XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Аннотация: В статье приведены результаты исследования энергетических спектральных характеристик металлогалогенных и натриевых источников оптического излучения применяемых для светокулькультуры растений. Отмечено, что наибольшая чувствитель­ность к условиям электрического питания присуща металлогалогенным и натриевым лампам высокого давления. Представлены экспериментальные данные относительной спектральной плотности излучения ламп при отклонениях и изменениях напряжения. На основе экспериментальных данных получены характе­ристики относительной интенсивности излучения основных спектральных линий в зависимости от уровня напряжения. Результаты исследования показывают необходимость применения специальных устройств регулиро­вания и стабилизации потока излучения источников.

Ключевые слова: светокультура, оптическое излучение,источники света, спектр.

Abstract: V stat'ye predstavleny rezul'taty issledovaniya energeticheskikh spektral'nykh kharakteristik metallurgicheskikh i natriyevykh vostochnykh opticheskikh uravneniy primenitel'no k mirovym rasteniyam. Izvestno, chto naiboleye chuvstvitel'nymi k usloviyam yamy yavlyayutsya metallogalogennyye i natriyevyye lampy bol'shoy dal'nosti. Predstavleniyem eksperimental'nykh dannykh po spektral'noy provodimosti lampy yavlyayetsya vozbuzhdeniye i yustirovka lampy. Na osnovanii eksperimental'nykh dannykh iz osnovnykh spektral'nykh liniy isklyucheny kharakternyye intensivnosti polovinnoy intensivnosti v zavisimosti ot glavnogo napryazheniya. Rezul'taty issledovaniya pokazyvayut neobkhodimost' primeneniya spetsial'nykh institutov dlya regulirovaniya i stabilizatsii stoka vostochnogo istochnika.

Key words: mirovaya kul'tura, opticheskoye vyrazheniye, istochniki mira, spektr.

Основным элементом системы облучения растений, который определяет спектральные параметры светового поля в агроценозе, является источник света (ИС). Поэто­му в настоящее время усилия по обеспечению оптимального спект­рального состава в вегетационных климатических установках (ВКУ) по большей части сводятся к выбору под­ходящих ИС, воспроизводящих в той или иной степени технологиче­ские требования по спектру. Но реальные условия эксплуатации ИС не гарантируют номинальные режимы их использования. В этом плане актуальным является исследование влияния отклонений и из­менений напряжения питания на спектральную плотность излучения ИС.

Из теории источников света известно, что спектр излучения ламп накаливания (ЛН) и газоразрядных ламп (ГЛ) кроме прочих условий определяется и величиной подво­димой к лампам энергии которая, в свою очередь, зависит от условий электрического питания [2]. Так, у ЛН с изменением под­водимого напряжения меняется температура вольфрамовой нити, что влияет на положение спектрального максимума излучения. Спектральная плотность потока ЛН меняется при этом в соответ­ствии с законом Планка[3].

В [4] представлены ха­рактеристики излучения ртутного разряда ГЛ в зависимости от давления паров ртути, которое связано с количеством подводимой к лампам энергии. В [5] приведен график изменения световой отдачи ртутных ламп с добавками различных йодидов металлов в зависимости от мощности (температуры стенок колбы).

Таким образом, положения теории источников света предпола­гают зависимость спектрального состава излучения ГЛ от условий их электрического питания. Отдельные экспериментальные данные [4.5] подтверждают эту связь. Но имеющаяся информация по данному вопросу носит лишь качественный характер и не позво­ляет оценить спектральные изменения ГЛ в реальных условиях экс­плуатации с учетом чувствительности растений. Поэтому были про­ведены экспериментальные исследования спектральных характерис­тик ГЛ при изменении электрического питания.

Обработка экспериментальных данных позволила получить харак­теристики относительной спектральной плотности излучения ГЛ при отклонениях и изменениях напряжения. Наибольшая чувствитель­ность к условиям электрического питания отмечена у металлогалогенных (МГЛ) и натриевых ламп высокого давления (НЛВД) широко применяемых для светокультуры растений. Далее рассматриваются характеристики по каждому типу ГЛ.

Металлогалогенные лампы.

Рис.1.Спектры излучения натриевых и металлогалогенных ламп

Спектр излучения МГЛ в номинальном режиме приведен на рис.1. Здесь натрий излучает дублет линий 589/589,6 нм и дает значительное излучение на уча­стках 568 нм и 819 нм. Скандий имеет многолинейчатый спектр (402, 425, 474, 510, 548, 626, 631, 1017 нм). Излучение ртути вносит незначительный вклад в общий поток (405, 435, 546,577/579, 1014 нм). Но при отклонениях напряжения питания ламп от номиналь­ного отмечаются существенные различия в характере изменения ин­тенсивности линий ртути и излучающих добавок натрия и скандия.

В таблице 1 приведены данные по изменению излучения основ­ных линий МГЛ относительно своих номинальных величин, которые приняты за единицу.

Характер влияния отклонения напряжения на интенсивность линий ртути качественно и количественно иной, чем на излучение линий добавок. Так, при отклонениях напряжения в пределах +/-10% от номинального интенсивность линий добавок меняется от 1,5 до 0,4 номинальных значений и падает с уменьшением напряжения. В то же время излучение линий ртути из­меняется в пределах от 0,8 до 1,2 номинальных значений.

Таблица 1

Изменение интенсивности спектральных линий ламп МГЛ при отклонениях напряжения

λ ,нм/	1,05	1,00	0,95	0,90		0,85
	Излучение линий ртути
405	0,98	1,00	0,94	0,86		0,83
435	0,96	1,00	1,22	1,33		1,35
546	0,94	1,00	1,09	1,18		1,14
577	0,86	1,00	1,31	1,60		1,57
1014	0,95	1,00	0,96	0,94		0,93
	Излучение линий добавок
402	1,11	1,00	0,68	0,36		0,23
435	1,06	1,00	0,77	0,54		0,35
474	1,10	1,00	0,70	0,41		0,21
510	1,18	1,00	0,77	0,46		0,25
568	1,27	1,00	0,70	0,41		0,23
589	1,10	1,00	0,71	0,54		0,32
621	1,40	1,00	0,68	0,55		0,33
626	1,45	1,00	0,71	0,51		0,30
631	1,20	1,00	0,68	0,52		0,21
670	1,28	1,00	0,64	0,43		0,25
819	1,50	1,00	0,71	0,40		0,13
1017	1,10	1,00	0,74	0,33		0,23

Характер влияния отклонения напряжения на интенсивность линий ртути качественно и количественно иной, чем на излучение линий добавок. Так, при отклонениях напряжения в пределах +/-10% от номинального интенсивность линий добавок меняется от 1,5 до 0,4 номинальных значений и падает с уменьшением напряжения. В то же время излучение линий ртути из­меняется в пределах от 0,8 до 1,2 номинальных значений.

Относительное излучение линий добавок падает при этом в 2-2,5 раза. Можно сделать вывод, что отклонения напряжения даже в преде­лах допускаемых стандартом, не позволяет обеспечить заданные контрольные параметры спектральной плотности излучения. В реальных условиях электрического питания ИС спектральные изменения усиливаются.

Различия в характеристиках излучения основных линий ведут к изменению спектральной плотности распределения на всем физиоло­гически значимом диапазоне излучения ГЛ.

Натриевые лампы высокого давления.

Исследование характеристик НЛВД также показало нестабиль­ность их спектрального состава при отклонениях. В номи­нальном режиме (рис.2) линии натрия 589/589,6 нм уширя­ются практически на всю видимую область. Значительная доля из­лучения приходится на диапазон 625-805 нм. Существенный вклад в общий поток вносит линия 819 нм. Уменьшение напряжения сети от 1,1 до 0,9 номинального значения сопровождается увеличением доли излучения участков 575-605 нм и 805-825 нм..

Таблица 2

Изменение спектрального распределения излучения НЛВД

Δλ,нм/	1,1	1,05	1,00	0,95	0,90	0,85
405-495	0,20	0,17	0,15	0,13	0,10	0,07
495-505	0,11	0,10	0,90	0,80	0,70	0,50
505-565	0,35	0,29	0,23	0,17	0,13	0,70
565-575	0,44	0,42	0,38	0,34	0,31	0,24
575-605	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00
605-625	0,58	0,51	0,38	0,33	0,30	0,18
625-805	1,35	1,06	0,93	0,62	0,54	0,25
805-825	0,59	0,56	0,54	0,51	0,49	0,36
825-1025	0,36	0,33	0,29	0,26	0,21	0,18

Относительное участие остальных диапазонов спектра в общем потоке падает. Можно считать, что при уменьшении напряжения питания ниже 0,85 номинального излучение линий 589/589,6 нм и 819 нм становится преобладающим. В таблице.2 приведены данные по изменению интенсивности излучения основных диапазонов спектра относительно участка 575-605 нм. Можно сделать вывод, что отклонения напряжения в пределах +/-10% от номинального ведут к тому, что для различных зон она меняется в пределах 1,5-2,5 раза. Таким образом, номинальное спектральное распре­деление ламп НЛВД при колебаниях не выдерживается.

Исследования параметров ламп при плавном регулировании по­тока излучения фазоимпульсным способом также показали не­стабильность спектрального распределения. Так, у ламп типа ДРИ можно выделить две спектральные зоны изменения интенсивности (рис 2,а), обусловленные излучением линий добавок и ли­ний ртути. Для ламп типа ДНаТ отмечается возрастание интен­сивности в области линий 589/589,6 нм при снижении ее на дру­гих участках (рис.2.б). Можно считать, что эти обстоя­тельства будут решающими при определении допустимых диапазо­нов регулирования потока ГЛ для растений.

Рис.2. Изменение интенсивности спектральных участков ламп: а – НЛВД; б – МГЛ

На основе экспериментальных данных были рассчитаны характе­ристики относительной интенсивности излучения в зависимости от уровня напряжения для зоны физиологически активной радиации ФАР (400-5-700 нм), а также ее составляющих: синей (400-500 нм); зеленой (500-600 нм), красной (600-700 нм). Такая градация зон излучения была принята в соответствии с существующими ме­тодиками оценки качества потока ИС для растений [6].

Вышеприведенные данные показывают, что существующие сейчас нормы и стандарты на качество напряжения не гарантируют постоянство в тех же или близких пределах технологических и оптических параметров по спектру и ин­тенсивности ФАР. Нормируемые оптические характеристики могут быть обеспечены применением специальных устройств регулиро­вания и стабилизации потока ГЛ или применением ЭПРА, позволяющих осуществить локальную стабилизацию мощности источников облучения растений при колебаниях и отклонениях питающего напряжения.

Список литературы

1.Беззубцева М.М. Электротехнологии и электротехнологические установки: учебное пособие. – СПб.: СПбГАУ, 2011. – 242 с.

2.Рохлин Г.Н. Разрядные источники света - М.: Энергоатомиздат, 1991г. - 720 с.

3. Афанасьева Е.И., Скобелев В.М. Источники света и пускорегулирующая аппаратура — 2-е изд., перераб. —М.: Энергоатомиздат, 1986. — 272 с.

4. Гулин С.В. Регулирование мощности газоразрядных источников облучения растений в вегетационных климатических установках// Проблемы механизации и электрификации сельского хозяйства. – Краснодар, 2014 – с.232-235

5. Гулин С.В., Ракутько С.А. Энергоэффективность спектростабилизирующего регулирования потока разрядных источников излучения с точки зрения прикладной теории энергосбережения / С.В.Гулин, С.А.Ракутько // Известия СПбГАУ, СПб. -2012 - №28 -С.377 -383.

6. Тихомиров А.А.. Светокультура растений: биофизические и биотехнологические основы / А.А. Тихомиров , Шарупич В.П., Лисовский Г.М. - Новосибирск: Изд. Сиб. отд. РАН, 2000. - 213 с.

Код для цитирования: Скопировать