Комбинированная облучательная система для многоярусной фитоустановки
COMBINED IRRADIATION SYSTEM FOR MULTI-TIER PHYTOPLANT

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к системам освещения, предназначенным для применения в растениеводстве защищённого грунта с использованием технологии светокультуры.
Известно, что выращивание растений по технологии светокультуры в современных промышленных теплицах с использованием искусственного освещения позволяет в 3÷5 раз увеличить производство тепличной овощной продукции и обеспечить импортозамещение в её поставках населению страны в холодное время года.
В современных теплицах с малообъемной гидропоникой, использующих технологию светокультуры, выращивание формообразующих растений (огурец, томаты, баклажаны, перец) производят с помощью специально сформированного ценоза в виде шпалер V-образной формы высотой 2,0÷3,5 м. Растения высаживают рядами в лотках (в секции шириной, например, 9,6 м - 5÷6 рядов) с расстоянием между рядами порядка 1 м.
2
2
Системы освещения для современных теплиц основаны в основном на устанавливаемых сверху мощных облучателях 600÷1000 Вт с натриевыми лампами высокого давления (НЛВД) с удельной электрической мощностью 150÷220 Вт/м. В дополнение к ним иногда используются устанавливаемые между рядами шпалер или непосредственно в ценозе светильники с НЛВД без отражателей, получившие название междурядных. Однако из-за частых повреждений листьев растений (температура на колбе ламп превышает 400°С) и технологических неудобств светильники с НЛВД в настоящее время заменяются на протяжённые светодиодные (СД) фитооблучатели мощностью 100÷150 Вт с удельной установленной мощностью 40÷60 Вт/м [Справочная книга по светотехнике, 4 издание, под ред. Ю.Б. Айзенберга, Москва, - 2019].
2
2
В последние годы активно меняется структура питания населения передовых стран в пользу возрастающего потребления богатых витаминами и другими ценными веществами свежих салатно-зеленных культур. С учетом этой тенденции, а также из-за стремления снизить затраты на производственные площади и транспортные расходы, но главным образом благодаря уникальным техническим и экономическим качествам СД-излучателей появился и динамично развивается в настоящее время новый вид производственных фитоустановок - автоматизированные вертикальные многоярусные фитоустановки (МФУ) типа City Farm. Эти установки предназначены для выращивания салатно-зеленных культур и состоят из компактных ячеек (модулей), расстояние в них от растений до СД-фитооблучателей не превышает 50 см. Электрическая мощность используемых СД-фитооблучателей составляет, как правило, 30÷60 Вт, удельная установленная мощность - 80÷120 Вт/м, создаваемая фотосинтетическая фотонная облучённость на плоскости посадки растений - 160÷200 мкмоль/(с·м).
Облучательная система для таких МФУ достаточно проста и состоит из нескольких линейных облучателей, которые устанавливаются на верхней плоскости («потолке») ячейки по схеме, обеспечивающей необходимый уровень облученности и равномерность её распределения на технологической площади.
Отметим, что на цели облучения растений в МФУ расходуется около 90% всей потребляемой электроэнергии, следовательно, фактор энергосбережения за счет рационализации систем облучения МФУ весьма значим.
Известны технические решения, предполагающих повышение эффективности облучательных систем для МФУ.
Известна установка для облучения растений в многоярусных системах, преимущественно в их внутренней области, размещена внутри многоярусной гидропонной установки, имеющей каркас из наклонных ригелей, на которых установлены растильни. Источники света закреплены непосредственно на защитном коробе. Отражающая поверхность выполнена в виде части поверхности защитного короба. Источники света - ртутные газоразрядные лампы - выполнены удлинённой формы и расположены соосно. На коробе закреплено не менее двух ламп. Лампы токоподводящим кабелем через помещённые в короб соединительную клеммную колодку и импульсное зажигающее устройство связаны со шкафом управления. [Патент РФ №2098941, МПК A01G 9/24, опубл. 20.12.1997.]
Недостатком известного устройства является то, что используемые в нем ртутные лампы технически и морально устарели, имеют в 2-4 раза меньшую эффективность, чем современные излучатели; кроме того, ртутное наполнение не желательно по экологическим соображениям. В патенте также отсутствуют какие-либо сведения о технических характеристиках ламп и облучательной установки, без чего невозможно оценить хозяйственную эффективность предлагаемого устройства.
Известно устройство для облучения растений в теплице с многоярусной стеллажной гидропонной установкой, содержащее основной отражатель и кассету источников излучения. Кассета источников излучения размещена в полости основного отражателя и снабжена приводом ее вращения и оптическим многолопастным отражающим экраном, лопасти которого соединены одной стороной с осью вращения кассеты, связанной с приводом вращения последней и размещенной соосно с основным отражателем, который выполнен в виде размещенного горизонтально цилиндрического отражателя для закрепления на стеллаже гидропонной установки, при этом источники излучения расположены параллельно оси вращения кассеты в промежутках между соседними лопастями оптического многолопастного отражающего экрана и с зазором относительно последних и оси вращения кассеты, причем кассета источников излучения размещена вдоль всей длины отражателя для закрепления на стеллаже гидропонной установки. В качестве источников излучения использованы люминесцентные газоразрядные лампы. [Патент РФ № 2034447, МПК A01G 9/24, A01G 31/02, опубл. 27.02.1995.]
Недостатком известного устройства является неоправданно сложная система ввода излучателя в трубу-световод, при этом не учитывается (в светотехнике это многократно проверено), что оптический КПД подобной системы крайне низок. В качестве источников излучения предлагается использовать содержащие ртуть люминесцентные лампы, что недопустимо в фитоустановках по экологическим соображениям.
Общим недостатком вертикальных МФУ является принципиальное отсутствие возможности энергосбережения при их размещении в традиционных теплицах.
При возрастании естественной освещённости в теплицах снижение потребляемой электрической мощности СД-фитооблучателей невозможно, поскольку в каждую ячейку попадает лишь минимальная доля естественного света.
Избавиться от указанного недостатка позволяют завоёвывающие в настоящее время в области растениеводства защищенного грунта всё большую популярность многоярусные фитоустановки МФУ, выполненные в виде протяжённых треугольных призм, стоящих на одной из прямоугольных боковых граней. Вдоль боковых граней параллельно продольной оси МФУ проложена замкнутая система труб (количество труб соответствует числу ярусов), по которым по специальной программе подается питательный раствор; в отверстия в верхнем полуцилиндре трубы высаживаются в стандартных горшочках с субстратом растения, образующие многоярусный ценоз.
Данная конструкция МФУ, в отличие от вертикальных МФУ, дает возможность выращивать не только салатно-зеленные, но и детерминантные культуры томатов, огурца, перца, баклажанов, а также ягодные растения. Кроме того, наклонные грани МФУ позволяют использовать всей поверхностью ценоза естественное излучение и тем самым создают реальные возможности существенной экономии электроэнергии в условиях светокультуры в процессе вегетации растений, которая, по нашим оценкам, достигает 30%.
Таким образом, при установке МФУ данной конструкции в стандартной теплице не только пассивно используется инфраструктура последней, но и может быть достигнуто существенное энергосбережение.
Известно устройство для выращивания растений в теплице, содержащее вегетационные блоки, выполненные из треугольных рам с лотками для питательного раствора растений, систему облучения, систему подачи воздуха с воздуховодами. Система облучения включает две группы источников оптического излучения. Источники первой группы расположены над лотками для питательного раствора между соседними вегетационными блоками. В качестве источников оптического излучения первой группы использованы источники излучения с распределением соответствующих долей потока энергии в спектральных диапазонах 400-500 нм, 500-600 нм и 600-700 нм соответственно в пределах 15-25%, 35-45% и 35-45%. Источники второй группы размещены в полости между основанием теплицы и треугольными рамами каждого вегетационного блока. В качестве источников оптического излучения второй группы использованы источники с распределением соответствующих долей потока энергии в этих же спектральных диапазонах соответственно в пределах 5-10%, 15-25% и 60-70%. Имеющая меньший радиус кривизны поверхность каждого воздуховода покрыта светоотражающим слоем. В качестве источников света используются лампы трехфазные металлогалогенные типа ДМЗ-3000. [Патент РФ №2066530, МПК A01G 9/24, опубл. 20.09.1996 - прототип.]
Недостатком известного устройства является зависимость системы облучения от конструкции устройства для выращивания растений, а используемые трехфазные металлогалогенные лампы могут содержать токсичные соединения, обладают низкой надежностью и имею ресурс в 8-10 раз меньше, чем современные натриевые или светодиодные излучатели.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является устройство для облучения растений, выращиваемых в лотках, установленных на основании теплицы и треугольных рамах вегетационных блоков, содержит первую секцию источников оптического излучения для размещения над лотками между соседними вегетационными блоками и вторую секцию источников оптического излучения для установки в полости между треугольными рамами каждого вегетационного блока и основанием теплицы. Источники оптического излучения второй секции выполнены с уменьшением отношения потока энергии в спектральном диапазоне 600-700 нм к общему потоку энергии во всем спектре излучения каждого из источников оптического излучения от 60-80% до 30-40% при увеличении высоты размещения данных источников оптического излучения относительно основания теплицы. Источники оптического излучения второй секции расположены в вертикальной плоскости симметрии каждого вегетационного блока. Мощность P каждого источника оптического излучения второй секции выбирают в соответствии с линейной зависимостью P=ah+b, где h - расстояние от вершины вегетационного блока до места установки источника оптического излучения, м; a - постоянная величина, Вт/м; b - постоянная величина, Вт. [Патент РФ №2029458, МПК A01G 9/24, A01G 31/02, опубл. 27.02.1995 - прототип.]
Недостатком прототипа является то, что приведенные данные о выборе мощности источника излучения в зависимости от расстояния до вершины вегетационного блока технически не конкретны; в соответствии с представленной зависимостью P=ah+b ими могут являться принципиально отличающиеся по удельным излучательным характеристикам, например люминесцентные лампы мощностью 20-80 Вт или натриевые лампы мощностью 600-1000 Вт. Сам принцип изменения мощности излучателя в зависимости от схемы его расположения в установке требует применения различных кривых светораспределения облучателей, что технически трудно реализуемо.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в оптимизации освещенности растений при снижении энергозатрат в условиях светокультуры растений в теплице, сокращении потери световой энергии.
Поставленная техническая задача решается тем, что в комбинированной облучательной системе для многоярусной фитоустановки, выполненной в виде по меньшей мере одной протяжённой треугольной рамы, включающей фитооблучатели, размещенные над многоярусной фитоустановкой, и фитооблучатели, размещённые во внутренней полости треугольной рамы, согласно заявляемом изобретению, фитооблучатели, размещённые во внутренней полости треугольной рамы, выполнены в виде протяженных светодиодных источников облучения с содержанием в спектре фотосинтетически активной радиации доли излучения в синем диапазоне Δλ=430÷470 нм, торцы треугольной рамы снабжены отражающими экранами с напылённым зеркальным слоем алюминия с коэффициентом отражения ρ≥70%.
Кроме того, фитооблучатели, размещенные над многоярусной фитоустановкой, выбираются из группы: облучатели с натриевыми лампами высокого давления, светодиодные облучатели.
1
2
1
2
Кроме того, фитооблучатели в облучательной системе устанавливаются из условия обеспечения соотношения облученности внешней поверхности ценоза E к облученности внутренней поверхности ценоза E в пределах E:E=2,0÷3,5.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупностью существенных признаков, заключается в повышении энергосбережения  и сокращении потери световой энергии.
За счёт использования естественного излучения, попеременного включения внешних и внутренних СД-фитооблучателей и регулирования их мощности, без снижения продуктивности растений, может быть обеспечено энергосбережение на уровне 30% от номинального потребления электроэнергии.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где
на фиг. 1 приведена схема расположения комбинированной облучательной системы и многоярусной фитоустановки (МФУ) в помещении теплицы;
на фиг. 2 приведена схема модуля многоярусной фитоустановки (МФУ);
на фиг. 3 представлен пример действующей облучательной системы и МФУ, установленной в производственной теплице, с использованием комбинированного освещения;
на фиг. 4 представлен пример действующей облучательной системы и МФУ, установленной в производственной теплице, с использованием только светодиодных облучателей, размещённых внутри МФУ (при высоком уровне естественного освещения).
В данном описании авторами используются понятия:
Фитооблучатель - облучательный прибор, предназначенный для облучения растений в промышленных теплицах и других культивационных сооружениях защищённого грунта.
Ценоз - совокупность растений в теплице или другом сооружении защищённого грунта (ГОСТ Р 57671-2017 «Приборы облучательные со светодиодными источниками света для теплиц», введён в действие 01.12.2017)
Фотосинтетически активная радиация (ФАР) - оптическое излучение от 400 нм до 700 нм, используемое растениями для фотосинтеза, роста и развития (ГОСТ Р 57671-2017 «Приборы облучательные со светодиодными источниками света для теплиц», введён в действие 01.12.2017)
Фотосинтетический фотонный поток - суммарное количество фотонов, излучаемых в секунду в диапазоне длин фолн от 400 нм до 700 нм (ГОСТ Р 57671-2017 «Приборы облучательные со светодиодными источниками света для теплиц», введён в действие 01.12.2017)
Комбинированная облучательная система для многоярусной фитоустановки (фиг. 1), выполненной в виде по меньшей мере одной протяжённой треугольной рамы (фиг. 2), включает фитооблучатели 1, размещенные над многоярусной фитоустановкой, и фитооблучатели 2, размещённые во внутренней полости треугольной рамы 3.
В качестве фитооблучателей 1, размещенных над многоярусной фитоустановкой, могут использоваться облучатели с натриевыми лампами высокого давления (НЛДВ) или светодиодные источники излучения, предпочтительно устанавливаемых на небольшом расстоянии от верхнего яруса по центру промежутка между внешними гранями соседних МФУ.
Фитооблучатели 2, размещённые во внутренней полости треугольной рамы, выполнены в виде протяженных светодиодных источников облучения с содержанием в спектре фотосинтетически активной радиации доли излучения в синем диапазоне Δλ=430÷470 нм. Особенностью светодиодных источников облучения, излучающих в нижнюю часть пространства, является отсутствие необходимости в отражателе.
Торцы треугольной рамы 3 снабжены отражающими экранами с напылённым зеркальным слоем алюминия с коэффициентом отражения ρ≥70%. Отражающие экраны могут быть выполнены в виде зеркальной пленки. Использование отражающего экрана также обеспечивает повышение энергосбережения, сокращение потери световой энергии и одновременно препятствует пагубному воздействию излучения на органы зрения работников, обслуживающих МФУ. Кроме того, снимается необходимость контроля «синей опасности» [IEC 62471:2006/CIE S 009:2002  photobiologique des lampes et des appareils utilisant des lampes / Photobiological safety of lamps and lamp systems (bilingual edition) / Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем (двуязычное издание)] бинарных светодиодных облучателей с красно-синим спектром, доля излучения которых в синем диапазоне ФАР выбирается Δλ=430÷470 нм.
1
2
1
2
1
2
Фитооблучатели в облучательной системе устанавливаются из условия обеспечения соотношения облученности внешней поверхности ценоза E к облученности внутренней поверхности ценоза E в пределах E:E = 2,0÷3,5. Приведенное соотношение является оптимальным. При превышении верхнего значения снижается положительный эффект влияния дополнительного внутреннего освещения на продуктивность растений. Уменьшение отношения E:E меньше 2 не рационально, так как привело бы к перерасходу электрической энергии на внутреннее дополнительно освещение.
Ниже приведён пример реализации заявляемого изобретения.
В стандартной ангарной теплице шириной 9,6 м устанавливаются модули рассматриваемой фитоустановки в виде протяженной треугольной рамы по схеме, приведенной на фиг. 1. Модуль (фиг. 2) предпочтительно выполняется высотой 2400 мм с шириной основания 1200 мм. Расстояние лотков верхнего ряда до вершины модуля выбирается 200 мм, расстояние лотков нижнего ряда до основания модуля выбирается 550 мм. Растения томатов выращиваются по технологии светокультуры с использованием искусственного освещения 6÷7 месяцев в году и размещаются на 4÷5 ярусах двух боковых поверхностей треугольной рамы.
При выращивании детерминантной культуры томатов «Черри» используется комбинированная облучательная система, состоящая из фитооблучателей с натриевыми лампами высокого давления (НЛВД) мощностью 600 Вт (верхнее освещение) и светодиодных фитооблучателей мощностью 150 Вт, устанавливаемых во внутренней полости в виде сплошной протяжённой светящей линии длиной 190 см.
1
1
2
2
Облучатели верхнего освещения с фотосинтетическим фотонным потоком 1100 мкмоль/с устанавливаются в количестве четырёх штук на стандартную длину модуля 5,6 м по оси прохода между соседними рядами треугольных рам. Они освещают каждую из сторон на уровне вершины и создают при удельной установленной мощности P=87 Вт/м среднюю облучённость на боковой поверхности E=145÷150 мкмоль/(см).
1
2
1
2
1
2
2
2
2
Светодиодные фитооблучатели внутреннего освещения излучают в синем и красном диапазонах ФАР, фотосинтетический фотонный поток излучения составляет 440 мкмоль/с. Светодиодные фитооблучатели устанавливаются во внутренней полости треугольной рамы в количестве трех штук на модуль 5,6 м на высоте 1,2 м от пола. Удельная установленная мощность светодиодных фитооблучателей при этом P=17 Вт/м, а средняя облученность внутренней поверхности обеих сторон треугольной рамы E=45÷50 мкмоль/(см). Отношение облучённости внешней поверхности ценоза E к облучённости внутренней поверхности ценоза E при этом находится в пределах E:E=2,9÷3,3. Приведённая конструкция и параметры комбинированной облучательной системы обеспечивают при четырех вегетациях в год урожайность томатов «Черри» на уровне 60÷70 кг/м, что ~1,5÷1,75 раза выше, чем в обычных производственных теплицах для томатов этого вида.
Предложенная комбинированная система облучения растения в целом и каждого отдельного листа ценоза увеличивает интенсивность фотосинтеза, улучшает воздушное питание листьев, вовлекает в активный ассимиляционный процесс листья нижнего и средних ярусов и увеличивает тем самым продуктивность растений в условиях светокультуры.