1. Характеристика отрасли и предприятия
1.1 Состояние отрасли и анализ производства овощей в тепличных условиях
За последние пять лет сбор овощей по России увеличился в среднем на 12% по большей части за счет регионов с более мягким климатом. Общее направление, указывающее на лидерство в производстве овощей Личным подсобным хозяйством, не изменилось с течением времени и в среднем составляет около 70 – 80%. В настоящие время на территории Сибири общая площадь, занятая сооружениями защищённого грунта составляет 250 га, что обеспечивает 47 тыс. т. овощной продукции для населения края.
В валовом сборе овощей всеми категориями хозяйств за 2015 – 2020 гг. увеличилась доля овощной тепличной продукции: с 6% до 13 %. Однако урожай тепличных овощей в сельскохозяйственных организациях более значительный: 1990 г. – 10,5%, 2012 г. – 23%, 2017 г. – 28%. Тем не менее в защищенном грунте выращивается узкий ассортимент продукции – в основном томаты и огурцы. Рост объемов производства в первом квартале 2020 года, действительно, внушительный. По состоянию на 18 мая 2020 года в теплицах России собрано 450,9 тысяч тонн тепличных овощей, что на 25,1% выше уровня прошлого года (360,2 тысяч тонн), — В том числе, огурцов — 317,2 тысяч тонн, что на 24,8% выше уровня прошлого года (254,1 тысяч тонн), томатов — 125,7 тысяч тонн, что на 27,3% выше уровня прошлого года (98,7 тыс. тонн). В наши дни уровень самообеспеченности по огурцам достигает 85%, томатов – 55%.
По оценкам ассоциации «Теплицы России», объем производства продукции достиг уровня 1,37 млн. т. овощей в год, а общая площадь сооружений защищенного грунта в стране в 2020 году выросла более 3000 га. Соотношение теплиц в России следующее: 70% – зимние теплицы, 30% – весенние теплицы. Однако имеется динамика увеличения мощности пленочных теплиц в регионах с более мягким климатом. Так, за 1 полугодие 2018 г. введено в действие 3,3 га таких сооружений закрытого грунта в Северокавказском ФО и Приволжском ФО.
Доля площади тепличного хозяйства Сибирского ФО за последние пять лет возросла с 11% до 14% в общей площади защищенного грунта в России. Суровый сибирский климат препятствует расширению площади зимних теплиц на территории региона. Поэтому на текущий момент в Сибирском ФО сложилась следующая модель соотношения сооружений защищенного грунта: 28% – зимние теплицы, 72% – весенние теплицы.
Развитие овощеводства закрытого грунта будет возмещать снижение доли импорта и сокращение производства в личных подсобных хозяйствах. По расчетам ЦОЭ, в течение следующих пяти лет доля импортных овощей на российском рынке может уменьшиться с 16% до 10%, объем овощей, выращиваемых на личных подсобных хозяйствах, - с 52% до 45%", - сообщают эксперты. В 2019 году в РФ было импортировано 558 тыс. тонн томатов и около 100 тыс. тонн огурцов.
В алтайском крае тепличное хозяйство базируется на двух весьма крупных организациях: Тепличный комбинат «ОАО Индустриальный» и ГКУПТК «Спутник». Менее значимыми являются тепличные комплексы в Бийске, Заринске, Рубцовске и т.д. Площадь указанных теплиц составляет 49 га.
?
1.2 Характеристика производственного объекта
Крупнейшим предприятием Барнаула, занимающимся выращиванием плодовоовощной продукции в условиях защищённого грунта является ОАО «Индустриальный».
Рис. 1 – Теплицы ОАО «Индустриальный»
На правах бессрочного пользования оно имеет производственный участок, площадью 161,6 га. Сюда входит общая площадь ангарных теплиц с 15 производственными участками (26,15 га) и территория открытого грунта (63 га). Каждая из теплиц снабжена системой обеспечения микроклимата. Тепличным комбинатом за 2020г было выращено более 6 тыс. т. овощной продукции. На данный момент урожайность огурцов составляет порядка 100 кг с 1 кв. м в год, а томатов около 50 кг с 1 кв. м в год
В настоящее время комбинатом выращиваются: зелено-овощные культуры, перцы, баклажаны, томаты, огурцы и т.д. В целом 11 наименований продукции. ОАО «Индустриальный» постоянно наращивает свои производственные мощности. Основное направление подобных мероприятий - это реконструкция старых теплиц и возведение новых, применение инновационных технологий, направленных на энергосбережение и увеличение объёмов производимой продукции за единицу времени.
?
1.3 Техническое предложение
Продукция, производимая на ТК «Индустриальный» отвечает всем стандартам качества, а, следовательно, и требованиям потребителей. Её конкурентоспособность находится на высочайшем уровне, и имеет тенденцию к возрастанию. Важным вопросом предприятия является увеличение эффективность производства. В настоящее время на производстве разработаны мероприятия по переоборудованию устаревших объектов и внедрению на них современных технологий. Параллельно с деятельностью предприятия идёт, и работа по выполнению подобных мероприятий.
Прежде всего выращивать овощную продукцию начали на субстрате из минеральной ваты на территории, площадью 4,1 га. Внедрили перспективные сорта зелено-овощных культур, такие как базилик «Философ» раннеспелый, кинза «Афицион» и т.д. отвечающих высоким вкусовым качествам и лёгким переносом транспортировки.
Необходимым условием конкурентоспособности является строительство новых теплиц, выполненных по современным технологиям, а также модернизация уже имеющихся, с использованием современных технологий.
В данном дипломном проекте предлагается модернизировать систему освещения и облучения на участке производства зелено-овощных культур. Суть идеи заключается в использовании современных светодиодных источников света вместо используемых в настоящее время источников света с внутренним зеркальным отражателем (натриевые лампы типа ДнАЗ). И вместе с ними использовать современные методы автоматического управления светом. Такое решение позволит значительно сократить расход электроэнергии на освещение, за счёт использование меньшего количества более эффективных светильников и значительно сократить количество работ по обслуживанию облучающих установок, а также улучшить световые показатели.?
2. Анализ описания технологического освещения овощей в защитном грунте
Для создания оптимального микроклимата в растениеводческих комплексах применяют остекление либо покрытие каркаса теплицы плёнкой из специального материала. В некоторые сезонные периоды солнечного излучения не хватает для того, чтобы возместить весь спектр метеорологических условий. Посредством комплекса специальных технических средств в теплице поддерживается практически неизменный микроклимат вне зависимости от воздействия внешней среды. С помощью систем отопления, вентиляции, освещения и дождевания формируются необходимые условия для благоприятного роста растений.
2.1 Особенности освещения и облучения растений в теплицах
Солнечное излучение, она же солнечная радиация является неотъемлемой составляющей здорового роста и развития растений. С её помощью реализуются важнейшие процессы преобразования питательных веществ.
Фотосинтез – это процесс преобразования солнечного излучения в энергию химических связей. Растение потребляет из почвы простые химические соединения, доставляет их по стеблю в растворённом виде до органов фотосинтеза, то есть листья и, используя энергию квантов света, углекислый газ СО2 и воду преобразует простые химические соединения в сложные. Такие соединения называют ассимилянты. После этого в растении происходит физиологический процесс, обратный фотосинтезу. Он называется дыхание. Во время дыхания происходит окисление ассимилянтов, образовавшихся в процессе фотосинтеза, которое, обычно, происходит ночью. Во время этого процесса выделяется большое количество энергии, которое и тратится на развитие растения.
Большая часть России располагается в 1, 2 и 3 световых зонах Земного шара (Рисунок 2). Приход солнечного излучения увеличивается при движении с Севера к экватору. Так же стоит иметь в виду, что зимой уменьшается продолжительность светового дня.
Рисунок 2 – Световые зоны Земли
Из-за этого в зимний период растительность не получает необходимый объём солнечной радиации.
В период с марта по сентябрь цена за 1кг огурцов падает ввиду увеличения интенсивности солнечного света и повышения температуры окружающей среды, что снижает энергозатраты на выращивание последних.
Из всего вышесказанного следует, что для выращивания максимальных объёмов на протяжении всего года в теплицах необходимо использовать системы облучения и досвечивания. Так же следует отметить следующее: продолжительность плодоносящего периода огурцов составляет 45 недель в год. Без использования светокультуры урожай составляет в среднем 45-50 кг с 1 м2, а при искусственном досвечивании урожай может составлять до 140 кг с 1 м2.
Определённая часть света проникает в теплицу через наружное остекление. Свет, попадающий из вне называется диффузным. В разное время года доля диффузного света колеблется в широких пределах. Максимальный его процент преобладает (75%) в зимнее время года либо в период туманных и облачных дней. Лучи света, попадающие непосредственно, на грунт согревают его. Это благотворно сказывается на развитии растений. Тепло проникает глубоко в грунт и надёжно в нём удерживается.
Некоторое количество солнечных лучей отражается от стекла. Доля отражённого света составляет не менее 10%. Эта величина также зависит и от отражающих свойств конструкции теплицы. Фактором, существенно ухудшающим прохождение солнечного света, является загрязнение стеклянного покрытия теплицы. Пыль, осевшая на кровле способна ослабить свет на 30%. Исходя из этого сооружения защищённого грунта следует размещать по возможность вдали от разного рода котельных и теплоцентралей. В некоторых случаях расположить теплицу вблизи источника теплоносителя является необходимым условием. В таком случае строительство размещают в максимальном удалении от источника загрязнения и с подветренной стороны. Такие меры позволяют снизить влияние загрязняющего фактора на свето-прозрачную кровлю.
Прозрачность стекла может составлять 56% в загрязнённом состоянии и до 82% в очищенном. Особо внимание чистке стёкол требуется уделять в период с октября по ноябрь так как в этот период активность солнца минимальна.
2.2 Фитолампы
Фитолампы – это светодиодные лампы для растений, которые в последние годы пользуются большой популярностью у садоводов, огородников и в промышленном освещении в теплицах. Особенно диодные лампы актуальны для северных районов, где световой день короткий, и рассаде просто не хватает солнечного света, для стабильного плодоношения.
Современный рынок усовершенствуется с каждым днем. Существенные перемены происходят и в тепличном освещении. Привычные лампы накалывания и люминесцентная подсветка постепенно уходят в прошлое, достойным их последователями становятся светодиодные светильники для теплиц.
Конечно, растения «под лампами» выращивали всегда, но до появления светодиодных ламп это было намного сложнее. Лампы накаливания дают много тепла, зачастую вредного для растений, их спектр нельзя отрегулировать простыми методами, а потери электричества иногда были достаточно ощутимыми – особенно, в тех регионах, где электроэнергия дорогая.
Светодиодные фитолампы облегчают и удешевиляют уход за растениями.
2.2.1 Особенности светодиодных светильников
Светодиодные светильники предоставляют растениям необходимый для их развития свет, преобразовывающийся в волны различной длины. Таким образом, флора теплиц поглощает только тот спектр излучения, в котором больше всего нуждается.
Кроме того, излучения светильников максимально приближено к естественным солнечным лучам. В их спектр входят только полезные для роста растений волны.
В перечень значимых преимуществ так же включены:
• Стабильность заданного освещения на протяжении необходимого времени.
• КПД светодиодов превышает отметку в 80%.
• В спектре отсутствуют ультрафиолетовые и инфракрасные волны.
• Высокие показатели экологичности.
• Освещение растений теплиц только волнами определенного спектра.
• Сравнительно низкий уровень энергозатрат по сравнению с другими видами освещения.
Единственным минусом применения светодиодных светильников в теплицах является его относительно высокая стоимость. Но это нивелируется достаточно быстрой окупаемостью, за счет многократного улучшения показателей освещенности выращиваемых растений, а также улучшения их плодоношения.
2.2.2 Виды светодиодного освещения
Производители классифицируют несколько видов светодиодных приборов, из которых потребитель может выбрать себе тот, который будет соответствовать количеству стеллажей и площади в теплице и типу растений. Различают следующие виды осветительных приборов:
• Одиночные светильники – подсветка данной формы применяется для выращивания небольшого количества рассады.
• Трубы – незаменимый выбор, если в теплице размещаются узкие и длинные стеллажи.
• Прожектора – приборы, способные осветить растения, занимающие значительную площадь и с большего расстояния.
• Таблетки – квадратные формы светильника позволяют обеспечить профессиональное освещение стеллажей широкого формата.
• Ленты – осветительные приборы, которые можно размещать в произвольном порядке. Зачастую, данный вид осветительного оборудования изготавливают своими руками.
2.2.3 Светодиодные лампы для теплиц
Светодиодные лампы не боятся воды, поэтому можно не переживать, если в случае полива, жидкость попадет на их поверхность. Такие приборы не перегреваются, что дает возможность не беспокоиться о повышение необходимой для растительности температуры.
Преобразованные led — устройствами лучи в синем и красном спектре способствуют ускорению развития рассады, бутонизации, цветению и плодоношению. Длина волн способна практически достигнуть корневой системы растения.
Все лампы данного вида производители изготавливают под различные типы цоколей, а продуманное до мелочей покрытие приборов предотвращает развитие коррозии.
Светодиодные лампы можно приобрести по отдельности, смонтировав для них специальную крепежную систему либо купить уже готовую под это ленту.
Все осветительные устройства представлены на рынке двумя видами:
• Постоянными.
• Фотопериодическими.
Последние используют для круглосуточного освещения теплицы, а первые – для продления светового дня, то есть на определенное количество часов. Их выбор зависит от типа, выращиваемой продукции. Так как светодиоды бывают разных цветовых спектров, для достижения определенных задач их можно объединять. За счет использования ламп, которые излучают отличные длины волн, можно значительно увеличить урожай.
2.2.4 Светодиодные прожектора для теплиц
Светодиодные прожектора могут использоваться в теплице в качестве основного и дополнительного освещения. Их основная задача ничем не отличается от целей других осветительных устройств – спектр волн должен способствовать обогащению растений во время цветения, а также вегетации. Важное преимущество данного прибора – повышенная герметичность, что играет роль в теплицах, в которых наблюдается повышенная влажность.
В спектр прожектора можно включить любые из перечисленных волн:
• Синий – ускоряет рост растений. Ее длина составляет от 450 до 465 нм
• Красную – положительно влияет на процессы роста и цветения растений. Длина – 620 – 635 нм.
• Ультрафиолетовую – способствует росту растений и уничтожает вредных насекомых. Однако УФ волны, длина которых составляет 380 нм, являются вредными для человеческого здоровья, поэтому их не включают в стандартную модификацию. Но при желании потребителя, производители могут добавить в сборку и ультрафиолетовый спектр.
• Инфракрасную – ускоряет рост растений, но имеет отрицательное влияние на здоровье человека. Поэтому данного спектра, как и УФ волн, нет в стандартной сборке. Однако при желании, нет ничего невозможного. Заботливые о клиентах производители светодиодов могут добавить ИК волны в модификацию.
?
3. Анализ длин волн светодиодов, виды, спектр
Современные светодиоды перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра: от красного до фиолетового цвета. Диапазон длин волн излучения светодиодов в красной области спектра составляет от 620 до 635 нм, в оранжевой – от 610 до 620 нм, в жёлтой – от 585 до 595 нм, в зелёной – от 520 до 535 нм, в голубой – от 465 до 475 нм и в синей – от 450 до 465 нм. Таким образом, составляя комбинации из светодиодов разных цветовых групп, можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне.
Следует отметить и другие преимущества светодиодов, например, малую потребляемую электрическую мощность и, как следствие, низкое потребление электроэнергии устройствами на основе светодиодов. Кроме того, стоит учитывать, что излучение светодиодов направленное, а это позволяет эффективнее использовать источники света на их основе. Также надо принимать во внимание, что время жизни светодиодов превышает время жизни ламп минимум в несколько раз, что делает применение светодиодов крайне эффективным в экономическом плане.
Интенсивность излучения светодиода зависит от протекающего через кристалл тока. Это позволяет управлять интенсивностью из лучения светодиодного светильника, причём относительно легко – путём изменения значения тока. Если использовать в светильнике светодиоды с разными значениями длины волны излучения, то, изменяя ток для разных светодиодов, можно получать различные по составу и интенсивности спектры излучения и таким образом подбирать спектр светильника в зависимости от конкретного этапа развития растения.
Здесь нельзя не сказать о том, что современные теплицы представляют собой сложные технические комплексы, в большей части роботизированные. Управление ими осуществляется при помощи автоматизированных систем, в которые достаточно органично можно добавить и управление освещением, причём как по интенсивности, так и по спектральному составу излучения, и производить такие управляющие операции по программам, учитывающим фазу развития растений.
В довершение всего светодиоды, в отличие от ламп, не являются хрупкими, поэтому устройства на их основе могут быть вандалоустойчивыми, а возможность низковольтного питания делает их безопасными, то есть не являющимися потенциальными источниками возникновения пожара или взрыва [3].
Всё перечисленное делает светодиодные светильники крайне привлекательными для использования в тепличном освещении. Для того чтобы оценить их возможности, нужно сравнить параметры светодиодных источников света и ныне применяемых в тепличном хозяйстве ламп.
В настоящее время для искусственного освещения растений используются лампы особого типа, которые называются аграрными. На рис. 3 представлен спектр аграрной натриевой лампы. На рис. 3 приведена кривая относительной спектральной эффективности фотосинтеза [4]. На кривой рис. 3 чётко видны максимумы в диапазоне длин волн 400–500 нм, который соответствует синей спектральной области (левый широкий максимум), и в диапазоне 600–700 нм, который соответствует красной спектральной области (правый широкий максимум).
Рис. 3. Спектр аграрной натриевой лампы
Эффективность источника света можно оценить по количеству люменов излучаемого светового потока, приходящихся на один ватт потребляемой источником мощности. Однако в данном случае это будет не совсем корректно. Например, глаз человека воспринимает цвета по-разному, пик его чувствительности лежит в зелёной области спектра, таким образом, источник синего или красного света нам будет казаться более тусклым, чем источник зелёного такой же оптической мощности. Клетки растений тоже не все длины волн воспринимают одинаково, разные диапазоны излучения влияют на протекание процессов фотосинтеза по-своему. Поэтому использование светильников одной и той же мощности, но различающихся по спектральному составу, приводит к разным результатам. С учётом этого по аналогии с кривой чувствительности человеческого глаза строится усреднённая кривая эффективности фотосинтеза (рис. 4), и с помощью этой кривой оценивается эффективность использования спектра источника света.
Рис. 4. Относительная спектральная эффективность фотосинтеза
Излучение в диапазоне волн от 400 до 700 нм оказывает наибольшее влияние на протекание фотосинтеза и называется фотосинтетически активным. Существует стандартный параметр, характеризующий «яркость» источника света для растения, – количество фотонов с длиной волны от 400 до 700 нм, излучаемых за одну секунду. Эта величина называется фотосинтетическим фотонным потоком (Photosynthetic Photon Flux – PPF) и измеряется в микромолях фотонов в секунду, а отношение PPF к потребляемой мощности рассматривается как коэффициент эффективности источника излучения.
Помимо показателей эффективности большое значение имеет состав спектра излучения. Ранее уже приводилось оптимальное соотношение энергий по спектру: 30% – в синей области, 20% – в зелёной и 50% – в красной. Такое соотношение обеспечивает выращивание полноценных растений, а сильное нарушение его приводит к отклонениям в развитии. Например, если большая часть энергии излучения приходится на синюю область спектра, это приводит к формированию низкорослых растений с высоким фотосинтезом, но низкой продуктивностью. Сильная накачка красным, наоборот, приводит к излишнему росту вегетативных органов в ущерб генеративным.
Таким образом, два типа источников света – натриевые лампы и светодиодные светильники – надо сравнивать по следующим параметрам: эффективность использования спектра источника, соотношение PPF/Вт и состав спектра.
На рис. 5 представлены спектры натриевой лампы высокого давления, светодиодного светильника XLight и кривая эффективности фотосинтеза.
