XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Идеология искусственного облучения биологических объектов в контролируемой и регулируемой среде предполагает минимизацию расхода энергии, что может быть достигнуто обоснованным выбором источников света, соответствующей конфигурацией системы перераспределения светового потока, оптимальным расположением светильников относительно растительного ценоза и другими технологическими мероприятиями. Проблема энергосбережения при этом является одной из самых актуальных.

Сегодня имеются практически все возможности для решения любых задач применения ОИ, Более того, наличие большого многообразия техниче­ских средств (источников света, световых приборов, ПРА, электронных сис­тем управления освещением) формирует новые принципы и приемы техники применения оптических электротехнологий (ОЭТ).

Известно, что в ряде технологических процессов ОИ нет альтернативы. Это, прежде всего, куль­тивационные сооружения защищенного грунта, в которых ОИ является важнейшим микроклима­тическим фактором для растений. ОИ, как вид энергии, обладает следующими важнейшими особенностя­ми.

Во-первых, использование энергии ОИ как технологического фактора не связано непосредственно с механическим и электрическим воздействием на облучаемые объекты. Необходимое положительное действие достига­ется благодаря значительной проникающей способности излучения и его специфическому действию на клеточном и молекулярном уровнях в биоло­гических субъектах.

Во-вторых, распространение ОИ происходит линейно при постоянстве передаваемой мощности по оси угла распространения, но уменьшении плот­ности по площади нормального сечения.

В-третьих, распределение энергии ОИ следует учитывать не только по пространственным координатам и по времени, но и по спектру, т.е. в зависи­мости от длины волны излучения.

Самую большую группу видов ОЭТ представляют техноло­гические процессы фотобиологического действия. Они осуществляются над объектами живой природа, в частности, растениями.

Технические средст­ва в совокупности с биологическим объектом образуют биотехниче­скую систему, в которой основным продуктообразующим звеном является биоценоз.

В данной системе ОИ излучение используется как специфический энергетический фак­тор,который характеризуется потоком энергии, претерпевающим процессы пе­реноса и преобразования с целью придания лучистой излучению параметров, обеспечивающих требуемый технологический эффект.

В итоге получаем ОЭТ, включающие генерацию и перераспределение ОИ в пространстве и по поверхности, задание необходимого закона изменения

по­тока во времени и его спектрального состава с целью обеспечения полезной реакции приемника излучения.

Техническими средствами, обеспечивающими проведение ОИ, явля­ются облучательные установки (ОУ).

На рис. 1.1 представлена общая структурная схема энергопотока ОИ.

Рис.1 – Структурная схема энергопотока ОИ

ОЭТ являются важными для отраслей АПК технологическими

процес­сами, особенностью которых является преобразование энергии из электриче­ской в энергию электромагнитного поля и, далее, в энергию, определяемую поглощающим объектом. Большие энергетические потери в процессе этих преобразований обусловливают низкую эффективность использования энер­гии и высокую энергоемкость, что составляет важную научную проблему.

Отличительной особенностью ОИ, которая обуславливает специфику светокультуры, является энергия электромагнитного излучения, кото­рая в технологическом процессе проходит этапы генерации, распространения в пространстве и поглощения в биологическом растительномценозе. Энергия электромагнитного излуче­ния имеет полевую форму и характеризуется различными параметрами (табл.1)

Табл.1 – Параметры электромагнитного излучения

Это обстоятельство и наличие особенностей генерации излуче­ния, конструкций источников излучения и характеристик облучае­мого объекта, обуславливают трудность классификации ОИ.

Следует отметить что распределение потока по поверхности облучае­мого тела (при фиксированных компоновочных параметрах) вполне одно­значно определяется распределением потока в пространстве. Следовательно, эти ха­рактеристики распределения следует объединить в одну группу (рис.2).

Таким образом, основ­ными влияющими на биологический объект параметрами ОИ являются поверх­ностная плотность потока излучения и спектральное распределение энергии. В связи с этим важной задачей совершенствования технических средств ОИ является создание и модернизация приборов, установок и технологических процессов, оптимизированных по спектральным характеристикам и по мощности облу­чения

Рис.2 – Параметры распределения характеристик ОИ

Фотобиологические реакции в растениях происходят по схеме: первичные фотофи­зические реакции - первичные фотохимические реакции - биохимические ре­акции. Некоторые особенности фотобиологических реакций проявляются уже на первичных стадиях поглощения излучения. Имеется в виду фотоадап­тация биологических приемников излучения, их "приспосабливание" к свето­вым условиям, позволяющее биообъекту выжить и репродуцировать.

Анализ литературы [3] показывает, что в светокультуре необходимо классифи­цировать виды ЭОП, исходя из различных взаимосвязанных признаков, например, типа фотопроцесса, имеющего место в объекте и спектрального диапазона излучения. Это связано с энергией кванта, которая в ИК-диапазоне способна лишь на тепловое воздействие. И только излучение с длиной волны λ < 700 нм может производить в веществе химические превращения, так как энергия кванта в этом спектральном диапазоне становится больше энергии химиче­ских связей, которая в большинстве случаев составляет 40 ккал/моль и более [4].

Один вид ЭОП может вызывать разные комбинации биологических процессов в растениях. Например, облучение растений охватывает фо­тосинтез (энергетический процесс), биосинтез хлорофилла (биосинтетиче­ский процесс) и морфогенез, фотопериодизм, тропизм (информационные процес­сы). Это подтверждает сложность биообъектов и разносторонние требования к ОИ.

Любой процесс облучения можно представить в виде последовательности этапов: преобразование электроэнергии в оптиче­ский поток в источнике излучения; передачу потока; превращение лучистой энергии в другой вид при ее поглощении объектом. Это дало основание го­ворить о технологическом процессе облучения как самостоятельном технологическом процессе [2].

Видовые особенности реакции различных объектов АПК на воздейст­вие ОИ, наличие различных несравнимых между собой схем применения ОИ допускают отказ от анализа физико-химических и фотофизических реакций, происходящих в облучаемом объекте. Основным критерием в оценке эффек­тивности преобразования энергии на различных этапах при этом становится энергоемкость, которая должна рассматриваться в энергетических расчетах, как минимальная потребность в энергии на единицувыпускаемой продукции [2]..

Тогда все резервы энергосбережения в процессе эксплуатации установок оптического облучения могут быть разбиты на две группы: резер­вы, имеющие реализацию путем оптимизации условий эксплуатации и резер­вы, могущие быть реализованы совершенствованием облучательного обору­дования. К первой группе должны быть отнесены мероприятия по стабилиза­ции величины питающего напряжения, соблюдение режимов обслуживания, оптимизация технологических режимов; ко второй группе - выбор опти­мальных источников излучения, облучательного оборудования, внедрение прогрессивных приемов и технологий облучения.

Список литературы

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

2.Карпов В.Н.,Ракутько С.А. Энергосбережение в оптических технологиях. Прикладная теория и частные методики. – СПб.:СПбГАУ,2009. – 100 с.

3.Рождественский В. И., Клешнин А. Ф. Управляемое культивирование растений в искусственной среде/ Наука. -М., 2000 – 199 с.

4.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.

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

6. 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.

Код для цитирования: Скопировать