СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАДИАЦИОННОГО РЕЖИМА ПРИ ДОСВЕЧИВАНИИ РАСТЕНИЙ
METHOD FOR CONTROL OF RADIATION MODE IN ILLUMINATION OF PLANTS

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к области тепличного растениеводства, в частности к светокультуре, и может быть использовано при выращивании растений, преимущественно, в селекционных климатических сооружениях, где требования к качеству радиационного режима наиболее высокие.
Параметрами радиационного режима при досвечивании растений являются интенсивность облучения, продолжительность облучения и спектральный состав потока.
Известен способ регулирования радиационного режима, по которому учитывается время превышения величины естественной облученности в теплице над нормируемой в течение светового дня.
3
Продолжительность дополнительного облучения уменьшается на найденную величину превышения [А.с. 875356 СССР, МКИ G05D 25/02. Устройство для регулирования интенсивности света / Поздникин B.C., Лузанова Т.В., Битаров К.С., Пигарев Л.А.; заявитель Ленинградский сельскохозяйственный институт.- №2888203/18-24; заявл. 26.02.80; опубл. 23.10.81, Бюл. №39].
Недостатком этого технического решения является то, что не учитывается величина превышения естественной облученности над нормируемой, хотя при облучении растений важны не только продолжительность, но и интенсивность облучения.
3
Известен также способ регулирования радиационного режима, по которому учитывается разность между естественной и нормируемой облученностью. Длительность дополнительного облучения корректируется с учетом как продолжительности, так и величины превышения естественной освещенности над нормируемой в течение светового дня [А.с. 970337 СССР, МКИG05D 25/02. Устройство регулирования интенсивности света / Битаров К.С., Поздникин B.C., Карпов В.Н., Зарицкий B.C., Михайленко И.М.; заявитель Ленинградский сельскохозяйственный институт. - №3283180/18-24; заявл. 27.04.81; опубл. 30.10.82, Бюл. №40].
Основным недостатком известного технического решения является отсутствие учета отклонения спектрального состава потока.
Техническим результатом изобретения является обеспечение всех нормируемых параметров радиационного режима при досвечивании растений.
Способ регулирования радиационного режима при досвечивании растений заключается в следуюшем.
1. Формируют поток оптического излучения нормируемой для растений данной культуры интенсивности.
2. Формируют поток оптического излучения нормируемой для растений данной культуры продолжительности
S
3. Нормируемые спектральные показатели воздействующего на растения потока создают совокупным действием нескольких разноспектральных источников излучения, эквивалентный спектр которых наиболее близок к нормируемому, причем близость спектров оценивают по величине коэффициента отклонения спектра K, отн. ед., вычисляемого по формуле
i
iн
где k и k - соответственно действительная и нормируемая доли энергии потока излучения соответствующего источника в i-ом спектральном диапазоне;
n - количество контролируемых фотосинтетически активных спектральных диапазонов (n=3).
4. Вычисляют зависимость коэффициента отклонения спектра от коэффициента комбинации потоков имеющихся разноспектральных источников света.
S
5. Величину последнего при облучении растений принимают из условия минимального значения коэффициента K для данного вида культур.
Новые существенные признаки.
S
3. Нормируемые спектральные показатели воздействующего на растения потока создают совокупным действием нескольких разноспектральных источников излучения, эквивалентный спектр которых наиболее близок к нормируемому, причем близость спектров оценивают по величине коэффициента отклонения спектра K, отн. ед., вычисляемого по формуле
i
iн
где k и k - соответственно действительная и нормируемая доли энергии потока излучения соответствующего источника в i-ом спектральном диапазоне;
n - количество контролируемых фотосинтетически активных спектральных диапазонов (n=3).
4. Вычисляют зависимость коэффициента отклонения спектра от коэффициента комбинации потоков имеющихся разноспектральных источников света.
S
5. Величину последнего при облучении растений принимают из условия минимального значения коэффициента K для данного вида культур.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
На фиг.1 показаны зависимости продуктивности культур огурца (а) и томата (б) от величины коэффициента отклонения спектра. На фиг.2 показаны зависимости коэффициентов отклонения спектра для культур огурца и томата от коэффициента комбинации потоков.
2
2
В основе изобретения лежат следующие положения. Передаваемая при облучении растениям лучистая энергия характеризуется величиной дозы H, Вт·ч/м, определяемой как произведение создаваемой облученности E, Вт/м и времени облучения T, ч
При отсутствии данных о требуемом спектральном составе излучения для растений под облученностью понимается создаваемая интегральная облученность, как поверхностная плотность энергии всего диапазона длин волн, генерируемых ИС.
i
син
зел
кр
син
зел
кр
син
зел
кр
В настоящее время в соответствии с действующими в отрасли методиками спектральный состав излучения характеризуется соотношением интенсивности излучения трех спектральных диапазонов k,%: синего k (400…500 нм), зеленого k (500…600 нм) и красного k (600…700 нм). Для некоторых светокультур найдены спектральные соотношения, обеспечивающие наилучшие результаты. Например: для огурца - k:k:k=17%:40%:43%, для томата - k:k:k=15%:17%:68% (средние значения) [Прикупец Л.Б. Оптимизация спектра излучения при выращивании овощей в условиях интенсивной светокультуры / Л.Б.Прикупец, А.А.Тихомиров // Светотехника. - 1992. - №3. - С.5-7].
i
2
С учетом этого факта нормируемыми величинами становятся дозы излучения H, Вт·ч/м в отдельных спектральных диапазонах:
i
2
где E - облученность в i-ом спектральном диапазоне, Вт/м.
0
2
где E - интегральная облученность, Вт/м.
Однако, как правило, применяемые ИС имеют спектральный состав излучения, отличный от оптимального (это относится и к солнечному спектру). В таблице 1 приведен спектральный состав излучения источников, применяемых для облучения растений.
Поэтому регулирование передаваемой растениям дозы излучения в отдельных спектральных диапазонах при использовании одного типа ИС невозможно. При изменении общей интенсивности излучения соотношение потоков в отдельных спектральных диапазонах остается неизменным.
Таблица 1
Состав излучения некоторых типов ИС
Тип ИС
k<sub>син</sub>, %
k<sub>зел</sub>, %
k<sub>кр</sub>, %
ДРЛФ400
26
56
18
ДРВ750
25.5
46
28.5
ЛОР1000
43
14
43
ДРФ1000
33
50
17
ДНаТ400
7
56
37
ДРИ400-6
39
43
18
ДРОТ2000
42
33
25
ДКсТ
35
31.5
33.5
ЛН
14
34
52
ЛФ40-2
30
35
35
ЛФР150
20
17
63
ДМГФ-1000Э
20
40
40
Солнечное прямое
27
37
36
Солнеч. рассеянное
43
33
24
Решение этой проблемы возможно путем использования нескольких разноспектральных ИС. При этом одним из источников является солнце. В зависимости от ряда факторов его излучение имеет различный спектральный состав. Различна и создаваемая солнцем интегральная облученность. Производя учет реально переданной растениям дозы в отдельных спектральных диапазонах в течение светового дня досвечивание растений осуществляют ИС с таким спектральным составом, что бы отклонения реальных доз от нормируемых были минимальны.
S
При этом в качестве критерия близости реального спектра излучения к требуемому используется коэффициент отклонения спектра K, отн. ед. - показатель, аналогичный величине среднеквадратичного отклонения интенсивности отдельных спектральных диапазонов, вычисляемый по формуле
i
iн
где k и k - соответственно действительная и нормируемая доли энергии потока излучения соответствующего источника в i-ом спектральном диапазоне;
n - количество контролируемых фотосинтетически активных спектральных диапазонов (n=3).
S
S
Равенство K нулю свидетельствует о соответствии спектрального состава излучения заданному. С другой стороны, любые отклонения спектральных характеристик от требуемых приводят к увеличению значения K, тем большему, чем большие отклонения имеют место.
S
S
Поэтому критерием близости реального спектра к нормируемому является минимальное значения величины K (при этом обеспечивается наибольшая продуктивность облучаемых растений). На фиг.1 показаны зависимости продуктивности культур огурца и томата от величины K. В качестве нормируемых значений приняты приведенные выше спектральные соотношения.
S
При использовании разноспектральных ИС находится зависимость K от коэффициента комбинации потоков µ, отн. ед., вычисляемого, например, по формуле
1
2
где Ф и Ф - соответственно потоки первого и второго источников, Вт.
S
По полученным зависимостям определяют оптимальные значения коэффициентов комбинаций потоков для облучаемых культур, при которых величина K принимает минимальное значение.
Способ регулирования радиационного режима при досвечивании растений осуществляется следующим образом.
S
S
В процессе выращивания растений во время светового дня ведут учет доз естественного облучения в отдельных спектральных диапазонах. Формируют поток оптического излучения нормируемой для растений данной культуры интенсивности и продолжительности. Вычисляют недостающие дозы и спектральный состав дополнительного облучения, требующегося для обеспечения нормируемых показателей радиационного режима. Находят зависимости K от коэффициента комбинации потоков источников µ. Режим работы облучательной установки назначают исходя из требования обеспечения такого значения µ, при котором величина K для данного вида культур принимает минимальное значение.
Пример. Способ осуществляется при досвечивании культур томата и огурца. Дополнительное облучение производится лампами типа ДНаТ400 и ДРОТ 2000, спектральный состав излучения которых указан выше.
2
син
зел
кр
Максимально создаваемая солнцем естественная облученность внутри теплиц в средней полосе европейской части России составляет в весенние месяцы 20…70 Вт/м. Диапазоны изменения спектрального состава солнечного излучения примем следующие k=27…43%, k=37…33%, k=36…24%.
Пусть суточная динамика изменения характеристик создаваемой солнцем облученности (в зависимости от облачности и высоты солнца над горизонтом) задана таблицей 2.
Таблица 2
Динамика изменения характеристик естественной облученности
Индекс спектр. диапозона i
Показатель k<sub>i</sub>
Интервалы светлого времени суток, ч
Спектр. доза H<sub>i</sub>, Вт·ч/м<sup>2</sup>
6-8
8-10
10-12
12-14
14-16
16-18
Индекс интервала времени j
1
2
3
4
5
6
1
k<sub>син</sub>
43
38
32
27
33
40
150
2
k<sub>зел</sub>
33
35
36
37
35
33
160
3
k<sub>кр</sub>
24
28
32
36
30
24
139
E, Вт/м<sup>2</sup>
15
45
60
55
40
10
i
2
Доза в спектральном диапазоне H, Вт·ч/м определяется по формуле
где Δt - интервал времени, Δt=2 ч;
i - индекс спектрального диапазона;
j - индекс интервала времени.
2
2
i
С другой стороны, известно, что оптимальная облученность культуры томата должна составлять 100 Вт/м при продолжительности облучения в течение суток 16 ч. Для огурца при той же облученности продолжительность облучения должна составлять 14 ч. Оптимальный спектральный состав излучения для культур указан выше. Тогда оптимальные дозы в спектральных диапазонах составляют Н, Вт·ч/м для культур:
томата
огурца
H<sub>син</sub>=100·0,15·16=240
H<sub>син</sub>=100·0,17·14=238
H<sub>зел</sub>=100·0,17·16=272
H<sub>зел</sub>=100·0,40·14=560
H<sub>кр</sub>=100·0,68·16=1088
H<sub>кр</sub>=100·0,43·14=602
Расчет недостающих спектральных доз и состава дополнительного излучения представлен в таблице 3.
Таблица 3.
Расчет спектральных доз и состава дополнительного излучения по спектральным диапазонам для культур
Индекс спектр. диапазона i
Культура
томата
огурца
H<sub>i</sub>, Вт·ч/м<sup>2</sup>
k<sub>i</sub>,%
H<sub>i</sub>, Вт·ч/м<sup>2</sup>
k<sub>i</sub>,%
1
H<sub>син</sub>=240-150=90
8
H<sub>син</sub>=238-150=88
9
2
H<sub>зел</sub>=272-160=112
10
H<sub>зел</sub>=560-160=400
42
3
H<sub>кр</sub>=1088-139=949
82
H<sub>кр</sub>=602-139=463
49
Итого:
1151
100
951
100
син
зел
кр
син
зел
кр
Недостающие дозы для рассматриваемых культур можно было бы обеспечить применением источников, имеющих соответствующие спектры k:k:k=8%: 10%: 82% для томата и k:k:k=9%:42%:49% для огурца), однако излучение имеющихся ИС не удовлетворяет этому соотношению.
S
Реальным путем решения проблемы является определение такого коэффициента комбинации потоков имеющихся источников, что бы коэффициент отклонения общего спектра от нормируемого для культур был минимален. На фиг.2 показаны зависимости коэффициентов отклонения спектра для культур огурца  и томата  от коэффициента комбинации потоков µ. Величина коэффициентов отклонения k для отдельных культур нормирована для удобства представления зависимостей на одном графике. Абсолютное значение величины в данном случае не имеет значение, т.к. важен факт наличия оптимума (минимума) у зависимостей.
m
0
Анализ зависимостей показывает, что оптимальными являются значения коэффициента комбинации потоков для томата µ=30%, а для огурца µ=15%. Этих значений добиваются соответствующим регулированием доли потоков имеющихся ИС типа ДНаТ400 и ДРОТ 2000 в общем потоке излучения облучательной установки.
2
2
2
2
Если в рассматриваемый момент времени величина естественной облученности составляет, например, 60 Вт/м, то недостающие 40 Вт/м создаются применением дополнительных ИС. Причем для томата 30% от этой величины (12 Вт/м) создают действием лампы ДРОТ2000, а 70% от этой величины (28 Вт/м) - действием лампы ДНаТ400. Доза регулируется изменением величины либо продолжительности дополнительного облучения раздельно по источникам.