Сергей Анатольевич Ракутько, доктор технических наук, главный научный сотрудник
Санкт-Петербург
Sergei A. Rakutko, Dr.Sc.(Eng.), chief research engineer
Saint-Petersburg
Елена Николаевна Ракутько, научный сотрудник
Санкт-Петербург
Elena N. Rakutko, research engineer
Saint-Petersburg
Для разработки теории и практики управления процессами в теплице необходимо создать математическую модель светокультуры. (Цель исследования) Разработать методику моделирования и анализа энергоэкологичности светокультуры. (Материалы и методы) Провели экспериментальное подтверждение предложенной методики для светокультуры рассады томата, выращиваемой в лабораторных условиях с контролируемыми параметрами среды. Использовали облучатель, состоящий из светодиодной матрицы с вторичной оптикой и драйвером. Фотопериод составлял 16 часов. Эксперимент завершили на 46 сутки. Методика включает анализ эффективности преобразования энергии на различных этапах в блоках модели искусственной биоэнергетической системы светокультуры: источник электрического питания; источник излучения; оптическая часть; пространственное распределение потока; поверхностное распределение потока; растение. Предложили формулы для вычисления энергоемкости каждого из блоков искусственной биоэнергетической системы светокультуры. Выявили, что для принятых по экспертным оценкам значений энергоемкости каждого блока общая энергоемкость составляет 0,32-2,27 мегаджоуля на один грамм сырой массы растения, то есть различается практически на порядок, в зависимости от конкретной реализации технологии светокультуры. Показали, что оптимизация не сводится к последовательному выбору на каждом этапе варианта с наименьшим значением энергоемкости, но требует поиска оптимального маршрута на графе вариантов. (Результаты и обсуждение) Для условий эксперимента общая энергоемкость искусственной биоэнергетической системы светокультуры составила 3,77 мегаджоуля на один грамм сырой массы растения. Причина низкой эффективности – неудовлетворительная фотонная отдача светодиодной матрицы и малая продуктивность фотосинтеза в растении. (Выводы) Разработанная методика моделирования и анализа энергоэкологичности светокультуры позволила оценить возможности энергосбережения на каждом этапе преобразования энергии и вещества в светокультуре. Теоретически возможное снижение потерь в источнике электрического питания составляет 22 процента; в оптической части – 14 процентов; при формировании пространственного распределения потока – 16 процентов; поверхностного распределения потока – 10 процентов. Возможность повышения эффективности источника излучения зависит от достигнутого уровня техники, который в настоящее время обеспечивает отдачу не менее 2,5 микромоля с одного джоуля. Для повышения продуктивности светокультуры необходимо точное согласование параметров светового режима и требований растений.
To develop the theory and practice of operation procedures in a greenhouse, a mathematical model of indoor plant lighting is required. (Research purpose) Development of a simulation and analysis technique of energy-and-ecological compatibility of indoor plant lighting. (Materials and methods) The authors experimentally verifi ed the proposed technique for the indoor plant lighting of tomato seedlings grown under laboratory conditions with controlled environmental parameters. An irradiator consisting of a LED matrix with secondary optics and a driver was used. The photoperiod amounted to 16 hours. The experiment was completed for 46 days. The technique includes an analysis of the energy conversion effi ciency at various stages in the blocks of the artifi cial bioenergy system of indoor plant lighting (ABES): a source of electrical power; a radiation source; an optical part; spatial fl ow distribution; surface fl ow distribution; and a plant. The authors proposed formulas for calculating the energy consumption of each ABES unit. It was revealed that for the estimated values of the energy consumption of ABES blocks taken according to expert estimates, the total energy consumption accounts for 0.32-2.27 megajoule per one gramme of wet weight of a plant, i.e. diff ers by almost an order of magnitude, depending on the specifi c implementation of the lighting technology. It is shown that optimization cannot be limited by consistent selection of an option with the lowest value of energy consumption at each stage, but requires fi nding the optimal route on the graph of options. (Results and discussion) For the experimental conditions, the total energy consumption of ABES was 3.77 megajoule per one gramme of the wet weight of a plant. The low effi ciency was caused by the unsatisfactory effi ciency of the LED matrix and the low productivity of the plant photosynthesis. (Conclusions) The developed technique for modeling and analyzing the energy-and-ecological compatibility of indoor plant lighting allowed assessing possible energy saving at each stage of energy and substance conversion in indoor plant lighting. Theoretically, possible reduction of losses in the source of electrical power is 22 percent, in the optical part – 14 percent; in spatial fl ow distribution – 16 percent; in surface fl ow distribution – 10 percent. Possible increasing of the lighting source effi ciency depends on the achieved level of technology, which currently provides an output of 2.5 micromole per joule and more. To increase the productivity of indoor plant lighting, it is necessary to precisely match the parameters of the lighting mode and the requirements of plants.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.