Способ снижения энергопотребления в сельскохозяйственных технологиях Российский патент 2023 года по МПК H01J61/67 B82Y40/00 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, где может быть использовано в энергосберегающих электротехнологиях при профилактических и лечебных процедурах при облучении животных, птицы, растений защищенного грунта, при эффективном освещении дорог сельской местности, с низкими уровнями нормированной освещенности. Электротехнологии светокультуры отличаются большими затратами электроэнергии, обусловленными высокими уровнями нормированной освещенности технологических процессов Е_мин, (~10 тыс. лк), превышающих в 10 ÷ 100 раз величины нормированной освещенности. Предлагаемый технический результат достигается путем снижения уровня освещенности Е за счет возрастания интенсивности поглощения коротковолновой части оптического излучения (ОИ) биообъекта рецепторами растений (криптохромом), соответствующими левому максимуму кривой спектральной чувствительности (СЧ). При повышении уровня освещенности начинают действовать рецепторы (фитохром) с λ>600 нм с выделением тепла.

Известно представление относительной спектральной световой эффективности излучения для стандартного фотометрического наблюдателя. МКО в видимой области ОИ используются две кривые (фиг.1): 1- дневного V(λ) и 2 - ночного зрения V(λ) человека.

Некоторые авторы отмечают, что эти кривых «сдвинуты» относительно друг друга [Пуркине Я.Е. Сообщения к познанию зрения в субъективном отношении. Бреславль, 1819.], что объясняется различием спектральной чувствительности (СЧ) световоспринимающих рецепторов: колбочкового аппарата дневного зрения и палочкового - ночного зрения. В условиях сумерек при яркостях от 0,0318 до 3,18 кд/м², при освещенностях Е <20 лк, работают одновременно колбочки и палочки. В видимой области с увеличением яркости максимум кривой СЧ ночного зрения глаза ϕ_λ уменьшается, а кривой дневного зрения - возрастает. В диапазоне яркости от 0,0318 до 3,18 кд/м ² понижается СЧ колбочек в длинноволновой части спектра ОИ с λ = 565 нм, тогда аппарат зрения воспринимает информацию через другие рецепторы - палочки, с максимальной СЧ на более коротких волнах, λ = 510 нм. Поэтому для освещения дорог, где нормируемые значения яркости дорожного покрытия составляют 0,2 ÷ 1,6 кд/м², имеют преимущества источники излучения (ИИ) с большей цветовой температурой Т_цв = 5000 ÷ 7000 К, чем на дорогах с большим уровнем освещенности, где требуется цветовая температура Т_цв= 2500 ÷ 4500 К. Таким образом, палочки, более чувствительные к коротковолновому излучению, которое генерируют эритемные и бактерицидные лампы, имеющие небольшие значения мощности, что позволяет экономить электроэнергию.

Известен способ представления функции относительной СЧ органа зрения кур относительной суммарной спектральной чувствительностью глаза птицы со многими составляющими с максимумами, в описании которых в степени присутствует Е, (фиг.2) [Пильщикова Ю.А., Коваленко О.Ю., Гусева Е.Д., Кудашкина М.В. Моделирование относительной спектральной чувствительности органа зрения биообъекта для оценки эффективности источников излучения. Современные проблемы науки и образования. №4. 2014.].

Недостаток такого представления заключается в стационарном характере, обобщающем множество не связанных между собой зависимостей, что не дает возможности проанализировать каждую слагаемую кривую, либо отражает лишь частный случай, при одном наборе внешних факторов; при других уровнях освещенности и других факторов графики могут иметь совсем другой вид. Математическое описание в [Пильщикова Ю.А., Коваленко О.Ю., Гусева Е.Д., Кудашкина М.В. Моделирование относительной спектральной чувствительности органа зрения биообъекта для оценки эффективности источников излучения. Современные проблемы науки и образования. №4. 2014.] не отражает взаимосвязи переменчивого вида кривых, как например метрика Минковского [Минковский Г. Пространство и время. Сб. Принцип относительности Сб. работ по специальной теории относительности. - М.: Атомиздат, 1973. - с. 167 - 180.], или описание дуальной кривой в [Овчукова С.А. Дисс. на соиск. ст. Д.т.н. «Применение оптического излучения в сельскохозяйственном производстве», 2001. - 315 с.]. При изменении уровня освещенности и др. факторов максимум кривой спектральной интенсивности источника может отходить от максимума кривой СЧ биообъекта, тогда спектр предлагаемого в [Пильщикова Ю.А., Коваленко О.Ю., Овчукова С.А., Влияние комбинированного излучения на молодняк птицы// Вестник ФГОУВПО МГаУ, 2012.- №2. - с. 29 - 31., Свентицкий И.И. Экологическая биоэнергетика растений и сельскохозяйственное производство - Пущино. 1982 - 222 с.] источника излучения не будет оптимальным по отношению к глазу птицы.

Известны переменные зависимости относительной эритемной эффективности от длины волны излучения для различных степеней эритемы А. Майэра и Э. Зейца [Майер А. и Зейц Э. Ультрафиолетовое излучение. М.: Иностранная литература, 1952. - 576 с.], которые имеют два максимума (фиг.3), свидетельствующие о том, что на малые (пороговые) дозы эритемного излучения рецепторы биообъекта сильнее реагируют на коротковолновом участке (КУФ), где кривая СЧ имеет первый (левый) максимум. При высоких дозах облученности превалирует второй (правый) максимум на более длинноволновом участке ОИ, рецепторы поглощают кванты с меньшей энергией. Средние V(λ) дозы обеспечивают остальную часть дуальной кривой - с двумя максимумами: в области КУФ и области ДУФ. Из кривых следует, что экономию электроэнергии следует ожидать при работе ИИ, генерирующих коротковолновое видимое и УФ излучение. В старых учебниках спектр эритемного действия так же имел два горба, левый из них, коротковолновый, в дальнейших публикациях был отброшен (почем зря!) [Жилинский Ю.М., Свентицкий И.И. Электрическое освещение и облучение в сельскохозяйственном производстве. Колос, 1963. - 303 с.]. Авторами предлагается использовать эту часть УФИ. По закону подобия можно также использовать эритемное излучение в области бактерицидного с λ<260 нм с большей энергией квантов, где при определенных условиях кривая эритемной чувствительности занимает значительную часть площади, охватывающей бактерицидной кривой при Δλ=0,2­0,3 мкм.

Кванты УФ излучения обладают энергией, стимулирующие энергетические процессы, влияющие на различные биохимические реакции, происходящие в живых организмах.

(1)

где h - постоянная Планка, v - частота излучения, λ - длина волны, с - скорость света. Чем меньше длина волны (больше частота излучения), тем большая энергия УФ излучения воздействует на организм.

Из фиг. 3 следует взаимное действие и различное, связанное числом комбинаций. Недостаток приведенных выше зависимостей ϕ_λ = f (λ), (фиг. 1-3) в том, что приведены только в ВИД [Пуркине Я.Е. Сообщения к познанию зрения в субъективном отношении. Бреславль, 1819.], и УФ [Майер А. и Зейц Э. Ультрафиолетовое излучение. М.: Иностранная литература, 1952. - 576 с.] участках спектра ОИ в относительных единицах, по которым нельзя судить о соотношении УФВ и УФС, что затрудняет их анализ.

Для решения указанной задачи предлагается рассматривать дуальный и переменный вид кривых СЧ биообъектов, как характерный для всех частей спектра ОИ. Бимодальный характер кривой фотосинтеза подчиняется законам магнитного излучения во всех областях спектра ОИ, включая область ФАР. Классические кривые спектральной эффективности растений в современной литературе имеют стационарный вид - с двумя взаимно связанными максимумами. Эта зависимость отличается от кривой СЧ глаза кур, описанной в [Пильщикова Ю.А., Коваленко О.Ю., Гусева Е.Д., Кудашкина М.В. Моделирование относительной спектральной чувствительности органа зрения биообъекта для оценки эффективности источников излучения. Современные проблемы науки и образования. №4. 2014.], и по форме, и по типу приемника рецепторов, и по назначению, вследствие наличия других фоторецепторов у растений - фитохрома, имеющего максимальную чувствительность в красной части и криптохрома - в голубой области ФАР. Благодаря высокой чувствительности криптохрома можно облучать растения коротковолновыми, более дешевыми и маломощными, по сравнению с тепловыми ИИ, что понизит энергозатраты на ОБУ. В условиях растущих тарифов на электроэнергию при огромном количестве холодных зон в нашей стране эта экономия может стать существенной. Помимо снижения стоимости энергоемких световых технологий, правильным подбором спектра и интенсивности ИИ можно управлять процессом в направлении повышения качества и количества светокультуры.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков относится выбор наиболее энергоемкой из всех характеристик растений - кривой фотосинтеза, зависимости ϕ _λ = f (λ). В наше время за классическую кривую фотосинтеза принят усредненный вариант, составленный по экспериментам разных европейских авторов позапрошлого века [Свентицкий И.И. Экологическая биоэнергетика растений и сельскохозяйственное производство - Пущино. 1982 - 222 с.] (фиг. 4 а). Эти кривые могли отличаться от дуальной формы, изменяясь от треугольной с максимумом на коротковолновом участке спектра ОИ до формы с максимумом в длинноволновом участке спектра ФАР [Жилинский Ю.М., Свентицкий И.И. Электрическое освещение и облучение в сельскохозяйственном производстве. Колос, 1963. - 303 с]. На фиг. 4, б, в представлены усредненная кривая фотосинтеза зеленого листа и относительная спектральная эффективность фотосинтеза зеленого листа.

Левому максимуму кривой СЧ соответствуют рецепторы с большей чувствительностью к коротковолновому излучению области ФАР. Соответственно, на этом участке требуется меньшее количества внешней энергии, что снизит энергетические затраты. Следовательно, в ОБУ для светокультуры можно использовать маломощные лампы с коротковолновыми λ в области ФАР. Явление фотореактивации (ослабление действия определенного излучения более длинноволновым) так же хорошо объясняется сменой максимумов кривой СЧ, обусловленных чувствительностью разных рецепторов биообъектов. Например, эффект от облучения поросят УФ излучением до образования эритемы в темном помещении полностью пропадает при включенном освещении.

Заявляемое изобретение направлено на решение задач снижения энергозатрат в электротехнологиях: при выращивании растений защищенного грунта, в лечении больных животных, эффективном освещении мест с низкими нормированными уровнями освещенности. Левый максимум в коротковолновой (голубой) части кривой спектральной фотосинтетической эффективности возрастает за счет квантов с большей энергией по сравнению с квантами в длинноволновой (красной) части спектра ФАР, требующими в силу высоких норм облученности в теплицах применения мощных разрядных ламп высокого давления типа ДРЛ-400, ДРЛФ-1000, ДРИ-400-2000, -3000, ДНаТ-400-1000, ДКсТ-1000 - 6000. Все эти пампы созданы как источники света, т.е. имеют максимум излучения в видимой области спектра, что требуется глазу, но совершенно, судя по кривым СЧ, не требуется и скорее вредно растениям, поглощая при этом большую часть электроэнергии.

Экономии электроэнергии можно достичь при взаимодействии чувствительных к коротковолновой области излучения ФАР рецепторов левого максимума кривой СЧ, где требуются ИИ меньшей мощности. Экономия энергии при облучении растений светодиодами (СД) достигается за счет использования более дешевых (по сравнению с красными) голубых InGaN светодиодов, а также уменьшения числа их в ОУ и числа самих установок в коротковолновой области ФАР. Так по нашим расчетам СД - облучателей типа «Топаз 203» при равной дозе облучения (для огурцов 300, а для томатов 400 Вт час/м²) в блочной теплице потребовалось в 1,3 раза меньше, чем облучателей ЖСП-49-400 на базе НЛВД (ДНаТ-400). Целесообразно также использовать филаментные лампы.

Существенным признаком, характеризующим изобретение, является:

1. Дуальная модель, отличная от [Пильщикова Ю.А., Коваленко О.Ю., Гусева Е.Д., Кудашкина М.В. Моделирование относительной спектральной чувствительности органа зрения биообъекта для оценки эффективности источников излучения. Современные проблемы науки и образования. №4. 2014, Овчукова С.А. Дисс. на соиск. ст. Д.т.н. «Применение оптического излучения в сельскохозяйственном производстве», 2001. - 315 с.] числом и содержанием взаимосвязанных слагаемых, где учтены другие, помимо освещенности, факторы, определяющие изменение формы дуальной фотосинтезной кривой. Само Е тоже не известно, экспериментов в этом направлении нами в литературе не обнаружено. Требуется дополнительное исследование биофизических закономерностей, определяющих оптимальный подбор чувствительных рецепторов левого максимума и соответствующих ИИ, обеспечивающих выращивание растений при меньших уровнях освещенностей, а, следовательно, меньших затратах электроэнергии.

2. Возможность экономии электроэнергии при использовании варианта кривой фотосинтеза с выраженным левым максимумом возможна путем подбора ИИ, генерирующих кванты энергии с λ, поглощаемым наиболее чувствительным рецептором (который пока точно не определен) левого края кривой 4 (фиг. 4).

3. Признание описания классической бимодальной кривой СЧ растений (фотосинтеза), приемлемым только частным случаем при определенных внешних условиях, с изменением которых изменится вид кривой, даже до треугольной формы с максимумом в одной из двух крайних областей ФАР. Управление процессом подачи доз электроэнергии можно осуществить по программе при известных начальных условиях (Е, Т_о. влажность и др.), которые в настоящее время отсутствуют. Для определения рецепторов максимальной чувствительности биообъектов разного типа нужны тщательные дополнительные исследования.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления способа.

Признание тождественности электромагнитных колебаний во всех частях спектра ОИ, что позволило воспользоваться материалами [Майер А. и Зейц Э. Ультрафиолетовое излучение. М.: Иностранная литература, 1952. - 576 с.] для анализа процессов в области ФАР; отличие рецепторов и кривых СЧ растений от рецепторов глаз и кожи животных и птицы, что требует исследований и выводов с учетом биологических особенностей; учет явления фотореактивации в растениеводстве, а также при профилактическом и лечебном воздействии на биообъекты [Овчукова С.А. Дисс. на соиск. ст. Д.т.н. «Применение оптического излучения в сельскохозяйственном производстве», 2001. - 315 с.]; возможность подбора ИИ, доз и режимов воздействия ОИ, [Коваленко О.Ю., Овчукова С.А., Микаева С.А. Основы действия ОИ на биообъект. Инженерная физика, 2008, № 2, с. 43 - 48., Тихомиров А.А., Шарупич В.П., Лисовский Г.М. Светокультура растений. Биологические и физические основы. Учебное пособие. Изд. СО РАН. Новосибирск, 2000. - 214 с.], например, импульсное облучение растений [Кондратьева Н.П. Дисс. на соиск. Д.т.н. «Повышение эффективности электрооблучения растений в защищенном грунте», 2003. - 364 с.]. Кроме того, имеются сведения об улучшении видимости на сельских дорогах при пониженном уровне освещенности [Юферев Л.Ю. Дисс. на соиск. ст. д.т.н. «Энергорусурсо-сберегающие осветительные и облучательные системы с.-х. назначения на основе резонансной системы электропитания». 2015. - 430 с.] и др.

Технико-экономический результат достигается путем экономии электроэнергии при низких уровнях освещенности (облученности), при которых возрастает максимум коротковолновой части фотосинтезной кривой за счет квантов с большей энергией и их резонансном взаимодействии, поглощаемыми фоторецепторами левой части кривой (криптохромами), по сравнению с фоторецепторами (фотохромами), поглощающими кванты меньшей энергии в длинноволновой области спектра, которая требует более высоких уровней поставляемой энергии (облученности). Наибольшая экономия ожидается при выращивании зеленой светокультуры длинного дня 16 - 18 час, таких как салат, петрушка, укроп, редис, шпинат. Подбор ИИ меньшей мощности, а также доз и режимов воздействия в коротковолновой части ОИ обеспечит экономию электроэнергии, тариф на которую постоянно возрастает. Это позволит снизить цены на производство конечного продукта в промышленном растениеводстве защищенного грунта и селекции растений.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, где может быть использовано в энергосберегающих электротехнологиях при выращивании растений защищенного грунта. Для освещения растений используются источники излучения с максимумом интенсивности спектра в коротковолновой (левой) части диапазона фотосинтезных кривых СЧ. При этом применяют уровень освещенности (облученности) растений, приводящий к интенсивному поглощению рецепторами растений квантов (фотонов) большей энергии и являющийся пониженным по сравнению с уровнем освещенности, требуемым для поглощения рецепторами растений излучения квантов меньшей энергии длинноволновой (красной) области спектра. Энергосбережение достигается путем снижения уровня освещенности за счет возрастания интенсивности поглощения коротковолновой части оптического излучения рецепторами растений (криптохромом), соответствующими левому максимуму кривой спектральной чувствительности (СЧ). 4 ил.

Способ использования фотосинтезной кривой спектральной чувствительности (СЧ) бимодальной формы коротковолновой части диапазона фотосинтетически активной радиации (ФАР) спектра оптического излучения, нормированной относительно единицы уровней левого и правого максимумов, для выращивания растений, заключающийся в том, что для освещения растений используются источники излучения с максимумом интенсивности спектра в коротковолновой (левой) части диапазона фотосинтезных кривых СЧ, при этом применяют уровень освещенности (облученности) растений, приводящий к интенсивному поглощению рецепторами растений квантов (фотонов) большей энергии и являющийся пониженным по сравнению с уровнем освещенности, требуемым для поглощения рецепторами растений излучения квантов меньшей энергии длинноволновой (красной) области спектра.