Повышение эффективности облучательных установок для теплиц

Тепличные хозяйства и агрокомбинаты решают важную народнохозяйственную проблему снабжения населения свежими овощами в поздний осенний, зимний и весенний периоды, или при ведении светокультуры в течение круглого года. В защищенном грунте выращивают рассаду овощных культур, различные лекарственные растения, зеленый корм, газонные покрытия, цветы на срез и в вегетационных сосудах для интерьерного украшенияведутся селекционные работы для получения семян высокопродуктивных сортов.

Технологии выращивания растений в защищенном грунте требуют применения высокоэффективных источников ОИ, облучателей, ОУ.

Для эффективного использования световой энергии в теплицах, наиболее важны три основные характеристики излучения: спектральный состав источника ОИ, уровень освещенности (облученности) и продолжительность суточного освещения растений.

Исследованиями известных ученых светотехников и физиологов растений Клешнина А. Ф., Лемана В. М., Мешкова В. В., Прищепа Л. Г., Протасовой Н. Н., Шарупича В. П., Тихомирова А. А., Рвачева В. П., Карпова В. Н., Сарычева Г. С, Мошкова Б. С, Ничипоровича А. А., Соколова М. В., Свентицкого И. И., Липова Ю. Н., Ермакова Е. И., Матвеева А. Б., Жилин-ского Ю.М., Живописцева Е. Н., Косицына О. А., Кондратьевой Н. П., Вас-сермана А. Л., Шульгина И. А., Фатеева В. И. и других решены ряд теоретических и прикладных задач в области применения и создания источников излучения для сельскохозяйственных предприятий и для биологических исследований. Ими сформулированы, обоснованы и предсказаны разнообразные по характеру новые возможные пути интенсификации производства овощных культур в теплицах и рационального использования электрической энергии при искусственном облучении растений [31, 33−35, 44−46, 60, 61, 88].

На современном этапе развития растениеводства защищенного грунта проблемы дополнительного освещения, обеспечивающего повышение урожайности, связаны в основном с устаревшим светотехническим оборудованием и отсутствием прогрессивных технологий. Большинство тепличных агрокомбинатов используют оборудование 30.40-летней давности. С 1990 г. по настоящее время выбыло из оборота, примерно 1000 га теплиц [110]. По состоянию на начало 2004 г. в России функционировало, примерно, 1700 га зимних теплиц. Количество электроэнергии, потребляемой одновременно всеми агрокомбинатами на облучение рассады, достигало 170 млн. кВт. ч, а количество эксплуатируемых ламп и облучателей — более 400 000 шт.

Усредненные значения Руд по нормам ОНТП — СХ. 10 — 81/85 для различных вариантов ОУ для теплиц с газоразрядными лампами составляли ряд от 425 до 32 Вт/м и в настоящее время требуют пересмотра. Хотя из-за высокой стоимости энергоносителей и материально-технических ресурсов тепличные хозяйства продолжают сокращать производство, ожидаемого снижения объема продукции не произошло благодаря внедрению в растениеводство новейших технологий с применением современных ОУ на базе высокоэффективных газоразрядных ламп типа МГЛ и НЛВД. Данные бухгалтерской отчетности свидетельствуют о том, что сельскохозяйственными предприятиями Минсельхоза России в 2000 г. было выращено 444 тыс. тонн продукции защищенного грунта при выходе 20,4 кг с 1 кв. м используемой площади, против 426 тыс. тонн и 19кг/м в 1999 г [89].

Вместе с тем, намеченные в начале 2002 г. меры по повышению на 3040% тарифов на энергоносители, наряду со снижением государственной дотации на электроэнергию привели к резкому снижению показателей экономики производства и дальнейшему закрытию тепличных предприятий, расположенных вокруг крупных промышленных центров, где работают более 1 ООтыс. человек. Спад тепличного производства особо губителен для холодных и труднодоступных районов, составляющих более 60% просторов России.

Таким образом, может прекратить свое существование отрасль, создаваемая десятилетиями, имеющая налаженное промышленное производство витаминной овощной продукции, рабочие места, бюджетные налоги, социальную сферу, что нанесет непоправимый ущерб хозяйству страны.

Сказанное свидетельствует о том, что дальнейшие работы должны проводиться в направлении дальнейшего усовершенствования ОУ в промышленном растениеводстве.

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

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

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

Основными направлениями реализации этой программы являются: прогнозирование и анализ энергопотребления ОУ в теплицах, разработка и создание экологически безопасных энергои ресурсосберегающих технологий интенсивного выращивания растений в регулируемых условиях защищенного грунта, разработка ОУ для теплиц нового поколения на основе облучателей с МГЛ и НЛВД (в том числе, импортного исполнения).

Реконструкция тепличных агрокомбинатов позволит довести годовой валовой сбор овощей до 900. 1000 тыс. тонн, грибов до 1 тыс. тонн в год, чтобы достичь медицинских норм потребления населением свежей овощной и грибной продукции хотя бы на 50.55%. Напомним, что средняя годовая норма потребления овощей, рекомендованная институтом питания РАН на одного человека, составляет 126 кг [89].

Не остается сомнений, что реконструкцию и модернизацию оборудования в теплицах необходимо проводить уже сейчас. Начинать следует с усовершенствования технологий, модернизации старых и внедрения новых теплиц, а также модернизации электрических сетей при внедрении ОУ нового поколения, пересмотра норм технологического освещения растений.

Каждое хозяйство должно само определить, за что бороться в первую очередь: повышение урожайности и конкурентоспособности или снижение себестоимости продукции?

Сегодня на рынке представлено большое количество облучателей с МГЛ и НЛВД как отечественного, так и импортного исполнения, которые позволяют повысить урожайность на 5−10%. Преимущество ОУ на их основе, по сравнению с ОТ-400 на базе ламп ДРЛФ 400 или ДНаЭ-350, неоспоримо. Но облучателей типа ОТ-400 выпущено более 5 миллионов штук, как индуктивных (ОТ 400 МИ), так и емкостных (ОТ 400 ME), обеспечивающих при совместной работе cos (p = 0,92. Эти облучатели еще не исчерпали свой срок службы и могут продолжать эксплуатироваться в теплицах не менее 5-ти лет. При использовании импортного светотехнического и электротехнического оборудования следует учитывать, что оно рассчитано на работу при номинальном напряжении сети 230−240 В, в то время как в России Uc= 220 В.

Проблема эффективного использования энергосберегающих тепличных ОУ на базе облучателей с МГЛ и НЛВД требует усовершенствования методов оценки эффективности источников ОИ при их воздействии на растения в защищенном грунте, понимания и прогнозирования ответных реакций растений для оценки продуктивности овощных культур.

Таким образом, вопросы совершенствования источников ОИ, облучателей и повышение эффективности ОУ для растениеводства, методов оценки их эффективности при эксплуатации в теплицах, а также нормирования освещения являются чрезвычайно актуальными для агротехнического производства.

Настоящие исследования выполнялись автором с 1975 г. в ВИСХОМ, ТСХА, МИИСП им. В. П. Горячкина, на светотехнических и электротехнических заводах в городах Саранске и Кадошкино (Республика Мордовия), в научно-исследовательских институтах ООО «ВНИСИ» и ГНУ «ВИЭСХ», промышленных теплицах агрокомбинатов «Московский», «Марфино» и др.- велась активная работа в рамках Республиканской производственно-научной ассоциации «Теплицы России».

Автор выражает признательность и благодарность за длительную поддержку выбранного направления повышения эффективности ОУ для теплиц и оказания консультативной научно-технической помощи при написании диссертационной работы Шахпарунянцу Г. Р., Прикупцу Л. Б., Барцеву А. А., Са-рычеву Г. С., Мудраку Е. И., Юшкову Д. Д., Меркуловой А. П., Ваниной Т. В., а также Рымову А. И., Вассерману А. Л. и Кущу O.K.

Цель работы состоит в том, чтобы, опираясь на объективно существующие закономерности воздействия ОИ на растения, научно обосновать и разработать энергои ресурсосберегающие ОУ на базе высокоэффективных облучателей с лампами типа НЛВД мощностью 600 Вт и МГЛ мощностью 400.. .2000 Вт, позволяющих значительно снизить расход электроэнергии и повысить продуктивность при выращивании растений в защищенном грунте.

Методология исследований базируется на комплексных теоретических и экспериментальных исследованиях с применением методов статистической обработки данных на ПК, математических расчетах систем облучения растений, физических моделях ОУ, светотехнических, фотометрических, спектральных и биометрических измерениях, методах расчета нормативных параметров ОУ с применением специализированных программно-технических средств. Теоретические исследования заключались в определении нормируемых параметров ОУ, электротехнических и светотехнических параметров новых облучателей для теплиц, оценке эффективности излучения источников ОИ и повышения продуктивности овощных культур. Поставленные задачи решены с использованием теоретических основ светотехники, светокультуры растений, методов электротехнологии и средств измерений, теории математической обработки данных и компьютерной техники. Экспериментальные исследования проводились на современных образцах энергосберегающего светотехнического оборудования. В работе использованы современная измерительная аппаратура и программно-технические средства.

Научная новизна работы:

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

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

• Разработана методика, с использованием специализированных компьютерных светотехнических программ для выявления и уточнения критериев нормирования, оценки эффективности кривых сил света облучателей и ОУ в теплицах, обоснованием контролируемых параметров инженерных расчетов ОУ для любых Руд, нормируемых освещенностей (Е1юрм), 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 ФАР.

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

Разработан высокоэффективный облучатель с КПД до 90% с 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 и реализация результатов работы.

• Проведен анализ энергосберегающих светотехнических средств для ОУ в теплицах, позволяющий определить преимущества и недостатки известных и перспективных конструкций облучателей, источников ОИ, теплиц и тепличных технологий.

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

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

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту.

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/м).

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

Апробация работы и публикации.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы проектными организациями при определении требований к спектральному составу растениеводческих ламп, разработчиками при конструировании новых облучателей для теплиц и при проектировании ОУ для теплиц и агрокомби-натов, в учебных процессах различных ВУЗов РФ.

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

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

Объектом исследования являются: дополнительное облучение рассады и овощных растений, источники ОИ, облучатели для теплиц, ОУ на основе энергосберегающих облучателей с МГЛ и НЛВД, ПРА, светотехнические материалы, нормы освещенности в промышленных теплицах, светокультура и продуктивность овощных культур, способы экономии электроэнергии в теплицах и сокращение затрат на ОУ.

Объем работы. Диссертация состоит из: введения, 4-х глав, выводов по работе, списка литературы из 132 наименований^ приложений и актов о внедрении и использовании результатов работы. Общий объем диссертации 215 стр., включая 47 рисунков и 33 таблицы,.

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 нормируемы* 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 ООО 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/м (50 — 100 — 150 -200 Вт/м). При проведении компьютерных исследований эффективных КСС облучателей с НЛВД и МГЛ выявлены преимущества двух типов светорас-пределения — полуширокого с 1макс в пределах углов 35−50° и широкого с 1макс в пределах углов 60f70° на разных высотах подвеса облучателей.

5. На основе результатов исследований сформированы требования к ти-поразмерному ряду облучателей для теплиц с НЛВД и МГЛ, предложены реальные технологические схемы энергосберегающих ОУ, позволяющие снизить потребление электроэнергии до минимально возможных уровней РуД (50f 150 Вт/м). 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.) и.

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 ДНаЭ-350 («Рефлакс»). Годовая экономия электроэнергии -175 тыс. кВт-ч при выпуске 50 000 шт. облучателей, годовой экономический эффект — 163,25 млн руб.