Введение к работе
Актуальность темы
Проблема энергосбережения является одной из самых актуальных в современном мире, её решению развитые страны уделяют большое внимание.
В отрасли тепличного овощеводства технологии светокультуры и электродосвечивания овощей являются наиболее энергоёмкими. Доля отраслевого потребления электроэнергии в технологических процессах тепличного производства с использованием оптического излучения составляет 10-15%, а потери в них доходят до 40%.
Учёными в области электрификации сельскохозяйственного производства и светотехники Л.Г. Прищепом, В.М. Леманом, А.А. Тихомировым, В.П. Шарупичем, И.И. Свентицким, И.Ф. Бородиным, В.В. Малышевым, Н.П. Кондратьевой, Н.Н. Протасовой, Ю.М. Жилинским, Г.С. Сарычевым, А.А. Ничипоровичем, И.В. Юдаевым, Е.А. Козыревой, С.А. Ракутько, А.М. Шуваловым и другими разработаны теоретические основы применения оптического излучения для выращивания растений и эффективного использования электрической энергии для этих целей.
Для рационального использования электроэнергии в этой области используются специализированные источники света, отличающиеся от обычных спектральным составом оптического излучения.
В настоящее время в тепличных комбинатах наиболее широко применяются натриевые лампы высокого давления. Это обусловлено высокой светоотдачей данных источников света. Однако, излучение этих ламп содержит те участки спектра, в которых растения не поглощают или поглощают в малом количестве – электрическая энергия, преобразованная в оптическое излучение, расходуется нерационально. Также натриевым лампам высокого давления присущи и другие недостатки.
В условиях рыночных отношений доля затрат на электроэнергию в себестоимости продукции тепличных комбинатов стала определяющим показателем экономической эффективности. Наибольший процент в себестоимости отечественных овощей защищённого грунта составляет доля энергетических затрат – 65-75%.
Для того чтобы выйти из такой ситуации необходимо использовать в тепличном производстве новые технологии, которые обеспечили бы высокорентабельное производство овощей и решили бы проблему круглогодичного обеспечения населения витаминной продукцией.
Поэтому тема диссертационной работы, посвящённая применению светоизлучающих диодов для снижения энергозатрат на досвечивание овощей в защищённом грунте, является актуальной и имеет научное и практическое значение.
Целью работы является научное обоснование применения светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в защищенном грунте и определение оптимальных режимов их работы.
Задачи исследования:
- анализ известных и перспективных источников оптического излучения для электродосвечивания овощей в защищённом грунте;
- разработка математической модели, устанавливающей функциональную связь между параметрами источников света, такими как спектральный состав оптического излучения, электрическая мощность, световой поток, и удельным эффективным квантовым потоком, от которого зависит скорость фотосинтеза;
- разработка установки для проведения экспериментальных исследований влияния параметров светодиодных светильников на урожайность растений и разработка методики проведения экспериментов;
- экспериментальное определение основных технологических параметров светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в защищённом грунте, таких как спектральный состав оптического излучения, частота следования световых импульсов, скважность световых импульсов;
- определение технико-экономической эффективности применения светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в защищённом грунте.
Объект исследований: процесс электродосвечивания овощей в защищённом грунте светодиодными светильниками.
Предмет исследований: зависимость удельной величины электроэнергии, затраченной на досвечивание растений, от параметров светодиодных светильников.
Методика исследований
В работе использованы методы системного и математического анализа, элементы математической статистики, теория планирования экспериментальных исследований, теоретические основы светотехники и светокультуры. Экспериментальные исследования проводились с использованием современных образцов энергосберегающего светотехнического оборудования и микропроцессорных устройств. В работе использованы современная измерительная аппаратура и программно-технические средства. Теоретические исследования и обработка результатов экспериментов реализовывались в программных пакетах Matlab, MathCad, MS Office, Statistica.
Научная новизна работы
- Разработана математическая модель, устанавливающая функциональную связь между параметрами источников света, такими как спектральный состав оптического излучения, электрическая мощность, световой поток, и удельным эффективным квантовым потоком, от которого зависит скорость фотосинтеза.
- Теоретически и экспериментально обосновано применение для электродосвечивания светодиодов красного свечения, как наиболее эффективных преобразователей электрической энергии в энергию оптического излучения, необходимую для протекания фотосинтеза.
Научная гипотеза
Снижения удельных затрат электроэнергии на досвечивание растений можно добиться применив светоизлучающие диоды со спектрами излучения, соответствующими максимумам поглощения хлорофиллов, в импульсном режиме работы. В этом случае большее количество световой энергии будет поглощаться, а количество отражённой энергии будет минимальным.
Практическая значимость работы
- Разработан режим работы светодиодных излучателей, позволяющий снизить затраты электроэнергии на досвечивание овощей в теплицах на 27%.
- Обосновано применение импульсного облучения светодиодными светильниками для снижения энергозатрат на досвечивание.
- Разработана и создана экспериментальная установка, позволяющая определять эффективность различных источников оптического излучения для электродосвечивания овощей в защищённом грунте.
Достоверность результатов работы
Выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационном исследовании, базируются на теоретических положениях и научных принципах, разработанных ведущими учёными по фундаментальным и прикладным аспектам электрификации сельскохозяйственного производства. Основные выводы диссертационного исследования обоснованы теоретическими положениями и экспериментальными данными.
На защиту выносятся:
- математическая модель, устанавливающая функциональную связь между параметрами источников света, такими как спектральный состав оптического излучения, электрическая мощность, световой поток, и удельным эффективным квантовым потоком, от которого зависит скорость фотосинтеза;
- обоснование использования светильников на базе светоизлучающих диодов для электродосвечивания овощей в защищённом грунте с целью снижения затрат электроэнергии при работе в импульсном режиме работы;
- результаты исследований, лабораторных и производственных испытаний с технико-экономической оценкой эффективности различных способов облучения растений.
Реализация результатов исследований
Основные положения и рекомендации диссертационного исследования рассмотрены и включены в план перспективных разработок предприятия, специализирующегося на производстве светодиодных светильников, ООО «Эконекс» (г. Волгоград).
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Электрификации и автоматизации сельского хозяйства» Мичуринского государственного аграрного университета при проведении лекционных и лабораторных занятий по дисциплинам «Электротехника и электроника», «Светотехника» по специальности 110302 – «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства».
Также результаты диссертационной работы были приняты для использования при совершенствовании системы электродосвечивания рассадного отделения теплицы типа «мультиспен» модели «Ришель 9,6 SR» учебно-исследовательского тепличного комплекса Мичуринского государственного аграрного университета.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на: XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» г. Тамбов, 2008; всероссийской научно-практической конференции «Инновационно-техническое обеспечение ресурсосберегающих технологий в АПК» г. Мичуринск, 2009; научно-практической конференции «Инновационные технологии производства, хранения и переработки плодов и ягод», г. Мичуринск, 2009; III Международной выставке-интернет-конференции «Энергообеспечение и строительство» г. Орёл, 2009; научно-практической конференции «Комплексное решение вопросов энергосбережения и ресурсосбережения для инновационного развития агропромышленного комплекса», г. Рязань, 2010; семинаре «Управление электрохозяйством предприятий агропромышленного комплекса», г. Мичуринск, 2010; 64-й научно-практической конференции студентов и аспирантов, г. Мичуринск, 2012.
Макеты и презентации экспонировались на ежегодной Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи «НТТМ-2012» (премия «Призёр» по поддержке талантливой молодёжи приоритетного национального проекта «Образование» по итогам конкурсной программы выставки). В рамках проводимых научно-исследовательских работ были исполнены государственные контракты по программам Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на базе созданного в соответствии с 217-ФЗ малого инновационного предприятия ООО «НПЦ «ТехноСад»: программа У.М.Н.И.К.-2009, государственный контракт № 7133р/9641 от 31.07.2009г.; программа У.М.Н.И.К.-2010, государственный контракт № 8695р/13986 от 14.01.2011г.
Публикация результатов работы
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа содержит 132 страницы основного текста, 41 рисунок, 18 таблиц и 9 приложений. Библиографический список включает в себя 129 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
