Моделирование и численный анализ энергоэкологичности светокультуры

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.

1. Измайлов А.Ю., Лобачевский Я.П., Хорошенков В.К., Смирнов И.Г., Гончаров Н.Т., Лужнова Е.С. Оптимизация управления технологическими процессами в растениеводстве // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2018. Т. 12. N3. С. 4-11.

2. Михайленко И.М. Математическое моделирование роста растений на основе экспериментальных данных // Сельскохозяйственная биология. 2007. N1. С. 103-111.

3. Crouch R., Haines C. Mathematical modeling: Transitions between the real world and the mathematical model. International Journal of Mathematical Education in Science and Technology. 2004. Vol. 35. 197-206.

4. Mason E.G., Dzierzon H. Application of modeling to vegetation management. Canadian Journal of Forest Research. 2006. Vol. 36. 2505-2514.

5. Kosai T. Resourse use efficiency of closed plant production system with artificial light: concept, estimation and application to plant factory. Proceedings of the Japan Academy. Series B. 2013. N89(10). 447-461.

6. Попова С.А. Математическое моделирование продуктивности растений как средство повышения эффективности энергосбережения // Вестник КрасГАУ. 2010. N7. C. 141-145.

7. Ракутько С.А. Концептуальные основы энергоэкологии светокультуры // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2018. Т. 12. N12(6). C. 38-44.

8. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Транчук А.С. Применение иерархической модели искусственной биоэнергетической системы для оценки экологичности и энергоэффективности светокультуры // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2015. N40. C. 262-268.

9. Прикупец Л.Б., Камшилов П.В., Зиничева А.С. Светокультура растений. Новый этап в измерениях ФАР, связанный с созданием светодиодных фитооблучателей // Теплицы России. 2018. N2. C. 24-28.

10. Thornley J. Mathematical Models in Plant Physiology: A Quantitative Approach to Problems in Plant and Crop Physiology. London: Academic Press. 1976. 318.