Комплекс энергосберегающих элементов технологии выращивания овощных культур в контролируемых условиях

Введение. Выращивание растений овощных культур в условиях закрытого грунта или в ещё более контролируемых условиях (в условиях высокотехнологичных культивационных сооружений) сопровождается высокими затратами энергии, как тепловой, для поддержания опти- мальных параметров микроклимата, так и электрической, для освещения (досвечивания) растений. В условиях роста цен на энергоносители всё более актуальной становится задача снижения энергозатрат, т.е. повышения энергоэффективности светотехнического оборудования

[1, 3, 10].

Внедрение светодиодных фитосветильников взамен люминесцентных для освещения теплиц способствует частичному решению данной задачи, однако, возникают новые, связанные со спектральным составом света, излучаемого светодиодными светильниками. Состав спектра светодиодного светильника часто не соответствует потребностям растений. Вследствие этого несоответствия возможно их отставание в развитии от развития при освещении люминесцентными источниками света, спектр которых больше соответствует спектру естественного солнечного света [2, 4, 9].

Оптимальные характеристики спектра света для каждой выращиваемой культуры в настоящее время не обоснованы и даже слабо изучены [2, 3].

Похожие проблемы возникают при выращивании меристемных растений, например, при производстве безвирусных семян картофеля отечественной селекции. Проблема в том, что в процессе селекционной работы значительная часть времени тратится на выращивание отобранных микроклональных ростков до необходимых размеров. Это снижает интенсивность селекции и приводит к увеличению материальных затрат. Возникает задача, связанная с ускорением роста микроклональных ростков, а следовательно, и ускорением селекции.

При этом важно создать экологически чистые методы и технологии для обеспечения ускорения селекции.

Одним из вариантов обеспечения ускоренной селекции, как и выращивания овощных культур в контролируемых условиях, является применение современных электротехнологий, в т.ч. электромагнитного стимулирования и адаптивного освещения растений [3, 8].

В настоящее время в Российской Федерации устройства для ускоренной селекции ме-ристемных растений не производятся, а установки для интенсивного производства овощных, в т.ч. зеленых культур ограничены узким кругом моделей, преимущественно иностранного производства, не обладающих широкими функциональными возможностями.

В связи с вышеперечисленным очевидна необходимость разработки энергосберегающих устройств, способствующих ускорению роста растений и применимых в технологиях выращивания растений в контролируемых условиях.

Цель работы – разработать комплекс энергосберегающих элементов технологии выращивания овощных культур в контролируемых условиях.

Задачи работы:

– разработать систему регулируемого адаптивного освещения;

– разработать систему электростимулирования растений.

Предмет исследования – зависимость скорости роста и развития растений от факторов электротехнологического воздействия на них.

Методика исследований. Для проведения исследований, направленных на разработку энергосберегающих элементов технологии выращивания овощных культур в контролируемых условиях и выявление степени влияния светового потока с различным спектральным составом на рост и развитие растений, была разработана и изготовлена автоматизированная биотехнологическая установка «Биомодуль ЭСС RGB-250» (рисунок 1).

Установка представляет собой корпус 1, функционально разделённый на три части. В нижней части установки расположен отсек электронных блоков управления и контроля (БУК) 2, в котором размещены электронные блоки системы адаптивного освещения, программируемые электронные модули, блок контроля температуры и влажности воздуха, система увлажнения воздуха. В центральной части биомодуля расположена рабочая камера 4, являющаяся частично герметичной, но не изолированной от внешней среды. В рабочей камере размещаются посадочные лотки с выращиваемыми растениями. В верхней части установки размещен отсек 7 RGB-светильников 8. Данные светильники содержат специально подобранную комбинацию одноцветных светодиодов (красного, зеленого и синего цветов), трёхцветных RGB-светодиодов и светодиодов белого света. Такая комбинация, при возможности независимого регулирования яркости каждой из трёх групп светодиодов, позволяет создавать световой поток любого спектрального состава. Таким образом данная установка позволяет проводить исследования по влиянию спектрального состава света на рост и развитие растений [2].

Оперативное регулирование интенсивности светового потока осуществляется регулято- ром 6. Точная настройка спектрального состава и интенсивности светового потока проводится из мобильного приложения или компьютера, посредством Wi-Fi-подключения (рисунок 2).

Таким образом можно создать как моно-спектральное освещение красного, зелёного или синего цвета, так и полноспектральное, в различных комбинациях (рисунок 3).

Разработанный биомодуль содержит съемную систему электрического стимулирования растений. В её состав входит высоковольтный регулируемый блок питания, размещенный в отсеке 2 (рисунок 1), и совокупность электродов, соединенных с высоковольтным блоком питания.

а                    б а – общий вид; б – система адаптивного освещения

1 – корпус; 2 – отсек размещения электронных блоков управления и контроля (БУК); 3 – крышка отсека БУК; 4 – стенки рабочей камеры; 5 – дверца рабочей камеры; 6 – регулятор интенсивности светового потока; 7 – отсек RGB-светильников; 8 – RGB-светильник; 9 – вентилятор аэрации рабочей камеры; 10 – система приточно-вытяжной вентиляции; 11 – блок датчиков температуры и влажности воздуха; 12 – диэлектрическое днище рабочей камеры Рисунок 1 – Общий вид биомодуля для ускоренного выращивания растений в контролируемых условиях

а – интерфейс программы; б, в, г – моноспектральное освещение красного, зелёного и синего цветов, соответственно Рисунок 2 – Регулирование спектра освещения растений в биомодуле

а

б

в

а – интерфейс программы; б – полноспектральное освещение RGB;

в – полноспектральное освещение с добавлением белого цвета Рисунок 3 – Настройка полноспектрального освещения растений в биомодуле

Нижний электрод положительной полярности размещен, в целях безопасности, под диэлектрическим днищем рабочей камеры 12, а верхний электрод – струнный, изготовлен из изолированного провода, закреплённого на диэлектрическом каркасе, и является съёмным. Он может устанавливаться по мере необходимости непосредственно в рабочую камеру.

Результаты исследований и их обсуждение . В предложенной установке осуществлено сочетание двух главных факторов – освещения и электростимулирования, т.к. ранее в многочисленных исследованиях установлено, что из широкого множества электрофизических факторов, оказывающих влияние на рост и развитие растений, наибольшая чувствительность (отзывчивость) наблюдается к таким как свет, магнитные, электрические и электромагнитные поля. Это связано с тем, что эволюция растений, на протяжении всей истории их существования, осуществлялась под воздействием вышеперечисленных естественных компонентов окружающей среды [5, 6].

Исследования, связанные с электростимулированием растений, направлены на решение ряда проблем, ограничивающих применение данного способа [7, 8]:

– отсутствие четких и однозначно выяв- ленных параметров воздействующего электрического поля (напряженность, частота, форма подводимого напряжения и т.п.);

– отсутствие обоснованного значения продолжительности воздействия (продолжительность каждого цикла воздействия, количество циклов и их распределение в течение суток и т.п.);

– отсутствие обоснования чередования циклов стимулирования и релаксации.

Нерешенность перечисленных проблем существенно снижает эффективность стимулирования, а в некоторых случаях приводит к противоположному эффекту – угнетению растений [3, 6].

В процессе осуществления стимулирующего воздействия на растения они располагаются между парой электродов, полярности которых различны (возможна подача переменного напряжения). Ранее в исследованиях установлено, что скорость роста растений выше, если стимулировать их полем положительной направленности. Положительно направленным считается поле, направление которого Е совпадает с направлением роста растения. Для создания поля положительной направленности необходимо под корнями растений расположить электрод с положительным потенциалом. Над растением, соответственно, необходимо разместить электрод с отрицательным потенциалом (рисунок 4). Электроды могут быть выполнены в виде пластин, трубок небольшого сечения или проводов (струн). Важно не допустить затенение растений электродами, поэтому наиболее эффективно использовать струнные электроды. Однако струнные электроды небольшого диаметра могут вызвать образование коронного разряда при подаче на них высокого напряжения. Поэтому при разработке системы электродов необходима проверка на корону. В результате в рабочей камере биомодуля над растениями устанавливаются несколько электродов 1, изготовленных из изолированного провода диаметром 5 мм, а под растениями – один или несколько электродов 2, которые устанавливаются ниже емкости с почвой, таким образом растения 6 будут располагаться в относительно однородном электромагнитном поле (рисунок 4).

В процессе стимулирования на электроды подается импульсное, пульсирующее или иной формы напряжение заданной частоты и амплитуды.

Характеристики электрического поля, а следовательно, и напряжения, его вызывающего, такие как частота и напряжённость, определяются только экспериментальным путем, на основании отзывчивости растений на воздействие полем с теми или иными характеристиками. Так как электротехнические характеристики растений, как объектов электротехнологическо-го воздействия, различны, то и характеристики электрического поля, применяемого для стимулирования растений различных видов, будут различны. Это определяет необходимость выполнения большого количества экспериментальных исследований для поиска оптимальных значений характеристик электрического поля.

1 – верхний электрод (с отрицательным потенциалом); 2 – нижний электрод (с положительным потенциалом);

3 – высоковольтный регулируемый источник напряжения; 4 – диэлектрический каркас для крепления струнных электродов; 5 – изоляторы; 6 – стимулируемые растения; 7 – почва

Рисунок 4 – Схема электростимулирования растений

Форма сигнала напряжения, подаваемого на электроды, может быть различна – от пульсирующего (простого выпрямленного) до импульсного сложной формы или модулированного по определенной функции.

Необходимая величина напряжения, подаваемого на электроды, зависит от расстояния между электродами h , определяемого высотой выращиваемых растений, и требуемой величиной напряженности генерируемого электрического поля Е тр .

Требуемая величина напряженности поля, как уже отмечалось выше, определяется экспериментальным путем. Многими исследователями, осуществлявшими подобные эксперименты, рекомендуется напряженность в интервале от 10 до 50 кВ/м [3, 4, 5].

Авторами данной работы также были проведены поисковые экспериментальные исследования, в результате которых установлено, что наиболее эффективным диапазоном напряженностей поля является интервал от 30 до 50 кВ/м [3, 4].

В процессе стимулирования растений важно верхние электроды установить так, чтобы все надземные части растений не имели кон- такта с электродами. В случае касания электродов и растений, т.е. образования электрического контакта, через их надземные и корневые части начнут протекать недопустимо высокие токи сквозной проводимости, что приведет к повреждению или гибели растений.

Предложенная конструктивная схема способа электростимулирования позволяет осуществлять воздействие на растения не только овощных культур, но и микроклональных ростков меристемных культур в целях ускоренной селекции (рисунок 5).

Такое расположение ярусов, а следовательно, и электродов, не скажется на характе- ристиках стимулирующего электромагнитного поля, а следовательно, и качества стимулирования. Так как растения размещены всегда между парой разноименных электродов, то количество ярусов ничем не ограничено.

Для управления системой стимулирования разработан специальный блок управления, структурная схема которого представлена на рисунке 6.

Предлагается следующая принципиальная структурная схема устройства для стимулирования растений, включающая регулировочные блоки широкого диапазона (рисунок 3).

1 – верхний электрод; 2 – нижний электрод; 3 – высоковольтный регулируемый источник напряжения;

4 – диэлектрический каркас для крепления струнных электродов;

5 – изоляторы; 6 – стимулируемые растения в пробирках; 7 – пробирка

Рисунок 5 – Многоярусная схема электростимулирования микроклональных растений при ускоренной селекции

ФВ – фильтр входной помехоподавляющий; ИИП – импульсный источник питания; ГС – генератор сигнала;

УВ – усилитель высоковольтный; БС – блок стимулирования

Рисунок 6 – Принципиальная схема структуры блока управления системой электростимулирования

Питание цепи осуществляется от сети переменного напряжения 220 В. Для стимулирования растений импульсным полем необходимо постоянное напряжение. Поэтому одним из основных элементов схемы является импульсный источник питания (ИИП), преобразующий пере- менное напряжение в постоянное и поддерживающий его на заданном уровне.

Генератор сигнала (ГС) запитан также от постоянного напряжения. Он формирует выходное напряжение заданной формы и частоты. Это напряжение является управляющим сигна- лом для усилителя высокого напряжения (УВ).

Усилитель высокого напряжения также запитывается от ИИП и, по сути, формирует модулированный сигнал высокого напряжения. То есть он модулирует постоянное напряжение, идущее от ИИП, по форме управляющего сигнала, поступающего от ГС, а затем многократно усиливает его.

Функционально генератор сигналов устроен так, что может генерировать сигнал любой произвольной или стандартной формы и заданной частоты. Это необходимо для того, чтобы подстроиться под электротехнические характеристики различных выращиваемых культур. Благодаря этому можно проводить электростимулирование различных видов овощных культур.

Далее высоковольтное модулированное напряжение подается в блок стимулирования (БС), представляющий собой систему электродов определённых размеров и форм и расположенных относительно друг друга на определённом заданном расстоянии.

Для защиты электросети, к которой подключена установка, от совокупности высокочастотных помех (синфазных и дифференциальных), которые генерирует ИИП, к его входным клеммам подключен входной помехоподавляющий фильтр (ФВ). Данный фильтр разработан специально для системы освещения проектируемого биомодуля. Фильтр содержит два конденсатора, подключенных к входным и выходным, соответственно, клеммам разработанного фильтра и синфазный дроссель. Дроссель расположен между конденсаторами, описанными выше.

Суть воздействия импульсным электрическим полем на растения в том, чтобы создать в теле растения сложный комплексный ток, оказывающий влияние на обменные процессы в клетках и межклеточном веществе.

Механизм взаимодействия электрического поля и растительного биологического объекта отличается сложностью из-за того, что даже при неизменных параметрах поля сам биообъект является неоднородным по физическим параметрам: удельной проводимости Ү (1), диэлектрической £(2^ и магнитной Д проницаемо-стей [3, 4].

Данные параметры являются комплексными величинами, зависящими от частоты ω. При этом, в зависимости от стадии развития, влажности и температуры растительного биологического объекта эти параметры могут относиться к проводящим средам (Ү » ш • £ • £0), полупроводящим (Ү « ш • £ • £0) и к диэлектрическим (Ү « ш • £ • £0). Поэтому, чтобы учесть их характеристики, необходимо использовать комплексные величины [7]:

Ү = ү' + jy" = ү_е 1<р ү ,           (1)

£ = £ + j£ = £6^.          (2)

Удельная проводимость Ү (сквозная проводимость) присуща всем видам диэлектриков и полупроводников, она приводит к возникновению токов сквозной проводимости І _ск . Электрический ток сквозной проводимости протекает через все части растения: листья, стебель и корень. Но большая его часть протекает через стебель, поэтому большое значение этого тока может привести к повреждению стеблевой части растения и, как следствие, к его угнетению, а не стимулированию.

Второй вид проводимости обусловлен поляризацией. Полярные и неполярные молекулы, оказавшись в пульсирующем электрическом либо электромагнитном поле, начинают периодически менять свою ориентацию в пространстве с частотой поля, создавая тем самым ляризационный ток (ток смещения) І см , А:

.  _ dD

^{І см} ="dt *

где D – электрическая индукция, Кл/м²

( D = ε 0 ε r E ).

Поляризация материала, сходного своим свойствам с диэлектриком, является по-

по не-

линейной функцией, определяемой величиной электрической индукции D .

Ток сквозной проводимости и ток смещения геометрически суммируются (4), образуя полный ток, проходящий через тело растения и создающий эффект стимулирования (ускорения роста и развития):

І = І см + І ск , А.                (4)

Токи, проходящие через тело растения, вызывают движение электролитов (межклеточных и внутриклеточных растворов) в них, т.е. ускоряют обменные процессы.

Данные величины также комплексные, т.е. это векторные величины, имеющие различную ориентацию на плоскости, т.е. различные углы начальных фаз.

Одним из основных исследуемых параметров, на данном этапе, является напряжен- ность электрического поля Е, кВ/м (5). В этом                        • _                       (5)

случае напряженность электрического поля                       Е й , В М, можно определить как отношение напряжения, где h – расстояние между электродами, м.

приложенного к электродам 1 и 2 (рисунки 5 и 6)         После преобразований получается функ- к расстоянию между электродами [7]:              ция полного тока (6), проходящего через тело растения:

. d. .   . - Id,.,   . -

/ = -_£ое_г£ + UY = -- (e_aU) + UY_CK, A.

at              h.atx

Геометрическая сумма рассмотренных токов вызывает движение химических веществ в теле растения, ускоряя метаболические процессы, приводящие к ускорению не только реакций фотосинтеза, но и роста, развития и деления клеток. В совокупности ускорение всех жизненных процессов в теле растения образует эффект стимулирования растений. Это повышает энергию и скорость роста как надземной, так и подземной (корневой, корнеплодной) частей растений.

Выводы. 1. Разработанный способ адаптивного освещения растений позволяет получить световой поток любого требуемого спектрального состава и широкого диапазона по интенсивности. Система освещения скомбинирована из двух основных составляющих – светодиодных RGB-светильников, создающих световой поток заданного спектра (X, Y, Z), и светодиодных светильников белого света, усиливающих световой поток I, лм, до требуемой величины. Характеристики их совокупного светового потока настраиваются (тарируются) заранее, посредством программного электронного управления светильниками и приборов контроля (например, ТКА ВД-2). Таким образом, предложенная система освещения растений адаптируема к индивидуальным требованиям определённых выращиваемых культур. Исключение из состава спектра неэффективных составляющих приводит к снижению рабочей мощности светильников и, как следствие, расхода электроэнергии. В свою очередь усиление эффективных частей спектра приводит к росту урожайности и продуктивности растений, сокращению сроков выращивания и созревания плодов. Совокупность вышеперечисленных следствий приводит к сокращению сроков выращивания на 20–25%, при выращивании овощных клубнеобразующих культур (редис), 17–23% при выращивании зеленых культур (лук на перо, укроп, салат) и 21–26% при выращивании меристемных культур. Соответственно это снизит расход электроэнергии на 15–20% по клубнеобразующим культурам, на 25–40% по зеленым культурам и на 30–40% по меристем-ным культурам.

• 2.    Характер взаимодействия живого растительного объекта с электрическим полем определяется как характеристиками поля, так и самого объекта. В результате взаимодействия в теле растительного объекта создаются два вида тока – сквозной и поляризационный, которые, геометрически суммируясь, создают полный ток, влияющий на интенсивность и направленность движения электролитических веществ (межклеточных и внутриклеточных растворов) в теле растения как в надземной, так и в подземной (корневой и корнеплодной) его частях. Получена теоретическая зависимость, устанавливающая связь полного тока, протекающего в теле растения, с его собственными электротехническими характеристиками и характеристиками электрического поля. Таким образом, определив оптимальные для определённого вида растения характеристики электрического поля (напряжённость Е , частота f , направленность), можно ускорить рост, развитие и созревание растений. Электростимулирование растений является эффективным как при выращивании овощных культур в контролируемых условиях высокотехнологичных культивационных сооружений, так и в целях ускоренной селекции растений.

• 3.    Совокупность адаптивного освещения и электростимулирования растений позволяет получить мультипликативный эффект, выражающийся в ускоренном их росте, развитии, созревании плодов, повышении продуктивности в целом, а также в снижении энергозатрат.