close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Комплексное применение электротехнологий для повышения продуктивности огурца в сооружениях защищенного грунта

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ВЛАДЫКИН ИВАН РЕВОВИЧ
КОМПЛЕКСНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ ОГУРЦА
В СООРУЖЕНИЯХ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА
05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
АВТОРЕРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Ижевск – 2018
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» на кафедре «Автоматизированный электропривод»
Научный консультант:
Шичков Леонид Петрович
доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО
РГАЗУ, заведующий кафедрой «Информационные
и электротехнические системы и технологии»
Официальные оппоненты: Воробьев Виктор Андреевич
доктор технических наук, профессор, РГАУ –
МСХА имени К.А. Тимирязева, профессор кафедры
«Электропривод и электротехнологии»
Овчукова Светлана Александровна
доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВО
Чувашская ГСХА, профессор кафедры «Механизация электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства»
Касаткин Владимир Вениаминович
доктор технических наук, профессор, ООО «Специальное конструкторское технологическое бюро –
Продмаш», директор по инновациям и развитию
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Башкирский государственный аграрный университет»
Защита состоится «09» октября 2018 г. в 10 часов на заседании
диссертационного совета Д 006.110.02 при ФГБНУ«Федеральный научный
агроинженерный центр ВИМ» по адресу: 109456, РФ, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, дом 2, строение 1, ауд. 310.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ ФНАЦ ВИМ и
на официальном сайте www.vim.ru в разделе «Диссертационные советы».
Автореферат размещен на сайте Министерства науки Российской Федерации http://www.vak3.ed.gov.ru «05» июля 2018 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скрепленные гербовой
печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета
Д 006.110.02 Будникову Д.А. по адресу: 109428, РФ, г. Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5. E-mail: d006.110.02@mail.ru
Автореферат разослан «01» августа 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук
Д.А. Будников
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации, утвержденная указом Президента РФ №120
от 30 января 2010 года, определяет, что обеспечение граждан овощной продукцией, производимой в сооружениях защищенного грунта на территории России,
является одним из главных направлений обеспечения национальной безопасности, а также необходимым условием реализации стратегического приоритета –
повышение качества жизни российских граждан. Развитие овощеводства защищенного грунта во всем мире указывает на целесообразность применения интенсивных энергосберегающих электротехнологий производства овощных
культур. Актуальным является снижение энергозатрат, поскольку они занимают значительный процент в их себестоимости. Исследования показали, что снизить энергозатраты при производстве продукции защищенного грунта возможно за счет применения перспективных электротехнологий, позволяющих повысить всхожесть семян, сократить сроки вегетации и увеличить продуктивность
овощных культур. В специальной литературе к таким электротехнологиям относят: предпосевную обработку семян ультрафиолетовым излучением (УФИ),
электрооблучение рассады, взаимосвязанные электротехнологии обеспечения
параметров микроклимата и т.д.
Степень разработанности темы. Решению проблем повышения эффективности электротехнологий при производстве продукции защищенного грунта
большое внимание уделено в фундаментальных исследованиях Л.Г. Прищепа,
И.Ф. Бородина, Д.С. Стребкова, И.И. Свентицкого, Л.П. Шичкова, Л.Ю. Юферева, В.Н. Карпова, Ю.М. Жилинского, Д.А. Тихомирова, Ф.Я. Изакова, А.В.
Дубровина, Ю.Х. Шогенова, С.А. Овчуковой, В.В. Харченко, В.Р. Крауспа,
Н.П. Кондратьевой, В.А. Воробьева, А.М. Башилова, R.McCree, P. Mekkel, B.
Singh, M. Fisher, J. Bonnet, P. Harris, M. Derradji, M. Aiche, K. Källblad и др.
Научные работы, посвященные эффективности применения оптического
излучения, отмечают необходимость дозирования облучения семян и рассады
овощных культур и целесообразность регулирования параметров микроклимата
на всех этапах производства в условиях сооружений защищенного грунта. В
настоящее время, не решены вопросы влияния естественных условий происхождения растений, например, спектральных составляющих дозы солнечного облучения на продуктивность, а также повышения энергоэффективности при регулировании параметров микроклимата. Поэтому комплексное применение
электротехнологий и электрооборудования для облучательных установок и систем поддержания микроклимата в сооружениях защищенного грунта с помощью программируемых логических контроллеров (ПЛК), обеспечивающее повышение продуктивности овощных культур и снижение топливноэнергетических ресурсов (ТЭР), является актуальной задачей.
Исследования и разработки, составляющие основу диссертации, выполнялись в течение 20 лет лично автором в соответствии с отраслевыми научнотехническими программами № 01201350386 «Взаимосвязанные электротехно3
логии управления микроклиматом в защищенном грунте», № 01201350385 «Исследования и разработка электротехнологий на предприятиях АПК», утвержденными Министерством сельского хозяйства и продовольствия Удмуртской
Республики.
Цель работы: повышение продуктивности огурца посредством комплексного применения электротехнологий, разработки и применения соответствующих математических моделей и алгоритмов управления автоматизированными средствами обеспечения микроклимата сооружений защищённого
грунта (в условиях Удмуртии).
Задачи исследования:
1. Провести анализ режимов работы электрооборудования при производстве
огурца в защищенном грунте для определения способов повышения его
продуктивности и снижения затрат на энергоресурсы.
2. Существенно повысить эффективность предпосевной обработки семян
огурца путем разработки системы автоматической стабилизации дозы ультрафиолетового облучения, а также разработать методику расчета дозы облучения при предпосевной обработке семян огурца с учетом влияния коэффициента их формы, базирующегося на математическом моделировании
процесса.
3. Разработать конструкцию устройства для предпосевной обработки семян,
провести производственные испытания в условиях защищенного грунта облучательных установок для подтверждения гипотезы о снижении расхода
энергопотребления при сохранении качества огурца.
4. Провести исследования и разработать методику расчета доз спектральных
составляющих солнечного излучения в ареале естественного происхождения огурца, и разработать рекомендации применения результатов исследований в облучательных установках защищенного грунта.
5. Разработать алгоритм работы логических контроллеров и программу автоматической стабилизации дозы спектральных составляющих облучения для
повышения эффективности работы облучательных установок в защищенном
грунте.
6. Разработать и доказать адекватность математической модели прогнозирования и коррекции температурного поля в сооружении защищенного грунта,
описывающей изменение температуры и микроклимата в зависимости от
внешних условий окружающей среды для адаптации работы электрооборудования в режиме энергосбережения.
7. Предложить алгоритм работы и программу управления электроприводом
энергосберегающего экрана, с учетом прогноза изменения параметров микроклимата в границах технологического диапазона их изменения в режиме
реального времени при изменении технологических задач с целью снижения
потребления тепловой энергии.
8. Определить экономическую эффективность предложенных усовершенствованных режимов работы существующего электрооборудования для систем
поддержания микроклимата в сооружениях защищенного грунта и автома4
тической стабилизации дозы облучения в облучательных установках для
предпосевной обработки семян ультрафиолетовым излучением.
Научная новизна:
1. Разработана методика расчета дозы ультрафиолетового облучения для
предпосевной обработки семян огурца с учетом коэффициента их формы,
повышающая точность определения дозы облучения и снижающая время
работы облучательных установок.
2. Функция стабилизации дозы облучения, основанная на работе программируемых логических контроллеров, позволяет обеспечивать заданную дозу
облучения весь период эксплуатации источника излучения.
3. Разработана методика расчета доз спектральных составляющих солнечного
излучения для искусственного облучения рассады огурца, позволяющая определить их экспозицию.
4. Разработана математическая модель прогнозирования и коррекции температурного поля, описывающая изменение температуры в рабочем объеме сооружения защищенного грунта в зависимости от внешних условий окружающей среды, позволяет оперативно управлять работой электропроводом
энергосберегающего экрана для поддержания требуемых параметров микроклимата.
5. Разработанные алгоритмы управления автоматизированными средствами
обеспечения микроклимата сооружений защищённого грунта, позволяют
снизить потребление энергоресурсов на 10% за счет работы электропривода
энергосберегающего экрана в режиме адаптации к изменяющимся внешним
условиям.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на полезную
модель №54714; патентом РФ на полезную модель № 127286; свидетельством о
государственной регистрации программы для ЭВМ №2012610650 «Программа
для систем автоматического регулирования температурного режима в теплице»
дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 10 января 2012
года; свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ
№2015661513 «Взаимосвязанное управление параметрами микроклимата защищенного грунта», дата государственной регистрации в Реестре программ для
ЭВМ 29 октября 2015 года; свидетельством о государственной регистрации
программы для ЭВМ №2017611784 «Распределение и регулирование концентрации углекислого газа в зависимости от других микроклиматических параметров в защищенном грунте», дата государственной регистрации в Реестре
программ для ЭВМ 09 февраля 2017 года.
Теоретическая и практическая значимость работы определяется следующими основными результатами:
1. Конструкция установки с системой автоматической стабилизацией дозы облучения семян огурца ультрафиолетовым излучением, в соответствии с разработанной методикой, позволяет проводить предпосевную обработку семян точно дозированным ультрафиолетовым излучением.
5
2. Определены дозы фотосинтетически активной радиации (ФАР) предпосевной обработки семян огурца ультрафиолетовым излучением, позволяющие
увеличивать продуктивность взрослых растений на 8%.
3. Алгоритм управления системой автоматической стабилизации дозы облучения овощных культур позволяет поддерживать необходимые дозы спектральных составляющих зоны ФАР и имитировать требуемый спектральной
состав излучения с использованием программного комплекса промышленной автоматизации «CoDeSys».
4. Программа для управления электроприводом энергосберегающего экрана
позволяет снизить потребление тепловой энергии для отопления сооружения защищенного грунта на 10% в зависимости от температуры наружного
воздуха и уровня естественной облученности.
5. Программа и алгоритм работы ПЛК, обеспечивающие повышение эффективности работы существующего электрооборудования для систем поддержания микроклимата в защищенном грунте, позволяющие повысить продуктивность растений и снизить расходы на энергоресурсы.
6. Результаты диссертационных исследований использованы в ряде хозяйств
Удмуртской Республики при проектировании системы управления микроклиматом в защищенном грунте, обеспечивающей повышение эффективности работы существующего электрооборудования, что подтверждается актами и протоколами испытаний.
7. Результаты научной работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВО
Ижевская ГСХА.
Методология и методы исследований базируются на системном подходе к объекту исследования в качестве целостного комплекса теоретических и
экспериментальных результатов, и заключается в применении математических,
физических, светотехнических, фотометрических, биометрических, статистических методов. Использовались методы математического моделирования с применением программного обеспечения MSExcel, MathCADPrime, CompasgraphicV16, программный комплекс промышленной автоматизацииCoDeSys, теоретические основы электротехники и электроники, методы программирования
логических контроллеров, методы прикладной экономики и современные измерительные приборы.
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработанные математическая модель и методика расчета дозы ультрафиолетового облучения семян для предпосевной обработки, влияющей на продуктивность огурца, позволяют определить наиболее эффективную дозу
8,67 кДж/м2 предпосевного облучения.
2. Предложенный способ предпосевной обработки семян огурца ультрафиолетовым излучением длиной волны 365 нм, позволяет повысить прибыль за
счет роста стоимости произведенной продукции в ценах ее реализации при
увеличении продуктивности.
3. Предложен новый метод управления режимом работы светодиодного облучателя, программируемым логическим контроллером, позволяющий сокра6
тить срок развития огурца и за счет этого снизить потребление электроэнергии на 12%.
4. Разработанный алгоритм работы программируемого логического контроллера для светодиодного облучателя рассады в защищенном грунте позволяет обеспечивать эффективный спектр излучения для снижения сроков вегетации рассады на 4 дня, и имитировать солнечное излучение в естественном
ареале происхождения огурца.
5. Разработанная математическая модель прогнозирования и коррекции температурного поля, учитывающая взаимное влияние естественного облучения на температурный режим в сооружении защищенного грунта, позволяет
снизить потребление энергоресурсов на 10% за счет энергосберегающего
режима работы электропривода затеняющего экрана.
Степень достоверности и апробация результатов. Результаты диссертационной работы доложены и одобрены на международных и зарубежных
конференциях: на научно-практической конференции аспирантов и докторантов Российского Государственного Аграрного Заочного Университета (1998
год), на XVIII и XIX научно-производственных конференциях Ижевской Государственной сельскохозяйственной академии (1998-1999), выставке «Ижевск –
город 2000»; «Инновации в образовании и науке», МГАУ 2009 год; «Обеспечение и рациональное использование энергетических и водных ресурсов в АПК»,
РГАЗУ 2009 год; Конференции молодых ученых ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА,
2008-2009 г.г.; Всероссийская научно-практическая конференции, посвященная
35-летию факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства
«Инновационные электротехнологии и электрооборудование – предприятиям
АПК» г. Ижевск ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА» 2012 год; 8-я Международная
научно-техническая конференция «Энергосберегающие технологии в растениеводстве и мобильной энергетике» г. Москва, (ГНУ ВИЭСХ). 2012 год; Международная научно-практическая конференция, посвященная 70-летию ФГБОУ
ВПО Ижевская ГСХА «Научное обеспечение АПК. Итоги и перспективы» г.
Ижевск ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА» 2013 год; 9-я Международная научнотехническая конференция, посвященная 85-летию академика И.Ф. Бородина
«Энергообеспечение и энергосбережение в с.-х.» 21-22 мая 2014 года, г. Москва, ГНУ ВИЭСХ; Science, Technology and Higher Education: materials of the V International research and practice conference Westwood, June 20th, 2014/Canada; 6-я
Международная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Инновации в сельском хозяйстве» г. Москва, ФГБНУ ВИЭСХ, декабрь
2015 года; Научно-практический семинар «Энергоресурсосбережение в промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и агропромышленном комплексе», март 2016 год; Всероссийская научно-практическая конференция «Научное и кадровое обеспечение АПК для продовольственного импортозамещения» Ижевск, 16-19 февраля 2016 год.
Реализация результатов исследований. Результаты работы прошли
производственные испытания и внедрены на следующих предприятиях:
7
1. ОАО «Тепличный комбинат «Завьяловский» Удмуртской Республики (алгоритм управления работой электрооборудования для поддержания температурного режима).
2. ООО «Цветочная компания «Лилия» Удмуртской Республики (программа
для логических контроллеров, управляющих температурным режимом с
учетом влияния внешней среды).
3. ООО «Декоративно-цветочный комбинат» Удмуртской Республики (алгоритм управления и программа для энергоэффективного режима работы
электрооборудованием в условиях защищенного грунта);
4. ФГБОУ ВО «Ижевская ГСХА» (в учебном процессе для студентов).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 73 печатных работах, 12 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента на полезную модель, 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ и 5 работ опубликованы в зарубежных изданиях, 2 учебника и
4 учебных пособия.
Структура и объем диссертации. Основной текст диссертации изложен
на 332 страницах машинописного текста, содержит 227 наименования в списке
литературы из них 6 на иностранных языках, 12 приложений, 131 рисунок, 32
таблицы и 100 формул. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, поставлены цели и задачи исследования. Приведены положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматриваются общие сведения по анализу проблематики применения электротехнологий при производстве огурца в условиях сооружений защищенного грунта. Проведен анализ электрооборудования, обеспечивающего основные этапы производства огурца: предпосевная обработка
семян, выращивание рассады и взрослых растений. Дан анализ существующих
способов предпосевной обработки семян огурца и обосновано применение для
этих целей ультрафиолетовых источников искусственного излучения (ИИИ).
Проведен анализ работ, посвященных влиянию светового режима на огурец. На
основании, которого сделан вывод, что у растений имеются системы фоторецепторов, обеспечивающие поглощение энергии по всей области фотосинтетически активной радиации – части оптического диапазона с длиной волны
380…740 нм. Анализ этих работ показал, что все растения имеют генетическую
память, и максимальная урожайность овощных культур в защищенном грунте
может быть достигнута при условии приближенного к естественному микроклимату исторической родины произрастания растений. Следовательно, основная цель любой системы электрооборудования в сооружениях защищенного
грунта – обеспечение микроклимата и светового режима, наиболее приближенного к естественным условиям с соблюдением агротехнологических требований. Таким образом, для производства продукции огурца система электрооборудования должна обеспечивать условия близкие к ареалу естественного про8
исхождения. Поэтому повышение эффективности работы электрооборудования
для поддержания микроклимата и светового режима в сооружениях защищенного грунта является актуальной задачей.
В существующих сооружениях защищенного грунта основной элемент,
оказывающий влияние на температурный и световой режим – это электропривод затеняющего экрана, используемый в настоящее время только в летний период для снижения уровня естественной облученности.
Мы предлагаем этому элементу выполнять энергосберегающую функцию
в зимний период. При определенных условиях окружающей среды программируемый логический контроллер (ПЛК), являющийся управляющим устройством в электроприводе затеняющего экрана подает команду на закрытие экрана
и уменьшает объем сооружения защищенного грунта, следовательно, снижается нагрузка на систему отопления (рисунок 1).
Рисунок 1 – Структурная схема, поясняющая энергосберегающие мероприятия в сооружении
защищенного грунта
Например, при значительном снижении температуры окружающей среды
температура в сооружении защищенного грунта снижается ниже 23°С, ПЛК
подает команду «закрыть экран». Благодаря этому температура поднимается до
требуемого значения: 25°С (рисунок 2). После закрытия энергосберегающего
экрана температура повышается до 25°С и
ПЛК, получая данные температурных датчиков, установленных в рабочем объеме сооружения защищенного грунта, подает команду на снижение скорости вращения циркуляционных насосов в контурах обогрева,
что приводит к снижению расхода теплоносителя и, соответственно, уменьшению энергозатрат.
Таким образом, в диссертации решена
Рисунок 2 – Энергосберегающий
проблема научного обоснования техничеэффект в сооружениях
ских решений регулирования микроклимата
защищенного грунта
в соответствии с агротехнологическими требованиями, а также стабилизации дозы облучения, как при предпосевной обработке, так и при облучении рассады овощных культур, способствующих увеличению выхода продукции и снижению затрат. Это имеет важное социальноэкономическое, культурное и хозяйственное значение, т.к. вносит вклад в обеспечение продовольственной безопасности.
Во второй главе представлена теория расчета дозы предпосевной обработки семян ультрафиолетовым излучением (УФИ), теоретическое обоснование
энергоэффективных режимов облучения рассады и разработана математическая
9
модель прогнозирования температурного поля сооружения защищенного грунта с учетом взаимного влияния параметров микроклимата.
Основными этапами полного цикла производства продукции защищенного грунта являются: производство собственных семян, сокращение сроков выращивания качественной рассады и обеспечение параметров микроклимата в
строгом соответствии с агротехнологическими требованиями жизнедеятельности плодоносящих овощных культур, представлены рисунке 3.
Рисунок 3 – Этапы производства продукции и электротехнологии, повышающие их эффективность на объектах защищенного грунта
В работах многих ученых отмечено, что имеют место значительные перспективы в дальнейшем повышении эффективности теоретического обоснования доз облучения как при предпосевной обработке семян ультрафиолетовым
излучением, так и для снижения сроков вегетации рассадной продукции, а также в регулировании параметров микроклимата, основным из которых является
температурный режим в сооружениях защищенного грунта.
Для расчета дозы облучения необходимо определить время, tобл, с, которое складывается из двух составляющих: времени передвижения, tпер, с, и времени выдержки, tвыд, с, семян под источником излучения.
(1)
обл = пер + выд .
2
Время облучения является определяющим фактором для дозы, Дж/м , которую получат семена за один цикл работы установки. Следовательно, дозу облучения, Нобл, можно определить по формуле:
(2)
обл = пер + выд ,
где Нвыд – доза, которую семена получат за tвыд; Нпер – доза за tпер.
Согласно основному закону светотехники, облученность, Е, Вт/м2, от источника в любой точке облучаемой плоской поверхности определяется:
=
∙
,
(3)
где I - сила излучения на плоскости под углом  от нормали, Вт;  - угол между нормалью к плоскости и расстоянием R; h – расстояние между источником
искусственного излучения ИИИ и плоскостью облучения по нормали, м.
10
Семена не имеют правильной геометрической формы, однако, многие из
них близки по форме к эллипсоиду (рисунок 4). Так, семена огурца можно принять за вытянутый эллипсоид, который
вращается вокруг большей оси. Таким
образом, целесообразно для определения
облученности семян и расчете дозы облучения при предпосевной обработке
учитывать коэффициент формы – kф.
Проведя ряд математических преРисунок 4 – К расчету облученности
образований, получим формулу для опсемян эллипсоидной формы
ределения коэффициента формы:
∩
= +
,
(4)
ф =
где
=
1−
– выражение эксцентриситета эллипса; а и b – оси эллипсоида.
Учитывая данные экспериментов коэффициент формы для семян огурца,
в среднем, составит kф=0,585. В настоящее время в сооружениях защищенного
грунта применяют установки для предпосевной обработки семян передвижного
типа (рисунок 5), т.е. с функцией дискретного перемещения. Следовательно, для определения дозы облучения, Нобл, необходимо определить две ее составляющие: дозу облучения за время выдержки семян под
ИИИ в стационарном положении транспортера и дозу за время перемещения семян под ИИИ. Вторую составляющую,
Нвыд, Дж/м2, выражения (2) определяют:
∙ выд ,
(5)
выд =
где Е – облученность под ИИИ, Вт/м2;
tвыд – время выдержки семян под ИИИ, с.
учитывая, что Дж = Вт∙с, дальнейшие выРисунок 5 – Установка для
числения дозы облучения целесообразно
предпосевной обработки семян
представить в следующей единице измерения, Дж/м2. Полный расчет дозы во время
передвижения семян под ИИИ представлен в диссертации, и результат представим в виде:
∙ ф∙
∙
,
(6)
пер =
∙
где L – половина длины зоны облучения на транспортере, м; v – скорость перемещения семян под ИИИ, м/с.
Таким образом, окончательный вид формулы расчета дозы облучения,
Нобл, Дж/м2, в установке для предпосевной обработки семян с функцией дискретного перемещения семян под ИИИ ультрафиолетового излучения:
11
∙
ф∙
= ∙ выд +
∙
.
(7)
∙
Это выражение может быть использовано для расчета дозы облучения
при проведении предпосевной обработки семян. Очевидно, что регулировка дозы будет осуществляться изменением времени выдержки семян под ИИИ и
мощности источника УФИ. Также эту зависимость можно записать в программируемый логический контроллер (ПЛК) для дальнейшей технической реализации системы автоматической стабилизации дозы облучения.
Как показывают исследования биологов, растения сохраняют те биологические свойства, которые они приобрели в местах своего первоначального произрастания и возделывания. Поэтому для получения возможно большей продуктивности овощных культур, необходимо иметь четкие представления о том
из какой части земного шара происходит то или иное растение для того, чтобы
создать условия близкие к исторической родине культуры.
Учение о центрах происхождения культурных растений сформировалось
на основе идей Ч. Дарвина («Происхождение видов», гл. 12, 1859). В 1883 А.
Декандоль опубликовал труд, в котором установил географические области начального происхождения основных культурных растений. Наиболее планомерно эту проблему разрабатывал в 1926-1939 г.г. Н.И. Вавилов, который на основании материалов о мировых растительных ресурсах выделял 7 основных географических центров происхождения растений. Анализ этих трудов показывает, что ареалом естественного происхождения овощных культур, возделываемых в настоящий момент в сооружениях защищенного грунта, является Андийский центр.
Поэтому для получения высокой продуктивности растений необходимо
смоделировать спектральный состав той местности земного шара, где первоначально произрастало растение, т.к. растения являются аккумулятивным биологическим объектом, т.е. его развитие связно с дозой облучения.
Дозу облучения в ареале естественного происхождения культурных растений, Н, Дж/м2, можно определить по выражению:
=
+
.
(8)
…
…
Изменения доз спектральных составляющих для ареала естественного
происхождения культурных растений в диапазоне УФИ и части фиолетового
диапазона в пределах длин волн 360…460 нм, Н360…460, Дж/м2, с удовлетворительной точностью можно смоделировать S-образной кривой по методике профессора Зайцева Г.Н., уравнение которой имеет вид:
=
+ ,
(9)
…
∙
где а0 – нижняя асимптота, т. е. предел, с которого начинается рост функции;
а1 – расстояние между верхней и нижней асимптотами (рисунок 6); λ – длина
волны в диапазоне от 360 до 460, нм; β, γ – параметры уравнения, наклон и изгиб S-образной кривой.
обл
12
●красное излучение; ● желтое излучение; ● зеленое излучение;
● синее излучение; ● фиолетовое излучение; ● УФИ
Рисунок 6 – Зависимость дозы облучения в ареале естественного происхождения культурных
растений от угла расположения солнца над горизонтом
Затем мы провели расчеты по определению высоты солнцестояния и изменению продолжительности дня для широты ареала естественного происхождения культурных растений и определили скорость движения Солнца. Откуда
видно, что в Южной Америке скорость движения солнца постоянна и находится в пределах 5,97…6,69 градусов в час. Следовательно, естественные световые
условия в ареале естественного происхождения овощных культур можно рассматривать как фитотрон. Далее мы определили экспозиции для каждой спектральной составляющей солнечного излучения для дальнейшего расчета доз.
Результаты сведены в таблицу 1.
Таблица 1 – Расчет средних значений экспозиций и спектральных составляющих солнечного
излучения в ареале естественного происхождения культурных растений
Угол,
град
0,5
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Продолжительность
воздействия излучения (экспозиция) для
определения
дозы, мин
4,74
42,65
47,39
94,79
94,79
94,79
94,79
94,79
94,79
94,79
80,00
Вид излучения
УФИ
295…400
нм
0,00
0,40
1,00
2,00
2,70
2,90
3,20
3,73
4,13
428,12
313,33
Фиолетовое
400…440
нм
0,00
0,60
1,50
2,60
3,80
4,20
4,50
4,92
5,12
503,17
360,00
13
Синее
440…490
нм
Зеленое
490…565
нм
Желтое
565…59
5 нм
Красное
595…760
нм
0,00
2,10
4,60
7,10
7,80
7,90
8,20
8,32
8,61
827,03
600,00
1,70
2,70
5,90
8,30
8,80
9,00
9,10
9,20
9,20
872,05
636,00
4,10
8,00
10,00
10,20
9,80
9,80
9,80
9,91
10,01
957,36
727,99
25,40
25,20
19,70
14,50
13,50
12,80
12,20
12,09
11,97
1098,75
1105,32
Далее используя выражение (5) можно определить дозы для каждой спектральной составляющей солнечного излучения в зависимости от угла расположения солнца над горизонтом. Результаты представлены на рисунке 6.
Для определения первого слагаемого в выражении (8) необходимо определить параметры уравнения, β и γ, определяющие наклон и изгиб S-образной
кривой. Это возможно решив систему уравнений:
∙ + ∙∑ = ∑ ;
,
(10)
∙∑ + ∙∑ = ∑ ∙ ;
где N – число точек эмпирической линии регрессии, по которым вычислялось
уравнение регрессии; z=lg(a1/γ-1).
Из первого уравнения системы (10) находим:
∑
∙∑
=
.
Из второго определим:
∑( ∙ ) ∙∑
=
.
∑
Следовательно, дозу излучения в диапазоне длин волн от 360 до 460 нм,
Н360…460, Дж/м2, в ареале естественного происхождения культурных растений
определим:
,
=∫
.
(11)
…
,
,
∙
В диапазоне длин волн от 460 до 760 нм, т.е. в диапазоне длин волн видимого излучения в ареале естественного происхождения культурных растений
изменение значений доз за год описывается полиномом второго порядка:
= −0,0002 ∙ + 0,8357 ∙ − 77,256
…
при коэффициенте детерминации R² = 0,9984.
Проведя интегрирование по длине волны, получим выражение для определения дозы в диапазоне длин волн от 460 до 760 нм, Н460…760, Дж/м2.
= ∫ (−0,0002 ∙ + 0,8357 ∙ − 77,256) .
(12)
…
Подставив выражения (11) и (12) в формулу (8) получим окончательное
выражение дозы, Н, Дж/м2, облучения культурных растений в ареале естественного происхождения огурца:
=
271,11
,
1 + 10 ,
∙
+
(−0,0002 ∙
+ 0,8357 ∙ − 77,256)
.
На сегодняшний день ни один известный ИИИ не способен имитировать
спектральный состав солнечного излучения и дозы. Поэтому мы разработали
систему автоматической стабилизации дозы облучения для светодиодного
ИИИ, имитирующего различные части спектральных составляющих солнечного
излучения. Результаты расчета доз для ареала естественного происхождения
культурных растений также возможно использовать для программирования
микроконтроллера, управляющего работой светодиодного ИИИ для повышения
продуктивности овощных культур.
14
Исследование изменения температуры в рабочем объеме защищенного
грунта позволит выбрать наиболее подходящие устройства регулирования температурного режима для огурца с целью повышения его продуктивности.
Анализ литературы, посвященный математическому моделированию
температурных полей в ЗГ можно сделать следующие выводы. Несмотря на то,
что современные теплицы полностью автоматизированы, используемые в них
математические модели изменения температуры не учитывают с достаточной
точностью следующие параметры: форму сооружений защищенного грунта;
лучистый теплообмен; инфильтрацию наружного воздуха; испарение влаги;
парниковый эффект от солнечного излучения.
Современные сооружения защищенного грунта представляют тела конечных размеров правильной геометрической формы, образованных путем взаимного пересечения неограниченных
пластин (рисунок 7).
Не отступая от классических принципов математического моделирования
для описания температурного поля в рабочем объеме сооружений защищенного
грунта, примем следующие допущения.
Поверхность почвы идеально ровная,
имеет во всех точках одинаковую темпе- Рисунок 7 – Сооружение защищенного
грунта в виде тела конечных размеров
ратуру, тепловой поток направлен только
от почвы в воздушное пространство сооружения. Следовательно, поверхность почвы можно принять за изотермическую плоскость. Боковые ограждающие конструкции имеют однослойную
структуру с идеальной тепловой изоляцией. Боковой и шатровый обогрев не
влияют на температурное поле в теплице. Траектория движения тепловых потоков воздушных масс в поперечном сечении сооружения защищенного грунта
близка к эллиптической форме. Движение тепловых масс среды по эллиптическим траекториям не зависит от внешних воздействий. Рабочий объем сооружения защищенного грунта представим как пространство, ограниченное по бокам плоскостями, а сверху цилиндром. Это наиболее близкая геометрическая
фигура подобная форме теплицы.
Если учесть, что в большинстве современных теплиц конек отделен от
основного объема механизмом зашторивания с целью снижения тепловых потерь в зимний период и защиты биологических объектов от чрезвычайно сильного солнечного излучения в летний период, то теплица – это параллелепипед
конечных геометрических размеров по осям декартовых координат, x, y, z.
Если тело образовано пересечением двух плоских пластин, имеющих
толщину, 2x, в плоскости x и, 2y, в плоскости y, то поле температур равно:
 =   .
(13)
Соответственно для параллелепипеда:
15
 =    .
(14)
Известно, что охлаждение оказывает на температурное поле существенное влияние и, следовательно, температурное поле под коньком теплицы ограничивается усеченным полуцилиндром.
Таким образом, температурное поле в защищенном грунте можно описать
как пересечение двух неограниченных пластин по осям x и y, а по оси z цилиндром. Необходимо, также, учесть, что теплица находится в условиях охлаждения, т.е. tнв<tд. На основании этого, формула (14) может быть преобразована:
( , )
( , )
( , )
 =    = д
∙ д
∙ д
,
(15)
д
нв
д
нв
д
нв
где tнв – температура наружного воздуха, т.е. окружающей среды, °С; tд – температура воздуха в теплице, °С, в момент времени τ=0, которая может быть измерена датчиком, установленным в геометрическом центре теплицы.
Таким образом, для определения общего температурного поля в защищенном грунте нам необходимо определить температурные поля по каждой
оси. Описать температурные поля по осям x и y можно аналогично, т.е. как в
неограниченных пластинах, а по оси z цилиндром.
Одномерное температурное поле в неограниченной плоской пластине,
находящейся в условиях охлаждения можно определить, используя дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности, которое имеет вид:
=
∙
+
∙
,
(16)
где av – коэффициент температуропроводности, м2/с; t –температура, °С; x – координата, м; QV – объемная плотность источников теплоты, Вт/м3; с – теплоемкость, Дж/(кг°С);  – плотность, кг/м3.
Решение уравнения (16) в учебниках по теплотехнике приводится методами математической физики. Наиболее простой способ решения этого уравнения – случай одномерной нестационарной теплопроводности без внутренних
источников теплоты, следовательно, выражение (16) преобразуем в:
=
∙
.
(17)
Для решения уравнения (17) используют метод разделения переменных.
В этом случае, температуру, t, представляют в виде произведения двух функций: t=L*∙T*, где L*=f(x) зависит только от x, а T*=f(τ) зависит только от τ.
Следовательно:
∗
∗
= ∗∙ ;
= ∗∙ ;
= ∗∙
Подставляя эти значения в выражение (17) получим:
Т∗
∗
.
∗
∙
= ∗∙
.
(18)
а∙Т
Левая часть уравнения (18) является функцией времени τ, а правая –
функцией геометрического размера по оси x. Эти функции могут быть равны
лишь в том случае, когда они являются постоянной величиной. Так как τ и x независимые аргументы, равенства быть не может:
∗
∗ ∙
а∙Т
Т∗
≠
16
∙
∗
∗
.
(19)
Обозначим левую и правую части неравенства (19) как –β2, получим:
а∙Т
∙
∗
Т∗
=−
∗
∙
∗
;
=−
.
(20)
Левая часть неравенства (19) примет вид:Т∗ = А ∙ а∙ ∙ .
Так как теплица постоянно находится в условиях охлаждения, то знак
минус у величины β2 соответствует этим условиям.
Решение правой части неравенства (19) возможно, если по оси x теплица
ограничена неограниченной плоской пластиной, имеющей начальную температуру tд и помещенную в момент времени τ=0 в среду с температурой tнв:
∗
= ∙
+ ∙
.
(21)
На границах пластины происходит теплообмен по закону Ньютона. Так
как задача симметрична, то примем толщину пластины 2δ и поместим ось х в
центре пластины. В силу симметричности функции cos запишем выражение
(21) в виде L*=Bcosβx и уравнение поля температур t=L*T*:
∙ ∙
( ).
= ∙
∙
(22)
∙
∙
Введем: = , = , = , получим:
( ∙ ∙ ),
= ∙ ( ∙ )∙ ∙
(23)
*
где величина β=μ может быть найдена из характеристического уравнения:
∗
ctg ∗ = .
(24)
Уравнение (24) решается графическим путем, и имеет бесчисленное множество корней ∗ и приводится в нескольких изданиях, посвященных теоретической теплотехнике и математике.
Сумма частных решений дает общее в следующем виде:
 =
( , )
д
д
∞
∙ cos μ∗ ∙ x ∙ e
=
μ∗ ∙
.
(25)
нв
Значения постоянных Ci определяют из начальных условий (τ=0; tд=t0):
∗
∙
С = ( нв − ) ∙ ∗
(26)
∗
∗.
∙
Подставляя значения постоянных Ci в уравнение (25), можем получить
окончательное выражение для поля температур по оси х:
 =
( , )
д
д
∞
∗
∙
=
∗
нв
(
∙
∗
∙
∗
∙ )
∗
∗
∙e
∙
,
(27)
Будет целесообразно теплицу в сечении по оси х представить, как неограниченную пластину с граничными условиями третьего рода.
Ряд, для определения температурного поля по оси х, является сходящимся. Это значит, что с определенного значения
≥ 0,3 все последующие члены
ряда по сравнению с первым ничтожно малы. Следовательно, при
≥ 0,3
можно ограничиться только первым членом ряда, тогда мы получим:
 =
( , )
д
д
нв
=
μ∗ ∙
∙
μ∗
μ∗ ∙
μ∗ ∙
μ∗
∙e
μ∗ ∙
.
(28)
В любой точке теплицы по оси х, температура зависит только от выражений, принятым выше, Bi и F0.
17
Поскольку, внутреннее термическое сопротивление теплицы по сравнению с внешним термическим сопротивлением окружающей среды велико, т.е.
→ ∞, то в этой задаче, граничные условия третьего рода переходят в граничные условия первого рода. При этих условиях ( → ∞ и ≥ 0,3) из уравнения
(28) получим ( ∗ = /2, cos ∗ = 0, sin ∗ = 1):
 =
( , )
д
д
π
= ∙ cos
∙x ∙e
π
нв
.
(29)
Проводя аналогичные вычисления, температурное поле в теплице по оси
y можно представить как:
 =
( ,τ)
д
д
= ∙ cos
π
∙y ∙e
.
(30)
нв
По оси z температурное поле можно описать аналогично процессам нагрева в половине цилиндра (рисунок 8), т.е. аналитическим выражением:
 =
( , )
д
д
=1−
нв
∙ ∙ ∙
∙
∙
∙
,
(31)
где а – коэффициент изобарной
температуропроводности,
для
воздуха составляет 18,88106,
м2/с; λw = 0,027, Вт/м∙°С – коэффициент теплопроводности воздуха;  – коэффициент конвективной отдачи для воздуха равен
500, Вт/м2∙°С; τ – текущий момент времени, с; r – радиус цилиндра, равный высоте z от поверхности земли до точки в которой необходимо определить
• экспериментальные значения;
▬ аппроксимирующая кривая
температуру, м.
Рисунок 8 – Сравнительный анализ теоретичеНеобходимо учитывать обских
и экспериментальных значений температустоятельство, что ширина и длиры
на теплицы в несколько раз
больше высоты сооружения защищенного грунта, т.е. ≫ или  ≫ . Поэтому, считаем, что в выражение (31) необходимо внести геометрический коэффициент сооружения защищенного грунта kг. который, по сути, является коэффициентом сжатия, вписанного в поперечное сечение теплицы половины эллипса.
Следовательно, kг=2∙z/l.
Далее можно от безразмерных величин температурного поля перейти к
конкретным значениям температуры в какой-либо точке рабочего объема защищенного грунта.
Учитывая, что  =    , получим:
. (32)
18
Используя ряд математических преобразований и переводя относительные величины = и = в действительные из выражения (32) получим:
, (33)
где l, , z – длина, ширина и высота теплицы соответственно, м.
Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных (рисунок 8) позволил сделать вывод, что разработанная математическая модель
прогнозирования температурного поля в рабочем объеме защищенного грунта,
позволяет с достаточной точностью определять температуру в любой точке сооружения защищенного грунта.
Используя модель, представленную выражением (33), система управления позволяет учитывать температуру в любой точке рабочего объема защищенного грунта, получая данные с датчиков температуры, установленных в окружающей среде и в геометрическом центре теплицы, tд. Электрооборудование
способно работать во взаимосвязанном режиме с учетом облученности овощных культур и других параметров микроклимата в теплице. При этом оно работает в режиме энергосбережения, закрывая экран зашторивания.
В третьей главе проведены экспериментальные исследования энергоэффективных режимов облучательных установок УФИ для предпосевной обработки, спектрального режима облучения огурца, и исследования взаимного
влияния параметров микроклимата в сооружениях защищенного грунта.
В установках для предпосевной обработки семян УФИ в
качестве ИИИ можно выбрать
лампу марки ДРТ-400. Данное
устройство обладает большим
сроком службы по сравнению с
лампами этого типа другой
мощности, имеют небольшие габаритные размеры. Их использование в совокупности со светофильтром марки УФС-3 позволяет получить на рабочей поверхности в зоне облучения мягкое УФИ зоны «А» длиной волны 365 нм (рисунок 9).
Использование одной лампы ДРТ-400 в качестве источни‫ ׀‬новая лампа; ‫ ׀‬старая лампа;
ка УФИ достаточно и позволяет
•••• кривая пропускания светофильтра УФС-3;
выполнить установку с произ⁃⁃⁃⁃ спектр чувствительности фотодатчика ФС-К2
Рисунок 9 – Состав спектра излучения лампы ДРТ водительностью (0,6 кг/час).
Такая производительность
установки позволяет обеспечить тепличный комбинат рабочей площадью около
19
10 га облученным семенным материалом в достаточном количестве.
Анализ расположения лампы и распределения силы ультрафиолетового излучения на поверхности транспортера (рисунок 10), показал, что
для получения более равномерного
распределения силы УФИ выгоднее
расположить лампу поперек транспортера.
Пространственное распределение силы излучения, Еα, Вт/м2,
Рисунок 10 – Распределение УФИ на поверхнодостаточно полно описывается кости
синусной зависимостью:
=
∙
.
(34).
Облученность под центром лампы при расположении её перпендикулярно
перемещению семян составляет Е0=78 Вт/м2. Используя формулу (34), а также
учитывая форму семян огурца, получим распределение облученности под лампой ДРТ-400, представленное на рисунке 11. Эта кривая принимает вид параболы с максимумом в точке А(10;45,6), уравнение которой в общей форме выглядит следующим образом:
( − ) = −2 ∙ ∙ ( − ),
(35)
где р – параметр параболы; а, b – коэффициенты параболы.
Если поставить координаты любой точки кривой, например, М(2,5; 41,7)
и координаты максимума в выражение (35), то получим уравнение, описывающее распределение облученности, E, Вт/м2, от расстояния, L, м:
= 30,93 + 111,11 ∙ − 555,5 ∙ .
(36)
Подставляя выражение (36) в:
(37)
пер = ∫ ∙
пер ,
где t – время перемещения на транспортере семян в зоне облучения, равное отношению длины зоны облучения 2L к скорости перемещения v,
получим выражение (38) для нахождения дозы, Нпер, Дж/м2, получаемой
семенами за время перемещения в зоне облучения. Интегрируя по частям
это выражение, получим значение дозы перемещения, равное 8674,5
Дж/м2.
Рисунок 11 – Распределение облученности под лампой ДРТ-400
Нпер =
∙
ф
,
∫ (30,93 + 111,11 ∙ − 555,5 ∙
20
)∙
.
(38)
Сравнительный анализ доз облучения, проведенный разными способами
расчета в диссертации, показал, что ошибка при расчетах различными методиками незначительна и составляет 2,3%, что меньше 5% и вполне приемлемо.
Следовательно, предлагаемый нами способ расчета верен, может быть использован для программирования логических контроллеров и его целесообразно использовать для расчетов дозы облучения, т.к. он основан на математической
интерпретации кривой силы УФИ под источником излучения. Это позволяет
говорить о его точности по сравнению с другими способами. Используя этот
способ можно точно определить время выдержки семян под источником излучения, т.е. экспозиции облучения.
Таким образом, используя выражение (3) для определения облученности
овощных культур под ИИИ и учитывая, что tвыд = Нвыд/Е, получим время для
различных доз облучения. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.
Таблица 2 – Время и дозы облучения
Время облучения, сек.
Доза облучения, кДж/м2
0
0
88,5
4,0
132
6,0
176
8,64
220
10,0
Для повышения продуктивности овощных культур при выращивании рассады в сооружениях защищенного грунта в средней широте России необходимо
использовать такие облучательные установки, которые воспроизводят спектральный состав солнечного излучения ареала естественного происхождения
культурных растений. Мы провели расчеты продолжительности дня и угла
солнцестояния в средней широте России и Южной Америке (рисунок 12).
а)
б)
Рисунок 12 – Продолжительность дня (а) и угол солнцестояния (б)
Анализ периодов вегетации растений в этих двух регионах показал, что
на исторической родине огурца продолжительность дня меняется не значительно по сравнению со средней широтой России. Аналогичный вывод можно сделать по углу солнцестояния. В Южной Америке – это постоянная величина –
около 80 градусов, а в России варьирует от 40 до 70 градусов за период вегетации растений (рисунок 12).
В работах профессора Клешнина А.Ф. отмечается, что спектр зависит от
угла расположения солнца над горизонтом, т.е. от угла между экватором и во21
ображаемой линией, соединяющей
центры Земли и Солнца. Анализ его
работ позволил определить спектральный состав солнечного излучения, который необходимо воспроизводить с помощью ИИИ в сооружениях защищенного грунта
(рисунок 13).
Спектральный состав солнечного излучения во многом зависит от высоты стояния солнца над
●красное излучение; ● желтое излучение;
горизонтом. Если солнце находится
● зеленое излучение; ● синее излучение;
низко (летом в начале и конце дня, а
● фиолетовое излучение; ●УФИ
Рисунок 13 – Состав солнечного излучения в
зимой весь день), то в его излучении
ареале естественного происхождения огурца
преобладает инфракрасное и красное. При этом синее, фиолетовое и
ультрафиолетовое излучения практически отсутствуют. Большое значение для
растений также имеет продолжительность светлого периода суток – фотопериодизм. Астрономическая длина дня в экваториальном и субэкваториальном
поясах на протяжении почти всего года не меняется и составляет примерно 12
часов. В умеренном климате России длина дня колеблется от 10 до 16 ч. Очевидно, что имитацию подобного спектрального состава солнечного излучения с
вариацией времени работы, т.е. экспозиции, возможно осуществить применением светодиодного светильника, управляемого программируемого логического контроллера, в котором реализована программа автоматической стабилизации дозы облучения.
В условиях защищенного грунта присутствует влияние естественного
солнечного излучения на температурный режим. Математическая обработка
экспериментальных данных усредненных значений естественной освещенности
и температуры в теплицах показала результат, представленный на рисунке 14.
Аналогичным образом были получены зависимости взаимного влияния микроклиматических факторов в условиях ЗГ. Анализ показывает, что при повышении естественной освещенности в условиях защищенного грунта, не смотря на
возмущающие воздействия окружающей среды, повышается температура.
Аналогично: при повышении температуры, как и в естественных условиях,
снижается влажность. Таким образом,
освещенность влияет как на температуру, так и на влажность воздуха в
сооружениях защищенного грунта.
Рисунок 14 – Динамика освещенности и
Анализ изменения температуры в
температуры
поперечном сечении теплицы во всех
22
исследуемых объектах защищенного грунта показал, что температура под
коньком теплицы может быть описано полиноминальной функцией 2-го порядка с экстремумом, т.е. параболической кривой. Таким образом, температурное
поле в теплице можно описать телом вращения полиноминальной кривой второго порядка – эллипсоидом, вписанным в геометрические размеры объекта
защищенного грунта, т.е. параллелепипеда. Повышение порядка функции не
принесло повышения достоверности аппроксимации. Это подтверждают и изотермические кривые, полученные нами при исследовании, имеющие выпуклообразный характер.
На основании результатов собственных экспериментальных исследований, изложенных в настоящей главе, можно сделать следующие выводы. Определяющим микроклиматическим фактором является естественная освещенность. В современных условиях ЗГ регулирование верхнего предела уровня естественной освещенности не представляется возможным, но, как правило, находится в пределах 50 клк в средней широте РФ. Температура зависит от уровня естественной освещенности. Температурное поле в теплице представляет
собой эллипсоид, образованный вращением изотермических кривых, которые
имеют достоверность аппроксимации R2=0,96, и описываются полиноминальными функциями второго порядка. Влажность косвенно зависит от естественной освещенности: при повышении освещенности повышается температура и,
как следствие, снижается влажность. Влажность и температура хорошо регулируются современными средствами автоматизации в условиях защищенного
грунта. Концентрация СО2 в воздухе зависит от освещенности и косвенно от
температуры. При повышении освещенности концентрация СО2 снижается, поэтому для получения высоких урожаев концентрацию СО2 в условиях защищенного грунта необходимо искусственно поддерживать в пределах 0,007ppm. Алгоритмы управления взаимосвязанных электротехнологий и микроклиматом в
теплицах должны учитывать взаимное влияние параметров микроклимата друг
на друга и оперативно реагировать на их изменение, что позволит сократить затраты энергоресурсов.
В четвертой главе представлена техническая реализация системы автоматической стабилизации дозы облучения в энергоэффективных режимах и
системы электрооборудования для поддержания обоснованных параметров
микроклимата в защищенном грунте с учетом их взаимного влияния.
Нами доказано, что существует необходимость модернизации программ и
алгоритмов работы исполнительных механизмов (ИМ) электрооборудования
для обеспечения энергоэффективных режимов облучения овощных культур и
параметров микроклимата защищенного грунта в краевых зонах в соответствии
с агротехнологическими требованиями для культивируемых растений.
С точки зрения энергопотребления, в качестве источников УФИ целесообразно применять светодиоды в установках подвижного типа с функцией дискретного перемещения семян для их обработки (рисунок 15). Это позволит
уменьшить габаритные размеры установки, обеспечить агротехнические требования, а, именно, создать равномерную облученность на рабочей поверхности
23
транспортера и обеспечить типовой тепличный комбинат необходимым объемом семян огурца.
Результаты наших экспериментов по влияния ПО семян огурца УФИ в установках такого типа
показали положительные результаты, подтвержденные актами о внедрении. Облучение семян огурца
источником УФИ лампой ДРТ-400
при экспозиции 176 секунд реализует дозу облучения УФИ 0,8
кДж/м2, позволяет увеличить выход
готовой продукции на 8…10%. В Рисунок 15 – Габариты установки для ПО УФИ
целях
снижения
потребления
со светодиодными источниками излучения
энергии нами проведены расчеты с
применением
в
качестве
источника
УФИ
светодиоды
марки
UVTOP355TO18FW, которые генерируют УФИ в диапазоне длин волн
350…370 нм (рисунок 16, а) и имеют максимальный угол рассеивания 1200 (рисунок 16, б).
а)
б)
Рисунок 16 – Спектральная характеристика а) и кривая силы излучения б) светодиода марки
UVTOP355TO18FW
Применение светодиодных источников марки UVTOP355TO18FW в качестве источников УФИ в установках для предпосевной обработки семян по
сравнению с дуговой разрядной лампой марки ДРТ-400 имеет ряд преимуществ: пониженное энергопотребление и меньшие габаритные размеры. Это
обеспечивается за счет снижения высоты подвеса ИИИ и отсутствия пускорегулирующего устройства у светодиодов. Кроме того, срок службы светодиодных источников УФИ намного выше, чем у лампы ДРТ-400. Недостатком является то, что большое количество светодиодов марки UVTOP355TO18FW вызывает нагрев и изменение их спектральных характеристик.
Это отрицательно влияет на обеспечение требуемой дозы облучения семян овощных культур. Изменение дозы приведет к снижению результатов по
всхожести и продуктивности растений. Изменение светового потока в лампах
24
ДРТ-400 связано с временем работы, скачками напряжения в питающей сети,
старением колбы лампы и изменением концентрации паров ртути в ней (рисунок 17 а). У светодиодных источников УФИ марки UVTOP355TO18FW непосредственно в технических характеристиках представлена зависимость силы
излучения от температуры (рисунок 17 б). Из него видно, что при повышении
температуры сила УФИ под светодиодным источником значительно снижается.
а)
б)
Рисунок 17 – Изменение силы излучения источников УФИ от разных факторов
Одноконтурная структура регулирования дозы облучения (рисунок 18 а),
используемая, в разных регуляторах, может быть преобразована в n-контурную,
в зависимости от конкретного числа спектральных составов светодиодов, которые необходимо контролировать (рисунок 18 б).
а)
б)
ЗУ – задающее устройство; УУ – устройство управления;
ОР1, ОР2, … ОРn – объекты регулирования; Д1, Д2, … Дn – датчики облученности.
Рисунок 18 – Структуры регулирования дозы облучения
Определение дозы облучения, как для семян овощных культур в облучательных установках для предпосевной обработки, так и их самих в сооружениях защищенного грунта, с применением современных технологий, основанных
на ПЛК можно осуществлять в режиме реального времени.
В системе автоматической стабилизации дозы облучения микроконтроллер начинает обзор данных с датчиков, которые реагируют на различную длину
излучения зоны фотосинтетически активной радиации. При включении доза
25
облучения не будет превышать заданного значения, Hзад. Далее микроконтроллер подает команду на включение ИИИ облучательной установки. Аналогично
проверяется последующее значение дозы при каждом опросе датчиков облученности, пока этот параметр не превысит, Hзад.
На основании математической модели прогнозирования и коррекции
температурного поля в теплице нами разработан алгоритм управления микроклиматом в сооружении защищенного грунта (рисунок 19).
Рисунок 19 – Алгоритм управления микроклимата в сооружении защищенного грунта
При вводе данных с датчиков освещенности, температуры наружного
воздуха и в сооружении защищенного грунта, влажности и концентрации СО2
микроконтроллер определяет значение параметров микроклимата. Затем в соответствии с агротехнологическими требованиями выдает управляющие воздействия на электрооборудование.
Для программирования микроконтроллера и реализации этого алгоритма
был применен язык программирования «Функциональных блоковых диаграмм»
(FBD). Основной задачей, предложенного в нашей работе алгоритма, является
26
реализация математической модели в программном комплексе CoDeSys, выражение (33). С помощью стандартных математических блоков в первой диалоговой строке программной среды переведем модель из математической формы в
язык FBD, воспринимаемый компьютером. Таким образом, микроконтроллер
может рассчитать температуру воздуха во всем рабочем объеме сооружения
защищенного грунта, получая данные с датчиков температуры.
В пятой главе проведен расчет экономии затрат на тепловую и электрическую энергию от применения ПО УФИ семян огурца за счет сокращения сроков созревания рассады составляет 486 697,18 рублей на одну типовую рассадную теплицу, площадью 0,9 га в ценах весны-лета 2017 года.
Затраты на ПО УФИ и разработанную нами установку существенно
меньше затрат на выращивание продукции и составляют 0,02% от себестоимости продукции. Дополнительный доход от ПО УФИ семян огурца на типовую
теплицу площадью 0,9 га составит 1650 кг или 91 575 рублей в ценах 2017 года.
Ожидаемый экономический эффект составляет около 133 тыс. руб. при сроке
окупаемости около 4 лет.
Производственные испытания показали, что внедрение микроконтроллера с усовершенствованным алгоритмом управления работой электропривода
энергетического экрана и электрооборудования для поддержания микроклимата
в сооружении защищенного грунта площадью 15000 м2 позволит снизить затраты на тепловую энергию на 10,62%. Следовательно, при капитальных затратах
в 84 213,79 рублей, экономия потребления тепловой энергии составит 2 540 538
рублей с сооружения защищенного грунта площадью 15 000м2. При этом окупаемость оборудования составит один год.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные выводы и результаты.
1. Анализ режимов работы электрооборудования при производстве огурца в
защищенном грунте показал, что существует возможность повышения его
продуктивности за счет проведения предпосевной обработки семян ультрафиолетовым излучением и сокращения сроков производства рассады при
имитации в облучателях доз спектральных составляющих ареала естественного происхождения растений посредством логических контроллеров.
2. Установлена достоверная зависимость продуктивности огурца от дозы
предпосевной обработки его семян ультрафиолетовым облучением, позволяющая определить, что дозой поглощённой энергии, повышающей продуктивность огурца является доза 8,67 кДж/м2, дальнейшее увеличение дозы не
целесообразно поскольку оказывает ингибирующее воздействие. Разработанную методику расчета дозы ультрафиолетового облучения для предпосевной обработки семян овощных культур с учетом коэффициента их формы рекомендуем использовать в системе автоматической стабилизации дозы в искусственных источниках ультрафиолетового излучения, что позволит
увеличить их срок службы в 2 раза.
3. Лабораторные исследования и испытания режимов работы в условиях защищенного грунта предпосевной обработки семян ультрафиолетовым излу27
4.
5.
6.
7.
8.
чением подтвердили гипотезу о возможности снижения расхода электропотребления и повышения продуктивности в период плодоношения огурца на
8% за счет увеличения завязей плодов. Предложенную конструкцию устройства для предпосевной обработки семян (по патенту РФ №54714) рекомендуем использовать в электротехнологиях, применяемых при производстве продукции огурца в защищенном грунте Удмуртской Республики.
Разработанная система управления автоматической стабилизацией дозы в
облучательных установках для рассады по патенту РФ № 127286 позволяет
имитировать спектральный состав облучателя схожий с солнечным излучением в ареале естественного происхождения огурца, что сокращает срок его
развития до появления первых плодов на 4 дня и снижает потребление электроэнергии на 12% за шесть месяцев производства.
Разработанный алгоритм работы логических контроллеров и программа автоматической стабилизации дозы спектральных составляющих облучения
обеспечивает принцип самонастраивающейся системы (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015661513), которые
рекомендуется использовать при проектировании и разработке облучательных установок для повышения эффективности их работы.
Разработанная математическая модель прогнозирования и коррекции температурного поля, учитывающая температурно-световой режим в защищенном грунте позволяет управлять логическому контроллеру работой электропривода энергосберегающего экрана в зависимости от уровня естественной
облученности и сократить затраты на отопление сооружения защищенного
грунта площадью 1,5 га на 10%.
Предложены алгоритм и программа регулирования параметров микроклимата в границах технологического диапазона их изменения, позволяющие
прогнозировать их взаимное влияние и применять адаптивный принцип работы электрооборудования с гибкой иерархической структурой в режиме
реального времени при изменении технологических задач путем управления
работой электропривода энергосберегающего экрана. Программу регулирования работы электрооборудования (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012610650) рекомендуем использовать в
условиях защищенного грунта.
Определена экономическая эффективность предложенных усовершенствованных режимов работы существующего электрооборудования для систем
поддержания микроклимата и автоматической стабилизации дозы облучения в сооружениях защищенного грунта. Применение предлагаемых технических решений позволяет снизить затраты на тепловую энергию в сооружениях защищенного грунта площадью 1500 м2 на 169,4 руб./м2 в год.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы
Рекомендуется исследовать потенциальные возможности применения на
других сельскохозяйственных культурах разработанных в работе алгоритмов
работы систем автоматической стабилизации дозы при облучении семян и рас28
сады овощных культур и программы регулирования параметров микроклимата
в сооружениях защищенного грунта.
Полученные результаты исследований посвящены в основном производству огурца в защищенном грунте, в дальнейшем рекомендуется проверить
возможность использования разработанных технологий и устройств для открытого грунта и других видов овощных культур.
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:
В рецензируемых изданиях из перечня ВАК:
1. Владыкин, И.Р. Размещение измерительных преобразователей для контроля температуры и влажности в теплицах [Текст] / И.Р. Владыкин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – Москва, 2005.– №12. – С.
10-11. – ISSN0206-572Х.
2. Владыкин, И.Р. Управление ультрафиолетовой облученностью растений в
теплицах [Текст] / И.Р. Владыкин, Л.П. Шичков, Е.П. Сальцин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – Москва, 2005.– №6. – С. 10-11.
– ISSN 0206-572Х.
3. Владыкин, И.Р. Управление поливом растений в защищенном грунте по
дозе фотосинтетически активной радиации [Текст] / И.Р. Владыкин, Л.П.
Шичков, Н.П. Кондратьева // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – Москва, 2005.– №7. – С. 5-7. – ISSN 0206-572Х.
4. Владыкин, И.Р. Особенности построения взаимосвязанного управления
параметрами микроклимата в теплицах [Текст] / И.Р. Владыкин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – Москва, 2006.– №3. – С. 1315. – ISSN 0206-572Х.
5. Владыкин, И.Р. Взаимосвязанное управление тепловым и световым режимами в защищенном грунте [Текст] / И.Р. Владыкин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – Москва, 2006.– №9. – С. 32-33. – ISSN
0206-572Х.
6. Владыкин, И.Р. Алгоритмы работы цифровых систем регулирования технологических параметров [Текст] / И.Р. Владыкин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – Москва, 2007.– №1. – С. 15-16. – ISSN
0206-572Х.
7. Владыкин, И.Р. Управление установкой для предпосевной обработки семян УФ-излучением [Текст] / И.Р. Владыкин, А.В. Соковикова // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – Москва, 2007.– №10. – С. 8-9.
– ISSN 0206-572Х.
8. Владыкин, И.Р. Повышение эффективности расчета взаимосвязанного
управления и электропривода вентиляционных установок в защищенном
грунте [Текст] / И.Р. Владыкин, А.В. Соковикова // Вестник Федерального
государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина», – Москва, 2009.– №1, – С. 23-24. – ISSN1728-7936.
9. Владыкин, И.Р. Взаимосвязанная система управления отопительновентиляционными установками в защищенном грунте [Текст] / И.Р. Влады29
кин, Р.Г. Кондратьев, В.В. Логинов, В.А. Евтишин, И.С. Елесин // Инженерный вестник Дона. – Ростов-на-Дону, 2013.– Т. 24. –№1 (24). – С. 17-22.–
ISSN2073-8633.
10. Владыкин, И.Р. Прогрессивные электротехнологии и электрооборудование
[Текст] / И.Р. Владыкин, С.И. Юран, Н.П. Кондратьева, Е.А. Козырева, И.А.
Баранова, В.А. Баженов // Вестник НГИЭИ. – Нижний Новгород, 2016. –№2
(57). – С. 49-57.– ISSN2227-9407.
11. Владыкин, И.Р. Температурно-влажностный режим работы отопительновентиляционных установок в теплицах [Текст] / И.Р. Владыкин, В.В. Логинов, В.А. Евтишин, И.С. Елесин // Безопасность труда в промышленности.
2013, №3. – С. 53-56.
12. Владыкин, И.Р. Безопасность работы персонала при подкормке биологических объектов в защищенном грунте [Текст] / И.Р. Владыкин, И.С. Елесин //
Безопасность труда в промышленности. 2016, №6. – С. 55-59.
Патенты, авторские свидетельства:
13. Пат. 54714 Российская Федерация, МПК7A01C1/00.Устройство для предпосевной обработки семян [Текст] / Владыкин И.Р.; заявитель и патентообладатель Владыкин Иван Ревович. – № 2006105078/22; заявл. 17.02.06;
опубл. 27.07.06, Бюл. № 21. – 3 с. : ил.
14. Пат. 127286 Российская Федерация, МПК7A01G9/20, A01G9/22,
A01G9/24.Светодиодная система для облучения меристемных растений
[Текст] / Владыкин И.Р.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО
Ижевская ГСХА. – № 2012130687/13; заявл. 17.07.12; опубл. 27.04.13, Бюл.
№ 19 – 4 с. : ил.
15. Св-во о гос. регистрации программ для ЭВМ 2012610650 Российская
Федерация. Программа для систем автоматического регулирования температурного режима в теплице [Текст] / Владыкин И.Р.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА. – № 2010614433 ; заявл. 22.07.10
; опубл. 10.01,12, – 4 с. : ил.
16. Св-во о гос. регистрации программ для ЭВМ 2015661513 Российская
Федерация. Взаимосвязанное управление параметрами микроклимата защищенного грунта [Текст] / Владыкин И.Р.; заявитель и патентообладатель
НОУ ДПО «УНИЦ «Омега». – № 2015617389; заявл. 11.08.15; опубл.
29.10.15. – 4 с. : ил.
17. Св-во о гос. регистрации программ для ЭВМ 2017611784 Российская
Федерация. Распределение и регулирование концентрации углекислого газа
в зависимости от других микроклиматических параметров в защищенном
грунте [Текст] / Владыкин И.Р.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ
ВПО Ижевская ГСХА. – № 2016619298; заявл. 02.09.16; опубл. 09.02.17, – 5
с. : ил.
В изданиях:
18. Владыкин, И.Р. Вентиляционные установки взаимосвязанного управления
в защищенном грунте [Текст] / И.Р. Владыкин, А.В. Соковикова // Сборник
30
научных докладов научно-практической конференции Автоматизация производственных процессов в растениеводстве – Москва: ВИМ, 2008. – Т.1. –
С. 273-282.
19. Владыкин, И.Р. Инновационные энергосберегающие электроустановки для
предприятий АПК Удмуртской Республики [Текст] / И.Р. Владыкин, С.И.
Юран, Н.П. Кондратьева, Е.А. Козырева, И.В. Решетникова В.А. Баженов,
В.М. Литвинова // Инженерный вестник Дона. – Ростов-на-Дону, 2013.– Т.
25. –№2 (25). – С. 39-43.– ISSN2073-8633.
20. Владыкин, И.Р. Математическая модель температурного поля в теплице
[Текст] / И.Р. Владыкин, В.В. Логинов, Н.П. Кондратьева, Р.Г. Большин //
Инновации в сельском хозяйстве. ФГБНУ ВИЭСХ – Москва: ВИЭСХ, 2015.
– № 5(15). – С. 165-169.ISSN 2304-4926.
21. Владыкин, И.Р. Взаимосвязанное влияние микроклиматических параметров в защищенном грунте [Текст] / И.Р. Владыкин, И.С. Елесин // Инновации в сельском хозяйстве. ФГБНУ ВИЭСХ № 4(14), Москва, апрель 2015 г.
С. 233-236.
22. Владыкин, И.Р. Ресурсосберегающий режим работы электрооборудования
в защищенном грунте для поддержания микроклимата [Текст] / И.Р. Владыкин, М.Г. Краснолуцкая // Материалы регионального научно-практического
семинара «Энергоресурсосбережение в промышленности, ЖКХ и АПК»
ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова». – Ижевск: ИННОВА, 2016.
– С. 292.
В изданиях за рубежом:
23. Vladykin I. The thermo vision inspection of protective structures of greenhouses
[Text] / I. Vladykin, V. Loginov, O. Kochurova // Science, Technology and
Higher Education: materials of the V International research and practice conference, Westwood, publishing office Accent Graphics communications – Westwood – Canada,2014. – P. 30-34.
24. Vladykin I. Mathematical model of temperature field in a greenhouse [Text] / I.
Vladykin, V. Loginov, O. Kochurova // Yale Review of Education and Science,
2015, No.1. (16), (January-June). Volume VI. “Yale University Press”, 2015. –
Connecticut, USA. – P. 157-164.
25. Vladykin I. Mathematical Model of Temperature Mode for Protected Ground
[Text] / N. Kondrateva, O. Kochurova // International Journal of Mathematical
Models and Methods in Applied Sciences, 2017, Volume II. “North Atlantic University UnionPress”, 2017. – New York, USA. – P. 124-129.–ISSN 1998-0140.
31
Подписано в печать «03» июля 2018 г.
Усл. печ. л. 2,0. Заказ №16. Тираж 100 экз.
Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ.
426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7
32
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа