Обґрунтування енергозберігаючих режимів електричного опромінення рослин огірків в умовах захищеного ґрунту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обгрунтування енергозберігаючих режимів електричного опромінення рослин огірків в умовах захищеного грунту

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вирощування розсади овочевих культур в умовах захищеного ґрунту економічно вигідне тільки при додатковому штучному опроміненні. Однак в цьому випадку біля половини собівартості розсади припадає на електроенергію, а це в умовах постійного зростання вартості енергоресурсів визначає необхідність її економії.

Розробка більш досконалих режимів опромінення - один з перспективних напрямків зниження витрат електроенергії в світлокультурі захищеного ґрунту.

Найбільш легко ця задача вирішується в спорудах захищеного ґрунту шляхом інтенсифікації процесів фотосинтезу за допомогою імпульсного опромінення, особливо, в резонансно-періодичних режимах з використанням інформації від рослин.

Тому дослідження й обгрунтування параметрів резонансно-періодичних режимів штучного опромінення рослин, розробка засобів і приладів для реалізації таких режимів є одним з перспективних напрямків зниження витрат електроенергії в світлокультурі захищеного ґрунту.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності з Державною науково-технічною програмою 3.12 “Енерго- та ресурсо-зберігаючі технології в сільськогосподарському виробництві”, тематикою міжвузівських наукових і науково-технічних програм по пріоритетним напрямам розвитку науки і техніки (Наказ Міністерства освіти України № 37 від 13.02. 96, п. 2) та планом НДР Таврійської державної агротехнічної академії.

Метою дослідження є підвищення ефективності використання енергоресурсів при вирощуванні рослин огірків в спорудах захищеного ґрунту шляхом застосування приладів, що реалізують алгоритми енергозберігаючого резонансно-періодичного регулювання електричним опроміненням з використанням інформації від рослин. Поставлена мета зумовила такі

задачі дослідження:

1. Дослідити вплив зміни світлових режимів на біоелектричну активність рослин.

2. Вивчити вплив ритмічних змін освітленості на фізіологічний стан рослин.

3. Розробити алгоритми енергозберігаючого резонансно-періодичного регулювання при опроміненні рослин в спорудах захищеного ґрунту з використанням інформації від рослин.

4. Розробити пристрої для енергозберігаючого регулювання режимів опромінення рослин.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження базуються на методах планування експерименту, методах обробки статистичних даних, методологічних принципах системного аналізу та синтезу, теоретичних положеннях теорії автоматичного керування.

Моделювання процесів і розрахункова частина досліджень проводилася на ПК ІБМ "Пентіум-2" шляхом розробки та експлуатації моделюючих і розрахункових програм.

Експериментальні дослідження проводилися з допомогою серійних вимірювальних приладів і з використанням розроблених лабораторних установок.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень одержані такі основні результати:

Теоретично й експериментально досліджені резонансні режими керування життєдіяльністю рослин за допомогою електромагнітних полів.

Вивчено вплив резонансно-періодичного режиму опромінення на рослини огірків в захищеному ґрунті.

Розроблена математична модель і алгоритм керування резонансно-періодичним опроміненням овочевих культур в умовах захищеного ґрунту та пристрої для його реалізації.

Наукова новизна досліджень підтверджена патентом України на винахід №. 25497А.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі проведених досліджень обгрунтовано спосіб, розроблені алгоритми і пристрої для енергозберігаючого регулювання резонансно-періодичного опромінення в спорудах захищеного ґрунту з використанням інформації від рослин.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто:

Досліджені резонансні режими керування життєдіяльністю рослин за допомогою електромагнітних полів;

Розроблена математична модель і алгоритм керування резонансно-періодичним опроміненням овочевих культур в умовах захищеного ґрунту;

3. Розроблено пристрої для керування резонансно-періодичним опроміненням овочевих культур в теплицях.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на наукових конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів і студентів Таврійської державної агротехнічної академії, на ІІ Міжнародному симпозіумі “Вдосконалення зональних систем машин" (Київ, 1994), на науково-практичній конференції "Автоматизація технологічних процесів в с. г." (Київ, 1997), на пленарному засіданні наукової конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів і студентів Таврійської державної агротехнічної академії (1999).

Публікації. Основні положення дисертації викладено в 10 друкованих роботах (9 статей, 1 патент на винахід).

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із п'яти розділів, висновків, та додатків, в яких містяться технічний паспорт та інструкція по експлуатації розробленого пристрою й акти впровадження.

Робота викладена на 145 сторінках основного тексту, в тому числі на 49 сторінках - 35 ілюстрацій і 22 таблиці. Список використаних джерел містить 206 найменувань, з яких 48 на іноземній мові.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність вибраної теми досліджень, сформульована мета і задачі досліджень, дана стисла характеристика роботи, її новизни та практичної цінності для сільськогосподарського виробництва.

В першому розділі розглянуто існуючий стан проблеми на основі аналізу публікацій по світлозалежній біоелектричній активності рослин. Розглянуто вплив ритмічних змін освітленості фізіологічний стан рослин, питання енергозбереження при електроопроміненні овочевих культур, а також прилади для регулювання опроміненості в спорудах захищеного грунту.

В живих організмах фізіологічні процеси неодмінно супроводжуються процесами електричними, а останні є факторами, які регулюють процеси життєдіяльності. Керуючі дії впливають на енергоекономну поведінку клітини.

Роботами Кистеня Г.Є., Герасимчука Ю.В., Скрипника М.М., Маслоброда С.М., Третьякова Н.Н. доведена перспективність застосування в спорудах захищеного ґрунту досвітлення в імпульсному режимі, що дозволяє інтенсифікувати процеси фотосинтезу в рослинах.

В роботах Лемана В.М., Мошкова Б. С., Молчанова А. Г, Шабали С.М.. відзначено позитивний вплив змінюваного опромінення на накопичення сухої речовини та більш енергійне проходження фізіологічних процесів розсади огірків, так наприклад: інтенсивність фотосинтезу зростала в 2-3 рази, а вміст хлорофілу в 1,5-2 рази.

Інтенсифікація процесу фотосинтезу при імпульсному опроміненні пояснюється тим, що на протязі темнових пауз утворюється надлишок акцепторів вуглекислого газу.

При штучному опроміненні рослин з'являється можливість погодження режимів освітлення з потребами рослин. Процеси абсорбції енергії та її засвоєння в фотосинтетичних процесах біосинтезу характеризуються різними постійними часу.

Вивчення таких процесів призвело до створення засобів і пристроїв для імпульсного опромінення рослин в спорудах захищеного ґрунту.

Аналіз опублікованих робіт по теорії та практиці імпульсного опромінення рослин дозволив зробити такі висновки:

- вплив режимів імпульсного опромінення на ефективність фотосинтезу, а в кінцевому підсумку на підвищення урожайності, є перспективним, але залишається поки що недостатньо вивченим.

- необхідно обгрунтовувати не тільки інтегральний показник освітленості в імпульсному режимі, але й максимальний і мінімальний рівень опроміненості, тривалість імпульсу, тривалість паузи між імпульсами, загальну тривалість роботи опромінювачів на протязі доби в залежності від фази розвитку рослин.

- резонансно-періодичний режим опромінення дозволяє економити до 40% електроенергії, яка витрачається на електричне опромінення, та забезпечує більш стислі строки вирощування овочевих культур, однак досліджений він недостатньо.

У другому розділі розглянуто теоретичні передумови резонансних режимів управління життєдіяльністю рослин за допомогою електромагнітних полів.

Всі основні процеси життєдіяльності рослин (фотосинтез, дихання, живлення, ріст) мають ритмічний характер, причому на клітинному рівні ведучу роль грають електромагнітні поля. Тому важливою задачею є дослідження резонансно-періодичного впливу електромагнетизму на фізіологічні процеси в рослинах.

Життєдіяльність клітини визначається функціональним станом різного роду біомембран, біополімерів, ферментів і білків-регуляторів. Значний вплив на стан і активність таких структур справляє зміна їх електричної поляризації, яка особливо чутлива до зовнішніх електромагнітних полів, що дозволяє використати їх для керування процесами життєдіяльності рослин на клітинному рівні.

З енергетичної точки зору умовою стійкого стаціонарного розвитку біосистеми є відповідність між її об'ємом W і площею поверхні f. Для будь-якого лімітуючого фактору, наприклад живильного субстрату з заданою концентрацією S в зовнішньому середовищі, його концентрація S* всередині системи визначається рівнянням:

, (1)

де I (S, S*) - проникність мембрани (шару), що визначається величиною потоку молекул компоненту через одиничну площу;

g (S*) - питома швидкість витрати компоненту всередині системи;

S - концентрація живлячого субстрату всередині системи;

- об'єм біосистеми.

При однорідному розподілі речовин маємо:

 (2)

Оскільки стаціонарність розвитку вимагає незмінності внутрішнього середовища, такий процес можливий при виконанні таких умов:

(3)

З рівняння (2) випливає, що проникність мембрани та площа її поверхні найбільш підходять для зовнішнього керування. Накладення електричного поля веде до деформації поверхні мембран клітин за рахунок поляризаційних ефектів. При позитивних потоках для прискорення ростових процесів достатньо викликати деформацію, яка збільшує поверхню розділу.

Як відомо, обмін речовин через мембрану (шар) товщиною l здійснюється як шляхом активного переносу зі швидкістю , так і шляхом дифузії. Слабкі впливи пов'язані зі зміною значення , тоді як на коефіцієнт дифузії D впливають тільки достатньо сильні поля. Якщо працюють обидва механізми переносу, то стаціонарні режими, звичайно забезпечують мінімальні потоки речовин через мембрани, оскільки в умовах, які не змінюються, спостерігаються мінімально допустимі перепади концентрацій. Тому з метою прискорення процесів росту та біосинтезу (забезпечення максимальних швидкостей обміну речовин) перспективно використовувати імпульсні періодичні впливи. Для цього необхідно встановити особливості конкретних впливів, визначити оптимальні довжини та періоди циклів збурень.

Означені задачі зумовлюють потребу в дослідженні часу релаксації головних компонентів живлення та продуктів метаболізму для стаціонарних режимів.

Для оцінки часу релаксації виходять зі значення комплексу l/D. Якщо виконується умова l/D << 1, та має місце чиста дифузія, причому час релаксації tD ~ l2/D. В протилежному граничному випадку (при l/D >> 1) залишається тільки активний перенос, причому t ~ l/n. У випадку активного транспорту стаціонарна проникність мембран визначається відомим виразом:

, (4)

де - швидкість активного переносу;

W₁₂ - швидкість сорбції молекул на зовнішньому боці мембрани;

W₂₁ - швидкість десорбції молекул на зовнішньому боці мембрани;

- коефіцієнт пропорційності.

Вона не залежить від товщини l, остання задає тільки тривалість процесу релаксації. Відсутня також явна залежність від внутрішньої концентрації S*, яка може входити лише неявно, через кінетичні параметри W₁₂ і W₂₁, які характеризують швидкості сорбції та десорбції молекул на зовнішній стороні мембрани. Коефіцієнт x пропорційний об'єму дії активного центру. Всі ці величини чутливі до зовнішніх впливів, тобто відносяться до легко керованих.

В роботах ряду дослідників встановлено, що при переносі іонів в природних умовах граничному значенню l/D = 1 відповідає трансмембранна різниця потенціалів Dj=0,02В. Оскільки основне падіння напруги відбувається на мембранах, то процеси транспорту в клітинах розміру R можуть відчутно змінювати поля з E=2Dj/R. Для R =10 мкм - напруженість поля E > 40 В/см.

При імпульсній активації біосинтезу з'являється можливість синхронізації клітинних ритмів шляхом періодичної зміни напрямку переносу основних речовин. Тобто, інтенсифікації введення субстратів в клітину та виведення з неї типових метаболітів, за рахунок організації послідовного чергування напрямків переносу в клітину та із клітини шляхом зміни зовнішніх умов. Інтенсифікація процесів біосинтезу шляхом імпульсної фотоактивації підтверджується позитивними даними ряду досліджень.

Особливий інтерес викликають фотосинтезуючі організми, оскільки для них відомі спектри дії й оптимальні інтенсивності світлового впливу. Основний тягар досліджень при цьому лягає на вибір світлових і темнових інтервалів для режимів імпульсної фотоактивації. Одним з головних орієнтирів тут можуть бути експериментальні дані про тривалість потенціалів дії, які викликаються світловим спалахом.

З фізичної точки зору світло генерує локальну фотоЕРС і фотопровідність, внаслідок чого ініціюється міграція іонів, яка супроводжується конформаційними та біохімічними перетвореннями. Це приводить до висновку, що безперервна інтенсивна дія світла не є обов'язковою, воно тільки повинно запустити фотохімічну реакцію та забезпечити її хід енергетично: тобто при безперервному освітленні світло значну частину часу використовується неефективно і застосування періодичних режимів може істотно підвищити ККД фотосинтезу. Легше за все реалізувати оптимальний імпульсний режим в штучних умовах, коли можна контролювати і регулювати освітлення. Практична віддача таких досліджень - прискорення росту та продуктивності парникових культур.

Ще один напрям досліджень режимів електромагнітної активації - регулювання біокінетики. Кінетика біохімічних перетворень має квазіперіодичний характер, як для окремого елементарного ферментативного циклу, так і для процесів обміну речовиною і енергією між клітинними органеллами.

Тут є пряма аналогія з коливальними системами, включаючи і параметричний резонанс - якщо параметри системи періодично змінюються внаслідок використання імпульсних режимів. Задача досліджень полягає у визначенні меж області нестабільності, а також у встановленні їхнього зв'язку з внутрішнім станом біосистеми та зовнішніми умовами.

Як відомо, фізико-математичні моделі багатьох схем біокінетики в лінійному наближенні зводяться до аналізу рівнянь типу:

(5)

де x - характеризує відхилення величини від стаціонарного значення.

- постійний параметр;

W - постійний параметр;

(t), (t)- періодичні функції.

Вважаємо, що кінетичні параметри піддаються періодичному збуренню таким чином, що d (t) і b (t) є періодичними функціями з періодом Т. З фізичної точки зору початковому стаціонарному стану відповідає затухаюча функція x(t). Цікавими є особливості реалізації параметричного резонансу в такій системі.

Лінійне рівняння (5) дозволяє встановити взаємозв'язки між параметрами системи та зовнішніми режимами, при яких розвивається нестабільність, і визначити межі резонансної області.

При відомому дослідженні рівняння (5) методом Хілла встановлено, що області нестійкості обмежені вузьким інтервалом значень параметрів в межах дискретного набору величин:

, (6)

де Т - період коливань;

N - номер резонансної області.

Ширина резонансної області в цьому випадку визначається всім спектром Фур'є-коефіцієнтів Vn функції

(7)

Головний вклад в область з номером N дає Фур'є-компонента V_N. Існує обмеження на резонанси з великими N, яке задане нерівністю:

(8)

Проаналізуємо нестаціонарний процес, заданий такими рівняннями:

(9)

Компоненти R, S відповідають концентрації ферменту (РБФ5 або нітратредуктаза) і субстрату (СО₂ і NO₃). Вважається, що біосистема знаходиться під впливом природних або штучних ритмів, тоді керуючі параметри Uj(t) є функціями з періодом Т. Раціонально ввести розподіл:

(10)

де - середнє значення на інтервалі Т.

Рішення шукається у вигляді:

 (11)

де величини і є коренями системи рівнянь:

, (12)

в силу того, що має місце розкладання:

(13)

Величини і можуть істотно відрізнятися від стаціонарних значень, заданих системою і . Причому може бути не тільки кількісна, але й якісна різниця, зумовлена появою нових особливих точок, а разом з тим і реалізація нових станів.

В лінійному наближенні система (12) трансформується до виду:

(14)

Виключаючи y з формули (14) при врахуванні (5), одержуємо рівняння другого порядку з такою структурою:

(15)

де Ф(t) - сила, що змушує.

Стартові стани стабільні, якщо функція х(t) затухає, або піддається осциляціям обмеженої амплітуди. В загальному випадку (при g>0) тип осциляцій визначається силою, що змушує Ф(t), максимальні амплітуди відповідають умовам вимушеного резонансу. Нестійкість виникає в тому випадку, коли резонансні амплітуди перевищать критичне значення, задане межами області притягання особливої точки ().

Рівняння (15) дозволяє визначити межі можливих областей нестійкості та встановити взаємозв'язки між параметрами, при яких здійснюється параметричний резонанс.

Відоме дослідження рівнянь (15) за допомогою методу Хілла показує, що резонансні режими можливі в вузькому інтервалі значень параметрів, пов'язаних між собою дискретним набором співвідношень:

. (16)

Ширина резонансної області визначається умовою:

(17)

де (18)

а функція представлена нескінченним визначником з такою структурою:

, (19)

де . (20)

Величини Vn є коефіцієнтами розкладу в ряд Фур'є функції (7).

Умова (20) має складну трансцендентну форму, яка може бути проаналізована тільки чисельно або наближено. Використовуючи відомий наближений вираз для функції на основі умови (16) маємо таку оцінку для резонансної області з номером N:

(21)

Найпростіше всього резонансні режими реалізуються для малих значень N.

При знаходженні резонансних режимів головним орієнтиром є співвідношення (16). Особливий інтерес викликають випадки, коли є характерний природний ритм T1 і накладається збурюючий ритм T2. При цьому можна реалізувати дві стратегії. В першій головним слід вважати природний ритм T=T1, при цьому T2=T1/n (n - ціле число). В іншій, навпаки, як головний можна використати збурюючий ритм T=T2 і тоді відповідно T2=nT1.

За допомогою виразу (20) чи (21) визначається інтенсивність гармоніки для збудження резонансу в області

Третій розділ містить результати експериментальних досліджень резонансно-періодичних режимів електричного опромінення рослин огірка в спорудах захищеного грунту.

В багатьох роботах встановлено, що найбільш ефективним є опромінення рослин з періодом слідування світлових циклів через 20-40 хвилин, що пов'язано з особливостями регуляції продихових апертур. Проведеними дослідженнями було встановлено, що максимальна активація життєво важливих процесів рослин огірків відбувається при РПО з періодом Т = 60 хвилин, визначено величину витрат електричної енергії при штучному опроміненні на створення біомаси розсади огірків в залежності від скважності світлової фази при періоді 60 хвилин [5].

Досліди проводилися в таких умовах: штучне освітлення створювалося лампами типу ДРЛФ-400 з розрахунку встановленої потужності 250 Вт/м², що відповідає рівню освітленості у 16 фт/м²; щільність розміщення розсади (при вирощуванні її на протязі 20 діб) складала 25 рослин/м² [8]. Як вихідний параметр при проведенні досліду було обрано суху масу, як показник, що піддається більш точному вимірюванню й повніше характеризує рівень розвитку розсади огірків в цілому. Для визначення сухої маси усереднювалась дані по всій площі експериментальної дільниці при стохастичному виборі рослин з зазначеної площі.

Слід зауважити, що енергія, витрачена на пуск газорозрядних ламп, при невеликих значеннях m складає вже досить помітну частку від спожитої за час світлової фази і нею не можна нехтувати. В середньому для лампи ДРЛФ-400 вона склала 23,5 Вт год/м². Результати дослідів наведено на рис. 1

Можна бачити, що з точки зору мінімізації енерговитрат оптимальною є скважність світлової фази близька до m=0,5.

Також були проведені досліди по визначенню впливу резонансно-періодичного опромінення, для чого рослини огірків були розбиті на три групи: - перша група одержувала постійне опромінення - з інтенсивністю 15 фт/м²; - Друга - змінне з чергуванням інтенсивності з 15 до 7 фт/м²; - третя - резонансно-періодичне, з чергуванням світлової та темнової фаз з періодом 30 хвилин, інтенсивність опромінення в світлову фазу складала 15 фт/м². Результати наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Вплив режиму опромінення на рослини огірків

Режим опромінення	Опроміненість, фт/м2	Суха маса, г
		Листів	Стебла	Наземної частини	Кореня
Постійний	15	2.1	1.4	3.0	0.2
Змінний	7-15	2.3	1.6	3.9	0.24
Резонансно-періодичний	15	2.8	2.3	4.6	0.31

Рис. 1. Залежність маси рослини (М), витрат електричної енергії за цикл (W*) та витрат енергії на створення сухої маси рослини (Q)від співвідношення світлової фази до тривалості циклу (m).

Аналізуючи дані дослідів по вирощуванню розсади огірків на протязі 20 днів при різних режимах опромінення, треба відзначити, що ритмічний світловий вплив на резонансній частоті коливання БЕП прискорює темпи вегетативного росту рослин, процеси коренеутворення, стимулює абсорбцію елементів мінерального живлення.

Отже резонансно-періодичне опромінення розсади огірків сприяє формуванню більшої асиміляційної поверхні та зростанню накопичення сухої маси на 30-50%.

В четвертому розділі наведено результати розробки алгоритмів і технічних засобів енергозберігаючого регулювання режимів електричного опромінення в спорудах захищеного ґрунту з використанням інформації від рослин огірків, а також результати лабораторних і виробничих випробувань пристроїв для резонансно-періодичного режиму опромінення з регульованою інтенсивністю.

Розроблено алгоритм керування опроміненням .

Пристрій забезпечує періодичне опромінення, вибір режиму роботи опромінювачів, контроль за станом природної освітленості та почергове включення ламп з п'ятихвилинним інтервалом, з метою полегшення роботи пуско-захисної апаратури. Процес регулювання частоти ритмозадаючого впливу здійснюється в інтервалі від 15 до 60 хвилин, що забезпечує резонансно-періодичне опромінення різних видів овочевих культур.

На рис. 3 представлена схема пристрою для опромінення рослин в теплиці.

В цьому пристроєві стимуляція росту і розвитку рослини забезпечується шляхом активації фотосинтетичного апарату рослин за рахунок уведення вимірювальних перетворювачів біоелектричного потенціалу, що забезпечують періодичну роботу опромінювачів на резонансній частоті. Це досягається шляхом чергування низького і високого рівня опроміненості, при цьому безперервно вимірюють амплітуду коливань електричного потенціалу між листом рослини та її кореневою шийкою за допомогою вимірювальних перетворювачів біоелектричного потенціалу і по отриманим даним визначається резонансна частота періодичності електроопромінення. Саме частота періодичності, що збігається з частотою власних коливань рослини забезпечує максимальну амплітуду зміни всіх фізіологічних параметрів рослини з різними генотипічними особливостями і в різних стадіях органогенезу, зниження витрат електроенергії, підвищення ефективності електричного опромінення, стимуляцію росту та розвитку рослин.

Були також проведені експериментальні дослідження з використанням інформації від рослин для визначення резонансної частоти їх власних коливань. В ході дослідів рослини огірків вирощувалися в теплиці при підтриманні оптимального діапазону температури, вологості, газового складу повітря та мінерального живлення. Рослини одержували резонансно-періодичне опромінення опромінювачами ГСП-26. Безперервно проводилось вимірювання амплітуди коливань біоелектричного потенціалу між листом рослини та його кореневою шийкою з допомогою вимірювальних перетворювачів біоелектричних потенціалів одночасно в декількох рослин, на підставі цих даних ЕОМ будувала графіки зміни амплітуди коливань біоелектричних потенціалів. По цим графікам визначали середнє значення резонансної частоти власних коливань рослини (частота, при якій відбувається синхронізація роботи всіх клітин) й у відповідності з цим значенням встановлювали частоту періодичності електроопромінення. Таким чином опромінювальна установка працювала в режимі резонансно-періодичного опромінення (чергування світлових і темнових фаз з резонансною частотою), що призводило до активації фізіологічних параметрів. Результати дослідів наведено в табл. 2.

Таблиця 2. Стимуляція росту рослин при резонансно-періодичному опроміненні.

Варіант	Середні розміри рослин	Суха маса, г	Готовність розсади до висадки, днів	Питомі витрати електроенергії, квтгод/м2
	Висота, см	Товщина, мм	Число листків, шт.	Площа листків, мм2
Контрольний	36	8	7.2	790.2	3.0	21	85.12
Дослідний	33	9.9	9.7	909	4.6	14	40.1

Для оцінки впливу зовнішніх факторів на значення БЕП, їх ранжування та побудови регресійної моделі був проведений багатофакторний експеримент за допомогою теорії планування експерименту.

Аналіз попередньо отриманих даних показав, що оскільки нульові рівні досліджуваних факторів знаходяться поблизу до оптимуму, тому найбільш доцільним для побудови регресійної моделі другого порядку є трьохрівневий план другого порядку Бокса-Бенкіна. Дисперсію відтворюваності оцінювали по результатах трьох дослідів в нульовій точці. Для зменшення впливу випадкових зовнішніх факторів на вихідну величину Y, досліди проводили в рандомізованому порядку в 4-кратній повторності.

Фактори змінювались в таких межах: - освітленість X₁ - 0...50 Вт/м²;

- температура X₂ - 10... 30 С; - період X₃ - 25... 60 хв.

Одержано математичну модель біоелектричної реакції (БЕР) при дії зовнішніх факторів в кодованих змінних:

Y = 52.4 + 10.05X₁ - 17.24 X₂ + 21.3 X₃ + 1.95 X₁ X₂ +

+ 4.25 X₁ X₃ + 6.6 X₂ X₃ + 2.74 X₁² - 7.7 X₂² + 11.1 X₃² . (22)

Рівняння (22) дозволяє зробити висновок, що вплив діючих факторів можна вважати аддитивним.

В п'ятому розділі для визначення ефективності різних варіантів режиму РПО були зроблені дослідження та виробничі випробування, які провадилися в тепличному господарстві “Овощевод” (м. Мелітополь) в експериментальній теплиці, яку було поділено на чотири секції площею в 100 м² кожна [6]. Роботи проводились на протязі жовтня - березня сезону 1997/98 років. Результати наведено в табл. 3. Використовувались ртутні лампи високого тиску ДРЛФ-400 розташовані з розрахунку одержання 250 Вт/м² встановленої потужності, що могли створювати максимальну опроміненість до 16 фт/м². Опромінювалась розсада огірків ТСХА-77 у віці 12 діб ( після розстановки), що була розташована з щільністю 25 рослин на 1 м², на протязі 20 діб з тривалістю світлового періоду 13 годин на добу. При проведенні досліду фіксувалися: енерговитрати за період вирощування розсади на протязі 20 діб; - середній приріст сухої маси рослин за цей період.

В першому варіанті рівень штучного опромінення змінювався з 16 фт/м² на 8 фт/м² з періодом 60 хвилин без врахування природної освітленості. В другому варіанті (при врахуванні рівня природної освітленості), лампи, які створювали постійну складову опромінення, були розподілені на 3 групи, що дозволяло змінювати рівень штучної фонової освітленості в залежності від природної за допомогою пристрою УРПОР 0,5-4-02 (рис. 2), який було оснащено блоком вимірювання природної освітленості та блоком регулювання фонової складової штучного освітлення, з метою забезпечення постійності сумарної освітленості.

В табл. 3 наведено також результати для незмінного рівня фонового штучного опромінення 16 фт/м² (а також для РПО зі зміною рівня опромінення з 0 до 16 фт/м², з періодом 60 хвилин). Врахування природного фону освітлення найбільш помітне в місяцях з відносно високими рівнями цього фону: економія енергії на створення 1 кг сухої маси в березні складає майже 9 %.

Таблиця 3. Економічність застосування різних режимів РПО.

Режими	Місяць	Х	ХІ	ХІІ	І	ІІ	ІІІ
Постійне освітлення 16 фт/м2	W,кВтгод/м2	65	65	65	65	65	65
	M,кг10-3	4.4	4.2	3.9	4.1	4.3	4.6
	Qпит, кВтгод/кг	591	619	667	634	605	565
Режим РПО	16/8 фт/м2	W,кВтгод/м2	57.3	57.3	57.3	57.3	57.3	57.3
		M,кг10-3	7.9	7.6	7.3	7.8	8.0	9.0
		Qпит,кВтгод/кг	290	302	313	294	286	254
	З врахуванням природного фонового освітлення 16/8 фт/м2	W,кВтгод/м2	47.1	49.3	53.1	49.6	46.4	39.5
		M,кг10-3	6.75	6.75	6.8	6.8	6.75	6.8
		Qпит,кВтгод/кг	279	292	312	291	275	232
	16/0 фт/м2	W,кВтгод/м2	38.2	38.2	38.2	38.2	38.2	38.2
		M,кг10-3	5.2	5.0	4.8	5.1	5.3	5.4
		Qпит,кВтгод/кг	294	306	318	299	288	273

Отже режим резонансно-періодичного опромінювання з врахуванням природної складової фонового освітлення є найбільш ефективним з точки зору енергозбереження.

Річний економічний ефект від впровадження режиму резонансно-періодичного опромінення рослин огірків в умовах захищеного грунту складає біля 215364 гривень, термін окупності капітальних вкладень дорівнює 0,41 року;

ВИСНОВКИ

За результатами аналізу шляхів енергозбереження при електроопроміненні рослин в умовах захищеного грунту встановлено, що зниження енерговитрат, які складають до 60% собівартості овочів, можна забезпечити двома шляхами: максимальним використанням керуючих впливів та оптимізацією енергетичних впливів.

Проаналізовано можливість зниження витрат енергії в спорудах захищеного грунту шляхом узгодження режимів роботи опромінючих установок з потребами рослин, на підставі чого отримано, що для вибору оптимальних умов вирощування сільськогосподарських культур необхідно враховувати інформацію про їхній стан, розглядаючи рослину як об'єкт регулювання і розробляти відповідну систему регулювання параметрів навколишнього середовища як систему зі зворотним зв'язком.

Теоретично обгрунтовано можливість управління життєдіяльністю рослин за допомогою періодичних резонансних режимів. .Отримано умови стійкого стаціонарного розвитку біосистеми, масо- і енергообміну між біомембраною і оточуючим середовищем. Визначено ширину резонансної області Т[900 с…5400 с], встановлено взаємозв'язки між параметрами, за яких здійснюється параметричний резонанс.

Експериментальні дослідження резонансно-періодичних режимів електричного опромінення (РПО) рослин огірків дозволили встановити, що максимальна активація росту та розвитку рослин відбувається при РПО з періодом Т=3600с, рівнем опроміненості від 15 Вт/м² до 35 Вт/м²; оптимальним як з точки зору отримання найбільш розвинених рослин, так і з точки зору мінімізації питомих енерговитрат є значення скважності світлової фази, близькі до m=5.

Експериментальні дослідження виявили високий позитивний вплив РПО на рослини огірків в умовах захищеного грунту, що підтверджується зниженням енерговитрат на створення сухої маси рослин у порівнянні з постійним опроміненням рослин на 53%; встановлено, що режим РПО з врахуванням природної складової фонового освітлення є найбільш ефективним з точки зору енергозбереження: додаткова економія енергії на створення 1 кг сухої маси може досягати 9%.

За результатами теоретичного аналізу та експериментальних досліджень встановлено, що активація фізіологічних процесів рослинного організму відбувається при збіганні частоти електричного опромінення із частотою внутрішніх коливань рослини (Т[900 с…3600 с]), що дозволило обгрунтувати спосіб електричного опромінення рослин у теплицях; розроблений пристрій, для реалізації цього способу опромінення, дозволяє за інформацією, що отримана від самої рослини, виконати регулювання періоду опромінення у межах Т[900с…3600с].

Виробничі випробування РПО рослин огірків у КСП “Любимовское “ (Каховський район, Херсонська область) і в агрофірмі “Овощевод“ (м. Мелітополь, Запорізька область) показали, що одержання готової до висадки продукції скорочується на 6 днів, цвітіння наступає на 4 дня раніше, ніж при постійному опроміненні, урожайність підвищується на 40 %, в цілому питомі витрати електроенергії при застосуванні РПО з врахуванням природної складової фонового освітлення знижуються більш ніж на 40 %.

Техніко-економічні розрахунки показали, що річний економічний ефект від застосування РПО рослин огірків складає біля 215364 гривень, термін окупності капітальних вкладень дорівнює 0,41 року; встановлено що при притягненні позикових засобів (при дисконтній ставці НБУ 34%; процентній ставці банку на вільні засоби юридичної особи =0,72), або при напрямку власних коштів (при =0,15) впровадження РПО буде економічно доцільним.

СПИСОК ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

рослина енергоресурс опромінення

Никифорова Л.Є. Енергозбереження при електроопроміненні овочевих культур у спорудах захищеного грунту // Сб. науч. тр.: Науковий вісник національного аграрного університету. - Київ, 1998. - № 10. - С. 33-41.

Никифорова Л.Є. Резонансні режими управління життєдіяльністю рослин за допомогою електромагнітних полів. // Сб. науч. тр. .: Науковий вісник національного аграрного університету. - Київ, 1998. - № 10. - С. 42-49.

Никифорова Л.Є. Алгоритм управления резонансно-периодическим режимом облучения овощных культур в условиях защищенного грунта и устройство для его реализации // Сб. науч. тр.: Техника в сельскохозяйственном производстве. - Мелитополь, ТГАТА, 1997. - Вып. 1., Т. 3. - С. 5-7.

Диордиев В.Т., Никифорова Л.Е. Влияние резонансно-периодического режима облучения на рассаду огурцов в защищенном грунте // Сб. науч. тр.: Техника в сельскохозяйственном производстве : Мелитополь, ТГАТА, 1997. - Вып. 1., Т. 3. - С. 3-5. (Особистий внесок здобувача - 80%. Проведені експериментальні дослідження РПО рослин огірків).

Никифорова Л.Є. Результати експериментальних досліджень ефективності режимів резонансно-періодичного опромінення розсади огірків.// Сб. науч. тр: Труды Таврической государственной агротехнической академии: Мелитополь - 1998. - Вып.1, Т.7. С. 90-93

Діордієв В.Т., Никифорова Л.Є., Сабо А.Г. Оптимізація режимів резонансно-періодичного опромінювання розсади огірків за критерієм енергозбереження // Сб. науч. тр.: Труды Таврической государственной агротехнической академии: Мелитополь - 1998. - Вып.1, Т. 7. - С.90-93.(Особистий внесок здобувача - 70%. Проведені експериментальні дослідження різних варіантів РПО рослин огірків).

Никифорова Л.Е., Сабо А.Г., Шабала С.Н. Энергосберегающий эффект при ритмических изменениях освещения при выращивании растений в условиях защищенного грунта // Материалы республ. научно-техн. семинара по улучшению показателей тепловых двигателей и ресурсосбережению. - Мелитополь, ТГАТА. - 1995. - С. 22 (Особистий внесок здобувача - 60%. Проведені лабораторні дослідження РПО рослин огірків).

Никифорова Л.Є. Залежність біоелектричної реакції рослин від дії зовнішніх факторів // Сб. науч. тр.: Труды Таврической государственной агротехнической академии-Вып. 1. Т. 8.- Мелитополь: ТГАТА, 1998. - С. 47-51

Никифорова Л.Є. Обгрунтування енергозберігаючих режимів електричного опромінення рослин огірка в умовах захищеного грунту //Сб.науч.тр.:Труды Таврической государственной агротехнической академии- Вып. 1. Т. 8. - Мелитополь: ТГАТА, 1998. - С. 41-46

Пат. №25497 А Україна, М К И⁶ А О1 G 9/26. Cпосіб опромінення рослин у теплицях та пристрій для його здійснення / Никифорова Л.Є. (Україна). - №98031318; Заяв 17.03.98; Опубл. 30.10.98, Бюл. № 6. (4c).

Размещено на Allbest.ru