Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние облу нательных установок (ОУ) для растениеводства
1.1. Основные достижения и направления развития современной светотехники для теплиц 16
1.2. Цель и задачи исследования 33
2. Теоретические исследования светотехнических характеристик и разработка энергосберегающих ОУ С МГЛ и НЛВД
2.1. Разработка технических требовании к эффективному светотехническому оборудованию и рекомендации по его выбору для тепличного овощеводства 35
2.2. Выявление направлений технических усовершенствований функционирующих систем ОУ с облучателями ОТ-400 44
2.3. Оценка спектральной эффективности основных источников ОИ для растениеводства 48
2.4. Методика определения основных светотехнических критериев при проектировании ОУ с МГЛ и НЛВД 58
2.5. Прогнозирование урожаев при светокультуре 86
Выводы по главе 2 91
3. Экспериментальные исследования облучателей ОУ С МГЛ и НЛВД
3.1. Техническое перевооружение в области досвечивания рассады и светокультуры растений в теплицах 93
3.2. Выбор типоразмерного ряда облучателей для разработки энергосберегающих ОУ с МГЛ и НЛВД и проблемы при их создании 111
3.3. Электротехнические, спектральные и светотехнические испытания облучателей с МГЛ и НЛВД мощностью 400 - 2000 Вт. Особенности включения облучателей ОУ с МГЛ и НЛВД в систему энергосбережения теплиц 128
Выводы по главе 3
4. Технико-экщномическще обоснование целесообразности внедрения энергосберегающих ОУ с МГЛ и НЛВД в технологические процессы промышленного растениеводства
4.1. Экономическая эффективность от внедрения ОУ с МГЛ и НЛВД 160
Выводы по главе 4 170
Общие выводы и заключение 171
Список использаванной литературы 173
Акты об использовании результатов работы
- Основные достижения и направления развития современной светотехники для теплиц
- Выявление направлений технических усовершенствований функционирующих систем ОУ с облучателями ОТ-400
- Выбор типоразмерного ряда облучателей для разработки энергосберегающих ОУ с МГЛ и НЛВД и проблемы при их создании
- Экономическая эффективность от внедрения ОУ с МГЛ и НЛВД
Введение к работе
Тепличные хозяйства и агрокомбинаты решают важную народнохозяйственную проблему снабжения населения свежими овощами в поздний осенний, зимний и весенний периоды, или при ведении светокультуры в течение круглого года. В защищенном грунте выращивают рассаду овощных культур, различные лекарственные растения, зеленый корм, газонные покрытия, цветы на срез и в вегетационных сосудах для интерьерного украшения; ведутся селекционные работы для получения семян высокопродуктивных сортов.
Технологии выращивания растений в защищенном грунте требуют применения высокоэффективных источников ОИ, облучателей, ОУ.
Для эффективного использования световой энергии в теплицах, наиболее важны три основные характеристики излучения: спектральный состав источника ОИ, уровень освещенности (облученности) и продолжительность суточного освещения растений.
Исследованиями известных ученых светотехников и физиологов растений Клешнина А.Ф., Лемана В.М., Мешкова В.В., Прищепа Л.Г., Протасовой Н.Н., Шарупича В.П., Тихомирова А.А., Рвачева В.П., Карпова В. Н., Сарычева Г.С, Мошкова Б.С, Ничипоровича А.А., Соколова М.В., Свентицкого И.И., Липова Ю. Н., Ермакова Е. И., Матвеева А.Б., Жилин-ского Ю.М., Живописцева Е.Н., Косицына О.А., Кондратьевой Н. П., Вас-сермана А. Л., Шульгина И. А., Фатеева В. И. и других решены ряд теоретических и прикладных задач в области применения и создания источников излучения для сельскохозяйственных предприятий и для биологических исследований. Ими сформулированы, обоснованы и предсказаны разнообразные по характеру новые возможные пути интенсификации производства овощных культур в теплицах и рационального использования электрической энергии при искусственном облучении растений [31, 33-35, 44-46, 60, 61, 88].
На современном этапе развития растениеводства защищенного грунта проблемы дополнительного освещения, обеспечивающего повышение
урожайности, связаны в основном с устаревшим светотехническим оборудованием и отсутствием прогрессивных технологий. Большинство тепличных агрокомбинатов используют оборудование 30...40-летней давности. С 1990 г. по настоящее время выбыло из оборота, примерно 1000 га теплиц [ПО]. По состоянию на начало 2004 г. в России функционировало, примерно, 1700 га зимних теплиц. Количество электроэнергии, потребляемой одновременно всеми агрокомбинатами на облучение рассады, достигало 170 млн. кВт. ч, а количество эксплуатируемых ламп и облучателей - более 400 000 шт.
Усредненные значения Руд по нормам ОНТП - СХ. 10 - 81/85 для различных вариантов ОУ для теплиц с газоразрядными лампами составляли ряд от 425 до 32 Вт/м и в настоящее время требуют пересмотра. Хотя из-за высокой стоимости энергоносителей и материально-технических ресурсов тепличные хозяйства продолжают сокращать производство, ожидаемого снижения объема продукции не произошло благодаря внедрению в растениеводство новейших технологий с применением современных ОУ на базе высокоэффективных газоразрядных ламп типа МГЛ и НЛВД. Данные бухгалтерской отчетности свидетельствуют о том, что сельскохозяйственными предприятиями Минсельхоза России в 2000 г. было выращено 444 тыс. тонн продукции защищенного грунта при выходе 20,4 кг с 1 кв.м используе-мой площади, против 426 тыс. тонн и 19кг/м в 1999г [89].
Вместе с тем, намеченные в начале 2002 г. меры по повышению на 30-40% тарифов на энергоносители, наряду со снижением государственной дотации на электроэнергию привели к резкому снижению показателей экономики производства и дальнейшему закрытию тепличных предприятий, расположенных вокруг крупных промышленных центров, где работают более 1 ООтыс. человек. Спад тепличного производства особо губителен для холодных и труднодоступных районов, составляющих более 60% просторов России.
Таким образом, может прекратить свое существование отрасль, создаваемая десятилетиями, имеющая налаженное промышленное
производство витаминной овощной продукции, рабочие места, бюджетные налоги, социальную сферу, что нанесет непоправимый ущерб хозяйству страны.
Сказанное свидетельствует о том, что дальнейшие работы должны проводиться в направлении дальнейшего усовершенствования ОУ в промышленном растениеводстве.
В связи с резким удорожанием электрической энергии требуется решение задачи научного обоснования и разработки светотехнических и электротехнических средств для интенсификации процесса облучения растений на агрокомбинатах, способствующих снижению энергетических затрат. Снижение Руд ОУ в теплицах до минимально возможных уровней (50 + 150 Вт/м ) в соответствии с технологиями выращивания растений является важной задачей повышения экономии в АПК.
Актуальность работы обусловлена необходимостью обеспечения тепличных предприятий РФ и стран СНГ новым энергоэкономичным светотехническим оборудованием на основе современных высокоэффективных НЛВД мощностью 400-600 Вт и МГЛ мощностью 1000-2000 Вт для дополнительного облучения растений и светокультуры. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования позволяют выявить основные направления дальнейшего повышения эффективности ОУ для промышленных теплиц, определить требуемые технические характеристики источников ОИ и облучателей, способных значительно снизить расход электроэнергии и повысить продуктивность при выращивании растений в защищенном грунте.
Исследования выполнялись в соответствии с Федеральной целевой программой «Энергоэффективная экономика на 2002-2005 года и на перспективу до 2010 года», утверждённой постановлением правительства РФ №796 от 17.11.2001 года.
Основными направлениями реализации этой программы являются: прогнозирование и анализ энергопотребления ОУ в теплицах, разработка и создание экологически безопасных энерго- и ресурсосберегающих техноло-
гий интенсивного выращивания растений в регулируемых условиях защищенного грунта, разработка ОУ для теплиц нового поколения на основе облучателей с МГЛ и НЛВД (в том числе, импортного исполнения).
Реконструкция тепличных агрокомбинатов позволит довести годовой валовой сбор овощей до 900... 1000 тыс. тонн, грибов до 1 тыс. тонн в год, чтобы достичь медицинских норм потребления населением свежей овощной и грибной продукции хотя бы на 50...55%. Напомним, что средняя годовая норма потребления овощей, рекомендованная институтом питания РАН на одного человека, составляет 126 кг [89].
Не остается сомнений, что реконструкцию и модернизацию оборудования в теплицах необходимо проводить уже сейчас. Начинать следует с усовершенствования технологий, модернизации старых и внедрения новых теплиц, а также модернизации электрических сетей при внедрении ОУ нового поколения, пересмотра норм технологического освещения растений.
Каждое хозяйство должно само определить, за что бороться в первую очередь: повышение урожайности и конкурентоспособности или снижение себестоимости продукции?
Сегодня на рынке представлено большое количество облучателей с МГЛ и НЛВД как отечественного, так и импортного исполнения, которые позволяют повысить урожайность на 5-10%). Преимущество ОУ на их основе, по сравнению с ОТ-400 на базе ламп ДРЛФ 400 или ДНаЗ-350, неоспоримо. Но облучателей типа ОТ-400 выпущено более 5 миллионов штук, как индуктивных (ОТ 400 МИ), так и емкостных (ОТ 400 ME), обеспечивающих при совместной работе cosqj = 0,92. Эти облучатели еще не исчерпали свой срок службы и могут продолжать эксплуатироваться в теплицах не менее 5-ти лет. При использовании импортного светотехнического и электротехнического оборудования следует учитывать, что оно рассчитано на работу при номинальном напряжении сети 230-240 В, в то время как в России Uc= 220 В.
Проблема эффективного использования энергосберегающих тепличных ОУ на базе облучателей с МГЛ и НЛВД требует усовершенствования мето-
дов оценки эффективности источников ОИ при их воздействии на растения в защищенном грунте, понимания и прогнозирования ответных реакций растений для оценки продуктивности овощных культур.
Таким образом, вопросы совершенствования источников ОИ, облучателей и повышение эффективности ОУ для растениеводства, методов оценки их эффективности при эксплуатации в теплицах, а также нормирования освещения являются чрезвычайно актуальными для агротехнического производства.
Настоящие исследования выполнялись автором с 1975 г. в ВИСХОМ, ТСХА, МИИСП им. В.П. Горячкина, на светотехнических и электротехнических заводах в городах Саранске и Кадошкино (Республика Мордовия), в научно-исследовательских институтах ООО «ВНИСИ» и ГНУ «ВИЭСХ», промышленных теплицах агрокомбинатов «Московский», «Марфино» и др.; велась активная работа в рамках Республиканской производственно-научной ассоциации «Теплицы России».
Автор выражает признательность и благодарность за длительную поддержку выбранного направления повышения эффективности ОУ для теплиц и оказания консультативной научно-технической помощи при написании диссертационной работы Шахпарунянцу Г.Р., Прикупцу Л.Б., Барцеву А.А., Са-рычеву Г.С, Мудраку Е.И., Юшкову Д.Д., Меркуловой А.П., Ваниной Т.В., а также Рымову А.И., Вассерману А.Л. и Кущу O.K.
Цель работы состоит в том, чтобы, опираясь на объективно существующие закономерности воздействия ОИ на растения, научно обосновать и разработать энерго- и ресурсосберегающие ОУ на базе высокоэффективных облучателей с лампами типа НЛВД мощностью 600 Вт и МГЛ мощностью 400. . .2000 Вт, позволяющих значительно снизить расход электроэнергии и повысить продуктивность при выращивании растений в защищенном грунте.
Методология исследований базируется на комплексных теоретических и экспериментальных исследованиях с применением методов статистической обработки данных на ПК, математических расчетах систем облучения растений, физических моделях ОУ, светотехнических, фотометрических, спек-
тральных и биометрических измерениях, методах расчета нормативных параметров ОУ с применением специализированных программно-технических средств. Теоретические исследования заключались в определении нормируемых параметров ОУ, электротехнических и светотехнических параметров новых облучателей для теплиц, оценке эффективности излучения источников ОИ и повышения продуктивности овощных культур. Поставленные задачи решены с использованием теоретических основ светотехники, светокультуры растений, методов электротехнологии и средств измерений, теории математической обработки данных и компьютерной техники. Экспериментальные исследования проводились на современных образцах энергосберегающего светотехнического оборудования. В работе использованы современная измерительная аппаратура и программно-технические средства.
Научная новизна работы:
Разработана методика оценки спектральной эффективности основных источников ОИ, позволяющая определять новые технические параметры НЛВД и МГЛ для организации производства наиболее эффективных растениеводческих ламп.
Разработана методика прогнозирования урожайности овощных культур, позволяющая точнее проводить оценочные расчёты продуктивности и относительной эффективности НЛВД и МГЛ.
Разработана методика, с использованием специализированных компьютерных светотехнических программ для выявления и уточнения критериев нормирования, оценки эффективности кривых сил света облучателей и ОУ в теплицах, обоснованием контролируемых параметров инженерных расчетов ОУ для любых Руд, нормируемых освещенностей (Е1|орм), коэффициентов неравномерности (Кнорм), высот подвеса (h) и выбранных размеров площадей.
Теоретически и экспериментально обоснованы и исследованы основные технические параметры энергосберегающих облучателей и ОУ для теп-
лиц с лампой НЛВД мощностью 600 Вт и МГЛ мощностью 400- 2000 Вт с потенциальным расширением их функциональных возможностей при изменении технологических задач для снижения расхода электроэнергии.
Обоснованы системы ОУ смешанного излучения, состоящие из облучателей с НЛВД мощностью 400-600 Вт и МГЛ мощностью 1000-2000 Вт для некоторых культур (например, огурца, цветов), обладающие высокой эффективностью в области ФАР.
Обосновано ограничение выбора эффективного варианта ОУ четырь-мя нормируемыми значениями Руд, кратными 50 Вт/м (50-100-150- 200 Вт/
м ) и соответствующим количеством облучателей типа ЖСП 44- 600 для теплиц всех семи световых зон РФ.
Разработан высокоэффективный облучатель с КПД до 90 % с приме
нением тонконагартованного структурированного алюминия с коэффициен
том отражения 95% (например, фирмы ALANOD) и бескаркасной конструк
цией параболоцилиндрического отражателя, а также энергосберегающие ОУ
на основе серийно выпускаемых в РФ облучателей ЖСП 44-400/600-002 с
лампой НЛВД мощностью 400-600 Вт.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Проведен анализ энергосберегающих светотехнических средств для ОУ в теплицах, позволяющий определить преимущества и недостатки известных и перспективных конструкций облучателей, источников ОИ, теплиц и тепличных технологий.
Разработаны методы оценки, расчета и принципов разработки высокоэффективных унифицированных конструкций облучателей, позволяющие проектировать энергосберегающие ОУ для любых площадей агрокомби-натов в различных световых зонах РФ, для типовых современных теплиц, обеспечивающие снижение расхода электроэнергии и материалоемкости за счёт применения НЛВД мощностью 600-750 Вт и тонкостенных конструкций отражательных систем бескаркасных облучателей.
Разработан комплект светотехнического и электротехнического оборудования, состоящего из типоразмерного ряда унифицированных облучателей ЖСП 44-400/600-002 с лампами НЛВД мощностью 400-600 Вт и модернизированных ПРА; облучатели унифицированы по бескаркасной конструкции светотехнической арматуры (отражателя). Применение новых разработанных облучателей позволяет сократить удельные мощно-сти ОУ до минимально возможных уровней (50 - 150 Вт/м ). Новизна технических решений подтверждена 2 авторскими свидетельствами на новизну.
По результатам теоретических и экспериментальных исследований впервые в РФ разработана серия унифицированных конструкций облучателей с мощными НЛВД и МГЛ. По большинству разработок освоено серийное производство облучателей в РФ.
Разработанные облучатели с НЛВД мощностью 400-600 Вт и МГЛ мощностью 400, 1000, 2000 Вт внедрены в агрокомбинатах РФ: «Московский», «Марфино», «Майский», «Тепличный»(г. Саранск), «Южный» (п. Усть-Джегута) и др.
На Кадошкинском электротехническом заводе (КЭТЗ) освоено серийное производство разработанных автором облучателей с применением МГЛ и НЛВД мощностью 400-2000 Вт; освоены в производстве предложенные в авторских свидетельствах на новизну тонкостенные конструкции отражательных систем облучателей.
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 длительной эксплуатацией в теплицах РФ с документально оформленными актами об использовании результатов диссертации.
Основные положения, выносимые на защиту.
Методики оценки спектральной эффективности основных источников ОИ, позволяющие определять новые технические параметры НЛВД и МГЛ для организации производства высокоэффективных растениеводческих ламп и прогнозирования урожайности овощных культур, позволяющие точнее проводить оценочные расчёты продуктивности и относительной эффективности газоразрядных ламп высокого давления.
Методика с использованием специализированных компьютерных светотехнических программ для выявления и уточнения критериев нормирования ОУ, оценки эффективности КСС облучателей и ОУ в теплицах.
Результаты исследований по обоснованию основных технических параметров энергоэкономичных облучателей на основе НЛВД мощностью 600-750 Вт и МГЛ мощностью 1000-2000 Вт, позволяющие увеличить КПД облучателей до 90% и разработать бескаркасную унифицированную конструкцию облучателей для ОУ, обеспечивающих снижение расхода электроэнергии на облучение растений и допускающие применение минимально возможных уровней Руд (50 + 150 Вт/м ).
Технико-экономический анализ эффективности и практической значимости результатов работы.
Апробация работы и публикации.
Результаты диссертационной работы могут быть использованы проектными организациями при определении требований к спектральному составу растениеводческих ламп, разработчиками при конструировании новых облучателей для теплиц и при проектировании ОУ для теплиц и агрокомби-натов, в учебных процессах различных ВУЗов РФ.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 1-VI Международ, светотех. конф. «Светотехника на рубеже веков: достижения и перспективы» (Санкт-Петербург, 1993 г., 2004 г.; Суздаль, 1995 г.; Новгород, 1997 г.; Вологда, 2000 г.; Калининград, 2006 г.); Всесоюзной науч.-технич. конф.: «Проблемы электрификации, автоматиза-
ции и теплоснабжения сельскохозяйственного производства» ( Москва, 1985 г.); Всесоюзной конф. ТСХА (Москва, 1984 г.); МГАУ им. В. П. Го-рячкина «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» (Москва, 1999 г.); 2-й Международ, научно-технич. конф. ВИЭСХ (Москва, 2000 г.); Международ, научно-технич. конф. ВИЭСХ: «Автоматизация сельскохозяйственного производства» (Углич, 2004 г.).
Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 2 авторских свидетельстваша изобретения; в журналах «Светотехника», «Мир теплиц», «Тепличные технологии», «Электротехника», в трудах МИИСП, ВИЭСХ, информационных сборниках Ассоциации «Теплицы России», в тезисах докладов Международных светотехнических
конференций.
Объектом исследования являются: дополнительное облучение рассады и овощных растений, источники ОИ, облучатели для теплиц, ОУ на основе энергосберегающих облучателей с МГЛ и НЛВД, ПРА, светотехнические материалы, нормы освещенности в промышленных теплицах, светокультура и продуктивность овощных культур, способы экономии электроэнергии в теплицах и сокращение затрат на ОУ.
Объем работы. Диссертация состоит из: введения, 4-х глав, выводов по работе, списка литературы из 132 наименований^ приложений и актов о внедрении и использовании результатов работы. Общий объем диссертации 215 стр., включая 47 рисунков и 33 таблицы,
Основные достижения и направления развития современной светотехники для теплиц
В настоящее время в России насчитывается примерно 1,7 тысяч га остекленных зимних теплиц. Среди овощных культур, выращиваемых в теплицах при искусственном облучении, наибольшее распространение получили растения огурца и томата. Большие площади начинают отводиться под стеллажные салатные линии. Внедряются энергосберегающие технологии - выращивание овощей на торфяных и минераловатных субстратах. При работе по этой технологии имеется возможность более точного и быстрого регулирования корнеобитаемой среды за счет малого ее объема и применения микропроцессорной техники, что обеспечивает существенное повышение урожайности.
Для успешной работы по этой технологии агрокомбинаты оснащаются специальным оборудованием — растворными узлами, системой капельного полива и автоматизированным управлением системами микроклимата и питания растений на базе ЭВМ, современным светотехническим оборудованием для досвечивания рассады и ведения светокультуры с НЛВД мощностью 400 Вт и МГЛ мощностью 400-2000 Вт, системами зашторивания для защиты растений от перегрева.
Однако с начала перестройки, с переходом на рыночные отношения в стране, сельское хозяйство и особенно энергоемкие тепличные комбинаты, оказались в тяжелейших условиях. Постоянный рост тарифов на энергоресурсы, таких как электроэнергия, тепловая энергия, горючее, вода, при низких реализационных ценах на продукцию теплиц приводит к снижению рентабельности хозяйств, к тяжелому финансовому положению. Отрасль защищенного грунта, по мере возможностей, поддерживается МСХ России.
Благодаря принятым мерам по поддержке отечественного товаропроизводителя, предусмотренных Постановлением правительства России № 23 от 07.01.1999 г. «О неотложных мерах по повышению эффективности работы тепличных предприятий в 1999 г.» существенно улучшилась экологическая ситуация в этом важном секторе. Ряд тепличных хозяйств агропромышленного комплекса получил за счет реализации овощной продукции средства для технического перевооружения, в том числе, для замены устаревшего светотехнического оборудования на современные тепличные облучатели с НЛВД и МГЛ [93].
Более 20 лет в теплицах РФ продолжают использоваться облучатели ОТ-400 с лампой ДРЛФ 400. К недостаткам этой лампы следует отнести низкие световые отдачи, энергетические и фотосинтезные КПД, а также недостаточность излучения в «красной» области спектра.
Начиная с 1990 г. в теплицах РФ начали преобладать облучатели с МГЛ мощностыо 400, 1000 и 2000 Вт, а также с НЛВД мощностыо 400 Вт (световая отдача Н - до 120 лм/Вт) в каркасном исполнении светотехнической арматуры, что увеличивало их материалоемкость и стоимость. Современный этап характеризуется появлением новых НЛВД мощностыо 600 Вт различных зарубежных фирм с Н до 150 лм/Вт и сроком службы более 25 000 ч и высоких теплиц (более 5 м) с новыми энергосберегающими технологиями.
Анализ состояния российской светотехники показывает, что, несмотря на неустановившуюся экономическую ситуацию в стране, отсутствие планирования хозяйства и финансирования фундаментальных исследований госбюджета, резкого снижения числа научных кадров в научно-исследовательских учреждениях, период застоя светотехнической науки в нашей стране закончился [94,95].
Начавшаяся в конце 80-х годов постепенная замена морально и технически устаревших тепличных облучателей типа ОТ-400 с ртутными РЛВД типа ДРЛФ-400 проходила в условиях экономического кризиса последнего десятилетия XX века. До недавнего времени практически монопольное положение на рынке отечественного светотехнического оборудования занимал Кадошкинский ЭТЗ. Завод освоил серийное производство облучателей ЖСП 49-400 (с ДНаТ-400), ЖСП-30-2х400 (2 лампы ДНаТ-400), ГСП 46-400 (с ДРИ 400-5), ГСП 49-1000 (с ДРИ 1000-6) и ГСП 30-2000 (с ДРИ 2000-6). Внедрение последних двух типов облучателей, несмотря на снижение удельной мощности ОУ в 1,5 раза (по сравнению с ОТ-400), не приняло крупномасштабного характера из-за повышенного напряжения сети (380 В), сопутствующего лампам большой мощности, невысокого ресурса ламп (2000...3000 ч) и неравномерности распределения освещенности на рассадном модуле [39,40].
Закупка облучателей с НЛВД, несмотря на высокие расчетные технико-экономические показатели, сдерживается реально низким ресурсом отечественных и украинских ламп типа ДНаТ-400 ( 5000 ч) [41].
Перенасыщение российского рынка тепличных облучателей с НЛВД мощностью 400 Вт в условиях жесткой конкуренции делает их производство близким к убыточному. На сегодняшний день объем обновления рынка облучателей для теплиц оценивается в 80 тысяч штук в год. Чтобы вытеснить популярную модель, прогрессивные облучатели третьего тысячелетия должны обладать повышенными эксплуатационными, энергосберегающими и экономичными характеристиками. Самые верные решения — это использование в новых типах облучателей НЛВД мощностью 600 -750 Вт, обладающих световой отдачей до 150 лм/Вт и сроком службы более 20000 часов, бескорпусной конструкцией арматуры отражателя из тонколистового коррозионностойкого алюминия (например, фирмы Alanod) с коэффициентом зеркального отражения более 95%, позволяющего повысить КПД облучателей более 85%, а также разработка бескорпусных зеркальных облучателей с двумя параллельными НЛВД или двумя МГЛ мощностью 400-750 Вт.
В последние несколько лет ситуация на рынке заметно меняется, благодаря начавшимся поставкам облучателей ЖСП-30-400, разработанных фирмой ООО «Рефлакс» совместно с ОАО КЭТЗ [93-95]. Применение этих изделий достаточно выгодно тепличным агрокомбинатам из-за пониженной, примерно в 2 раза установленной мощности ОУ, простоты обслуживания, приемлемых ценовых показателей, надежности и срока службы зеркальных ламп-облучателей ДНаЗ-400 фирмы «Рефлакс», в которых применяются горелки НЛВД фирмы «GE». К сожалению, этим лампам присущи некоторые недостатки (механическая непрочность цоколя ламп), которые фирма-разработчик пока не сумела устранить.
Выявление направлений технических усовершенствований функционирующих систем ОУ с облучателями ОТ-400
МГЛ и НЛВД имеют гораздо большую световую отдачу по сравнению с ртутными газоразрядными лампами (ДРЛ); поэтому актуальной задачей энергосбережения является модернизация наиболее распространенных типов облучателей с ДРЛ для повышения их эффективности и продления срока службы.
Более 40 лет назад в наше тепличное овощеводство пришли облучатели ОТ 400И (индуктивный) и ОТ 400Е (емкостной) с лампами ДРЛФ 400-1, ко-торые позволили получать урожай в теплицах до 30 кг/м . В настоящее время их выпущено более 5 миллионов штук и, в некоторых хозяйствах, количество облучателей ОТ 400 достигает несколько тысяч, для них проложены электрические сети и установлены шкафы управления РУ 1М. Сегодня многие руководители тепличных агрокомбинатов раздумывают каким образом повысить эффективность ОУ рассадных отделений с ОТ 400 без значительных капитальных затрат, без реконструкции и разрушения действующих электрических сетей и трансформаторных подстанций.
ОТ 400 с лампой ДРЛФ 400 получили наибольшее распространение среди разрядных источников ОИ благодаря успехам их стандартизации, стабильности электрических и спектральных характеристик, высокой надёжно-сти, относительной простоте и дешевизне ПРА для них, сравнительно небольшими эксплуатационными расходами. Условное представление усреднённой спектральной плотности некоторых ламп, используемых в овощеводстве выглядят следующим образом: для ДРЛФ 400 - 19%-48%-33%; для ДНАЗ-350 - 8%-62%-30%; ДЛЯ ДРИ 400-5 33%-50%-17% в спектральных диапазонах 400-500 нм, 500-600 нм, 600-700 им, соответственно. Эти же источники ОИ имеют следующие КДП в области 400-700 нм (ФАР): ДРЛФ 400 - 12%; ДНАЗ-350 - 22%; ДРИ 400 - 25%. Некоторые коммерческие фирмы предлагают для прямой замены ламп ДРЛФ 400 в ОТ 400 зеркальные лампы ДНаЗ-350. Но, здесь необходимо предупредить энергетические службы и администрацию агрокомбинатов о проблемах, возникающих при данной замене: - облучатели требуют нового специального патрона, не «закусывающего» цоколь лампы, а также специальный узел подвеса для горизонтального размещения облучателей, т.к. лампы типа ДНаЗ не предназначены для работы в вертикальном положении; - лампы ДНаЗ моментально выходят из строя в облучателях ОТ 400 ME (емкостных) и требуют дополнительной компенсации реактивной мощности из-за низкого коэффициента реактивной мощности (0,44); - вышедшие из строя лампы ДНаЗ надо сразу же заменять на новую из-за перекоса фаз и перегрева компенсационных конденсаторов, которые могут взрываться. Фирмы предлагают заменять их обратно на лампы ДРЛФ 400, которые уже вынуждены работать в горизонтальном положении на высоте более 2,5 м; - лампы ДНаЗ-350 со временем перестают работать и в индуктивных ОТ 400 МИ и требуют использования дополнительного импульсного зажигающего устройства (ИЗУ-220 В), что ведёт к увеличению капитальных затрат; - стоимость лампы - более 18 у.е.; - лампы боятся попадания капель на колбу и должны защищаться капле-защитными козырьками; - в спектральном составе излучения ламп - малое содержание «синего излучения» с длинной волны 400-500 нм (8%) и практически отсутствует УФ-излучение с длиной волны 300-400 нм; - концентрированное под углами в 70 к вертикали ИК-излучение высушивает воздух и снижает влажность в теплицах до 40%; - лампы боятся колебаний напряжения электрических сетей и бросков тока в линиях.
Нами предлагается другой вариант прямой замены ламп ДРЛФ 400 на комплект с МГЛ, состоящий из лампы ДРИ 400-5 (или зеркальной лампы ДРИЗ - 400-5), каплезащитного колпачка и ИЗУ 220 В (рис. 3). Какие здесь преимущества? - используется традиционная электрическая сеть и общепринятая для круглосимметричных облучателей вертикальная подвеска; - лампы работают как с ОТ 400 МИ, так и в емкостных ОТ 400 ME, т.е. ОУ не требуют дополнительных компенсационных конденсаторов и реконструкции электрических сетей; - освещенность на площади 3-4 м2 увеличивается в два раза при высотах подвеса облучателей на 1,2 - 1,5 м (8000 - 10000 лк и более), т.к. световой поток лампы - 36000 лм (вместо 18000 лм у лампы ДРЛФ 400); при этом влажность воздуха не снижается из-за малого выделения ИК-излучения и рассада не обжигается на близких расстояниях от МГЛ (до 100 мм); - удельные мощности ОУ на основе МГЛ могут быть снижены до 100-ПОВт/м2; - срок службы ламп - не менее 7000 часов; - содержание УФ-излучения в области 300 - 400 нм составляет 2%, а «синего» - 23%, т.е. МГЛ можно смешивать в ОУ с НЛВД; - ИЗУ 220 В малых габаритных размеров легко вкладывается внутрь любого типа ПРА; - стоимость комплекта с МГЛ ДРИЗ-400-2, примерно, Ібу.е.
В настоящее время более 20000 комплексов восстановленных ОТ 400 с МГЛ ДРИ 400-5 и ДРИЗ-400-2 эксплуатируются в теплицах России, продлив жизнь облучательам и ОУ на их основе. В тепличном агрокомбинате «Марфино» (г. Москва) более 3000 штук восстановленных облучателей ОТ 400 с МГЛ эксплуатировались в рассадных отделениях до 2007 года из-за необходимости демонтажа облучателей после выгонки рассады томатов, т.к. на этих же площадях рассада устанавливается для ведения культурооборота (рис. 3). В таблице 8 приведены некоторые технические показатели облучателей ОТ 400 с разными лампами.
Значения поправочных коэффициентов для перехода от показаний ос-вещенности в люксах в ВтФАР/м , по зарубежным данным, можно принимать следующими: для солнечного света- 0,00402; для НЛ ВД типа ДНАЗ -0,00245; для МГЛ - 0,00305; для ДРЛ - 0,00262. Таким образом, несмотря на то, что нормируемая освещенность под МГЛ несколько меньше, чем под ДНАЗ, облученности под ОУ в области ФАР составляют: с МГЛ - 24 ВтФАР/м2; с ДНаЗ - 20 ВтФАР/м2; с ДРЛФ - 10,5 ВтФАР/м2.
Выбор типоразмерного ряда облучателей для разработки энергосберегающих ОУ с МГЛ и НЛВД и проблемы при их создании
За почти 50-летнюю историю производственного выращивания овощей в теплицах, пожалуй, не было столь ограниченного набора (по типам) источников излучения, используемых в тепличных ОУ.
Бесспорно, это не свидетельствует об ограниченности технических средств, которые готова предоставить современная светотехника для этой важной области применения ОИ, а наоборот, о зрелости и обоснованности к выбору ламп пригодных для использования в защищенном грунте. В настоящее время в России в тепличных ОУ используются два вида источников ОИ: МГЛ и НЛВД. МГЛ представлены двумя типами источников ОИ: - HPI 400W(Ph) с йодидами Na, ТІ, In; - ДРИ 400-6 (ДРИЗ 400, ДРИЗ 700, ДРИ 1000-6, ДРИ 2000-6) с йодидами Na, Sc производства «В.А.В.С.» (ОАО «Лисма» - Саранск, Республика Мордовия).
Последние пятнадцать лет ведущие электроламповые фирмы активно работают над улучшением технических параметров НЛВД; благодаря предпринятым конструктивно-технологическим усовершенствованиям изменилась конструкция вакуумно-плотного впая, улучшилось зажигание ламп, повысилась прозрачность керамической горелки, были определены эффективные температурные характеристики ламп, состав амальгамы и давление буферного газа. В результате световая отдача НЛВД доведена до 150 лм/Вт (для ламп повышенной мощности, т.е. более 400 Вт), а срок службы до 30 тыс. час.
На рис. 19 приведены зависимости световых параметров от электрической мощности для стандартного мощностного ряда НЛВД (50 - 750 Вт) лучших зарубежных фирм. Отметим, что для выращивания растений в теп 112 лицах используются НЛВД мощностью 400 Вт и, лишь в редких случаях, 250 - 350 Вт. Мы не включили в этот ряд НЛВД мощностью 1000 Вт, т.к. модернизация этих ламп в последние годы не проводилась, а устаревшие модификации НЛВД мощностью 1 кВт начала 90-х годов по световой отдаче уступают не только современным лампам мощностью 600, но даже и 400Вт. В то же время на рис.20 представлена новейшая разработка - НЛВД мощностью 750 Вт, внедренная в серийное производство фирмами GE-Европа (с 2004 г.) и Sylvania Германия (с 2006 г.).
Реакцией на быстрый рост объемов применения НЛВД в ОУ для теплиц явилось создание рядом зарубежных фирм специальных серий НЛВД, адаптированных для облучения растений и имеющих соответствующие определенные названия. Так, например, фирма Osram выпускает подобные НЛВД типа Plantastar, Philips - SON PIA Agro и Master SON Green Power, General Electric - Lucalox XO Photosynhesis Ligh Lamp (PSL), Sylvania- SHP Grolux.
В каталогах и проспектах фирм указывается, что эти «фито-НЛВД» (благодаря увеличенному давлению Хе-буфера и специальному составу амальгамы), имеют повышенный выход излучения в сине-фиолетовой части спектра (10 - 12%), а также на 5% увеличенный энергетический КПД излучения в области ФАР (400 - 700 нм) до 30% и выше.
Измерения проводились в ООО «ВНИСИ» на установке для спектральных исследований, оборудованной компьютерным блоком для автоматизированной обработки данных.
Учитывая направленность настоящей работы и отсутствие соответствующих количественных данных для НЛВД повышенной мощности (600 и 750 Вт) нами были приведены соответствующие измерения электрических параметров ламп в широком диапазоне вариации U сети.
Экономическая эффективность от внедрения ОУ с МГЛ и НЛВД
Технико-экономическая оценка вариантов ОУ может производиться по разным критериям экономичности и методикам выполнения ТЭР [5, 17, 33, 42,47, 66].Обычно, при отсутствии достоверных данных о влиянии освещения растений на экономические показатели агрокомбинатов, оценка экономичности вариантов производится методом приведенных затрат по инструкции, принятой в Минэлектротехпроме [42] и рассчитывается по формуле.
Учитывая сложность и трудоемкость расчета приведенных затрат при проектировании ОУ, а также имея в виду, что основной составляющей годовых эксплуатационных расходов являются расходы на оплату электроэнергии, допустимо, при условии когда облучатели не резко различаются по стоимости, осуществлять оценку их экономичности по более простым показателям: энергетической эффективности ОУ (Ээ).
Из анализа формулы (4.6.) видно, что высокая эффективность ОУ достигается, в основном, за счет увеличения световой отдачи (Н) источников ОИ (например, до 150лм/Вт), широким использованием наиболее эффективных ламп со сроком службы более 7000 часов, псв = 90%, писп 90%, снижением К3 до величины 1,1, значительным уменьшением допустимого уровня неравномерности распределения освещенности, стабилизированным парком облучателей и ламп для теплиц (например, 3-4 типов), действительной потребностью в эффективных приборах.
Для получения дополнительной возможности ускоренного сравнения рассматриваемых вариантов ОУ и расширения области применения методов расчета экономического эффекта от использования ОУ в теплицах в различных световых зонах РФ предлагается также осуществлять технико-экономическую оценку ОУ по относительной стоимости Свтц одного Ватта полезного потока излучения ламп (руб/Вт) в области A 1=380-710 нм (ФАР) при годовой эксплуатации заданной ОУ на основе стоимостных и технических параметров сравниваемых облучателей и ламп по формуле. Например, для блочной теплицы В - 6,4 м; h - высота подвеса облучателей; t - минимальная продолжительность горения ламп в течение года, ч; іл -средняя продолжительность горения ламп, ч; Сл - стоимость ламп, руб.; /об -нормативный срок службы облучателей, годы (если значение t0e берется в часах, то в числителе данного слагаемого ставится значение t); С0б - стоимость облучателей (или ОУ), руб. (без учета стоимости ламп и кабелей); п -количество ламп в одном облучателе; См - стоимость монтажа одного облучателя (или светотехнической арматуры протяженного осветительного комплекса с одной лампой, например типа КОП2-001, включая установку ПРА) с лампами, устанавливаемого на подвесах или крюках на фермах, руб.
Основой сравнения, таким образом, является единый показатель - поток ФАР исходного и сравниваемого вариантов. Первое слагаемое в (4.8.) определяет удельную стоимость ламп, заменяемых в течение года эксплуатации; второе и третье - удельную годовую стоимость облучателя вместе с монтажом, четвертое - удельную стоимость амортизационных отчислений; пятое - удельную годовую стоимость электроэнергии. 1. Для облучателей типа ОТ400М показатели усреднены исходя из типов ОТ400МИ и ОТ400МЕ, учитывая групповую схему включения. 2. Автоматическое управление облучением растений может обеспечиваться с помощью действующих распределительных устройств типа РУ-1М, рассчитанных на ОУ мощностью 100 кВт. 3. Значения Со6 для облучателей типов КОП2-001 «Светотрон», ГСП26-1000, ГСП26-400, ОТЮООМИ и ССПОЗ-750 являлись проектируемыми в 1990 году. Укажем в заключение, что оценке эффективности изделий по стоимости полезной световой энергии посвящены работы [47, 110], на которых также базируется изложенная выше методика.
