Rationale for the Application of the Technological Scheme of Irradiation with Separation of Energy Flows in the Lighting Systems of Industrial Greenhouses

Толық мәтін

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...

Авторлар туралы

Pavel Dolgikh

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: dpp10@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3443-5726
ResearcherId: GRJ-9791-2022

Associate Professor of the Chair of Systems Power Engineering,Cand.Sci. (Engr.)

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар

Әрекет

1. JATS XML

Жүктеу

2. 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

Жүктеу (53KB)

Метадеректер

3. Fig. 2. Distribution of radiation energy in spectrum

Жүктеу (36KB)

Метадеректер

4. Fig. 3. Change in PPFD distribution depending on the Uоб and Тв: a) Uоб1 = 1

Жүктеу (115KB)

Метадеректер

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

Жүктеу (38KB)

Метадеректер

6. 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

Жүктеу (65KB)

Метадеректер

7. Fig. 6. Relative spectral distribution

Жүктеу (51KB)

Метадеректер