Обоснование применения технологической схемы облучения с разделением энергетических потоков в светокультуре промышленных теплиц

Полный текст

Введение

Технологические операции по облучению растений в тепличной светокультуре являются энергоемкими процессами и требуют оптимальных решений при разработке мероприятий по повышению эффективности. Применяемые на сегодняшний момент в промышленных теплицах облучательные установки с газоразрядными лампами высокого давления достигли, путем технического совершенствования, максимальных показателей по критерию эффективной отдачи, но работы по улучшению их характеристик продолжаются¹. Однако особенностями, которые необходимо учитывать при эксплуатации, являются повышенные требования к спектральному составу и интенсивности излучения из-за ресурсных изменений, зависящих от срока эксплуатации², отклонения питающего напряжения [1], схем питания источников излучения [2]. Любые отклонения в показателях эффективного потока сказываются как положительно, так и отрицательно на конечном растениеводческом результате и экономических показателях конечной продукции. Также у газоразрядных ламп высокого давления имеется проблема, связанная с неравномерным распределением энергии излучения по спектру. Особенно это касается «синей» части спектра, процент содержания которой низкий, что требует дополнительных мер по коррекции и устранению этого недостатка [3].

Предварительные исследования по повышению энергоэффективности процесса облучения растений позволили установить, что представляется возможным расширить функции светотехнических облучательных установок в теплицах путем использования инфракрасной составляющей излучения облучателя на нужды отопления в системах микроклимата [4].

В ходе экспериментов был установлен ряд зависимостей, позволяющих делать выводы об эффективности применения в системе микроклимата теплиц облучательных установок с функцией принудительного охлаждения воздушным способом [5]. Управление потоками утилизированной таким образом тепловой энергии, которая затем используется в системе отопления теплиц и является основой для обеспечения тепличного производства дополнительной альтернативной экологически чистой энергией, дает преимущества [6]. При этом были определены новые дополнительные преимущества использования таких установок, заключающиеся в значительном изменении фотосинтетического потока фотонов в функции температуры воздуха вблизи лампы при регулировании уровня напряжения в пределах, регламентированных стандартом. Однако вопросы смещения в отдельных спектральных областях излучения облучательных установок с функцией принудительного охлаждения при изменении внешних факторов, к которым, в частности, относится уровень напряжения в сети, имеющие важное значение в показателях эффективности технологических процессов растениеводства защищенного грунта, не исследованы. Для жизнедеятельности растений особенно необходимы фотосинтетически активная (ФАР) (Δλ = 360–720 нм) и физиологически активная радиации (Δλ = 300–800 нм), зависящие от распределения энергии по спектру. Их регулирование дает дополнительные эффекты в управляемом растениеводстве [7].

Целью работы является определение эффективного режима работы технологической схемы облучения с разделением энергетических потоков в светокультуре промышленных теплиц.

Обзор литературы

Одним из уровней энергоэкологичности светокультуры в современном представлении является модель технологического процесса облучения, где частным показателем энергоэкологичности является спектральный состав излучения [8–10]. При этом определена роль каждого спектрального диапазона. Растения чувствуют и реагируют на оптические спектры от ультрафиолетового излучения (UV) до дальнего красного (FR), а качество излучения или длина волны оптического спектра значительно влияет на рост, развитие, морфологию и вторичный метаболизм растений. Реакция растений на качество излучения зависит от вида и сорта растений. В зависимости от условий окружающей среды реакция растений на одно и то же качество излучения может быть изменена «фоновыми» условиями, например, количеством ФАР, которое растение получает в течение дня (DLI).

Красное (R) излучение воспринимается растениями с помощью phys и регулирует реакции, связанные с прорастанием семян, удлинением стебля, расширением листьев, индукцией цветения и т. д. А синее (B) излучение воспринимается CRYs и phots и регулирует такие процессы, как деэтиоляция рассады, фототропизм, движение хлоропластов, циркадные ритмы, рост корней, устьичного отверстия и т. д. Однако излучения R и B действуют антагонистически в регулировании размера и толщины листа. B-излучение способствует сплющиванию листьев за счет усиления фотоактивности, в то время как R-излучение преимущественно способствует ветвлению, активируя phyB [11].

Таким образом, необходимо уделять пристальное внимание определению баланса между R- и B-излучением, чтобы архитектура растений регулировалась в соответствии с поставленной целью. Высокую эффективность этих излучений для фотосинтеза и роста растений легко понять, поскольку они идеально соответствуют пикам поглощения хлорофиллов.

Многочисленные исследования были проведены для оценки влияния R- и B-излучения на накопление вторичных метаболитов растений, и результаты в некоторых случаях противоречат друг другу [12].

Красное и дальнее красное излучения являются важными сигналами для растений, а соотношение R:FR влияет на физиологически регулируемые реакции, такие как прорастание семян, деэтиоляция семян, избегание затенения и репродукция. Было установлено, что добавление к FR-излучению излучения с более короткой длиной волны (400–700 нм) может сбалансировать возбуждение между фотосистемой I (PSI) и PSII, что синергетически увеличивает фотохимию и фотосинтез [13]. PSI и PSII работают последовательно для проведения фотохимических реакций, которые предпочтительно возбуждаются FR- и коротковолновым излучением соответственно [14]. Одна из гипотез гласит, что фотосинтетическая эффективность растений, выращенных при комбинированном FR- и коротковолновом излучении, должна быть увеличена из-за лучшего баланса между возбуждением двух фотосистем, в то время как некоторые исследователи предположили, что эффективность фотосинтеза всего растения будет снижена из-за более низкой PPFD [15; 16]. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы лучше понять влияние FR- излучения на фотосинтез растений.

Зеленое (G) излучение действует как сигнал, регулирующий нефотосинтетические реакции растений, такие как вегетативный рост, накопление антоцианов и инициация цветения посредством phys и cry [17]. Реакция растений на G-излучение похожа на FR-излучение и имеет общую тенденцию противостоять реакциям, индуцированным B- или R-излучениями [18; 19]. Кроме того, в то время как лучи B и R сильно поглощаются верхними листьями, излучение G проникает в более глубокие слои растительного покрова, что потенциально может повысить урожайность [17].

UV-излучение обычно рассматривается как фактор стресса для роста растений из-за избыточной энергии возбуждения, неизбежно приводящей к образованию активных форм кислорода в растительных органеллах, таких как хлоропласты, митохондрии и пероксисомы. В последнее время большое внимание уделяется использованию дополнительного УФ-излучения для индукции синтеза фитохимических веществ в растениях, таких как антоцианы, флавоноиды, каротиноиды, глутатион и другие биоактивные метаболиты, которые полезны для здоровья [20; 21]. Дополнительное УФ-В-излучение повышало концентрацию антоцианов, фенолов и флавоноидов в зеленых листьях базилика на 9–18 %, 28–126 % и 80–169 % соответственно, а антиоксидантная способность листьев базилика положительно коррелировала с дозами УФ-В-излучения. Однако дополнительное УФ-В-излучение в целом снижало урожайность как зеленого, так и фиолетового базилика. Поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы найти точку равновесия между повышением питательных качеств и снижением урожайности.

Материалы и методы

Объектом исследования являлась технологическая схема, в которой применяется облучательная установка с функцией принудительного охлаждения воздушным способом. Предмет исследования – закономерности влияния напряжения сети и температуры воздуха вблизи лампы на отдельные спектральные линии излучения тепличного облучателя. На рисунке 1 представлена технологическая схема установки для исследования тепличного облучателя.

 

 

 

Рис. 1. Технологическая схема установки для исследования тепличного облучателя:
1 – облучатель; 2 – вентилятор канальный в патрубке; 3 – выпускной фланец;
4 – гофрированный теплоотвод; 5 – закаленное стекло; 6 – лампа; 7 – технологический отсек;
8 – приборная панель; 9 – пускорегулирующий аппарат; 10 – автоматический выключатель;
11 – регулировочная ручка для лабораторного автотрансформатора вентилятора;
12 – вольтметр для вентилятора; 13 – регулировочная ручка для лабораторного
автотрансформатора облучателя; 14 – вольтметр для облучателя; 15 – спектрофотометр ФАР;
16 – анемометр; 17 – датчик анемометра; 18 – горизонтальная перегородка;
19 – вентиляционные каналы; 20 – камера для выращивания; 21 – растения;
22 – датчик спектрофотометра ФАР

 Fig. 1. Technological scheme of the installation for the study of the greenhouse irradiator:
1 – irradiator; 2 – duct fan in the nozzle; 3 – outlet flange; 4 – corrugated heat sink;
5 – tempered glass; 6 – lamp; 7 – process compartment; 8 – dashboard; 9 – start-up device;
10 – circuit breaker; 11 – adjustment knob for laboratory autotransformer fan;
12 – voltmeter for the fan; 13 – adjustment knob for the laboratory autotransformer of the irradiator;
14 – voltmeter for the irradiator; 15 – spectrophotometer PAR; 16 – anemometer;
17 – anemometer sensor; 18 – horizontal partition; 19 – ventilation ducts; 20 – growing chamber;
21 – plants; 22 – spectrophotometer sensor PAR

 

 

Исследования проводились с тепличным облучателем FitoTech CoolMaster 125 с лампой SON-T 1000 W E40 с номинальным фотосинтезным потоком фотонов (PPF), равным 1 700 мкмоль/с, расположенным над вегетационной камерой с приборной панелью, изображенной на рисунке 1. При работе в номинальном режиме при U_н = 220 В и отсутствии принудительного охлаждения колба лампы может нагреваться до 450 °С³. Для работы лампы использовался электромагнитный независимый пускорегулирующий аппарат 1К1000 ДНаТ46-001 фирмы GALAD.

Стандартный спектр излучения исследуемой лампы в номинальном режиме работы представлен на рисунке 2⁴. Как видно, спектр излучения можно поделить на пять диапазонов с длиной волны λ от 300 до 800 нм и Δλ=100 нм. Бóльшая часть излучения лампы расположена в диапазоне длин волн Δλ = 500–600 нм (50 %) и Δλ = 600–700 нм (37 %). В синем диапазоне Δλ = 400–500 нм спектр излучения составляет 4,5 %.

В качестве вентилятора охлаждения применяли Домовент 100 ВКО D100 мм 14 Вт c производительностью 105 м³/ч. Скорость воздушного потока (υ_в, м/с) на выходе из гофрированного теплоотвода 4 и температуру воздуха вблизи лампы (Т_в, °С) напротив выпускного фланца 3 измеряли анемометром Мегеон 11002, снимали спектрограммы и определяли плотность фотосинтетического потока фотонов (PPFD, мкмоль/(м²·с)), спектрометром PAR OHSP350P на расстоянии 1 м от тепличного облучателя.

 

Рис.  2.  Распределение энергии излучения по спектру⁵

Fig.  2.  Distribution of radiation energy in spectrum

 

Регулирование напряжения осуществляли с помощью двух лабораторных автотрансформаторов, позволяющих независимо друг от друга управлять работой вентилятора охлаждения и тепличного облучателя. Был исследован диапазон напряжений на тепличном облучателе (U_об, В) от 198 до 242 В c ΔU = 22 В⁶. Эксперимент проходил в следующей последовательности. Первоначально с помощью лабораторного автотрансформатора для тепличного облучателя устанавливали номинальное напряжение U_об2 = 220 В. После этого с помощью лабораторного автотрансформатора для вентилятора охлаждения устанавливали последовательно с временным интервалом в 5 мин три уровня напряжения (U_в): 198, 220, 242 В – с целью регулирования скорости и температуры воздушного потока. При этом измеряли PPFD в пяти спектральных диапазонах: UV, B, G, R, FR. Далее эксперимент проводили при уровне напряжения на тепличном облучателе U_об1=198 В и U_об3=242 В.

Результаты исследования

Было установлено, что при одинаковом характере изменения υ_в во всех трех режимах при регулировании U_в (так, при U_в1 = 198 В υ_в1 = 2,7 м/с; при U_в2 = 220 В υ_в2 = 3,0 м/с; U_в3 = 242 В υ_в3 = 3,4 м/с) Т_в изменялась неравномерно (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Изменение распределения PPFD в зависимости от U_об и Т_в:
a) U_об1 = 198 В (режим 1); b) U_об2 = 220 В (режим 2); c) U_об3 = 242 В (режим 3)

Fig. 3. Change in PPFD distribution depending on the U_об and Т_в:
a) U_об1 = 198 V (mode 1); b) U_об2 =220 V (mode 2); c) U_об3 =242 V (mode 3)

 

 

На рисунке 3 представлены данные по изменению распределения PPFD в зависимости от исследуемых факторов (U_об и Т_в). Каждый график содержит для сравнения спектральные линии излучения лампы в номинальном режиме. Графики демонстрируют искажение отдельных спектральных линий излучения по сравнению с номинальным режимом.

Для оценки степени влияния исследуемых факторов на искажение спектра сравнивали усредненное значение PPFD в каждом спектральным диапазоне со значением PPFD в номинальном режиме для этих диапазонов (рис. 4).

 

Рис. 4. Графики усредненных значений PPFD в исследуемых режимах

Fig. 4. Graphs of averaged PPFD values in the studied modes

 

Графики демонстрируют существенное влияние U_об и Т_в на количественное распределение энергии по отдельным спектральным линиям и, как следствие, на технологию процесса выращивания, учитывая роль каждого спектрального диапазона по отдельности в эффективности процессов, определяющих физиологию и продуктивность растений. Так, в режиме 1 значение PPFD снижается во всем исследуемом диапазоне длин волн по сравнению с номинальным режимом: Δλ = 300–400 нм на 1,44 мкмоль/(м²·с); Δλ = 400–500 нм на 7,3 мкмоль/(м²·с);
Δλ = 500–600 нм на 171 мкмоль/(м²·с); Δλ = 600–700 нм на 151,6 мкмоль/(м²·с); Δλ = 700–800 нм на 19,5 мкмоль/(м²·с). В режиме 3 значение PPFD держится в допустимых пределах во всем исследуемом диапазоне, однако снижается в Δλ = 500–600 нм на 56 мкмоль/(м²·с). Полученные результаты позволяют сделать вывод о невозможности применения на практике режимов работы облучателя при напряжении 198 и 242 В.

В режиме 2 значение PPFD стабильно во всем исследуемом диапазоне, что делает этот режим наиболее рациональным для практического применения в технологических схемах облучения с разделением энергетических потоков в светокультуре промышленных теплиц. Важным преимуществом этого режима является увеличение доли PPFD в «синей» области излучения (Δλ = 400–500 нм), по сравнению с номинальным режимом, в 1,9 раза: с 25 до 47 мкмоль/(м²·с). Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о повышении эффективности излучения исследуемой лампы без внесения изменений в конструкцию самой лампы, что является новым способом, в отличие от известных⁷.

Полученные данные являются основанием для определения качественного влияния изменения распределения PPFD в среднем на эффективность процесса облучения с учетом спектра действия фотосинтеза по К. Дж. Маккри, а также функции спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения.

Для оценки спектральных характеристик источника оптического излучения на основе процентного распределения в спектральных участках ФАР используем методику, изложенную в другом исследовании⁸. Расчет производили для двух режимов: номинальный режим и режим 2.

Условное представление усредненной спектральной плотности оптического излучения исследуемой лампы SON-T 1000 W E40 в номинальном режиме и режиме 2 приведено на рисунке 5. Новым, в отличие от известной методики, является то, что оценка проводится не по трем спектральным диапазонам, учитывающим только ФАР, а по пяти, с учетом физиологического воздействия.

 

 

Рис. 5. Условное представление усредненной спектральной плотности оптического излучения
лампы SON-T 1000 W E40: a) в номинальном режиме; b) в режиме 2

Fig. 5. Conditional representation of the averaged spectral density of optical radiation
of the SON-T 1000 W E40 lamp: a) in nominal mode; b) in mode 2

 

Расчет относительного спектрального распределения, с учетом физиологического воздействия, произведем по формуле (1):

 $\sum _{300}^{800}{S}_{ОТН}{K}_{Ф}\left({\lambda }_i\right)=S_{\text{ОТН1}}{K}_{Ф}\left({\lambda }_1\right)+S_{\text{ОТН2}}{K}_{Ф}\left({\lambda }_2\right)+S_{\text{ОТН3}}{K}_{Ф}\left({\lambda }_3\right)+\dots +S_{\text{ОТН4}}{K}_{Ф}\left({\lambda }_4\right)+S_{\text{ОТН5}}{K}_{Ф}\left({\lambda }_5\right),$ (1)

K_ф(λ_i) – функция спектральной фотосинтетической эффективности излучения; λ_i – условные характерные длины волн, существенные для основных процессов в растениях.

Приближенно можно принять, учитывая спектр действия фотосинтеза по К. Дж. Маккри [22], K_ф(λ₁) = 0,4; K_ф(λ₂) = 0,55; K_ф(λ₃) = 0,75; K_ф(λ₄) = 1; K_ф(λ₅) = 0,3 при λ₁ = 320 нм; λ₂ = 445 нм; λ₃ = 570 нм; λ₄ = 680 нм; λ₅ = 760 нм. Учитывая функцию спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения⁹, K_ф(λ₁) = 0,4; K_ф(λ₂) = 0,65; K_ф(λ₃) = 0,8; K_ф(λ₄) = 0,7; K_ф(λ₅) = 0,6 при λ₁ = 380 нм; λ₂ = 420 нм; λ₃ = 540 нм; λ₄ = 680 нм; λ₅ = 740 нм.

На рисунке 6 представлены графические зависимости, построенные по данным, полученным по формуле (1), с учетом физиологического воздействия излучения лампы в исследуемых режимах.

 

 

Рис. 6. Относительное спектральное распределение

Fig. 6. Relative spectral distribution

 

Из рисунка 6 видно, что за счет смещения относительного спектрального распределения эффективность физиологического воздействия излучения от лампы в режиме 2, в сравнении с номинальным режимом, изменяется незначительно. Так, при обоих режимах работы при оценке физиологического воздейстия по кривой К. Дж. Маккри эффективность составляет около 78–80 %. При оценке эффективности рассматриваемой технологической схемы с учетом функции спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения значение относительного спектрального распределения составляет около 74 % в обоих режимах.

Обсуждение и заключение

Полученные результаты позволяют сделать выводы о возможности практического применения технологической схемы облучения с разделением энергетических потоков в светокультуре промышленных теплиц. В ходе исследования было установлено, что снижение тепловой нагрузки на источнике излучения воздушным принудительным способом позволит обеспечить промышленные теплицы низкопотенциальной экологически чистой тепловой энергией с температурой теплоносителя 43–47 °С, одновременно не искажая в целом спектральную составляющую излучения облучательной установки при напряжении 220 В, получая дополнительное преимущество в виде увеличения доли «синей» составляющей в общем спектре излучения лампы.

Произведенная оценка физиологического воздействия, с учетом спектра действия фотосинтеза по К. Дж. Маккри и функции спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения, подтвердила гипотезу о применимости разрабатываемых способов облучения с разделением энергетических потоков от облучателя для повышения энергоэкологичности светокультуры.

В дальнейшем разработка и применение рациональных режимов и схем работы тепличных облучателей может стать основой для обеспечения тепличного производства дополнительной альтернативной энергией. Стабилизация режимов работы сети с одновременным регулированием температуры теплоносителя при воздушном способе отвода тепловой нагрузки является еще одним способом управления спектральными характеристиками источника излучения, а вместе с этим и ростовыми процессами растений. Снижение температуры элементов тепличного облучателя позволит более рационально распределять энергетический поток в пространстве, а также создавать дополнительный поток тепловой энергии, необходимый для отопления промышленных теплиц.

¹           Тепличное освещение. [Электронный ресурс]. URL: https://www.reflux.ru/catalog/glighting/ (дата обращения: 10.09.2022).

²           Долгих П. П., Кунгс Я. А., Цугленок Н. В. Энергосберегающие электронные пускорегулирующие аппараты для облучательных установок теплиц. Красноярск : КрасГАУ, 2003. 116 с.

³           SON-T 1000W E40 1SL/4. Технические характеристики [Электронный ресурс]. URL: https://www.lighting.philips.ru/prof/lamps/high-intensity-discharge-lamps/son-high-pressure-sodium/dsont/928154509228_EU/product (дата обращения: 10.09.2022).

⁴           Там же.

⁵            Там же.

⁶           ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М. : ФГУП «Стандартинформ». 2014. 19 с. URL: https://cenerg.ru/files/Norm_lab/gost-32144-2013.pdf (дата обращения: 10.09.2022).

⁷ Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю. Б. Айзенберга, Г. В. Бооса. 4-е изд. перераб. и доп. М., 2019. 892 с. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=26707983 (дата обращения: 10.09.2022) ; Рохлин Г. Н. Разрядные источники света. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Энергоатомиздат, 1991. 720 с.

 ⁸ Цугленок Н. В., Долгих П. П., Кунгс Я. А. Энергетическое оборудование тепличных хозяйств. Красноярск : КрасГАУ, 2001. 139 с.

⁹ Справочная книга по светотехнике...

Об авторах

Павел Павлович Долгих

Автор, ответственный за переписку.
Email: dpp10@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3443-5726
ResearcherId: GRJ-9791-2022

доцент кафедры системоэнергетики Института инженерных систем и энергетики, кандидат технических наук

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Технологическая схема установки для исследования тепличного облучателя: 1 – облучатель; 2 – вентилятор канальный в патрубке; 3 – выпускной фланец; 4 – гофрированный теплоотвод; 5 – закаленное стекло; 6 – лампа; 7 – технологический отсек; 8 – приборная панель; 9 – пускорегулирующий аппарат; 10 – автоматический выключатель; 11 – регулировочная ручка для лабораторного автотрансформатора вентилятора; 12 – вольтметр для вентилятора; 13 – регулировочная ручка для лабораторного автотрансформатора облучателя; 14 – вольтметр для облучателя; 15 – спектрофотометр ФАР; 16 – анемометр; 17 – датчик анемометра; 18 – горизонтальная перегородка; 19 – вентиляционные каналы; 20 – камера для выращивания; 21 – растения; 22 – датчик спектрофотометра ФАР

Скачать (53KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Распределение энергии излучения по спектру

Скачать (36KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Изменение распределения PPFD в зависимости от Uоб и Тв: a) Uоб1 = 198 В (режим 1); b) Uоб2 = 220 В (режим 2); c) Uоб3 = 242 В (режим 3)

Скачать (115KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Графики усредненных значений PPFD в исследуемых режимах

Скачать (38KB)

Метаданные

6. Рис. 5. Условное представление усредненной спектральной плотности оптического излучения лампы SON-T 1000 W E40: a) в номинальном режиме; b) в режиме 2

Скачать (65KB)

Метаданные

7. Рис. 6. Относительное спектральное распределение

Скачать (51KB)

Метаданные