РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК (РАСХН)

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ГНУ ВИЭСХ)

 

 

 

На правах рукописи

 

 

Малышев Владимир Викторович

 

 

ПОВЫШЕНИЕ  ЭФФЕКТИВНОСТИ  ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ 

УСТАНОВОК  ДЛЯ  ТЕПЛИЦ

 

Специальность 05.20.02 — электротехнологии и электрооборудование в   сельском хозяйстве.

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой

степени кандидата технических наук

 

 

 

 

 

Москва — 2007


 

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) и Всесоюзном светотехническом научно-исследовательском институте им. С.Н. Вавилова (ООО «ВНИСИ»).

 

Научный руководитель:        кандидат технических наук, доцент

Жилинский Юлий Мечиславович

 

Официальные оппоненты:     доктор технических наук, профессор

                                               Свентицкий Иван Иосифович

                                                   доктор технических наук, профессор

                                                   Башилов Алексей Михайлович

 

Ведущая организация:           ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт овощеводства (ГНУ ВНИИО)

 

 

Защита диссертации состоится «___»____________2007 г. в _____часов на заседании диссертационного совета Д 006.037.01 при Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу:

 

109456, г. Москва, 1-й Вешняковский пр-д, д. 2.

Телефон: 171-19-20. Факс: 171-51-01.

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ.

Автореферат  размещен на сайте     www.viesh.ru              

                     и разослан ____ ______________2007 г.

 

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2, Факс: 171-51-01, E—mail: viesh@dol.ru.

Диссертационный совет.

 

 

 

 

Ученый секретарь диссертационного совета                      А.И. Некрасов


 

Общая характеристика работы

 

Актуальность работы. Тепличные хозяйства и агрокомбинаты решают важную народнохозяй­ственную проблему снабжения населения свежими овощами в  течение круглого года. В защищенном грунте выращивают рассаду овощных культур, различные лекарственные растения, зеленый корм, газонные покрытия, цве­ты на срез и в вегетационных сосудах для интерьерного украшения; ведутся селекционные работы для получения семян высокопродуктивных сортов и по светокультуре.

Технологии выращивания растений в защищенном грунте требуют применения высокоэффективных источников оптического излучения (ОИ), облучателей, облучательных установок (ОУ).

Исследованиями   известных  ученых светотехников   и   физиологов  растений Клешнина А.Ф.,  Лемана В.М.,  Мешкова В.В.,  Прищепа Л.Г.,  Протасо­вой Н.Н., Шарупича В.П., Тихомирова А.А.,  Рвачева В.П.,  Карпо­ва В. Н., Сарычева Г.С,  Мошкова Б.С,  Ничипоровича А.А.,  Соколова М.В.,   Свентицкого И.И.,   Липова Ю. Н.,   Ермакова Е. И.,  Матвее­ва А.Б.,  Жилинского Ю.М., Живописцева Е.Н.,  Косицына О.А.,  Кондратьевой Н. П.,  Вассермана А. Л., Шульгина И. А.,  Фатеева В. И. и других решены ряд теоретических и прикладных задач в области применения и создания источников излучения для сельскохозяйственных предприятий и для биологических исследований. Ими сформулированы, обоснованы и предсказаны разнообразные по характеру новые возможные пути интенсификации производства овощных    культур в теплицах и рационального использования электрической энергии     при искусственном облучении растений.

            По состоянию на начало 2004 г. в России функционировало, примерно, 1700 га зимних теплиц. Количество электроэнергии, потребляемой одновременно всеми агрокомбинатами на облучение рассады, достигало 170 млн. кВт. ч, а количество эксплуатируемых ламп и облучателей – более 400 000 шт.

         Усредненные значения удельных мощностей (Руд)  по нормам ОНТП – СХ.10 – 81/85 для различных вариантов ОУ для теплиц с газоразрядными лампами составляли ряд от 425 до 32 Вт/м2 и в настоящее время требуют пересмотра.

         В связи с резким удорожанием  электрической  энергии требуется решение задачи научного обоснования и разработки светотехнических и электротехнических средств для интенсификации процесса облучения растений на агрокомбинатах, способствующих снижению энергетических затрат. Снижение Руд  ОУ в теплицах до минимально возможных уровней (50 – 150 Bt/m2) в соответствии с  технологиями выращивания растений является важной задачей повышения эко­номии в АПК.

Актуальность работы обусловлена необходимостью обеспечения тепличных предприятий РФ и стран СНГ новым энергоэкономичным светотехническим оборудованием на основе современных высокоэффективных натриевых ламп высокого давления (НЛВД) мощностью 400-600 Вт и металлогалогенных ламп (МГЛ) мощностью 1000-2000 Вт для дополнительного облучения растений и светокультуры. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования позволяют выявить основные направления дальнейшего повышения эффективности ОУ для промышленных теплиц, определить требуемые технические характеристики источников ОИ и облучателей, способных значительно снизить расход электроэнергии и повысить продуктивность при выращивании растений в защищенном грунте.

Исследования выполнялись в соответствии с Федеральной целевой программой «Энергоэффективная экономика на 2002-2005 года и на перспективу до 2010 года», утверждённой постановлением правительства РФ №796 от 17.11.2001 года.

Цель и задачи исследований. Цель исследований – выявление основных направлений дальнейшего повышения эффективности ОУ для теплиц на основе современных мощных НЛВД и МГЛ, определение требуемых технических характеристик источников ОИ и облучателей, способных значительно снизить расход электроэнергии и повысить продуктивность при выращивании растений в защищенном грунте, и разработка нового энергоэкономичного облучателя на основе выработанных рекомендаций.

Для достижения поставленной цели проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований, включающих:

—     анализ преимуществ и недостатков известных и перспективных конструкций облучателей, источников ОИ, теплиц и тепличных технологий;

—                   обоснование методики  оценки спектральной эффективности, позволяющей определять новые технические параметры НЛВД и МГЛ для организации производства наиболее эффективных ламп для растениеводства;

—                   обоснование методики   прогнозирования урожайности овощных культур, выращиваемых в теплицах, оснащённых ОУ с использованием высокоинтенсивных НЛВД и МГЛ, позволяющей точнее проводить оценочные расчёты продуктивности и относительной эффективности основных типов газоразрядных ламп высокого давления;

—          разработку методики с использованием специализированных компьютерных светотехнических программ для выявления и уточнения критериев нормирования ОУ, оценки эффективности кривых сил света (КСС) облучателей и ОУ в теплицах;

—          разработку и обоснование основных технических параметров энергосбере­гающих облучателей для теплиц на основе НЛВД мощностью 600 Вт и МГЛ мощностью 400-2000 Вт. Проведение  лабораторных и производственных исследований облучателей по выявлению технических характери­стик разработанных ОУ  с потенциальным расширением их функциональных возможностей при изменении технологических задач для снижения расхода электроэнергии в теплицах на облучение растений до минимально возможных уровней удельных мощностей (50–150 Вт/м2).

 

—    определение технико-экономической эффективности применения энергосбе­регающих облучателей и ОУ  для теплиц.

Объект исследования. Объектом исследований являются дополнительное облучение растений в теплицах, источники ОИ, современные энергосберегающие облучатели с МГЛ и НЛВД, пускорегулирующие аппараты (ПРА), светотехнические материалы, нормы облученности в теплицах.

Методика исследований.  Теоретические исследования заключались в определении нормируемых параметров ОУ, электротехнических и светотехнических параметров новых облучателей для теплиц,  оценке эффективности излучения источников ОИ и повышения продуктивности овощных культур.   Поставленные задачи решены с использованием теоретических основ светотехники,  светокультуры растений, методов электротехнологии и средств измерений, теории математической обработки данных и компьютерной техники. Экспериментальные исследования проводились   на современных  образцах  энергосберегающего светотехнического оборудования.  В   работе   использованы современная   измерительная   аппаратура  и программно-технические средства. 

 Научная новизна исследований.

·                                Разработана методика оценки спектральной эффективности основных источников ОИ, позволяющая определять новые технические параметры НЛВД и МГЛ для организации производства наиболее эффективных растениеводческих  ламп.  

·                                Разработана методика прогнозирования урожайности овощных культур, позволяющая точнее проводить оценочные расчёты продуктивности и относительной эффективности НЛВД и МГЛ.

·                                Разработана методика, с использованием специализированных  компьютерных светотехнических программ для выявления и уточнения критериев нормирования, оценки эффективности кривых сил света облучателей и ОУ в теплицах, обоснованием контролируемых параметров инженерных расчетов ОУ для любых Руд, нормируемых освещенностей (Енорм), коэффициентов неравномерности (Кнорм),  высот подвеса (h) и выбранных размеров площадей.

·                                Теоретически и экспериментально обоснованы и исследованы  основные  технические параметры энергосберегающих облучателей и ОУ для теплиц с лампой НЛВД мощностью 600 Вт и МГЛ мощностью 400– 2000 Вт с потенциальным расширением их функциональных возможностей при изменении технологических задач для  снижения расхода электроэнергии.

·                                Обоснованы системы ОУ смешанного излучения, состоящие  из облучателей с НЛВД мощностью 400–600 Вт и МГЛ  мощностью 1000-2000 Вт для некоторых культур (например, огурца, цветов), обладающие высокой эффективностью в области фотосинтетически активной радиации (ФАР).

·                                Обосновано ограничение выбора эффективного варианта ОУ  четырьмя нормируемыми значениями Руд , кратными 50 Вт/м2 (50–100–150– 200 Вт/ м2) и соответствующим количеством облучателей типа ЖСП 44– 600 для  теплиц всех семи световых зон РФ.

·                                Разработан высокоэффективный облучатель  с КПД до 90 % с применением тонконагартованного структурированного алюминия  с коэффициентом отражения 95% (например, фирмы ALANOD) и бескаркасной конструкцией параболоцилиндрического отражателя, а также  энергосберегающие ОУ на основе серийно выпускаемых в РФ  облучателей ЖСП 44–400/600-002 с лампой  НЛВД мощностью 400-600 Вт.

Практическая ценность диссертации.

·                           Разработаны методы оценки, расчета и принципов разработки высокоэффективных унифицированных конструкций облучателей, позволяющие  проектировать энергосберегающие ОУ для любых площадей агрокомбинатов в различных световых зонах РФ, для типовых  современных теплиц, обеспечивающие  снижение расхода электроэнергии и материалоемкости за счёт применения НЛВД мощностью 600-750 Вт и тонкостенных конструкций отражательных систем бескаркасных облучателей.

·                          Разработан комплект светотехнического и электротехнического оборудования, состоящего из  типоразмерного ряда унифицированных облучателей ЖСП 44–400/600-002 с лампами НЛВД мощностью 400-600 Вт и модернизированных ПРА; облучатели унифицированы по бескаркасной конструкции светотехнической арматуры (отражателя). Применение новых разработанных облучателей позволяет сократить удельные  мощности ОУ до минимально  возможных уровней (50 – 150 Вт/м2). Новизна технических решений подтверждена 2 авторскими свидетельствами на новизну.

Достоверность теоретических и экспериментальных положений обеспечена применением современных методов исследований на моделях и действующем оборудовании с применением ПК и подтверждена лабораторными, промышленными, хозяйственными испытаниями и длительной эксплуатацией в теплицах РФ с документально оформленными  актами об использовании результатов диссертации.

Внедрение результатов исследований.         По результатам теоретических и экспериментальных исследований впервые в РФ разработана серия унифицированных конструкций облучателей с мощными НЛВД и МГЛ. По большинству разработок освоено серийное производство облучателей в РФ.

         Разработанные облучатели  с НЛВД  мощностью 400-600 Вт и МГЛ мощностью 400, 1000, 2000 Вт внедрены в агрокомбинатах РФ: «Московский», «Марфино», «Майский», «Тепличный»(г. Саранск), «Южный» (п. Усть-Джегута) и др.

На Кадошкинском электротехническом заводе (КЭТЗ) освоено серийное производство разработанных автором облучателей с применением МГЛ и НЛВД мощностью 400–2000 Вт; освоены в производстве предложенные в авторских свидетельствах на новизну тонкостенные конструкции отражательных систем облучателей.

 

На защиту выносятся следующие основные положения:

1.     Методики оценки спектральной эффективности основных источников ОИ, позволяющие определять новые технические параметры НЛВД и МГЛ для организации производства высокоэффективных растениеводческих ламп и прогнозирования урожайности овощных культур, позволяющие точнее проводить оценочные расчёты продуктивности и относительной эффективности газоразрядных ламп высокого давления.

2.     Методика с использованием специализированных компьютерных светотехнических программ для выявления и уточнения критериев нормирования ОУ, оценки эффективности КСС облучателей и ОУ в теплицах.

3.     Результаты исследований по обоснованию основных технических параметров энергоэкономичных облучателей на основе НЛВД мощностью 600-750 Вт и МГЛ мощностью 1000-2000 Вт, позволяющие увеличить КПД облучателей до 90% и разработать бескаркасную унифицированную конструкцию облучателей для ОУ, обеспечивающих снижение расхода электроэнергии на облучение растений и допускающие применение минимально возможных уровней Руд (50 – 150 Вт/м2).

4.     Технико—экономический анализ эффективности и практической значимости результатов работы.

Апробация работы и публикации.  Основные результаты диссертационной работы докладывались и об­суждались на 1-VI  Международ. свето­тех.  конф.  «Светотехника    на    рубеже    веков: достижения и перспективы» (Санкт-Петербург, 1993 г., 2004 г.; Суздаль, 1995 г.; Новгород, 1997 г.;  Вологда, 2000 г.;  Калининград, 2006 г.); Всесоюзной науч.-технич. конф.: «Проблемы электрификации, автоматизации и теплоснабжения сель­скохозяйственного производства» ( Москва, 1985 г.);  Всесоюзной   кон­ф.   ТСХА   (Москва, 1984 г.);   МГАУ   им. В. П. Горячкина   «Электрификация   и   автоматизация сельского хозяйства» (Москва, 1999 г.); 2-й Международ. научно-технич. конф. ВИЭСХ (Москва, 2000 г.); Международ. научно-технич. конф. ВИЭСХ: «Автоматизация   сельскохозяйственного   производства» (Углич, 2004 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в 16  печатных    работах, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретения  в  журналах    «Светотехника»,    «Мир    теплиц», «Тепличные технологии», «Электротехника», в трудах МИИСП, ВИЭСХ, информационных сборниках Ассоциации «Теплицы России», в тезисах докладов Международных светотехнических  конференций.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов по  работе,   списка  литературы из 132 наименований, 3-х приложений   и   актов   о   внедрении   и использовании результатов работы.  Общий  объем диссертации — 216 стр., включая 47 рисунков и 30 таблиц.

                     СОДЕРЖАНИЕ  РАБОТЫ

         Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель  исследования и положения, выносимые на защиту, раскрыта научная новизна и практическая ценность работы.

         В первой главе  «Современное состояние облучательных установок для растениеводства» представлен анализ преимуществ и недостатков известных и перспективных конструкций облучателей, источников ОИ, теплиц и тепличных технологий.

         Более 20 лет в теплицах РФ продолжают использоваться облучатели ОТ- 400 с лампой ДРЛФ 400. К недостаткам этой лампы следует отнести низкие световые отдачи, энергетические и фотосинтезные КПД, а также недостаточность излучения в «красной» области спектра.

         Начиная с 1990 г.  в теплицах РФ начали преобладать  облучатели  с МГЛ мощностью 400, 1000 и 2000 Вт, а также с НЛВД мощностью 400 Вт (световая отдача Н – до 120 лм/Вт) в каркасном исполнении светотехнической арматуры, что увеличивало их материалоемкость и стоимость. Современный этап характеризуется появлением новых НЛВД мощностью 600 Вт различных  зарубежных фирм с  Н  до 150 лм/Вт и  сроком службы более 25 000 ч и высоких теплиц (более 5 м) с новыми энергосберегающими технологиями.

         На сегодняшний день объем обновления парка   облучателей оценивается в 80 000 шт. в год. Новые  высокие   теплицы обеспечивают  увеличение  урожайности, снижение материальных и энергетических затрат.  Они обеспечивают возможность повышения уровней освещенностей более 10 000 лк при выращивании ряда культур, что  увеличивает степень влияния светоэнергетических (световая отдача, спектральный состав ламп, КПД облучателей ηсв) параметров ОУ на продуктивность и себестоимость продукции.

         Таким образом, требуется  разработка новых типов облучателей с НЛВД мощностью 600-750 Вт,  с   бескаркасной  унифицированной конструкцией  светотехнической арматуры  и отражателем из тонколистового (0,3 мм) коррозионностойкого алюминия  с коэффициентом зеркального отражения 95 %,  позволяющего повысить  ηсв  до  90 %  и снизить материалоемкость.

         На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи  исследований, направленные на разработку более эффективных  облучателей и ОУ  для теплиц.

         Во второй главе «Теоретические исследования светотехнических характеристик и разработка энергосберегающих ОУ с МГЛ и НЛВД»   выявлены направления технических усовершенствований в соответствии со специфическими требованиями к облучателям и ОУ и  оценкой спектральной эффективности основных  источников ОИ для растениеводства с целью выполнения решений расширенного рабочего совещания в г. Пущино (10 – 11 февраля 1986 г) по теме «Критерии оценки эффективности источников излучения для светокультуры растений». В этой главе предложены методы  определения основных  светотехнических критериев при проектировании ОУ с лампами МГЛ и НЛВД, выявлены конструктивные особенности облучателей при определении их эффективных КСС, проведены расчеты и обоснование нормируемых  параметров ОУ  и  математических зависимостей для  прогнозирования урожайности огурца и томата при светокультуре.

         Систематизирована информация по КСС  всех типов отечественных и зарубежных тепличных облучателей, используемых в современных ОУ для сооружений защищенного грунта. Показано, что наиболее эффективными КСС обладают светильники для теплиц с полушироким (максимальная сила излучения в пределах углов α = 350 ÷500) и широким (максимальная сила излучения в пределах углов α = 600 ÷ 700) типом светораспределения. Обоснована возможность создания высокоэффективных ОУ для  теплиц с использованием НЛВД мощностью 600 Вт. С помощью специализированных компьютерных светотехнических программ Ulysse (Бельгия) и DIALUX (Германия) проектирования ОУ  на ПК выполнены  детальные расчеты параметров нескольких вариантов ОУ для теплиц. Количество моделируемых  облучателей в ОУ не ограничено.

          Результаты расчетов  согласуются с расчетными  параметрами новейших зарубежных ОУ  ряда ведущих  фирм (Philips, Idman), а  также отечественных производителей. При изменении любого нормируемого параметра или при перемещении облучателей по высоте   рассчитываются и выводятся схемы размещения световых точек над рабочей площадью теплицы с указанием значений освещенности.

         Если более 20 лет назад использование в теплицах ОУ с единственным светильником ОТ-400 с лампами ДРЛФ 400 было обусловлено реальными техническими  возможностями отечественной светотехники, то в настоящее время на  рынке РФ предлагаются  облучатели  таких известных  отечественных и зарубежных производителей,  как ОАО «КЭТЗ» (Республика Мордовия), НПФ «НФЛ» , ПСП ООО «Комплект-Электро», ЗАО «Энергосвет», фирма «Точка Опоры» (РФ), «Хортилюкс-Шредер» (Голландия), «Гавита» (Норвегия), «Идман» (Финляндия) и ряд других.

         Источниками ОИ для облучателей этих фирм служат  различные МГЛ типа ДРИ 400, 1000, 2000 Вт или зеркальные  лампы  типа ДРИЗ–400/700, а также НЛВД мощностью 400 Вт или зеркальные лампы  ДНаЗ-350 («Рефлакс») для замены ДРЛФ 400 в облучателях ОТ- 400, которых изготовлено более 5 млн. шт. Наиболее часто употребляемые источники ОИ имеют  следующие КПД ФАР (ηе): ДРЛФ 400 – 12 %; ДРФ 1000 – 18-20 %; ДНаТ 400 – 25-26 %;  ДРИ 1000 — 6 и ДРИ 2000 — 6 – 27-28 %;  ДКсТЛ – 10-12 %.

         В соответствии с выполненными исследованиями мощность ламп, рекомендуемая нами для МГЛ  – 1000-2000 Вт;  НЛВД –  400-1000 Вт для обеспечения под ОУ  освещенности 6000-12000 лк и  более.

         Для выращивания рассады в теплицах и светокультуры растений ОУ также должны удовлетворять ряду специфических требований. Однако  нормативная база для их  проектирования устарела.  В нормах ОНТП-СХ.10-81 приведены Руд только для ОУ с ОТ 400;  в нормах ОНТП-СХ.10-85 приведены неудобные для потребителей типы ОУ и  ошибочные сведения по применению нормируемой Руд  ОУ  (44,  40,  32 Вт/м2), что несомненно наносит ущерб тепличным  хозяйствам в части выбора типа  трансформаторной подстанции или материала и сечения силового кабеля, установленной мощности  ОУ. Все это  требует новой разработки норм и требований к  светотехническому оборудованию для теплиц.

         Для анализа эффективности  и систематизации растениеводческих ламп специалистам необходимы методика оценки эффективности источников ОИ и данные о характеристиках излучения МГЛ и НЛВД.

         Облучатели с НЛВД, благодаря своей эффективности отодвигают на второй план облучатели с МГЛ типа ДРИ, у которых, несмотря на высокие фотосинтезный КПД,  КПД ФАР и ожидаемые за счет спектрального состава излучения преимущества, отмечаются низкие срок службы и стабильность параметров.

         В настоящее время при оценке эффективности источников ОИ, используемых в растениеводстве, наиболее часто исходят из их световой отдачи;  при этом не принимается во внимание реакция растений на  излучения  в «синем» и «красном» диапазонах спектра.

         В целях упрощения сравнительной оценки эффективности различных источников ОИ по известным  спектральным  характеристикам на основе  процентного распределения относительных энергий излучения в трех спектральных участках ФАР (например, 20 % — 30 % -50 %)  предложена методика, использующая корреляцию между фотометрическими, энергетическими и фотосинтезными  величинами и расчет лучистого Фе,   фотосинтезного Фф и фотонного ФЭ  потоков рекомендуется проводить через световой поток Фл:

 

              (1)

 

                                     (2)

 

                          (3)

 

где — усредненные относительные квазимонохроматические энергии излучения для трех участков спектра (Δλ1=380÷500 нм;   Δλ2 =500÷600 нм; Δλ3= =600÷720 нм); 683 – световая эффективность  излучения, лм/Вт; 0,95 – коэффициент, численно равный фотосинтезной эффективности излучения  λ=680 нм; , h – постоянная Планка; с – скорость света.   

         Результаты экспериментальных исследований и расчета по формулам

(1) – (3) параметров основных разноспектральных источников ОИ, используемых для облучения растений в защищенном грунте, приведены в табл. 1, в том числе – КПД фотосинтеза (ηф).

         Контроль качества выпускаемых светотехнических изделий может выполняться люксметрами Ю-116 или «ТКА» (г. Санкт-Петербург) с учетом коэффициентов перехода от фотометрических к энергетическим или фотосинтезным величинам.

Дальнейшее усовершенствование приборов для эффективного контроля световых режимов в практической работе в агрокомбинатах и научных исследованиях может идти по двум направлениям:

1. Разработка и оценка приборов со спектральной чувствительностью, подобной спектру действия фотосинтеза.

2. Разработка и оценка радиометров для измерения облученности в области ФАР с возможностью выделения трех спектральных зон – синей (380 – 500), зеленой (500–600) и красной (600-720 нм).

         По результатам  расчетов  из  табл. 1  можно  определить  отношение . Значения поправочных коэффициентов для перехода от показаний освещенности в ВтФАР/м2  можно принимать следующими: для солнечного света-0,00402; для НЛВД типа ДНаЗ — 0,00245; для МГЛ — 0,00305; для ДРЛ — 0,00262.

Из табл. 1 можно также сделать вывод, что практически все НЛВД имеют низкий процент излучения в «синей» области спектра. Более показательным нежели соотношение потоков излучения в области ФАР представляются соотношения в указанных спектральных диапазонах фотонных потоков, так как они характеризуют количество фотонов, способных вызвать реакцию пигментов растений. Рекомендуемые эффективные спектры излучения для МГЛ мощностью 2000 Вт —  (24-30 %) – (50-53 %) – (17-24 %); для НЛВД мощностью 600–750 Вт  –  (8-10 %) – (56-60 %) – (30-36 %).

При равных характеристиках источников ОИ основной вклад в светотехническую эффективность облучателя вносит отражатель, к которому предъявляются требования обеспечения высокого КПД (до 85-90 %), полного использования светового потока и стабильности коэффициента отражения в течение всего срока службы. Высокие показатели обеспечиваются эффективной КСС, достижением соответствующего качества материала отражающих поверхностей. Итоговая эффективность облучателей для теплиц определяется с позиций  соотношения «цена-качество» этих технических параметров.

         Применение в качестве материала отражателей структурированного тонконагартованного алюминия, например, фирмы ALANOD, с гарантией сохранения параметров в течение 20 лет позволяет перейти производителям световых приборов к бескаркасным конструкциям облучателей с легкосъемными отражателями.

Повышенные требования к КСС облучателей и к удобству проведения агробиологических работ в теплицах требуют рациональной расстановки световых приборов над рабочей площадкой с учетом их ориентации относительно оси теплицы, высоты подвеса, количества рядов, расстояний между рядами и облучателями в ряду для обеспечения заданной равномерности освещенности.

 

 

         Таблица 1

Результаты экспериментальных исследований и расчета спектральных светотехнических и энергетических характеристик различных источников ОИ

Тип источника ОИ,

наполнение

 %

 %

 %

Фл, клм

Фе, Вт

Фф, Вт

ηе, %

ηф, %

ФЭ,

Вт/эВ

ДРЛФ 400, Hg

22

54

24

16

48

31

12

8

21

ДРФ 1000, Nа, Ѕс

33

50

17

72

205

110

20

11

90

ЛОР 1000, Li, In

43

14

43

24

220

160

22

16

31

Дна3-350, Nа

8

63

29

34

78

44

22

12,6

45

ДРИ 400-5, Nа, Ѕс

33

50

17

36

103

56

25

14

45

ДРИ 1000-5, Nа, Ѕс

33

50

17

103

296

160

29

16

129

ДРИ 2000-6, Nа, Ѕс

33

50

17

200

575

311

29

16

250

ДМ4-6000, Nа, Ѕс

33

50

17

540

1550

840

26

14

675

ДРТИ 1000-1, ln

100

—

—

2

150

83

15

8

2

ДРТИ 1000-2, Тl

—

100

—

95

140

53

14

5

121

ДРИ 2000-1,Dy, Ho, Тu

34

33

33

170

720

457

36

23

219

ДРИ 2000-Х

24

56

20

206

532

287

27

14

263

ДКсТВ 6000, Хе

37

35

28

220

890

570

15

9

279

КГ220-2000-4, W, Br

20

30

50

44

207

165

10

8

61

ДРОТ 2000, Sn

42

33

25

120

513

289

25

14

150

LU 600(HO/T40)

8

56

36

84

217

130

36

22

95

ДНа3-400, Na

8

63

29

44,5

105

57

26

14

59

ДНа3-600, Na

8

65

27

81

180

99

30

16,5

107

SON-Т600 W, Na

8

63

29

85

196

108

33

18

113

NaV-T600 super

8

65

27

85

190

104

32

17

113

PLANTASTAR-600W

9

56

35

82

212

126

35

21

110

SON-T-AGRO-400, Na

8

60

32

54

116

75

28

18

72

LU – 750W, Na

9

56

35

112

290

188

38

25

151

         Для выбора эффективных КСС и расстановки облучателей над рабочими площадями теплиц разработана методика компьютерных расчетов, которая  позволяет обосновать требуемую мощность ламп для использования облучателей на разных высотах подвеса и удельные мощности ОУ.

При выборе  мощности для больших освещаемых площадей и высот подвеса (более 4 м) предпочтительнее использовать облучатели с НЛВД мощностью 600 Вт; для малых и узких освещаемых площадок и низких высот подвеса менее 2,0 м рекомендуется использование НЛВД мощностью 400 Вт.

Для рассадных отделений теплиц особенностью являются высокие уровни освещенности (5-15 клк) и малые h — от 0,5 до 3,5 м.

Последнее обстоятельство не позволяет использовать традиционные методы светотехнических расчетов, когда расстояние от излучателя до приемной поверхности велико и можно пользоваться законом квадратов расстояний.

В зависимости от типов облучателя и источника ОИ, вида оптической системы, габаритных размеров излучателя степень расхождения расчетных и экспериментальных данных может быть различной.

На рис. 1 приведено экспериментальное распределение элементарной освещенности для облучателя ЖСП 48-600 при разных высотах подвеса.

Рис. 1. Экспериментальное распределение горизонтальной освещённости для светильника ЖСП48-600 при разных высотах подвеса h

Рис. 2. Экспериментальные и расчетное распределение освещённости под ОУ при разных высотах подвеса h

Для удобства  компьютерных расчетов использован традиционный метод расчета  с использованием КСС и закона  квадратов расстояний, однако КСС облучателя была подвергнута  следующей корректировке: имея каталожные или экспериментальные  данные о распределении освещенности того или иного типа облучателя для определенной  h,  строим такую КСС фиктивного точечного излучателя, которая обеспечивала бы точно  такое же распределение освещенности при данной высоте подвеса. Построение  такой «фиктивной» КСС осуществляется  путем элементарного пересчета  по формулам квадратов расстояний:

                                                                                                                      ___                      (4)

                        Подпись:  

 

 

 

                                                              (5)

где   — сила света облучателя по направлению угла  в точку А, кд;

 — освещенность в точке А, лк;— высота подвеса облучателя, м;  — расстояние до точки А от нормали к поверхности из центра лампы в облучателе, м.

         На рис. 2  приведены экспериментальные и расчетные распределения освещенности от облучателя ЖСП 48-600 для разных высот подвеса.

Рассмотрены вопросы проектирования и нормирования ОУ с использованием современного программного обеспечения при выборе  оптимального расположения световых точек. Выбор координат световых точек и наивыгоднейшей h с обеспечением минимальной Руд осуществляется на ПК по габаритным размерам рабочей площади модуля теплицы, по условно выбираемой Енорм,  Кнорм и известной КСС облучателя, заданной аналитическим выражением или в табличном виде. Результатами расчетов являются координаты и высоты расположения облучателей, их количество, коэффициенты неравномерности, а также полное расчетное поле освещенности теплицы. Исходными значениями являются  Руд; Енорм; Кнорм и h.

Результаты компьютерного расчета ОУ с  облучателями ЖСП 48-600  приведены в табл. 2, результаты расчета и измерения световых и энергетических параметров высокоэффективных ОУ —  в табл. 3.

         Для выращивания рассады на грунте и зеленных культур на стеллажах в любой световой зоне РФ  наивыгоднейшими   являются   ОУ   с   МГЛ   и   НЛВД   при    уровнях Руд  =  50÷100 Вт/м2, а для ведения светокультуры растений в промышленных теплицах и для стеллажного выращивания рассады  овощных культур – при  Руд = 150÷200 Вт/м2, по которым и рекомендуется выбирать тип трансформаторной подстанции, сечение,  материал силового кабеля и т.п. При этом, надо заметить, что нельзя отказываться от  использования облучателей с лампами ДРИ 1000-6, ДРИ 2000-6, несмотря на  относительно низкий срок службы (~ 3000 ч), так как они обладают благоприятным спектром для большинства растений (например, огурец, цветы) и остаются востребованными селекционерами для ОУ с меньшим числом световых точек или в смешанных

ОУ с НЛВД. Рекомендуемый ряд нормируемых Руд состоит из 50–100–150–200 Вт/м2, т.е. кратные 50 Вт/м2.

         Таблица 2

Результаты расчета ОУ со светильниками ЖСП 48-600 для светокультуры растений с Енорм1=12000 лк и Енорм2 = 6000 лк  на площади ~1000 м2 (20,6 х 48)

 

Высота,

h, м

Кол. обл.в ряду

Расст.

между

обл.

Кол.

обл.,

шт.

Σ Рл,

Вт

Руд,

Вт/м2

Емакс,

лк

Еср,

лк

Емин,

лк

Емин/

Емакс,

%

Емин/

Е ср,

%

Включены все светильники

0,5

23

2,1

207

124200

125,6

47319

12378

1035

2,2

8,4

0,75

23

2,1

207

124200

125,6

21691

12290

4490

20,7

36,5

1

23

2,1

207

124200

125,6

13873

12183

8993

64,8

73,8

1,25

23

2,1

207

124200

125,6

13217

12134

11269

85,3

92,9

1,5

23

2,1

207

124200

125,6

13001

12125

11348

87,3

93,6

2

23

2,1

207

124200

125,6

12636

12117

11835

93,7

97,7

2,5

23

2,1

207

124200

125,6

12430

12069

11766

94,7

97,5

3

23

2,1

207

124200

125,6

12282

11979

11451

93,2

95,6

3,5

23

2,1

207

124200

125,6

12163

11847

11045

90,8

93,2

3,5*

23

2,1

207

82800

83,7

7432

7239

6749

90,8

93,2

В ряду, через один, светильники выключены

2,2

12

4,2

108

64800

65,5

6298

6033

5681

90,2

94,2

3

12

4,2

108

64800

65,5

6387

5991

5533

86,6

92,4

3,5

12

4,2

108

64800

65,5

6211

5934

5505

88,6

92,8

 

Примечание: * — для редуцированного одновременного уменьшения мощности лампы с 600 до 400 Вт; количество рядов  — 9; расстояние между рядами — 2,2 м; Рл — мощность облучателя; Емакс — максимальная освещенность; Еср — средняя освещенность; Емин — минимальная освещенность.

Вопросы  светокультуры связаны со спектральным составом источников ОИ и облученностью. Понимание и прогнозирование ответных реакций растений жизненно важно для точной оценки продуктивности овощных культур.

          Расчет продуктивности производится по методикам  выращивания овощей в условиях ростовых камер, когда  максимальная урожайность для культуры огурца при уровне облученности ЕФАР =100 Вт/м2 достигается при соотношении долей интегральной облученности –

                

    Ес  :  Ез  :  Ек  =  20 %  :  40 %  :  40 %,                    (6)

а для культуры томата –

                   Ес  :  Ез  :  Ек  =  10 %  :  15 %  :  75 %,              (7)

с использованием аппроксимации фотобиологического приемника  для каждой культуры в виде:

                   П = ас Ес + аз Ез + ак Ек,                                   (8)

где П – продуктивность, кг/м2; ас, аз, ак – постоянные коэффициенты для заданного спектрального состава излучения в синей (с), зеленой (з) и красной (к)  областях ФАР; Ес ,  Ез ,  Ек  — доли интегральной облученности в каждом из трех спектральных диапазонов от интегральной Ефар = 100 Вт/м2 (~ 25000 лк).

         По  результатам экспериментов, в части полученных урожаев и формулой (8), были составлены системы уравнений с тремя неизвестными для культуры огурца:

 

         27,5 = 20ас + 40аз + 40ак  ;

         17,5 = 20ас + 60аз +20ак  ;                                          (9)

         22,5 = 34ас + 33аз + 33ак,

 

и томата:

 

         16,9 = 20ас + 20аз + 60ак ;

         15,5 = 20ас + 40аз +40ак ;                                         (10)

         18,5 = 10ас + 15аз + 75ак.

 

Решение системы уравнений (9) для продуктивности  огурца (По) при 

ЕФАР = 100 Вт/м2:

        

По =  -0,01 Ес + 0,09Ез + 0,6 Ек.                                       (11)

 

Решение системы уравнений (10)   для продуктивности томатов:

 

Пт = 0,08Ес + 0,14Ез + 0,21Ек.                                          (12)

 

Полученные величины коэффициентов ас, аз, ак для огурца и томата дают при расчетах продуктивности  по  (9) и (10) результаты, отличающиеся не более чем на 0,2 кГ/м2. Аппроксимации (11) и (12) дают более точную корреляцию с экспериментальными данными, чем у предыдущих исследователей.

Используя выражения (11) и (12) были проведены оценочные расчеты продуктивности и относительной эффективности основных типов газоразрядных ламп высокого давления, в том числе  НЛВД и МГЛ, применяемых для  дополнительного облучения растений в защищенном грунте при ЕФАР = 100 Вт/м2 и напряжении сети 220 В за одну вегетацию (табл. 4). Период вегетации огурца составлял не более 70 суток, томата – не более 110 суток.

Из табл. 4 видно, что наибольшие продуктивности и относительные эффективности могут быть получены при использовании высокоинтенсивных импортных НЛВД мощностью 600 – 750 Вт в новых облучателях для теплиц с КПД до 90 %. Это лампы — SHP—T-600W Growlux, Plantastar-600W  и LU-750W.

При трех вегетациях за год может быть получен урожай огурца – до 90 кг/м2, томата – до 50 кг/м2.

Автор рекомендует ОУ смешанного излучения, когда на культуре огурца с НЛВД мощностью 400-600 Вт добавляются облучатели с МГЛ типа ДРИ 2000-6 или ДРИ 1000-6. Импортные  МГЛ   типа  Brigtelux — 400 W SYLVANIA, работающие с балластами НЛВД 400 Вт, могут также использоваться в оптической системе ОУ при замене вышедших из строя НЛВД, т.к. смешанный спектральный состав излучения обладает высокой эффективностью в области ФАР.

 


 

Таблица    3

Расчетные значения параметров ОУ с различными типами облучателей и ламп для площади теплиц 1000 м2 (14х72м2)

 

 

Параметр

Тип светильника

ЖСП 48-600

ОТ 400 МИ

ЖСП30-400

ЖСП30-600

ГСП-30-2000

Тип ламп

LU-600W

ДНаЗ-350

ДНаЗ-400

ДНаЗ-600

ДРИ-2000

Uc, В

220

220

220

245

380

Фл, лм

84000

34000

44500

81000

200000

Рл, Вт

600

350

400

600

2000

Iл, А

6,3

3,2

4,2

5,55

9,2

Uл, В

104

117

110

110

225

Н, лм/Вт

140

97

111

135

100

ηсв, %

85

90

90

90

75

Фе, Вт

217

78

105

180

575

ηе, %

36

22

26

30

29

ηисп, %

90

90

90

90

90

Фф, Вт

130

44

57

99

311

ηф, %

22

12,5

14

16,5

16

Ээ, лм/ Вт

97,4

71,4

81,7

99,4

56,2

Руд1, Вт/м2

50

50

50

50

—

Nс1, шт.

84

143

125

84

—

Еср1, лк

4900

3580

4100

4970

—

Руд2, Вт/м2

100

100

100

100

100

Nс2, шт.

168

286

250

168

50

Еср2, лк

9700

7150

8190

9900

5600

Еср2е,ВтФАР/м2

23,8

17,5

20

24,2

17,1

Руд3, Вт/м2

150

150

150

150

150

Nс3, шт.

252

429

375

252

75

Еср3, лк

14600

10700

12300

14900

8500

Еср3е,ВтФАР/м2

35,8

26,2

30,1

36,5

26

Руд4, Вт/м2

200

200

200

200

200

Nс4, шт.

336

572

500

336

100

Еср4, лк

19500

14300

16400

19900

11250

Еср4е,ВтФАР/м2

47,8

35

40,2

48,7

34,4

 

 

Примечание: Uc – напряжение в сети; Iл – ток лампы; Uл — напряжение на лампе; ηисп — коэф. использования; Кз = 1,1÷1,2 – коэф. запаса для НЛВД и МГЛ; Ээ = Еср/Руд – светоэнергетическая эффективность; Есрiе – средняя облученность  ФАР при Рудi  ОУ.        

                                                                                                                                         


 

 Таблица 4

Продуктивность и относительная эффективность ламп для светокультуры

растений в теплицах

 

Тип лампы

Рл, Вт

Фл,

клм

Фе,

Вт ФАР

ηе,

отн.

ед.

ФАР

Ес,

Вт

ФАР/м2

Ез,

Вт

ФАР/м2

ЕК,

Вт

ФАР/м2

Огу-рец

(по 10)

П0* ηе

——-

Пмакс,

отн. ед.

Томат

(по11)

Пт* ηе

——-

Пмакс

отн.

ед.

П0, кг/м2

Пт, кг/м2

ДРЛФ 400

400

18

48

0,12

25

54

21

17,2

0,08

14

0,1

SON-T-Agro-400W

400

50

122

0,3

10

59

31

23,8

0,27

15,6

0,29

“Plantastar” — 600W

600

80

210

0,35

10

55

35

25,8

0,34

15,9

0,35

Дна3 – 400

400

44,5

105

0,26

8

63

29

23

0,22

15,6

0,25

Дна3 – 600

600

70

161

0,27

8

63

29

23

0,23

15,6

0,26

ДРИ 2000 – 6

2000

200

575

0,29

27

50

23

18

0,2

14

0,25

ДРИЗ – 400

400

34

98

0,25

27

50

23

18

0,17

14

0,22

LU – 750 W

750

102

250

0,33

9

59

32

24,4

0,3

15,7

0,32

SHP-T-600W

600

81

229

0,38

12

51

37

26,6

0,38

15,9

0,38

 Brigtelux – 400W

400

40

113

0,28

25

51

24

18,7

0,2

14,4

0,25

 

          Примечание: Пмакс — максимальная продуктивность, кг/м2.

В третьей главе «Экспериментальные исследования облучателей для ОУ с МГЛ и НЛВД»  приведены результаты лабораторных и экспериментальных исследований  разработанных облучателей  для теплиц с МГЛ и НЛВД мощностью 400–2000 Вт в соответствии с основными техническими требованиями к облучателям.

Положительные результаты биолого-производственных испытаний МГЛ типов ДРИ 400-5, ДРИ 1000-5, ДРИ 2000-6, ДРИ 1000-6 и исследования ОУ в блочных теплицах, выполненные в 1980–1998 г.г. ВНИСИ совместно с ВИЭСХ,  ТСХА,  ГИПРОНИСельпромом, «Союзпромтеплица», ПО «Электролуч» и КЭТЗ, позволили впервые в России разработать и рекомендовать  для дополнительного облучения рассады облучатели серии  ГСП 26 с МГЛ типов ДРИ 400-5 и ДРИ 1000-5, а также  облучатель ГСП 30-2000 с МГЛ типа ДРИ 2000-6.

Облучатели серии ГСП  26  –  400/1000-001 прошли биолого-производственные испытания в ГИПРОНИСельпроме  и вошли в ОНТП-СХ.10-85. Это были первые облучатели, которые стали заменять ОТ-400 в теплицах.

Биолого-производственные испытания облучателей  с МГЛ проводились на агрокомбинатах «Московский», «Заречье»,  «Майский» (РФ) и др. Были  подготовлены  рекомендации по схемам размещения светильников.

Облучатель ГСП 30-2000 (А.с. № 1353971)  с МГЛ типа  ДРИ 2000-6 был рассчитан на работу в сетях переменного тока с номинальным напряжением 380 В, частотой 50 Гц.        

Кадошкинский электротехнический завод (КЭТЗ)  освоил  также  серийное  производство   облучателей ЖСП 49-400/600;  ЖСП 30 – 2 х 400;  ГСП 49 – 1000. Внедрение разработанных облучателей позволило снизить удельную мощность ОУ в 1,5-1,8 раза (по  сравнению с ОТ 400).

В конце 1990-х г.г.  ООО «ВНИСИ» совместно с ЗАО «ВНИСИ-Шредер» одними из первых разработали и выпустили партию облучателей ЖСП 48-600.  В то время данный  облучатель не имел отечественных аналогов, что позволяло ему занять соответствующую «нишу» на рынке тепличных облучателей.

Подпись: Рис. 3. Относительное распределение излучения по спектру ламп НЛВД мощностью 400 Вт

 

 

Более 120 шт. облучателей ЖСП 48-600 эксплуатируется в рассадном отделении «Агрогазтеплица» (г. Малоярославец МО) на площади более 2000 м2. Рабочее положение лампы – вертикальное относительно  оптической оси отражателя;  КПД – не менее 80 %;  соs φ = 0,85;  высота подвеса – до 4,0 м.

 

 

Подпись: Рис. 4. Относительное распределение излучения по спектру ламп МГЛ фирмы «СИЛЬВАНИЯ» мощностью 400 Вт

 

 

 

На  рис. 3 и 4  приведены в качестве примеров спектральные характеристики  импортных НЛВД и МГЛ различной мощности. Измерения проводились в ООО «ВНИСИ» на  установке для спектральных исследований, на основе спектрофотометра МДР-23, оборудованной  компьютерным блоком для автоматизированной обработки данных. Лампам НЛВД  присущи следующие  качественные особенности: зависимость электрических и световых параметров ламп от  колебаний напряжения сети и условий работы в облучателе, так как  разряд в НЛВД происходит  в «насыщенных» парах ртути и натрия;  за срок службы напряжение на лампе может увеличиваться от 100-110 В до 150-160 В.

Невысокое качество цветопередачи и низкие цветовые температуры, высокое напряжение зажигания, погасание и пульсация напряжения также являются недостатками НЛВД.

Учитывая отсутствие соответствующих количественных данных для НЛВД мощностью 600 и 750 Вт  были  проведены соответствующие измерения электрических   параметров  ламп  в   диапазоне   вариации  напряжения  сети

 ± 10 %.

В табл. 5 и 6 представлены основные параметры НЛВД мощностью 400 – 750 Вт в тепличных облучателях, включаемых в сеть 220/230В с электромагнитным ПРА.

Таблица 5

Основные параметры НЛВД мощностью 400, 600 и 750 Вт

(фирма General Electric)

 

Рл,

Вт

Lмэ,

мм

Р2s,

Вт/см2

Lл,

мм

Uл,

В

Iл,

 А

 

 

Фл,

лм

Тк,

0С

Тц,

0С

400

85,0

16,6

283

100

4,5

55000

450

250

600

112

17,9

283

105

6,2

90000

450

250

750

135

21,2

293

110

7,5

113000

480

270

 

Примечание: диаметр горелок  — 9,0 мм; диаметр внешних колб  — 48 мм; Lмэ — межэлектродное расстояние; Lл — длина лампы; Р2s — удельная нагрузка на горелку; Тк — макс. температура колбы; Тц — макс. температура цоколя.

 

Таблица 6

Электрические  и  световые  характеристики  НЛВД  Grolux  600 фирмы  Sylvania

 

Uс, В

Iл, А

 

Iл, %

 

Uл, В

Uл, %

Рлэ, Вт

Рл, %

Фл, %

190

4,9

95

109

78

460

74

75

200

4,95

96

117

84

510

82

82

210

5

97

128

91

560

90

92

220

5,15

100

140

100

620

100

100

230

5,25

102

149

106

670

108

106

240

5,35

104

160

114

710

115

112

250

5,4

105

170

121

770

124

116

 

Исследование электрических характеристик ртутных ламп высокого давления и комплекта «лампа – ПРА» проводили на установке согласно ГОСТ 17616-82.

         Анализ данных  позволяет сделать следующие выводы:

— общие габариты НЛВД в пределах серии отличаются крайне незначительно (на 3,5 %), что позволяет унифицировать конструкцию отражателя при разработке новой серии тепличных облучателей;

— номинальное напряжение на лампах в пределах серии меняется незначительно (рост в пределах 10 % при переходе мощности лампы Рл от 400 до 750 Вт). В связи с этим, рабочий ток ламп изменяется пропорционально мощности, а  соотношение Рл/Iл для лампы мощностью 600 Вт отличается от 400 и 750 Вт в пределах 8 %;

— необходимо использовать один и тот же тип  ПРА для напряжения сети 220 В с различными вариантами  НЛВД мощностью 600 Вт различных фирм.Указанные данные учитываются при конструировании серии ПРА.

         На основании проведенных исследований был разработан унифицированный  бескаркасный  облучатель (рис. 5) типа  ЖСП 44–400/600 – 002 У5 (А. с. № 1723410).

         В работе рекомендуется потребителю остановить свой выбор на какой-либо одной мощности

Подпись: Рис. 5. Облучатель ЖСП44-600-002 НЛВД (например, НЛВД мощностью 600 Вт) и ОУ  использовать в многорежимном варианте для обеспечения, например, освещенности над растениями под стационарной ОУ в 6000 лк или 12000 лк путем регулирования сетевого напряжения или за счет отключения части светильников.

         В табл. 7 приведены сравнительные характеристики облучателей ЖСП 44-600/750 Вт с НЛВД типа LU-600/750W  фирмы GE.

         Измерения КСС облучателей производили на распределительном фотометре  в соответствии с ГОСТ. Определено, что совокупное  действие «отражателя – лампы» должно создавать заданную КСС с насколько возможно меньшим отклонением от обоснованного исходного типа светораспределения и иметь минимальные массо-габаритные размеры.

 

 

Таблица 7

Сравнительные характеристики тепличных облучателей с НЛВД мощностью 600 — 750 Вт фирмы  General Electric

 

Тип лампы

LU 600/XO/T/40

LU 750/XO/T/40

Напряжение сети, В

220

220

Ток лампы, А (без компенсации)

6,2

7,5-7,6

Напряжение на лампе, В

105

110

Мощность лампы, Вт

600

750

Мощность схемы, Вт (Лампа + ПРА)

640

800

Диаметр колбы, мм

48

48

Общая длина лампы, мм

283

293

Световой поток, лм

90000

112000

Тип облучателя

ЖСП 44-600

ЖСП 44-750

Площадь теплицы, м2

1000

1000

Удельная мощность ОУ, Вт/м2

100

100

Кол-во светильников, шт.

168

135

Средняя    освещенность

ОУ, лк, при h = 3,0-3,5 м

11000

11000

Стоимость лампы в ценах

2004 г.,  евро

24

30

Стоимость ламп  в ОУ, евро

4032

4050

                   Световой поток ламп измеряли в фотомерном шаре.

 

В главе 4 «Технико-экономическое обоснование целесообразности внедрения энергосберегающих ОУ с МГЛ и НЛВД в технологические процессы промышленного растениеводства» технико-экономическая оценка вариантов ОУ произведена по методу приведенных затрат для облучателей ГСП30-2000-001 и ЖСП44-600-001. Применение новых энергосберегающих облучателей типа ЖСП44-600-001 позволило снизить массо-габаритные показатели ОУ на 20 %, получить годовой экономический эффект от использования одного облучателя  в 3265 руб. по сравнению с ОУ из облучателей  ОТ 400 с лампами ДНаЗ-350 («Рефлакс») и планируемую годовую экономию электроэнергии в 175 тыс. кВт-ч при выпуске 50 000 шт., тогда ожидаемый  годовой эффект достигнет 163,25 млн  руб.

         Рассмотрен еще один из возможных вариантов оценки экономичности по относительной стоимости 1 Вт полезного потока излучения ламп (руб/Вт) в области ФАР при  годовой эксплуатации заданной ОУ на основе стоимостных и технических параметров сравниваемых облучателей, составленный с учетом  общепринятых предпосылок и методик.

         Установлено, что при равных характеристиках источников ОИ основной вклад в светотехническую эффективность облучателей вносит конструкция отражателя, обеспечивающего высокий КПД, полное  использование светового и энергетического  потоков и стабильность светотехнических характеристик в течение всего срока службы, высокий КПД ФАР (более 30 %), наименьшая стоимость облучателя и ламп.

         Наилучшей итоговой эффективностью обладает облучатель ЖСП 44-600-001 с полушироким типом светораспределения (максимальная сила света в пределах углов 35–500) и лампой НЛВД  мощностью 600 Вт.

Общие выводы

         По результатам проведенных исследований в диссертационной работе сделаны следующие выводы:

1.     Анализ применения облучателей  с  источниками  ОИ в теплицах показал, что светотехническое оборудование не отвечает современным требованиям новых высоких строящихся теплиц, тепличных технологий и светокультуры. Существующая нормативная база 1980-1990г.г. устарела. Это объясняется отсутствием методов оценки разноспектральных ламп для выращивания растений по спектральным характеристикам, компьютерного проектирования ОУ современными специализированными светотехническими программами и базой параметров светотехнического оборудования, выбора и инженерного расчета нормируемых параметров ОУ. Повышение эффективности ОУ может быть  достигнуто за счет применения НЛВД мощностью 600 Вт со световой  отдачей  в 150 лм/Вт и сроком  службы более 25 000 час, повышением КПД облучателей до 90% за счет применения для  конструкций отражателей  структурированного алюминиевого листа (например, фирмы ALANOD).

2.     Для выбора наиболее эффективной растениеводческой  лампы разработана методика  оценки эффективности разноспектральных источников ОИ, которая позволяет проводить сравнительную оценку ламп по  спектральным характеристикам, энергетическим и фотосинтезным КПД и фотонным потокам.

3.     Разработана методика прогнозирования урожайности овощных культур, которая позволяет проводить оценочные расчеты продуктивности овощных культур и относительной эффективности основных типов НЛВД и МГЛ. Результаты расчетов энергетических и фотосинтезных КПД, относительной эффективности основных типов НЛВД и МГЛ показали высокую эффективность  НЛВД мощностью 600 Вт и МГЛ типа ДРИ 2000-6.

4.     Разработана методика с использованием специализированных компьютерных светотехнических программ для выявления и уточнения критериев нормирования ОУ, оценки эффективности КСС облучателей и ОУ в теплицах. При выборе оптимального варианта ОУ  предложено ограничиться четырьмя нормируемыми  значениями Руд, кратными 50 Вт/м2 (50 – 100 – 150 – 200 Вт/м2). При проведении компьютерных исследований эффективных КСС облучателей с НЛВД и МГЛ выявлены преимущества двух типов светораспределения – полуширокого с  Iмакс в пределах углов 35-500 и широкого с Iмакс в пределах углов 60-700 на разных высотах подвеса облучателей.

5.     На основе результатов исследований сформированы требования к типоразмерному ряду облучателей для  теплиц с НЛВД и МГЛ, предложены реальные технологические схемы энергосберегающих ОУ,  позволяющие  снизить  потребление электроэнергии до  минимально  возможных уровней Руд (50–150 Вт/м2). Таким образом потребление электроэнергии в теплицах может быть снижено на 50 %. КПД облучателей достигает 90 %; на 20 % снижена материалоемкость тонкостенных конструкций отражательных систем облучателей. Облучатель ЖСП 44-600-002 включен в проекты новых строящихся теплиц, а на ОАО «КЭТЗ» осуществлено производство и выпуск более 50 000 шт. облучателей. Облучатели ЖСП 44-600-002 более 2-х лет эффективно эксплуатируются в агрокомбинатах «Южный» (п. Усть-Джегута), «Тепличный» (п. Мокшаны, Пензенской обл.).

6.     Результаты экономических  расчетов показали, что применение новых энергосберегающих облучателей  типа ЖСП 44-600-002 позволило снизить массогабаритные показатели на 20 %, получить годовой экономический эффект от использования одного светильника в 3265 рублей по сравнению с ОУ из светильников ОТ-400 с лампами ДНаЗ-350 («Рефлакс»). Годовая экономия электроэнергии — 175 тыс. кВт-ч при выпуске 50 000 шт. облучателей,  годовой экономический эффект —  163,25 млн.руб.

 

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах автора:

 

  1. А.с. № 1353971 (СССР). Облучатель для теплиц / Наумов В.А., Ильин В.Н., Малышев В.В., Резаков Р.У., Швецов С.Г.// Открытия. Изобретения. 1987.  Бюл. №43.

  2. А.с. № 1723410 (СССР). Отражатель светильника для теплиц / Наумов

В.А., Ильин В.Н., Малышев В.В., Резаков Р.У., Швецов С.Г. // Открытия.

Изобретения. 1992.  Бюл. № 12.

3. Малышев  ВВ.   Оценка  количественных  критериев разноспектральных

ламп для растениеводства по световым параметрам. // Сб. научных трудов.

«Электрификация и автоматизация сельского хозяйства». — М: МГАУ им. В.П. Горячкина, 1999. С.60-65.

4. Малышев В.В.,  Овчукова С.А.  О нормах дополнительного облучения

растений и об оценке эффективности освещения в теплицах//Труды 2-й

Межд. науч.-техн. конф. (3-5 октября 2000 г.)  «Энергосбережение  в   сельском  хозяйстве». Часть 1.-М.:  ВИЭСХ, 2000. С. 417- 422.

 5. Кущ   O.K.,   Малышев   В.В.   Комплекс   нормируемых   параметров   для      облучательных светотехнических установок для теплиц// Электротехника. 1988. № 4.С. 18-20.

 6. Вассерман А.Л., Малышев В.В. Об оценке эффективности облучения

 растений.//Светотехника. 1985. № 8. С. 16-17.

7.  Малышев   В.В.   О   нормах   дополнительного   облучения   растений   в  теплицах// Светотехника. 1988.  № 7. С. 13-15.

8.Прикупец Л.Б., Малышев В.В., Хорьков Н.А. и др. Новый энергоэкономичный светильник ЖСП 48-600 с натриевой лампой высокого давления мощностью 600 Вт для теплиц// Тез. докл. IV Межд. светотехнич. конф. (19-22 июня 2000 г.) «Светотехника на рубеже веков: достижения и перспективы». -Вологда, 2000. С. 62-63.

9.Малышев В.В., Митин А.И., Наумов В.А. и др. Светильники серии ГСП26 для прогрессивных технологий выращивания рассады овощных культур// Тез. докл. 1-й Межд. светотехн. конф. —Санкт-Петербург, 1993. С.107.

10.Ильин В.Н., Малышев В.В., Наумов В.А. и др. Новые светильники для теплиц (рекомендации по схемам размещения, экономическая эффективность)// Тез. докл. II Межд. светотехн. конф. – Суздаль,  1995. С. 191.

11.Малышев В.В. Энергосберегающий светильник типа ОТ-400 с металогалогенными лампами// Тр. III Межд. науч.-техн. конф. (14-15 мая 2003г.).-  «Энергосбережение и энергоснабжение в сельском хозяйстве». -М.: ГНУ ВИЭСХ. Часть 3. С.420-425.

12.Прикупец Л.Б., Малышев В.В. Актуальные проблемы эксплуатации облучательных установок в тепличных комбинатах// Тез. докл. V Межд. светотехн. конф. (2-5 сентября 2003 г.). -Санкт-Петербург, 2003. С.190-191.

13.Прикупец Л. Б., Малышев В. В., Ильин В. Н., Спирин А. А., Елисеев В. Н. Новые высокоэффективные облучатели для теплиц с НЛВД мощностью 600 и 750 Вт// Тез. докл. VI Межд. светотехн. конф. (19-21 сентября 2006 г).

-Калининград. -Светлогорск, 2006. С.58.

14. Овчукова С.А., Коваленко О.Ю., Малышев В.В. Новый подход к вопросу воздействия оптического излучения на растения.// Естественные и технические науки. 2005. № 5. С.121-125.

     15. Малышев В.В., Лямцов А.К. Современная светотехника для теплиц // -ФГУП Изд. «Известия».2004.Часть 2. «Автоматизация сельскохозяйственного производства». Сб. докл. Межд. науч.-техн. конф.(29-30 сентября 2004г.). -Углич. С.457-466.

     16. Малышев В. В. Прогнозирование урожаев при светокультуре возможно// Мир теплиц. 2005. №3. С. 55-56.