г. Ижевск, Россия
г. Нижний Новгород, Россия
г. Нижний Новгород, Россия
сотрудник
Казань, Республика Татарстан, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
Тепловой режим растений определяет температура внешней среды, испарение влаги растениями, нагрев растений излучением от облучательных установок. На сегодняшний день перспективны для замены облучателей с натриевыми лампами с позиции энергоэффективности индукционные и светодиодные тепличные облучатели. Экспериментальные исследования проводили с целью оценки возможности приближения облучателей с индукционными лампами и светодиодных облучателей к растениям для повышения уровня их облучения, в сравнении с натриевыми источниками излучения. При постановке эксперимента использовали комплекс, включающий тепловизор Fluke ti32, линейный автотрасформатор РНО-250-2-М, источник питания переменного тока 220В, тепличный облучатель. Обработку результатов измерений проводили в программе SmartView 3.1 компании Fluke. Температуру нагрева определяли при выходе на номинальный режим, при номинальном режиме работы облучателей, при изменении уровня питающего напряжения. Натриевые и индукционные облучатели нагреваются до максимальной температуры в 10 раз быстрее, чем светодиодные. Температура нагрева оптических источников облучения с натриевыми лампами в 5 раз выше, чем светодиодных и в 2,5 раза выше, чем индукционных. Изменение уровня питающего напряжения влияет на температуру нагрева натриевого облучателя с электромагнитной ПРА, температура нагрева натриевых и индукционных облучателей с электронной ПРА, а также светодиодных облучателей остается неизменной и равной номинальному значению при уровне питающего напряжения ±10 % от Uном. Низкие температуры нагрева индукционных и светодиодных облучателей позволяют уменьшить высоту их подвеса и приблизить к растениям, что позволит увеличить облученность растений благодаря повышению уровня освещенности или снизить мощность облучателей, то есть увеличить энергоэффективность облучательных систем
натриевые облучатели, индукционные облучатели, светодиодные облучатели, температура нагрева
Введение. Важные факторы, влияющие на урожайность продукции в теплицах, – освещение и температура. Тепловой режим растений определяют температура внешней среды, испарение влаги растениями, нагрев растений излучением [1, 2, 3]. При температурах фотосинтезирующих органов растений выше оптимальных возможна их деградация и загнивание [4, 5, 6]. Результаты исследований, проведенных на тепличных облучателях с натриевыми лампами [7], показали, что снижение температуры нагрева источника света позволяет уменьшить высоту подвеса облучателей и приблизить их к растениям, что открывает возможности для увеличения облучения растений или снижения мощности тепличных облучателей, то есть повышения энергоэффективность системы облучения. На сегодняшний день с позиции энергоэффективности для замены облучателей с натриевыми лампами перспективны индукционные и светодиодные тепличные облучатели [8,9,10].
Цель исследования – оценка возможности приближения индукционных и светодиодных тепличных облучателей к растениям для повышения уровня их облучения, в сравнении с натриевыми источниками излучения.
Условия, материалы и методы исследований. Объект исследования – облучательные установки (ОбУ) марки ЖСП с натриевыми лампами высокого давления ДНаТ и натриевыми лампами высокого давления с зеркальным отражателем ДНаЗ, облучатель марки SO0301 с индукционными лампами ЛВД, светодиодные облучатели марок ДСО-16 и ОТС-0,1. Для измерения температуры нагрева ОбУ использовали комплекс, включающий следующие компоненты: 1 – тепловизор Fluke ti32, 2 – линейный автотрасформатор РНО-250-2-М, 3 – источник питания переменного тока 220В, 4 – тепличный облучатель (рисунок 1).
Обработку результатов проводили в программе SmartView 3.1 компании Fluke. Измерение температуры нагрева осуществляли при выходе на номинальный режим, при номинальном режиме работы, при изменении уровня питающего напряжения.
Анализ и обсуждение результатов исследований. На основании проведенных экспериментальных исследований установлено, что разрядные (натриевые и индукционные) источники оптического излучения нагреваются до максимальной температуры быстрее, чем светодиодные (табл. 1).
Время нагрева ОбУ ЖСП с лампами ДНаЗ и ДНаТ до максимальной температуры составляет около 12 мин. независимо от мощности (рисунок 2). Для ДНаЗ мощностью 400 Вт она составила 270,2 °С, для ДНаТ мощностью 250 Вт – 261,3 °С. На термограмме облучателя ЖСП с лампой ДНаЗ видно, что распределение температуры нагрева по лампе не равномерно (рисунок 3). Максимальная величина этого показателя отмечена между электродами. Температура колбы в верхней части, в которой находится зеркальный отражатель, составляет 100 °С, в нижней – 250 °С.
Время нагрева ОбУ SO0301 с индукционной лампой ЛВД до максимальной температуры также составляет около 12 мин. (рисунок 4). Для ЛВД мощностью 200 Вт максимальная температура нагрева составила 100,2 °С, что меньше, чем для лампы ДНаТ мощностью 250 Вт, в 2,5 раза. Максимальную температуру нагрева облучателя SO0301 с индукционной лампой ЛВД наблюдали в районе размещения индуктора (рисунок 5). Температура колбы в на внутренней части составляла 85…90 °С, на внешней – 70…75 °С.
Время нагрева до максимальной температуры светодиодных облучательных установок достигает 120 мин. (рисунок 6). Для ОбУ ДСО-16 мощностью 30 Вт она составила 41,6 °С, для ОТС-0,1 мощностью 100 Вт – 53,4 °С, что меньше температуры нагрева ОбУ с лампами ДНаТ и ДНаЗ в 5 раз, по сравнению с индукционной лампой ЛВД – в 2 раза. Поскольку номинальная мощность светодиодного облучателя увеличивается с ростом числа светодиодов, можно предположить, что для исследованных источников при большей мощности температура будет сопоставимой. Распределение температуры нагрева по облучателю достаточно равномерно (рисунок 7). Это обусловлено алюминиевой конструкцией, обеспечивающей хороший теплоотвод от кристаллов диодов. Максимальная температура нагрева светодиодных облучательных установок отмечена в районе размещения светодиодов. Но она отличается от температуры других частей облучателя не более чем на 1 °С.
Согласно результатам исследований (табл. 2), температура нагрева для облучателей с электронной пускорегулирующей аппаратурой (ПРА) и разрядными лампами, а также светодиодных облучателей остается неизменной (колебания в пределах 1 %) при уровне питающего напряжения ±10 % от Uном. Изменение уровня питающего напряжения влияет на температуру нагрева только облучателя ЖСП с электромагнитной ПРА и лампой ДНаЗ (рисунок 8).
Математическое выражение зависимости максимальной температуры нагрева Tmax источника оптического излучения от уровня питающего напряжения для натриевого облучателя с ЭмПРА имеет вид:
Tmax = 0,85·KU +0,15, R2 = 0,9914 (1)
где KU =Uф / Uном – изменение уровня питающего напряжения, о.е.;
Uф – фактическое напряжение, В;
Uном – номинальное напряжение, В;
Uф – коэффициент детерминации, о.е.
Выводы. В результате проведенных исследований установлено, что светодиодные и индукционные облучательные установки характеризуются меньшей температурой нагрева, по сравнению с натриевыми источниками излучения, а также ее постоянством при изменении уровня питающего напряжения. Это дает возможность уменьшить высоту подвеса установок и приблизить их облучаемой поверхности для увеличения уровня освещенности растений или снижения мощности ОбУ, что обеспечит повышение энергоэффективности системы.
1. Свентицкий И. И., Сторожев П. И., Царева Л. А. и др. Об учете общих биоэнергетических закономерностей при выращивании растений / Биологическя спектрофотометрия и фитоактинометрия : Тезисы II Всесоюзного совещания по управляемому биосинтезу и биофизике популяций. Красноярск: Институт физики им. Л. В. Киренского, 1973. С. 92-93.
2. Долгих П. П., Кулаков Н. В., Самойлов М. В. Анализ технологий и оборудования для управления системой микроклимата в теплице на базе утилизированной тепловой энергии от систем облучения // Вестник НГИЭИ. 2016. С.80-94.
3. Серякова Л. П. Метереологические условия и растения: учебное пособие по агрометеорологии. Ленинград. Ленинградский гидрометеорологический институт. 1971. 77 с.
4. Вихляева А. О. Влияние интенсивности света и температуры на рост и развитие проростков на примере семян редиса. // Материалы VII Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум». [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL:https://scienceforum.ru/2015/article/2015012646. (дата обращения 10.01.2020).
5. Белоглазова А. С. Влияние факторов внешней среды на рост и развитие гороха // Старт в науке. 2016. №2. С. 10-12.
6. Сысоева М. И. влияние факторов внешней среды на рост и развитие растений огурца на ранних этапах онтогенеза: многомерный подход: автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. биол. наук. Петрозаводск, 1991. 21 с.
7. Долгих П. П., Самойлов М. В. Система облучения для вегетационной установки // Вестник КрасГАУ. 2016. №5. С. 123-130.
8. Effects of light intensity on the growth and leaf development of young tomato plants grown under a combination of red and blue light / Fan X. X., Xu Z. G., Liu X. Y., et al. // Scientia Horticulturae. 2013, v.153. P. 50-55.
9. Кондратьева Н. П., Терентьев П. В., Филатов Д. А. Сравнительный экспериментальный анализ коэффициента пульсации разрядных и светодиодных источников света для растениеводства // Вестник НГИЭИ. 2019. № 9 (100). С. 46-56.
10. Effects of light emitting diode high intensity on growth of lettuce (Lactuca sativa L.) and broccoli (Brassica oleracea L.) seedlings. / G. P. Pardo, C. H. Aguilar, F. R. Martínez, et al. // Annual Research & Review in Biology. 2014. V.19. P. 2983-2994.
