Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современная технология выращивания меристемиого картофеля и способы облучения 13
1.1. Тенденция производства и потребления картофеля 13
1.2. Технология выращивания меристемного картофеля 19
1.3.Облучение растений оптическим излучением 29
Глава 2. Теоретическое обоснование использования комбинированного режима облучения меристемного картофеля 45
2.1. Пути повышения эффективности использования оптического излучения и выбор источника излучения для облучения меристемного картофеля 45
2.2. Разработка математической модели по обоснованию эффективных режимов облучения 65
2.2.1. Обоснование параметров комбинированного режима облучения 67
2.2.2. Математические модели режимов облучения меристемного картофеля 70
Выводы по главе 79
Глава 3. Обоснование и разработка технических средств на систему облучения меристемного картофеля 80
3.1 Обоснование использования микроконтроллера JR21 592 80
3.2. Система управления люминесцентными лампами низкого давления с ЭПРА 89
3.2.1 Расчет напряжения подогрева на электродах люминесцентных ламп при разных частотах 94
3.3 Методика расчета коэффициента мощности облучательпых установок с газоразрядными лампами, работающих в комбинированном режиме. Способы повышения коэффициента мощности 106
Выводы по главе 1 17
Глава 4. Результаты лабораторных и производственных испытаний 1 18
4.1. Характеристика объекта исследования и условия проведения опытов. Электротехнология выращивания меристемных растений картофеля в лабораторных условиях 118
4.2. Технология выращивания меристемных растений в производственных условиях 125
4.3. Определение спектральных коэффициентов перевода единиц освещенности в эффективные единицы 129
Глава 5. Технико-экономическое оценка эффектив1ioct11 применения облучательыых установок для меристемных растений картофеля 136
Общие выводы по работе 141
Литература 143
Приложение 154
- Технология выращивания меристемного картофеля
- Разработка математической модели по обоснованию эффективных режимов облучения
- Система управления люминесцентными лампами низкого давления с ЭПРА
- Технология выращивания меристемных растений в производственных условиях
Введение к работе
Анализ состояния производства картофеля в последние годы показывает, что в ходе проведения аграрной реформы, перераспределения земель, приватизации, социальных и структурных преобразований в сельской местности произошли существенные изменения в структуре производства картофеля по основным категориям хозяйств.
В 2000г. было произведено картофеля во всех категориях хозяйств примерно 30 млн.т., а в 1991-1995гг. среднегодовой уровень валового производства составил до 39 млн.т.
В 2000г. картофель во всех категориях хозяйств размещался на площади 3,2 млн.га, в том числе в личных подсобных хозяйствах- на 2,7млн.га (84%) . в сельскохозяйственных предприятиях- примерно, 450 тыс.га (14%) и фермерских хозяйствах-45тыс.га (2%).
Продолжается нежелательная тенденция сокращения площадей под картофель вследствие снижения урожайности и валовых сборов. Основные причины продолжающегося сокращения посевных площадей этой культуры в сельскохозяйственных предприятиях - трудности с реализацией выращенного урожая, плохая организация приема продукции в местах производства, недостаток финансовых средств и т.п.
В последнее время серьезные трудности стали возникать и с реализацией семенного картофеля высших репродукций в элитно-семеноводческих хозяйствах. Многим сельхозпредприятиям и фермерским хозяйствам недоступны семена высших репродукций из-за их неудовлетворительного финансового и экономического положения.
Большого внимания заслуживает положительный зарубежный опыт и опыт тех регионов России, где путем перевода отрасли на использование факторов интенсивного развития (новые сорта, высококачественный сертифицированный семенной материал, современные технологии и т.д.) удалось
5 даже при сокращении площадей существенно повысить урожайность, добиться экономии электроэнергии, значительно сократить потерн п сохрани п. необходимый объем без липших затрат па экстенсивное производство.
В 2008г. в России с учетом сложившегося соотношения посевных площадей под картофель в хозяйствах всех категорий был получен средний урожаії 1 1 т/га и обеспечено валовое производство 35млн.т., в том числе в сельскохозяйственных ПреДПрИЯТИЯХ 4, ІМЛН.Т.
Некоторые хозяйства, использующие хороший опыт по производству картофеля с применением современной западной техники и технологии, стали получать стабильно высокие урожаи (30т/га).
Показатели по посевным площадям, урожайности и валовым сборам картофеля па ближайшую перспективу определены, обоснованны представлены в Федеральной программе производства картофеля на период до 2010 года (Программа «Картофель»).
В программе предусматривается принятие на федеральном уровне экстренных мер, направленных на повышение эффективности картофелеводства, серьезное улучшение семеноводства и развитие переработки продукции: ориентировать сельскохозяйственные предприятия прежде всего на развитие семеноводства и наращивание объемов производства семенного картофеля высших репродукций, лучших и наиболее перспективных сортов, учитывая реальные потребности в высококачественных семенах всех производителей включая фермерские и личные подсобные хозяйства.
Для проведения сортосмены и сортообповления этим категориям хозяйств ежегодно необходимо, примерно 2млн.т. сортовых семян высших репродукций. С учетом этой потребности производство семенного картофеля должно составлять 4,5...5млн.т., а площади семеноводческих посевов-500...550 тыс.га. Иначе может сложиться критическое положение с семеноводством этой важнейшей продовольственной культуры, и те сортовые ресурсы, которые создавались в течение многих лет, могут быть безвозвратно утеряны. На сегодняшний день эта проблема определяет необходимость в разработке но-
вых инженерных решений (электротсхпологий) для выращивания мерпстем-ных картофеля в водных питательных растворах.
Одним из критериев развития картофелеводства на современном уровне является интенсификация процесса электрооблучения меристемных растений картофеля способствующих увеличению выхода продукции и снижению энергетических затрат. Развитие новых технологий и расширение их функциональных возможностей определяет новые требования к качеству конечного продукта, а именно' к выращиванию элитного картофеля, позволит резко повысить эффективность картофелеводства при одновременном снижении энергозатрат за счет новых научно-обоснованных разработок по облучатель-ным установкам (ОУ), отвечающим требованиям производства.
Принимая во внимание то, что на цели облучения в защищенном грунте затрачивается существенное количество электрической энергии, то эффективное расходование электрической энергии каждой ОУ приведет к ощутимой экономии в стране. Повышение эффективности электрооблучепия позволит предприятиям АПК снизить себестоимость продукции, получить эко-номию-электроэпергии и увеличить прибыль.
Для эффективного использования световой энергии в меристемных теплицах, наиболее важны три основные характеристики излучения: спектральный состав источника оптического излучения, уровень освещенности (облученности) и продолжительность суточного облучения растений.
В диссертационной работе для исследования выбрана культура мери-стемный картофель, выбор связан с тем, что картофель имеет большое продовольственное значение, так как занимает второе место в структуре питания населения, уступая только зерновым.
В ,Удмуртской Республике исторически сложившиеся природно-климатические условия и экономические отношения благоприятствуют возделыванию картофеля на значительных площадях. В настоящее время средняя урожайность картофеля по Республике колеблется от 1 1,5 до 13 т/га. Одна из основных причин получения низких урожаев картофеля заключается в
7 низком качестве посадочного материала. В семенном фонде коллективных хозяйств доля элитного картофеля составляет до 4,5 %. Следовательно, увеличение производства элитного картофеля, улучшение сортового состава, внедрение современных технологий позволит резко повысить эффективность картофелеводе гва.
За рубежом элитный картофель выращивается в меристемных лабораториях, оборудованных дорогостоящими установками. Дорогостоящее оборудование быстро окупается за счет высокой стоимости элитного картофеля и повышения урожайности до 60 т/га.
В Удмуртской Республике посадочный материал также выращивается в специализированных меристемных лабораториях. Процесс выращивания меристемы достаточно трудоемкий и энергоемкий. В связи с резким удорожанием электрической энергии в диссертационной работе решается задача научного обоснования технических решений для интенсификации электрооблучения меристемных растений картофеля, способствующих увеличению выхода продукции и снижению энергетических затрат.
Учеными в области электрификации сельскохозяйственного производства Р.Г. Бутенко, Л.Г. Прищепом, И.Ф. Бородиным, Д.С. Стребковым, Ы.Ы. Протасовой, И.И. Свентицким, А.К. Лямцовым, A.M. Башиловым, С.А. Рас-тимешиным, Ю.М. Жилинским, В.М. Леманом, Г.С. Сарычевым, А.А. Тихомировым, А.П. Примаком, В.Н. Карповым, В.П. Шарупичем, С.А. Овчуко-вой, А.П. Коломийцем, Л.К. Алферовой, Н.Ф. Кожевниковой, В.А. Козин-ским, О.А. Косицыным, Н.П. Кондратьевой, R. McCree, P. Mekkel, В. Singh, М. Fischer, J. Bonnet, P. Harris и другими доказана эффективность применения оптического излучения (ОИ) для получения дополнительной растениеводческой продукции, решены ряд теоретических и прикладных задач в области применения и создания источников излучения для сельскохозяйственных предприятий и биологических исследований.
Исследования и разработки выполнялись в течение десяти лет лично автором в соответствии с отраслевой научно-технической программой
8 0.cx.71 «Осуществить поиск и разработку высокоэффективных методов и средств рационального использования электрической энергии в сельскохозяйственном производстве и быту сельского населения» и по заданию программы РАСХН «Разработать ресурсоэкономичные экологически безопасные и экономически оправданные технологии возделывания сельскохозяйственных культур» (2000...2010гг.), по комплексным темам НИС ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА (2000...2007).
Целью работы, является научное обоснование и разработка энергосберегающих облучательных установок на базе разрядных ламп низкого давления и светодиодов, позволяющих снизить потребление электроэнергии и увеличить выход семенного здорового элитного посадочного материала ме-ристемного картофеля.
Объектом исследования является система, состоящая из меристемной культуры картофеля, технических средств облучения и технологических мероприятий, позволяющая снизить потребление электроэнергии облучательных установок.
Предметом исследования являлось изучение процессов воздействия оптических электрооблучательных установок на меристемные растения картофеля.
Методология исследования базируется на системном подходе к комплексу теоретических и экспериментальных результатов, полученных при помощи методов математического и статистического анализа, математического и физического моделирования, светотехнических, фотометрических, биометрических методов, на использовании современного математического пакета компьютерного моделирования MathCAD, прямого наблюдения и эксперимента.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые: теоретически и экспериментально установлена целесообразность совершенствования облучательных установок для выращивания меристемной культуры картофеля с применением комбинированного режи-
9 ма с люминесцентными лампами низкого давления и светодиодами, обеспечивающих экономию электроэнергии;
предложена структурно-функциональная схема по обоснованию наиболее эффективного режима облучения, устанавливающая связь между способом облучения и развитием меристемных растений культуры картофеля, зависящая от параметров микроклимата;
получена математическая модель по определению эффективного режима облучения меристемного картофеля по минимуму удельного расхода электрической энергии;
предложен новый комбинированный способ облучения растений, позволяющий сократить потребление электрической энергии на 20%, а на светодиодах - 75%;
обоснован способ повышения показателей эффективности облунательных установок, работающих в комбинированном режиме облучения (коэффициент мощности).
Основные положения, выносимые на защиту;
Математическая модель процесса преобразования энергии оптического излучения при выращивании меристемного картофеля.
Использование светильников с лампами типа ЛБ-80 и со светодиодами при облучении меристемных растений картофеля, с целью снижения затрат электроэнергии на 20% при использовании с комбинированным режимом работы ламп ЛБ-80, а со светодиодами типа LWK 9653/Х1 Ligitek - на 75%.
Результаты исследований, лабораторных и производственных испытаний с технико-экономической оценкой эффективности различных способов облучения меристемного картофеля.
Практическая значимость исследования. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили снизить затраты электроэнергии при облучении меристемного картофеля;
Разработано устройство управления РЛ НД для реализации комбинированного режима облучения.
Технические требования на комплект оборудования управлением работой ламп в комбинированном режиме были переданы на ЗАО «Удмуртагропромэнерго» для изготовления партии. Было изготовлено 7 комплектов оборудования.
Разработанное оборудование успешно прошло производственную проверку в течение 2 лет.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе при выполнении курсового, дипломного проектирования, в научных работах студентов ФГОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии, включены в учебник и учебные пособия.
Реализация результатов исследований
Технические требования на систему управления работой ламп в комбинированном режиме были переданы на ЗАО «Удмуртагропромэнерго» для изготовления партии. Было изготовлено 7 комплектов электрооборудования.
Разработанное оборудование проходило производственную проверку в течение 2 лет.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе при выполнении курсового, дипломного проектирования, в научных работах студентов ФГОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии, включены в учебник и учебные пособия.
Достоверность выводов и рекомендаций обеспечена современными методами исследования на моделях и на действующем оборудовании с применением специальных пакетов программ, экспериментально и документально подтверждена лабораторными и хозяйственными испытаниями.
Экономический эффект от реализации результатов работы
Приведенные затраты при выращивании 40000 меристемных растений картофеля при комбинированном облучении на лампах ЛБ-80 в сравнении с непрерывным облучением уменьшились на 8512,5 рублей и при облучении непрерывным способом светильниками на светодиодах приведенные затраты увеличились на 10191,3 рублей из-за высокой стоимости светодиодов. Расход электрической энергии при использовании светильников на светодиодах уменьшился на 16384,9 кВт-ч.
Апробация основных результатов по теме диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы проверены в лаборатории кафедры автоматизированного электропривода (АЭП) ФГОУ В ПО Ижевской ГСХА и в промышленной меристсмной лаборатории Удмуртского НИИСХ в экспериментальном тепличном комбинате пос. Первомайский УР. Производственные посадки проводились в Учхозе «Июльское», основных результатов по теме диссертации.
Результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-производственных конференциях в Ижевской государственной сельскохозяйственной академии (ИжГСХА, Ижевск, 2002...2008 гг.).
На основе разработанной в диссертации методики электрооблучения растений был предложен расчет скорости газообмена двуокиси углерода при импульсном облучении, на который было получено Свидетельство об отраслевой регистрации разработки за № 11630, выданное Федеральным агентством по образованию: ФГНУ «Государственный координационный центр информационных технологий»: Отраслевой фонд алгоритмов и программ.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах, в том числе одна работа в издании, указанном в «Перечне ведущих журналов и изданий...» ВАК Минобразования и науки РФ, получено Свидетельство об отраслевой регистрации разработки.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и при-
12 ложений. Работа изложена на 153 страницах текста, содержит 45 рисунков, 22 таблицы и три приложения на 18 страницах.
Список использованной литературы включает 116 наименований, из которых 16 на иностранном языке.
Технология выращивания меристемного картофеля
Основой семеноводства картофеля являются сортообновление и сортосмена. Сортообновление - это периодическая замена семенного картофеля, в процессе репродуцирования утратившего свою продуктивность, высококачественным семенным материалом - элитой или первой репродукцией. Сортосмена - быстрое внедрение в производство новых высокопродуктивных сортов картофеля. Производство семенного материала в Удмуртской Республике подразделяется на три основных этапа: 1. Предбазисное (тепличные миниклубни, объединенные мериклоны и питомники супер - суперэлиты) - первичного семеноводство. 2. Базисный (питомники суперэлиты и элиты). 3. Репродукционное (внутрихозяйственное) семеноводство (элита II, класс А, класс Б, продовольственные посадки). В Удмуртии первичным семеноводством (производство пробирочных оздоровленных растений, тепличных миниклубней, питомников объединенных мериклонов. питомников супер - суперэлиты) занимается ГНУ УГНИИСХ. В современной практике первичного семеноводства картофеля применяют следующие способы воспроизводства исходного (предба-зисного) материала: -оздоровление сортов на основе культуры тканей и отбор лучших сво бодных от инфекции; У клональное размножение микрорастении в лабораторных условиях; выращивание оздоровленных мини-клубней в условиях защищенного грунта. Благодаря хорошо отлаженной деятельности меристемной лаборатории ГНУ УГНИИСХ в зимне-весенний период производится достаточное количество исходного материала, оздоровленного методом культуры апикальной меристемы, поэтому использование для производства исходного материала, отобранного путем клонового отбора, бесперспективно. Потребность Удмуртской Республики в элите картофеля составляет 3000 т.
Для гарантированной реализации схемы семеноводства достаточно около 40 тысяч пробирочных растений. В семеноводстве картофеля с каждым годом все шире используют оздоровленный исходный материал. Для его ускоренного размножения до необходимых объемов, применяют метод черенкования растений в пробирках. В этой технологии различают два этапа: 1) оздоровление сортов; 2) размножение здоровых растений методом микрочеренкования. Оздоровление сорта включает в себя следующие операции: S предварительная подготовка клубней к выделению меристем; S вычленение верхушечных меристем из ростков; / получение первых регенератов (растений); S черенкование; S тщательная проверка их на зараженность вирусами при помощи методов иммуноферментного анализа (ИФА); S проверка оригинальности сорта; S поддержание и сохранение в стерильных условиях коллекции оздоровленных сортов. Оздоровление сорта производят осенью подготовленными для этого научными сотрудниками. Если количества оздоровленного материала окажется недостаточно, то его закупают в лабораториях города Москвы. На втором этапе получают оздоровленный исходный материал в больших количествах методом ускоренного размножения картофеля (микрочеренкование). Он позволяет добиваться больших коэффициентов размножения.
От одного пробирочного растения, в течение года, можно получить миллионы клубней. Высокая способность к размножению связана с тем, что все растения обладают общими чертами, а именно: особенностью строения клеток. Системы клеток, сходные по происхождению, строению и функциям, образуют ткани, которые делятся на несколько групп. Разновидности тканей: покровные; основные; проводящие; образовательные; механические. Образовательные. Растения обладают способностью увеличиваться в в размерах в течение жизни, благодаря делению клеток специальных образовательных тканей или меристем (рис.1.3.). Меристемы или образовательные ткани, или меристематические ткани (греч. meristos делимый) — обобщающее название для тканей растений, состоящих из интенсивно делящихся и сохраняющих физиологическую активность на протяжении всей жизни клеток, обеспечивающих непрерывное нарастание массы растения и предоставляющих материал для образования различных специализированных тканей (проводящих, механических и т. п.). По своему местоположению меристемы делятся на: -1. h- верхушечные (апикальные) — точки роста, расположенные вблизи верхушки побега или кончика корня; -1.2.-боковые (латеральные) — камбий, перицикл — по периферии корня или побега они способствуют так называемому вторичному росту этих органов растения в толщину; -1.3.-вторичная (феллоген) — пробковый камбий; формирует покровную ткань — пробку; -вставочная (интеркалярная) — отдельные участки в зонах активного роста (в междоузлиях стебля и у оснований растущих листьев); -раневая (травматическая) — возникает из клеток паренхимы и «затягивает» пораженный участок. Меристема (от греч. meristos — делимый), образовательная ткань, ткань растений, долго сохраняющая способность к делению и образованию новых клеток. Одни клетки меристемы. — инициальные — задерживаются на эмбриональной фазе развития и, делясь, обеспечивают непрерывное нарастание массы растения. Другие клетки меристемы, постепенно дифференцируются, образуя различные производные — постоянные — ткани (покровные, проводящие, механические, основные и др.). Меристемы возникает из протомеристемы зародыша, которая развивается в верхушечные (апикальные) и боковые (латеральные) меристемы . Верхушечные меристемы — конус нарастания побега и корня — закладываются у зародыша очень рано.
Образование семядолей, а затем заложение листовых зачатков на конусе нарастания побега вызывает дифференциацию боковых М. — прокамбия и камбия. В процессе роста растения меристематическую ткань частично сохраняется в некоторых частях тела растения: в корнях — в виде перицикла (как корнеродная меристемы ), в узлах побега, в сердцевинных лучах стебля и т.д. Т. н. вставочная (интеркалярная) . временно сохраняется в почках, в междоузлиях побега (злаки), в основаниях черешков листьев и пр. В связи с тем, что свойством деления обладают почти все меристемы живые зрелые ткани (исключая ситовидные трубки), у растения могут возникать и новые, т. н. вторичные меристемы, например, феллоген, образующий пробковую ткань, раневая меристемы, производящая кдллюс, и др. Клетки меристемы отличаются от клеток постоянных тканей небольшими размерами, плотным соединением, формой, близкой к кубической (лишь клетки прокамбия и камбия вытянуты в длину). Обычно они имеют тонкую первичную оболочку, густой протопласт, в котором ядро с ядрышком занимает центральное положение; эндоплазматическая сеть слабо развита; много рибосом; митохондрии и диктиосомы мало дифференцированы; вакуоли представлены мелкими пузырьками, пластиды — в виде т. н. протопластид. Клетки меристемы отличаются высокой метаболической активностью, поэтому и занимаются черенкованием.
Разработка математической модели по обоснованию эффективных режимов облучения
Энергия оптического излучения используется растениями для протекания процессов фотосинтеза, фотоморфогенеза, фотопериодизма и т.д. Свен-тицкий И.И. провёл расчет энергоёмкости этих трех факторов по интегральной облученности [41]. Он показал, что самым энергоемким процессом является фотосинтез, т.к. для нормального протекания процесса фотосинтеза максимальное значение облученности составляет 20...30 Вт/м2, в то время как для фотоморфогенеза -3...5 Вт/м2 и фотопериодизма- 1...3 Вт/м2. Поэтому целесообразно предложить рациональный способ облучения растений.
Необходимо также учитывать потенциал превращения различного по спектральному составу излучения в отношении превратимости его в фотосинтез.
Для оценки эффективности оптического излучения предлагается использовать эффективные величины, в отношении которых в журнале «Светотехника» в свое время прошли две дискуссии.
В настоящее время предлагается воспользоваться эксергической облученностью, т. к. эксэргия представляет собой меру, характеризующий потенциальный уровень преобразования и превратимости энергий оптического излучения в энергию продуктов фотосинтеза.
Для подтверждения правильности принятого решения оценивать энергию оптического излучения по величине эксэргии нами была дополнительно проведена проверка по формуле Минковского: (2. 5) где п - количество учитываемых факторов (в нашем случае это фотосинтез, фотоморфогенез и фотопериодизм).
Эксэргия показывает усвояемость энергии оптического излучения ме-ристемными растениями. Ввиду отсутствия приборов для измерения эксэр-гии в диссертационной работе этот способ оценки излучений не рассматривается. Нами были изучены модели, предложенные Сарычевым Г.С., Эшби и др.
В процессе исследований нами была разработана структурно-функциональная схема, обосновывающая рациональный способ облучения меристемных растений картофеля за счет эффективного использования электрической энергии и улучшения качества меристемных растений картофеля (рис. 2.10).
В предлагаемой модели приняты следующие ограничения: 1. Исследования проводились для меристемных растений картофеля сорта «Удача», Xi - определяет вид растения; 2. За основу принята используемая в Государственном научном учреждении «Удмуртский научно-исследовательский институт сельского хозяйства» (ГНУ УГНИИСХ) технология выращивания меристемного картофеля. Следовательно, х2 - фаза развития, Хз - качество семян; рактеризует питательный раствор; Х5 - влажность; х6 - температуру воздуха; х7_ уровень облученности и другие дополнительные факторы. В разрабатываемой модели мы принимаем все уровни этих дополнительных факторов такими, которые устанавливаются в ГНУ УГНИИСХ для мери-стемный растений картофеля, но отдельно занимаемся изучением влияния способов оптического на динамику роста биологического объекта.
Исследованиям по влиянию импульсного облучения растений посвящены работы Коржа Б.В. [58, 59]. Опыты по сравнению фотосинтеза при импульсном и непрерывном облучении проводились им на листьях фасоли, кукурузы, бзимой пшеницы и сахарной свеклы. В опытах им исследовалось влияние длительности темновои экспозиции - tT, концентрации кислорода в воздухе, величины облученности, температуры листа.
Из опытов Коржа Б.В. следует, что при длительности темновои экспозиции от 0,2...0,4 с интенсивность поглощения С02 имеет тенденцию к возрастанию, при длительностях 0,4...1,5 с она примерно одинакова, при увеличении темновои экспозиции от 0,5 до 5,0 с интенсивность поглощения СОг падает, что объясняется уменьшением числа электронов в электронно-транспортной цепи (глава 1).
По-результатам исследования-Коржа Б.В. наиболее приемлемым для большинства растений является импульсный режим с параметрами: tCBF.T = 0,5...0,6с,- tjEuu — 1,0 с. Не все растения могут длительно переносить импульсное облучение, т. к. при этом наблюдается недостаточное синтезирование основного энергоносителя аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая осуществляет дальнейший перенос энергии и аккумулирование ее в фотосинтетических центрах (ФСЦ). Генерирование АТФ возможно при облучении растений со значительно меньшим уровнем, чем требуется для протекания процесса фотосинтеза. АТФ снимает переизбыток энергии: если количество АТФ недостаточно, то получается, что канал закрыт и энергия, накопленная в ФСЦ, деградирует в тепло и вызывает ожоговые явления в растениях.
При чередовании 30 секундного импульсного облучения с 15 секундным непрерывным облучением практически не происходит изменения стационарного СОг - газообмена по сравнению с непрерывным облучением. [54, 55]. При этом целесообразно поддерживать длительность непрерывного облучения (Тимп) не менее половины длительности импульсного (ТЦЕПР) то есть ТНЕПР 0,5ТИмп Максимальный К.П.Д. фотосинтеза при непрерывном облучении составляет не более 10%. Опыты, проведенные Козинским В.А., Коржом Б.В., Болылиной Н.П., показали, что при практически не отличающейся сырой массе растений, выращенных при непрерывном и комбинированном облучении, электрической энергии расходуется меньше в комбинированном режиме. Следовательно, растения именно в этом режиме более эффективно используют энергию оптического облучения, а значит, К.П.Д. фотосинтеза в этом режиме выше по сравнению с непрерывным.
В диссертационной работе В.И. Фатеева исследовано влияние величины пульсации светового потока на развитие растений. Показано, что уменьшение пульсации положительно влияет на развитие растений. [91]. Этот вывод не находится в противоречии с предлагаемым комбинированным режимом облучения растений, так как длительность световых экспозиций в нем достаточно велика и составляет 0,5...0,6 с.
Система управления люминесцентными лампами низкого давления с ЭПРА
Для системы управления будем использовать микроконтроллер фирмы «ATMEL» ATmega8. Как и все микроконтроллеры AVR фирмы «ATMEL» микроконтроллер ATmega8 является 8 - разрядным. Он изготавливается по малопотребляющей КМПОП- технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволят достичь наилучшего соотношения быстродействие /энергопотребления. Данный микроконтроллер в своем составе имеет FLASH-память программ объемом 8 Кбайт, ОЗУ объемом 1 Кбайт и EEPROM - память данных объемом 512 байт. Максимальное количество контактов ввода/вывода равно 23, количество восьми разрядных потов ввода/вывода три В, С, D. Напряжение питания 4,5-5,5 В. Схема контроллера управления ЭПРА представлена на рисунке 3.8. Разрядные лампы низкого давления (РЛНД) обладают падающей вольтам перной характеристикой. Поэтому включение их в сеть невозможно без сопротивления, ограничивающего ток лампы. Обычно это сопротивление, для улучшения светотехнических показателей лампы, является индуктивным. Поэтому коэффициент мощности комплекта лампа — пускорегулирующий аппарат (лампа- ПРА) изменяется в пределах 0,5...0,6, что довольно низко. У облучательных установок с разрядными лампам низкого давления, работающими в комбинированном режиме, необходимо исследовать следующие показатели эффективности использования ими электрической энергии: 1. Коэффициент сдвига фаз, характеризующий сдвиг по фазе между пер выми гармониками тока и напряжения, которые обычно принимаются синусоидальными. Коэффициент фаз можно найти через активную со ставляющую тока и полный ток по выражению: где Iia, lip - соответственно активная и реактивная составляющие первой гармоники тока нагрузки. 2. Коэффициент искажения тока или напряжения, показывающий содер жание гармонических составляющих и равный отношению действую щих значений первой гармоники к полному значению тока или напря жения: где /] - действующее значение первой гармоники у потребляемого тока 3.,
Коэффициент мощности, показывающий, какая доля от полной мощности источника при заданных действующих значениях тока и напряжения полезно используется нагрузкой (лампой): Из выражения (3.20), (3.21), (3.22) видно, что работа импульсного регулятора сопровождается потреблением реактивной мощности и появлением гармонических составляющих в кривой потребляемого тока. Передача реактивной мощности по линиям приводит к возникновению дополнительных активных потерь во всех элементах системы. Для повышения COS(p используют компенсацию реактивной мощности [45]. Принимая, во внимание все возрастающую стоимость электрической энергии и существенный расход электроэнергии на цели облучения (более 20 млрд. кВт. ч в год), необходимо принять меры по повышению коэффициента мощности системы лампа-ПРА. Цель настоящего раздела является разработка методики оценки энергетических характеристик облучательных установок с ГРЛ, работающих в комбинированном режиме облучения, а также рекомендаций по повышению результирующего коэффициента мощности этих установок. Коэффициент мощности облучательных установок с газоразрядными лампами, работающими в комбинированном режиме На рис. 2.11 показан график комбинированного режима облучения. За период светового импульса, равного 0,5 с в нем укладывается 25 периодов несколько искаженной синусоиды тока РЛНД. По аналогии на время облучения 15 с приходится 750 синусоид. Вследствие симметричности кривой тока у ГЛНД относительно оси времени она содержит лишь нечетные гармоники. При этом постоянная составляющая равна нулю. Кроме того, гармониками седьмой и выше можно пренебречь вследствие их малости. Исходя из сказанного действующее значение тока у ГЛНД за период комбинированного режима облучения Т равно: где J - -yjl2 +12 +1\ +... +1\ - действующее значение тока; її, Із, І5, Ік- действующее значение первой, третьей, пятой, к-той гармоник тока І соответсвенно; 1 -действительное время работы источника излучения за период Т. Действующее значение тока у ГЛИД за период Т определится как: где Пи.раб., Пи. деж. - число импульсов соответственно рабочего и дежурного разрядов; їй. раб.. 1и. деж. - действующее значение рабочего и дежурного токов соответственно.
Технология выращивания меристемных растений в производственных условиях
Испытания проводили в меристемной лаборатории Удмуртского государственного НИИСХ, а также в тепличном комбинате поселка Первомайский и учхозе «Июльское». В меристемной лаборатории исследовались три способа облучения: - непрерывный на базе люминесцентных ламп ЛБ-80; - комбинированный на базе люминесцентных ламп ЛБ-80; - непрерывный на базе светильников на светодиодах типа LWK 9653/XI Ligitek. , В меристемной лаборатории, фрагмент размещения пробирок на стендах приведен на (рис.4.6) поддерживались следующие параметры микроклимата: температура воздуха 21±1С, влажность воздуха 80%, фотопериод - 16 часов в сутки. Замеры освещенности проводились прибором марки «ТКА-люкс». Облучение меристемного картофеля осуществлялось с января по май месяц при выращивании 40000 растений. Схема опыта и результаты потребления электрической энергии в табл. 4.6. Из табл. 4.6 видим, что расход энергии при непрерывном облучении растений лампами ЛБ-80 составляет 21846,5 кВт-час, а при комбинированном режиме облучения расход энергии составляет 17477,2 кВт-час; при непрерывном облучении растений лампами на светодиодах расход энергии составляет 5461,6 или в денежном выражении при стоимости электроэнергии 2,0 руб. за 1 кВт-час, при непрерывном на ЛБ-80 - 43693 руб., при комбинированном облучении лампами ЛБ-80 34954,4 руб. и при непрерывном облучении лампами на светодиодах типа LWK 9653/ХІ Ligitek - 10923,3 руб. В -меристемной лаборатории в процессе роста растений ежедневно проводились измерения общей площади листьев по методике профессора Н. Ф. Коняева. мые комбинированным способом, несколько быстрее набирают зеленую массу, что свидетельствует о наиболее высоком к.п.д. фотосинтеза в этом варианте. Выход зеленой массы при комбинированном облучении увеличился на 7%, а при облучении светодиодами на 4%.
Производственные испытания проходили в тепличном комбинате поселка «Первомайский» и учхозе «Июльское». В начале июля пробирочные растения, полученные при различных режимах облучения, высаживали в теплицу (рис.4.7). В процессе выращивания меристемы картофель (сорт «Удача») получили 15-16 тонн тепличных миниклубней (мериклон, размером 30...40 мм) с площади 1 га. Мини-клубни (рис.4.8) после хранения и предпосадочной обработки высаживались в полевые условия для выращивания на II и III годы. Каждую фракцию семян высаживают отдельно. Густота посадки составляет 40..50 тысяч клубней на гектаре, в зависимости от размеров фракции. Урожайность элитного картофеля показана в табл. 4.8. Растения, полученные из нее, во время уборки см.(рис.4.10). Урожайность картофеля повысилась при комбинированном облучении люминесцентными лампами ЛБ-80 на 7%. Основные положения методики расчета эффективных потоков, единиц были предложены учеными Свентицким И.И., Жилинским .Ю.М. в середине прошлого столетия. Основные положения ее следующие. Полный поток излучения лампы фь Вт/нм, определяется, с одной стороны, по формуле [79]: а с другой стороны, как [80]: где S - площадь, пропорциональная полному потоку излучения, см ; т масштаб длины волны, нм/см; т - масштаб спектральной плотности излучения, Вт/(нм-см). Приравнивая правые части выражений (4.5) и (4.6), находим численное выражение для коэффициента т в Вт/(нм-см): Спектральная плотность излучения источника, Вт/нм, определяется как: где/t - относительная спектральная_плотность излучения источника, см. Значение величин т и fx производилось с помощью программы электронных таблиц "ЕхсеР по следующему алгоритму: 1) Площадь S, пропорциональная полному потоку источника излучения, определяется по формуле: где ДА, - интервал, равный 10 нм. 2) Площадь 5ф, пропорциональная фитопотоку (Фф) источника излучения, определяется по формуле: где КА- спектральная чувствительность «среднего» зеленого листа, предложенная И.И. Свентицким. 3) Площадь 8ФАР, пропорциональная потоку фотосинтетически активной радиации (ФФЛР) источника излучения, определяется по формуле: 4) Площадь 5с, пропорциональная световому потоку (Фс) источника из лучения, определяется по формуле: где Кд- относительная видимость «среднего» глаза человека. 5) Масштабный коэффициент площади находим по формуле: где 680 - световой эквивалент мощности, лм/Вт. 6) Полный поток излучения источника определяется как произведение
