиваемой культурой является рассада томата. Заданный уровень фотонной облученности - 100 мкмольс-1м-2. Рассада выращивается в горшочках, площадь кроны растения одного горшочка составляет 0,04 м . Необходимо определить количество облучателей и затраты на облучение.

1. Переводим фотонные единицы в световые.

Величина освещенности, соответствующая заданной фотонной облученности, составляет £'=10022,7=2270 лк. Эту величину при компоновке облучательной установки следует контролировать с помощью люксметра.

2. По рисунку 5 или уравнению (2) определяем высоту подвеса, при которой обеспечивается найденная освещенность, h=1,4 м.

3. По формуле (1) определяем диаметр облучаемой площади

d = 2h tgaKV = 1,62 м.

Облучатели располагаем в три ряда по пять облучателей в ряду (всего n=15 шт) с шагом 1,6 м. Ширина облучаемой поверхности 4,8 м, длина 8,0 м. Общая площадь 38,4 м . Количество корней рассады при заданной плотности составит 960 шт.

Общая мощность облучательной установки P = np=15140=2,1 кВт.

Производя облучение с фотопериодом T=15 ч в течение D =40 дней, затраты электроэнергии, кВтч, составят W = ptd =2,115 40=1260 кВтч.

При стоимости электроэнергии c=3,40 руб, дополнительные затраты на облучение в расчете на 1 саженец томата составят

z = — =3,401260/960=4,4 руб.

N

При цене на реализацию одного корня около 45 руб. затраты на дополнительное облучение в себестоимости составляют около 10 %.

Таким образом, удобство конструктивного исполнения, спектральные и светотехнические характеристики облучателя

«Оптолюкс-Спэйс-Агро» позволяют рекомендовать его для

66

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

использования в теплицах и других культивационных сооружениях при выращивании растений. Конкретные рекомендации требуют проведения серии экспериментов по опытному выращиванию различных культур, что является задачей дальнейших исследований лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИАЭП.

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

1. Cosgrove D., 1981. Rapid suppression of growth by blue light. Plant Physiol. 67, 584-590.

2. Johkan M, Shoji K, Goto F, Hahida S, Yoshihara T. Effect of green light wavelength and intensity on photomorphogenesis and photosynthesis in Lactuca sativa. Environmental and Experimental Botany. 2012;75:128-133.

3. Yorio N. C., Goins G. D., Kagie H. R. et al. Improving spinach, radish, and lettuce growth under red light-emitting diodes (LEDs) with blue light supplementation // HortScience. 2001, vol. 36, p. 380-383.

4. Rajapaske, N.C., R.K. Pollock, M.J. McMahon, J.W. Kelly, and R.W. Young. 1992. Interpretation of light quality measurements and plant response in spectral filter research. HortScience 27:1208-1211.

5. Hendricks, S.B., W.L. Butler, and H.W. Siegelman. 1962. A reversible photoreaction regulating plant growth. J. Phys. Chem. 66:25502555.

6. Blom, T.J., M.J. Tsujita, and G.L. Roberts. 1995. Far-red at end of day and reduced irradiance affect plant height of Easter and Asiatic hybrid lilies. HortScience 30:1009-1012.

7. Smith, H. and G.C. Whitelam. 1997. The shade avoidance syndrome: Multiple responses mediated by multiple phytochromes. Plant Cell Environ. 20:840-844.

8. Mortensen, L.M. and E. Stromme. 1987. Effects of light quality on some greenhouse crops. Scientia Hort. 33:27-36.

9. Li, Q. & Kubota, C. 2009. Effects of supplemental light quality on growth and phytochemicals of baby leaf lettuce. Environmental and Experiment Botany67: 59-64.

10. Brown, C., Shuerger, A.C. & Sager, J.C. 1995. Growth and photomorphogenesis of pepper plants under red light-emitting diodes with

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