CC BY
37
УДК 628.979:581.035
Доктор техн. наук С.А. РАКУТЬКО (СПбГАУ, sergejl964@yandex.ru) Соискатель E.H. РАКУТЬКО (ИАЭП, clcna.rakutkoVv.mail.ai) Аспирант А.Н. ВАСЬКИН (СПбГАУ, vaskin32@mail.ru)
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭКОЛОГНЧНОСТН СВЕТОКУЛЬТУРЫ САЛАТА (LACTUCA SATIVA L.) ПОД НАТРИЕВЫМИ И ИНДУКЦИОННЫМИ ЛАМПАМИ
Энергоэкологичность, светокультура, фотосинтетически активная радиация, салат, продуктивность, энергоемкость, фотосинтез
Под светокультурой понимают технологический процесс выращивания растений с целью получения урожая в сооружениях с контролируемыми экологическими факторами с применением дополнительного к естественному облучения от источников света (ИС) либо одних только ИС.
Энергия оптического излучения (ОИ) играет важную роль в процессах фотосинтеза, роста и морфогенеза растений, которые зависят от длины волны излучения [1]. Выращивание растений при искусственном облучении связано с существенными энергетическими затратами, поэтому вопросы экологичности и энергоэффективности приобретают особую актуальность.
В светокультуре полезную продукцию формируют живые организмы - растения. Развитие аграрных знаний и практика производства продукции выявили необходимость создания энергоэффективных агротехнологий с минимальным негативным воздействием на окружающую среду, в основу которых должны быть положены наиболее важные достижения фундаментальных наук. В лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИАЭП (Санкт-Петербург) на стыке физиологии растений, физики (светотехники) и экологии разработаны основы нового комплексного научного направления - энергоэкологии светокультуры. Сформулированы теоретические основы и накоплен практический опыт энергоэкологического анализа и проектирования облучательных установок культивационных сооружений [2] на основе разработанной иерархической модели искусственной биоэнергетической системы (ИБЭС) как совокупности технических и энергетических устройств, технологических процессов и аппаратов, биологических объектов (растений), применяемых в светокультуре для обеспечения требуемых технологических операций по получению готовой продукции.
Особенностью энергоэкологии светокультуры как научного направления является рассмотрение параметров энергоэффективности и экологичности с позиций прикладной теории энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП), объектом изучения которой являются закономерности потоков субстанции (вещества и энергии) в ИБЭС [3]. Системным интегративным критерием оптимальности является энергоэкологичность, распространяемая при декомпозиции на локальные критерии оптимальности в соответствующих задачах оптимизации отдельных иерархических уровней модели. На основе полученных теоретических представлений разработаны практические приемы проектирования и оценки эффективности отдельных энергосберегающих мероприятий [4], обоснованы энергоэкологичные режимы работы облучательных установок и алгоритмы управления их энергоэффективностью и экологичностью [5, 6].
Энергоэкологичность светокультуры характеризует взаимосвязь потока энергии ОИ и потоков продуктов фотосинтеза, образуемых в растениях.
Применение электрических ламп как источников ОИ в светокультуре прошло большой путь развития - от ламп накаливания, открытой дуги и газоразрядных ламп до
натриевых ламп высокого давления, которые до сих пор являются самыми популярными для дополнительного облучения в теплицах. Натриевые лампы обладают высокой энергоэффективностью, значительным сроком службы и излучают в широком диапазоне спектра, удовлетворяющем требования многих видов растений [7].
Большую долю потока натриевые лампы излучают в диапазоне фотосинтетически активной радиации (ФАР), при этом максимум излучения приходится на желтый (~ 589 нм) диапазон, то есть их спектр относительно беден в синем и дальнекрасном диапазоне по сравнению с солнечным излучением. Высокое содержание желтого света вызывает вытягивание стебля растений и ухудшает качество рассады.
Светодиодная технология на сегодняшний день является еще относительно дорогой, однако, комбинируя спектры традиционных ИС со светодиодными, можно не только оптимизировать спектральный состав для различных растений и различных физиологических процессов (рост, цветение, эффективность фотосинтеза), но и создать экономически эффективную систему облучения. В последних исследованиях комбинации светодиодов и люминесцентных [8] и натриевых ламп высокого давления [9] используются для поиска улучшения роста или метаболических эффектов в растениях.
Исследования применимости светодиодов в светокультуре проводятся уже в течение более двух десятилетий. Тем не менее по-прежнему открыты такие вопросы, как оптимизация спектра и интенсивности потока для различных видов и сортов растений на разных стадиях онтогенеза, какие комбинации длин волны должны быть выбраны для максимальной продуктивности и энергоэффективности светокультуры. Использование светодиодов в светокультуре является, безусловно, перспективным направлением, но требует решения большого количества вопросов, прежде чем светодиоды будут использованы в промышленных масштабах.
Другим перспективным типом ИС для светокультуры являются люминесцентные безэлектродные (индукционные) лампы, спектр излучения которых можно задавать составом применяемого люминофора [10].
Целью данной работы является представление результатов лабораторных исследований по сравнительному изучению энергоэкологичности светокультуры салата, выращиваемого под излучением натриевых и индукционных ИС.
Салат (Lactuca sativa L.) был выбран в данном исследовании по причине его быстрого роста и чувствительности к спектру ОИ. Посев семян салата сорта Афицион был произведен 11.11.2015г. в ящик с подготовленным торфом. Полные всходы появились 13.11.2015г. Первый настоящий лист сформирован 19.11.2015г., после чего произвели распикировку по три растения на каждый пластиковый контейнер с торфом (массой 280-290 г) и выставили контейнеры под облучение.
Массовое появление второго настоящего листа (более 70%) наблюдалось 21.11.2015 г., третьего листа - 25.11.2015 г., четвертого листа - 28.11.2015 г. в возрасте 16 дней. Биометрические показатели начали измерять с 18-го дня после пикировки.
Исследования проводились в лабораторном помещении без естественного освещения площадью 18 м2 с температурой воздуха +20-+22°С; влажностью 55-60% и подвижностью воздуха 0,05-0,25 м/с. Влажность субстрата в контейнерах поддерживали в пределах 70-75% дозированным поливом водой с температурой 24-25°С. Подкормку рассады проводили периодически 0,1-0,15% растворами удобрений КН2РО4, MgSC>4 и KNO3.
Сравнительный эксперимент проводили в двух зонах помещения, разделенных светонепроницаемой ширмой. Растения салата на рабочих столах под облучателями располагали на площади, неравномерность облучения по которой составляла не более 20%. Первоначально было размещено по 20 контейнеров с растениями. Облучение производили круглосуточно (фотопериод ФП=24 ч). В процессе эксперимента в обоих зонах поддерживали одинаковый уровень освещенности (10 кЛк) изменением высоты подвеса облучателей над верхушками растений. В первой зоне использовали облучатель собственной конструкции на базе индукционной лампы (ИЛ) мощностью 400 Вт,
размещенный на высоте 1,17 м, во второй зоне использовали натриевую лампу (НА) той же мощности в облучателе ЖСП 30, размещенном на высоте 1,07 м.
Спектральную плотность фотонной облученности ФАР (photosynthetic photon flux density, PPFD) измеряли прибором ТКА ВД/04 с доработанным программным обеспечением (рис. 1). Состав потока излучения характеризовали процентным соотношением энергии (Вт) в отдельных спектральных поддиапазонах.
8000
Й 6000
ъ
«
4000
£
0
1 2000
tu
£ 0
400 450 500 550 600 650 700 750 800
Длина волны,нм
Рис. 1. Спектральная плотность фотонной облученности от применяемых ИС Параметры радиационной среды растений показаны в табл. 1.
Таблица 1. Параметры радиационной среды растений
Показатель ИС Д,%
НА ИЛ
Облученность ФАР, Вт м-2 17,69 22,07 24,8
Фотонная облученность, мкмоль м-2 с"1 85,89 102,31 19,1
Состав потока излучения, % синий (400-500 нм) 10 22 120
зеленый (500-600 нм) 61 41 -32,8
красный (600-700 нм) 29 37 27,6
Использовали модель роста и развития растения, учитывающую динамику изменения площади каждого листа растения и его массы в процессе выращивания. В течение эксперимента на определенные моменты Тп рандомизированно выбирали по три горшочка с каждого стола. Листья с растений разделяли на группы в соответствии с их номером п в порядке появления на стебле. Фиксировали количество листьев на растении N , их геометрические размеры (длину вдоль центральной жилки Ап и наибольшую ширину Вп),
сырую массу М* и выход сухого вещества М]'4 . Площадь листа растения салата с достаточной точностью находили по найденной в предварительных экспериментах формуле:
5 =0,53А В .
п ~ п п
Эксперимент завершили 21.12.2015г., на 39 сутки. Было найдено, что в этом временном диапазоне зависимость количества листьев на растении от времени может быть описана выражениями:
для НА ламп: N = 0,4921Г - 4,7460 (г2 = 0,9992); (1)
ДЛЯ ИЛ ламп: N = 0,4841Тп - 4,8254 (г2 = 0,9950). (2)
1 ñ 1 1 ——НА
1 -HJ 1
л 'ft 1 1
/ JN *..... JJJ
Динамика суммарной площади всех листьев X., массы всего растения Л/,' и выхода сухого вещества Л / '" показаны на рис. 2-4.
1000
800
о
£ 600
£
о 400
200
0
НИЛ □ НА
18
25 32
Срок, су т.
39
Рис. 2. Площадь листьев растения
30,00
и 25,00
2
а 9 20,00
Ь а 15,00
у 10,00
2
5,00
0,00
-□НА
18
25 32
Срок, сут.
Рис. 3. Масса растения
39
2,0
и 1,6
о
р 5 1,2
о с 0,8
о.
- . О 0,4
0,0
вил
□ НА
18
25 32
Срок, сут.
39
Рис. 4. Выход сухого вещества с растения
10 -г
ЧО
8 -
О £
й 6 -
6
ее и 4 -
о р.
О 2 -
0 -
В ИЛ ЕЗ НА
18
25 32
Срок, сут.
39
Рис. 5. Содержание сухого вещества в растении
Полученные по экспериментальным данным значения параметров аппроксимированы кривыми Гомпертца вида
Т7- Т7 тт о в('~тт)
У = Уп+У е1 , (3)
0 тах ' V /
где У - моделируемый параметр;
Уп - начальное значение параметра У;
Ушх - конечное значение моделируемого параметра;
В - относительная скорость роста на момент времени Тт ;
Тт - момент времени с максимальной скоростью роста;
I - текущее значение времени.
Таблица 2. Значения коэффициентов для кривых Гомпертца
Коэффициент НА ИЛ
^ т мл =№ М*" =м мл =№
Го 0,000 0,000 0,056 0,000 0,000 0,068
у тах 2688,055 114,257 2,605 2999,892 66,598 1,812
В 0,054 0,048 0,109 0,052 0,066 0,149
Т ± т 42,751 48,079 32,366 45,922 40,087 30,140
Процентное содержание сухого вещества в листьях, по-видимому, не имеет выраженной функциональной зависимости от возраста растения и типа ИС (рис. 5). Среднее
значения содержания сухого вещества составило 7,10% для ИЛ при стандартной ошибке <5=0,91 и 6,91% для НА при стандартной ошибке о=1,09.
На рис. 6 показано распределение сырой массы по листьям для растений салата разного возраста (нумерация листьев по мере их появления).
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
Г \
£
■V
■25 . 32 ■ ■39 -
0 12 3 4
1 2 3 4 5 6 7
о
9 10 11 12 13 14 15 16 Номер листа
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Номер листа
Рис. 6. Распределение сырой массы по листьям (слева для НА, справа - для ИЛ)
По графикам наглядно видно, как по мере роста зона наибольшей продуктивности сдвигается к вершине растения салата, при качественном сохранении данной тенденции для обоих типов ИС.
На рис. 7 показаны значения площади для различных листьев растения салата и содержания сухого вещества в листьях (рис. 8) на конец эксперимента.
120 100 80 60 40 20 0
ВИЛ □ НА
гЯ
3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14 15 16
Номер листа
Рис. 7. Значения площади различных листьев растения салата
3.5 3.0
и
т-: -> 5
5
- 2.0 I 1-5 ^ 1-0 | з 0.5
и
0.0
ВИЛ-ННА-
гП гП
3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14 15 16 Номер листа
Рис. 8. Сухая масса различных листьев растения салата
В табл. 3 показано процентное распределение показателей продуктивности растения салата по ярусам листьев.
Таблица 3. Распределение показателей продуктивности растения по ярусам листьев
Параметр, % Нижний ярус (1-5 лист) Средний ярус (6-10 лист) Верхний ярус (11-16 лист)
НА ил НА ИЛ НА ИЛ
Суммарная площадь листьев 33 33 56 60 11 7
Сырая масса листьев 30 30 55 60 15 10
Анализ полученных данных показывает, что более половины (55-60%) продукции светокультуры салата приходится на листья среднего яруса. На нижний ярус листьев приходится одинаковая доля от их суммарной площади (33%) и массы (30%). При использовании ИЛ по сравнению с НА наблюдается большая доля (на 4-5%) этих
показателей у листев среднего яруса за счет соответственно меньшей доли у листьев верхних ярусов.
Для характеристики энергоэффективности процесса преобразования вещества при фотосинтезе использовали величину энергоемкости фотосинтеза ЭФС. В соответствии с физическим смыслом она определяется как количество энергии, затраченной на единицу массы синтезируемого сырого или сухого вещества, моль'г 1:
N
¿-^ п
ЭФС = -,
(4)
УМ
' > л
где Нп - доза излучения, получаемая /?-ным листом, моль.
На рис. 9 показаны величины ЭФС по сухому веществу для различных листьев растения салата. Меньшие значения величины ЭФС наблюдаются у более молодых листьев, что свидетельствует о большей энергоэффективности процесса фотосинтеза в этих листьях. При этом под НА лампами значения ЭФС меньше, чем под ИЛ, причем для более старых листьев эта разница более существенна.
£ з б'
У 2
О
ВИЛ ИЗ НА
юоо
100
ю
о ©
С
ВИЛ □ НА
ш СП Ш Ш
7 8 9 10 Номер листа
11 12 13 14
7 8 9 10 11 Номер листа
12 13 14
Рис. 9. Энергоемкость фотосинтеза для различных листьев растения салата
Рис. 10. Продуктивность фотосинтеза для различных листьев растения салата
Чистая продуктивность фотосинтеза представляет собой массу накопленного органического вещества в единице площади листа за определенное время для всех N листьев растения, г м 2'сут 1:
¿Л/„
ПФС = --, (5)
т
/—1 п в
И=1
где
Мп - масса сухого вещества в «-ном листе, г; - площадь //-го листа, м2;
Ть - «возраст» //-го листа, сут.
На рис. 10 в логарифмической шкале показаны величины ПФС по сухому веществу для различных листьев растения салата. Большие значения величины ПФС наблюдаются у более молодых листьев, что свидетельствует о большей продуктивности процесса фотосинтеза в этих листьях. При этом под ИЛ значения ПФС больше, чем под НА, причем эта разница более существенна для более молодых листьев.
Интегральные показатели светокультуры для растений салата в возрасте 39 дней приведены в табл. 4.
4. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Транчук А.С. Применение иерархической модели искусственной биоэнергетической системы для оценки экологичности и энергоэффективности светокультуры // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2015. - № 40. - С. 262-268.
5. Патент РФ 2115293. Способ эксплуатации газоразрядных ламп в теплице / Карпов В.Н., Ракутько С.А., Шарупич В.П., Немцев Г.Г. //№92015195/13; заявл. 28.12.92; опубл. 20.07.98.
6. Патент РФ 2357342. Способ энергосбережения в энерготехнологических процессах / Карпов В.Н., Ракутько С.А. //№2008115845(017799); заявл. 21.04.08., опубл. 25.05.2009.
7. Spaargaren J. J. Supplemental lighting for greenhouse crops. - Ontario, Canada, 2001. - 178 P-
8. Li, Q., Kubota, C. 2009. Effects of supplemental light quality on growth and phytochemicals of baby leaf lettuce. Environmental and Experiment Botany 67: 59-64.
9. Pinho, P., Lukkala, R., Sarkka, L., Teti, E., Tahovnen, R., Halonen, L. 2007. Evaluation of lettuce growth under multi-spectral-component supplemental solid state lighting in greenhouse environment. International Review of Electrical Engineering 2: 854-680.
10. Ракутько C.A., Ракутько E.H., Васькин A.H. Энергоэффективность использования потока излучения листьями салата (Lactuca sativa L.) при облучении индукционными лампами // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.- 2016- №42,-С. 382-389.
УДК 621.355.2
Канд. техн. наук В.В. КОЛОСОВСКИЙ
(СПбГ АУ, р го Гс 550 г - с 1 Га к а га тЬ ler.ru)
ЗАВИСИМОСТЬ ПЕРЕХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРОЛИТА
Свинцово-кислотный аккумулятор, минимальное газовыделение, влияние температуры электролита и плотности тока на величину переходного напряжения
В зависимости от конструкции, типа и электрохимической системы аккумуляторов для каждой из разновидности устанавливаются различные зарядные режимы.
По мере проведения заряда все меньшая и меньшая часть тока используется для заряда; количество газов, выделяющихся в единицу времени, увеличивается, и напряжение растет. Начальному слабому газовыделению соответствует напряжение около 2,3, среднему - 2,4 и сильному - 2,5-2,6 В, называемое переходным напряжением (С/п) и определенное экспериментальным методом.
Для определения переходного напряжения, соответствующего минимальному газовыделению при заряде, необходимо и достаточно установить условия перехода ионов водорода и кислорода из раствора в газообразное состояние.
Этим условиям соответствует напряжение в электролитической ячейке:
ии=Еэ+Лп+Ло+1-1Кт, (1)
где Еэ - напряжение разложения воды;
7]н - перенапряжение водорода на электродах;
7]0 - перенапряжение кислорода на электродах;
I-ZRi.ii - падение напряжения при заряде в токопроводящих материалах от ячейки до межэлементных соединений.
Для определения переходного напряжения в различных условиях заряда необходимо выяснить влияние основных факторов на величину каждого из членов уравнения.
В существующих аккумуляторах падение напряжения при заряде в токопроводящих материалах от ячейки до межэлементных соединений всегда меньше 0,005 В, т.е. не превышает 0,2% С/п. Следовательно, допуская небольшую погрешность, можно считать, что (/„ равно напряжению на борнах аккумулятора.
