ЭТУ_Куликова_2014

роль видимое излучение оказывает на продуктивность и жизнедеятельность животных и птиц.

При уровнях освещенности 50...100 лк и при соблюдении всех остальных зоотехнических требований продуктивность коров по молоку возрастает в среднем на 9 %, расход кормов на единицу продукции снижается на 8...20 %, перевариваемость протеина возрастает до 60 %.

Таблица 3.2. - Требования к осветительным установкам

Затраты энергии на освещение животноводческих помещений можно снизить, принимая во внимание, что высокая освещенность должна быть только в зоне кормления и только во время кормления. Изменяя длительность периода высокой освещенности, можно регулировать (оптимальная 16 часов) густоту шерстяного покрова и время течки у коров, а, следовательно, и время отела. Для дойного стада продолжительность светового дня 16 часов. При откорме КРС рекомендуется короткий день (8...10 часов) и низкие освещенности (от 10...20 лк до 30...50 лк).

При сальном откорме свиней на период 40...50 дней рекомендуется низкая освещенность (5...10 лк) и длительность светового дня – 6...8 ч. При мясном откорме – длительность светового дня 12 ч и освещенность 20...40 лк. Правильно выбранный режим освещения повышает привесы на 10...17 %.

Режим освещенности в птицеводстве позволяет регулировать сроки полового созревания птицы и интенсивность яйцекладки. Прерывистый режим освещенности позволяет значительно сократить расход энергии и кормов (до 20 %).

71

Для исключения стресса птицы включение и отключение освещения должно производиться плавно в течение 2...3 мин, с помощью регуляторов напряжения для ламп накаливания и увеличения или уменьшения числа включенных люминесцентных ламп.

Особо важную роль видимое излучение играет при выращивании рассады и взрослых растений. Культурные растения, выращиваемые при искусственном освещении, называют светокультурой. Световой режим, спектр и интенсивность облучения для светокультуры выбираются на основе изучении естественных условий их произрастания.

Освещенность у поверхности земли достигает 60...80 тыс. лк, а количество энергии при этом составляет около 1 кВт/м. Для фотосинтеза такая освещенность является избыточной, и растения сами регулируют величину потока усвоения. При малых освещенностях зерна хлорофилла распределены по всему объему клетки и эффективно поглощают энергию. При большой освещенности зерна хлорофилла выстраиваются в ряды по направлению светового потока, и большая его часть пронизывает лист, не оказывая влияния на процесс фотосинтеза.

При определенном уровне освещенности для каждого вида растения наступает равновесие между накоплением продуктов фотосинтеза и расходом их на жизненные процессы растений. Такой уровень освещенности называется компенсационной точкой. Растение может расти, развиваться и плодоносить только при уровнях освещенности, превышающих компенсационную точку.

Спектральная чувствительность листа растения, в котором происходит фотосинтез, определяется кривой с максимумами в оранжево-красной и сине-фиолетовой части спектра. Зеленые лучи в большей части отражаются от листа, и их влияние на процессы фотосинтеза снижено.

Спектральные кривые основных физиологических функций растения приведены на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Спектральные характеристики листа растений:1 – фотосинтез; 2 – образование хлорофилла; 3 – развитие растений; 4 – «средний лист»

72

Для оценки действия оптического излучения рассчитывается спектральная чувствительность по спектрам поглощения хлорофилла и каротиноидов, т.е. вводится понятие «среднего листа».

Спектральные характеристики источника облучения должны соответствовать спектральной чувствительности объекта облучения. При этом повышается эффективность облучения и снижаются энергозатраты.

В сельском хозяйстве в зависимости от конкретных целей применяют:

–дополнительное облучение рассады овощей (огурцы, томаты) в теплицах для ускорения роста и развития растений;

–дополнительное облучение растений в теплицах для продления короткого естественного дня;

–облучение растений при выращивании их в темных помещениях без естественного света:

–облучение проростков зерновых и бобовых культур при беспочвенном выращивании зеленого корма из семян (гидропоника).

Дополнительное облучение рассады огурцов и томатов ускоряет выход овощей на 3...4 недели, повышает урожай на 25...З0 %, снижает

себестоимость на 15...20 %. Фотосинтетически активная облученность рассады огурцов равна 20...25 (тыс. эрг) / (см2·с) или 5...6 тыс. лк, рассады томатов 25...30 (тыс. эрг) / (см2·с).

Общая продолжительность облучения 14...18 часов. Обязателен ночной перерыв на 6...8 часов. Дневное облучение непрерывно.

Искусственное облучение с целью продления короткого естественного дня применяют при выращивании декоративных культур. При этом достаточная фотосинтетически активная облученность равна 400...1000 эрг

/(см2·с) или 100...250 лк. При выращивании зеленых кормов на гидропонике облученность должна быть 4...5 (тыс. эрг) / (см2 ·с) при длительности облучения 10...18 час.

В облучательных установках применятся лампы накаливания, газоразрядные лампы низкого и высокого давления и дуговые.

Лампы не должны содержать в своем спектре ультрафиолетовых излучений длиной волны короче 300 нм, а инфракрасная часть не должна превышать 40...50 % всего оптического излучения. Эффективным потоком является фитопоток, измеряемый в фитах (фт). 1 фт равен 1 Вт излучения с длиной волны 680 нм:

ФФ Fсн ,

КФ

где КФ –коэффициент перевода освещённости в фитооблучённость .

Фитопоток любой лампы вычисляется методом графического интегрирования:

750

ФФ g m K d ,

300

73

где g m – максимальная фотосинтетическая активность излучения, равная 0,95; – величина спектральной интенсивности излучения лампы; К – относительная спектральная чувствительность “среднего листа “ растения[1].

В настоящее время в светотехнике находят широкое применение в качестве источников оптического излучения светодиодные светильники. Эти светильники используют как энергосберегающий осветительный прибор для замены ламп накаливания и газоразрядных лам.

Последние результаты исследований указывают на возможность применения светодиодных светильников также и для освещения растений.Современные светодиоды перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра: от красного до фиолетового цвета. Диапазон длин волн излучения светодиодов в красной области спектра составляет 620-780 нм, в оранжевой — 600-620 нм, в желтой — 585-595 нм, в зеленой — 500570 нм, в голубой — 465-490 нм и в синей — 430-465 нм. Таким образом, составляя комбинации из светодиодов разных цветовых групп, можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне.

Следует отметить и другие преимущества светодиодов, например малую потребляемую электрическую мощность и, как следствие, низкое потребление электроэнергии устройствами на их основе. Кроме того, стоит учитывать, что излучение светодиодов направленное, а это позволяет эффективнее использовать полупроводниковые источники света. Также надо принимать во внимание, что время жизни светодиодов превышает время жизни, например, люминесцентных ламп минимум в несколько раз.

Рисунок 3.9. Спектр натриевой ламп

74

Интенсивность излучения светодиода зависит от протекающего через кристалл тока. Это позволяет управлять интенсивностью излучения светодиодного светильника, причем относительно легко — путем изменения тока.

Рис.3.10. Относительная спектральная эффективность фотосинтеза

Рисунок 3.11 График соотношения спектра эффективности фотосинтеза, натриевой лампы высокого давления и светодиодного светильника

Если использовать в светильнике светодиоды с разными значениями длины волны излучения, то, изменяя ток для разных светодиодов, можно

75

получать различные по составу и интенсивности спектры излучения и таким образом подбирать спектр светильника в зависимости от конкретного этапа развития растения.

Здесь нельзя не сказать о том, что современные теплицы представляют собой сложные технические комплексы, в большей части роботизированные. Управление ими осуществляется при помощи автоматизированных систем, в которые достаточно органично можно добавить и управление освещением, причем как по интенсивности, так и по спектральному составу излучения, и производить такие управляющие операции по программам, учитывающим фазу развития растений.

Вдовершение всего светодиодные светильники, в отличие от других ламп, не являются хрупкими, поэтому устройства на их основе могут быть вандалоустойчивыми, а возможность низковольтного питания делает их безопасными, то есть не являющимися потенциальными источниками возникновения пожара или взрыва .

Все перечисленное делает светодиодные светильники крайне привлекательными для использования в тепличном освещении. Для того чтобы оценить их возможности, нужно сравнить параметры светодиодных источников света и ныне применяемых в тепличном хозяйстве ламп.

Внастоящее время для искусственного освещения растений используются лампы особого типа, которые называются аграрными. На рис. 1 представлен спектр аграрной натриевой лампы. На рисунке 3.9 приведена кривая относительной спектральной эффективности фотосинтеза . На кривой четко видны максимумы в диапазоне длин волн 400-500 нм, который соответствует синей спектральной области (левый широкий максимум), и в диапазоне 600-700 нм, который соответствует красной спектральной области (правый широкий максимум).

Эффективность источника света можно оценить по количеству люменов излучаемого светового потока, приходящихся на один ватт потребляемой источником мощности. Однако в данном случае это будет не совсем корректно. Например, глаз человека воспринимает цвета поразному, пик его чувствительности лежит в зеленой области спектра, таким образом, источник синего или красного света нам будет казаться более тусклым, чем источник зеленого такой же мощности излучения. Клетки растений тоже не все длины волн воспринимают одинаково, разные диапазоны излучения влияют на протекание процессов фотосинтеза посвоему. Поэтому использование светильников одной и той же мощности излучения, но различающихся по спектральному составу, приводит к разным результатам. С учетом этого по аналогии с кривой чувствительности человеческого глаза строится усредненная кривая эффективности фотосинтеза (рисунок 3.9), и с помощью этой кривой оценивается эффективность использования спектра источника света.

Излучение в диапазоне волн 400-700 нм оказывает наибольшее влияние на протекание фотосинтеза и называется «фотосинтетически

76

активным». Существует стандартный параметр, характеризующий «яркость» источника света для растения, — количество фотонов с длиной волны 400-700 нм, излучаемых за одну секунду. Эта величина называется фотосинтетическим фотонным потоком (Photosynthetic Photon Flux, PPF) и измеряется в микромолях фотонов в секунду, а отношение PPF к потребляемой мощности рассматривается как коэффициент эффективности излучения.

Помимо показателей эффективности, большое значение имеет состав спектра излучения. Ранее уже приводилось оптимальное соотношение энергий по спектру: 30% - в синей области, 20% - в зеленой и 50% - в красной. Такое соотношение обеспечивает выращивание полноценных растений, а сильное нарушение его приводит к отклонениям в развитии. Например, если большая часть энергии излучения приходится на синюю область спектра, это приводит к формированию низкорослых растений с высоким фотосинтезом, но низкой продуктивностью. Сильная накачка красным, наоборот, приводит к излишнему росту вегетативных органов в ущерб генеративным.

Таким образом, два типа источников света — натриевые лампы и светодиодные светильники — надо сравнивать по следующим параметрам: эффективность использования спектра источника, соотношение PPF/Вт и состав спектра.

На рисунке 3.10 представлены спектры натриевой лампы высокого давления, светодиодного светильника и кривая эффективности фотосинтеза.

Натриевые лампы имеют высокое соотношение PPF/Вт - не менее 1,8 мкмоль/(с Вт). Расчетное значение эффективности использования спектра источника составляет 0,92. В спектре натриевой лампы средний уровень интенсивности в синей области более чем в три раза ниже, чем уровень интенсивности в красной области, что говорит о необходимости использования более интенсивной лампы, а значит, о необходимости повышения потребляемой мощности.

Светодиодный аграрный светильник был разработан с учетом требований к тепличному освещению, и его спектр максимально приближен к оптимальному. Расчетное значение PPF/Вт - 2 мкмоль/(с Вт). Расчетное значение эффективности использования спектра источника - 0,83.

Из сравнения приведенных для двух типов источников данных можно сделать вывод, что светодиодный светильник по своему спектру ближе к оптимальному для выращивания растений, характеризуется более высокой отдачей фотосинтетически активного излучения, чем натриевая лампа, и имеет сопоставимую с ней эффективность использования спектра источника.

77

Все это свидетельствует о возможном более эффективном применении данного типа светильников для освещения растений в процессе вегетации.

Полностью развились от стадии проращивания из семян до стадии плодоношения в лабораторных условиях. Второй этап должен подтвердить преимущества использования светодиодных источников освещения для растений уже в реальных условиях тепличного хозяйства.

Уже сейчас эксперимент показал, что, в отличие от люминесцентных ламп, светодиодный светильник обеспечивает спектр излучения, необходимый для полного цикла выращивания растений от проращивания до цветения и плодоношения, а спектр люминесцентных ламп не позволяет растениям плодоносить, поэтому эти лампы пригодны только для выращивания рассады. Другим преимуществом светодиодных светильников является низкое выделение тепла, поэтому их можно располагать в непосредственной близости от растений без риска нанести им повреждения.

Результаты законченного первого этапа эксперимента показали, что семена, освещаемые светодиодными светильниками, прошли за время эксперимента полный цикл от проращивания до плодоношения, тогда как семена, освещаемые светильниками с люминесцентными лампами, за аналогичное время дошли только до стадии цветения.

Использование светодиодных светильников в теплицах Главное преимущество применения светодиодных светильников для

освещения растений в теплицах - возможность подбора практически идеального для их роста спектра излучения. Спектр расположен как в синей, так и в оранжевокрасной областях. Как уже говорилось, красный свет необходим для роста корневой системы, созревания плодов, цветения, а синий - для развития листьев и роста растений . У натриевой лампы основная часть спектра лежит в оранжево-красной области и явно недостает синего света; из-за этого растения тянутся вверх, становятся более хрупкими и плохо переносят транспортировку.

78

Таблица 3.3 - Сравнение люминесцентного и светодиодного освещения

Не последнюю роль играет и тот факт, что при практически идентичных светотехнических характеристиках один светодиодный светильник потребляет в три раза меньше электроэнергии по сравнению с натриевой лампой. Кроме того, светодиоды долговечны: они имеют ресурс порядка 50000 ч, обеспечивающий трехлетнюю гарантию работы светильника на их основе и срок эксплуатации до 10 лет.

Особо следует отметить экологическую чистоту светодиодных светильников и отсутствие проблем с их утилизацией. Данные особенности связаны с тем, что в составе светодиодов нет вредных веществ. Помимо этого, при эксплуатации они не нагреваются так сильно, как лампы, что облегчает поддержание требуемых климатических условий при выращивании растений.

К недостаткам светодиодных светильников можно отнести их относительно большие размеры, что продиктовано стремлением добиться высокой интенсивности излучения за счет большего количество светодиодов, и сравнительно высокую стоимость светильников на первоначальном этапе [5].

3.4. Установки инфракрасного облучения

Электромагнитное излучение с длиной волны от 780 до 420000 нм (0.78…420 мкм) называет инфракрасным излучением. Поглощение инфракрасного излучения телом приводит к нагреву последнего.

В отличие от других способов нагрева инфракрасный нагрев обладает

79

некоторыми преимуществами.

Количество передаваемого тепла при лучистом нагреве пропорционально разности четвертых степеней температуры излучателя и нагреваемого тела (закон Стефана-Больцмана). При температуре 1500 С интенсивность теплопередачи в 4...5 раз выше конвекционной теплопередачи. Преимущества лучистой теплопередачи становятся заметными при температуре излучателя 500 С.

Второе преимущество заключается в том, что лучистый поток можно сконцентрировать на отдельной части поверхности нагреваемого тела.

Третье преимущество заключается в селективности нагрева, т.к. различные вещества обладают различной способностью поглощать инфракрасные излучения. Воздух практически не поглощает инфракрасные лучи, а вода – хороший поглотитель инфракрасного (ИК) излучения. В сельском хозяйстве практически все живые организмы, содержащие более 70 % влаги, являются объектами, хорошо поглощающими ИК-излучение.

ИК облучение используется для обогрева молодняка животных, нагрева и сушки сельскохозяйственных продуктов. Спектры поглощения ИК-излучения приведены на рисунке 3.12.

1,0

2

3

0,5

1

Рисунок 3.12 – Спектр поглощения: 1 – воды; 2 – тела черного теленка; 3 – тела белого теленка

Электрические источники ИК-излучения подразделяются на светлые (лампы – термоизлучатели) и темные (металлические или керамические). Излучение осветительных ламп накаливания в области ИК до 75 %.

Пампы ИК-излучения имеют относительно низкую температуру тела накала, т.е. максимум излучения смещен в длинноволновую часть спектра.

В зеркальных термоизлучателях ЗС (рис. 3.20) и ИКЗК (с окрашенной колбой) баллон ламп заполнен смесью аргона и азота. Внутренняя поверхность баллона зеркализована тонким слоем алюминия. Биспиральное тело накала имеет температуру 2200...2400 К и находится в фокусе параболы.

80