Комплексное применение электротехнологий для повышения продуктивности огурца в сооружениях защищенного грунта Владыкин Иван Ревович

Введение к работе

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. Юфе-рева, 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, A.M. Башилова, R.McCree, P. Mekkel, В. Singh, М. Fisher, J. Bonnet, P. Harris, M. Derradji, M. Aiche, K. Kallblad 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 топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), является актуальной задачей.

Исследования и разработки, составляющие основу диссертации, выполнялись в течение 20 лет лично автором в соответствии с отраслевыми научно-техническими программами № 01201350386 «Взаимосвязанные электротехно-

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 защищенного 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 об-лучательных 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 автома-

тической стабилизации дозы облучения в облучательных установках для предпосевной обработки семян ультрафиолетовым излучением. Научная новизна:

9. 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.

10. Функция стабилизации дозы облучения, основанная на работе программируемых логических контроллеров, позволяет обеспечивать заданную дозу облучения весь период эксплуатации источника излучения.

11. Разработана методика расчета доз спектральных составляющих солнечного излучения для искусственного облучения рассады огурца, позволяющая определить их экспозицию.

12. 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.

13. Разработанные алгоритмы управления автоматизированными средствами обеспечения микроклимата сооружений защищенного 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.

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, Compasgra-phicV16, программный комплекс промышленной автоматизацииСоОеБуз, 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/м 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 сокра-

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 научно-техническая 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 20^th, 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 импортозамеще-ния» Ижевск, 16-19 февраля 2016 год.

Реализация результатов исследований. Результаты работы прошли производственные испытания и внедрены на следующих предприятиях:

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. 000 «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.