Обоснование комплексного применения электротехнологий для повышения продуктивности огурца в сооружениях защищенного грунта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, доктор наук Владыкин Иван Ревович

• Владыкин Иван Ревович
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Владыкин Иван Ревович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ ОГУРЦА В СООРУЖЕНИЯХ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

1.1 Анализ существующих электротехнологий предпосевной обработки семян огурца ультрафиолетовым облучением

1.1.1 Анализ искусственных источников ультрафиолетового излучения

1.1.2 Анализ существующих установок для предпосевной обработки семян

1.2 Существующие способы электрооблучения огурца в сооружениях защищенно-

го грунта

1.2.1 Анализ пространственного позиционирования и укрывных материалов для сооружений защищенного грунта

1.2.2 Анализ существующих источников искусственного излучения

1.3 Электрооборудование для регулирования параметров микроклимата в грани-

цах технологического диапазона

1.3.1 Силовое электрооборудование сооружений защищенного грунта

1.4 Выводы по главе

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОЗ ОБЛУЧЕНИЯ И ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА НА ПОВЫШЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ ОГУРЦА В ЗАЩИЩЕННОМ ГРУНТЕ

2.1 Теоретическое обоснование расчета дозы облучения предпосевной обработки ультрафиолетовым излучением семян огурца

2.1.1 Определение коэффициента формы семян

2.1.2 Теоретическое обоснование дозы ультрафиолетового излучения в передвижных установках

2.2 Теоретическое обоснование дозы облучения рассады огурца в сооружениях защищенного грунта

2.2.1 Теоретическое обоснование дозы фотосинтетически активной радиации в ареале естественного происхождения огурца

2.2.2 Расчет интенсивности и длительности экспозиции спектральных составляющих фотосинтетически активной радиации солнечного излучения для ареала естественного происхождения огурца

2.2.3 Математические зависимости влияния высоты солнца на изменение дозы спектральных составляющих зоны фотосинтетически активной радиации солнечного излучения

2.3 Теоретическое обоснование границ технологического диапазона изменения температуры в сооружениях защищенного грунта

2.3.1. Математическая модель температурного режима, полученная методом электротепловой аналогии

2.3.2 Математическая модель температурного поля с учетом воздушных потоков

2.3.3. Математическая модель прогнозирования и коррекции границ технологического диапазона изменения температуры в сооружении защищенного грунта

2.4 Выводы по главе

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК, РЕЖИМОВ ОБЛУЧЕНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА

3.1 Условия проведения экспериментов

3.2 Исследование энергоэффективных режимов предпосевной обработки ультрафиолетовым излучением

3.2.1 Обоснование энергоэффективных режимов работы облучательных установок для ПО УФИ семян огурца

3.2.2 Исследование распределения ультрафиолетового излучения

3.3 Обоснование спектральных режимов облучения рассады огурца

3.4 Исследование взаимного влияния параметров микроклимата в защищенном грунте

3.5 Экспериментальные исследования влияния электротехнологий на урожайность и качество продукции

3.6 Выводы по главе

4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ ОГУРЦА В СООРУЖЕНИЯХ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

4.1 Разработка и техническая реализация облучательной установки для предпосевной обработки ультрафиолетовым излучением семян огурца

4.2 Техническая реализация системы автоматической стабилизации дозы в облу-чательных установках

4.2.1 Выбор языков и среды программирования

4.2.2 Техническая реализация системы автоматической стабилизации дозы спектральных составляющих в облучателях

4.3 Программирование логических контроллеров для комплексного управления микроклиматом в сооружениях защищенного грунта

4.3.1 Алгоритм взаимосвязанного управления параметрами микроклимата

4.3.2 Разработка программы управления параметрами микроклимата для устройств промышленной электроники

4.3.3 Выбор программируемого логического контроллера для реализации программы управления параметрами микроклимата

4.4 Выводы по главе

5. ОЦЕНКА И ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ ОГУРЦА В СООРУЖЕНИЯХ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

5.1 Технико-экономическое обоснование применения предпосевной обработки семян огурца ультрафиолетовым излучением

5.2 Экономическая эффективность облучения рассады огурца облучателями, управляемыми программой автоматической стабилизации дозы и имитирующими спектральный состав солнечного излучения

5.3 Технико-экономическое обоснование алгоритма работы и программы управ-

ления электроприводом энергосберегающего экрана, с учетом влияния параметров микроклимата

5.4 Общие выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы и результаты

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ИЛЛЮСТРИРОВАННОГО МАТЕРИАЛА

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1 Приборная база для экспериментальных исследований

Приложение 2а Расчет продолжительности светового дня для ареала естественного происхождения культурных растений

Приложение 2б Результаты расчета скорости движения Солнца для ареала естественного происхождения культурных растений

Приложение 2в Спектральные составляющие солнечного излучения

Приложение 3 Параметры микроклимата в АО «ТК «Завьяловский» 2005 г

Приложение 4 Показатели микроклимата в АО «ТК «Завьяловский» 2016 г

Приложение 5а Затраты на тепло АО «ТК «Завьяловский» 2016 год

Приложение 5б Затраты на тепло АО «ТК «Завьяловский» за 2017 год

Приложение 6 Протоколы измерений и испытаний

Приложение 7 Схема проведения измерения показателей микроклимата в ООО

«ЦВЕТОЧНАЯ КОМПАНИЯ «ЛИЛИЯ»

Приложение 8 Акты о внедрении результатов работы

Приложение 9 Договоры о внедрении результатов НИОКР

Приложение 10 Патенты на полезную модель

Приложение 11 Свидетельства о государственной регистрации программ

Приложение 12 Акты приема-передачи результатов НИР

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование комплексного применения электротехнологий для повышения продуктивности огурца в сооружениях защищенного грунта»

ВВЕДЕНИЕ

Прогноз научно-технического развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2030 года предполагает внедрение в существующих сооружениях защищенного грунта тепличных комбинатов технологии роботизированных теплиц. Это возможно при разработке методов сверхинтенсивного выращивания растений, принципов и механизмов формирования искусственных агробиоценозов, климатонезависимых замкнутых искусственных экосистем сельскохозяйственного назначения. Внедрение таких технологий в тепличных хозяйствах нашей страны позволит обеспечить граждан качественной овощной продукцией и продовольственную независимость России. Наиболее рентабельной для тепличного производства в широтах умеренного климата нашей страны является огурец, как культура не прихотливая к высокому уровню естественной облученности.

Развитие производства огурца указывает на целесообразность применения интенсивных энергосберегающих электротехнологий. Актуальным является снижение энергозатрат, поскольку они занимают значительный процент в их себестоимости. Исследования показали, что снизить энергозатраты при производстве огурца в защищенном грунте возможно за счет применения перспективных электротехнологий, позволяющих повысить всхожесть семян, сократить сроки вегетации и увеличить продуктивность. К таким электротехнологиям относят: предпосевную обработку семян ультрафиолетовым излучением (УФИ), электрооблучение рассады и электротехнологии обеспечения параметров микроклимата.

Степень разработанности темы. Решению проблем повышения эффективности электротехнологий при производстве продукции защищенного грунта большое внимание уделено в фундаментальных исследованиях Л.Г. Прищепа, И.Ф. Бородина, Д.С. Стребкова, И.И. Свентицкого, Л.П. Шичкова, Л.Ю. Юферева, В.Н. Карпова, Ю.М. Жилинского, Д.А. Тихомирова, Ф.Я. Изакова, А.В. Дубровина, Ю.Х. Шогенова, С.А. Овчуковой, В.В. Харченко, В.Р. Крауспа, Н.П. Конд-

ратьевой, В.А. Воробьева, А.М. Башилова, R.McCree, P. Mekkel, B. Singh, M. Fisher, J. Bonnet, P. Harris, M. Derradji, M. Aiche, K. Källblad и др.

Анализ работ этих и других ученых показал, что, в настоящее время, не решены вопросы влияния спектральных составляющих дозы искусственных источников излучения на продолжительность вегетации и продуктивность огурца, а также повышения энергоэффективности при регулировании параметров микроклимата. Поэтому комплексное применение облучательных установок, электротехнологий и электрооборудования, создающих микроклимат в сооружениях защищенного грунта, работа которых управляется устройствами промышленной электроники, обеспечивающее повышение продуктивности, сокращение сроков вегетации огурца и снижение затрат на топливно-энергетические ресурсы, является актуальной задачей.

Взаимосвязанная работа технологического электрооборудования, обеспечивающая контроль дозы облучения при предпосевной обработке и выращивании рассады, а также обеспечение требуемых параметров микроклимата, невозможна без применения программируемых логических контроллеров (ПЛК), для которых разрабатывается специальный алгоритм работы и пишется специальная программа. Поэтому повышение эффективности работы электрооборудования для облу-чательных установок и систем поддержания микроклимата в сооружениях защищенного грунта с помощью ПЛК, обеспечивающей повышение продуктивности растений и снижение потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), является актуальной задачей.

В диссертационной работе изложены новые научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны. Это имеет важное политическое, социально-экономическое, культурное и хозяйственное значение, т.к. вносит вклад в обеспечение продовольственной безопасности и развитие России.

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

гии управления микроклиматом в защищенном грунте», № 01201350385 «Исследования и разработка электротехнологий на предприятиях АПК» проводимыми Министерством сельского хозяйства и Продовольствия Удмуртской Республики. По материалам исследований, которые легли в основу настоящей докторской диссертации защитили выпускные квалификационные работы более 56 специалистов и бакалавров, получили степень 12 магистров и защищено 5 кандидатских диссертаций по специальности 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве.

Цель работы: повышение продуктивности огурца посредством комплексного применения электротехнологий, разработки и применения соответствующих математических моделей и алгоритмов управления автоматизированными средствами обеспечения микроклимата сооружений защищённого грунта (в условиях Удмуртии).

Задачи исследования:

1. Провести анализ режимов работы электрооборудования при производстве огурца в защищенном грунте для определения способов повышения его продуктивности и снижения затрат на энергоресурсы.

2. Существенно повысить эффективность предпосевной обработки семян огурца путем разработки системы автоматической стабилизации дозы ультрафиолетового облучения, а также разработать методику расчета дозы облучения при предпосевной обработке семян огурца с учетом влияния коэффициента их формы, базирующегося на математическом моделировании процесса.

3. Разработать конструкцию устройства для предпосевной обработки семян, провести производственные испытания в условиях защищенного грунта облуча-тельных установок для подтверждения гипотезы о снижении расхода энергопотребления при сохранении качества огурца.

4. Провести исследования и разработать методику расчета доз спектральных составляющих солнечного излучения в ареале естественного происхождения огурца, и разработать рекомендации применения результатов исследований в облучательных установках защищенного грунта.

5. Разработать алгоритм работы логических контроллеров и программу автоматической стабилизации дозы спектральных составляющих облучения для повышения эффективности работы облучательных установок в защищенном грунте.

6. Разработать и доказать адекватность математической модели прогнозирования и коррекции границ технологического диапазона изменения температуры, обеспечивающих повышение продуктивности огурца в сооружении защищенного грунта.

7. Предложить алгоритм работы и программу управления электроприводом энергосберегающего экрана, с учетом влияния параметров микроклимата в границах технологического диапазона их регулирования в режиме реального времени при изменении технологических задач с целью снижения потребления тепловой энергии.

8. Провести технико-экономические расчеты применения предпосевной обработки семян огурца ультрафиолетовым облучением, облучения рассады огурца облучателем, имитирующим спектральный состав солнечного излучения в ареале естественного происхождения и усовершенствованного алгоритма управления электропривода энергосберегающего экрана.

Объектом исследования является: комплексное применение электротехнологий, включающих ультрафиолетовую предпосевную обработку семян, создание спектра облучателем для искусственного облучения рассады огурца идентичного спектру естественного солнечного облучения в условиях ареала естественного происхождения растений, разработка и применение соответствующих математических моделей и алгоритмов управления автоматизированными средствами обеспечения микроклимата сооружений защищённого грунта.

Предмет исследований: изучение процессов воздействия и обоснование энергоэффективных режимов работы существующего и методики исследования модернизированного электрооборудования для создания микроклимата и коррекции дозы облучения предпосевной обработки семян и рассады огурца в сооружениях защищенного грунта.

Научная новизна:

1. Разработана методика расчета дозы ультрафиолетового облучения для предпосевной обработки семян огурца с учетом коэффициента их формы, повышающая точность определения дозы облучения и снижающая время работы облучательных установок.

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

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

4. Разработана математическая модель прогнозирования и коррекции границ технологического диапазона изменения температуры в сооружении защищенного грунта, позволяющей сформировать климатонезависимую замкнутую экосистему за счет оперативного управления исполнительными механизмами электрооборудования.

5. Разработанные алгоритмы управления автоматизированными средствами обеспечения микроклимата сооружений защищённого грунта, позволяют снизить потребление энергоресурсов на 10% за счет работы электропривода энергосберегающего экрана.

Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на полезную модель №54714; патентом РФ на полезную модель № 127286; свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012610650 «Программа для систем автоматического регулирования температурного режима в теплице» дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 10 января 2012 года; свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015661513 «Взаимосвязанное управление параметрами микроклимата защищенного грунта», дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 29 октября 2015 года; свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017611784 «Распределение и регулирование концентрации углеки-

слого газа в зависимости от других микроклиматических параметров в защищенном грунте», дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 09

февраля 2017 года.

Теоретическая и практическая значимость работы определяется следующими основными результатами:

1. Конструкция установки с системой автоматической стабилизацией дозы облучения семян огурца ультрафиолетовым излучением, в соответствии с разработанной методикой, позволяет проводить предпосевную обработку семян точно дозированным ультрафиолетовым излучением.

2. Определены дозы фотосинтетически активной радиации предпосевной обработки семян огурца ультрафиолетовым излучением, позволяющие увеличивать продуктивность взрослых растений на 8%.

3. Алгоритм управления системой автоматической стабилизации дозы облучения овощных культур позволяет поддерживать необходимые дозы спектральных составляющих зоны фотосинтетически активной радиации и имитировать требуемый спектральной состав излучения с использованием программного комплекса промышленной автоматизации «CoDeSys».

4. Программное обеспечение, созданное на базе языка программирования устройств промышленной электроники «Функциональные блоковые диаграммы» для работы электропривода энергосберегающего экрана, учитывающее в реальном времени естественную облученность и температуру наружного воздуха, позволяет снизить затраты на отопление в сооружении защищенного грунта на 10%.

5. Программа и алгоритм работы устройств промышленной электроники, обеспечивающие повышение эффективности работы существующего электрооборудования для создания микроклимата в сооружении защищенного грунта, позволяют повысить продуктивность огурца на 8% и снизить затраты на энергоресурсы при его производстве в промышленных масштабах.

6. Результаты диссертации, подтвержденные протоколами испытаний и актами о внедрении, применяют в тепличных комбинатах Республики Удмуртия для

создания требуемых параметров микроклимата и повышения энергосберегающего эффекта при работе существующего электрооборудования в сооружениях защищенного грунта, а также в учебном процессе бакалавров агроин-женерных специальностей в ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА.

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

1. Акционерное общество «Тепличный комбинат «Завьяловский» Удмуртской Республики (алгоритм управления работой электрооборудования для поддержания температурного режима).

2. Общество с ограниченной ответственностью «Цветочная компания «Лилия» Удмуртской Республики (программа для логических контроллеров, управляющих температурным режимом с учетом влияния внешней среды).

3. Общество с ограниченной ответственностью «Декоративно-цветочный комбинат» Удмуртской Республики (алгоритм управления и программа для энергоэффективного режима работы электрооборудованием в условиях защищенного грунта);

4. ФГБОУ ВО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (в учебном процессе для студентов).

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные математическая модель и методика расчета дозы ультрафиолетового облучения семян для предпосевной обработки, влияющей на продуктивность огурца, позволяют определить наиболее эффективную дозу 8,67 кДж/м предпосевного облучения.

2. Предложенный способ предпосевной обработки семян огурца ультрафиолетовым излучением длиной волны 365 нм, позволяет повысить прибыль за счет роста стоимости произведенной продукции в ценах ее реализации при увеличении продуктивности.

3. Предложен новый метод управления режимом работы светодиодного облучателя, программируемым логическим контроллером, позволяющий сократить

срок развития огурца и за счет этого снизить потребление электроэнергии на 12%.

4. Разработанный алгоритм работы программируемого логического контроллера для светодиодного облучателя рассады в защищенном грунте позволяет обеспечивать эффективный спектр излучения для снижения сроков вегетации рассады на 4 дня, и имитировать солнечное излучение в естественном ареале происхождения огурца.

5. Разработанная математическая модель прогнозирования и коррекции границ технологического диапазона изменения температуры, учитывающая взаимное влияние естественного облучения на температурный режим в сооружении защищенного грунта, позволяет снизить потребление энергоресурсов на 10% за счет режима работы электропривода энергосберегающего экрана.

Методология и методы исследований базируются на системном подходе к объекту исследования в качестве целостного комплекса теоретических и экспериментальных результатов, и заключается в применении математических, физических, светотехнических, фотометрических, биометрических, статистических методов. Использовались методы математического моделирования с применением программного обеспечения MSExcel, MathCADPrime, CompasgraphicV16, среда программирования CoDeSys, языки программирования устройств промышленной электроники «Функциональные блоковые диаграммы» и «Последовательные функциональные диаграммы», теоретические основы электротехники, технико-экономические способы определения экономической эффективности, современная измерительная приборная база.

Степень достоверности и апробация результатов. Результаты диссертационной работы доложены и одобрены на международных и зарубежных конференциях: на научно-практической конференции аспирантов и докторантов Российского Государственного Аграрного Заочного Университета (1998 год); на XVIII и XIX научно-производственных конференциях Ижевской Государственной сельскохозяйственной академии (1998-1999), выставке «Ижевск - город 2000»; Труды 4-ой международной научно-технической конференции «Энергосберегаю-

щие технологии в животноводстве и стационарной энергетике». Москва, ВИЭСХ, 2004 г.; Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Министерство сельского хозяйства, ФГОУ ВПО Ижевская государственная сельскохозяйственная академия. 2006. «Инновации в образовании и науке», МГАУ 2009 год; Всероссийская научно-практическая конференции, посвященная 35-летию факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства «Инновационные электротехнологии и электрооборудование - предприятиям АПК» г. Ижевск ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА» 2012 год; 8-я Международная научно-техническая конференция «Энергосберегающие технологии в растениеводстве и мобильной энергетике» г. Москва, (ГНУ ВИЭСХ). 2012 год; 9-я Международная научно-техническая конференция, посвященная 85-летию академика И.Ф. Бородина «Энергообеспечение и энергосбережение в с.-х.» 21-22 мая 2014 года, г. Москва, ГНУ ВИЭСХ; Science, Technology and Higher Education: materials of the V International research and practice conference Westwood, June 20th, 2014/Canada; 6-я Международная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Инновации в сельском хозяйстве» г. Москва, ФГБНУ ВИЭСХ, декабрь 2015 года; Научно-практический семинар «Энергоресурсосбережение в промышленности, ЖКХ и АПК», март 2016 год; Всероссийская научно-практическая конференция «Научное и кадровое обеспечение АПК для продовольственного импортоза-мещения» Ижевск, 16-19 февраля 2016 год.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 73 работах, 12 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента на полезную модель, 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ и 5 работ опубликованы в зарубежных изданиях, 2 учебника и 4 учебных пособия.

Структура и объем диссертации. Основной текст диссертации изложен на 337 страницах машинописного текста, содержит 229 наименований в списке литературы из них 6 на иностранных языках, 12 приложений, 131 рисунок, 32 таблицы и 100 формул. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций дальнейшей разработки темы.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ ОГУРЦА В СООРУЖЕНИЯХ ЗАЩИЩЕННОГО

ГРУНТА

Продовольственная безопасность РФ является одним из главных направлений обеспечения национальной безопасности страны в среднесрочной перспективе, фактором сохранения ее государственности и суверенитета, важнейшей составляющей демографической политики, необходимым условием реализации стратегического приоритета - повышение качества жизни российских граждан путем гарантирования высоких стандартов жизнеобеспечения [1].

Основными задачами обеспечения продовольственной безопасности независимо от изменения внешних и внутренних условий являются [167]:

• своевременное прогнозирование, выявление и предотвращение внутренних и внешних угроз продовольственной безопасности, минимизация их негативных последствий за счет постоянной готовности системы обеспечения граждан пищевыми продуктами, формирования стратегических запасов пищевых продуктов;

• устойчивое развитие отечественного производства продовольствия и сырья, достаточное для обеспечения продовольственной независимости страны;

• достижение и поддержание физической и экономической доступности для каждого гражданина страны безопасных пищевых продуктов в объемах и ассортименте, которые соответствуют установленным рациональным нормам потребления пищевых продуктов, необходимых для активного и здорового образа жизни;

• обеспечение безопасности пищевых продуктов.

В доктрине особым образом отмечено, что производство сельскохозяйственной продукции, в т.ч. и производство огурца в защищенном грунте (ЗГ), должно концентрироваться на расширение и более интенсивном использовании потенциала биологических ресурсов и новых технологий их индустриального выращивания [2].

Реализация положений настоящей Доктрины позволит обеспечить продовольственную безопасность как важнейшую составную часть национальной безопасности, прогнозировать и предотвращать возникающие угрозы и риски для экономики страны, повышать ее устойчивость, создавать условия для динамичного развития АПК, улучшения благосостояния населения [2].

Как показывают данные, Аналитического вестника Совета Федерации ФС РФ №26 за 2017 год стабильный рост потребления в последнее время имеют овощи (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Потребление продуктов питания населением Российской

Федерации (в среднем на душу населения в год, кг)

Продукты питания 2013 2014 2015 2016 2017

Хлеб и хлебобулочные изделия 118 118 119 118 118

Картофель 130 123 117 118 118

Овощи 79 78 83 86 86

Мясо и мясопродукты 50 48 45 45 46

Молоко и молочные продукты 229 221 215 216 222

Яйца (штук) 210 218 222 229 236

Сахар 33 33 35 35 36

В основном это связано с пропагандой здорового образа жизни. Следовательно, производство собственных качественных овощей с комплексным применением современных электротехнологий управления технологическими процессами (ТП) производства является важнейшим элементом продовольственной безопасности нашей страны [3].

Несомненно, для обеспечения здорового образа жизни российских граждан на рынки нашей страны необходимо поставлять качественную овощную продукцию, в том числе и огурец, с минимальным содержанием вредных веществ или хотя бы не превышающим предельно допустимые концентрации.

Для регулирования параметров микроклимата в границах технологического диапазона их изменения в современных сооружениях защищенного грунта необходимо использовать электротехнологии, которыми управляют устройства промышленной электроники, входящие в автоматические системы управления техно-

логическими процессами с высоким уровнем автоматизации. Как показывает большой опыт промышленной автоматизации для обеспечения высокого уровня автоматизации необходимо что бы затраты на контрольно-измерительные приборы и автоматику при этом составляли не менее 40% [21]от общих затрат на производство огурца и другой овощной или сопутствующей продукции.

В условиях варьируемой продолжительности дня особую значимость для производства огурца в условиях сооружений защищенного грунта Удмуртии приобретает облучение искусственными источниками излучения - электрооблучение.

Источники искусственного излучения применяют в установках, которые применяют для следующих агротехнологических этапов производства продукции:

• предпосевная обработка семян огурца, культивируемого в защищенном грунте для повышения их всхожести и продуктивности;

• создание рациональных уровней освещенности и дозы облучения для рассады с целью ускорения процесса роста растений;

• облучение взрослых растений в защищенном грунте для имитации естественных световых условий произрастания биологических объектов.

Технологические процессы в защищенном грунте, требующие максимальных затрат энергии, является создание искусственных агробиоценозов, климато-независимых замкнутых искусственных экосистем сельскохозяйственного назначения в сооружениях защищенного грунта, т.е. затраты на отопление и облучение растений и применение более интенсивных технологий выращивания огурца.

Для выращивания огурца в защищенном грунте и получения его продукции используют большое количество энергонасыщенного электрооборудования [167, 168]. Основное электрооборудование в теплицах для систем поддержания микроклиматом может быть представлено в виде структурной схемы (рисунок 1.1).

Для поддержания параметров микроклимата в границах технологического диапазона их регулирования в соответствии с агротехнологическими требованиями применяют три основные группы электрооборудования в защищенном грунте - это установки для создания требуемых параметров облученности, электропривод большого количества исполнительных механизмов, а также вспомогательное

электрооборудование, куда входят светильники дежурного освещения и электрооборудование для собственных нужд.

Рисунок 1.1 - Структура электрооборудования для поддержания микроклимата

Для обеспечения высокого уровня автоматизации, интенсификации производства огурца в сооружениях защищенного грунта используют электротехнологии и электрооборудование, управление которым осуществляется устройствами промышленной электроники, входящими в сеть во главе с центральным промышленным компьютером с обедненной периферией. Такое устройство систем управления технологическими процессами создания микроклимата для производства огурца является иерархическим и позволяет быстро реагировать на изменение технологических задач и условий окружающей среды. Программирование логических контроллеров, основано на математическом моделировании физических и технологических процессов изменения параметров микроклимата в границах технологического диапазона их регулирования. Математическая модель процесса, например, прогнозирования и коррекции изменения температуры в границах технологического диапазона может быть основой для создания программы. Для выполнения исследований в полном объеме были разработаны структурные схемы положений по формированию задач исследования в настоящей диссертации и научного обеспечения электротехнологий в ЗГ (рисунок 1.2 и 1.3).

Рисунок 1.2- Положения по формированию задач исследований электротехнологий в защищенном грунте

Рисунок 1.3 - Структурная схема научного обеспечения электротехнологий в защищенном грунте

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Владыкин Иван Ревович, 2019 год

/ \

/ ||

г Зг ,99 ч. В 8,У

0

20

10

Длина, см

Рисунок 3.8 - Распределение облученности под лампой ДРТ-400

Очевидно, что эта кривая совпадает с кривой распределения силы УФИ под лампой ДРТ-400 снятой экспериментально (рисунок 3.6) и принимает вид параболы с максимумом в точке ^(10;45,6), уравнение которой в общей форме выглядит следующим образом:

(х — а)2 = —2 • р • (у — Ь) (3.2)

где р - параметр параболы; а, Ь - коэффициенты параболы.

Взяв любую точку исследуемой кривой, например, М(2,5; 41,7) и подставив её координаты и координаты максимума в выражение (3.2), получим уравнение зависимости, описывающей распределение облученности Е, Вт/м , от расстояния L, м, в виде:

Е = 30,93 + 111,11 • Ь — 555,5 • I2. (3.3)

Подставляя выражение (3.3) в (2.17), получим выражение для нахождения дозы Н, Дж/м , получаемой семенами за время перемещения в зоне облучения:

Н = {°Л(30,93 + 111,11 • I — 555,5 • I2) • 6.1. (3.4)

Интегрируя по частям это выражение, получим значение дозы перемещения, равное Нпер=8674,5 Дж/м .

Однако следует отметить, что расчет доз облучения в установках, где материал перемещается под источником излучения, Нпер, Дж/м , предложены и други-

ми авторами. Например, в работе Ковчина С.А. [216] предложен следующий способ:

ЯпеР к-у

(3.5)

где 10 - сила излучения на плоскости под центром лампы, Вт; h -высота подвеса лампы, м; V - скорость передвижения транспортера, м/с.

По методике Жилинского Ю.М. [171], дозу в подвижных установках Нпер, Дж/м , вычисляют по формуле:

Нпер = 4 (3 6)

Результаты сравнения расчетов доз, полученных семенами огурца при облучении, для производства в условиях сооружений защищенного грунта в установках подвижного типа сведены в таблицу 3.3.

Таблица 3.2 - Расчеты доз в установках подвижного типа

Метод 1 способ 2 способ по способу Жилинского Ю.М. по способу Ковчина С.А. Среднее

Расчетное значение Нпер, Дж/м2 8780,6 8674,5 8689,0 8804,1 8737,0

Анализ таблицы 3.3 показывает, что ошибка при расчетах различными методиками незначительна и составляет 2,3%, что меньше 5% и вполне приемлемо. На основании этого, можно сделать вывод, что предлагаемые нами способы расчета верны и могут быть использованы в дальнейшем.

Считаем, что целесообразнее для расчетов дозы облучения использовать предложенный нами способ определения дозы облучения по выражению (3.4), т.к. в нем использованы не геометрические параметры установки, как это предложено в других способах, а он основан на математической интерпретации кривой силы УФИ под источником излучения. Это позволяет говорить о его точности по сравнению с другими методами. На основании этого можно утверждать о том, что используя этот способ определения дозы облучения можно более точно определить время выдержки семян под источником излучения, т.е. экспозиции облучения.

Таким образом, используя выражение (2.3) для определения облученности биологических объектов под ИИИ и учитывая, что:

получим время для обеспечения различных доз облучения. Результаты расчетов сведены в таблицу 3.4.

Таблица 3.3 - Время и дозы облучения

Время облучения, сек. 0 88,5 132 176 220

Доза облучения, кДж/м 0 4,0 6,0 8,67 10,0

Вариант 1 (контроль) 2 3 4 5

Кроме того, если представить изменение доз облучения на рабочей поверхности транспортера (рисунок 3.9), можно заметить неравномерность доз облучения в центре транспортера и на периферии.

кДж/м^ 12 10 8 6 4 2 0

| | зона облучения tвыд 2минуты tвыд 3 минуты tвыд 4 минуты

Рисунок 3.9 - Распределение доз облучения на поверхности

Это позволяет утверждать, что, в настоящее время, целесообразно для обеспечения равномерности облучения и точного определения дозы использовать вместо лампы типа ДРТ в качестве источника УФИ светодиоды и разработать установку на современной элементной базе для точной выдержки семян под светодиодными источниками ультрафиолетового излучения.

3.3 Обоснование спектральных режимов облучения рассады огурца

Исследования биологов показали, что огурец сохраняет те биологические свойства, которые он приобрел в местах своего первоначального произрастания и возделывания. Поэтому для получения возможно большей продуктивности огурца, необходимо иметь четкие представления о том, из какой части земного шара он происходит. Это необходимо для того, чтобы создать условия близкие к исторической родине данной культуры [189, 190, 191].

Обзор специальной агрономической литературы показал, что огурец происходит из Южно-Азиатского центра происхождения растений. (рисунок 3.10).

Центральнеамериканский

( С/ ч Средщекноио]?

' центр

" . Восточно.азиатский

Юю-западно а знатоки«

центр

Андийский центр у» у

Южно-лзиатсшт центр

0 ^

1

Рисунок 3.10 - Ареалы естественного происхождения овощных культур.

Климатические условия России вынудили эту культуру приспосабливаться, что выражается в приобретении новых свойств, которых не имели предки огурца. Поэтому для получения высокой продуктивности огурца необходимо смоделировать спектральный состав солнечного излучения в условиях Южной Америки, где первоначально произрастали эти растения [194]. При этом необходимо принимать во внимание, что растение является аккумулятивным объектом, т.е. его развитие связно с дозой облучения.

Анализ специальной литературы показал, что до 95% урожая в открытом грунте формируется за счет фотосинтетической деятельности растений. К.А. Тимирязев считал, что предел плодородия почвы определяется не количеством вно-

симых удобрений и подаваемой воды, а количеством световой энергии, поступающей от солнца, которую поглощают растения с помощью зеленого пигмента хлорофилла, преобразующий солнечную энергию в химическую энергию органических соединений и накопление массы растения [183, 184, 193]. Только солнечная радиация является энергетической основой фотосинтеза, транспирации, поглощения и передвижения элементов минерального питания и ассимилянтов, именно приход солнечной энергии или доза спектральных составляющих зоны фотосинтетически активной радиации формирует тепловой, водный и воздушный режимы почвы и растений в течение всей их вегетации [193].

В виду того, что при формировании урожайности культур доминирующим фактором является доза спектральных составляющих зоны фотосинтетически активной радиации (ФАР), то целесообразно провести анализ доз спектральных составляющих зоны ФАР солнечного излучения для исторической родины огурца. Это страны Юго-Восточной Азии: юг Индии, остров Шри-Ланка, Лаос, Вьетнам, Малайзия, Северо-Западная часть Индонезии и др.

Для анализа выберем следующие регионы земного шара:

• остров Шри-Ланка с географическими координатами 7° 0' 0" (7° 0' 0) северной широты 81° 0' 0" (81° 0' 0) восточной долготы - ареал естественного происхождения огурца;

• Краснодарский край с координатами 45° 2' 41" (45° 2' 69) северной широты и 38° 58' 33" (38° 58' 56) восточной долготы - южный регион России.

• г. Ижевск 56° 50' 59" (56° 50' 98) северной широты и 53° 12' 16" (53° 12' 26) восточной долготы - регион расположения сооружений защищенного грунта для экспериментальных исследований.

Цель этих исследований -дальнейшее обоснование наиболее эффективного сочетания доз спектральных составляющих для разрабатываемого источника излучения для получения максимальной продуктивности огурца, культивируемого в сооружениях защищенного грунта. На основании полученных результатов необходимо научно обосновать и разработать облучательную установку со спектральным составом, обеспечивающим минимальные сроки созревания рассады огурца.

Поглощение листьями оптического излучения зависит от его спектрального состава, толщины листа, внутреннего строения и состояния его поверхности, а также от состава и концентрации в листе пигментов. Из всей энергии, падающей на растения, примерно, только 2% ее используется на фотосинтез, остальная поглощенная энергия излучения превращается в растении в теплоту. Для получения хорошо развитых растений и высокой продуктивности фотосинтеза лампы фито-установок должны иметь не только спектр излучения в диапазоне 300.750 нм, но и обеспечивать требуемую дозу каждой спектральной составляющей [195, 196].

Для анализа составляющих спектра солнечного излучения зоны ФАР, а также дозы каждой спектральной составляющей солнечного излучения необходимо проанализировать перемещение Солнца по небосводу для интересующих нас географических поясов (рисунок 3.11).

Рисунок 3.11 - Относительная длина пути солнечного луча в атмосфере в зависимости от высоты солнца над горизонтом

Солнце ежедневно перемещается по небосводу. Момент верхней кульминации нашего светила - середина дня. На экваторе верхняя точка кульминации Солнца по отношению к горизонту постоянна не только каждый день, но и в течение года. По направлению к Северному полюсу точка кульминации Солнца меняется ежедневно. Если светило находится на экваторе в зените, то спектр падающих лучей практически не искажается. Для северной широты Удмуртской Республики угол нахождения Солнца по отношению к горизонту уменьшается, и

атмосфера, работая как призма, преломляет видимый солнечный спектр и изменяет его по сравнению с экватором.

Таким образом, спектр солнечного излучения зависит от высоты солнцестояния (склонения Солнца), т.е. от угла между экватором и воображаемой линией, соединяющей центры Земли и Солнца. Сезонное изменение угла склонения -солнцестояния (5) определяют по выражению:

5 = 23,45o sin d - 81)], (3.7)

где d - день года (1 января принимается за единицу).

Таблица 3.5 - Изменение спектрального состава солнечного излучения от высоты

солнцестояния в % по Клешнину А.Ф.[197]

Вид излучения Высота солнца, град

0,5 5 10 20 30 50 90

Видимое 400.760 нм в т.ч.: 31,2 38,6 41 42,7 43,7 43,9 45,2

• фиолетовое 400.440 нм 0 0,6 0,8 2,6 3,8 4,5 5,4

• синее излучение 440.490 нм 0 2,1 4,6 7,1 7,8 8,2 9

• зеленое излучение 490.565 нм 1,7 2,7 5,9 8,3 8,8 9,2 9,2

• желтое излучение 565.595 нм 4,1 8 10 10,2 9,8 9,8 10,1

• красное излучение 595.760 нм 25,4 25,2 19,7 14,5 13,5 12,2 11,5

Ультрафиолетовое 295.400 нм 0 0,4 1 2 2,7 3,2 4,7

Инфракрасное более 760 нм 68,8 61 58 55,3 54,6 52,9 50,1

Общее излучение солнца в оптическом диапазоне 400.780 нм, % 100 100 100 100 101 100 100

Спектральный состав солнечного излучения во многом зависит от высоты солнцестояния. Если светило находится низко (летом в начале и конце дня, а зимой весь день), то в его излучении преобладает инфракрасное и красное. При этом синее, фиолетовое и ультрафиолетовое излучения практически отсутствуют [168]. Глубокий анализ изменения составляющих спектра солнечного излучения при изменении угла солнцестояния от О0 до 900 проведен профессором Клешниным А.Ф. (таблица 3.5) [197, 198].

По данным таблицы 3.5 нами была построена диаграмма изменения спектрального состава солнечного излучения (рисунок 3.12).

100% 80% 60%

:!!!■■ ■ I

0,5 5 10 20 30 50 90

Высота солнецстояния, град

■ Фиол ■ Синий ■ Зелен □ Желт ■ Краен ПУФИ СИК Рисунок 3.12 - Динамика изменения спектрально состава солнечного излучения в зависимости от высоты солнцестояния по Клешнину А.Ф. [197]

На основании данных, приведенных в таблице 3.5, нами было найдено процентное соотношение составляющих видимого излучения (таблица 3.6).

Таблица 3.6 - Процентное соотношение составляющих видимого излучения от

высоты солнцестояния.

Высота солнца, град Вид излучения, %

Видимое Фиолетовое Синее Зеленое Желтое Красное УФИ ИК

0,5 31,2 0,0 0,0 1,7 4,1 25,4 0,0 69

5 38,6 0,6 2,1 2,7 8,0 25,2 0,4 61

10 41,0 0,8 4,6 5,9 10,0 19,7 1,0 58

20 42,7 2,6 7,1 8,3 10,2 14,5 2,0 55

30 43,7 3,8 7,8 8,8 9,8 13,5 2,7 55

50 43,9 4,5 8,2 9,2 9,8 12,2 3,2 53

90 45,2 5,4 9 9,2 10,1 11,5 4,7 50,1

В действительности только на Экваторе угол солнцестояния достигает 900. Поэтому будет целесообразно определить динамику изменения спектрального состава излучения Солнца для стран Южно-Азиатского ареала происхождения огурца, а также для широты Удмуртской Республики в течение дня.

Большое значение для растений также имеет продолжительность светлого периода суток - фотопериодизм. Астрономическая длина дня в в экваториальном

ч ■ 1 п ! г!

и субэкваториальном поясах на протяжении почти всего года не изменяется и составляет примерно 12 часов. В умеренном климате Удмуртской Республики длина дня колеблется от 10 до 16 ч.

По специальным программам [39] нами были проведены расчеты по определению высоты солнцестояния с марта по сентябрь и изменению продолжительности дня для Удмуртской Республики - это г. Ижевск. Полученные результаты и расчеты проведены нами и описаны в [168] и представлены на рисунке 3.13.

20

« 18 йг-

«• 16

П I л

гг !4

JS

É 12

¡ 10

g 8

i 6

5 л

§ 4

I 2

G 0

I

3

4

___i -1 s,___L

11 1

-- — /

Г 1 1 1

вегетапиониый период огурца в средней шпроте России .i

1 1 1 lili

вегетационный период огурца в Южно-Азиатском центре -1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

10 11 12

5 6 7 8 9 Месяцы года

—Андийский центр г.Москва

Удмуртская Республика Южно-азиатский центр

Рисунок 3.13 - Продолжительность дня в России и Южно-Азиатском центре

Анализ этого рисунка позволяет сделать вывод, что продолжительность светового дня с 1 марта по 22 июня в Удмуртской республике, на широте г. Ижевск, возрастает с 12 до 18 час и далее уменьшается к концу августа до 14 час.

Если проанализировать период вегетации огурца в естественных условиях для этих двух регионов, то очевидно, что в ареале естественного происхождения огурца продолжительность дня меняется не значительно по сравнению с широтой Удмуртской Республики.

Аналогичный вывод можно сделать по углу солнцестояния. В ЮжноАзиатском центре происхождения огурца - это постоянная величина - около 80 градусов, а в Удмуртской республике варьирует от 40 до 70 градусов за период вегетации растений (рисунок 3.14).

90

i 80

Я

S" 70

| 60

l 50

I 40

»

О 30

и

5 20

10 о

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Месяцы года

Южно-язвятскнн центр Краснодар,РФ -- -Москва.РФ ЧебоксарькИжевск, РФ

Рисунок 3.14 - Угол солнцестояния

Следует также учитывать, что доза и спектральные составляющие фотосин-тетически активной радиации в Удмуртской Республике будут меняться также в зависимости от места расположения сооружения защищенного грунта. Удмуртская Республика географически расположена в зоне с минимальной продолжительности светового дня (рисунок 3.15). На этой территории продолжительность светового дня изменяется от 1650 до 2000. Увеличение числа часов солнечного сияния происходит с севера на юго-восток. Уменьшение продолжительности солнечного сияния обусловлено в основном большей повторяемостью пасмурного состояния неба [200].

Российские ученные, посвятившие свои исследования солнечным ресурсам России разделили территорию страны на зоны по количеству естественной фотосинтетической радиации (рисунок 3.16), а, поскольку, Удмуртская Республика

—<

/si

1

1 Я 1 вегетационный период о гурца этурца в средней широте Р< jCCHJÏ

- вегетационный период -j-j-5 ■-1 в Южно-Азиатском центре -s-1-1-i-

географически расположена во 2 световой зоне России, следовательно, получает за год минимальное количество фотосинтетически активной радиации (ФАР).

Рисунок 3.15 - Солнечные ресурсы России

Согласно этой классификация Удмуртская Республика находится во второй световой зоне России, а Краснодарский край в 7, т.е. в зоне с максимальным количеством фотосинтетически активной радиации на территории Российской Федерации. Следовательно, для каждого из этих регионов спектральные составляющие зоны ФАР будут иметь различные значения.

При дозировке света следует ориентироваться на выращиваемую культуру, чтобы создать условия для её роста. Надо учитывать потребность растений в длительности светового дня, чтобы правильно регулировать освещенность.

Значительный вклад в исследование ФАР в России провели такие ученые как Прищеп Л.П., Шичков Л.П., Жилинский Ю.М., Кумин В.Д., Николаев А.А., Кондратьева Н.П., Владыкин И.Р. и др. Например, в работе [200] приведены исследования по распределению среднегодовых значений продолжительности солнечного сияния в Удмуртии (рисунок 3.16), а в работе [168] представлены исследования и анализ спектральных составляющих зоны ФАР для Краснодарского края России и Южной Америки.

Ц я

а

3500

3000

2500

2000

5;' 1500

ь

1000 500

о

200

Ш

550

2000

1600

1300

900

3400

1 2 3 4 5 6 7

Рисунок 3.16 - Световые зоны России

В сооружениях защищенного грунта, расположенных в южных странах, а также в летние месяцы на территории Удмуртской Республики затеняющий экран применяют для снижения интенсивности солнечного излучения, т.к. благодаря парниковому эффекту это вызывает повышение температуры до высоких значений при которых пыльца огурца становится стерильной, что приводит к резкому снижению продуктивности. Защита от чрезмерного солнечного излучения производится одним из двух способов: либо окраской остекленных поверхностей, либо при помощи закрывающих от света экранов (рисунок 3.17).

Рисунок 3.17 - Затеняющий экран в сооружениях защищенного грунта

Рациональнее применять затемняющие экраны, которые можно размещать как с наружной, так и с внутренней стороны теплицы. Затемняющие экраны максимально эффективны, т.к. предотвращают перегрев воздуха в теплице, снижают светопроницаемость и могут служить средством защиты от заморозков. Кроме того, преграждают доступ света к растениям, но не предохраняют от прохождения теплового излучения через стекло и нагрева теплицы.

В работе [167] отмечено: «...в летние месяцы появляется необходимость ограничить поступление солнечного света, чтобы снизить не только освещенность, но и температуру в теплице. Слишком мощное солнечное излучение возможно опасно особенно в небольших теплицах. Растения в них находятся близко к стеклу, а относительно маленький объем воздуха быстро нагревается. Избежать ожогов и перегрева можно лишь при помощи своевременного и достаточного затенения в сочетании с хорошим проветриванием. ...»

Функциональная схема электрооборудования, обеспечивающего микроклиматический режим в сооружениях защищенного грунта, представлена на рисунке 3.18. На сегодняшний день устройств управления, выполненные на программируемых логических контроллерах, обеспечивают всему электрооборудованию защищенного грунта работать в режиме энергосбережения. Основными элементами являются: подогреватель поливной воды (1), насосы-дозаторы (2), растворные баки с мешалками для приготовления питательного раствора (3), клапаны полива (4), поливочные насосы (5), клапан сброса (6), генератор СО2 (7), регистры обогрева (8), трехходовые смесительные клапаны (9), подмешивающий насос (10), циркуляционные насосы (11). Обращая внимание на мотор-редуктор системы горизонтального зашторивания (12), следует отметить тот факт, что этот элемент системы электрооборудования, обеспечивающего микроклимат в сооружениях защищенного грунта, работает в автоматическом режиме, лишь учитывая уровень естественного солнечного излучения. Этот элемент электрооборудования впервые был автоматизирован впервые в голландских теплицах, а затем в продукции компании «Фито-Агро», поставляющей автоматизированные систему управления на российский рынок.

Рисунок 3.18- Функциональная схема электрооборудования, обеспечивающего микроклиматический режим в сооружениях защищенного грунта

Принцип его работы в существующих сооружениях защищенного грунта можно описать с помощью одноконтурной структурной схемы регулирования дозы облучения (рисунок 4.11 а). При повышении дозы солнечного излучения (ОР), контролируемого датчиком (ПИП) подается сигнал на элемент сравнения (ЭС), который контролируется управляющим устройством (УУ). В случае, если показания датчика дозы солнечного излучения, превысят значение, установленное в задающем устройстве (ЗУ), то устройство управления подает сигнал на включение электропривода затеняющего экрана (ИМ), который перекрывает доступ солнечного излучения в сооружение защищенного грунта (рисунок 3.17).

Энергосберегающий потенциал экрана зашторивания намного выше. Известно, что в зонах рискованного земледелия при выращивании рассады в открытом грунте и резком понижении температуры наружного воздуха, выпадении снежного покрова, используют дополнительное укрывное покрытие рассады в сооружениях защищенного грунта. Обзор укрывных материалов, используемых для этой цели, представлен в разделе 1.2.1 настоящей работы. Использование дополнительного укрывного материала позволяет повысить температуру в рабочем объеме сооружения защищенного грунта без дополнительных источников теплоты благодаря парниковому эффекту. На основании этого, предлагаем далее в диссертации заменить термин «мотор-редуктор экрана зашторивания» на «электропривод энергосберегающего экрана». Энергосберегающий эффект от применения электропривода энергосберегающего экрана в сооружениях защищенного грунта возможно описать следующим алгоритмом событий (рисунок 3.19).

Рисунок 3.19 - Алгоритм событий, приводящий к энергосберегающему эффекту от применения экрана в сооружениях защищенного грунта

При резком снижении температуры окружающей среды за счет теплопередачи сооружением защищенного грунта в окружающую среду, инфильтрации воздуха через ограждающие конструкции, потока воздуха через технологические отверстия сооружения и других причин температура воздуха в рабочем объеме также будет понижена. В существующих системах управления применяют принцип повышения температуры за счет повышения температуры теплоносителя или повышения скорости вращения циркуляционных насосов. Известно, что изменение температуры в сооружении защищенного грунта - это инертный процесс, кроме того, сооружение защищенного грунта имеет способность к аккумуляции теплоты. Также в сооружениях защищенного грунта присутствует парниковый эффект (рисунок 1.17).

На основании вышеизложенного материала, предлагаем при резком снижении температуры наружного воздуха повышать температуру теплоносителя не сразу. Сначала включить электропривод энергосберегающего экрана и тем самым повысить температуру в сооружении защищенного грунта без дополнительных источников теплоты за счет парникового эффекта (рисунок 3.20). Это действие повысит аккумулирующую способность сооружения, а также его теплоемкость за счет снижения тепловых потоков воздушных масс у крыши сооружения.

Рисунок 3.20 - Применение электропривода энергосберегающего экрана в

сооружениях защищенного грунта

Первоначально энергосберегающий экран применяли в теплых странах, где количество солнечных дней около 300 для уменьшения интенсивности солнечно-

го излучения и чрезмерного повышения температуры до значений при которых происходит стерилизация пыльцы огурца. Это чрезвычайно важно и в умеренной широте России в летний период, т.к. культивируемые в настоящее время огурцы в сооружениях защищенного грунта являются партенокарпическими гибридами, т.е. на одном растении располагаются мужские и женские цветы. Процесс повышения продуктивности напрямую зависит от жизнедеятельности специальных шмелей, которые естественным путем опыляют растения (рисунок 3.21).

Рисунок 3.21 - Опыление растений в сооружениях защищенного грунта

В северных широтах количество солнечных дней в году значительно ниже, поэтому применение энергосберегающего экрана в целях снижения солнечного излучения будет ограничено только летними месяцами. Поэтому использование солнечной энергии, как альтернативного бесплатного источника энергии актуально и известны, давно. В теплых южных странах применяют для нагрева воды емкости черного цвета, которые нагреваются в солнечный день и благодаря аккумулирующим свойствам воды теплота накопленная водой остается долгое время.

Для противодействия чрезмерному перегреву любых сооружений в странах с максимальным количеством солнечных дней окрашивают ограждающие конструкции сооружений защищенного грунта в белый цвет, имеющей максимальный коэффициент отражения солнечного излучения.

Поэтому мы посчитали важно провести анализ температурного режима, количества солнечных дней и уровня естественной солнечной облученности окружающей среды в регионах России, где расположены тепличные хозяйства с современными сооружениями защищенного грунта. Для примера мы выбрали сле-

дующие регионы: Ижевск, Москва, Киров и Казань. Так, на окраинах города Ижевск Удмуртской Республики расположены три крупных тепличных комбината. Их перечень приведен в реализации результатов исследований в введении настоящей диссертации. В Московском регионе работает один из крупнейших в Европе агрокомплекс «Московский», В Республике Татарстан расположен ООО «Тепличный комбинат «Майский», а в Кировской области с 2004 года работает и поставляет продукцию на рынок России ООО «тепличный комбинат «Чепецкий».

Анализ количества солнечных дней и уровня естественной облученности мы проводили по экспериментальным данным, представленным в Приложении 3, а также по данным [228]. Результат представлен на рисунке 3.22.

8

10 11 12

Месяц года

□ Ижевск □ Москва □ Киров ■ Казань Рисунок 3.22 - Среднемесячное количество солнечных дней в городах России

Анализ рисунка 3.22 показывает, что в большинстве городов России максимальное количество солнечных дней не в летние месяцы, а в период с февраля по май. Как правило, в средней широте России это месяцы не имеют высоких значений температуры и поэтому выращивание продукции защищенного грунта в це-

лом, и огурца, в частности, не может осуществляться в открытом грунте и с открытыми фрамугами в сооружениях защищенного грунта. Среднемесячная температура в этих же городах России в течение года показана на рисунке 3.23.

25

и

О

ее

а

«

а Р

г

Ь

К

«

и р

к

и Ъ

Е

X

£ а

и

20

15

10

0 5

ю н

15

8

10

-20

□ Ижевск □ Москва □ Киров ■ Казань Рисунок 3.23 - Среднемесячная температура в городах России

Результаты, показанные на рисунке 3.23, получены на основании собственных экспериментов, представленных в Приложении 3 и по данным [229]. Анализ этих данных показывает, что в месяцы с максимальным количеством солнечных дней и, соответственно, высокой интенсивностью солнечного излучения в средней широте России, т.е. во второй и третьей световых зонах без применения сооружений защищенного грунта производство собственной продукции огурца и овощных культур не возможно. Следовательно, применение энергосберегающего экрана для повышения температуры в сооружениях защищенного грунта для снижения солнечного излучения, недопущения стерилизации пыльцы и повышения продуктивности огурца может быть не только в летние месяцы, а в период с

февраля по сентябрь. Для повышения температуры воздуха в рабочем объеме сооружения защищенного грунта можно применять энергосберегающий экран круглый год с целью снижения потребления топливно-энергетических ресурсов. Экономия энергии в этом случае будет осуществляться не только благодаря парниковому эффекту от применения энергосберегающего экрана, а также из-за того, что скорость циркуляционных насосов в контурах отопления будет снижена устройствами управления, в качестве которых применяют программируемые логические контроллеры. Хорошо известна зависимость текущей мощности электропривода насосов, Ртек, [Вт], при уменьшении текущей линейной скорости, птек, [об./мин.], по сравнению с номинальной скоростью вращения, п, [об./мин.], выражение (3.8):

Ршек = Рном -100%, (3.8)

пном

где птек<пном - линейные скорости вращения циркуляционных насосов, об./мин. В графическом виде эта зависимость представлена на рисунке 3.24.

Рисунок 3.24 - Зависимость мощности от линейной скорости вращения

электропривода

Зависимость мощности электропривода от линейной скорости вращения электродвигателя (рисунок 3.24), позволяет снизить расход теплоносителя и уменьшить энергозатраты за счет снижения потребляемой мощности циркуляционными насосами благодаря дополнительному парниковому эффекту при использовании энергосберегающего экрана в сооружениях защищенного грунта.

3.4 Исследование взаимного влияния параметров микроклимата в

защищенном грунте

В качестве исследуемых параметров микроклимата сооружений защищенного грунта мы взяли параметры, непосредственно влияющие на качество роста и развития растений огурца, и в конечном итоге на его продуктивность:

1. Температура воздуха в рабочем объеме сооружения;

2. Естественная облученность;

3. Относительная влажность воздуха;

4. Содержание СО2 в воздухе рабочего объема сооружения защищенного грунта.

Агротехнологические требования к параметрам микроклимата при производстве огурца и других овощных культур в сооружениях защищенного грунта получены нами при анализе следующих источников [66, 67, 68, 69]. Результаты анализа сведены в таблицу 3.7.

Таблица 3.7 - Агротехнологические требования производства овощей

№ п/п Тепличная культура Агротехнологические требования

температура, Т, 0С освещенность, Е, клк относительная влажность, % Концентрация СО2, ррт

1. Огурец 22...25 2.2,4 70.80 0,3.0,5

2. Томаты 24...28 2.20 50.65 0,07.0,1

3. Перец 18.25 30.40 75.80 0,3.0,5

4. Роза 16.21 35.40 75.80 0,2.0.4

По этой таблице можно сделать заключение, что производство разных культур в одних и тех же сооружениях защищенного грунта требует обеспечение разных параметров микроклимата. Многолетние наблюдения за этими параметрами климата в естественной природе показали, что между ними есть взаимное влияние. Так, например, повышение температуры приводит к снижению влажности, а высокий уровень естественной облученности повышает температуру. Нашей задачей, при проведении экспериментов являлось определение этих зависимостей в условиях сооружения защищенного грунта при использовании, предложенных инновационных электротехнологий на каждом этапе производства огурца. Для этого мы, на основании подписанного договора с разными тепличными хозяйст-

вами, в сооружениях защищенного грунта, расположенных в одинаковых условиях окружающей среды, провели замеры, указанных выше параметров. Эксперименты проводились в рабочее время с 8 до 16 часов. В рабочем объеме сооружения защищенного грунта были определены контрольные точки (рисунок 3.4) в которых мы три раза в неделю с помощью приборов, представленных в Приложении 1, определяли показатели микроклимата в сооружениях защищенного грунта. Экспериментальные значения в каждой точке рабочего объема сооружения защищенного грунта представлены в Приложении 3. Для измерения температуры, влажности, уровня естественной облученности мы использовали универсальный прибор марки «ТКА-ПКМ» 41 серии. Контрольным прибором для этих целей а также для измерения скорости движения воздуха в контрольных точках использовали цифровой анемометр-термометр марки ИСП-МГ4. Общий вид этих приборов и технические характеристики представлены в Приложении 1. Для измерения концентрации СО2 применяли прибор газоанализатор С02 марки Л277535. Прибор представляет собой высокоточный монитор-контроллер, дающий возможность производить измерения и выполнять мониторинг двуокиси углерода С02 в бытовых и промышленных условиях, а также своевременно извещать посредством визуальной и звуковой сигнализации о повышении уровня С02. Прибор оснащен большим дисплеем, предназначенным для отображения уровня углекислого газа, температуры воздуха, влажности и точки росы в настоящий момент времени.

Если на одном графике совместить изменение температуры и уровня естественной облученности, то получим следующий результат (рисунок 3.25). Эти результаты получены в сооружениях защищенного грунта без использования энергосберегающего экрана. Если средние значения температуры и естественной облученности обработать методом наименьших квадратов (сглаженные кривые на рисунке 3.25), то очевидна следующая зависимость: при повышении естественной облученности температура повышается. Это явление легко объяснимо благодаря парниковому эффекту (рисунок 1.17). Здесь мы видим значения температуры, которые не допустимы при производстве огурца в условиях сооружений защищен-

ного грунта выше 28°С, т.к. при этих значениях происходит стерилизация пыльцы, что резко снижает завязь плодов и продуктивность, в конечном итоге. Такие значения температуры возможны даже при работе системы вентиляции и открытых фрамугах в сооружении. Применение энергосберегающего экрана позволит избежать превышения предельных значений температуры в сооружении защищенного грунта и повысить продуктивность огурца.

35 -

30 ■

и О 25 ■

«

а 20 ■

Н

я

а о 15 ■

е

А и 10 ■

5 ■

0 ■

11 12 13 Часы наблюдений

■ Температура □ Естественная облученность Рисунок 3.25 - Изменение средних значений температуры и естественной

облученности

Аналогично были проанализированы результаты по средним значениям влажности и естественной облученности (рисунок 3.26). При высоких значениях естественной облученности снижается влажность. Это явление объясняется тем, что при высоких значениях облученности повышается температура. Это явление в свою очередь повышает скорость движения молекул воды в рабочем объеме сооружения защищенного грунта, что приводит к снижению влажности. Рекомендуемый уровень влажности для выращивания огурца в сооружениях защищенного грунта находится в пределах 70.80 %. На рисунке 3.26 мы видим значения влажности значительно ниже агротехнологических требований. Это не допустимо, т.к. снижение влажности приводит к ожогу растений в яркий солнечный день. При ожогах отмирают листья, и растения огурца не могут усваивать достаточное количество фотосинтетически активной радиации и углекислого газа. Эти показа-

тели влияют на продуктивность. Кроме того, обожженные останки растений в сооружении защищенного грунта являются благодатной средой для роста болезнетворных бактерий, губительно действующих на растения огурца, и также могут снижать его продуктивность.

.59.3.7-

.66.43...

62.08

63,97 59.67 61,07 59-93

0

8

10

14

15

16

а

и

■Ч

Л

н о о ас ас

к ЕГ

О

М сз ас ас

о* й н

и

4> Н и

Ы

11 12 13 Часы наблюдений □ Влажность □ Естественная облученность

Рисунок 3.26 - Изменение средних значений влажности и естественной

облученности

Изменение влажности и температуры в сооружении защищенного грунта в рабочее время представлено на рисунке 3.27. Анализ рисунков3.25, 3.26 и 3.27 позволяет утверждать о взаимном влиянии параметров микроклимата. Очевидно, что определяющим параметром микроклимата является естественная облученность, которая влияет на значения температуры и влажности. Это объяснимо по аналогии с открытым грунтом, т.к. естественная облученность и в окружающей среде определяет температуру, влажность и другие параметры климата.

В таких регионах Российской Федерации как Удмуртская Республика, Татарстан, Кировская и Московская области количество солнечных дней не высоко, кроме того, на уровень естественной облученности влияют следующий факторы. Это облачность, загазованность воздуха, в сооружениях защищенного грунта на этот показатель влияет еще прозрачность и чистота ограждающих конструкций,

проницаемость укрывного материала для различных длин волн. Подробный анализ укрывного материала, применяемого в настоящий момент в сооружениях защищенного грунта, и их проницаемость различными спектральными составляющими солнечного излучения приведены в разделе 1.2.1.

8 9 10 11 12 13 14 15 16

Часы наблюдений ■ Влажность ■ Температура

Рисунок 3.27 - Изменение влажности и температуры в сооружении защищенного

грунта

В диссертации Логинова В.В. [167] представлены результаты экспериментов, выполненных нами совместно по замерам естественной облученности в сооружении защищенного грунта. Наблюдения за уровнем естественной освещенности аспирант проводил в период с 15 февраля по 6 мая 2014 года. Результаты наблюдений представлены на рисунке 3.28. На этом рисунке вместе со значениями уровня естественной облученности полученной в ясные солнечные дни разным цветом представлены уровни облученности необходимые для производства различных культур, возделываемых в средних широтах России. Проведя их анализ можно сделать вывод, что в Удмуртской Республике уровень естественной облученности достаточен только при производстве огурца. Для других культур он будет не достаточен и поэтому потребуется применение искусственных облучателей, в качестве, которых применяют лампы высокого давления марки ДНаТ или светодиодные облучатели. Их анализ проведен в разделе 1.2.2. Кроме того, рису-

нок 3.28 показывает, что естественная облученность имеет хаотический характер и является неконтролируемым параметром микроклимата.

2,0.. .2,4 клк - уровень облученности для производства огурца

20 клк - уровень облученности для производства томатов

30 клк - уровень облученности для производства перца сладкого

40 клк - уровень облученности для производства роз Рисунок 3.28 - Уровень естественной облученности в даты наблюдений

Этот вывод подтверждают наши собственные исследования по уровню естественной облученности в течение суток, которые были проведены для разных дат наблюдений (рисунок 3.29).

35

30

И

% 25

Ы

л Й 20

о

к к 15

г

ч 10

о

О

31.70

10 П я ч 8.9 2 1

п 6,5 _ I— -) а 1 1 п ■ 1 7.УУ гП гп 4:2 4'8

А и'^'Т Я Г Г к ь

5 О

10

11 12 13 Часы наблюдений

14

15

16

■ 15 февраля 2014 г. □ 10 апреля 2014 г. □ 06 мая 2014 г. Рисунок 3.29 - Уровень естественной облученности в течение суток

Многолетний опыт производства огурца и других овощных культур в условиях сооружений защищенного грунта показал, что такой параметр как естественная облученность, от которой зависит получаемое растениями доза фотосинте-тически активной радиацией, является нерегулируемым параметром. Регулирование этого показателя в сооружениях защищенного грунта, возможно лишь применением ограждающих конструкции из различных укрывных материалов для уменьшения силы солнечного излучения и источников искусственного излучения для повышения облученности рассады. В настоящее время применяют следующие укрывные материалы:

1. Одинарное остекление ограждающих конструкций;

2. Стеклопакет из двойного стекла;

3. Стеклопакет из тройного стекла;

4. Одинарное покрытие поликарбонатом марки «Ondex»;

5. Одинарное покрытие поликарбонатом марки «Тегто1».

Мы провели анализ пропускных коэффициентов этих покрытий для видимой части солнечного спектра и ультрафиолетовой части спектра зоны «А». Для этого эти показатели были сняты под открытым небом и в сооружениях защищенного грунта. Результат представлен на рисунке 3.30. 90 84,82

72,26

25,35

Л 70 8.94

1-е стекло 2-е стекло 3-е стекло ОпсЗех Теппо1

Типы покрытий

■ Видимое излучение □ Ультрафиолетовое излучение зоны "А" Рисунок 3.30 - Пропускные коэффициенты видимого (а) и ультрафиолетового зоны «А» излучений (б) для различных материалов

Эксперимент по получению коэффициентов пропускания, кПрр, мы проводили по следующей методике. Прибором марки «ТКА-ПКМ» определили сначала уровень естественной облученности окружающей среды под открытым небом, Еос, [лк], и силу ультрафиолетового излучения зоны «А», 1УФ-Аос, [мВт/м ], окружающей среды также под открытым небом, затем естественную облученность под каким-либо покрытием, Еп, [лк], и силу ультрафиолетового излучения под различными покрытиями, 1УФ-Ап, [мВт/м ], затем по выражениям (3.9) и (3.10) определили коэффициенты пропускания различных ограждающих покрытий сооружений защищенного грунта:

кп рЕ=Ег-100%, (3.9)

Еп

кпрУФ=гФ^Аос ^100%. (3.10)

1УФ-Ап

Результаты экспериментальных исследований для видимой и ультрафиолетовой зоны «А» частей спектра солнечного излучения приведены на рисунке 3.31. Определение коэффициентов пропускания видимого излучения было сделано для того, что бы выяснить как влияют ограждающие конструкции на температурный режим в сооружении защищенного грунта. Очевидно, чем больше стекла применяют в ограждающих конструкциях теплиц, тем меньше коэффициент пропускания видимой части спектра солнечного излучения. Это снижает влияние естественной облученности на температуру в сооружении, но ограждение из двойного и тройного остекления повышают тепловую изоляцию сооружения. Практика показала, что применение двойного остекления в качестве ограждения сооружений защищенного грунта имеет достаточно высокий коэффициент сопротивления теплопередачи [32] и хороший коэффициент пропускания видимой части спектра солнечного излучения (рисунок 3.30). Можно применять и тройной стеклопакет в качестве ограждающих конструкций для сооружений защищенного грунта, но это в разы увеличивает капитальные затраты на возведение таких сооружений. Был промежуточный вариант сооружений защищенного грунта, где в качестве ограждений применялся поликарбонат различных марок. Но этот вариант не нашел широкого применения в производстве по следующим причинам. По заданию главно-

го агронома АО «тепличный комбинат «Завьяловский» нам было поручено найти причину, по которой в промышленных теплицах не летают шмели и не опыляют растения. Известно, что зрение насекомых, в частности шмелей, работает в ультрафиолетовой части солнечного излучения. Здесь мы получили неоднозначные результаты. Общепринятое мнение таково: стекло не пропускает ультрафиолетовое излучение. Следовательно, в сооружениях защищенного грунта из стекла, шмели не должны летать, но, на практике, оказалось, что шмели не летают под покрытием из поликарбоната. Действительно, прибор «ТКА-ПКМ» при настройке его на весь спектр ультрафиолета, показывает нулевые значения. Если его настроить на измерение только ультрафиолетового излучения в зоне «А» (рисунок 1.5) здесь мы получили следующие результаты (рисунок 3.30): коэффициент пропускания ультрафиолетового излучения зоны «А» не превышал 10%, что не достаточно для жизнедеятельности шмелей. Под этим покрытием они ничего не видят и не могут ориентироваться в пространстве. В сооружениях защищенного грунта с ограждающими конструкциями из стекла коэффициент пропускания достаточный для жизнедеятельности опыляющих насекомых. Поэтому от эксплуатации сооружений защищенного грунта из поликарбоната в промышленных масштабах отказались. Кроме того, они не выдерживают серьезных снеговых нагрузок и их крыша обрушается.

Исходя из экспериментальных исследований температурного и светового режимов в сооружениях защищенного грунта, мы определили, что часто значения температуры не соответствуют агротехнологическим требованиям: в солнечный день превышают допустимые значения, что приводит к стерилизации пыльцы огурца и к снижению его продуктивности. В периоды с низкой температурой окружающей среды затраты на отопление значительно возрастают.

Поэтому мы измерили значения температуры в четырех сооружениях защищенного грунта, расположенных в разных предприятиях после внедрения в эксплуатацию электропривода энергосберегающего экрана. Результаты представлены на рисунке 3.31. Видно, что в этом случае система управления не допускает превышения температуры сверх допустимых значений.

+ 22.5

24.3

• экспериментальные данные; — аппроксимирующая кривая

Рисунок 3.31 - Температура под коньком теплицы в поперечном сечении

^Е-ОЗх2

-50 -30 -10 10 30 50 -50 -30 -10 10 30 50

ширина теплицы (х). м Ширина тепл ицы (х). ш

24.65

24.3 24.7 »

СС

24.6 ё 24.5 |

£

24.4 н

24.2