Науково-технічні основи підвищення ефективності опромінювальних установок для світлокультури рослин

На основі проведених експериментів було визначено оптимальні рівні опромінення ФАР: для рослин Brassica rapa та Brassica juncea - 60...70 Вт/м2, для Гвоздики пишної (Dianthus superbus) - 100...120 Вт/м2, для паростків картоплі в культурі in vitro - 80...90 Вт/м2. При переході до змінних світлових полів оптимальні рівні опромінення не змінювалися.

За оптимального рівня опромінення досліджувався вплив періоду зміни світлового поля на накопичення сухої біомаси, концентрацію пігментів та відновлених коферментів для Brassica rapa і Brassica juncea L. Встановлено, що ріст та розвиток даних рослин у змінних світлових полях, створених опромінювачами з лампами ДРИ-250-5 або ДНаТ-250, з періодом зміни Т=0,7...1,2 хв, протікає з такою ж інтенсивністю, як і в постійних світлових полях.

За результатами проведених досліджень отримано експериментальне підтвердження запропонованого в роботі напрямку підвищення ефективності опромінювальних установок за рахунок змінного характеру опромінення та розроблено технологічну схему вирощування рослин закритого ґрунту у змінному світловому полі.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу опублікованої інформації про взаємодію оптичного випромінювання з біологічними об'єктами, фотофізичні, фотохімічні, фотобіологічні процеси в рослинах на різних стадіях фотосинтезу та кінетику протікання фотосинтетичних реакцій, сучасний стан оптичних технологічних процесів в АПК і їх технічне забезпечення показано актуальність проблеми та визначено основні напрямки підвищення ефективності ОУ для світлокультури рослин, які зводяться до вибору високоефективних джерел випромінювання, підвищення точності світлотехнічного розрахунку, впровадження сучасних систем моніторингу та керування роботою ОУ, використання змінних світлових полів.

2. Розроблено метод оцінки фотосинтезної ефективності джерел випромінювання та ККД для фотосинтезного потоку і потоку ФАР, який відрізняється підвищеною точністю розрахунку, оперативністю його проведення за рахунок використання ПЕОМ і може бути використаний у інших оптичних технологічних процесах, що дає змогу провадити раціональний підбір джерел випромінювання для технологічних опромінювальних установок.

3. Сконструйовано автоматизовану спектрометричну установку визначення ефективності джерел випромінювання для світлокультури рослин та проведено експериментальні вимірювання для найбільш поширених ламп, які випускаються світлотехнічною галуззю. Показано, що найвищою фотосинтезною ефективністю володіють лампи типу ДНаТ та ДРИ.

4. Запропоновано методику оцінки енергетичної та фотосинтезної ефективності комбінації різноспектральних джерел випромінювання. Вироблено алгоритм та програмне забезпечення розрахунку їх параметрів. Показано, що найвищою енергетичною ефективністю випромінювання з найбільш сприятливим спектральним розподілом для світлокультури рослин володіють комбінації металогалогенних та натрієвих ламп різної потужності.

5. Зроблено математичний опис первинних процесів фотосинтезу. Отримано аналітичні вирази для кінетики зміни концентрації окремих компонентів реакцій при включенні і припиненні дії випромінювання та їх концентрації в усталеному режимі опромінення. Побудовано математичну модель електронно-транспортних процесів фотосинтезу вищих рослин, проведено аналіз кінетики зміни концентрації компонентів реакції при імпульсному світловому збудженні. Встановлено, що на початковій стадії фотосинтезу час релаксацій фотосинтетичної системи лежить у межах 10-4...10-6 с.

6. Розроблено конструкції та виготовлено дослідні зразки ОП змінного опромінення з обертальним, обертально-коливним, прецесійним та зворотно-поступальним рухами опромінювачів, які дозволяють враховувати анатомо-фізіологічні особливості рослин. Проведені їх лабораторно-технологічні випробування і експериментально визначені світлотехнічні параметри, які вказують на збільшення площі опромінення в порівнянні з опромінювачами неперервної дії ОТ-400 та зниження енергозатрат на одиницю продукції в 3...3,5 рази. Новизна розроблених конструкцій підтверджена патентами України.

7. Створено математичні моделі опромінювальних пристроїв змінного опромінення з круглосиметричним і несиметричним світловими розподілами, особливістю яких є взаємозв'язок трьох їх структурних елементів: джерела випромінювання, довільно орієнтованого приймача та посівної ділянки. На основі даної моделі розроблено аналітичний метод світлотехнічного розрахунку опромінювальних установок як постійного, так і змінного опромінення з різними типами опромінювачів і метод побудови фотометричних тіл з використанням сплайн-методів, а також лінійного та квадратичного інтерполювання многочленом Лагранжа, які відрізняються підвищеною точністю та скороченням часу проведення розрахунку в зв'язку з використанням ПЕОМ. Запропоновані моделі ОП є універсальними, а розроблений на їх основі аналітичний метод може бути використаний для розрахунку світлотехнічних систем з точковими світними елементами.

8. Подано методику порівняльної оцінки енергетичної ефективності різного типу опромінювальних пристроїв. Наведено результати оцінки для пристроїв постійного та змінного опромінення. Показано, що річна економія електроенергії при використанні опромінювачів змінного опромінення з лампами ДНаТ-400 в порівнянні з опромінювачами неперервної дії ОТ-400 на площі 0,23 га при рівні опромінення ФАР 30 Вт/м2 сягає понад 200 тис.кВтгод.

9. Сконструйовано багатофункціональну опромінювальну установку для проведення дослідницьких робіт з вивчення впливу як окремих спектральних областей оптичного випромінювання, так і їх сумісної дії на ріст та розвиток рослин, а також впливу когерентного монохроматичного випромінювання на біологічні процеси в них, яка дозволяє встановити оптимальні рівні і провести підбір режимів опромінення рослин закритого ґрунту. Запропоновано комп'ютерно-програмну систему керування її роботою, що забезпечує визначене положення в просторі її опромінювачів і задає режим роботи джерел випромінювання.

10. Створено математичну модель рухомої опромінювальної установки з круговими рухами опромінювача у горизонтальній та вертикальній площинах. Отримано аналітичні вирази для часових залежностей узагальнених координат, швидкостей і прискорень окремих ланок опорно-поворотного пристрою ОУ для заданої траєкторії руху пучка променів. Запропонована методика розрахунку алгоритму керування ОП змінного опромінення, в основу якої покладено умову однакової енергії опромінення одиничних площадок на різних ділянках опромінюваної площі. Розроблено програмне забезпечення та наведено приклад розрахунку на ПЕОМ кінематичних параметрів установки з круглосиметричним опромінювачем при заданій його траєкторії руху.

11. Проведено експериментальні дослідження впливу як постійних, так і змінних світлових полів на ріст і розвиток швидкоростучої рослини Brassica rapa, гірчиці сарептської (Brassica juncea L.), крес-салату (Lepidium sativum L.), гвоздики пишної (Dianthus superbus), а також паростків картоплі різних сортів у культурі in vitro. Встановлено оптимальні рівні опромінення ФАР, які становлять: для Brassica rapa - 60...70 Вт/м2, гірчиці сарептської - 60...70 Вт/м2, гвоздики пишної 100...120 Вт/м2, паростків картоплі в культурі in vitro - 80...90 Вт/м2.

12. При оптимальному рівні опромінення проведено дослідження впливу періоду зміни світлового поля на накопичення сухої біомаси, концентрацію пігментів та відновлених коферментів для Brassica rapa і Brassica juncea L. Встановлено, що ріст та розвиток цих рослин у змінному світловому полі, створеному опромінювачами з лампами ДРИ-250-5 або ДНаТ-250, з періодом зміни Т=0,7...1,2 хв. протікає з такою ж інтенсивністю, як і в постійному світловому полі, що служить експериментальним підтвердженням запропонованого в роботі напрямку підвищення ефективності опромінювальних установок за рахунок змінного характеру опромінення. Розроблено технологічну схема вирощування рослин закритого ґрунту у змінному світловому полі.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Андрійчук В.А., Герц А.І., Грубінко В.В., Герц І.І., Кондратюк В.А., Стефанидин Л.М. Астророслина Brassiсa rapa та її використання в біологічній освіті. - Тернопіль: Вид-во Мандрівець, 2000. - 100с.

2. Андрійчук В.А., Дворницький В.М., Костик Л.М. Автоматизований метод визначення фотосинтезного потоку та коефіцієнта корисної дії джерела випромінювання // Вісник Тернопільського Приладобудівного інституту. - 1996. - № 2. - С.116-121.

3. Андрійчук В.А. Математична модель первинних процесів фотосинтезу// Вісник Тернопільського державного технічного університету ім.І.Пулюя. - 1998. - Т.3, Число 3. - С.114-119.

4. Андрійчук В.А Енергоощадні опромінюючі установки для рослин закритого ґрунту// Вісник Тернопільського державного технічного університету ім.І.Пулюя. - 1999. - Т.4, число 4. - С. 144-147.

5. Андрійчук В.А., Воркун С.В. Розрахунок кута прецесії опромінюючої установки із зміщеним центром ваги// Комунальное хозяйство городов: Научно-технический сборник. Вып.22. - К.: Техника. 2000. - С.206-210.

6. Андрійчук В.А., Герій Я.М., Чубатий Ю.О. Світлотехнічний розрахунок опромінювальної установки з прецесуючим рухом опромінювачів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2000. - Т.5, № 1. - С.85-91.

7.Андрійчук В.А., Лебідко Я.С. Автоматизована спектрометрична установка// Комунальное хозяйство городов: Научно-технический сборник. Вып.33. - К.: Техника. 2001. - С.201-205.

8. Андрійчук В.А., Воркун С.В. Пристрої змінного опромінення// Вісник національного університету "Львівська політехніка". Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. - 2002. - №452. - С. 155-160.

9. Андрійчук В.А., Герій Я.М. Розрахунок параметрів опромінюючого пристрою із змінним кутом прецесії опромінювача// Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2001. - Т.6, №4. - С.96-103.

10.Андрійчук В.А., Герій Я.М. Розрахунок інтегральних характеристик світлового поля некруглосиметричного опромінювача з параболо-циліндричним відбивачем// Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2001. - №4. - С.108-114.

11. Андрійчук В.А., Ґерій Я.М. Розрахунок опроміненості площини довільної орієнтації від опромінювача з некруглосиметричним світловим розподілом // Вісник Тернопільського державного технічного університету ім. І.Пулюя. - 2001. - Т.6, №2. - С.82-92.

12. Андрійчук В.А., Барвінський А.Ф., Ґерій Я.М. Розрахунок інтегральних характеристик світлового поля точкового джерела з некруглосиметричним світловим розподілом// Вісник національного університету " Львівська політехніка". Радіоелектроніка та телекомунікації. - 2001. - №428. - С.213-223.

13. Андрійчук В.А., Великий В.І. Математична модель рухомої опромінювальної установки// Вісник Житомирського інженерно-технологічного ін-ту: Технічні науки. - 2001. - Вип.19. - С.102-107.

14. Андрійчук В.А., Герій Р.Я. Розрахунок опромінення довільної площини при коливному русі опромінювача з некруглосиметричним світловим розподілом// Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту: Технічні науки. - 2001. - Вип.17. - С.65-72.

15. Андрійчук В.А. Одночасне використання різноспектральних ламп в опромінюючих пристроях для світлокультури рослин // Вісник Тернопільського державного технічного університету ім.І.Пулюя. - 2001. - Т.6, №3. - С.103-108.

16. Андрійчук В.А. Техніко-економічне обґрунтування порівняльного аналізу ефективності опромінювальних установок// Вісник Тернопільського державного технічного університету ім.І.Пулюя. - 2002. - Т.7, №1. - C. 111-115.

17. Андрійчук В.А. Герій Р.Я. Світлотехнічний розрахунок опромінювальної установки на ЕОМ// Технічна електродинаміка. - 2002. - №1. - С.61-64.

18. Андрійчук В.А., Зеленков І.А. Алгоритм керування рухомим опромінювальним пристроєм з круглосиметричним світловим розподілом для світлокультури рослин// Вісник Національного авіаційного університету. - 2002. - №1. - С.59-63.

19. Андрійчук В.А., Великий В.І. Багатофункціональна установка з комп'ютернопрограмним керуванням// Технічна електродинаміка. - 2002. - №5. - С. 37-39.

20. Андрійчук В.А. Вплив параметрів змінного світлового поля на ріст і розвиток рослин закритого ґрунту // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - 2003. - Вип. 10. - С.153-157.

21. Установка для переривчастого опромінення рослин. Патент UA. № 20056, 5 А01G 9/28 / Андрійчук В.А., Костик Л.М., Лазарюк В.В. - №95031026; Заявл. 06.03.95; Опубл. 25.12.97. Бюл. № 6.

22. Установка для переривчастого опромінення рослин. Патент UA № 47508, 7 А01G9/26 / Андрійчук В.А., Бакушевич Я.М., Воркун С.В. - №99063708; Заявл. 30.06.1999; Опубл. 15.07.2002, Бюл. №7.

23. Опромінююча установка для світлокультури рослин. Патент UA № 46878, 7 А01G9/28 / Андрійчук В.А., Воркун С.В. - №99063707; Заявл. 30.06.1999; Опубл. 17.06.2002, Бюл. №6.

24. Установка змінного опромінення рослин. Деклараційний патент UA. №36563 А, 7 А01G9/20; А01G9/26 / Андрійчук В.А., Воркун С.В. - № 2000010018; Заявл. 04.01.2000; Опубл. 16.04.2001. Бюл.№3.

25. Опромінююча установка із змінним кутом нахилу опромінювача. Деклараційний патент UA № 43158А, А01G9/26 / Андрійчук В.А., Воркун С.В. - № 2001031829; Заявл. 20.03.2001; Опубл. 15.11.2001. Бюл.№ 10.

26. Андрійчук В.А., Костик Л.М. Оптимізація джерел випромінювання опромінюючих установок для рослинництва закритого ґрунту// Вісник Державного університету “Львівська політехніка“. Проблеми економії енергії. - 1998. - №1. - С.81-84.

27. Чубатий Ю.О., Герій Я.М., Андрійчук В.А. Шляхи підвищення енергетичної ефективності освітлювальних установок для видовищних споруд// Вісник Державного університету “Львівська політехніка“. Проблеми економії енергії. - 1998. - №1. - С.53-56.

28. Андрійчук В.А. Енергоощадне опромінення рослин закритого ґрунту// Вісник Державного університету “Львівська політехніка”. Проблеми економії енергії. - 1999. - №2. - С.151-152.

29. Андрійчук В.А. Підвищення ефективності опромінювальних устав для оптичних технологій в АПК// Електроінформ. - 2002. - №3. - С. 7-9.

30. Андрійчук В.А., Костик Л.М. Енергоекономна установка для опромінення рослин закритого ґрунту// Міжнародна науково-технічна конференція "Світлотехніка'95" (Тернопіль, 25-27 жовтня, 1995). Тези доповідей. - С.26-27.

31. Andriychuk V, Bakushevich J. Entrgy-Saving Irradiation of Dosed Ground Plants// Ukrainian-Austrian Symposium “Agriculture: Science and Practice”. Collection of Abstracts. Lviv. - 1996. - Р.46.

32. Андрійчук В.А. Енергоекономне опромінення рослин закритого ґрунту// Материалы 2-й Международной конференции по управлению использованием энергии (Львов, 3-6 июня 1997 г.). - Tacis. Bistro /96/052 - С.2-9 - 2-14.

33. Андрійчук В.А., Дворницький В.М., Костик Л.М. Оцінка ефективності використання електричної енергії джерелами випромінювання в тепличному господарстві// Материалы 2-й Международной конференции по управлению использованием энергии (Львов, 3-6 июня 1997 г.). - Tacis. Bistro /96/052 - С.2-14 - 2-18.

34. Андрійчук В.А., Дворницький В.М., Костик Л.М. Ефективність використання електричної енергії джерелами випромінювання для створення потоку ФАР// 2-а Міжнародна науково-практична конференція “Управління енерговикористанням”. - Львів, 3-6 червня 1997 р. Доповіді. С.72-73.

35. Андрійчук В.А., Герц І.І., Стефанишик Л.М., Герц А.І., Грубінко В.В. Вплив світлового режиму на ріст і розвиток астророслини Brassica Rapa// Матеріали міжнародної конференції. Онтогенез рослин в природному та трансформованому середовищах. - Львів, липень 1-4, 1998р. - С.103-104.

36. Герц А.І., Андрійчук В.А., Герц І.І. Стефанишик Л.М., Грубінко В.В. Вплив світлового режиму на фотосинтетичну активність астророслини Brassica Rapa// Матеріали І Всеукраїнської наукової конференції “Екологічний стрес і адаптація в біологічних системах “. - Тернопіль, 27-29 жовтня 1998р. - С.44-46.

37. Андрійчук В.А. Теоретичний аналіз первинних процесів фотосинтезу /Екологічний стрес і адаптація в біологічних системах. Матеріали І Всеукраїнської конференції. - Тернопіль, 27-29 жовтня 1998р. - С.116-118.

38. Герц А.І., Андрійчук В.А., Грубінко В.В. Фоторегуляція біосинтезу хлорофілів рослини Brassika Rapa L. в модельних умовах// Фундаментальні і прикладні прблеми сучасної фізики. Матеріали ІІ Міжнародного Смакулівського симпозіуму. - Тернопіль: ТДТУ, Джура, 2000. - С.237-238.

39. Андрійчук В.А. Кінетика електронно-транспортних процесів фотосинтезу// Фундаментальні та прикладні проблеми сучасної фізики. Матеріали ІІ Міжнародного Смакулового симпозіуму. - Тернопіль: ТДТУ, Джура, 2000р. - С.232-233.

40. Герц А.И., Андрийчук В.А., Грубинко В.В. Влияние типа источника излучения и условий облучения на рост и развитие растений с коротким вегетационным периодом/ Биологические ресурсы и устойчивое развитие// Материалы Международной научной конференции. - Пущино, Россия, 29 октября-2 ноября 2001г. - С.93-94.

41. Андрійчук В.А., Воркун С.В. Пристрої змінного опромінення// Проблеми економії енергії. Збірник матеріалів 3-ої Міжнародної науково-практичної конференції. - Львів, 10-14 жовтня, 2001р. - С.179.

42. Andriychuk V., Bakushevych Y. Modelling of the Variable Irradiation Influence Process on Plants Growth and Development// International Conference on Modeling & Simulation. Proceedings. 23-26 May 2001, Lviv - Ukraine. - P.286-291.

43. Андрійчук В.А., Зеленков І.А. Аналітичний метод світлотехнічного розрахунку для опромінювальних пристроїв з несиметричним світловим розподілом// Матеріали IV Міжнародної науково-технічної конференції "АВІА-2002" 23-25 квітня 2002 року, м.Київ: Національний авіаційний університет. - 2002р. - Т.2 Аерокосмічні системи

моніторингу та керування, Секція: Авіоніка. - С. 23.79-23.82.

АНОТАЦІЇ

Андрійчук В.А. Науково-технічні основи підвищення ефективності опромінювальних установок для світлокультури рослин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.07 - світлотехніка та джерела світла. - Харківська державна академія міського господарства, Харків, 2003.

Дисертація присвячена проблемі енергоощадного опромінення рослин закритого ґрунту на основі використання змінних світлових полів. Розроблено науково-технічні основи побудови засобів створення змінних світлових полів, виготовлено та апробовано у виробничих умовах їх експериментальні зразки. Розроблено метод визначення ефективності джерел випромінювання для світлокультури рослин та створено автоматизовану технічну систему для його реалізації.

Створено математичні моделі опромінювальних пристроїв змінного опромінення з круглосиметричним і несиметричним світловим розподілом, на основі яких розроблено аналітичний метод світлотехнічного розрахунку опромінювальних установок. Визначено раціональні режими роботи та розроблено систему керування установкою змінного опромінення.

Отримано експериментальне підтвердження розвинутого в роботі напрямку підвищення ефективності опромінювальних установок. Основні результати дисертації знайшли практичне використання при розробці та світлотехнічному розрахунку опромінювальних установок для тепличних господарств АПК.

Ключові слова: опромінювальні установки, світлокультура рослин, ефективність опромінення, змінні світлові поля, пристрої змінного опромінення, фотосинтезна ефективність, фотосинтезно активна радіація.

Андрийчук В.А. Научно-технические основы повышения эффективности облучательных установок для светокультуры растений. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.07 - светотехника и источники света. - Харьковская академия городского хозяйства, Харьков, 2003 год.

Диссертация посвящена проблеме энергосбережения при облучении растений защищенного грунта на основе использования переменных световых полей. Разработаны научно-технические основы построения средств создания переменных световых полей с широким диапазоном изменения параметров, изготовлены и апробированы в производственных условиях их экспериментальные образцы.

Разработан метод определения эффективности источников излучения для оптических технологий, примененный для светокультуры растений, который отличается повышенной точностью, оперативностью, универсальностью и ориентирован на решение проблем энергосбережения в оптических технологических процессах. Для реализации данного метода создана автоматизированная спектрометрическая установка на базе монохроматора УМ-2, управление работой которой и обработка результатов измерений осуществляется с помощью персонального компьютера (ПК).

Создана математическая модель облучательной установки (ОУ) с круглосимметричными и несимметричными облучателями, особенностью которой есть взаимосвязь трех структурных элементов - источника излучения, произвольно ориентированного приемника и земельного участка. На ее основе разработан аналитический метод светотехнического расчета ОУ как постоянного, так и переменного облучения, а также построения фотометрических тел с использованием сплайн-методов и методов линейного и квадратичного интерполирования многочленом Лагранжа. Разработан алгоритм и создано программное обеспечение расчета на ПК.

Разработана многофункциональная облучательная установка с широким спектральным диапазоном излучения от 250 нм до 10 мкм и источниками когерентного излучения для проведения исследовательских работ по изучению влияния спектрального состава и степени когерентности излучения на рост и развитие растений защищенного грунта. Предложена компьютерно-програмная система управления ее работой, которая задает пространственное положение облучателей и режимы работы источников. Разработаны алгоритмы и создано программное обеспечение компьютерного управления установкой.

Проведены экспериментальные исследования влияния параметров переменных световых полей на рост и развитие растений Brassica rapa, Brassica juncea L., ростков картошки в культуре in vitro и т.п. Получено экспериментальное подтверждение развитого в работе направления повышения эффективности облучательных установок для светокультуры растений за счет использования переменных световых полей. Основные результаты работы получили практическое применение при разработке и светотехнических расчетах ОУ для тепличных хозяйств АПК.

Ключевые слова: облучательная установка, светокультура растений, переменное световое поле, эффективность облучения, фотосинтезная эффективность, фотосинтезно активная радиация, устройства переменного облучения.

Andriychuk V.A. Scientific-technical basis for raising efficiency if the irradiators for the light-culture plants.

Thesis submitted for the scientific degree of Doctor of Sciences (Engineering) in specialty 05.09.07 - electrical engineering and sources of light - Kharkiv State Academy of Municipal economy, Kharkiv, 2003.

The thesis deals with the problem of energy-saving irradiation of hot-houses plants basing oh the application of the alternative light fields Scientific-technical basis for creation of the alternative-light fields means was developed. Their experimental specimens are produced and tested. The method for finding the efficiency of the radiation sources for the light-culture plants was developed and the automated technical system for its realization was created. Mathematic models of the irradiators of the alternative radiation with the circular symmetric and non-symmetric light distribution was created, on the basis of which the analytical method of the light-technical calculation of the irradiators was developed. Efficient operating regime was found and the system of the alternative irradiation irradiators control was developed.

The experimental confirmation of the developed method of raising the irradiators efficiency was obtained.

The main results of the thesis were practically applied while developing and light-technical calculation of the irradiators for the hot-houses of agricultural-industrial complex.

Key words: irradiators, light-culture plants, irradiation efficiency, alternative light fields, alternative irradiation devices, photo-synthesis efficiency, photo-synthesis active radiation.

Размещено на Allbest.ru