Разработка и исследование конструкции тепличного облучателя с регулируемыми характеристиками

Введение. При реализации современных агротехнологий в защищенном грунте всегда имеется возможность выращивания овощных куль- тур при снижении энергозатрат. Перспективным направлением снижения затрат энергии является разработка более совершенных конструкций, способов и режимов работы технологического оборудования, в частности систем искусственного облучения [1].

В настоящее время уделяется большое внимание развитию промышленной светокультуры, в частности интенсивной светокультуре растений с широким использованием искусственных источников излучения. В работах [2–4] были проведены фундаментальные исследования по оценке влияния интенсивности излучения и спектрального состава на урожайность. Однако данные эксперименты сдерживались ограниченной номенклатурой светотехнических изделий. В частности, отсутствовали соответствующие источники излучения, позволяющие воспроизводить отдельные участки спектра и обладающие высокой надежностью. Данная проблема в современном мире может быть решена путем применения светодиодной техники.

Сейчас производители предлагают широкую линейку оборудования (фитосветильников, облучателей) на основе светодиодных технологий для создания оптимального радиационного режима при выращивании растений в контролируемых и регулируемых условиях [5–7], а исследователи постоянно ищут пути и предлагают методы рационализации данных устройств и установок [8–10].

Современные сведения о возможности применения светодиодных облучателей для теплиц [11] свидетельствуют об экономической эффективности их применения по сравнению с традиционными источниками излучения на объектах сельского хозяйства.

Однако разрабатываемые фитооблучатели обладают зачастую большими недостатками, чем традиционные излучатели для теплиц. К примеру, производитель [5], выпуская фитооблучатели прямоугольной формы при соотношении длина:ширина – 5:2, заявляет, что его установка имеет кривую силы света (КСС) класса К (концентрированная). Дальше указано, что угол раскрытия светового потока – 90˚ (ГОСТ 1767782 дает 30˚), и при этом приводится только одна кривая силы света (продольная или поперечная, не ясно). Также важнейшая характеристика поток излучения вообще не приводится, а дается облученность как характеристика облучателя. При таких данных корректный расчет установок для реальных условий произвести невозможно. Другие же производители просто не приводят никаких данных, необходимых для проектирования облучательных систем [6, 7].

К тому же прямоугольная форма большинства облучателей (кроме немногочисленных круглосимметричных, например «СИДОР» [12]) не позволяет реализовать все преимущества облучения светодиодами. В данных облучателях одна часть растений облучается только синим участком спектра, другая – только красным и т.д. В таких условиях трудно оценивать равномерность и эффективность облучения.

Цель работы . Разработка облучателя с регулируемыми параметрами для тепличных технологий.

Задачи:

• -    провести анализ облучателей для тепличных технологий;

• -    дать обоснование регулируемых конструкций тепличных облучателей;

• -    разработать конструкцию облучателя с регулируемыми параметрами и получить кривые силы света проектируемого облучателя;

• -    дать рекомендации по использованию полученных результатов.

Материал и методы исследования. Для устранения приведенных выше недостатков известных конструкций нами была разработана модель светодиодного облучателя, представленная на рисунке 1.

При монтаже светильника использовали светодиоды GL-10B82107 синего, зеленого и красного цветов (табл. 1) диаметром 10 мм.

Рис. 1. Облучатель светодиодный: а – внешний вид; б – гибкая панель с точечными источниками излучения:

1 – корпус; 2 – электронный блок управления; 3 – гибкая панель с точечными источниками излучения; 4 – винт-ограничитель; 5 – ротор-сердечник; 6 – электромагнитная катушка; 7 – линза; 8 – основание; 9 – точечные источники синего цвета; 10 – точечные источники зеленого цвета; 11 – точечные источники красного цвета

Характеристики светодиодов

Таблица 1

Показатель	Синий (Blue)	Зеленый (Green)	Красный (Red)
Номинальное напряжение U , В	2,8-3,6	2,8-3,2	2,8-3,2
Потребляемая мощность Р , mW	80	80	80
Ресурс работы t , ч	80000	70000	80000
Сила света I , мкд	8280-10750	10000	18000
Номинальный ток I ном , мA	20	20	20
Угол обзора α , °	25	25	25

Облучатель содержит гибкую панель 3 с основанием в форме круга 8 , имеющем точечные источники излучения малых размеров (например, светодиоды): синего 9 , зелёного 10 и красного 11 цветов. Точечные источники вмонтированы в двенадцать треугольных секторов, расположенных по окружности.

Таким образом, получается четыре сектора с синими точечными источниками, четыре сектора с зелеными точечными источниками и четыре сектора с красными точечными источниками. В каждом секторе находится по двадцать три светодиода (точечных источника), расположенных в виде трех прямых линий: центральная линия состоит из девяти светодиодов, каждая из боковых линия включает в себя по семь светодиодов.

Преимуществом разрабатываемого облучателя является возможность изменения КСС для конкретных условий выращивания. Осуществ- ляется это следующим образом. В исходном состоянии винт-ограничитель 4 закручен до среднего положения и гибкая панель с точечными источниками излучения 3 горизонтальна (не изогнута). Облучатель имеет при этом стандартную КСС, например класса Г (глубокая). Если винт-ограничитель 4 вращать по часовой стрелке, он начинает упираться на ротор-сердечник 5, жестко соединенный с гибкой панелью с точечными источниками излучения 3, которая изогнется (станет выпуклой) и тем самым изменит КСС, например до класса Д (косинусная). В автоматическом режиме вылет ротора-сердечника 5 осуществляется путем подачи напряжения на электромагнитную катушку 6.

Результаты исследования и их обсуждение. Пределы регулирования КСС были измерены в ходе эксперимента с помощью оборудования, представленного на рисунке 2.

а

б

Рис. 2. Оборудование для определения характеристик облучателя:

а – распределительный фотометр; б – гибкая панель с точечными источниками излучения:

1 – датчик люксметра; 2 – подвижный рычаг; 3 – облучатель; 4 – планшет; 5 – люксметр;

6 – точечные источники синего цвета; 7 – точечные источники зеленого цвета;

8 – точечные источники красного цвета

Рис. 3. КСС разрабатываемого облучателя: а – при горизонтальном положении гибкой панели с точечными источниками излучения; б – при изогнутом положении гибкой панели с точечными источниками излучения

Как видно из рисунка 3, при изменении кривизны гибкой панели с точечными источниками излучения КСС трансформируется. При этом форма КСС от глубокой (класс Г) приближается к косинусной (класс Д) [13].

Данные кривые могут быть аппроксимированы зависимостью вида [14]

I _α = I₀ cosn α ,           (1)

где I α – сила света облучателя в направлении угла α , кд; I 0 – осевая сила света облучателя, кд.

В формуле (1) коэффициент n характеризует изменение формы КСС относительно базовой кривой – равномерного светораспределения (класс М) при световом потоке 1000 лм. Величина n может быть определена по формуле

2π-α n=         Д ,                (2)

2αД где αД – полный угол действия облучателя.

Для КСС класса Д n =1, для Г – 1,65. Таким образом, появляется возможность проектировать системы облучения для конкретной теплицы при разных уровнях облученности.

По полученным данным рассчитывали схему облучения по аналогии с [15]. Расчет производили по минимальной облученности. При этом коэффициент минимальной облученности z = ф.min ≥0,8 ,             (3)

E ф.max где Eф,min, Eф,max – минимальная и максимальная фитооблученности, Вт/м2 ФАР

E ф = I α cos³ α ⋅ k ф /h² ,        (4)

где I α – сила света облучателя в направлении расчетной точки, кд; k ф – коэффициент перевода светового потока источника в фитопоток.

Для расстановки облучателей в теплице строили графики фитооблученности (рис. 4). Для расчета выбирали стандартную теплицу размерами 50×15×4 м. Период работы облучателя: 30 дней по 16 часов в сутки; 30 дней по 8 часов в сутки.

В таблице 2 даны показатели по двум вариантам систем облучения.

Как видно из таблицы 2, в варианте с КСС класса Г Р уд увеличивается на 7 %; в варианте с КСС класса Д Р уд снижается на 58 % с изменением высоты установки облучателя от 0,4 до 0,6 м. Поэтому вариант с КСС класса Г можно рекомендовать для рассадных отделений теплицы, где высота установки облучателя до 0,5 м, а вариант с КСС класса Д – для интенсивной светокультуры, где высота установки облучателя над растениями ≥0,5 м.

а

б

Рис. 4. Графики фитооблученности для исследуемого облучателя: а – режим работы облучателя с КСС класса Г; б – режим работы облучателя с КСС класса Д

Варианты систем облучения

Таблица 2

Количество облучателей N , шт.	Расход электроэнергии W , кВт·ч	Класс КСС	Установленная мощность системы облучения P у , кВт	Удельная установленная мощность Р уд , Вт/м2
Высота установки облучателя h =0,4м
629	61920	Г	86	115
578	56880	Д	79	105
Высота установки облучателя h =0,6м
666	65664	Г	91,2	123
336	33120	Д	46	61

Выводы

• 1.    Проведенный анализ светодиодных облучателей для теплиц позволил выявить в качестве основного недостатка отсутствие регулировки кривой силы света (КСС) в процессе эксплуатации.

• 2.    Техническое решение облучателя, имеющего гибкую панель с точечными источниками излучения, винт-ограничитель и ротор-сердечник, позволило реализовать на практике регулирование КСС.

• 3.    Полученные КСС классов «глубокая» и «косинусная» позволяют дать оценку пределам регулирования светораспределения облучателя: в варианте с КСС класса Г Р уд увеличивается на 7 %; в варианте с КСС класса Д Р уд снижается на 58 % с изменением высоты установки облучателя от 0,4 до 0,6 м.

• 4.    Результаты дают возможность при проектировании и эксплуатации рассчитывать и регу-

• лировать энергетические показатели системы облучения для конкретной теплицы.