Определение эксэргии оптического излучения в растениеводстве

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность работы. В развитии аграрно-инженерных знаний выявлены две основные проблемы: разработка высокоэффективных технологий в земледелии и животноводстве и рациональное использование энергетических ресурсов в сельскохозяйственном производстве. Высокоэффективные технологии должны быть энерго-, ресурсоэкономными. При решении этих проблем требуется количественно оценивать уровень (меру) совершенства (точность, оптимальность) агротехнологий и их энерго-, ресурсоэкономность.

Из общего количества энергии, участвующей в получении урожая примерно 97 % приходится на энергию солнечного оптического излучения (ОИ).

Исходным положением определения эффективности агротехнологий должно быть определение уровня использования эксэргии главного первичного источника энергии для сельскохозяйственного производства - электромагнитной энергии солнечного ОИ. Эксэргия ОИ характеризует потенциальную превратимость энергии ОИ в процессе фотосинтеза растений в химическую энергию органических веществ продукции растениеводства.

Попытки описать процессы организации и функционирования живых организмов на основе второго начала термодинамики (ВНТД) не увенчались успехом. Во второй половине XIX-го столетия были выявлены проблемы фундаментальной науки, связанные с ВНТД. При решении этих проблем учеными ВИЭСХ и ИПФС АН СССР был обоснован закон выживания (ЗВ), на основе которого можно объяснить структуры и функции самоорганизующейся живой природы. Определение ЗВ следующее: каждый элемент самоорганизующейся природы в своем развитии самопроизвольно устремлен к наиболее полному (эффективному) использованию доступной (свободной) энергии системой того трофического (питательного) уровня, в которую он входит. Сущность ЗВ противоположна сущности ВНТД. Из его определения непосредственно вытекает необходимость эксэргетического анализа преобразования энергии ОИ в процессе фотосинтеза. ЗВ использован при решении задачи разработки метода расчетного и инструментального определения эксэргии ОИ для растениеводства.

Работа выполнена в соответствии с федеральной программой «Фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ» на 2006-2010 гг. подраздела (09.02.01) «Разработать проекты энергообеспечения высокотехнологичного сельскохозяйственного производства с учетом его самоорганизации, рациональной структуры энергоносителей для сельских регионов с использованием местных энергоресурсов и отходов производства и новые эффективные технологии и оборудование для передачи электрической энергии» и решением рабочего совещания Научного Совета АН СССР по фотосинтезу и фотобиологии в Научном центре биологических исследований АН СССР (г. Пущино) по теме «Критерии оценки эффективности источников излучения для светокультур растений», 1986 г.

Цель исследований. Разработать метод расчетного и инструментального определения эксэргии ОИ для растениеводства.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) изучить литературные источники по методам оценки ОИ на растения, а также методы определения эксэргии ОИ в отношении технических и природных процессов преобразования его энергии;

2) разработать методику расчетного определения эксэргии ОИ в отношении процесса фотосинтеза растений;

3) разработать первичное метрологическое обоснование по измерению эксэргии ОИ в растениеводстве;

4) разработать метод и прибор для измерения эксэргии ОИ в растениеводстве;

5) провести экспериментальные исследования прибора, осуществить его градуировку и аттестацию;

6) выявить сферы использования метода и прибора определения эксэргии ОИ для растениеводства;

7) провести технико-экономические расчеты эффективности применения методов определения эксэргии ОИ в растениеводстве.

Объект исследований. Методы и технические средства оценки потенциальной эффективности преобразования энергии ОИ (солнца и электрических источников) в агротехнологических процессах фотосинтеза и формирования продуктивности (урожая) растений.

Методика исследований. Поставленные задачи решены путем проведения теоретических и экспериментальных исследований с использованием положений термодинамики, самоорганизации, системного эксэргетического анализа и экологической биоэнергетики растений.

Научная новизна работы. Разработан расчетный и приборный методы количественного определения эксэргии ОИ для растениеводства.

Разработан и изготовлен прибор - измеритель мощности и суммарной эксэргии ОИ для растениеводства.

Разработан инженерный метод корригирования спектральной чувствительности измерительного приемника ОИ (фотоэлемента) к требуемой спектральной чувствительности - спектральной эффективности фотосинтеза модельного (среднего, эталонного) листа растения.

Установлено совместно с другими исследователями, что величина эксэргии оптического солнечного излучения, приходящего на поверхность земли, является началом исчисления (точкой отсчета) в определении потенциального плодородия земельного угодия и продуктивности растений в заданных экологических условиях.

Практическая значимость. Разработанный метод определения эксэргии ОИ для растениеводства может быть использован при определении уровня эффективности разрабатываемых и существующих агротехнологий.

Величина эксэргии ОИ для растениеводства выполняет роль исходной величины при количественном взаимосогласованном определении основных агроэкологических величин: агроклиматического и мелиоративных потенциалов земельных угодий, их плодородия и продуктивности растений в определенных (заданных) экологических условиях.

Использование величины эксэргии ОИ для растениеводства позволяет проводить совместный эксэргетический анализ преобразования техногенной энергии в растениеводстве и биоконверсии природной энергии ОИ растениями с целью выявления энергоемкости продукции растениеводства.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Теоретическое и экспериментальное обоснование (на основе принципов синергетики и самоорганизации) определения эксэргии ОИ как исходной величины для моделирования и прогнозного определения плодородия угодий и потенциальной продуктивности растений в заданных экологических условиях.

2. Методы инженерного расчета и непосредственного инструментального измерения эксэргии ОИ в растениеводстве (защищены патентами РФ № 2280975, № 2282979).

3. Результаты разработки первичной метрологии (совместно с ВНИОФИ Госстандарта РФ) по определению эксэргии ОИ для растениеводства, обеспечивающие возможность надежной градуировки и контроля приборов для измерения эксэргии ОИ.

4. Установление величины эксэргии ОИ для растениеводства как исходной величины (точки отсчета, начала исчисления) для определения основных агроэкологических величин, а также уровня эффективности высокоэффективных (точных, оптимальных) агротехнологий.

Внедрение результатов работы. Величина эксэргии ОИ для растениеводства использована при разработке методики количественного взаимосогласованного определения основных агроэкологических величин.

Величина эксэргии ОИ для растениеводства применена в разработке инновационной наукоемкой компьютерной технологии энергоресурсосберегающей оптимизации производства продукции растениеводства.

Величину эксэргии ОИ в растениеводстве используют в учебных программах сельскохозяйственных вузов (см. в учебнике «Сельскохозяйственная биотехнология» под ред. академика Россельхозакадемии В.С. Шевелуха, Высшая школа, М., 2008)

Величину эксэргии ОИ целесообразно использовать в качестве наиболее информативного (экспрессного,) показателя (датчик эксэргии) при управлении продукционным процессом в тепличном растениеводстве.

Апробация результатов исследований. Результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и одобрены на международных и всероссийских симпозиумах, научно-технических конференциях: на 4-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», г. Москва, 2004 г.; на Международной научно-технической конференции, г. Углич, 2004 г.; на The 4th research and development conference of central and eastern European institutes of agricultural engineering, Moscow, VIESH, 2005; на Научно-практической конференции «Организация и развитие информационного обеспечения органов управления, научных и образовательных учреждений», г. Москва, ФГНУ ИНФОРМАГРО, 2005 г.; на 5-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», г. Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2006 г.; на 7-ой Специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения», г. Москва, ВВЦ, 2006 г.; на 1-ой международной научно-практической конференции «Стратегии динамического развития России: единство самоорганизации и управления», г. Москва, 2004 г.; на Всероссийском симпозиуме «Современные проблемы неравновесной термодинамики и эволюции сложных систем», посвященном памяти И.Р. Пригожина, г. Москва, 2004 г.

Исходной научно-методической основой для выполнения диссертационной работы явились научные труды следующих ученых: Р.Е. Андрейчна, И.Ф. Бородина, Г.С. Бокова, В.И. Вернадского, Л. Дейсенса, М.Г. Евреинова, И.К. Жмакина, К. Инада, Е. Крохмана, Ю.Ф. Лачуги, Г.И. Личмана, А.К. Лямцова, Н.М. Марченко, А.А. Ничипоровича, Р. Петела, И.И. Свентицкого, Д.С. Стребкова, П.И. Сторожева, К.А. Тимирязева, Д.Д. Спаннера и других исследователей.

Публикации по теме диссертационной работы. Материалы диссертационных исследований отображены в 13 печатных работах, включая 2 патента Российской Федерации на изобретение.

1. Результаты анализа методов оценки потенциальной эффективности ОИ по его воздействию на фотосинтез и другие фотофизиологические процессы растений

Изложены результаты изучения методов эксэргетического анализа ОИ в растениеводстве. Обоснован метод инженерного расчета величины эксэргии ОИ для растениеводства.

Анализ методов и технических средств оценки ОИ по его действию на растения, проведенный на основе положений самоорганизации и синергетики, позволил выявить, что наиболее надежным и объективным методом оценки потенциальной превратимости энергии ОИ в процессе фотосинтеза растений и формирования урожая является метод, основанный на учете спектральной эффективности фотосинтеза. Он был признан наиболее перспективным решением рабочего совещания Научного Совета АН СССР по фотосинтезу и фотобиологии в Научном центре биологических исследований АН СССР по теме «Критерии оценки эффективности источников излучения для светокультур растений» под руководством член корр. АН СССР А.А. Ничипоровича (1986 г.).

Известны три основных метода преобразования солнечного ОИ при его использовании в сельском хозяйстве: тепловой, фотоэлектрический и посредством природного процесса - фотосинтеза растений. Достаточно разработан метод определения эксэргии ОИ при тепловом преобразовании его энергии. В этом случае использованы второе начало и другие положения термодинамики. Как следует из работ Р. Петела, Д. Спаннера, Л. Дейсенса, И.И. Свентицкого, чисто термодинамический метод не подходит для определения эксэргии в отношении процесса фотосинтеза. Фотосинтез растений - самоорганизующийся природный процесс, который можно научно объяснить, исходя из положений самоорганизации и ЗВ.

2. Возможность и необходимость разработки метода непосредственного измерения эксэргии ОИ в растениеводстве прибором, обоснование первичной метрологии и средств ее реализации

Для определения эксэргии сложного солнечного ОИ по его воздействию на фотосинтез растения и формирование урожая мы воспользовались аналитической зависимостью:

, (1)

где eфр - величина эксэргии ОИ в растениеводстве; 0,95 - максимальная спектральная фотосинтезная эффективность ОИ с длиной волны 680 нм; ц(л,t)си - спектральная интенсивность солнечного излучения (значения ц(л,t)си взяты в соответствии с рекомендацией Международной комиссии по освещению (МКО); К(л)f - относительная спектральная эффективность фотосинтеза (регламентировано ОСТ 46-140-83); t1, t2 - время начала и конца поступления энергии ОИ к растениям.

Для удобства графического интегрирования, диапазоны длин волн по ОСТ 46-140-83 изменены в соответствии с их делением по рекомендациям МКО. Это позволяет точнее учесть спектральную эффективность фотосинтеза, в связи с тем, что графическое изображение распределения солнечного излучения у поверхности земли более плавное и определение его суммарного значения при таком делении спектральных диапазонов более надежно (табл. 1).

Таблица 1. Диапазоны длин волн по ОСТ 46-140-83, измененные в соответствии с их делением по рекомендациям МКО

Диапазон длин волн л, нм	К(л)f,% среднее значение за диапазон в пункте 1 по первой колонке
300-320	42,25
320-360	58,9
360-400	52,3
400-440	56,62
440-480	48,1
480-520	38,52
520-560	37,72
560-600	47,3
600-640	67,98
640-680	91,7
680-720	45,52
720-760	3,66

Предпосылкой для разработки прибора и первичной метрологии явились отраслевой стандарт Минсельхоза СССР ОСТ 46-140-83 и отраслевой стандарт Министерства электротехнической промышленности СССР ОСТ 16.0.689.027-74, которыми предусматривалось непосредственное измерение фотосинтезной энергии ОИ - свободной энергии в отношении фотосинтеза растений в фотосинтезных величинах.

В связи с отсутствием серийного производства приборов для измерения мощности и суммарной эксэргии ОИ, можно пользоваться результатами измерений существующими приборами - люксметрами, измерителями ФАР и фотосинтезных величин. Результаты этих измерений можно перевести в величины эксэргии с помощью соответствующих коэффициентов пересчета (коэффициенты эксэргии ОИ: величин ФАР (), фотосинтезных () и световых ()), которые были рассчитаны для электрических источников используемых для облучения растений по формулам (2, 3, 4) значения этих коэффициентов приведены в табл. 2.

 (2)

(3)

(4)

где: Фе - поток эксэргии источника данного спектрального состава излучения, Ффар - фотосинтетически активный поток источника данного спектрального состава излучения, Фс - световой поток эксэргии источника данного спектрального состава излучения, Фф - фотосинтезный поток источника данного спектрального состава излучения, - спектральная чувствительность глаза человека, - функция распределения энергии излучения по спектру, - спектральная эффективность фотосинтеза, спектральная эффективность монохроматического излучения, - длина волны излучения.

Для суммарного (прямое + рассеянное) солнечного излучения у поверхности земли коэффициенты пересчета в эксэргию (Ксие) интегрального излучения (измеренного на метеостанциях) равны 0,2 определялись по формуле 5

(5)

где Ws - энергия интегрального, суммарного (прямое + рассеянное) солнечного оптического излучения.

Таблица 2. Значения коэффициентов пересчета величин и единиц измерения фотосинтезной энергии ОИ в величины и единицы эксэргии ОИ на основе значений спектральной эффективности фотосинтеза

Тип источника	Коэффициенты перевода
	КСэ	КФАРэ	КФэ
ДРЛФ-400	1,51	0,62	1,21
ДРЛ-1000	1,21	0,55	1,15
ДРФ-1000 (ЛОР-1000)	0,45	0,72	1,22
ДНаТ-400	2,6	1,38	1,17
GE Lucalox LU600W/PSL	2,63	1,42	1,25
Philips Master SON-T PIA Green Power 600W/230V	2,72	1,46	1,15
Рефлакс ДНаЗсупер/RefluxS 600	2,68	1,44	1,20

Совместно с ВНИОФИ Госстандарта РФ были созданы первичные эталоны эксэргии ОИ в растениеводстве, соответственно аттестованы эталонные светоизмерительные лампы, характеристики которых выражены в единицах эксэргии ОИ для растениеводства.

Контроль качества растениеводческих ламп и полезной облученности в производственных условиях необходимо проводить с помощью приборов со спектральной чувствительностью, соответствующей спектральной эффективности фотосинтеза. При проведении такого рода измерений для градуировки приборов необходимы светоизмерительные лампы с известными значениями силы эксэргии излучения. Расчет силы эксэргии излучения образцовых ламп, световой поток и сила света которых определены при заданной цветовой температуре нити накала, не представляет трудностей и не требует дополнительных фотометрических измерений.

По найденной силе эксэргии излучения образцовой лампы определяли эксэргетическую облученность на различном расстоянии от тела накала с помощью оптической скамьи. Расчетные данные соотношения между силой света и силой эксэргии излучения для светоизмерительной лампы силы света, имеющей аттестованное свидетельство, выданное ВИЭСХ от ВНИОФИ, приведены в табл. 3.

Таблица 3. Соотношения между силой света и силой эксэргии излучения

Номер образцовой лампы	Тип лампы	Отношение Iэ / Iv
		Тцв=2360 К	Тцв=2800 К	Тцв=2855,6 К
79-90	СИС 107-500	261	392	397

3. Результаты разработки метода и прибора для непосредственного измерения эксэргии ОИ в растениеводстве

Принципиальное отличие измерителя эксэргии ОИ (ИЭОИ) от схожих с ним приборов фотометров и радиометров в том, что он позволяет осуществить измерение мощности эксэргии, приходящейся на единицу облучаемой поверхности (эксэргетической облученности), и суммарной эксэргии ОИ в растениеводстве за определенный промежуток времени. Эта величина представляет собой ту часть общей энергии солнечного энергии ОИ поступившей на поверхность земли, которая потенциально пригодна для использования растениями на фотосинтез и формирование урожая. Схема конструкции прибора показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема измерителя эксэргии ОИ

Прибор состоит из блоков: блока приемника ОИ (фотоголовка) - I, включающего корпус приемника - 1, косинусную насадку - 2, диафрагму - 3, корригирующий светофильтр - 4, фотоэлемент - 5, предварительный усилитель - 6; блока измерителя мощности эксэргии - II, включающего два светодиода - 7, 8, стрелочный прибор - 9, переключатель диапазонов измерения - 10, выключатель питания - 11; блока интегратора эксэргии - III, включающего разъем подключения к компьютеру - 12, источник питания - 13, клавиатуру управления - 14, жидкокристаллическое табло - 15.

При обосновании выбора измерительного фотоэлемента исходили из соответствия его характеристик техническим требованиям к ИЭОИ: интегральной и спектральной чувствительности, их стабильности во времени, продолжительности полезного срока службы, потребности в электрическом питании, а также стоимости и габаритных размеров. Был избран селеновый фотоэлемент типа ФЭС-6.

Наиболее важной задачей при разработке прибора ИЭОИ является приведение спектральной чувствительности измерительного приемника прибора к значениям спектральной эффективности фотосинтеза растений - K(л)f значения этой величины приведены на рис. 2.

Рис. 2. Среднестатистическое значение относительной спектральной эффективности фотосинтеза различных видов растений по 66 экспериментальным данным 6 разных авторов

Спектральная чувствительность выпускаемых фотоприемников (фотоэлементов) не совпадает со спектральной эффективностью фотосинтеза, поэтому её необходимо корригировать под требуемую. Наиболее простым и удобным методом корригирования для портативного ИЭОИ следует признать использование светофильтров из цветных оптических стекол, окрашенных в стекле при последовательном наложении их в приемном устройстве перед приемником излучения (рис. 3).

Рис. 3. Оптическая схема приемника ОИ для измерителя эксэргии ОИ: 1 - фотоприемник (ФЭС), 2 - косинусная насадка, 3 - регулировочное кольцо, 4 - диафрагма, 5 - корригирующий светофильтр

Расчет корригирующих светофильтров такого типа можно проводить, исходя из следующей зависимости спектральной чувствительности прибора:

, (6)

где К(л)П - спектральная чувствительность прибора; ф(л)1·ф(л)2…ф(л)n -спектральные коэффициенты пропускания стекол, используемых в корригирующем светофильтре

Выбор типов оптических стекол проводили предварительно, исходя из визуальных представлений графической формы их спектральных коэффициентов. В результате такого анализа характеристик цветных стекол сделан вывод, что коррекцию спектральной характеристики селенового приемника можно осуществить комбинацией 3-х типов светофильтров, последовательно наложенных друг на друга: ПС11, ПС8 и ЖЗС18. Назначение светофильтра типа ПС11 - подавление максимума чувствительности фотоприемника в интервале длин волн 500 - 640 нм и максимальное повышение ее в интервале длин волн 670 - 680 нм. Светофильтр ЖЗС18 предназначен для формирования кривой в области З20-500 нм. Он обеспечивает относительное повышение пропускания оптической системы в области длин волн 320-380 нм и несколько снижает ее в области 380-500 нм. Светофильтр ПС8 выполняет корригирующую роль путем изменения его толщины, изменяя соотношение по пропусканию оптической системы между тремя областями длин волн 350-450 нм 450-580 нм и 580-740 нм. Необходимо отметить, что большое значение на формирование участка кривой 560-680 нм имеет толщина светофильтра ПС11.

Далее приближение к требуемой характеристике проводили на основе компьютерного расчета по специальной программе. Результат измеренной характеристики приведен на рис. 4, 5.

Рис. 4. Спектральные характеристики чувствительности прибора с различными корригирующими светофильтрами (1-11 в скобках указаны толщины светофильтров) и спектральная эффективность фотосинтеза среднего листа растения (0)

1 - ПС11 (0,9), ПС8(0,25), ЖЗС(0,9); 2 - ПС11(0,9), ПС8(0,25), ЖЗС(0,9), ПС5(4), ТС6(1,2); 3 - ПС11(0,6), ЖЗС(1); 4 - ПС11(0,8), ЖЗС(0,6); 5 - ПС11(0,8), ЖЗС(0,8); 6 - ПС11(0,8), ЖЗС(1); 7 - ПС11(1), ЖЗС(0,6); 8 - ПС11(1), ЖЗС(0,8); 9 - ПС11(1), ЖЗС(1); 10 - ПС8(0,2), ПС11(0,6), ЖЗС(0,6); 11 - ПС11(0,6), ЖЗС(0,6); 0 - кривая спектральной эффективности фотосинтеза идеального (модельного) листа растения.

Наиболее близкие характеристики к требуемой (зависимость 0), являются зависимости 1 и 2.

Из представленных на рис. 5 измеренной реальной чувствительности прибора и спектральной эффективности фотосинтеза - К(л)f - наибольшее расхождение имеет место в области 300 - 320 нм. Это расхождение не оказывает существенного влияния на точность измерения в связи с тем, что спектральная интенсивность солнечного излучения и искусственных источников, используемых для облучения растений, имеет в этой области очень малое значение.

Рис. 5. Относительная спектральная чувствительность ИЭОИ с корригирующим светофильтром (№1) и спектральная эффективность фотосинтеза с доверительными интервалами

Корректное измерение облученности на плоскости возможно, если приемная часть (насадка) приемника выполняет закон косинуса. При изготовлении колпачка и коллектора приемной части прибора принят материал фторопласт марки Ф4, имеющий высокую светопропускающую способность в диапазоне длин волн 300 - 750 нм., что обеспечило требуемую косинусную зависимость насадки в приборе.

В качестве устройства для измерения сигнала с фотоэлемента прибора использована схема универсального мультиметра с измененяемым диапазоном измерений входного сигнала (рис. 6).

Рис. 6. Принципиальная электрическая схема измерителя эксэргии ОИ

В качестве предварительного усилителя, используемого в первичном преобразователе (расположенном в приемной части приемника), взят усилитель постоянного напряжения (УПН). Он обладает собственным шумом и дрейфом, а также подвержен влиянию изменения температуры окружающей среды и напряжения питания, что может обусловливать погрешность.

На основе анализа влияния элементов схемы на характеристики усилителя произведен выбор оптимальных показателей активных элементов схемы. Наиболее приемлемым в этом отношении оказался операционный усилитель типа К140УД20. Для него характерны наименьший уровень шумов на низкой частоте, а также малый коэффициент шума при . Его положительной особенностью является возможность получения очень высокого коэффициента ослабления (до 120 дБ) синфазного сигнала, что обеспечивает возможность резко снизить уровень наводок.

При разработке за основу прибора была принята схема измерительного усилителя прибора с параллельным включением 2-х операционных усилителей на одном кристалле (рис. 7).

Для выявления линейности шкалы прибора при измерении на различных диапазонах проведены исследования зависимости прибора от величины облученности при различных сопротивлениях внешней цепи, которыми нормируются в приборе диапазоны измерений (рис. 8).

Рис. 7. Принципиальная схема измерительного усилителя прибора

Рис. 8. Зависимость тока фотоэлемента от величины облученности при различных сопротивлениях внешней цепи

Измерения для каждого диапазона проводили с десятикратной повторностью, для получения требуемой статистической достоверности.

Возможность измерения суммарной эксэргии ОИ с помощью рассматриваемого прибора реализуется впервые. Применение в конструкции прибора микросхемы энергонезависимой памяти для хранения измеренных данных позволяет избавиться от необходимости в процессе серии измерений находиться рядом с прибором и вручную записывать полученные данные. В процессе измерений прибор самостоятельно отсчитывает заданное время между двумя измерениями, после чего производит очередное измерение, записывает полученное значение в память, и начинает отсчет новой паузы между измерениями.

После проведения серии измерений, для съема измеренных данных прибор подключается к СОМ-порту ПК. Запустив специальную программу, которая осуществляет обмен данными с прибором, можно перенести измеренные данные с прибора на ПК. Полученные данные записываются на жесткий диск компьютера в виде текстового файла, пригодного для дальнейшей обработки с помощью программы Excel.

Можно просматривать результаты измерений, не подключая прибор к компьютеру. При этом индикатор прибора отображает измеренное значение и время, в которое это измерение было осуществлено. Структурная схема интегратора представлена на рис. 9.

Рис. 9. Структурная схема приставки прибора для измерения суммарной эксэргии ОИ

4. Результаты экспериментальных исследований приборов, их градуировки и аттестации, результаты обоснования возможных областей использования разработанных: метода расчетного определения ЭОИ и приборов по измерению, как мощности эксэргии, так и общей ЭОИ для растениеводства

Приведены также методика и результаты определения технико-экономической эффективности общих результатов диссертационных исследований.

Проведены лабораторные испытания прибора по выявлению изменения его спектральной и интегральной чувствительности в процессе его эксплуатации, а также по влиянию изменений температуры окружающей среды на характеристики прибора. Установлено, что при непрерывной эксплуатации прибора в течение 500 часов снижение интегральной чувствительности датчика эксэргетической облученности составило не более 1,5 % от первоначального значения. В процессе испытаний прибора выявлено, что изменение температуры в пределах рабочего диапазона 10 - 35 °С не оказывает существенного влияния на величину фототока и на интегральную чувствительность фотоэлемента.

Влияние температуры окружающей среды (условия эксплуатации прибора) на фототок селенового фотоэлемента ФЭС, используемого в приборе, можно выразить следующей зависимостью:

, (7)

где б - относительный коэффициент во всем диапазоне рабочих температур б = 0,0013 град-1; i0 соответствует температуре 10 °С.

Основная погрешность измерения прибором эксэргии ОИ обусловлена расхождением его реальной спектральной чувствительности с требуемой. Ее определение проводили как путем расчета эксэргии ОИ на основе спектрального состава ОИ различных источников, так и непосредственным измерением этой величины по показаниям прибора. При расчетном определении значения этой погрешности (Дn) за требуемую спектральную чувствительность принимали теоретическое значение относительной спектральной эффективности фотосинтеза К(л)f в соответствии с ОСТ 46-140-83 (табл. 1). Расчет ее значений проводили по формуле:

(8)

где S(л)ИЭОИ - измеренные значения относительной спектральной чувствительности приемника ОИ ИЭОИ; Ф(л)n - относительное спектральное распределение потока излучения источника излучения.

Экспериментальные данные по исследованию погрешности, зависящей от косинусной насадки первичного преобразователя прибора, позволили сделать вывод, что конструкция и материал косинусной насадки выбраны правильно и позволяют измерять ЭОИ на плоскости с погрешностью не более 5 %.

Значения погрешностей для различных источников и двух вариантов корригирующих светофильтров приведены в табл. 4.

Таблица 4

Источник излучения	Погрешность, зависящая от спектрального излучения источника вариант №1, ,%	Погрешность, зависящая от спектрального излучения источника вариант №2, ,%
ДРЛФ-400	-10,4	+10
Солнце	-9,4	+8
Черное тело при Т=1800 К	-11,3	-13,4
Черное тело при Т=2400 К	-9,6	-12,6
Черное тело при Т=2800 К	-8,1	-10,1
ДРИ-400	-6,8	8,2
ЛОР1000		+4
ДНаТ-400	-8,5	9
GE Lucalox LU600W/PSL	-7,3	8
Philips Master SON-T PIA Green Power 600W/230V	-6	9
Рефлакс ДНаЗсупер/RefluxS 600	-7,8	9,3

Градуировка прибора проводилась на оптической скамье. В качестве эталонной использовали светоизмерительную лампу накаливания СИС 107-500 с сертификатом ВНИОФИ Госстандарта РФ. Напряжение и ток на лампе поддерживали при градуировке в соответствии с паспортными данными. Градуировочная кривая шкалы эксэргии ОИ приведена на рис. 10.

Динамический диапазон шкалы измерений прибором величины ЭОИ исследовали путем сопоставления отклонения от линейности чувствительности первичного преобразователя методом «квадратов расстояний».

Рис. 10. Градуировочная кривая линейности шкалы эксэргетической облученности ИЭОИ: - при возрастании величины эксэргетической облученности от нуля до максимального значения, - при уменьшении от максимальной величины эксэргетической облученности до нуля

Как видно из табл. 5, значения нелинейности рабочего диапазона измерения мощности эксэргии от 0,1 до 150 Вт/м2 прибора не превышает 1%.

Таблица 5

Облученность, Вт/м2	0.1	1	50	100	150
Погрешность, %	0,85	0,5	0,2	0,2	0,1

Проведено исследование случайной составляющей основной погрешности измерений прибором ИЭОИ. Ее значение определялось как среднее квадратическое отклонение показаний прибора по десяти измерениям и рассчитывалось по формуле:

, (9)

где - -е значение ЭОИ; - среднее арифметическое значение ЭОИ, n - число измерений (n = 10).

Измерения этой погрешности проводили как при возрастании, так и при уменьшении эксэргетической облученности от 0 до номинального значения. Она была в пределах нормы (0,67%).

Выявлены следующие области использования разработанных метода расчетного определения ЭОИ и прибора по измерению ЭОИ для растениеводства:

1) количественное взаимосогласованное определение основных агроэкологических величин в заданных экологических условиях;

2) определение уровня эффективности (оптимальности, точности) агротехнологий в растениеводстве и земледелии;

3) разработка энергоэкономных источников ОИ и облучателей для искусственного облучения растений с целью обеспечения фотосинтеза растений;

4) применение в качестве датчика мощности эксэргии ОИ в системе многосвязного (согласованного) управления микроклиматом теплиц, фитокамер и других культивационных помещений;

5) для биоклиматической, бонитировочной и экономической оценки земельных угодий;

6) в исследованиях по селекции, семеноводству, в агротехнологиях и биотехнологиях;

7) в моделировании и прогнозном определении продуктивности растений в заданных экологических условиях величину ЭОИ целесообразно использовать в качестве переменной порядка в соответствии с принципом подчинения синергетики;

8) использование величины ЭОИ в качестве точки отсчета (начала исчисления) в построении теоретических основ растениеводства.

Технико-экономический расчет показал, что только применение прибора в целях автоматизации процесса расчетов величины эксэргии ОИ по климатическим зонам на метеостанциях позволит получить экономию около 4 млн. руб. в год, что еще не полностью отражает преимущество применения разработанного метода и устройства. Оно позволяет повысить точность измерений, а также может быть использовано в различных системах автоматического управления микроклиматом теплиц, где экономический эффект при его внедрении составит значительно большие размеры.

Исходными данными расчета увеличения урожая овощей (огурцов) за счет использования прибора в качестве датчика эксэргетической облученности в системе согласованного (многосвязного) управления микроклиматом теплиц приняты результаты исследований по обоснованию автоматического регулирования в теплице температуры воздуха, согласованной с оптическим облучением растений, выполненной П.И. Сторожевым. Прибавка урожая по данным П.И. Сторожева с 1м2 составила 2,7 кг/м2 по отношению к контрольной теплице. Средняя цена огурца в настоящее время составляет примерно 55 руб. за килограмм. Таким образом, получаем дополнительный доход с 1 м2 площади:

2,7*55=148,5 руб/м2

В пересчете на площадь теплиц московской области (составляющих 2804,2 тыс. м2) экономия составит:

2804200*148,5 = 416,4534 млн. руб.

В предшествующих работах величина эксэргии учитывалась не точно. Поэтому использование разработанного прибора позволит еще больше увеличить экономический эффект.

Только в тепличных комбинатах Московской области имеющаяся урожайность на сегодняшний день: огурцы - 23,6 кг/м2, томаты - 21,7 кг/м2. После внедрения способа и прибора минимальное увеличение урожайности составит 30 %: огурцов - 30 кг/м2; томатов - 28, кг/м2.

Заключение

1. Отсутствие эксэргетического анализа энергии ОИ - корректного метода оценки потенциальной превратимости энергии ОИ растениями в процессе фотосинтеза и формирования урожая - принципиально затрудняет: - применение совместного эксэргетического анализа преобразований техногенной энергии и биоконверсии энергии ОИ растениями; - оценку уровня эффективности (оптимальности) агротехнологий; - применение компьютерных систем в оптимизации агротехнологий.

2. Использование разработанного метода расчетного определения эксэргии ОИ в растениеводстве на основе этой величины, позволяет на основе метеорологических данных и показателей агротехнологий более корректно установить уровень их эффективности.

3. Обоснованная возможность создания, разработки, изготовление и метрологического обеспечения прибора для непосредственного измерения эксэргии ОИ в растениеводстве позволяют осуществлять экспресс контроль процесса фотосинтеза и формирования продуктивности растениями. Использование основной части этого прибора в качестве датчика эксэргетической облученности позволяет надежно осуществить (повышать точность) многосвязного управления микроклиматом теплиц.

4. Впервые разработанная совместно с ВНИОФИ Госстандарта РФ первичная метрология эксэргии ОИ в растениеводстве обеспечивает надежную градуировку приборов - измерителя мощности эксэргии и общей эксэргии, а также контролировать их градуировку.

5. Результаты экспериментальных исследований прибора - измерителя мощности эксэргии - позволили выявить соответствие его основных эксплуатационных и метрологических характеристик требованиям, предъявляемым к измерительным приборам, используемым в экологии и аграрном производстве.

6. Выявлены сферы применения метода и приборов для определения эксэргии ОИ в растениеводстве: - в обосновании простой динамической модели зависимости продуктивности растений в заданных экологических условиях; - количественном взаимосогласованном определении агроэкологических величин и выражении их в одинаковых эксэргетических единицах; - в корректной оценке уровня эффективности (оптимальности) агротехнологий; - в системах согласованного многосвязного управления климатом теплиц; - в совместном анализе преобразований техногенной энергии и биоконверсии энергии ОИ с растениями.

Литература

1. Обыночный А.Н., Свентицкий И.И. Определение эксэргии солнечного оптического излучения.// Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008, № 5, с. 13 - 14.

2. Свентицкий И.И., Обыночный А.Н. Метод измерения эксергии оптического излучения [ОИ] для растениеводства.// Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Ч. 1. - М., ВИЭСХ, 2003, с. 260-266.

3. Обыночный А.Н. Определение эксергии оптического излучения в растениеводстве для снижения энергоемкости агропродукции.// Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Ч. 2. - М., ВИЭСХ, 2004, с. 304 - 309.

4. Свентицкий И.И., Обыночный А.Н. Количественная оценка качества биологической информации и «информационная энтропия».// Автоматизация сельскохозяйственного производства. Ч. 2. - М., ВИМ, 2004, с. 270 - 279.

5. Стребков Д.С., Свентицкий И.И., Жмакин И.К., Обыночный А.Н. Теоретическое начало высокоэффективных («оптимальных») аграрных технологий и техники.// The 4th research and development conference of central and eastern European institutes of agricultural engineering, Moscow, VIESH, 2005, p. 54 - 59.

6. Обыночный А.Н., Паршин А.И., Свентицкий И.И. Модель и принципы формирования использования информационных ресурсов в АПК.// Организация и развитие информационного обеспечения органов управления, научных и образовательных учреждений. - М., ИНФОРМАГРО, 2005, с. 53 - 62.

7. Стребков Д.С., Обыночный А.Н., Свентицкий И.И., Жмакин И.К. Метрологическое начало высокоэффективных (точных) агротехнологий.// Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Ч. 1. - М., ВИЭСХ, 2006, с. 111 - 118.

8. Патент РФ №2280975 Способ и устройство определения эксергии оптического излучения в растениеводстве. /Обыночный А.Н., Свентицкий И.И., Юферев Л.Ю./ 2005.

9. Патент РФ № 2282979 Способ контроля и управления процессом выращивания растений и устройство для его осуществления. /Дубровин А.В., Обыночный А.Н./ 2005.

10. Стребков Д.С., Свентицкий И.И., Королев В.А., Обыночный А.Н. Метод и средства определения энергии оптического излучения как начало исчисления энергосберегающих технологий и систем жизнеобеспечения.// Сборник научных трудов и инженерных разработок. Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК. - М., 2006, с.

11. Стребков Д.С., Свентицкий И.И., Жмакин И.К., Обыночный А.Н. Эксэргетический анализ биоконверсии энергии при получении ее из биомассы.// Науковий висник Национального аграрного университету, Вип. 95. - Киев, 2006, с. 283 - 284.

12. Свентицкий И.И., Обыночный А.Н. Энергетическая экстремальность самоорганизации - исток решения проблем человеческих.// Стратегии динамического развития России: единство самоорганизации и управления. Т. III, ч. 2. - М., 2004, с. 167 - 172.

13. Обыночный А.Н., Свентицкий И.И. Энергетическая экстремальность самоорганизации и решение проблем равновесной термодинамики.// Всероссийский симпозиум «Современные проблемы неравновесной термодинамики и эволюции сложных систем», посвященный памяти И.Р. Пригожина. - М., МАКС Пресс, 2004, с. 20.

Размещено на Allbest.ru