Аккумуляция солнечной энергии зерновыми культурами

Одной из главных задач сельского хозяйства является получение максимальной урожайности возделываемых культур. Представление о метеорологических условиях в регионе за несколько лет позволяют еще перед посевом спрогнозировать урожайность в предстоящем году. Для этого необходимо проанализировать количество, интенсивность осадков и солнечных дней, влажность и движение воздуха, а также инсоляцию.

Под инсоляцией подразумевают облучение поверхностей солнечной радиацией. Технологии применения солнечной энергии для агропромышленного комплекса решают широкий спектр задач в сфере сельскохозяйственной деятельности. Рост и развитие растений представляют собой процесс усвоения и переработки солнечной энергии, поэтому сельскохозяйственное производство возможно только при условии поступления солнечной энергии на поверхность Земли.

Изучить процессы переработки энергии, поступающей от солнечного потока и поглощенной растительными культурами, можно с помощью теоретической оценки эффективности аккумуляции солнца через фотолиз [2–4].

Рассмотрим применение солнечной инсоляции на примере сельскохозяйственного предприятия по производству куриных яиц и молочной продукции. Для высокой продуктивности кур-несушек и быстрого набора веса курицами бройлерных пород должно быть организовано разнообразное сбалансированное питание. Для масштабного фермерского хозяйства выгоднее производить корм самостоятельно. Во-первых, качество продукции, во-вторых, финансовая выгода. Получаемое зерно может идти как на корм животным, так и на продажу. Сегодня предприятие получает от одной курицы-несушки до 343 яиц в год. Валовое производство яиц 576 млн шт в год. Мясо кур 2300 т.

Сельскохозяйственное производство начинается с земли. Посевные площади предприятия размещены на территории двух районов (Усольского и Черемховского) и составляют 68,5 тыс. га, в том числе зерновые культуры – 42 тыс. га. Сначала земля использовалась только для выращивания зерна для корма птиц, а затем с расширением производства и освоением новых технологий начали выращивать элитные сорта пшеницы для выпечки хлеба и сдобы [1].

Материалы и методы

Сбор и обработка данных об инсоляции является основой при оценке возможности использования земель для высадки зерновых культур. Основная культура зернового клина – пшеница. Содержание белка в зерне пшеницы зависит от числа солнечных дней [5–6]. В среднем по России на каждый квадратный метр земли попадает около 2 кВт/сут. В Иркутской области среднегодовое значение инсоляции около 3,75 кВт/м2 (рисунок 1).

01  02 03  04 05 06 07 08 09  10  11  12

Солнечная инсоляция, кВт/кв.м       Месяц

Solar insolation                         Month

Рисунок 1. Солнечная инсоляция в Иркутской области

Figure 1. Solar insolation in the Irkutsk region

Из рисунка 1 видно, что максимум притока солнечной радиации отмечается с мая по август. Именно в этот период необходимо производить засев. Достаточное количество поглощенного солнечного света благоприятно влияет на процессы роста и развития растений. Количество получаемой растениями солнечной радиации можно регулировать путем создания определенного направления рядов посадки, а также густотой посева. От способа посадки зависит количество будущего урожая, а также производительность кур [4–6].

Количество тепла, получаемого от Солнца земной поверхностью, зависит прежде всего от угла падения солнечных лучей. Солнечное излучение частично поглощается, часть лучей отражается от частиц, взвешенных в воздухе, и достигает земной поверхности в виде рассеянного излучения (рисунок 2). Необходимо принимать во внимание высоту солнца, облачность и альбедо поверхности.

Рисунок 2. Углы падения солнечной энергии

Figure 2. Angles of incidence of solar energy

Из рисунка 2 видно, что при положении солнца во втором варианте солнечная радиации лучше прогревает землю. Когда угол падения лучей составляет 90° тогда достигается максимальное количество солнечной радиации на единицу поверхности земли.

Величина радиационного баланса рассчитывается по формуле

R = (Q+q)(1 - a) -1, где Q – сумма прямой радиации, МДж/м2; q – сумма рассеянной радиации, МДж/м2; a – альбедо, %; I – эффективное излучение, МДж/м2 [3].

Суммой прямой солнечной радиации (таблица 1) является суточная или месячная солнечная радиация, которая могла бы поступить в данном географическом пункте на единицу поверхности земли.

По географическим координатам Иркутской области, которые составляют: широта: 52°17′52″ с.ш. долгота: 104°17′47″, определяем сумму возможной прямой радиации по месяцам.

Падающая на землю суммарная радиация вступает во взаимодействие (отражение, рассеивание, поглощение) с фитоэлементами.

Сумма рассеянной радиации – часть солнечного излучения, потерпевшее рассеяние в атмосфере, дана в таблице 2 [3].

Таблица 1.

Распределение месячных сумм прямой радиации на поверхность земли, МДж/м2

Table 1.

Distribution of monthly amounts of direct radiation to the earth's surface, MJ/m2

ф0	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
52	92,9	201,3	373,7	594,7	610,2	691,3	712,0	656,3	496,6	269,0	125,5	71,1

Таблица 2.

Распределение месячной суммы рассеянной радиации для Иркутской области, МДж/м2

Table 2.

Distribution of the monthly amount of scattered radiation for the Irkutsk region, MJ/m2

ф0	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
52	78,6	120,4	134,7	148,3	183,4	230,8	210,6	208,3	180,1	166,2	131,4	65,4

Альбедо характеризует отражательную способность поверхности. Альбедо пшеницы в среднем составляет 15–25%. Эффективное излучение представляет собой разность между излучением поверхности почвы и противоизлучением атмосферы. Собственное тепловое излучение атмосферы, направленное к земной поверхности, называется противоизлучением атмосферы [7–8].

4,8        5,3        5,5        5,7       5,75

Солнечное облучение, кВт/кв*м

Irradiation

Рисунок 5. Интенсивность фотосинтеза от степени облучения

Figure 5. The intensity of photosynthesis depends on the degree of irradiation.

01  02 03 04 05 06 07 08 09  10  11  12

Эффективное излучение, МДж/кв.м    Месяц

Effective radiation                       Month

Рисунок 3. Годовой ход эффективного излучения в

Иркутской области

Figure 3. Annual progress of effective radiation in the

Irkutsk region.

Определив величину радиационного баланса, можно сделать вывод, что наиболее благоприятный вегетационный период с мая по август.

Эффективность использования солнечной радиации растениями характеризуется КПД, который определяется отношением количества энергии, запасенной в продуктах фотосинтеза к количеству использованной радиации

01  02 03 04 05 06 07 08 09  10  11  12

Радиационный баланс, МДж/кв.м     Месяц

Radiation balance                      Month

Рисунок 4. Величина радиационного баланса по месяцам в Иркутской области

η =

qγ⋅100 R

где q - калорийность растения, ккал/г; у - фитомассы, г/см²; R - радиационный баланс за вегетационный период, ккал/см² [3].

Зависимость КПД 1]п пшеницы от падающей и поглощенной радиации можно представить соотношением

η _п = a _п ⋅ η _a ,                (2)

Figure 4. The value of the radiation balance by month in the Irkutsk region

где a – функция поглощения радиации пшеницей; η – КПД относительно поглощенной радиации, [3].

Kudryashev G.S. et al. Proceedings of VSUET, 2020, vol. 82, no. Заключение

По результатам расчёта в естественных условиях зерновые культуры за весь период вегетации растут с КПД солнечного излучения около 3,5–3,7% по приходящей и 4,8–5,2% по поглощенной радиации. С ростом интенсивности радиации ускоряется процесс фотосинтеза за счет увеличения скорости ассимиляции углекислоты (рисунок 4). Под интенсивностью фотосинтеза понимают количество СО2, усеваемое единицей листовой поверхности за единицу времени.

Таким образом, Иркутская область благоприятна для сельскохозяйственной деятельности.