способ упорядоченной компоновки источников оптического излучения системы облучения растений в процессе их выращивания

Формула изобретения

Способ упорядоченной компоновки источников оптического излучения системы облучения растений в процессе их выращивания, включающий равномерное распределение источников оптического излучения между фазами питающей сети, разделение данных источников в каждой фазе на группы с одинаковой нагрузкой и нормативным для растений выращиваемой культуры или текущей фазы их вегетации распределением энергии оптического потока по фотосинтетически активным радиационным спектральным диапазонам, отличающийся тем, что для каждого источника оптического излучения устанавливают срок его службы, на основании которого задают зависимость распределения энергии оптического потока по фотосинтетически активным радиационным спектральным диапазонам от напряжения питающей сети, определяют действительную величину напряжения для каждого источника оптического излучения в группе по длине групповой питающей сети и из упомянутых условий выбирают источники оптического излучения, обеспечивающие в совокупности нормативное для растений выращиваемой культуры или текущей фазы их вегетации распределение энергии оптического потока по фотосинтетически активным радиационным спектральным диапазонам.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к области тепличного растениеводства, в частности к светокультуре растений и может быть использовано при выращивании растений преимущественно в селекционных климатических сооружениях, где требования к качеству радиационного режима наиболее высокие.

Известен способ компоновки источников света (ИС), предусматривающий равномерное распределение общего количества ИС между фазами питающий сети. Затем нагрузки каждой фазы делят на группы из условия ограничения общего количества ИС данного типа на группе [1].

Недостатком известного способа является то, что размещение ИС на групповых линиях производится без учета их реальных спектральных и электрических характеристик.

Отсутствие учета спектральных характеристик ИС приводит к нарушению нормирующих параметров радиационного режима теплиц. Отсутствие учета электрических характеристик ИС приводит к неравномерной загрузке фаз питающей сети, что в конечном счете так же сказывается на качестве радиационного режима теплиц.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ, по которому группы ИС для облучения растений данной культуры компонуются из условия близости реальных спектральных характеристик к требуемым. Таким образом при выращивании отдельных видов культур обеспечивается равномерность спектрального состава излучения по всему помещению [2].

Недостатком такого способа является то, что компоновка ИС вдоль протяженных групповых линий производится без учета показателей зависимости основных характеристик ламп от напряжения питания.

Целью изобретения является обеспечение нормируемых показателей радиационного режима теплиц.

В основе изобретения лежит использование явления зависимости основных характеристик газоразрядных ламп, широко применяемых в настоящее время для облучения растений, от величины питающего напряжения и времени наработки ламп. Для обобщенной характеристики спектральных изменений предложен показатель, аналогичный величине среднеквадратичного отклонения интенсивности отдельных спектральных диапазонов или линий (коэффициент отклонения спектра K_s):



где

K_s - коэффициент отклонения спектра, отн.ед.;

E_i и E_iн - соответственно действительная и нормируемая доли энергии потока излучения соответствующего источника в i-ом спектральном диапазоне, отн.ед.;

n - количество контролируемых фотосинтетически активных спектральных диапазонов, шт.

Равенство K_s= 0 свидетельствует о неизменности спектрального состава излучения при воздействии внешних факторов. С другой стороны, любые изменения спектра приводят к увеличению значения K_s, тем большему, чем большие изменения происходят со спектром излучения ИС. В соответствии с действующими в отрасли методиками спектральный состав излучения характеризуется соотношением интенсивности излучения трех спектральных диапазонов: синего E_син (400. . .500 нм), зеленого E_зел (500 ... 600 нм) и красного E_кр (600 ... 700 нм). Значение питающего напряжения характеризуется относительной величиной

K_u=U/U_н, (2)

где

K_u - относительное значение величины питающего напряжения, отн.ед.;

U и U_н - соответственно величины реального и номинального питающего ИС напряжения, B.

При использовании металлогалогенных ламп (МГЛ), при изготовлении которых возможно задание практически любого спектрального состава излучения, нормируемый спектральный состав может быть принят для K_u=1 и T=0 (т.е. при номинальных условиях).

По результатам измерения спектральных характеристик ламп с различным временем наработки при различном напряжении питания могут быть вычислены значения коэффициентов отклонения спектра K_s. Например, на фиг. 1а приведены зависимости K_s от величины напряжения питания для МГЛ типа ДРИ2000 с временем наработки T (тыс.ч).

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что происходящие в процессе эксплуатации ламп спектральные изменения не могут быть в полной мере скомпенсированы изменением величины питающего напряжения. Это объясняется необратимыми изменениями, имеющими место в МГЛ - диффузией атомов добавок через стенки горелки, изменение излучательных характеристик ламп, старением оптических материалов и т.д.

Однако для ламп с определением времени наработки имеется такое питающее напряжение (его можно считать оптимальным), при котором спектральные отклонения минимальны (величина K_s принимает наименьшее из возможных значений). На фиг. 1б показана зависимость K^о_u^пт(T) , обеспечивающая минимальные отклонения спектрального состава излучения от нормируемого для ламп с временем наработки Т. С другой стороны, в предлагаемом способе учитывается тот факт, что в протяженных электрических линиях по их длине происходят потери напряжения. Величина допустимых потерь U является исходной при расчете площади сечения проводникового материала и составляет 5 % (т.е. U = 0,05 ).

Положение облучателя на групповой линии характеризуется относительным расстоянием

l"=l/L, (3)

где

l" - относительное расстояние от щитка до ИС по групповой линии, отн.ед. ;

l - расстояние от группового щитка до ИС, м;

L - общая длина групповой линии, м.

В начале электрической линии K_u=1, в конце K_u=0,95. В указанном диапазоне зависимость на фиг. 1б линейна. Обработка по методу наименьших квадратов позволяет записать ее в виде уравнения регрессии

K^о_u^пт= l-a^*T (4),

где

K^о_u^пт - оптимальное значение относительной величины питающего напряжения из условия обеспечения наименьших спектральных отклонений, отн.ед.;

a - угловой коэффициент графика зависимости K^о_u^пт(T) , ч.^-1;

T - время наработки ИС, ч.

В рассматриваемом случае для ламп ДРИ2000 а=0,00006 ч.^-1.

При постоянной площади сечения линии справедливо следующее соотношение между величиной K_u и относительным расстоянием l":

K_u= -U l+l (5),

где

K_u - относительное значение величины питающего напряжения, отн.ед.;

U - допустимые потери в групповой линии, отн.ед.;

l" - относительное расстояние от щитка до ИС по длине групповой линии, отн.ед.

Совместное решение уравнений 2-5 позволяет определить расстояние, на котором необходимо расположить источник света с временем наработки T для обеспечения минимальных спектральных отклонений.

L = aTL/U (6),

где

l - расстояние от группового щитка до ИС, м;

a - угловой коэффициент графика зависимости K^о_u^пт(T) , ч.^-1;

L - общая длина групповой линии, м;

T - время наработки ИС, ч.;

U - допустимые потери в групповой линии, отн.ед.

Таким образом, предлагаемый способ предполагает упорядоченную компоновку групп ИС, при которой газоразрядные лампы в соответствии с чувствительностью их спектральных характеристик к величине питающего напряжения (т.е. с учетом времени наработки) упорядочено располагаются на групповых линиях. Тем самым производится компенсация ухудшения качества радиационного режима теплиц по причине зависимости спектральных характеристик ламп от величины питающего напряжения и времени наработки.

Способ упорядоченной компоновки групп источников света при облучении растений осуществляется следующим образом. Полученную на основании светотехнического расчета нагрузку равномерно распределяют между фазами питающей сети и группами. Комплектование групп производят источниками света с требуемыми в соответствии с назначением облучательной установки спектральными параметрами. Место отдельных источников света на протяженных групповых линиях определяют с учетом зависимости спектральных параметров от напряжения питания, из условия размещения источников, требующих для минимальных спектральных отклонений меньшей величины питающего напряжения пропорционально дальше от начала групповой линии (щитка). Иллюстрация предлагаемого способа показана на фиг. 2.

Пример. Способ осуществляется при облучении рассады томатов в зимней ангарной теплице размерами 84x18x2,4 м. При нормируемой удельной мощности 120 Вт/м² и площади 1512 м² требуемая мощность облучательной установки составит 181 кВт.

При использовании для облучения ламп ДРИ2000 их потребуется 90 шт. Располагая облучатели в три ряда (по числу фаз сети), количество облучателей в ряду составит 30. Облучатели в рядах размещаем на двух групповых линиях равномерно, по 15 шт на группе. Полагаем, что при выполнении электрической сети облучательной установки площадь поперечного сечения проводов каждой групповой линии определялась исходя из обеспечения минимума расхода проводникового материала. При этом допустимыми в конце линии были приняты потери 5%.

Исходя из схемы размещения облучателей по формуле 3 определяют относительные расстояния от щитка до облучателей. По формуле 5 определяют относительные значения величины напряжения питания у мест установки облучателей. Полученные численные значения для данного примера приведены в таблице.

Для каждого ИС известными методами определяют его наработку.

На представительной выборке ламп данного типа находят зависимость спектрального состава излучения ламп с различной наработкой от величины питающего напряжения. Указанная зависимость для ламп ДРИ2000 показана на фиг. 1а. Из условия обеспечения минимального значения коэффициента отклонения спектра K_s определяют зависимость оптимального значения питающего напряжения K^о_u^пт от времени наработки ламп. Для ламп ДРИ2000 эта зависимость показана на фиг. 1б.

Облучатели компонуют источниками из условия соответствия реального напряжения у конкретных облучателей и требуемого по критерию минимальности K_s напряжения устанавливаемых ламп.

В таблице приведены значения требуемой наработки экземпляров ламп ДРИ2000, которыми производится комплектование соответствующих облучателей.

На фиг. 2 показан график зависимости требуемой наработки ламп от величины K_u и соответственно от положения источника на групповой линии. Здесь 1 - щиток, 2 - групповая линия, 3 - облучатели. В случае отсутствия ИС с требуемым временем наработки компоновка производится исходя из общего принципа: источники, требующие для минимальных спектральных отклонений меньшей величины питающего напряжения (с большим временем наработки для ламп ДРИ2000), размещаются пропорционально дальше от начала групповой линии (щитка). В следующих циклах вегетации, когда наработка применяемых ИС увеличивается, минимальных спектральных отклонений добиваются соответствующим регулированием величины питающего напряжения. Определение характеристик ИС производится при их входном контроле (тестировании).