Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние исследований по данной научной проблеме 12
1.1 Фотобиологические процессы при воздействии оптического излучения на растения 12
1.2 Влияние спектрального состава света на рост и развитие растений 20
1.3 Системы оценки оптического излучения в растениеводстве 23
1.4 Промышленные облучательные установки для растениеводства защищенного грунта 30
1.4.1 Специальные требования к конструкциям облучательных установок 31
1.4.2 Спектральные и эксплуатационные характеристики источников излучения 32
1.4.3 Опыт применения светодиодов в биологических исследованиях и промышленных облучательных установках 35
1.4.4 Конструктивные, эксплуатационные характеристики и особенности облучателей российского производства 36
1.4.5 Технико-экономические показатели источников излучения 38
1.5 Выводы по главе 1 39
2 Методики эксприментальных исследований 40
2.1 Методика измерения спектральных и цветовых параметров и характеристик излучения источников света и светотехнических изделий 40
2.1.1 Выполнение измерений исследуемых источников излучения 46
2.1.2 Обработка и вычисление результатов измерений 47
2.1.3 Форма представления результатов измерений 52
2.2 Методика оценки плотности фотосинтетического потока фотонов светодиодных модулей с учетом спектрального состава и энергетической яркости излучения 53
2.2.1 Определение спектральной плотности энергетической яркости светодиодных модулей 55
2.3 Устройство управления характеристиками излучения четырехцветного светодиодного модуля 58
2.4 Выводы по главе 2 62
3 Сравнительная оценка источников излучения и облучательных установок для теплиц по экономическим показателям 63
3.1. Методика сравнения по стоимости единицы фотосинтезной энергии . 63
3.2 Оценка стоимости единицы фотосинтезной и световой энергии для источников излучения и облучателей 65
3.3 Выводы по главе 3 75
4 Принципы повышения энергоэффективности светодиодных облучательных установок для теплиц 76
4.1 Повышение доли низкоэнергетического красного излучения 78
4.2 Выбор светодиодов 80
4.3 Управление спектральным составом, интенсивностью излучения 83
4.4 Принципы создания энергоэффективных адаптивных облучательных установок 85
4.4.1 Влияние излучения стандартных ламп и лабораторных светодиодных модулей квазимонохроматического излучения на рост и развитие модельных растений 86
4.4.2 Влияние излучения светодиодных модулей с различным соотношением красной и сине-зеленой компонентами 90
4.5 Критерии и оценка энергоэффективности 95
4.5.1 Оценка плотности фотосинтетического потока фотонов светодиодных модулей 95
4.5.2 Результаты оценки стоимости единицы фотосинтезной энергии для светодиодных модулей 98
4.6 Выводы по главе 4 100
Заключение 102
Список литературы 104
- Промышленные облучательные установки для растениеводства защищенного грунта
- Обработка и вычисление результатов измерений
- Оценка стоимости единицы фотосинтезной и световой энергии для источников излучения и облучателей
- Принципы создания энергоэффективных адаптивных облучательных установок
Промышленные облучательные установки для растениеводства защищенного грунта
Влияние ОИ на растения многосторонне. Ясно, что в основе всех процессов фотобиологического действия ОИ лежат фотохимические реакции, которые протекают в клетках в результате поглощения ими солнечного излучения. Краткая справка о некоторых из них приведена ниже.
У растений специальным органом фотосинтетической деятельности служит лист, где находятся специализированные структуры клетки - хлоропласты, содержащие пигменты и другие компоненты, необходимые для процессов поглощения и преобразования энергии света в химический потенциал.
Листья растений поглощают видимое, часть ультрафиолетового излучения и синтезируют органические вещества из минеральных (фотосинтез). Растения имеют различные комбинации пигментов. Основными пигментами растений, обеспечивающими поглощение лучистой энергии и ее использование на построение биомассы, являются зеленые пигменты - хлорофиллы a и b. Менее эффективную роль в поглощении и преобразовании энергии на фотосинтез играют желтые пигменты - каротиноиды.
Путь превращения энергии ОИ в процессе фотосинтеза в химическую энергию у всех видов растений одинаков: за счет восстановления углекислого газа до углеводов энергия ОИ трансформируется в химическую энергию органических молекул. Конечными продуктами фотосинтеза являются различные органические вещества - углеводы, белки, жиры и т. д. ОИ является источником энергии, углекислый газ - источником основного строительного материала растения, а вода - источником водорода при синтезе органических молекул (и кислорода -для атмосферы).
Накопление энергии в процессе фотосинтеза связано с химическими и электронными преобразованиями компонентов. В частности, происходит перестройка химических связей. Связи в молекулах разрываются, и возникает иной тип связей. Уравнение фотосинтеза обычно записывают в виде: 6С02 + 6Н20 - СбН12Об +602. (1.1)
Фотосинтетическая деятельность растений зависит от многих факторов, прежде всего от условий освещения (интенсивность и спектральный состав), доступность и концентрация углекислого газа, условий водоснабжения и минерального питания. Факторы внешней среды приводят к изменению активности фотосинтетических процессов (воздействуя на отдельные реакции фотосинтеза), что, в конечном счете, определяет общую продуктивность растений.
Различают световую и темновую стадии фотосинтеза, так как часть элементарных реакций фотосинтеза может протекать только при освещении, а часть в темноте:
1) световая стадия – окисление воды с образованием кислорода, водорода и запасанием энергии;
2) темновая стадия – восстановления CO2 (благодаря запасенной энергии углекислый газ соединяется с водородом и образуются молекулы углеводов).
Когда пигменты поглощают ОИ в различных участках спектра, возникает понятие о спектре действия фотосинтеза. Для его определения измеряют ответную реакцию, например, поглощенный CO2 или выделенный O2 [15]. Величины, характеризующие эффективность превращения энергии ОИ в химическую: 1) энергетический выход фотосинтеза – отношение количества энергии, запасенной растением в виде энергии химических связей к общему количеству энергии, поглощенной растением за определенное время. 2) квантовый выход – число молекул выделенного O2 (или поглощенного CO2) при поглощении одного кванта света.
Современные представления о процессах фотосинтеза основаны на существовании в растениях, так называемых фотосистем – неких центров, в которых происходит поглощение и запасание солнечной энергии (энергии ОИ), и ее расходование на фотохимические превращения.
Фотосистема содержит около 250 молекул пигментов, способных поглощать свет. Главная функция пигментов состоит в поглощении энергии света. Источником энергии служит электромагнитное излучение видимой области спектра с энергией 1–3 эВ (ФАР). Однако только молекула хлорофилла a может использовать поглощенную энергию в фотохимических реакциях, то есть является реакционным центром фотосистемы. Молекулы других пигментов не участвуют в фотохимической реакции, а только передают поглощенную световую энергию реакционному центру. Существует два типа фотосистем. В первой (I) молекула хлорофилла a, составляющая реакционный центр, имеет оптимальное, с точки зрения затрат энергии, поглощение при длине волны 700 нм (P700), а в более распространенной фотосистеме (II) – при 680 нм (P680). Когда эта фотосистема поглощает свет, то молекула P680 переходит в возбужденное состояние и два, принадлежащих этой молекуле, электрона, переносятся на молекулу акцептора. Следующий этап состоит в том, что окисленный P680 забирает недостающие электроны от молекулы воды, которая расщепляется на 2Н+ и 1/2O2 (фотолиз воды).
Обработка и вычисление результатов измерений
Инфракрасное излучение несет меньшее количество энергии (0,01-0,1 эВ) способно вызвать только изменение уровней вращательной и колебательной энергии. Ультрафиолетовое - обладает слишком большой энергией (5–10 эВ) и необратимо повреждает биологические структуры.
Поэтому при выращивании растений в условиях защищенного грунта необходимо применять ИИ, оптический спектр которых был бы не только согласован с областью максимального фотосинтетического действия, но и обладал благоприятной для растений регулирующей спектральной характеристикой. Каждая из трех основных областей ФАР (синяя, зеленая, красная) по отдельности мало эффективна [60]. Для разработки энергоэффективной ОбУ с заданным спектральным составом излучения и важно учитывать соотношение энергии полос излучения в разных участках спектра.
Эффективность стимулирования фотосинтеза зеленым светом показана в [11, 57, 85, 87]. Согласно исследованиям [1, 2], выращивание растений при освещении светом с двумя узкими спектральными полосами - красной (650 нм) и синей (470 нм), при соотношении красной и синей составляющих по потоку квантов 7:1 (по падающей энергии 2,48:1), приводит к системным изменениям в организме растения. В частности, происходит угнетение роста, наблюдается отсутствие перехода к генеративной стадии развития.
Из представленных данных следует, что изменяя содержание спектрального состава поглощаемого растениями ОИ (например, изменяя соотношение синей, зеленой и красной составляющих) можно активно влиять на протекание процессов, ускорять или замедлять их по сравнению с другими, то есть влиять на развитие растений.
Ясно, что кроме определенного спектрального состава поглощаемого растениями ОИ, необходимо соблюдать требуемые значения интенсивности излучения (энергетическая составляющая действия излучения). На рисунке 1.5 показана зависимость эффективности фотосинтетического действия ОИ в зависимости от его интенсивности. Эта зависимость качественно показывает, что существует определенный оптимальный поток излучения. 5 2/ / Интенсивность излучения, отн. ед. Рис.1.5. Типовая световая кривая фотосинтеза [70] 1-2 - «отрицательный» фотосинтез, 2 - световая компенсационная точка фотосинтеза, 3-4 - уменьшение резерва усвоения энергии за счет увеличения числа поглощенных квантов, 4-5 - плато насыщения
У растений одновременно с процессом фотосинтеза происходит и процесс дыхания (фотодыхания), при котором происходит деструкция ранее синтезированных органических соединений. Разлагая органические вещества, растения затрачивают энергию на дыхание (участок 1-2 на рис. 1.5). При этом они выделяют углекислый газ и поглощают кислород («отрицательный» фотосинтез). При малых значениях облученности интенсивность фотосинтеза бывает настолько мала, что усваиваемой при этом энергии бывает недостаточно для покрытия расхода ее на дыхание. При увеличении числа квантов излучения (интенсивности) растет и фотосинтез. 1.3 Системы оценки оптического излучения в растениеводстве
Для оценки доли наиболее ценной части излучения, благоприятно воздействующего на рост и развитие растений, в том числе, на процесс фотосинтеза используется представление о фотосинтетически активной радиации [46, 52, 62, 70, 89 и др.]. За рубежом приняты границы ФАР: 400-700 нм, в России эти границы расширены до значений: 380-710 нм [13, 18, 46, 52, 71], или: 380-720 нм [42, 48]. Однако существующее различие не отражается существенно на измерении ФАР [71]. Известно также об измерении плотности потока фотонов в областях длин волн 300-500 нм и 590-900 нм [45].
Для разработки (проектирования) ОбУ исключительно важно знать количество лучистой энергии, падающей на растения и поглощаемой ими. В основе существующих методов оценки падающего на растения излучения лежат как энергетические, так и световые (фотометрические) системы величин, и так называемые, эффективные [5, 6, 46, 62 и др.]. Единого подхода в количественной оценке падающего на растения, и, главное, воспринимаемого ими ОИ в пределах спектра чувствительности фотосинтеза, среди исследователей нет. Поэтому в научной литературе разных лет приводятся значения ФАР как в энергетических, так и световых величинах [46]: кал см"2 мин1 [71], эйнштейн/см2, эргсм с"1 [15, 46, 31]; интенсивность ФАР, Вт/м2 [60, 33], фит (фт) [6, 46]. Применение различных единиц очень неудобно, так как требует трудоемкого пересчета при анализе результатов исследований. А так же затрудняет сравнение результатов исследований эффективности воздействия ОИ на растения, полученных различными авторами, особенно при использовании разных типов ИИ и видов растений.
В фотометрической системе оценки излучения в качестве основного критерия используется понятие освещенности. Ее расчет связан со спектральной световой эффективностью излучения для стандартного фотометрического наблюдателя У(Л). Освещенность характеризует долю потока излучения, которая воспринимается глазом человека. Измерять или рассчитывать освещенность не представляет труда, поскольку метрология таких измерений доведена до высокой степени совершенства. В силу ряда причин (экономических, эксплуатационных и т. п., кроме светотехнических), практически единственным прибором, применяемым специалистами тепличных хозяйств для оценки эффективности режимов эксплуатации ОбУ, является люксметр (прибор ориентирован на чувствительность глаза).
Для сравнительной оценки эффективности ИИ существует методика [48], рекомендующая корреляцию между фотометрическими и фотосинтезными величинами. В основе анализа относительного спектрального распределения в [48] лежит модель, в которой излучение в области ФАР представляется состоящим из трех квазимонохроматических излучений с энергией Sотн1 , Sотн2 ,Sо тн3 для соответствующих областей спектра 1=380–500 нм, 2=500– 600 нм, 3=600–720 нм. Графоаналитическая интерпретация параметров и характеристик источников излучения для растениеводства на основе [48] показана в [37, 38].
Свентицкому (2) [6], относительная спектральная световая эффективность излучения для стандартного фотометрического наблюдателя (3) [62], а также спектр солнечного излучения у поверхности земли (1) [16]. Видно, что в области максимальной чувствительности глаза (555 нм) фотосинтезная кривая имеет минимум (рис. 1.6) и определение ФАР на основе данных о световых величинах практически невозможно. Следовательно, оценка эффективности ОбУ для растений (оценка ФАР) по измеренным значениям освещенности вследствие значительного различия фотосинтезной и световой эффективностей излучений недопустима [45, 72]. 1,0
Оценка стоимости единицы фотосинтезной и световой энергии для источников излучения и облучателей
В качестве образцового ИИ применяется лампа накаливания с ленточным телом ТРШ 2850-3000. В качестве анализатора спектра - монохроматор МДР-206 с турелью светофильтров и ФЭУ для спектрального диапазона 190-900 нм с АЦП.
Управление монохроматором и дополнительными устройствами при регистрации спектров осуществляются внешней ЭВМ, подключенной к монохроматору, через последовательный порт. Для работы с внешней ЭВМ применяется специализированное программное обеспечение для МДР.
Все измерения производятся в соответствии с рекомендациями и правилами, установленными ГОСТ 23198-94, ГОСТ 25024.7-90, ГОСТ 8.195-89, ГОСТ Р8.-2010 [79-82]. Для выполнения условия равномерности освещения щели и равномерности заполнения коллиматорного объектива монохроматора используется оптический косинусный корректор. При измерениях лампа ТРШ или светодиодный ИИ устанавливаются с учетом закона квадратов расстояний и на одинаковом расстоянии от косинусного корректора. Перед измерениями устанавливают такую ширину щели монохроматора, которая обеспечит высокий уровень сигнала измерительного тракта в пределах линейности чувствительности приемника излучения. С целью проведения измерений в одинаковой геометрии и при одинаковых размерах щелей монохроматора поток излучения высокоинтенсивных источников ослабляется нейтральными светофильтрами, спектры пропускания которых определяются с помощью спектрофотометра СФ-256 УВИ. Спектры излучения образцовой лампы 1еЛ0(Я)и исследуемого ИИ 1еП (Я) измеряются в относительных единицах. В месте расположения исследуемого ИИ (рис. 2.5) устанавливается образцовый ИИ - лампа ТРШ 2850-3000, распределение СПЭЯ (LeA) которой известно из сертификата калибровки. Спектр излучения образцового ИИ в виде IeЛ0(я) измеряют, обеспечивая необходимый электрический режим работы ИИ; интервал сканирования (шаг отсчетов ) в области спектра (380-720) нм, необходимый для требуемого спектрального разрешения. 2—3Т - Рис. 2.5. Схема расположения: 1 – источник излучения; 2 – турель светофильтров; 3 – косинусный корректор; 4 – монохроматор Спектральное распределение энергетической яркости исследуемого ИИ определяется по выражению (2.20). 2.3 Устройство управления характеристиками излучения четырехцветного светодиодного модуля
Для исследования характеристик, управления спектральным составом и интенсивностью излучения четырехцветного СДМ разработано лабораторное устройство управления (УУ). В качестве светового прибора используется СДМ, включающий печатную плату с двенадцатью RGBW светодиодами марки Cree XLamp MC-E, радиатор (рис. 2.4) и вентилятор. Светодиоды подключены последовательно. Номинальный ток для всех цветов составляет 350 мА, максимальное падение напряжения –3,9 В.
Работа УУ производится в стационарных лабораторных условиях. Поэтому решение задачи создания единичного лабораторного экземпляра прибора, используемого для отработки режимов и проведения экспериментов не подразумевает разработку специализированного сетевого источника питания. Для питания используется лабораторный источник питания подходящей мощности и диапазона напряжения (GW INSTEK GPD 73303S), являющийся стабилизированным, и изменения напряжения в сети не влияет на уровень его выходного напряжения. Схемотехническое решение. Независимое управление каждым цветом (путем задания токовых режимов, отличных от номинальных) осуществлялось с помощью регулируемого четырехканального стабилизированного источника тока. Структурная схема источника представлена на рисунке 2.6. Функционально прибор состоит из платы преобразователя и платы управления со средствами ввода-вывода.
В качестве средств ввода-вывода используется ЖК-дисплей и инкрементный енкодер, позволяющие организовать простое в использовании пользовательское меню. Рис. 2.6. Структурная схема регулируемого четырехканального источника тока
Для формирования фиксированного выходного тока по каждому из четырех каналов используется плата преобразователя - источник тока, управляемый напряжением. Регулирование выходного тока обеспечивается подачей на соответствующий канал преобразователя управляющего напряжения, сформированного цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).
Для измерения установленного тока на плату управления, на модуль аналого-цифрового преобразования (АЦП), подается обратная связь -напряжение, снятое с токового шунта соответствующего канала. Для организации ввода-вывода, управления ЦАП, снятия данных с АЦП, расчетов входных и выходных параметров плата управления оснащена микроконтроллером (МК).
Принцип и алгоритм работы.
После подачи питания на платы УУ происходит инициализация микроконтроллера платы управления, устанавливается начальное состояние (все светодиоды отключены). После выбора пользователем активного канала (цвета) и изменения его состояния путем вращения енкодера, формируется управляющее напряжения на выходе активного ЦАП, оно передается на соответствующий канал преобразователя, изменяется ток активной линейки светодиодов (одного цвета). После установившегося процесса фактический ток текущего цвета записывается в память микроконтроллера платы управления с помощью АЦП. Каналы являются независимыми, выбор активного канала никак не влияет на работу остальных. Через определенный временной интервал микроконтроллером производится циклический опрос текущей величины тока каждого цвета каналами АЦП, полученные данные сравниваются с записанными значениями тока и в случае различия на определенную величину ошибки полученных и сохранных данных производится корректировка управляющего напряжения ЦАП. Таким образом, пользователь может выставить значение тока в диапазоне 0–350 мА на каждом из каналов, как по отдельности, так и совместно. Алгоритм работы устройства представлен на рисунке 2.7.
Включение и отключение устройства. Включение и отключение устройства обеспечивается реле. Возможность формирования цикла работы с автоматическим включением и выключением предусмотрено таймером программы устройства. Продолжительность работы задается пользователем в часах (или минутах).
Принципы создания энергоэффективных адаптивных облучательных установок
Известно, что при монохроматическом излучении не удается получить полноценных растений [60], поэтому растению требуется воздействие излучения всего спектрального диапазона ФАР. Считается, что соотношения энергий в спектре ИИ должно быть в пределах: 30 % - в синей (380-490 нм), 20 % - в зеленой (490-590 нм) и 50 % - в красной (600-700 нм) областях [8, 41]. Однако доказательств оптимальности именно такого соотношения нет. Очевидно, что это соотношение индивидуально для каждого вида и для каждой стадии развития растений. Что подтверждает актуальность создания СП и ОбУ на их основе светодиодов, интеллектуальная система управления которыми дает возможность подобрать оптимальный для данного вида растения спектр и интенсивность излучения и изменять эти параметры в зависимости от изменения внешних факторов облучения растений (прежде всего, потока солнечной радиации).
На рисунке 4.3 приведены спектры излучения светодиодов, входящих в состав СДМ, в различных цветовых комбинациях, измеренные нами при одинаковой геометрии измерений и при различных значениях тока, протекающего через светодиоды, не превышающих номинальные.
Спектр излучения входящих в модуль светодиодов Из приведенных результатов исследований видно, что распределением энергии в спектрах излучения в пределах ФАР можно легко управлять не только путем составления различных сочетаний цветных или цветных и белых светодиодов, а также путем изменения токов светодиодов. Во всех рассмотренных вариантах сочетаний светодиодов есть такая возможность. Безусловно, трехцветный вариант имеет большие возможности для варьирования спектральным составом излучения, хотя двухцветный может быть более экономичным. Ясно также, что при таком варьировании суммарный фитопоток должен сохранять оптимальные для протекания фотосинтеза значения. Известно, что с увеличением потока излучения эффективность фотосинтезных и других реакций в растении имеет вид кривых с насыщением (рис. 1.5). Превышение биологически обоснованного уровня приведет только к повышению расходования ОИ в тепло.
Отметим, что спектральный состав излучения может влиять и на длительность вегетационного периода, сокращение которого также может снизить энергопотребление при выращивании культур в теплицах. Таким образом, управление спектральным составом, интенсивностью излучения в зависимости вида и стадии развития растения, времени суток и погодных условий является четвертым принципом повышения энергоэффективности светодиодных ОбУ. 4.4 Принципы создания энергоэффективных адаптивных облучательных установок Все перечисленные выше принципы реализуются с помощью универсального способа – создания адаптивных облучательных установок. Излучение таких установок дополняет недостающее солнечное. Они могут применяться в комбинированных ОбУ, для досветки культуры внутри ценоза и обеспечивают возможность корректировки спектрального состава в процессе эксплуатации в зависимости от вида, стадии развития растения, времени суток и погодных условий. Требуемые значения параметров дополнительного облучения определяется индивидуальными свойствами растения и климатическими условиями. Поэтому, обязательным элементом ОбУ должна быть система контроля параметров и характеристик ФАР в теплице, например, на основе компактных радиометров. Управление дополнительным светодиодным облучением должно быть основано на сравнении измеренных параметров с заданными.
В основе конструирования ОбУ должен лежать модульный принцип, а модуль состоять из определенного количества светодиодов различных цветов. Управление спектральным составом и интенсивностью излучения осуществляться заданием значений токов, протекающих через светодиоды. Экспериментально полученные зависимости интенсивностей излучения СДМ от тока показаны на рисунке 4.4 и свидетельствуют, что уменьшение тока не уменьшает энергоэффективность светодиодов. В основе схемотехнического решения – разработка коллективных драйверов с возможностями управления токами в широких пределах по специальной программе. При этом пределы регулирования должны быть такими, чтобы спектральный состав и интенсивность излучения находились в оптимальных интервалах значений.
