Способ и устройство экономически оптимального выращивания растений в защищенном грунте с дополнительным электрическим воздействием детерминированного уровня на их биологический электрический потенциал
METHOD AND DEVICE OF ECONOMICALLY OPTIMUM GROWING OF PLANTS IN PROTECTED GROUND WITH ADDITIONAL ELECTRICAL IMPACT OF DETERMINED LEVEL ON THEIR BIOLOGICAL ELECTRIC POTENTIAL

Изобретение относится к области сельского хозяйства, к промышленному и подсобному защищенному грунту, в том числе совмещенным с промышленным птицеводством или животноводством и может быть использовано при экономически оптимальном управлении процессом выращивания растений в теплице с обогревом и экзогенным электрическим воздействием биологически детерминированного уровня на биологический электрический потенциал вдоль стебля растений.
3
3
3
3
3
3
Известны многочисленные отечественные авторские свидетельства и зарубежные патенты на изобретения способов и устройств для стимуляции растения с помощью методов электрофизического воздействия на растения: 1. Патент №2016884 Великобритания, МКИ А01G 7/04. Способ и устройство для воздействия на рост растений. БИ №47, 1980. 2. Патент №2812546 Германия, МКИ А01G 7/04. Способ регулирования роста растений и устройство для его осуществления. БИ №39, 1980. 3. Патент №0087663 ЕПВ, МКИ А01G 7/04. Установка для создания электрического поля. БИ №36, 1984. 4. Патент №4020590 США, МКИ А01G 7/04. Способ обработки семян магнитным полем и устройство для осуществления этого способа. БИ №3, 1977. БИ №5. 5. Патент №2511578 Франция, МКИ А01G 7/04. Колебательный контур кольцевой формы для приема электромагнитных волн, влияющих на растения и организмы животных. БИ №14, 1983. БИ №5. 6. Патент №2446589 Франция, МКИ А01G 7/04. Магнитное устройство, применяемое в сельском хозяйстве. 1981. БИ №38. 7. Патент №2427047 Франция, МКИ А01G 7/04. Способ повышения плодородия с помощью электроосмоса. 1980. БИ №5. С помощью электроосмоса была достигнута оптимальная адаптация растений в лесных хозяйствах к метеорологическим условиям. Для этого проводящая сеть, включающая контакты в виде зондов прикреплялись к растениям в местах наиболее активного сокодвижения. При этом улучшается влагообеспеченность растения. 8. Патент №2271762 Франция, МКИ А01G 7/04. Способ улучшения обмена веществ и стимуляции роста. 1976. БИ №2. 9. Патент №2440150 Франция, МКИ А01G 7/04. Способ улучшения усвоения биохимической энергии растениями с использованием солнечной энергии или энергии электромагнитного излучения и устройств для его осуществления. 1980. БИ №27. 10. Патент №2528274 Франция, МКИ А01G 7/04. Устройство для электрического воздействия на растения с целью стимулирования их роста. 1984. БИ №9. 11. Патент №2355441 Франция, МКИ А01G 7/04. Устройство для электровозделывания растений. 1978. БИ №16. 12. Патент №51-16321 Япония, МКИ А01С 1/00. Устройство для обработки семян в магнитном поле. 1976. БИ №18. Они решают аналогичные задачи повышения продуктивности растений без учета хозяйственных последствий электрофизических воздействий на растения.
В этих технических решениях использованы результаты экспериментов по стимуляции роста растений и улучшению обмена веществ, как в открытом грунте, так и в тепличных условиях. В частности, для этого около корней заглублялись электроды, соединенные с генератором высокого электростатического напряжения. Другой способ стимуляции работает по принципу электрической батареи. В качестве электролита используется почва, в которой разводится данная культура. Замыкают накоротко группы положительных и отрицательных электродов, погруженных в почву, вызывая тем самым нагревание электролита вследствие прохождения тока. Были проведены также эксперименты с применением солнечных элементов в качестве источника электроэнергии. Более чем двукратное увеличение вегетативной массы опытных растений было достигнуто путем подключения солнечных элементов к корневой системе растений и экспозиции в течение 30 дней. Наибольший эффект стимуляции по сравнению с контрольными вариантами наблюдался у затененных растений. Разработан способ, стимулирующий усвоение биохимической энергии растениями при помощи электромагнитного излучения Солнца с использованием приемных устройств, а также устройство, представляющее собой антенну кольцевой формы для приема электромагнитного излучения из окружающего пространства и благоприятного воздействия на растения. Однако, в исследованиях необходимо учитывать природно-физические факторы, которые значительно изменяют характер проявления ответных реакций растений на электромагнитное воздействия антропогенного происхождения. Так, например, в земной атмосфере действует глобальный процесс разделения зарядов, в результате чего атмосфера содержит избыточный положительный объемный заряд, а на земной поверхности индуцирован нейтрализующий его поверхностный отрицательный заряд. Это разделение зарядов является причиной существование электрического поля в тропосфере. Величина и направление электрического поля этого гигантского сферического конденсатора широко варьирует в пространстве и времени и зависит от погодных условий, орографии местности, времени года, суток и других неконтролируемых факторов. В безоблачную погоду электрическое поле атмосферы приблизительно вертикально и его напряженность уменьшается с высотой в среднем от 130 В/м у поверхности Земли и до нескольких вольт на метр на высоте 10 км. [Солнцева Н.П., Фёдоров В.М., Рубин А.Б. и др. Современные проблемы изучения и сохранения биосферы. Том 3. Проблемы восстановления и сохранения систем биосферы // Коллективная монография под ред. Красногорской Н.В. - Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. - 356 с. УДК: 58.02 57.084.2]. Все растительные организмы функционируют в течение всей своей жизнедеятельности, находясь в электрическом, магнитном и гравитационных полях в среде, частично ионизированной космическими и радиоактивными излучениями. Гравитационное поле, как известно, остается практически постоянным, к нему растения надежно адаптировались.
3
Известен способ регулирования факторов внешней среды при выращивании растений и устройство для его осуществления (см.: АС №886835 СССР. Способ регулирования факторов внешней среды при выращивании растений и устройство для его осуществления. М. Кл. А01G 7/00. Приоритет 14.02.1979 г. Заявка №2724185/15. Опубл. заявка. 07.12.1981. Опубл. АС 07.12.1981. Бюл. №45. Авторы АС Дорошек и И.А. Рыбин. Уральский Ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им. A.M. Горького.). Целью изобретения является упрощение процесса регулирования и повышение его эффективности для оптимизации жизнедеятельности растений путем расширения их адаптивных возможностей. Автоматическое регулирование факторов внешней среды осуществляют в зависимости от биоэлектрического потенциала листа растения. Блок регуляторов непрерывно изменяет уровни факторов внешней для растения среды в зависимости от величины биоэлектрического потенциала на основе заданной программы или алгоритма управления в соответствии с выбранным критерием оптимальности, например, интенсивностью фотосинтетического производства энергии растениями. Применение способа и устройства позволяет отказаться от промежуточных звеньев между растительными объектами и системами управления. Информацию о процессах, происходящих в растениях при регулировании факторов внешней среды, причем сразу в электрической форме, несет непосредственно физиологический показатель - биоэлектрический потенциал. Так как данный электрофизиологический показатель отражает функциональное состояние фотосинтезирующих тканей растений и их адаптацию к внешним условиям, то факторы внешней среды (например, освещенность), непрерывно регулируемые биоэлектрическим потенциалом, становятся, таким образом, эндогенно управляемыми. Это обеспечивает расширение адаптивных возможностей растений и, близкие к оптимальным условиям, условия их жизнедеятельности. В частности, происходит более эффективное усвоение световой энергии и интенсификация сопряженных с фотосинтезом процессов, например, всасывания корневой системой растений питательных растворов.
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности управления процессом выращивания растений в теплице по экономическому признаку и соответствующие большие затраты энергии на обогрев теплицы при неблагоприятных наружных климатических условиях. Также велики затраты потерянной теплицей энергии при непрерывное регулировании уровня каждого из управляемых внешних факторов до установления оптимального значения уровня, которого может быть и не установлено для некоторых факторов при многопараметрической оптимизации процесса выращивания растений.
Указанный недостаток обусловлены тем, что в известном техническом решении имеется только возможность автоматического достижения наивысшего значения биоэлектрического потенциала, соответствующего режиму наивысшей продуктивности растений, и отсутствует возможность управления по хозяйственному признаку. Причиной низкой точности и даже невозможности оптимизации значений некоторых из всех управляемых параметров внешней среды является высокая инерционность растительных биологических процессов и большая постоянная времени, а также большое время запаздывания (задержки) системы регулирования параметров фитотрона.
Известен способ стимуляции роста растений (см.: АС СССР 1639496. Способ стимуляции роста растений. А01G 7/00. Заявка 4419902/15. Приоритет 01.04.1988 г. Московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева. / Н.Н. Третьяков, Л.Г. Прищеп, Ю.Х. Шогенов, К.И. Каменская и А.И. Лузик // 07.04.1991 г. Бюл. №13). Цель - повышение урожайности. Электрический постоянный ток 0,001…1,0 мкА пропускается через растение в период его вегетации. Положительный потенциал источника тока подают в зону корневой системы растения, а отрицательный - к верхней его части. По умолчанию предполагается применение способа в растениеводстве защищенного грунта, то есть в тепличном растениеводстве. Поскольку прикрепление отрицательных электродов к верхушкам стеблей растений в полевых условиях практически затруднено и связано с большими затратами.
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности управления процессом выращивания растений в теплице по экономическому признаку. Известное техническое решение связано только с процессом электростимуляции растений без учета хозяйственных последствий этих действий и потому просто не предназначено для действий системы автоматизации процесса.
Указанный недостаток обусловлены тем, что в известном техническом решении отсутствуют новые технические решения автоматического управления по экономическому (по хозяйственному) признаку (критерию), позволяющие установить и частично с помощью известного технического решения обеспечить необходимый экономически наилучший режим процесса выращивания растений в теплице с искусственным внешним электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений.
Известен способ определения режимов электростимуляции растений (см.: АС СССР 1558341. Способ определения режимов электростимуляции растений. А01G 7/04. Заявка 4398273/30-13. Приоритет 28.03.1988 г. Московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева. / К.И. Каменская, Н.Н. Третьяков, Ю.Х. Шогенов // 23.04.1990 г. Бюл. №15). Изобретение относится к электрофизиологии и может быть использовано при выращивании растений в условиях защищенного грунта. Цель - повышение точности определения режимов электростимуляции растений. Растения предварительно выращивают в оптимальных агротехнических условиях. Определяют у них разность биоэлектрических потенциалов между основанием и верхней частью растения. Режим электростимуляции в производственных условиях выбирают таким, чтобы пропускаемый через растение ток создавал разность потенциалов, равную разности биоэлектрических потенциалов (БЭП) растения, определенной в наилучших условиях среды обитания растения.
Недостатком данного технического решения является также отсутствие возможности управления процессом выращивания растений в теплице по экономическому критерию. Известное техническое решение связано только с процессом электростимуляции растений без учета хозяйственных последствий этих действий и потому просто не предназначено для действий системы автоматизации процесса по хозяйственному признаку.
Указанный недостаток обусловлены тем, что в известном техническом решении отсутствуют новые технические решения автоматического управления по экономическому (по хозяйственному) критерию (признаку), позволяющие установить и частично с помощью известного технического решения обеспечить необходимый экономически наилучший режим процесса выращивания растений в теплице с искусственным внешним электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений.
2
2
Известна система регулирования факторов внешней среды для оптимизации фотосинтеза растений (см.: АС 535921 СССР. Система регулирования факторов внешней среды для оптимизации фотосинтеза растений / М. Кл. А01G 7/00. Заявка №2158871/15. Приоритет 25.07.1975 г. Авторы: А.В. Малиновский и В.Л. Корбут. Ордена Трудового Красного Знамени институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева и Институт медико-биологических проблем // Опубл. 25.11.1976 г. Бюл. №43). Для формирования сигнала величины критерия оптимизации по сигналам датчиков температуры воздуха и световой облученности, газоанализатора СO используется аналоговая вычислительная машина или любое другое устройство, способное осуществить функции математического преобразования сигнала в соответствии с принятым критерием оптимизации, а именно интенсивностью фотосинтеза. Изменение направления движения исполнительных электродвигателей не произойдет, пока приращение критерия оптимизации не поменяет знак.
Недостатком являются задержки при установлении оптимальных значений управляемых параметров и связанные с ними дополнительные потери энергии на обогрев помещения с растениями.
Причиной этого является большая инерционность процесса выращивания растений и связанное с ней большое время запаздывания системы регулирования.
2
Известна система оптимизации факторов среды при выращивании растений (см.: АС №703064 СССР. Система оптимизации факторов среды при выращивании растений / А01G 7/00. Заявка №2583005/30-15. Приоритет 22.02.1978 г. Авторы: К.Б. Норкин, О.Б. Суслова, И.В. Тиме, Ю.А. Беркович и В.Л. Корбут // Ордена Ленина институт проблем автоматики и телемеханики и Институт медико-биологических проблем // Опубл. 15.12.1979. Бюл. №46.). Измеряются оптимизируемые параметры среды (температура, влажность, концентрация СO в воздухе и т.д.). По математической модели вычисляется значение продуктивности растений в качестве критерия оптимизации на прогнозируемый период. Находятся технологические режимные оптимальные значения параметров среды.
Недостатком являются большие затраты на обогрев фитотрона или теплицы.
Причиной этого является использование технологического критерия (см.: текст описания изобретения, с. 4, строки 23 и 24). Прямо указана именно такая цель в формуле изобретения: «повышение продуктивности сельскохозяйственных культур путем улучшенная технологических режимов при их выращивании».
4
Известен способ автоматического управления температурным режимом в теплице (см.: АС №1503711 СССР, МПК А01G 9/26. Способ автоматического управления температурным режимом в теплице / Ф.Я. Изаков, С.А. Попова (СССР). Заявка №4288057/30-15. Заявлено 21.07.1987 г. Опубл. 30.08.1989 г. Бюл. №32], в котором весь период выращивания растений делится на равные промежутки времени, продолжительность которых меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения. Для этого промежутка времени вычисляется оптимальная из условия равенства нулю производной энергозатрат на единицу продукции температура. В соответствии с этой температурой изменяется уставка задатчика температуры, обеспечивающая поддержание ее постоянства в течение выбранного промежутка времени.
Недостаток способа: предложенный способ не позволяет решить актуальную задачу производства овощей в защищенном грунте, решением которой является повышение коэффициента полезного действия (КПД) механизма фотосинтеза растений, а также большие потери продукции и большие хозяйственные потери.
Недостаток обусловлен тем, что в условиях естественной облученности средние по густоте посадки используют лишь 1% приходящей энергии солнечного излучения, что значительно ниже теоретически возможного. Также тем, что определяется только энергетически, а не экономически, и даже не технологически наилучшая температура внутреннего воздуха теплицы.
7
Известен способ автоматического управления температурным режимом в теплице (см.: патент №2049380 РФ. Способ автоматического управления температурным режимом в теплице. МКИ А01G 9/26. Заявка №5067516/15. Приоритет (дата подачи заявки) 13.10.1992 г. Дата публикации патента 10.12.1995 г. Заявители Изаков Ф.Я и др. Патентообладатель(и): Изаков Ф.Я. и др. Способ включает в себя разбиение периода выращивания растений на равные промежутки времени, измерение в каждом из этих промежутков освещенности, плотности потока солнечной радиации, наружной температуры, скорости ветра и влажности наружного воздуха, определение по результатам этих измерений оптимальной по продуктивности и и естественной температуры воздуха в теплице. Вычисляют оптимальную по энергоемкости температуру внутреннего воздуха и корректируют оптимальную по продуктивности температуру.
Недостатком является отсутствие данных измерений реального значения температуры внутреннего воздуха, что даже при наличии ее вычислений вносит существенную ошибку в определение потребной мощности обогрева теплицы, и соответствующие большие энергетические и хозяйственные затраты.
Причиной этого является отсутствие действия измерения температуры внутреннего воздуха и управление обогревом только по признаку продуктивности, без учета затрат на обогрев.
Известен способ автоматического управления температурно-световым режимом в теплице (см.: патент на изобретение №2403705. Способ автоматического управления температурно-световым режимом в теплице. МПК А01G. Начало действия патента: 29.06.2009 г. Дата публикации: 20.11.2010 г. Авторы: Изаков Феликс Яковлевич, Попова Светлана Александровна, Супрун Мария Александровна, Антонов Игорь Николаевич. Патентообладатель: Федеральное государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинский государственный агроинженерный университет»). Способ включает в себя вычисление оптимальной температуры по признаку продуктивности растений. Измеряют влажность воздуха, температуру воздуха и освещенность в теплице с получением сигналов от датчиков воздуха, температуры и освещенности соответственно, измеряют возраст растений с получением сигнала от счетчика возраста растений, определяют и устанавливают оптимальную по критерию продуктивности дневную температуру воздуха внутри теплицы, оптимальную по критерию продуктивности освещенность.
Недостатком являются большие энергетические и хозяйственные затраты.
Причиной этого является управление обогревом только по признаку продуктивности, без учета затрат на обогрев.
Известен способ автоматического управления свето-температурно-влажностным режимом в теплице и система для его реализации (см.: патент РФ на изобретение №2403706. Способ автоматического управления свето-температурно-влажностным режимом в теплице, и система для его реализации МПК А01G. Начало действия патента: 29.06.2009 г. Дата публикации: 20.11.2010 г. Авторы: Попова Светлана Александровна, Супрун Мария Александровна, Антропов Андрей Анатольевич, Изаков Феликс Яковлевич. Патентообладатель: Федеральное государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинский государственный агроинженерный университет». По результатам измерений определяют многомерную оптимальную по критерию продуктивности дневную температуру, которую сравнивают с результатами измерения текущего значения температуры. В дополнение к этой функции должны быть вычислены многомерные оптимальные по продуктивности значения освещенности и влажности воздуха, которые сравнивают с текущими измерениями в теплице. Если реальная освещенность в теплице ниже расчетной, должна быть включена аппаратура «досвечивания» на период, установленный агротехником. А если реальная влажность воздуха в теплице ниже расчетной, должна быть включена увлажняющая установка. Определяют по математической модели и устанавливают оптимальную по критерию продуктивности дневную температуру воздуха в теплице, далее так же определяют и устанавливают многомерную оптимальную по критерию продуктивности освещенность, далее определяют и устанавливают многомерную оптимальную по критерию продуктивности влажность воздуха в теплице.
Недостатком являются большие энергетические и хозяйственные затраты.
Причиной этого является управление обогревом только по признаку продуктивности, без учета затрат на обогрев.
4
Известен способ автоматического управления температурным режимом в теплице (см.: АС №1438657 СССР, МПК А01G 9/26. Способ автоматического управления температурным режимом в теплице / Ф.Я. Изаков, С.А. Попова. Е.В. Стрельникова и Л.В. Гребенкина (СССР). Заявка №3738938/30-15; заявлено 20.01.1984; Опубл. 23.11.1988. Бюл. №43). Для повышения эффективности весь период выращивания растений делится на равные промежутки времени и для каждого вычисляется оптимальная из условия равенства нулю производной от экономического критерия температура внутреннего воздуха теплицы. Этот критерий эффективности (признак результативности) есть принятая авторами частичная прибыль, равная разности стоимости продукции в ценах реализации и стоимости затрат на обогрев теплицы, причем почему-то без учета температуры наружного воздуха. В соответствии с этой экономически оптимальной температурой изменяется уставка задатчика температуры внутреннего воздуха.
2
2
Рассмотренный способ имеет ряд недостатков. Главный из них: до сих пор отсутствуют математические модели урожая как конечного продукта процесса вегетации растений, а значит, этот способ трудно реализуем. То есть отсутствует точная математическая модель продуктивности тепличных растений от освещенности (интенсивность и спектральный состава света), температуры воздуха в помещении теплицы, концентрации СО и О, водного режима корневой системы растения, способа минерального питания растений, а также внутренних особенностей растений - возраста, содержания хлорофилла и ферментов, количества воды в листе, структуры листа, степени открытости устьиц и т.д. (Электронный ресурс. Связь фотосинтеза с продуктивностью. 7x-uni.com>mir/info/2-svyaz…s-produktivnostyu-7. http://mirzna-nii.com/info/2-svyaz-fotosinteza-s-produktivnostyu-7).
Известны способ управления экономичной обогревательной технологией в животноводстве и птицеводстве и устройство для его осуществления (см.: патент РФ 2300194. Способ управления экономичной обогревательной технологией в животноводстве и птицеводстве и устройство для его осуществления / А.В. Дубровин и др. // БИ 2007. №.16. Патентообладатель: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства). Выбран здесь за прототип, в котором критерий эффективности (признак результативности) есть принятая автором частичная прибыль, равная разности стоимости продукции в ценах реализации и стоимости затрат на обогрев теплицы, причем с учетом температуры наружного воздуха. В соответствии с этой экономически оптимальной температурой изменяется уставка задатчика температуры внутреннего воздуха.
Недостатком данного технического решения является невозможность применения его для экономически оптимального управления обогревом теплицы с растениями.
Причиной этого являются различия в требованиях норм технологического проектирования птицеводческих, животноводческих и растениеводческих предприятий по поддержанию температурного режима в производственном помещении.
Задачей изобретения является повышение точности, увеличение функциональных возможностей и расширение арсенала технических средств заявленного назначения для управления технологическим процессом выращивания растений в теплице с искусственным внешним электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений.
В результате использования изобретения повышается точность управления технологическим процессом выращивания растений в теплице с искусственным внешним электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений, увеличиваются функциональные возможности, и расширяется арсенал технических средств заявленного назначения. При этом существенно снижаются потери продукции растениеводства. Таким образом, технический результат заключается в реализации способом и устройством заявленного назначения.
Экономический критерий (хозяйственный признак) управления, в том числе, процессом выращивания растений в теплице с искусственным внешним электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений, является общепризнанным и по своему существу всеобъемлющим показателем эффективности (результативности) любого технологического процесса. При этом его правильное применение требует достаточно точного учета хотя бы основных общеизвестных его составляющих, наиболее сильно влияющих на результативность (эффективность) данного технологического процесса. В рыночной экономике (в свободном хозяйствовании) основным критерием экономической эффективности является прибыль производства, равная разности между ценой реализации произведенной продукции и себестоимостью ее производства. Точной математической модели количественной связи продуктивности растений с многочисленными влияющими на нее факторами среды в настоящее время не разработано. Вот здесь-то и стоит использовать БЭП растений как однозначную характеристику скорости фотосинтеза, или продуктивности. Если цена реализации равна всего лишь произведению объема выпущенной продукции на ее удельную цену, то себестоимость производства продукции включает в себя множество различных составляющих. Это затраты на подкормку растений и эксплуатационные затраты различных видов.
Эксплуатационные затраты включают в себя стоимость энергии различных видов, зарплату обслуживающего и руководящего персонала, также амортизационные, реновационные, ремонтные отчисления на капитальные вложения (на стоимость зданий, оборудования, измерительных приборов и т.п.), транспортные расходы и многое другое. На изменения режима работы теплицы влияет только изменяющаяся часть эксплуатационных затрат, то есть стоимость энергии на ее обогрев в зависимости от сочетания температур внутреннего и наружного воздуха.
Технические решения использования достаточно обоснованного признака (критерия) экономической эффективности тепличного растениеводства при автоматическом управлении процессом обогрева теплицы с искусственным внешним электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений в настоящее время не известны.
Вышеуказанный технический результат достигается способом экономически оптимального выращивания растений в защищенном грунте с дополнительным электрическим воздействием детерминированного уровня на их биологический электрический потенциал, включающим в себя измерение и задание величины температуры помещения, сравнение измеренной и заданной величин, регулирование режима обогрева помещения по результату сравнения, измерение величины температуры внутреннего воздуха помещения, измерение величины температуры наружного воздуха, формирование сигнала величины температуры помещения, периодическое изменение сигнала сформированной величины температуры помещения в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим ее заданными значениями, вычисление в зависимости от изменяемого сигнала сформированной величины температуры помещения стоимости затрат энергии на общий обогрев помещения и стоимости продукции данной партии биологических объектов, вычисление потерь тепловой энергии помещением в зависимости от измеренной величины температуры внутреннего воздуха в помещении, вычисление двух разностей между последней и первой указанными стоимостями в качестве двух значений прибыли в режиме наивысшей продуктивности биологических объектов при нормативном значении температуры помещения и наибольшее значение этой разности при экономически оптимальном значении температуры помещения в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим заданными значениями сигнала сформированной величины температуры помещения, вычитание из второй разности стоимостей первой разности стоимостей и получение третьей разности стоимостей между двумя первыми в виде прироста прибыли, определение наибольшего значения последней разности стоимостей в виде численного значения критерия прироста прибыли и соответствующего ей сигнала сформированной величины температуры помещения, сравнение соответствующий последней наибольшей разности стоимостей сигнал сформированной величины температуры помещения с измеренной величиной температуры помещения и по результату сравнения корректируют режим обогрева помещения, электрическую стимуляцию роста растений для улучшения обмена его веществ как в открытом грунте, так и в тепличных условиях, посредством подачи положительного потенциала источника тока в зону корневой системы растения, а отрицательного потенциала к верхней части растения, причем формируют сигнал величины температуры внутреннего воздуха помещения, периодически изменяют сигнал сформированной величины температуры внутреннего воздуха помещения в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим ее заданными значениями, измеряют величину угла между направлением на набегающий на помещение теплицы движущийся наружный воздух или направлением ветра и направлением на север и формируют сигнал направления ветра, вычисляют потери тепловой энергии помещением в зависимости от сигнала сформированной величины температуры внутреннего воздуха помещения и от измеренной температуры наружного воздуха, относительной влажности внутреннего воздуха, температуры наружного воздуха, относительной влажности наружного воздуха, облученности растений, скорости движения наружного воздуха или скорости ветра, направления ветра, формируют и задают сигнал разности биоэлектрических потенциалов растения, определенной заранее опытным путем в наилучших условиях среды обитания растения данного вида и возраста при его наивысшей продуктивностии при дополнительном электрическом воздействии детерминированного уровня на их биологический электрический потенциал, подают сформированный и заданный сигнал разности биоэлектрических потенциалов на стебли растений, вычисляют при экономически оптимальном значении температуры внутреннего воздуха помещения электрофизиологическое приращение продуктивности растений за счет действия искусственной величины сформированного и заданного сигнала разности биоэлектрических потенциалов, электрофизиологическое приращение стоимости произведенной растительной продукции в ценах ее реализации, электрофизиологический прирост расчетной прибыли с учетом затрат только энергии на общий обогрев теплицы, и суммируют указанный электрофизиологический прирост с наибольшим значением расчетной прибыли при экономически оптимальном значении температуры внутреннего воздуха помещения, индицируют для руководства тепличного хозяйства и для персонала теплицы измеренные, вычисленные и сформированные сигналы.
Вышеуказанный технический результат достигается также тем, что первое устройство экономически оптимального выращивания растений в защищенном грунте с дополнительным электрическим воздействием детерминированного уровня на их биологический электрический потенциал содержит датчик температуры внутреннего воздуха, датчик относительной влажности внутреннего воздуха, датчик температуры наружного воздуха, датчик относительной влажности наружного воздуха, датчик облученности растений, датчик скорости движения наружного воздуха или скорости ветра, блок задатчиков вида и возраста растений, текущего времени выращивания растений, имитированного сигнала температуры внутреннего воздуха, сигналов развертки в технологическом диапазоне температуры внутреннего воздуха, значений коэффициентов и констант математических моделей продуктивности и теплообмена теплицы с окружающей средой, вычислительный блок, блок управления или первый формирователь экономически оптимального значения температуры внутреннего воздуха или первый оптимизатор, первый регулятор температуры внутреннего воздуха, обогреватель, блок индикации технических, технологических и экономических параметров и характеристик процесса выращивания растений в теплице, выходы датчика температуры внутреннего воздуха, датчика относительной влажности внутреннего воздуха, датчика температуры наружного воздуха, датчика относительной влажности наружного воздуха, датчика облученности растений, датчика скорости движения наружного воздуха или скорости ветра, блок задатчиков подключены к соответствующим входам вычислительного блока, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами блока управления, блока индикации, выход блока управления подключен к дополнительному входу вычислительного блока и к первому входу регулятора температуры внутреннего воздуха, второй вход которого дополнительно соединен с выходом датчика температуры внутреннего воздуха, а выход подключен к входу обогревателя, причем в устройство введены второй формирователь искусственного электрического наивысшего значения биологического электрического потенциала растений данного вида и возраста при близких к оптимальным условиям среды обитания, второй регулятор напряжения искусственного биологического электрического потенциала или искусственно созданного внешнего электрического отрицательного потенциала, приложенного к вершине растения по отношению к грунту, входное электрическое сопротивление стеблей растений теплицы, верхушки которых механически закреплены на прочных электропроводящих шпалерах и электрически присоединены к ним, датчик направления ветра, выход которого соединен с соответствующим входом вычислительного блока, третий выход вычислительного блока через второй формирователь подключен к первому входу второго регулятора, выход и второй вход которого подключены соответственно к входному электрическому сопротивлению стеблей растений теплицы и к корпусу первого устройства, электрически соединенному с грунтом.
Вышеуказанный технический результат достигается также тем, что второе устройство способом экономически оптимального выращивания растений в защищенном грунте с дополнительным электрическим воздействием детерминированного уровня на их биологический электрический потенциал содержит датчик температуры внутреннего воздуха, датчик относительной влажности внутреннего воздуха, датчик температуры наружного воздуха, датчик относительной влажности наружного воздуха, датчик облученности растений, датчик скорости движения наружного воздуха, или скорости ветра, блок задатчиков вида и возраста растений, текущего времени выращивания растений, имитированного сигнала температуры внутреннего воздуха, сигналов развертки в технологическом диапазоне температуры внутреннего воздуха, значений коэффициентов и констант математических моделей продуктивности и теплообмена теплицы с окружающей средой, вычислительный блок, первый блок управления или первый формирователь экономически оптимального значения температуры внутреннего воздуха, или первый оптимизатор, первый регулятор температуры внутреннего воздуха, обогреватель, блок индикации технических, технологических и экономических параметров и характеристик процесса выращивания растений в теплице, выходы датчика температуры внутреннего воздуха, датчика относительной влажности внутреннего воздуха, датчика температуры наружного воздуха, датчика относительной влажности наружного воздуха, датчика облученности растений, датчика скорости движения наружного воздуха или скорости ветра, блок задатчиков подключены к соответствующим входам вычислительного блока, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами блока управления, блока индикации, выход блока управления подключен к дополнительному входу вычислительного блока и к первому входу регулятора температуры внутреннего воздуха, второй вход которого дополнительно соединен с выходом датчика температуры внутреннего воздуха, а выход подключен к входу обогревателя, причем в устройство введены регулятор относительной влажности внутреннего воздуха, исполнительный элемент системы увлажнения или увлажнитель воздуха, регулятор облученности растений, исполнительный элемент системы облучения или осветительные приборы, или лампы, второй формирователь искусственного электрического наивысшего значения биологического электрического потенциала растений данного вида и возраста при близких к оптимальным условиям среды обитания, второй регулятор напряжения искусственного биологического электрического потенциала или искусственно созданного внешнего электрического отрицательного потенциала, приложенного к вершине растения по отношению к грунту, входное электрическое сопротивление стеблей растений теплицы, верхушки которых механически закреплены на прочных электропроводящих шпалерах и электрически присоединены к ним, формирователь экономически оптимального значения относительной влажности внутреннего воздуха, или второй оптимизатор, формирователь экономически оптимального значения облученности растений, или третий оптимизатор, датчик направления ветра, выход которого соединен с соответствующим входом вычислительного блока, третий выход вычислительного блока через второй формирователь подключен к первому входу второго регулятора, выход и второй вход которого подключены соответственно к входному электрическому сопротивлению стеблей растений теплицы и к корпусу второго устройства, электрически соединенному с грунтом, четвертый и пятый выходы вычислительного блока через соответственно второй оптимизатор и через третий оптимизатор соединены соответственно с первыми входами регулятора относительной влажности внутреннего воздуха и регулятора облученности растений, вторые входы которых подключены к корпусу второго устройства.
Сходные признаки способа
1. Измерение и задание величины температуры помещения.
2. Сравнение измеренной и заданной величин.
3. Регулирование режима обогрева помещения по результату сравнения.
4. Измерение величины температуры внутреннего воздуха помещения.
5. Измерение величины температуры наружного воздуха, скорости ветра, относительной влажности внутреннего и наружного воздуха, облученности растений.
6. Формирование сигнала величины температуры помещения.
7. Периодическое изменение сигнала сформированной величины температуры помещения в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим ее заданными значениями.
8. Вычисление в зависимости от изменяемого сигнала сформированной величины температуры помещения стоимости затрат энергии на общий обогрев помещения и стоимости продукции данной партии биологических объектов, вычисление потерь тепловой энергии помещением в зависимости от измеренной величины температуры внутреннего воздуха в помещении.
9. Вычисление двух разностей между последней и первой указанными стоимостями в качестве двух значений прибыли в режиме наивысшей продуктивности биологических объектов при нормативном значении температуры помещения и наибольшее значение этой разности при экономически оптимальном значении температуры помещения в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим заданными значениями сигнала сформированной величины температуры помещения.
10. Вычитание из второй разности стоимостей первой разности стоимостей и получение третьей разности стоимостей между двумя первыми в виде прироста прибыли.
11. Определение наибольшего значения последней разности стоимостей в виде численного значения критерия прироста прибыли и соответствующего ей сигнала сформированной величины температуры помещения.
12. Сравнение соответствующий последней наибольшей разности стоимостей сигнал сформированной величины температуры помещения с измеренной величиной температуры помещения и по результату сравнения корректируют режим обогрева помещения.
13. Электрическая стимуляция роста растений и улучшение обмена веществ, как в открытом грунте, так и в тепличных условиях, посредством подачи положительного потенциала источника тока в зону корневой системы растения, а отрицательного потенциала к верхней части растения.
Отличительные признаки способа
14. Формируют сигнал величины температуры внутреннего воздуха помещения.
15. Периодически изменяют сигнал сформированной величины температуры внутреннего воздуха помещения в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим ее заданными значениями.
16. Измеряют величину угла между направлением на набегающий на помещение теплицы движущийся наружный воздух или направлением ветра и направлением на север и формируют сигнал направления ветра.
17. Вычисляют потери тепловой энергии помещением в зависимости от сигнала сформированной величины температуры внутреннего воздуха помещения и от измеренной температуры наружного воздуха, относительной влажности внутреннего воздуха, температуры наружного воздуха, относительной влажности наружного воздуха, облученности растений, скорости движения наружного воздуха или скорости ветра, направления ветра.
18. Формируют и задают сигнал разности биоэлектрических потенциалов растения, определенной заранее опытным путем в наилучших условиях среды обитания растения данного вида при его наивысшей продуктивности и при дополнительном электрическом воздействии детерминированного уровня на их биологический электрический потенциал.
19. Подают сформированный и заданный сигнал разности биоэлектрических потенциалов на стебли растений теплицы.
20. Вычисляют при экономически оптимальном значении температуры внутреннего воздуха помещения электрофизиологическое приращение продуктивности растений, электрофизиологическое приращение стоимости произведенной растительной продукции в ценах ее реализации, электрофизиологический прирост расчетной прибыли, и суммируют указанный электрофизиологический прирост с наибольшим значением расчетной прибыли при экономически оптимальном значении температуры внутреннего воздуха помещения.
21. Индицируют для руководства тепличного хозяйства и для персонала теплицы измеренные, вычисленные и сформированные сигналы.
Способ и устройство иллюстрируются фиг. 1, …, фиг. 6.
2
техн
техн
техн
вн
вн
раст
раст
вн1
опт
1,
вн3
вн
опт1
1
2
2
3
вн3
вн3
опт1
опт5
опт
вн3
опт
вн
вн1
вн2
вн3
ест
На фиг. 1 приведена иллюстрация качественной взаимной связи БЭП растений, В, облученности Е, Вт/м, температуры Т, °С, и относительной влажности внутреннего воздуха ϕ, %, в теплице, при определенном виде растений, К=const, качеств, ед.; при определенном возрасте растений, Н=const, сут.: Т - технологически оптимальное значение температуры внутреннего воздуха при фиксированных сочетаниях значений Е ϕ, причем при росте Т уменьшается потребное значение облученности Е для получения максимального значения БЭП (значение БЭП обозначено на фиг. 2 цифрой 1): Е>Е, Е>Е, и так далее, при неизменной ϕ. При постоянном значении ϕ показаны пять оптимальных линий биологического электрического потенциала (далее БЭП) с наивысшими значениями биоэлектрических потенциалов БЭП, …, БЭП (эти значения на фиг. 2 обозначены цифрами 1, 2, 3, 4, 5). Уменьшение относительной влажности внутреннего воздуха теплицы в пределе ведет к высыханию растений, оптимальные значения БЭП уменьшаются, как это показано тремя также оптимальными линиями Е, Т(ϕ) При ϕ<ϕ<ϕ (линии на фиг. 2 обозначены цифрами 6, 7, 8). Кривые линии продуктивности растений в естественных условиях Пр (линии обозначены на фиг. 2 цифрами 9, 10, 11, 12, 13).
2
техн
опт
техн
техн
макс
макс
опт
опт
макс
опт
макс
опт
опт
опт
опт
опт1
вн
вн
раст
раст
вн1
опт
1
вн3
вн
1
2
2
3
3
4
3
5
4
вн3
вн3
опт1
опт5
ест
R
опт
вн
опт
вн
вн1
вн2
вн3
иск
ест
опт3
иск
ест
опт3
иск
ест
иск
1мин
иск
1
ест
иск
мин
ест
ест
1
иск
1мин
иск
1мин
иск
1мин
иск
мин
На фиг. 2 дана дополнительная иллюстрация качественной взаимной связи БЭП растений, В, облученности Е, Вт/м, температуры Т, °С, и относительной влажности внутреннего воздуха ϕ, %, в теплице, при определенном виде растений, К=const, качественных ед.; при определенном возрасте растений, Н=const, сут., в условиях искусственного электрофизического воздействия на растения электрическим потенциалом, равным естественному в близких к идеальным условиях среды с оптимизацией параметров среды обитания по технологическому критерию: T - технологически оптимальное значение температуры внутреннего воздуха при фиксированных сочетаниях значений Е, ϕ, причем при росте Т уменьшается потребное значение облученности Е для получения максимального значения БЭП: E>Е, Е>Е, Е, Е<Е, Е<Е, и так далее (эти кривые линии на фиг. 2 обозначены цифрами 9, 10, 11, 12, 13), при неизменной ϕ. При постоянном значении ϕ показаны пять оптимальных линий БЭП с наивысшими значениями биоэлектрических потенциалов БЭП, …, БЭП (значения обозначены на фиг. 2 цифрами 1, 2, 3, 4, 5). Уменьшение относительной влажности внутреннего воздуха теплицы в пределе ведет к высыханию растений, оптимальные значения БЭП уменьшаются, как это показано тремя кривыми, также оптимальными, линиями наивысшей продуктивности Пр (на фиг. 2 линии обозначены 6, 7, 8): F(E, Т(ϕ)) при ϕ (линия обозначена на фиг. 2 цифрой 8) <ϕ (обозначено цифрой 7) <ϕ (обозначено цифрой 6). Подача на стебель растения искусственного электрического потенциала БЭП, по значению равного естественному в условиях среды обитания, близких к наилучшим (к технологически оптимальным) БЭП, в показанном примере БЭП, т.е. БЭП=БЭП=БЭП, В, - приводит к искусственному увеличению продуктивности до величины Пр (кривые линии обозначены на фиг. 2 цифрами 14, 15, 16) от продуктивности в естественных условиях Пр (линии обозначены 9, 10, 11, 12, 13). Снижение продуктивности растений по сравнению с ее наивысшим значением в близких к идеальным условиях окружающей среды (кривые линии У, Ф, X обозначены на фиг. 2 цифрами 14, 15, 16): чем более неблагоприятным является воздействие параметра среды на растение, тем более падает продуктивность растения (переход с линии У на линию Ф, с линии Ф на линию X, или переход с кривой линии 14 на линию 15, с линии 15 на линию 16). Внешнее воздействие на БЭП растения в приведенном примере приводит к повышению продуктивности на величину +ΔПр(обозначено цифрой 17) и более. Продуктивность растений Пр (эта величина на фиг. 2 обозначена цифрой 18), достигаемая с помощью электрофизического воздействия на растения в этих неблагоприятных условиях, снижается по сравнению с генетически возможной (Пр) всего лишь на величину -ΔΔПр1 (эта величина на фиг. 2 обозначена цифрой 19), а не на гораздо большую величину (Пр)-(Пр)=+ΔПр+|-ΔΔПр|=ΔПр+ΔΔПр (эта величина на фиг. 2 обозначена цифрой 17). Такое положение дел при установленном значении экономически оптимальной температуры внутреннего воздуха теплицы требует поиска оптимального сочетания для растения (по технологическому признаку) всех остальных регулируемых параметров окружающей среды, т.е. относительной влажности внутреннего воздуха и облученности (освещенности) растений. Все эти оптимальные сочетания значений указанных величин температуры, влажности и освещенности легко автоматически находятся методом последовательных приближений посредством широко известных стандартных программ для ЭВМ, которые также легко могут быть заложены в блоке задатчиков, или в самом вычислительном блоке устройства управления искусственным биоэлектрическим потенциалом.
иск
1
ест
иск
1
неопт
макс
неопт
В условиях искусственного электрофизического воздействия без оптимизации параметров среды обитания по технологическому критерию: величина прироста продуктивности +ΔПр (эта величина на фиг. 2 обозначена цифрой 20) и более - повышение продуктивности растений, достигаемое с помощью электрофизического воздействия на растения в неблагоприятных условиях, снижается по сравнению с генетически возможной Пр всего лишь на величину -ΔΔПр (эта величина на фиг. 2 обозначена цифрой 21).
иск
ест
опт3
иск
иск
ест
опт3
иск
иск
иск
иск
иск
иск
иск
иск
иск
иск
ест
.
иск
иск
иск
иск
иск
иск
ест
ест
ест
иск
иск
иск
иск
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
мин
мин
мин
макс
макс
макс
макс
мин
мин
мин
На фиг. 3 показана дополнительная подача на стебель растения наивысшего значения искусственного электрического потенциала БЭП, при котором искусственное повышение продуктивности растений максимально, и который по значению больше естественного в условиях среды обитания, близких к наилучшим (к технологически оптимальным) БЭП, в показанном примере значению БЭП, т.е. БЭП>БЭП=БЭП=БЭП, В, - приводит к увеличению продуктивности до величины Пр(БЭП). И это искусственное увеличение продуктивности растений за счет их электрического стимулирования существенно или близко к 20…30% в близких к идеальным условиям обитания растения по многочисленным известным в приведенных литературных ссылках. Это показано на фиг. 2 самыми верхними тремя кривыми линиями продуктивности У, Ф, Х (на фиг. 3 эти кривые линии обозначены цифрами 22, 23, 24). При этом, в уже напряженном электрическом режиме БЭП и в почти идеальных условиях среды приросты продуктивности в теоретически наилучшей совокупности условий теплицы являются наивысшими для растения данного вида и возраста и равны друг другу: +ΔУ=+ΔФ=+ΔХ (на фиг. 3 эти приросты обозначены цифрами 25, 26, 27). Чем более условия обитания отличаются от близких к идеальным, тем меньшими будут при БЭП соответствующие приросты продуктивности по сравнению с вариантами при БЭП Это показано уменьшающимися соответствующими приростами продуктивности +ΔУ=+ΔФ=+ΔХ>+ΔУ>+ΔФ>+ΔХ. Продуктивность в естественных условиях, без БЭП: У Ф_Х(на фиг. 3 эти кривые линии обозначены цифрами 14, 15, 16). Минимальные приросты продуктивности растений при подаче на них наивысшего значения искусственного электрического потенциала БЭП соответствуют значениям +ΔУ, +ΔФ, +ΔХ (на фиг. 3 эти приросты обозначены цифрами 28, 29, 30).
иск
иск
ест
иск
иск
иск
ест
ест
ест
иск
ест
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
Чем более условия обитания отличаются от близких к идеальным, тем сильнее искусственный наивысший электрический потенциал повышает продуктивность растений в сходных условиях без искусственного электрофизического воздействия, т.е. при БЭП=0 В. Повышается резистентность (сопротивляемость) растения к отрицательному воздействию на него неблагоприятных факторов среды обитания. Однако, при БЭП имеет место и дополнительное снижение продуктивности растений по сравнению с ее соответствующим значением в данных условиях окружающей среды при воздействии наилучшего значения естественного потенциала, т.е. при БЭП (кривые линии У, Ф, Х (22, 23, 24) по сравнению с У, Ф, Х (14, 15, 16). Это снижение продуктивности также вполне естественно, поскольку при наивысшем электрофизическом воздействии БЭП растение испытывает наряду с неблагоприятными факторами среды чрезмерные перегрузки по сравнению со случаем БЭП.
вн
ест
иск
крит
макс
макс
Например, при температуре внутреннего воздуха, близкой к Т, линии Х (16) и Х (24) на фиг. 3 пересекаются и меняются местами по положениям. Это означает, что при повышенной электрической нагрузке на растение по сравнению с естественной электрической нагрузкой на растение, его продуктивность и резистентность (сопротивляемость) падают из-за чрезмерного его внутреннего физиологического напряжения, да еще и неблагоприятных условиях среды обитания.
иск
иск
вн3
опт
макс
техн
Так же ведет себя растение, снижая свои возможности при подаче на него БЭП>БЭП, т.е. при чрезмерных и потому совершенно не допустимых искусственных электрофизических биопотенциалов. Система верхних трех выпуклых парабол сужается по оси абсцисс и снижается по оси ординат, не меняя технологически или экономически оптимального своего положения по значению Т. Этот вариант совершенно очевиден и для устранения усложнения фиг. 3 на ней не приводится.
вн
нар
ест
иск
иск
иск
р
р иск
иск
обогр
эн
р
иск
вн
опт
вн
опт1
Тнар1
нар1
вн
опт2
Тнар2
нар2
нар1
нар2
техн
экон
экон
На фиг. 4 приведена иллюстрация способа экономичного выращивания растений в теплице с искусственным электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений: Т - температура внутреннего воздуха в теплице, °С; Т - температура наружного воздуха, °С; БЭП - биологический электрический потенциал растения по высоте его стебля, от земли до его вершины, В; БЭП - естественный биологический электрический потенциал растения в данных условиях окружающей среды, В; +ΔБЭП - приращение искусственно созданного внешнего электрического потенциала, В; Пр - продуктивность растений, кг/ед. времени; +ΔПр - приращение продуктивности растений за счет действия искусственной величины «+ΔБЭП», кг/ед. времени; Ц - стоимость произведенной растительной продукции в ценах ее реализации, руб./ед. времени; +ΔЦ прирост стоимости произведенной растительной продукции в ценах ее реализации за счет действия искусственной величины «+ΔБЭП», руб./ед. времени; Р - мощность обогрева теплицы, кВт; З - затраты энергии на обогрев теплицы, кВт×ч; С - стоимость затрат только энергии на общий обогрев теплицы, руб./ед. времени; П=Ц-С - расчетная прибыль с учетом стоимости затрат только энергии на общий обогрев теплицы, руб./ед. времени; +ΔП - прирост расчетной прибыли с учетом затрат только энергии на общий обогрев теплицы за счет действия искусственной величины «+ΔБЭП», руб./ед. времени; Т - технологически наилучшая (оптимальная) температура внутреннего воздуха в теплице (температурный режим наивысшей продуктивности растений), °С; T| - экономически (хозяйственно) наилучшая (оптимальная) температура внутреннего воздуха в теплице (температурный режим наивысшей прибыли от выращивания растений) при более низкой температуре наружного воздуха Т, °С; Т| - экономически (хозяйственно) наилучшая (оптимальная) температура внутреннего воздуха в теплице (температурный режим наивысшей прибыли от выращивания растений) при менее низкой температуре наружного воздуха Т, °С; T<Т, °С.
ест
вн
вн
р
вн
ест
вн
вн
р
вн
нар
вн
вн
нар
обогр3
эн3
обогр3
вн
эн3
вн
вн
нар
обогр3
эн3
вн
нар
нар
обогр
эн2
вн
нар2
2
вн
нар2
вн
нар
наp1
нар2
нар1
нар2
нар2
обогр2
эн2
вн
нар2
2
вн
нар2
нар1
обогр1
эн1
вн
нар1
1
вн
нар1
вн
нар2
2
вн
нар2
вн
нар1
1
вн
нар1
ест1
вн
опт1
вн
опт1
нар1
иск1
вн
опт
вн
опт1
иск1
риск1
1
иск1
иск1
1
иск1
1
вн
опт1
1
вн
опт1
иск1
1
вн
опт
нар1
экон
экон
техн
экон
экон
экон
техн
Цифрой 31 показана температурная зависимость естественного БЭП растения БЭП(Т), однозначно связанная с температурной зависимостью его продуктивности Пр(Т) и, соответственно, со стоимостью растительной продукции в ценах ее реализации Ц(Т): 31. БЭП(Т)÷Пр(Т)÷Ц(Т). Цифрой 32 показана, при условии равенства температур наружного Т и внутреннего воздуха Т теплицы (Т=Т), т.е. при отсутствии необходимости обогрева теплицы, равная нулю мощность обогрева теплицы Р и соответственно равные нулю энергетические затраты для ее обогрева З: 32. Р(Т)÷З(Т)=0 при Т=Т, или 32. Р÷З=0 (Т=Т). Чтобы ось абсцисс и линия 32 не совпадали, на фиг. 4 прямая линия нулевой мощности обогрева, или нулевых затрат энергии на обогрев теплицы, поднята над осью абсцисс. Цифрами 33 и 34 показана качественная линейная функциональная связь температуры наружного воздуха Т, потребной мощности обогрева теплицы Р, затрат энергии З(Т, Т) и ее стоимости С(Т, Т) при температуре внутреннего воздуха теплицы Т выше, чем температура наружного воздуха Т, при двух различных значениях наружной температуры T и Т, причем T<Т, °С: 33. Т÷Р÷З(Т, Т)÷С(Т, Т); 34. T÷Р÷З(Т, Т)÷С(Т, Т). Цифрой 35 показана температурная зависимость от Т прибыли при более высокой наружной температуре Т: 35. П(Т, Т). Цифрой 36 показана температурная зависимость от Т прибыли при низкой наружной температуре T: 36. П(T, T). Цифрой 37 показано значение естественного БЭП растения при полученном экономически наилучшем значении температуры внутреннего воздуха: 37. БЭП(Т). Цифрой 38 показан необходимый прирост значения БЭП для достижения наиболее высокой генетически возможной продуктивности растения от ее значения при экономически оптимальном значении температуры внутреннего воздуха теплицы Т и при низкой температуре наружного воздуха Т: 38. +ΔБЭП(Т-Т)÷+ΔПр÷+ΔЦ÷+ΔП(+ΔБЭП). Цифрой 39 показан прирост прибыли при воздействии на растение этого прироста +БЭП: 39. +ΔП(+БЭП). Цифрой 40 показана небольшая прибыль при низкой наружной температуре без электрофизического воздействия БЭП на растение: 40. П(T). Цифрой 41 показана суммарная прибыль при экономически наилучшем управлении температурой внутреннего воздуха теплицы и при одновременном искусственном электрофизическом воздействии на растения в теплице при низкой наружной температуре: 41. П(T, +ΔБЭП). Цифрой 42 иллюстрируется значение прибыли технологического процесса при низкой температуре наружного воздуха, если управление обогревом ведется по технологическому признаку наивысшей продуктивности растений: 42. П(T, T). Видно, что прибыль в последнем случае наименьшая. Она возрастает при переходе на управление по хозяйственному (по экономическому) признаку (критерию). Прибыль возрастает еще больше, когда к экономически оптимальному управлению прибавляется электрофизическое воздействие на растения посредством искусственно создаваемого БЭП.
вн
нар
в
На фиг. 5 приведена функциональная схема первого устройства экономичного выращивания растений в теплице с искусственным электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений: 43 - датчик температуры внутреннего воздуха (Т); 44 - датчик относительной влажности внутреннего воздуха; 45 - датчик температуры наружного воздуха (Т); 46 - датчик относительной влажности наружного воздуха; 47 - датчик облученности; 48 - датчик скорости движения наружного воздуха или скорости ветра; 49 - блок задатчиков времени, имитированного сигнала температуры внутреннего воздуха, сигналов развертки в технологическом диапазоне температуры внутреннего воздуха, значений коэффициентов и констант математических моделей продуктивности и теплообмена теплицы с окружающей средой; 50 - вычислительный блок; 51 - первый блок управления или первый формирователь экономически оптимального значения температуры внутреннего воздуха, или первый оптимизатор; 52 - первый регулятор температуры внутреннего воздуха (Т); 53 - обогреватель; 54 - блок индикации технических, технологических и экономических параметров и характеристик процесса выращивания растений в теплице. 55 - второй формирователь искусственного электрического наивысшего значения биологического электрического потенциала растений данного вида и возраста при близких к оптимальным условиях среды обитания; 56 - второй регулятор напряжения искусственного биологического электрического потенциала или искусственно созданного внешнего электрического отрицательного потенциала, приложенного к вершине растения по отношению к грунту; 57 - входное электрическое сопротивление стеблей растений теплицы, верхушки которых механически закреплены на прочных электропроводящих шпалерах и электрически присоединены к ним; 58 - датчик направления ветра.
вн
нар
в
На фиг. 6 приведена функциональная схема второго устройства экономичного выращивания растений в теплице с искусственным электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений: 43 - датчик температуры внутреннего воздуха (Т); 44 - датчик относительной влажности внутреннего воздуха; 45 - датчик температуры наружного воздуха (Т); 46 - датчик относительной влажности наружного воздуха; 47 - датчик облученности; 48 - датчик скорости движения наружного воздуха или скорости ветра; 49 - блок задатчиков времени, имитированного сигнала температуры внутреннего воздуха, сигналов развертки в технологическом диапазоне температуры внутреннего воздуха, значений коэффициентов и констант математических моделей продуктивности и теплообмена теплицы с окружающей средой; 50 - вычислительный блок; 51 - первый блок управления или первый формирователь экономически оптимального значения температуры внутреннего воздуха, или первый оптимизатор; 52 - первый регулятор температуры внутреннего воздуха (Т); 53 - обогреватель; 54 - блок индикации технических, технологических и экономических параметров и характеристик процесса выращивания растений в теплице; 59 - регулятор относительной влажности внутреннего воздуха; 60 - исполнительный элемент системы увлажнения или увлажнитель воздуха; 61 - регулятор облученности растений; 62 - исполнительный элемент системы облучения или осветительные приборы, или лампы; 55 - второй формирователь искусственного электрического наивысшего значения биологического электрического потенциала растений данного вида и возраста при близких к оптимальным условиям среды обитания; 56 - второй регулятор напряжения искусственного биологического электрического потенциала или искусственно созданного внешнего электрического отрицательного потенциала, приложенного к вершине растения по отношению к грунту; 57 - входное электрическое сопротивление стеблей растений теплицы, верхушки которых механически закреплены на прочных электропроводящих шпалерах и электрически присоединены к ним; 63 - формирователь экономически оптимального значения относительной влажности внутреннего воздуха, или второй оптимизатор; 64 - формирователь экономически оптимального значения облученности растений, или третий оптимизатор; 58 - датчик направления ветра.
Способ экономичного выращивания растений в теплице с искусственным электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений осуществляется следующим образом. Повышение адаптационных возможностей растения - это их приспособление к жизни в плохих условиях окружающей среды. Экзогенный, внешний по отношению к растению, искусственный электрический потенциал помогает им адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды. Например, когда влажности почвы не хватает некоторым из растений для нормального развития. Биологически детерминированный уровень функционирования - это естественное физиологическое состояние и соответствующая естественная продуктивность растения в идеальных условиях для данного вида сорта гибрида. Внешнее управление БЭП растения искусственно повышает адаптивный потенциал растений.
Повышение адаптивного потенциала растений к возникающим факторам стресса снижает потери их продуктивности, что подтверждает целесообразность применения разработанного способа повышения устойчивости растений, к стрессовым факторам внешними низкоэнергетическими электрическими потенциалами. Технологическое обоснование метода в тепличном производстве на примере семенных растений огурца и томатов заключается в следующем. Повышение адаптивного потенциала растений зерновых, овощных и технических культур к различным стрессовым факторам (почвенная засуха, недостаточная освещенность, низкие температуры) низкоэнергетическими электрическими потенциалами можно объяснить специфическим действием слабых электрических токов на растительный организм. Тогда максимальный эффект повышения устойчивости растений к неблагоприятным факторам должен наблюдаться при уровнях электрической полярности, значительно отличающихся от естественных значений БЭП растений (-50…-100 мВ), выращиваемых в благоприятных условиях. В связи с этим, для выяснения роли БЭП в жизнедеятельности растений, внешними низкоэнергетическими электрическими потенциалами создавали разные уровни БЭП между основанием и верхней частью семенных растений огурца (гибрид ТСХА-575) и растений томатов (гибрид Rianto), выращиваемых в производственных условиях, соответственно обычным способом и методом малообъемной гидропоники [293. Тараканов Г.И., Агапова С.А., Банщикова Т.П., Вольф Л.К. Выращивание гетерозисных гибридов тепличных огурцов. М.: Колос, 1978. - 8 с.].
Получена зависимость продуктивности семенных растений огурца от уровня БЭП между вдоль стебля растения в производственных условиях [Каменская К.И., Шогенов Ю.Х., Третьяков Н.Н. Функциональная роль градиентов потенциалов в растениях // В кн.: Электрофизиологические методы в изучении функционального состояния растений. - М., 1988. С. 1-14] (табл. 1).
-10
Результаты опытов свидетельствуют, что стабилизация градиентов БЭП на уровне -0.5 мВ/см (-100 мВ) оказало наиболее благоприятное влияние на формирование урожая семенных растений огурца (гибрид ТСХА-575) в производственных условиях. Значительное увеличение градиентов БЭП растений до уровня -2 мВ/см (-400 мВ) привело к снижению выхода семян по отношению к контролю на 20%. Искусственная инверсия полярности (+100 мВ) также снизила выход семян по отношению к контролю более чем на 30%. Максимальный выход семян в 4 варианте (-100 мВ) по отношению к другим вариантам произошел за счет увеличения количества семенников. Сравнительный анализ посевных и урожайных качеств семян, полученных в контрольном и опытных вариантах, показал, что пропускание слабых вертикальных электрических токов (10 А/см) вдоль продольной оси семенных растений огурца (гибрид ТСХА-575) не отражается на генетическом материале, полученных от них семян. Полученные результаты позволяют заключить, что стабилизация градиентов БЭП растений на биологически детерминированном уровне -100 мВ (-0,5 мВ/см) низкоэнергетическими электрическими потенциалами повышает продуктивность растений за счет их более гибкой адаптации к условиям окружающей среды [Шогенов Ю.Х., Третьяков Н.Н. Использование внешних и биогенных низкоэнергетических электрических потенциалов для адаптации тепличных растений // Известия ТСХА, 200. Вып. 3. С. 61-77].
Зависимость продуктивности томатов от градиентов БЭП вдоль стебля при выращивании растений способом малообъемной гидропоники получена по значениям выхода продукции томатов (гибрид Rianto) при различных уровнях градиентов БЭП вдоль стебля растения приведена в табл. 2.
Полученные результаты подтверждают выводы предыдущих испытаний, а также свидетельствует об универсальности проявления эффекта повышения адаптивного потенциала разных видов растений, к неблагоприятным факторам при стабилизации БЭП на биологически детерминированном уровне функционирования низкоэнергетическими электрическими потенциалами.
вн
ест
вн
С ростом температуры внутреннего воздуха Т сначала растет, а затем уменьшается естественный биоэлектрический потенциал растений БЭП(Т). Этот факт легко объясняется тем, что при нуле градусов по Цельсию, живая клетка незащищенного растения погибает из-за замерзания входящей в нее воды. При сорока двух градусах Цельсия среды обитания коагулируют (свертываются) белковые молекулы клетки незащищенного растения, и растение также наверняка погибает. Следовательно, существует такое значение температуры среды (воздуха теплицы) в указанном диапазоне температур воздуха при всех прочих равных воздействиях, при котором биологические процессы роста растения наиболее активны, и соответствующий им БЭП растения имеет экстремальное значение.
Подобная информация имеется в фундаментальной работе: Шогенов Ю.Х. и др. Влияние монохроматического электромагнитного излучения в диапазоне 330-3390 нм на биоэлектрическую активность растений / Физиология растений, 1999. Т. 46. №5. - с. 799-805. На рис. 3 данной работы показана оптимальная зависимость биоэлектрического потенциала т интенсивности локального освещения листа белым светом. Это есть, по существу, оптимальная зависимость продуктивности (фотосинтеза хлорофилла) от освещенности, которая однозначно связана с данной оптимальной зависимостью БЭП от интенсивности локального облучения. Следовательно, БЭП растения может однозначно характеризовать продуктивность растения, естественно, с определенным коэффициентом пересчета (пропорциональности).
иск
ест
опт3
иск
ест
опт3
иск
ест
ест
ест
ест
ест
ест
ест
вн3
опт
вн1
опт
ест
ест
1
иск
1мин
иск
1
ест
иск
1мин
ест
ест
1
иск
1мин
иск
1мин
иск
1мин
иск
1мин
макс
макс
Макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
техн
техн
макс
опт
опт
опт
макс
опт
макс
опт
опт
опт
опт
опт
Подача на стебель растения искусственного электрического потенциала БЭП по значению равного естественному в условиях среды обитания (фиг. 2), близких к наилучшим (к технологически оптимальным) БЭП, в показанном примере БЭП, т.е. БЭП=БЭП=БЭП, В, - приводит к увеличению продуктивности до величины Пр. И это искусственное увеличение продуктивности растений за счет их электрического стимулирования несущественно или близко к нулю в идеальных условиях обитания растения потому, что, во-первых, искусственный потенциал равен естественному в этом режиме, во-вторых, наивысшая продуктивность уже достигнута полным использованием генетического потенциала растений в близких к идеальным условиях. Чем более условия обитания отличаются от близких к идеальным, тем сильнее искусственный электрический потенциал повышает продуктивность растений в сходных условиях. Повышается резистентность (сопротивляемость) растения к отрицательному воздействию на него неблагоприятных факторов среды обитания. Однако, имеет место и снижение продуктивности растений по сравнению с ее наивысшим значением в близких к идеальным условиях окружающей среды (кривые линии У, Ф, Х). Это снижение вполне естественно, поскольку наряду с искусственным БЭП на растение действуют не близкие к идеальным условия внешней среды, и не только не близкие, но и неблагоприятные факторы среды. Чем более неблагоприятным является воздействие параметра среды на растение, тем более падает продуктивность растения (переход с кривые линии У на линию Ф, с линии Ф на линию Х). Например, если температура внутреннего воздуха в теплице снизилась со значения Т до значения Т, то продуктивность упала от Пр, как минимум, до Пр. Это произойдет, если компенсирующие управления другими управляемыми параметрами привели к максимально достижимой продуктивности в новых условиях с пониженной температурой воздуха. Если же управление другими параметрами среды не происходит при снижении температуры, то продуктивность упадет еще больше. Таким образом, внешнее воздействие на БЭП растения в приведенном примере приводит к повышению продуктивности на величину +ΔПр и более. Продуктивность растений Пр, достигаемая с помощью электрофизического воздействия на растения в этих неблагоприятных условиях, снижается по сравнению с генетически возможной (Пр) всего лишь на величину -ΔΔПр, а не на гораздо большую величину (Пр)-(Пр)=+ΔПр+|-ΔΔПр|=ΔПр+ΔΔПр.
иск
ест
опт3
иск
иск
есг
опт3
иск
иск
иск
иск
иск
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
Подача же на стебель растения наивысшего искусственного электрического потенциала БЭП, при котором искусственное повышение продуктивности растений максимально, и который по значению больше естественного в условиях среды обитания (фиг. 3), близких к наилучшим (к технологически оптимальным) БЭП, в показанном примере значению БЭП, т.е. БЭП>БЭП=БЭП=БЭП, В, - приводит к увеличению продуктивности до величины Пр(БЭП). И это искусственное увеличение продуктивности растений за счет их электрического стимулирования существенно или близко к 20…30% в близких к идеальным условиям обитания растения по многочисленным известным в приведенных литературных ссылках. Это показано на фиг. 3 самыми верхними тремя кривыми линиями продуктивности У, Ф, Х (22, 23, 24).
иск
иск
иск
иск
макс
макс
макс
макс
При этом в уже напряженном электрическом режиме БЭП и в почти идеальных условиях среды приросты продуктивности в теоретически наилучшей совокупности условий теплицы являются наивысшими для растения данного вида и возраста и равны друг другу: +ΔУ=+ΔФ=+ΔХ (25, 26, 27).
иск
ест
иск
иск
иск
иск
иск
иск
макс
макс
макс
макс
макс
мин
мин
мин
Чем более условия обитания отличаются от близких к идеальным, тем менее будут при БЭП соответствующие приросты продуктивности по сравнению с вариантами при БЭП. Это показано на фиг. 3 уменьшающимися соответствующими приростами продуктивности +ΔУ=+ΔФ=+ΔХ>+ΔУ>+ΔФ>+ΔХ (28, 29, 30).
иск
иск
ест
иск
иск
иск
ест
ест
ест
иск
ест
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
Чем более условия обитания отличаются от близких к идеальным, тем сильнее искусственный наивысший электрический потенциал повышает продуктивность растений в сходных условиях без искусственного электрофизического воздействия, т.е. при БЭП=0 В. Повышается резистентность (сопротивляемость) растения к отрицательному воздействию на него неблагоприятных факторов среды обитания. Однако, при БЭПимеет место и дополнительное снижение продуктивности растений по сравнению с ее соответствующим значением в данных условиях окружающей среды при воздействии наилучшего значения естественного потенциала, т.е. при БЭП: кривые линии У, Ф, Х (22, 23, 24) по сравнению с У, Ф, Х (14, 15, 16). Это снижение продуктивности также вполне естественно, поскольку при наивысшем электрофизическом воздействии БЭП растение испытывает наряду с неблагоприятными факторами среды чрезмерные перегрузки по сравнению со случаем БЭП.
вн
ест
иск
крит
макс
макс
Например, при температуре внутреннего воздуха, близкой к Т, линии 16 и 24 (Х и Х) на фиг. 3 пересекаются и меняются местами по положениям. Это означает, что при повышенной электрической нагрузке на растение по сравнению с естественной электрической нагрузкой на растение, его продуктивность и резистентность (сопротивляемость) падают из-за чрезмерного его внутреннего физиологического напряжения, да еще и неблагоприятных условиях среды обитания.
иск
иск
вн3
опт
макс
техн
Так же ведет себя растение, снижая свои возможности при подаче на него БЭП>БЭП, т.е. при чрезмерных и потому совершенно не допустимых искусственных электрофизических биопотенциалов. Система верхних трех выпуклых парабол сужается по оси абсцисс и снижается по оси ординат, не меняя технологически или экономически оптимального своего положения по значению Т. Этот вариант совершенно очевиден и для устранения усложнения фиг. 3 на ней не приводится.
ест
ест
ест
ест
вн3
опт
вн1
опт
ест
ест
1
иск
1мин
иск
1,
ест
иск
1мин
ест
ест
1
иск
1мин
иск
1мин
иск
1мин
иск
1мин
макс
макс
макс
макс
техн
техн
макс
опт
опт
опт
макс
опт
макс
опт
опт
опт
опт
опт
Чем более неблагоприятным является воздействие параметра среды на растение, тем более падает продуктивность растения (переход с кривой линии У на линию Ф, с линии Ф на линию Х). Например, если температура внутреннего воздуха в теплице снизилась со значения Т до значения Т, то продуктивность упала от Пр, как минимум, до Пр. Это произойдет, если компенсирующие управления другими управляемыми параметрами привели к максимально достижимой продуктивности в новых условиях с пониженной температурой воздуха. Если же управление другими параметрами среды не происходит при снижении температуры, то продуктивность упадет еще больше. Таким образом, внешнее воздействие на БЭП растения в приведенном примере приводит к повышению продуктивности на величину +ΔПр и более. Продуктивность растений Пр достигаемая с помощью электрофизического воздействия на растения в этих неблагоприятных условиях, снижается по сравнению с генетически возможной (Пр) всего лишь на величину -ΔΔПр, а не на гораздо большую величину (Пр)-(Пр)=+ΔПр+|-ΔΔПр|=ΔПр+ΔΔПр.
При наличии математических моделей продуктивности растений данного вида и определенного возраста в естественных условиях среды обитания (отсутствует искусственное электрическое воздействие на стебли растений), и при наличии искусственного электрического воздействияе на стебли растений, легко вычислить численные значения указанных величин, умножить полученную продуктивность растений при экономически оптимальной температуре внутреннего воздуха в теплице при наличии электрофизического воздействия на их стебли на региональную рыночную удельную цену выращиваемых растений и получить искомую стоимость продукции в ценах ее реализации.
1
иск1
1
вн
опт1
1
вн
опт1,
иск1
экон
экон
Соответственно, вычисляется инновационный прирост прибыли 39. +ΔП(+БЭП), показывающий экономическую эффективность процесса только за счет электрофизического воздействия на растения (фиг. 2, фиг. 3). Вместе с прибылью за счет только экономически наилучшего управления режимом обогрева теплицы 40. П(Т) этот инновационный прирост прибыли в сумме дает результирующую прибыль 41. П(T+ΔБЭП) (фиг. 4).
вн
р
вн
ест
вн
вн
р
вн
Точно такой же оптимум имеет температурная зависимость продуктивности растений Пр(Т). Соответствующий вид имеет температурная зависимость стоимости выращиваемой продукции в ценах ее реализации Ц(Т), равная произведению продуктивности растений и ее удельной цены. Одинаковый вид этих совпадающих зависимостей на фиг. 3 обозначен как 31. БЭП(Т)÷Пр(Т)÷Ц(Т).
обогр3
эн3
вн
нар
вн
нар
обогр3
эн3
вн
нар
Мощность обогрева Р и затраты энергии на обогрев теплицы З при равных температурах ее внутреннего Т и наружного Т воздуха, при Т=Т, равны нулю. На фиг. 3 линия мощности обогрева и затрат на обогрев теплицы показана не совпадающей с осью абсцисс, а для наглядности она показана параллельной оси абсцисс и обозначена как 32. Р÷З=0 (Т=Т), хотя имеется постоянное ее значение. Физический смысл такого варианта также существует: постоянный обогрев нужен для компенсации потерь теплоты из помещения теплицы через пол помещения теплицы.
нар2
вн
вн
обогр2
эн2
обогр2
эн2
вн
нар2
2
вн
нар2
Если температура наружного воздуха Т ниже температуры внутреннего воздуха Т, то с ростом Т растет мощность обогрева Р, растут затраты энергии на обогрев З, растет стоимость затрат энергии на обогрев: 33. Р÷З(Т, Т)÷С(Т, Т). Зависимость роста линейная, так как тепловые потери помещения теплицы прямо пропорционально зависят от разности указанных температур.
нар1
нар1
нар2
обогр1
зн1
вн
нар1
1
вн
нар1
При очень низкой температуре наружного воздуха Т, или при условии T<Т, прямая линия смещается вверх: 34. P÷З(T, T)÷C(T, Т).
нар2
р
вн
2
вн
нар2
2
вн
нар2
нар1
1
вн
нар1
Для получения температурной зависимости величины прибыли растениеводства в теплице при Т надо из температурной зависимости стоимости выращиваемой продукции в ценах ее реализации Ц(Т) вычесть температурную зависимость стоимости затрат энергии на обогрев С(Т, Т). Разность полученная показана на фиг 1: 35. П(Т, Т). Так же на фиг. 4 получается график прибыли при Т: 36. П(T, T).
вн
опт1
нар1
ест1
ест1
вн
опт1
ест1
иск1
макс
вн
иск1
иск1
р иск1
1
иск1
вн
опт
вн
опт1
иск1
риск1
1
иск1
1
1
иск1
1
вн
опт1
нар1
1
вн
опт1
иск1
нар1
экон
экон
техн
экон
экон
экон
При экономически оптимальной температуре Т, соответствующей низкой температуре наружного воздуха Т, растения имеют биоэлектрический потенциал БЭП: 37. БЭП(Т). Если повысить его до максимального значения (БЭП+ΔБЭП), соответствующего режиму наивысшей продуктивности растений Пр(Т), то следует ожидать достоверного повышения продуктивности практически до этого наивысшего значения. Воздействие электрическим напряжением на растение позволяет по фиг. 2 искусственным образом повысить его биоэлектрический потенциал на +ΔБЭП, продуктивность растений на +ΔПр, увеличить стоимость выращиваемой продукции на +ΔЦ, соответственно повысить прибыль на +ΔП: 38. +ΔБЭП(Т-Т)÷ΔПр÷+ΔЦ÷+ΔП(+ΔБЭП) (фиг. 4). Эта прибавка прибыли +ΔП перенесена вниз по фиг. 4: 39. +ΔП(+БЭП) для сложения с прибылью в результате экономической оптимизации режима обогрева теплицы 40. П(T) при низкой температуре наружного воздуха Т. Результат суммирования 41. П(T, +ΔБЭП) показывает наивысшую прибыль тепличного растениеводства, складывающуюся из результатов экономической оптимизации режима обогрева теплицы и электростимуляции растений искусственным биоэлектрическим потенциалом при низкой температуре наружного воздуха T.
вн
опт
нар1
1
вн
опт
нар1
нар1
1
1
вн
опт1
иск1
нар1
1
вн
опт
нар1
1
иск1
1
вн
опт1
1
вн
опт1
иск1
техн
техн
сумм
экон
техн
экон
экон
При традиционном в сельском хозяйстве управлении по технологическому критерию, то есть по наивысшей продуктивности растений, при технологически оптимальной температуре внутреннего воздуха Т и при низкой температуре наружного воздуха Т получается величина прибыли: 42. П(Т, T). Экономический (хозяйственный) выигрыш При предлагаемом способе хозяйственно наилучшего управления, с искусственным электрофизическим воздействием на естественный БЭП растений определенного вида и возраста, и при низкой температуре наружного воздуха Т cоставляет: ΔП=[41. П(Т, +ΔБЭП, Т) - 42. П(Т, T)]. При этом результатом является также повышение резистентности (сопротивляемости) растений из-за искусственного повышения их биоэлектрического потенциала, повышение точности управления из-за учета температуры наружного воздуха. При наличии математических моделей продуктивности растений данного вида и определенного возраста в естественных условиях среды обитания (отсутствует искусственное электрическое воздействие на стебли растений), и при наличии искусственного электрического воздействияе на стебли растений, легко вычислить численные значения указанных величин. Затем умножить полученную продуктивность растений при экономически оптимальной температуре внутреннего воздуха в теплице при наличии электрофизического воздействия на их стебли на региональную рыночную удельную цену выращиваемых растений и получить искомую стоимость продукции в ценах ее реализации. Соответственно, вычисляется инновационный прирост прибыли 39. +ΔП(+БЭП), показывающий экономическую эффективность процесса только за счет электрофизического воздействия на растения (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4). Вместе с прибылью за счет только экономически наилучшего управления режимом обогрева теплицы 40. П(T) этот инновационный прирост прибыли в сумме дает результирующую прибыль 41. П(T, +ΔБЭП).
На фиг. 5 приведена функциональная схема первого устройства экономичного выращивания растений в теплице с искусственным электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений.
вн
нар
в
Первое устройство экономически оптимального выращивания растений в защищенном грунте с дополнительным электрическим воздействием детерминированного уровня на их биологический электрический потенциал содержит датчик температуры внутреннего воздуха (Т) 43, датчик относительной влажности внутреннего воздуха 44, датчик температуры наружного воздуха (Т) 45, датчик относительной влажности наружного воздуха 46, датчик облученности растений 47, датчик скорости движения наружного воздуха или скорости ветра 48, блок задатчиков вида и возраста растений, текущего времени выращивания растений, имитированного сигнала температуры внутреннего воздуха, сигналов развертки в технологическом диапазоне температуры внутреннего воздуха, значений коэффициентов и констант математических моделей продуктивности и теплообмена теплицы с окружающей средой 49, вычислительный блок 50, блок управления или первый формирователь экономически оптимального значения температуры внутреннего воздуха, или первый оптимизатор 51, первый регулятор температуры внутреннего воздуха (Т) 52, обогреватель 53, блок индикации технических, технологических и экономических параметров и характеристик процесса выращивания растений в теплице 54, выходы датчика температуры внутреннего воздуха 43, датчика относительной влажности внутреннего воздуха 44, датчика температуры наружного воздуха 45, датчика относительной влажности наружного воздуха 46, датчика облученности растений 47, датчика скорости движения наружного воздуха или скорости ветра 48, блока задатчиков 49 подключены к соответствующим входам вычислительного блока 50, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами блока управления 51, блока индикации 54, выход блока управления 51 подключен к дополнительному входу вычислительного блока 50 и к первому входу первого регулятора температуры внутреннего воздуха 52, второй вход которого дополнительно соединен с выходом датчика температуры внутреннего воздуха 43, а выход подключен к входу обогревателя 53, причем в устройство введены второй формирователь искусственного электрического наивысшего значения биологического электрического потенциала растений данного вида и возраста при близких к оптимальным условиям среды обитания 55, второй регулятор напряжения искусственного биологического электрического потенциала или искусственно созданного внешнего электрического отрицательного потенциала, приложенного к вершине растения по отношению к грунту 56, входное электрическое сопротивление стеблей растений теплицы, верхушки которых механически закреплены на прочных электропроводящих шпалерах и электрически присоединены к ним 57, датчик направления ветра 58, выход которого соединен с соответствующим входом вычислительного блока 50, третий выход вычислительного блока 50 через второй формирователь 55 подключен к первому входу второго регулятора 56, выход и второй вход которого подключены соответственно к входному электрическому сопротивлению стеблей растений теплицы 57 и к корпусу первого устройства, электрически соединенному с грунтом.
Датчик направления ветра 58 дает информацию о наветренной поверхности теплицы с повышенным теплосъемом.
На фиг. 6 приведена функциональная схема второго устройства.
Второе устройство способом экономически оптимального выращивания растений в защищенном грунте с дополнительным электрическим воздействием детерминированного уровня на их биологический электрический потенциал содержит датчик температуры внутреннего воздуха 43, датчик относительной влажности внутреннего воздуха 44, датчик температуры наружного воздуха 45, датчик относительной влажности наружного воздуха 46, датчик облученности растений 47, датчик скорости движения наружного воздуха или скорости ветра 48, блок задатчиков вида и возраста растений, текущего времени выращивания растений, имитированного сигнала температуры внутреннего воздуха, сигналов развертки в технологическом диапазоне температуры внутреннего воздуха, значений коэффициентов и констант математических моделей продуктивности) и теплообмена теплицы с окружающей средой 49, вычислительный блок 50, первый блок управления или первый формирователь экономически оптимального значения температуры внутреннего воздуха, или первый оптимизатор 51, первый регулятор температуры внутреннего воздуха 52, обогреватель 53, блок индикации технических, технологических и экономических параметров и характеристик процесса выращивания растений в теплице 54, выходы датчика температуры внутреннего воздуха 43, датчика относительной влажности внутреннего воздуха 44, датчика температуры наружного воздуха 45, датчика относительной влажности наружного воздуха 46, датчика облученности растений 47, датчика скорости движения наружного воздуха или скорости ветра 48, блока задатчиков 49 подключены к соответствующим входам вычислительного блока 50, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами блока управления 51, блока индикации 54, выход блока управления 51 подключен к дополнительному входу вычислительного блока 50 и к первому входу первого регулятора температуры внутреннего воздуха 52, второй вход которого дополнительно соединен с выходом датчика температуры внутреннего воздуха 43, а выход подключен к входу обогревателя 53, причем в устройство введены регулятор относительной влажности внутреннего воздуха 59, исполнительный элемент системы увлажнения или увлажнитель воздуха 60, регулятор облученности растений 61, исполнительный элемент системы облучения или осветительные приборы, или лампы 62, второй формирователь искусственного электрического наивысшего значения биологического электрического потенциала растений данного вида и возраста при близких к оптимальным условиям среды обитания 55, второй регулятор напряжения искусственного биологического электрического потенциала, искусственно созданного внешнего электрического отрицательного потенциала, приложенного к вершине растения по отношению к грунту 56, входное электрическое сопротивление стеблей растений теплицы, верхушки которых механически закреплены на прочных электропроводящих шпалерах и электрически присоединены к ним 57, формирователь экономически оптимального значения относительной влажности внутреннего воздуха, или второй оптимизатор 63, формирователь экономически оптимального значения облученности растений, или третий оптимизатор 64, датчик направления ветра 58, выход которого соединен с соответствующим входом вычислительного блока 50, третий выход вычислительного блока 50 через второй формирователь 55 подключен к первому входу второго регулятора 56, выход и второй вход которого подключены соответственно к входному электрическому сопротивлению стеблей растений теплицы 57 и к корпусу второго устройства, электрически соединенному с грунтом, четвертый и пятый выходы вычислительного блока 50 через соответственно второй оптимизатор 63 и через третий оптимизатор 64 соединены соответственно с первыми входами регулятора относительной влажности внутреннего воздуха 59 и регулятора облученности растений 61, вторые входы которых подключены к корпусу второго устройства.
Первое и второе устройство работают следующим образом. Элементы функциональной схемы устройства осуществляют как вычисление различных экономико-математических величин, так и производят формирование соответствующих сигналов. То есть производятся действия над материальными объектами с помощью материальных средств. Задаются, определяются, сравниваются друг с другом и формируются все необходимые сигналы в полном соответствии с описанием способа. Действия элементов схемы устройства отражены в их названиях и в дополнительных комментариях сильно не нуждаются. Датчик направления ветра 58 дает информацию о наветренной поверхности теплицы с повышенным теплосъемом. В соответствии со способом, иллюстрируемым фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4, происходит экономически оптимальное управление процессом обогрева теплицы при воздействии на биоэлектрический потенциал растений.
С выхода блока управления 51 сигнал экономически оптимальной температуры внутреннего воздуха также поступает на четвертый вход вычислительного блока 50, в результате чего вычисляются, при этой температуре, приращение продуктивности растений, приращение стоимости произведенной растительной продукции в ценах ее реализации, прирост расчетной прибыли с учетом затрат только энергии на общий обогрев теплицы, за счет действия искусственной величины сформированного сигнала разности биоэлектрических потенциалов. Эта величина искусственно созданного внешнего электрического отрицательного потенциала, приложенного к вершине растения по отношению к грунту, формируется на втором выходе вычислительного блока 50 и подается через второй формирователь 55 на инвертирующий вход второго регулятора напряжения 56 в первом и во втором устройстве. Отличие в работе первого и второго устройств заключается в возможности второго устройства подстраивать три регулируемых параметра микроклимата теплицы (температура и влажность внутреннего воздуха, освещенность растений) в технологически наилучшее их сочетание для получения наивысшей продуктивности растений в отсутствие электрофизического воздействия на них, при приоритетном управлении температурой внутреннего воздуха теплицы по экономическому критерию.
Получаемые и индицируемые для руководства тепличного хозяйства птицеводческого комплекса и для обслуживающего персонала теплицы позволяют своевременно принимать соответствующие производственной ситуации управленческие решения при автоматической реализации способа и устройства, например, путем внесения человеком-оператором необходимых по ситуации поправок значений величин и параметров технологического процесса. Таким образом, повышается точность управления процессом выращивания растений, расширяются функциональные возможности способа, реализуется его заявленное назначение экономичного выращивания растений в теплице с искусственным электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений, расширяется арсенал технических решений заявленного назначения.
Способ и устройство обеспечивают точную экономическую оптимизацию технологического режима обогрева помещения теплицы с растениями. Рост растений дополнительно стимулируется искусственно созданным БЭП, значение которого равно значению естественного БЭП растения в условиях среды обитания, близких к технологически наилучшим. Применяемые для управления математические соотношения и используемые в них измеряемые и формируемые сигналы и константы несут в себе точную и полную информацию об управляемом процессе. При этом существенно повышается точность и результативность управления процессом выращивания растений в теплице. Предельно возрастает именно экономическая эффективность процессов экономически оптимального, экономичного обогрева теплицы с искусственным внешним электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений в отрасли промышленного тепличного растениеводства. Увеличиваются функциональные возможности. Расширяется арсенал технических решений и средств заявленного назначения экономичного выращивания растений в теплице с искусственным электрическим воздействием на биологический электрический потенциал стеблей растений. Таким образом, технический результат заключается в реализации способом и устройством заявленного назначения.