eng
Выпуск #8/2017
О.Ю.Коваленко, Ю.А.Пильщикова, Е.Д.Гусева
Повышение эффективности и контроль параметров источников излучения облучательных установок в сельском хозяйстве
Повышение эффективности и контроль параметров источников излучения облучательных установок в сельском хозяйстве
Просмотры: 3441
Статья посвящена контролю параметров источников излучения, используемых для освещения и облучения молодняка родительского стада птицефабрик. Результаты исследований показали, что при комбинированном сине-зеленом светодиодном освещении в сочетании с ультрафиолетовым облучением при общем освещении люминесцентными лампами показатели продуктивности улучшаются в пределах 10% в сравнении с традиционным освещением только люминесцентными лампами.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.68.8.68.73
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.68.8.68.73
Различные биообъекты в сельском хозяйстве имеют характерную восприимчивость к свету, которая описывается функцией спектральной чувствительности. Восприимчивость физиологически активной радиации (ФАР) растений, при котором происходит фотосинтез и различные жизненно важные процессы, соответствует диапазону оптического излучения 400–700 нм.
В качестве источников света, используемых для светокультуры растений, применяются люминесцентные лампы, ксеноновые трубчатые лампы, натриевые лампы высокого давления, металлогалогенные лампы и ртутные лампы высокого давления с исправленной цветностью. Они имеют коэффициенты использования излучения ФАР до 30%. В результате анализа исследований влияния спектрального состава на рост и развитие растений для определения обоснованных требований к спектру излучающих ламп, было установлено, что лучшие результаты для промышленной технологии в зависимости от сорта растений обеспечивает спектральное соотношение освещенностей в синей, зеленой, красной области – Ес : Ез : Ек = (10–30)% : (15–45)% : (40–75)%. Источники излучения с высоким коэффициентом использования способствуют росту урожайности растений, для этих целей начали применять полупроводниковые приборы с RGB-модулями.
Чувствительность органа зрения птицы имеет максимумы в зеленой, синей, красной и ультрафиолетовой областях спектра.
В последнее время многие исследователи предлагают для освещения птицефабрик применять систему освещения в соответствии с функцией спектральной чувствительности органа зрения птицы [1]. Анализ исследований, проведенных в условиях промышленного выращивания кур, выявил улучшение продуктивных показателей опытной группы молодняка родительского стада Ross‑308 в пределах 10% при комбинированном сине-зеленом светодиодном освещении в сочетании с ультрафиолетовым облучением при общем освещении люминесцентными лампами ЛБ‑40 в сравнении с показателями контрольной группы, освещаемой люминесцентными лампами ЛБ‑40.
Для того чтобы оценить степень совпадения максимумов спектрального диапазона источников света и относительной спектральной чувствительности органа зрения птицы и растений, необходимо применять достаточно точную измерительную технику. Согласно п. 4.3.3.2 ГОСТ Р 8.749-2011 в случае одноцветных (не белых) светодиодов ошибки спектрального несоответствия могут быть большими из-за того, что некоторые спектры светодиодов достигают пика на концах функции V (λ), что может внести большой вклад в погрешность измерения [2]. Для получения спектральных характеристик источников света могут быть использованы спектрорадиометры.
В лаборатории ЦКП Светотехнического факультета ФГБОУ ВПО МГУ им. Н.П.Огарева для определения точности измерения были проведены исследования спектральных характеристик светодиодов спектрорадиометрами двух моделей OL770 и Specbos1211, в процессе которых были определены абсолютные и относительные погрешности измерений.
Specbos 1211 – это компактный высокочувствительный спектрорадиометр общего назначения, покрывающий диапазон волн от ближнего ультрафиолетового до инфракрасного излучений. Оптическая система спектрорадиометра OL 770 состоит из узкой входной щели и вогнутой дифракционной решетки, которая формирует плоскую фокальную поверхность. В фокальной поверхности расположен многоэлементный фотоприёмник, в роли которого выступает кремниевая ПЗС-матрица. Прибор работает в диапазоне длин волн 380–1 100 нм.
При помощи данных спектрорадиометров были измерены излучательные характеристики светодиодов. Спетрорадиометр и светодиодные источники света были закреплены на фотометрической скамье, находились в неподвижном состоянии во время цикла измерений, центр фотоприёмника находился на прямой, проходящей через световой центр источника света, поверхность спектрорадиометра была перпендикулярна этой прямой. Измерения светодиодов проводились при следующих электрических параметрах: I = 40 мА, U = 3,5 В. Температура окружающей среды была постоянной на протяжении всего эксперимента. Интервал времени между подачей питания на светодиод и собственно измерениями составил 20 минут, за это время произошла стабилизация световых параметров.
При определении абсолютных и относительных погрешностей за действительные значения принимались значения, полученные спектрорадиометром OL 770. Это было сделано по следующим причинам. Во-первых, спектральное разрешение прибора OL 770 (0,75 нм) выше аналогичного параметра прибора Specbos 1211 (4,5 нм). Во-вторых, температура фотоприемника в OL 770 в течение всего процесса измерения остается постоянной (–10 °C), что обусловлено использованием элемента Пельте. Таким образом, погрешность, обусловленная зависимостью фототока приёмника от температуры окружающей среды в приборе OL 770, отсутствует.
В ходе исследования спектральных характеристик светодиодов было выявлено небольшое несовпадение максимумов длин волн при измерении спектрорадиометрами моделей OL 770 и Specbos 1211 соответственно: у зеленого – 515 и 519 нм, у красного – 639 и 638 нм. Для синего светодиода спектрорадиометрами был показан максимум на длине волны 465 нм.
Средняя относительная погрешность спектральной мощности излучения при измерении спектрорадиометрами относительно друг друга составила для красного светодиода 1%, синего светодиода – 5,5%, зеленого светодиода – 4,5%. Средняя относительная погрешность измерения спектрального распределения мощности излучения светодиодов спектрорадиометрами моделей OL 770 и Specbos 1211 составила порядка 5%, что говорит о достаточной точности измерения данных приборов. Полученные спектральные характеристики применялись для моделирования и проектирования полупроводниковых световых приборов.
В соответствии с кривой чувствительности растений, глаза человека и глаза птицы были рассчитаны спектральные коэффициенты использования излучения различных источников света, а также комбинированных приборов и установок с использованием светодиодов по формулам вида:
, (1)
где i – соответствующие спектральные диапазоны оптического излучения.
Для получения оценок коэффициентов использования источников света, а так же комбинированных приборов и установок с использованием светодиодов для различных биообъектов была разработана и проверена на практических примерах программа моделирования спектральных характеристик [3].
В качестве исследуемых источников света были взяты люминесцентные лампы типа ЛБ, ЛД и разрядные лампы типа ДРИ, ДНаТ, ДРЛ (см.рисунок). Результаты расчетов коэффициентов использования представлены в таблицах 1–3.
Для традиционных источников света в соответствии с функцией относительной спектральной световой эффективности наиболее высокий коэффициент использования имеет место у ламп типа ЛБ‑36 и составляет 50%.
Наиболее высокий коэффициент использования излучения для органа зрения птицы наблюдается у ламп типа ЛД‑36 и составляет 56%. Высокий коэффициент использования около 52% наблюдается для комбинированной установки с использованием ламп типа ЛБ‑36, ультрафиолетовых ламп типа ЛЭ‑15 и модуля с синими и зелеными светодиодами [4].
Коэффициенты использования для традиционных источников света, определенные по функции относительной спектральной эффективности фотосинтеза растений, не превышают 29%. В связи с этим перспективным является повышение коэффициента использования за счет применения в комбинированном приборе красных светодиодов совместно с ЛД‑36, что позволяет повысить коэффициент использования до значения 42%.
В природных условиях птица находится под естественным солнечным излучением, которое включает в себя весь оптический диапазон излучения ГОСТ Р 54164-2010.
При проектировании освещения в рабочих помещениях используют различие спектра излучения облачного и безоблачного неба. Расчетные значения коэффициента использования излучения для функции относительной спектральной чувствительности органа зрения (ФОСЧОЗ) птицы при безоблачном небе в диапазоне длин волн от 400 до 640 нм составил 63%; при небе, закрытом плотными облаками, в диапазоне длин волн от 400 до 640 нм составил 65%; при дневном свете в диапазоне длин волн от 375 до 725 нм составил 49%; для солнечного излучения в диапазоне длин волн от 330 до 780 нм значение коэффициента равно 40%.
На основании расчетных значений коэффициента использования излучения был изготовлен опытный образец облучательной установки, включающий сине – зеленые светодиоды и 2 эритемные лампы типа ЛЭ‑15. Данный образец был использован в качестве местного облучения при общем освещении люминесцентными лампами типа ЛБ – 36 в птицефабрике для молодняка родительского стада Ross‑308. Данные исследования показали, что при комбинированном сине-зеленом светодиодном освещении в сочетании с ультрафиолетовым облучением при общем освещении люминесцентными лампами типа ЛБ‑40 молодняка родительского стада Ross‑308, показатели продуктивности молодняка птицы улучшаются в пределах 10% в сравнении с традиционным освещением люминесцентными лампами типа ЛБ‑40. Таким образом, контроль коэффициента использования излучения различными биообъектами играет большую роль при внедрении перспективных источников света для повышения эффективности облучательных приборов и установок в сельском хозяйстве.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прикупец Л.Б. Технологическое освещение в агропромышленном комплексе России. – Светотехника, 2017, №6, с.6–14.
2. ГОСТ Р 8.749-2011. Государственная система обеспечения единства измерений. Светодиоды. Методы измерения фотометрических характеристик.
3. 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, 2014, № 4.
4. Патент на полезную модель RUS147826. Устройство для облучения птицы / Коваленко О. Ю., Пильщикова Ю. А., Ашрятов А. А., Амелькина С. А., Кудашкина М. В.
В качестве источников света, используемых для светокультуры растений, применяются люминесцентные лампы, ксеноновые трубчатые лампы, натриевые лампы высокого давления, металлогалогенные лампы и ртутные лампы высокого давления с исправленной цветностью. Они имеют коэффициенты использования излучения ФАР до 30%. В результате анализа исследований влияния спектрального состава на рост и развитие растений для определения обоснованных требований к спектру излучающих ламп, было установлено, что лучшие результаты для промышленной технологии в зависимости от сорта растений обеспечивает спектральное соотношение освещенностей в синей, зеленой, красной области – Ес : Ез : Ек = (10–30)% : (15–45)% : (40–75)%. Источники излучения с высоким коэффициентом использования способствуют росту урожайности растений, для этих целей начали применять полупроводниковые приборы с RGB-модулями.
Чувствительность органа зрения птицы имеет максимумы в зеленой, синей, красной и ультрафиолетовой областях спектра.
В последнее время многие исследователи предлагают для освещения птицефабрик применять систему освещения в соответствии с функцией спектральной чувствительности органа зрения птицы [1]. Анализ исследований, проведенных в условиях промышленного выращивания кур, выявил улучшение продуктивных показателей опытной группы молодняка родительского стада Ross‑308 в пределах 10% при комбинированном сине-зеленом светодиодном освещении в сочетании с ультрафиолетовым облучением при общем освещении люминесцентными лампами ЛБ‑40 в сравнении с показателями контрольной группы, освещаемой люминесцентными лампами ЛБ‑40.
Для того чтобы оценить степень совпадения максимумов спектрального диапазона источников света и относительной спектральной чувствительности органа зрения птицы и растений, необходимо применять достаточно точную измерительную технику. Согласно п. 4.3.3.2 ГОСТ Р 8.749-2011 в случае одноцветных (не белых) светодиодов ошибки спектрального несоответствия могут быть большими из-за того, что некоторые спектры светодиодов достигают пика на концах функции V (λ), что может внести большой вклад в погрешность измерения [2]. Для получения спектральных характеристик источников света могут быть использованы спектрорадиометры.
В лаборатории ЦКП Светотехнического факультета ФГБОУ ВПО МГУ им. Н.П.Огарева для определения точности измерения были проведены исследования спектральных характеристик светодиодов спектрорадиометрами двух моделей OL770 и Specbos1211, в процессе которых были определены абсолютные и относительные погрешности измерений.
Specbos 1211 – это компактный высокочувствительный спектрорадиометр общего назначения, покрывающий диапазон волн от ближнего ультрафиолетового до инфракрасного излучений. Оптическая система спектрорадиометра OL 770 состоит из узкой входной щели и вогнутой дифракционной решетки, которая формирует плоскую фокальную поверхность. В фокальной поверхности расположен многоэлементный фотоприёмник, в роли которого выступает кремниевая ПЗС-матрица. Прибор работает в диапазоне длин волн 380–1 100 нм.
При помощи данных спектрорадиометров были измерены излучательные характеристики светодиодов. Спетрорадиометр и светодиодные источники света были закреплены на фотометрической скамье, находились в неподвижном состоянии во время цикла измерений, центр фотоприёмника находился на прямой, проходящей через световой центр источника света, поверхность спектрорадиометра была перпендикулярна этой прямой. Измерения светодиодов проводились при следующих электрических параметрах: I = 40 мА, U = 3,5 В. Температура окружающей среды была постоянной на протяжении всего эксперимента. Интервал времени между подачей питания на светодиод и собственно измерениями составил 20 минут, за это время произошла стабилизация световых параметров.
При определении абсолютных и относительных погрешностей за действительные значения принимались значения, полученные спектрорадиометром OL 770. Это было сделано по следующим причинам. Во-первых, спектральное разрешение прибора OL 770 (0,75 нм) выше аналогичного параметра прибора Specbos 1211 (4,5 нм). Во-вторых, температура фотоприемника в OL 770 в течение всего процесса измерения остается постоянной (–10 °C), что обусловлено использованием элемента Пельте. Таким образом, погрешность, обусловленная зависимостью фототока приёмника от температуры окружающей среды в приборе OL 770, отсутствует.
В ходе исследования спектральных характеристик светодиодов было выявлено небольшое несовпадение максимумов длин волн при измерении спектрорадиометрами моделей OL 770 и Specbos 1211 соответственно: у зеленого – 515 и 519 нм, у красного – 639 и 638 нм. Для синего светодиода спектрорадиометрами был показан максимум на длине волны 465 нм.
Средняя относительная погрешность спектральной мощности излучения при измерении спектрорадиометрами относительно друг друга составила для красного светодиода 1%, синего светодиода – 5,5%, зеленого светодиода – 4,5%. Средняя относительная погрешность измерения спектрального распределения мощности излучения светодиодов спектрорадиометрами моделей OL 770 и Specbos 1211 составила порядка 5%, что говорит о достаточной точности измерения данных приборов. Полученные спектральные характеристики применялись для моделирования и проектирования полупроводниковых световых приборов.
В соответствии с кривой чувствительности растений, глаза человека и глаза птицы были рассчитаны спектральные коэффициенты использования излучения различных источников света, а также комбинированных приборов и установок с использованием светодиодов по формулам вида:
, (1)
где i – соответствующие спектральные диапазоны оптического излучения.
Для получения оценок коэффициентов использования источников света, а так же комбинированных приборов и установок с использованием светодиодов для различных биообъектов была разработана и проверена на практических примерах программа моделирования спектральных характеристик [3].
В качестве исследуемых источников света были взяты люминесцентные лампы типа ЛБ, ЛД и разрядные лампы типа ДРИ, ДНаТ, ДРЛ (см.рисунок). Результаты расчетов коэффициентов использования представлены в таблицах 1–3.
Для традиционных источников света в соответствии с функцией относительной спектральной световой эффективности наиболее высокий коэффициент использования имеет место у ламп типа ЛБ‑36 и составляет 50%.
Наиболее высокий коэффициент использования излучения для органа зрения птицы наблюдается у ламп типа ЛД‑36 и составляет 56%. Высокий коэффициент использования около 52% наблюдается для комбинированной установки с использованием ламп типа ЛБ‑36, ультрафиолетовых ламп типа ЛЭ‑15 и модуля с синими и зелеными светодиодами [4].
Коэффициенты использования для традиционных источников света, определенные по функции относительной спектральной эффективности фотосинтеза растений, не превышают 29%. В связи с этим перспективным является повышение коэффициента использования за счет применения в комбинированном приборе красных светодиодов совместно с ЛД‑36, что позволяет повысить коэффициент использования до значения 42%.
В природных условиях птица находится под естественным солнечным излучением, которое включает в себя весь оптический диапазон излучения ГОСТ Р 54164-2010.
При проектировании освещения в рабочих помещениях используют различие спектра излучения облачного и безоблачного неба. Расчетные значения коэффициента использования излучения для функции относительной спектральной чувствительности органа зрения (ФОСЧОЗ) птицы при безоблачном небе в диапазоне длин волн от 400 до 640 нм составил 63%; при небе, закрытом плотными облаками, в диапазоне длин волн от 400 до 640 нм составил 65%; при дневном свете в диапазоне длин волн от 375 до 725 нм составил 49%; для солнечного излучения в диапазоне длин волн от 330 до 780 нм значение коэффициента равно 40%.
На основании расчетных значений коэффициента использования излучения был изготовлен опытный образец облучательной установки, включающий сине – зеленые светодиоды и 2 эритемные лампы типа ЛЭ‑15. Данный образец был использован в качестве местного облучения при общем освещении люминесцентными лампами типа ЛБ – 36 в птицефабрике для молодняка родительского стада Ross‑308. Данные исследования показали, что при комбинированном сине-зеленом светодиодном освещении в сочетании с ультрафиолетовым облучением при общем освещении люминесцентными лампами типа ЛБ‑40 молодняка родительского стада Ross‑308, показатели продуктивности молодняка птицы улучшаются в пределах 10% в сравнении с традиционным освещением люминесцентными лампами типа ЛБ‑40. Таким образом, контроль коэффициента использования излучения различными биообъектами играет большую роль при внедрении перспективных источников света для повышения эффективности облучательных приборов и установок в сельском хозяйстве.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прикупец Л.Б. Технологическое освещение в агропромышленном комплексе России. – Светотехника, 2017, №6, с.6–14.
2. ГОСТ Р 8.749-2011. Государственная система обеспечения единства измерений. Светодиоды. Методы измерения фотометрических характеристик.
3. 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, 2014, № 4.
4. Патент на полезную модель RUS147826. Устройство для облучения птицы / Коваленко О. Ю., Пильщикова Ю. А., Ашрятов А. А., Амелькина С. А., Кудашкина М. В.
Отзывы читателей
