Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор систем освещения и облучения сельскохозяйственного назначения. 16
1.1 Аналитический обзор систем искусственного освещения растений в защищенном грунте 16
1.2. Обзор систем контроля мощности излучения систем освещения растений. 27
1.3. Аналитический обзор систем искусственного освещения животноводческих и птицеводческих помещений. 32
1.4. Аналитический обзор систем уличного и производственного освещения сельскохозяйственного назначения. 38
1.5. Аналитический обзор систем электрофизических методов и средств обеззараживания воздуха в помещениях сельскохозяйственного назначения и ветеринарного надзора. 41
1.6. Обзор и анализ систем электропитания электрооптических приборов в сельскохозяйственном производстве. 50
1.7. Перспективы повышения энергетической эффективности технических средств освещения, облучения, обеззараживания за счет использования резонансной системы питания источников света 56
Выводы по главе 1
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование новых энергоресурсосберегающих осветительно-облучательных установок для объектов сельскохозяйственного назначения с резонансной системой питания источников света . 61
2.1. Разработка электрических схем резонансных источников питания светодиодных и газоразрядных источников света 61
2.2. Методика расчета резонансной системы питания систем освещения и облучения. 69 2.3. Теоретическое исследование эффективности систем искусственного освещения растений в защищенном грунте 76
2.4. Обоснование параметров систем искусственного освещения животноводческих и птицеводческих помещений. 90
2.5. Теоретическое исследование светодиодных систем освещения производственных помещений и уличного освещения. 96
2.6. Методика расчета тепловых режимов светодиодных источников света 100
2.7. Теоретическое исследование процесса обеззараживания воздуха ультрафиолетовыми бактерицидными облучателями для расчета эффективности процесса. 114
2.8. Методика расчета максимального количества облучателей с озонообразующими лампами в помещении без превышения ПДК по озону. 118
2.9. Теоретическое исследование установок для терапевтического облучения животных. 121
Выводы по главе 2 127
ГЛАВА 3. Обоснование параметров энергосберегающих систем освещения и облучения 129
3.1. Обоснование параметров блоков резонансной системы электропитания электрооптических приборов. 129
3.2. Обоснование параметров системы освещения для защищенного грунта с изменяющимся спектром излучения . 135
3.3. Обоснование принципов построения резонансной системы уличного освещения. 145
3.4. Обоснование параметров энергосберегающих систем освещения для освещения животных и птицы 153
3.5. Обоснование параметров энергосберегающих светильников для уличного освещения и производственных помещений 159
3.6. Разработка приборов для контроля различных оптических излучений
3.7. Обоснование и разработка конструктивно-технологических параметров новых технических средств автоматического управления систем освещения. 183
3.8. Разработка УФ облучателей для обеззараживания воздуха и поверхностей повышенной эффективности. 187
3.9. Система управления режимами работы облучательно – озонирующих установок в соответствии с рекомендациями. 196
3.10. Разработка оптических УФ приборов для воздействия на организм животных и птицы. 203
3.11. Система локального термического обеззараживания на основе резонансного холодноплазменного электрокоагулятора 205
Выводы по главе 3. 210
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний энергосберегающих систем освещения и облучения 213
4.1. Методика и результаты экспериментальных исследований резонансной системы электропитания светодиодных светильников. 213
4.2. Результаты экспериментальных исследований системы освещения для защищенного грунта с изменяющимся спектром излучения 221
4.3. Методики и результаты экспериментальных исследований энергосберегающих светильников для освещения животных и птицы. 235
4.4. Методики и результаты экспериментальных исследований УФоблучателейдля обеззараживания воздуха и поверхностей 249
Выводы по главе 4 271
ГЛАВА 5. Исследование технико-экономических показателей осветительно-облучательных установок для объектов сельскохозяйственного назначения
5.1. Оценка технико-экономической эффективности применения энергосберегающей широкополосной системы облучения с резонансной системой питания для защищенного грунта. 273
5.2. Оценка технико-экономической эффективности применения энергосберегающих систем освещения с резонансной системой питания животноводческих и птицеводческих помещений. 280
5.3. Оценка технико-экономической эффективности применения энергосберегающих систем обеззараживания объектов ветеринарного надзора 285
Выводы по главе 5 291
Заключение 293
Список использованной литературы 296
- Аналитический обзор систем искусственного освещения животноводческих и птицеводческих помещений.
- Методика расчета резонансной системы питания систем освещения и облучения. 69 2.3. Теоретическое исследование эффективности систем искусственного освещения растений в защищенном грунте
- Обоснование параметров системы освещения для защищенного грунта с изменяющимся спектром излучения
- Результаты экспериментальных исследований системы освещения для защищенного грунта с изменяющимся спектром излучения
Введение к работе
Актуальность проблемы
Современные технологии производства сельскохозяйственной продукции основываются на процессах, эффективность которых базируется на последних достижениях биологии, физики, химии, электроэнергетики и микроэлектроники.
Развитие растениеводства и животноводства как в крупных хозяйствах с промышленной технологией, так и в фермерских хозяйствах связано с обеспечением качественного освещения, а также с вопросами профилактики и борьбы с инфекционными болезнями животных и растений.
Потребление электроэнергии сельскохозяйственным производством составляет 16 млрд.кВт.ч в год. Одним из основных электропотребителей сельскохозяйственных предприятий является освещение. В растениеводстве защищенного грунта на освещение потребляется 1 млрд.кВт.ч и до 3 млрд.кВт.ч в остальных отраслях. С учетом Федерального закона Российской Федерации от 23 ноября 2009 года N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» необходимо решать проблему энергосбережения, развивать новые электротехнологии и использовать последние научные достижения для повышения эффективности сельскохозяйственной светотехники.
В отрасли животноводства производственное освещение играет важную роль с точки зрения физиологии животных и птицы, но является энергетически затратным. Соблюдение режимов рассвета и заката необходимо для управления процессами физиологического развития, обеспечения более комфортных условий содержания и существенного роста практически всех показателей продуктивности поголовья.
Большинство тепличных хозяйств используют в качестве источников света экономичные натриевые лампы, однако их спектр лишь частично заменяет спектр, необходимый для роста и развития растений. Расширение спектра искусственных источников света в область УФ излучения и возможность изменения спектрального состава позволяет повысить урожайность и улучшить качественные характеристики продукции. Применение в качестве искусственных источников света свето-диодов позволит создать матричный облучатель с изменяемым спектром.
Известные решения по созданию систем освещения на светодиодах требуют установки источников питания (драйверов) через каждые 5…15 м, прокладку проводов большого сечения или установку источника питания в каждый светильник. В связи с этим возникает необходимость поиска энергосберегающей системы питания с возможностью плавной регулировки освещения.
Животные, содержащиеся в закрытых помещениях, испытывают недостаток естественного УФ излучения, которое оказывает тонизирующее и антира-хитное действие. Поэтому в этих помещениях необходимы облучатели, работающие в этом диапазоне УФ излучения и обеспечивающие необходимые дозы.
В случае возникновения инфекционных заболеваний существует реальная опасность массового перезаражения животных, что наносит огромный экономический ущерб хозяйствам в результате гибели или понижения продуктивности животных. Из-за этого первостепенной ветеринарно-санитарной задачей является ограничение предельно допустимых значений концентрации (ПДК) болезнетворных микроорганизмов экологически чистым УФ излучением.
В связи с этим возникают научные и практические задачи по разработке новых технических средств для освещения и облучения. Разработка энергоресурсосберегающих осветительных и облучательных установок сельскохозяйственного назначения является актуальной и потребует научного обоснования конструкционных и технологических параметров. Этому посвящена настоящая диссертационная работа, что и определяет ее актуальность.
Связь выполненных исследований с государственными программами.
Научные исследования и разработки проводились в соответствии с Федеральным законом от 29 декабря 2006 года № 264-ФЗ «О развитии сельского хозяйства», программой Фундаментальных и прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ на 2006-2010 гг. и 2011-2015 гг.; программой фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы, Федеральным законом РФ от 23 ноября 2009 года №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности».
Цель работы. Повышение эффективности освещения и облучения сельскохозяйственных объектов посредством обоснования параметров и разработки новых осветительных и облучательных систем и установок на основе светодиодных источников света, бактерицидных ламп нового поколения и резонансной системы электропитания.
В соответствии с целью поставлены следующие задачи:
Обосновать возможность и принципы повышения эффективности установок искусственного освещения и облучения сельскохозяйственного назначения, а также существующих электрофизических методов и средств обеззараживания воздуха с использованием ультрафиолетового излучения и озона.
Провести теоретическое исследование процесса искусственного облучения растений, обосновать параметры, состав оборудования, разработать и испытать энергосберегающие широкополосные системы облучения для защищенного грунта повышенной эффективности с изменяемым спектром излучения.
Провести математическое и физическое моделирование, обосновать параметры и разработать энергосберегающие системы освещения для сельскохозяйственных помещений.
Провести теоретические и экспериментальные исследования процесса обеззараживания воздушной среды. Обосновать режимы работы, параметры и разработать энергосберегающие бактерицидные облучательные установки.
Обосновать параметры и разработать энергосберегающие светодиодные УФ облучатели для терапевтического облучения животных.
Обосновать параметры и разработать средства контроля оптических излучений и интенсивности облучения растений.
Обосновать параметры, разработать методику расчета, разработать и провести исследование резонансной системы электропитания светодиодных и газоразрядных источников освещения и облучения.
Провести производственные испытания, отработать режимы и определить технико-экономической эффект разработанных энерго-ресурсосберегающих установок для освещения и облучения сельскохозяйственного назначения.
Объект исследования: процессы освещения и облучения сельскохозяйственных объектов, принципы повышения эффективности и энергосбережения систем освещения и облучения.
Предмет исследования: конструкционные параметры осветительных и облучательных установок с резонансной системой электропитания, теоретические и экспериментальные закономерности, связанные с работой новых технических средств освещения и облучения сельскохозяйственного назначения.
Методы исследований: В работе использованы методы математического анализа, статистической обработки данных на ПК, физического моделирования осветительных и облучательных установок, светотехнические и фотометрические методы расчета нормативных параметров облучателей с применением специализированных программно-технических средств Dialux, CalkuLux. Поставленные задачи решены с использованием теоретических основ светотехники, электротехники, теплопередачи, теории планирования эксперимента, методов прикладной экономики. Экспериментальные исследования проводились согласно вновь разработанным методикам испытаний, с использованием современных компонентов светотехнического оборудования. В работе использованы современная измерительная аппаратура и программные средства Exell, EureqaPro, MathCAD Prime, AutoCAD.
Научные положения, выносимые на защиту:
Предложен резонансный способ электропитания источников света, исключающий установку в каждом светильнике источника питания, позволяющий изменять освещенность и регулировать спектр в одном устройстве, не меняя само устройство. Разработанные методические положения расчета позволяют определить основные электрические характеристики блоков резонансной системы питания источников света.
Разработана математическая модель и программный продукт, позволяющий обосновать параметры и состав широкополосных тепличных облучатель-5
ных установок.
Предложен способ построения системы освещения растений, позволяющий изменять спектральный состав для различных тепличных растений и сократить расходы на электроэнергию.
Разработаны физические модели, их математическое описание и программный продукт, которые позволяют научно обосновать электрические, конструкционные и теплотехнические параметры светодиодных энергосберегающих систем освещения сельскохозяйственных объектов со сроком службы более 70000 часов.
Разработана математическая модель обеззараживания воздуха УФ излучением сельскохозяйственных помещений, позволяющая рассчитать эффективность процесса, обосновать параметры энергосберегающих облучательных установок и рассчитать концентрацию озона в помещениях.
Разработана конструкция светодиодных УФ облучателей, позволяющая обеспечить требуемое терапевтическое воздействие при минимальных энергетических затратах.
Разработаны приборы для контроля оптических излучений на основе суммирования спектров многоканального оптического датчика, позволяющие контролировать облученность растений и светотехнические характеристики искусственных источников света.
Разработанные, изготовленные и испытанные в производственных условиях осветительные и облучательные установки конкурентоспособны традиционным, являются энерго- и ресурсосберегающими и предпочтительными при реконструкции или при строительстве новых систем освещения и облучения.
Научную новизну работы представляют:
Резонансная система электропитания светодиодных и газоразрядных источников света, способ повышения эффективности резонансной системы питания и методические положения расчета блоков резонансной системы питания источников света;
Математическая модель и программный продукт для обоснования параметров и автоматизированного расчета спектральных и энергетических характеристик растениеводческих облучательных установок. Энергосберегающая регулируемая система облучения различных тепличных растений на основе светодиодных источников света и многоканальной резонансной системы питания;
Математическая модель обеззараживания воздуха УФ излучением сельскохозяйственных помещений для расчета эффективности процесса. Режимы работы и конструкция установок для обеззараживания сельскохозяйственных помещений повышенной эффективности за счет использования двухкомпо-нентного электрофизического воздействия (бактерицидным УФ излучением и озоно-воздушной смесью);
Конструкционные параметры облучательных установок для терапевтического воздействия на животных на основе светодиодных УФ источников света;
Методические положения и программный продукт для расчета светодиод-6
ных систем освещения сельскохозяйственных объектов;
Способ выделения из оптического спектра фотосинтетически-активной радиации и прибор для контроля интенсивности облучения на основе суммирования спектров многоканального оптического датчика с применением фотодиодов и светодиодов в режиме реверсивного фотоэффекта;
Методические положения и рекомендации по применению энергоресурсосберегающих осветительно-облучательных установок сельскохозяйственного назначения.
Новизна технических решений подтверждена 17 патентами РФ.
Достоверность теоретических и экспериментальных положений обеспечена применением современных методов исследований на моделях и действующем оборудовании с применением ПК и подтверждена лабораторными, промышленными, хозяйственными испытаниями и документально оформленными актами об использовании результатов диссертации.
Практическая ценность:
Разработан программный продукт для автоматизированного расчета спектральных и энергетических характеристик светодиодных облучателей и энергосберегающая широкополосная светодиодная система облучения для растениеводства закрытого грунта с возможностью изменения спектра излучения для разных сортов и этапов развития растений.
Разработан программный продукт для моделирования светотехнических характеристик светодиодных светильников и регулируемая автоматизированная система освещения животноводческих и птицеводческих помещений.
Разработаны УФ облучатели на основе светодиодов для терапевтического воздействия на животных, содержащихся в закрытых помещениях.
Разработанная методика расчета блоков резонансной системы питания источников света может применяться для проектирования систем освещения сельскохозяйственных объектов.
Разработаны новые технические средства повышенной эффективности и режимы работы обеззараживания воздуха ультрафиолетовыми бактерицидными облучателями для применения на объектах ветеринарного надзора.
Разработаны фотометры для экспресс-контроля интенсивности фотосинте-тически-активной радиации и светотехнических параметров источников света.
Разработаны методики применения нового электрооборудования и техни
ко-экономическое обоснование для расчета эффекта от энерго
ресурсосберегающих осветительных и облучательных установок.
Таким образом, приведенные в диссертации результаты исследований являются решением актуальной научной проблемы по повышению эффективности осветительных и облучательных систем и установок сельскохозяйственного
назначения.
Внедрение результатов исследований.
Результаты проведенных исследований применены в птицеводческих хозяйствах ГУП ППЗ «Птичное», ФГУП ППЗ «Кучинский», ГНУ ВНИИВСГЭ, ЗАО «Микояновский мясокомбинат», племенном птичнике «Витасфера», теплицах ООО "Виан" (Московская область), агрокомплексе «Истье» (Калужская область), ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «МарГУ»), ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный заочный университет» (РГАЗУ), ООО НПФ «ЭнергоСПЕЦпроект» (АР Крым) и др.
Место выполнения работы. В диссертации приведены результаты исследований, проводившихся соискателем самостоятельно в ФГБНУ ВИЭСХ в лаборатории электрификации и автоматизации защищенного грунта и в лаборатории светотехники и электроники в сельском хозяйстве ФГБНУ ВИЭСХ ФАНО с 2014 г. Решение отдельных задач по теме диссертации проведено с к.т.н., вед.н.с. Алферовой Л.К., заведующим лабораторией аэрозолей ФГБНУ ВНИИВСГЭ Россельхозакадемии – д.в.н. Прокопенко А.А, а также в качестве руководителя с аспирантами ВИЭСХ Прошкиным Ю.А, Михалевым А.А. и Соколовым А.В. Автору настоящей диссертации как руководителю и участнику научной работы принадлежат идеи, теоретические основы их реализации, анализ лабораторных и натурных испытаний и научное обоснование выводов.
Научно-методическими основами проводимого исследования явились труды ведущих ученых в области освещения сельскохозяйственных помещений: А.А. Ашрятов, A.Л. Вассерман, Н.П. Воскресенская, B.C. Газалов, С.Г. Гуменецкий, Ю.М. Жилинский, А.Ш. Кавтарашвили, В.Н. Карпов, В.А. Козинский, Н.П. Кондратьева, С.В. Конев, О.А. Косицын, Я.А. Кунгс, В.М. Леман, А.К. Лямцов, В.В. Малышев, А.Т. Мокроносов, А.Г. Молчанов, Б.С. Мошков, А.А. Ничипорович, Е.Н. Новоторов, С.А. Овчукова, Л.Б. Прикупец, Л.Г. Прищеп, Н.Н. Протасова, С.А. Ракутько, Г.С. Сарычев, И.И. Свентицкий, А.А. Тихомиров, Н.В. Цугленок, В.П. Шарупич, В.И. Фисинин, А.А. Фокин, J. Bonnet, М. Fischer, P. Harris, R. McCree, P. Mekkel, В. Singh и многие другие, в области светодиодной светотехники: Ж.И. Алферов, И. Акасаки, X. Амано, Ю.Б. Айзенберг, Ш. Накамура, Ж. Панков, Г.В. Сапарин, М.В. Чукичев, и многих других, в области обеззараживания помещений: Л.К. Алферова, В.М. Бакайкин, И.Ф. Бородин, В.И. Вашков, В.Н. Головач, А.К. Данилова, Н.М. Данциг, А.А. Закомырдин, Н.И. Иммиев, И.П. Криво-пишин, Н.В. Ксенз, И.И. Ливак, М.С. Найденский, А.Ф. Першин, Л.Г. Прищеп, А.А Прокопенко, В.Ф. Сторчевой, В.В. Сысоев А.Л. Чижевский, W.F. Welle, J. Bernard и другие, в области резонансных систем передачи электроэнергии: С.В. Авраменко, А.И. Некрасов, О.А. Рощин, Д.С. Стребков и другие.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и
одобрены на международных конференциях:
- Научно-технических конференциях «Энергообеспечение и энергосбереже
ние в сельском хозяйстве» и «Инновации в сельском хозяйстве» - Москва,
ВИЭСХ, 2000; 2003; 2006; 2008; 2010-2015гг.;
- Научно-практических конференциях «Автоматизация сельскохозяйствен
ного производства» - Москва, Углич, 2004; 2006; 2008; 2010гг.;
Международных научно-технических конференциях «Научно-технический прогресс в животноводстве» - Подольск, ГНУ ВНИИМЖ, 2007; 2011 гг.;
«Молодежная наука - как взгляд в будущее» - Оренбург, 2011г.;
Специализированной выставки «Пожарная безопасность 21 в.» 2008; 2009гг.;
«МОЛОДЕЖЬ И ИННОВАЦИИ - 2011» - Беларусь, Горки;
«Экология и сельскохозяйственная техника» - Санкт-Петербург, СЗНИИМЭСХ; 2000; 2005; 2007г.;
Энергосбережение - важнейшее условие инновационного развития АПК -г. Минск, БГАТУ, 2011г.;
«Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» -Москва, ВВЦ, 2008; 2009; 2010гг.;
- Международной конференции «Энергоэффективное освещение: проблемы
и перспективы светотехнической отрасли в Казахстане» - Астана, 2014 г.
Разработка типоразмерного ряда УФ облучателей получила диплом отде
ления Россельхозакадемии за лучшую завершенную научную разработку 2009
года. Разработка резонансной системы освещения получила диплом президиума
Россельхозакадемии за лучшую завершенную научную разработку 2011 года.
Публикации результатов исследований. Основное содержание диссертации опубликовано в 76 печатных работах после защиты кандидатской диссертации, из них 23 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК, 17 патентов РФ и 1 монография в соавторстве.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 320 наименований, двух приложений. Общий объем диссертации составляет 430 страниц, в том числе основной текст на 302 страницах, который содержит в том числе 226 рисунков и 60 таблиц.
Аналитический обзор систем искусственного освещения животноводческих и птицеводческих помещений.
Как известно, растения сами производят органические вещества посредством фотосинтеза, а не получают их извне. Для роста, цветения и плодоношения им нужен свет. Недостаток света приводит к вытягиванию побегов, сокращению образования хлорофилла и уменьшению площади листьев.
Рост растений определяется процессами фотосинтеза, для которых главным источником энергии является свет. У различных растений несходные потребности к свету и уровням их освещенности. Одним растениям требуется прямой солнечный свет, другим необходимо рассеянное освещение, третьи приспособлены для развития в тени.
В условиях защищенного грунта для нормального развития растений необходим определенный диапазон значений интенсивности светового потока. Количественная оценка ФАР производится по 2 показателям: плотности потока (интенсивности) радиации – потоку лучистой энергии ФАР, проходя-27 щему в единицу времени через единицу поверхности Вт/м2 или мкмоль/м2 сек и дозе радиации – количеству ФАР, поступающих за время действия облучения Дж/см2 и др. [49, 57]. При очень низкой облученности, когда фотосинтез еще возможен, растения вырастают вытянутыми и деформированными [50]. Минимальный для роста растений уровень освещенности составляет от 500 до 2000 люксов (2…8 Вт/м2 ФАР). Минимальные среднедневные уровни освещенности, при которых растения могут нормально развиваться и размножаться (т.е. цвести и плодоносить), для светолюбивых видов составляют 5000 лк (20 Вт/м2 ФАР), а для тенелюбивых – 1500 лк (6 Вт/м2 ФАР).
Для продукционного процесса спектр ФАР зависит от уровня облученности, с одной стороны, и вида используемой культуры – с другой. Исходя из этого, выбор спектральных и энергетических режимов облучения растений нужно проводить с учетом конкретных условий. Например, при выгонке рассады огурцов наилучшим будет уровень 50…60 Вт/м2 ФАР, в то же время, для формирования хозяйственно полезного урожая томата, уровни облученности должны находиться в диапазоне 100…200 Вт/м2 ФАР. При мощности выше 200 Вт/м2 ФАР происходит насыщение, при этом растения желтеют и отмирают (Лисовский и др. [4]).
Согласно отраслевым строительным нормам ОСН-АПК 2.10.24.001-04 в теплицах для выращивания рассады облученность должна составлять 25 Вт/м2 ФАР, доза облучения 250 Втчсут/м2 ФАР. Для теплиц выращивающих овощи облученность должна составлять 70 Вт/м2 ФАР, доза облучения 900 Втчсут/м2 ФАР [45].
При смене источников света эффективный поток ФАР может измениться, даже при одинаковой мощности источников света.
Для оценки интенсивности светового потока наибольшее распространение получил метод измерения освещенности люксметром и пересчетом с поправочными коэффициентами в интенсивность фотосинтез активной радиации. Из литературных источников известны следующие переводные коэффи циенты: для прямого солнечного света 10 клк = 38,8…40,2 Вт/м2 ФАР; для рассеянного излучения 10 клк = 46 Вт/м2 ФАР; для МГЛ 10 клк = 30,5 Вт/м2 ФАР; для НЛВД (в том числе, ДНаЗ) 10 клк = 24,5 Вт/м2 ФАР. 1 Вт ФАР имеет средний поток фотонов 4,6 мкмольм-2с-1.
В.В. Малышев в своей диссертации приводит значения поправочных коэффициентов для перехода от показаний освещенности в люксах в Вт/м2 ФАР [35,74].
Для измерения непосредственно облученности в диапазоне ФАР был широко распространен пиранометр системы Ю.Д. Янишевского, который предназначен для измерения солнечного излучения с длинами волн от 300 до 3000 нм. Так же был известен термоэлектрический фитопиранометр системы Б.П. Козырева, выпускаемый в мастерских Ленинградского электротехнического института (ЛЭТИ) [52].
Одним из приборов, измеряющих облученность в эффективных единицах, являлся фитофотометр ВИЭСХ – ФФМ-1, на основе висмуто-серебряно-цезиевого фотоэлемента с мозаичным фильтром. Прибор имеет двугорбую кривую на участке спектра от 300 до 750 нм, близкую к чувствительности «среднего листа». Единицей измерения этого прибора является фит на 1 м (фт/м) [53].
НПО «Агроприбор» МСХ СССР выпускал прибор с несколькими датчиками, смена которых позволяла измерять раздельно дозы или облученность в разных областях спектра электромагнитного излучения: 280…380 или 380…710 нм.
В настоящее время выпускаются дорогостоящие комплексы для анализа спектра источников света, которые могут вычислять энергию ФАР. Например, ФАР-метры FIELDSCOUT (LightScout Quantum Meters), измеряющие общее количество света, необходимого для фотосинтеза, выпускаемые фирмой «Spectrum Technologies». Самый доступный по цене прибор для измерения поглощаемого растениями света имеет стоимость 400 евро [54].
Методика расчета резонансной системы питания систем освещения и облучения. 69 2.3. Теоретическое исследование эффективности систем искусственного освещения растений в защищенном грунте
На основе теории радиотехнических цепей и теории радиоэлектроники нами разработана методика расчета основных электротехнических характеристик оборудования для резонансной системы питания источников света. Резонансная частота преобразователя определяется параметрами контура LС резонансного трансформатора 3, а конкретно индуктивностью первичной обмотки и подводящей энергию емкостью (рисунок 2.11)[172–175].
Максимальная выходная мощность зависит от напряжения, подаваемого на контур, напряжения на контуре, емкости контура, частоты и других параметров [176,177]. При работе реальных схем введем поправочный коэффициент K. Q = вых = . (2.4) Uвх XС К Основным реактивным элементом, задающим выходную мощность резонансного контура, является емкость. Отсюда, выходная мощность контура где [/вых - напряжение на контуре, В; Uвх - входное напряжение контура (выходное напряжение преобразователя частоты), В; R - сопротивление нагрузки контура, Ом; С - емкость контура, Ф; L - индуктивность контура, Гн; г -сопротивление провода (г=і?пост+ пер); Q - добротность нагруженного контура; К - коэффициент запаса.
В расчетах не следует выбирать слишком большое выходное напряжение контура, т.к. при одинаковой выходной мощности, реактивная мощность в контуре будет в несколько раз больше, это увеличит ток в контуре и ключах, а так же потребует проектирования обмоток, рассчитанных на больший ток и большее напряжение.
Так, например, в контуре мощностью 5 кВт при напряжении 1500 В реактивная мощность будет равна 35 кВА, а при напряжении 3000 В - 140 кВА. Если нагрузка подключена к резонансному трансформатору (рисунок 2.12), то сопротивление нагрузки Электрическая схема нагруженного резонансного трансформатора: r – внутреннее сопротивление контура: Rн – сопротивление нагрузки контура; L – индуктивность контура; C – емкость контура Расчет передающего трансформатора с сердечником
Методика расчета передающего трансформатора с сердечником производится на основе стандартных методик расчета импульсных трансформаторов с учетом работы в режиме резонансного трансформатора, состоящего из входного LC контура и дополнительной обмотки [178–181].
Сопротивление провода обмотки переменному току возрастает с ростом частоты, что обусловлено поверхностным эффектом (скин-эффектом), суть которого состоит в том, что ток протекает не по всему сечению проводника (рисунок 2.13), а по кольцевой части поперечного сечения xэф.
Из-за этого для высокочастотных трансформаторов существует ограничение по диаметру обмоточных проводов, обусловленное наличием поверхностного эффекта.
Кроме скин-эффекта на сопротивление обмоток, в значительно большей степени, влияет эффект близости, вызываемый током от соседних витков, вытесняющий ток из провода. Так, с одной стороны, для высокой частоты нужен провод, имеющий как можно большую поверхность, для этого он составляется из тонких, включенных параллельно (литцендрат) (рисунок 2.14). С другой стороны, получается много проводов, в которых ток идет в одном направлении. Рисунок 2.14. Поперечное сечение провода типа литцендрат
Для расчета сопротивления литцендрата на высокой частоте нами разработана следующая формула Из этих формул видно, что увеличение зазора позволяет увеличить ток в обмотке при той же максимальной магнитной индукции, но, при этом увели чивается число витков. - индуктивность, 1 н; Ьс - площадь сечения, см ; лс - коэффициент заполнения магнитопроводящим материалом ( 1,0); 8 - суммарный зазор, мм; /с - средняя длина магнитной силовой линии, мм; fi - магнитная проницаемость сердечника.
С учетом приведенных формул, для правильного расчета резонансного трансформатора, необходимо выбирать ферритовый сердечник и воздушный зазор, с условием не превышения рабочей индукции материала сердечника.
Число витков выходной обмотки рассчитывается с учетом коэффициента трансформации и дополнительных потерь в трансформаторе W2 =—- + 5%= вых +5%, (2.21) где W\ - число витков обмотки 1; «тр - коэффициент трансформации. Расчет приемного трансформатора производится по стандартным методикам [178-181,184]. При расчете приемного трансформатора необходимо так же учитывать максимальную индукцию в сердечнике.
Обоснование параметров системы освещения для защищенного грунта с изменяющимся спектром излучения
Пример выполнения четырехканальной резонансной системы питания, в которой в каждом облучателе установлен также четырехканальный обратный преобразователь, на основе понижающих трансформаторов, для питания каждой цветовой группы светодиодов (рисунке. 3.15) Блок управления включает преобразователи частоты, задает необходимый уровень освещенности в каждом канале, и обеспечивает плавное включение-выключение светильников [249]. Передающий преобразователь частоты состоит из выпрямителя, задающего генератора 4,0…12,0 кГц, предварительного усилителя мощности, усилителя мощности.
К преобразователю частоты подключен LC-контур, который является частью передающего резонансного трансформатора. К выходной обмотке трансформатора подключена линия электропередачи. Линия электропередачи соединена с входной обмоткой трансформатора обратного преобразователя напряжения. К выходной обмотке трансформатора обратного преобразователя подключен выпрямитель, к выходу которого подключены светодиоды.
На основе моделирования спектральных характеристик, трехцветный облучатель, имеющий наибольшую эффективность (таблица 2.1) имеет соотношение мощностей 8,8%Ик+88%Б3000+3,2%Уф. Для изготовления такого облучателя необходимы три светодиодные матрицы белого цвета с температурой 3000К, мощностью по 100 Вт, например, LED-P100-DW, одна УФ 400 нм матрица мощностью 15 Вт и одна матрица 660 нм мощностью 30 Вт. В таком варианте облучателя соотношение различных цветовых диапазонов составляет 44к:43з:12,4с.
Пример изменения спектрального состава трехцветного облучателя с увеличением красной составляющей излучения. В таком варианте включения светодиодов соотношение различных цветовых диапазонов составляет 45к:35з:20с (рисунок 3.16). Расчетные параметры передающих трансформаторов Сердечникиконфигурации«EE» ГабаритнаямощностьсердечникаР, Вт Число витков первичной обмотки W1 Зазор сфдечника8, мм Число витков вторичной обмотки W2 Пример расчета характеристик приемного трансформатора мощностью 50 Вт Для обратного преобразователя мощностью 50 Вт с выходным напряжением 24 В выбираем из таблицы 2.3 главы 2 сердечник конфигурации «Ш» размером 10x10. Расчет габаритной мощности сердечника (ШЮхЮ, Sc=l,0, Sо=2,08)
Во всех приведенных вариантах облучателей, светодиодные матрицы устанавливаются на активный теплоотвод с тепловым сопротивлением 0,2оС/Вт, вентиляторы которых включаются термостатами на температуру +60оС. Такой способ включения вентиляторов позволяет сэкономить дополнительно до 3% электроэнергии. На основе тепловых расчетов определен срок службы светодиодных матриц, который должен составлять не менее 35000 ч. Внешний вид и размеры облучателей 580340390 мм показаны на рисунке 3.91
Другой вариант создания системы тепличного освещения с изменяемым спектральным составом. Один передающий блок мощностью 30 кВт и по одному приемному понижающему трансформатору с выпрямителем в облучателе, к которому подключается цифровая система управления с ШИМ-регулировкой мощности излучения каждого цвета в облучателе, например на микроконтроллере PIC12F675 и силовых MosFet транзисторов (рисунки 3.18,3.19).
Данная регулируемая система облучения позволяет регулировать облученность каждого канала в пределах 5…100%. Таким образом, имеется возможность создавать 16 вариантов цветов освещения, и огромное количество вариантов оттенков для выращивания любых растений.
Обоснование принципов построения резонансной системы уличного освещения На современном этапе развития науки и техники, новые системы уличного освещения проектируются на энергосберегающих светодиодных уличных светильниках.
Традиционная система уличного (рисунок 3.20) светодиодного освещения состоит из 3-х фазной 5-проводной линии электропередачи напряжением 0,4 кВ, как правило имеющей сечение проводов от 55 мм2 до 525 мм2, и светильников с драйверами, преобразующими напряжение сети в пониженное напряжение 12…48 В. При этом стоимость драйвера может достигать 30% от стоимости светильника.
Предложенный нами принцип резонансного питания источников света позволит значительно уменьшить сечение проводов, уменьшить их число в линии освещения и значительно уменьшить стоимость драйверов. Для отработки принципов резонансного питания уличных светильников были проведены работы по созданию резонансных систем освещения на ос-145 нове газоразрядных ламп низкого давления [155,156,245-247]. Схема резонансной системы уличного освещения В схеме (рисунок 3.21) люминесцентные газоразрядные лампы низкого давления одним выводом подключались к линии электропередачи (рисунок 3.22), а вторым – к собственной изолированной емкости в качестве которой были металлические опоры [274].
Такая система освещения, состоявшая из 15 светильников, с питанием от солнечного концентратора ВИЭСХ была установлена на озере «Селигер» в 2006 г. В такой системе светильники соединены с линией электропередачи параллельно (рисунок 3.23.). Напряжение на каждой лампе в светильниках составляет около 100 В. Ток, проходящий через лампы, составляет около 55 мА.
Результаты экспериментальных исследований системы освещения для защищенного грунта с изменяющимся спектром излучения
Для систем освещения птицеводческих помещений необходимо соблюдение не только определенного светового дня, но и режим плавного включения-выключения – так называемая функция «Рассвет – Закат». В разработанной нами резонансной системе питания светильников изменение освещенности осуществляется за счет изменения частоты, подаваемой в передающем преобразователе на резонансный трансформатор, к которому подключаются светильники [171]. За счет этого передающая система выходит из резонанса и выходная, и потребляемая мощность уменьшаются (рисунок 3.75).
Зависимость коэфициента передачи мощности от частоты, пример плавного увеличения частоты в преобразователе частоты При совпадении частоты преобразователя частоты с резонансной частотой трансформатора (8 кГц) передается максимальная мощность и соответственно при этом получается максимальная освещенность.
Для светодиодной системы освещения с резонансной системой питания светильников нами разработан универсальный микропроцессорный блок управления [273,233]. В его функции входит: включение-выключение системы освещения в заданное время дня в течение года; плавное включение и выключение в течение 45–90 сек, при этом уровень освещенности плавно меняется в 16 раз; выбор 5 уровней максимальной освещенности от 20 до 100%. При этом программирование осуществляется, как с клавиатуры блока управления, так и с подключаемого к нему компьютера. Все режимы работы и текущее время отображается на графическом дисплее (рисунок 3.77).
Функциональная схема блока управления освещением: Т1 – таймер включения; T2 – выдержка; С1 – счетчик дней; Т3 – блок задержки «Рассвет – Закат»; Е1 – корректор выдержки; Е2 – корректор времени включения; G1 – корректор максимальной освещенности; ПЧ – преобразователь частоты
Блок управления построен на основе микроконтроллера Atmel Mega32, работающий с частотой 12 МГц. Прошивка микроконтроллера имеет объем 32 кБ, а на программирование режимов работы имеется память размером 1024 байт.
Для небольших систем освещения нами разработан универсальный микропроцессорный блок управления (рисунок 3.78), который имеет в составе таймер на весь цикл выращивания и блок регулировки уровня освещенности, Данный блок управления построен на микроконтроллере PIC16F877A, работающим на частоте 4 МГц, для хранения программ применена микросхема памяти AT24C04. Для обеспечения точности хода часов применена микросхема DS1202. ШИМ-контроллер построен на микросхемах LM324 и IR2101.
Блок управления выдает сигнал управления с амплитудой 12 В, который поступает на регуляторы напряжения на основе транзисторов IRF530 с максимальным током 14А. (рисунок 3.79) При помощи такого регулятора можно управлять до 10 разработанных ранее светильников без установки транзистора на теплоотвод.
Для предприятий, имеющих свои системы автоматического управления освещением, нами разработаны блоки управления освещенностью (рисунок 3.80). Включение этих блоков осуществляется от внешнего управления или в ручном режиме. Основные элементы блоков управления ШИМ-контроллер на микросхемах LM324 и IR2101.
Такие блоки управления задают максимальный уровень освещенности, включают питание понижающих преобразователей напряжения и обеспечивают плавное включение-выключение светильников. Регуляторы освещения устанавливаются между понижающими преобразователями напряжения и светильниками и обеспечивают регулировку тока, проходящего через светильники, согласно сигналу управления от блока управления.
На блоке управления установлены следующие сигнальные индикаторы (рисунок 3.80): «Сеть» – показывает наличие питания 220 В; «Освещение включено» – показывает наличие сигнала от таймера или в ручном режиме. В этом случае, если уровень освещенности установлен более 5% ,подается питание на понижающие преобразователи напряжения и на блоки регулировки; «Работа светильников» – показывает наличие сигнала управления и показывает яркость рабочей системы освещения; переключатель – «Программное управление» – подключает блок управления к контактам реле таймера, которые задают время включения-выключения освещения; переключатель – «Ручное управление» – принудительно включает систему освещения.
При питании светильников от резонансной системы на светодиоды подается постоянное напряжение, поэтому в такой системе полностью отсутствуют пульсации. При питании светильников от ШИМ – регулятора, частота модуляции в нашей системе составляет 3…4 кГц, что также не вызывает ощутимых пульсаций не персоналом, не птицами. Разработка УФ облучателей для обеззараживания воздуха и поверхностей повышенной эффективности
Для обеззараживания воздуха и поверхностей сельскохозяйственных объектов ультрафиолетовым излучением и озоно-воздушной смесью нами разработаны установки для УФ облучения и озонирования «ОЗУФ» [93].
В основу дезинфицирующего и дезодорирующего воздействий наших приборов положены известные бактерицидные свойства ультрафиолетового излучения и окислительные свойства озона. Излучение УФ лампы прибора содержит две компоненты: бактерицидное УФ излучение и излучение, инициирующее в воздухе фотохимические реакции образования озона. В отличие от стандартных бактерицидных облучателей прибор обеспечивает дезинфекцию поверхностей предметов и оборудования, экранированных от прямого попадания бактерицидного излучения, а фотохимическая генерация озона в воздухе не сопровождается образованием вредных для человека, птицы и животных окислов азота.
Установки предназначены для обеззараживания и дезодорации воздушной среды, обработки поверхностей для уничтожения микрофлоры и вредных насекомых, для дезинфекции погребов, подвалов перед закладкой продукции и во время хранения для предотвращения порчи, гниения, образования плесени, отпугивания грызунов. Установка предлагается взамен химических, экологически опасных средств.
Образование озона происходит фотохимическим способом: в результате поглощения кислородом ультрафиолетового излучения с длиной волны 178 нм.
Для наиболее эффективной работы УФ лампы и для достижения максимальной эффективности генерации озона необходима скорость движения воздуха в режиме озонатора-рециркулятора около 1,5 м/с.