авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ

Ерохин, Алексей Николаевич

Оптимизация системы освещения растений для

конвейерной цилиндрической салатной

оранжереи как компонента СЖО пилотируемого

космического корабля

Москва

Российская государственная библиотека

diss.rsl.ru

2006

Ерохин, Алексей Николаевич.

   Оптимизация системы освещения растений для конвейерной цилиндрической салатной оранжереи как компонента СЖО пилотируемого космического корабля [Электронный ресурс] : Дис. ... канд. техн. наук

 : 05.26.02. ­ М.: РГБ, 2006. ­ (Из фондов Российской Государственной Библиотеки).

Транспорт ­­ Межпланетные полёты ­­ Космонавтика ­­ Оборудование космических летательных аппаратов ­­ Оборудование для обеспечения жизнедеятельности ­­ Высотное оборудование ­­ Оборудование герметических кабин Сельское хозяйство ­­ Сельскохозяйственные постройки ­­ Постройки для отраслей растениеводства ­­ Оранжереи ­­ Освещение Безопасность в чрезвычайных ситуациях (по отраслям) Полный текст:

http://diss.rsl.ru/diss/06/0552/060552002.pdf Текст воспроизводится по экземпляру, находящемуся в фонде РГБ:

Ерохин, Алексей Николаевич Оптимизация системы освещения растений для конвейерной цилиндрической салатной оранжереи как компонента СЖО пилотируемого космического корабля Москва  Российская государственная библиотека, 2006 (электронный текст) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

удк 629.7. 61:06-5/ ЕРОХИН АЛЕКСЕИ НИКОЛАЕВИЧ "ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕППЯ РАСТЕППЙ КОПВЕЙЕРНОЙ ЦПЛППДРИЧЕСКОЙ САЛАТПОИ ОРАПЖЕРЕП КАК КОМПОПЕПТА СЖО ППЛОТПРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ" Специальность: 05.26.02 - БЕЗОПАСНОСТЬ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ (АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук Беркович Ю.А.

МОСКВА - СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ ВВЕДЕНИЕ Гл. 1. ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ И СВЕТОВОГО и РЕЖИМА НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ САЛАТНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ОРАНЖЕРЕИ 1,1 Влияние интенсивности фотосинтетически активной радиации и концентрации СОг на продуктивность носева и длительность товарной вегетации. 1.2. Основные подходы к моделированию фотосинтеза носева. Зависимость продуктивности от листового индекса посева. 1.3. Зависимость продуктивности посева растений от спектральньк характеристик излучения.

1.3.1 Основные требования к спектральному составу излучения источников света, ^ применяемых в светокультуре растений 1.3.2. Характеристики современных светоизлучающих диодов 1.3.3 Конструкции светильников на основе светоизлучающих диодов для космических оранжерей.,' " 1.3.4. Результаты вегетационных опытов с использованием светодиодных светильников. 1.4. Влияние нространственной организации светового поля на нродуктивность посева растений ГЛ.2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ САМОРАЗДВИГАЮЩИХСЯ ПОСЕВОВ РАСТЕНИЙ НА ВЫПУКЛЫХ ф ПОСАДОЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ 2.1. Задача моделирования уделльной продуктивности космической оранжереи и оптимизации эффективности ее работы за счёт характеристик системы освещения 2.2. Модель фотосинтетической продуктивности зеленных растений в конвейерной " цилиндрической оранжерее. 2.3. Исследование распределения площади фотосинтезирующих листьев по объему посева * 2.4. Моделирование распределения света в посевах зеленных растений. 2.5. Исследование фотосинтетической активности листьев в различных ^ ярусах посева 2.6. Особенности моделирования конвейерного цилиндрического посева и идентификация параметров математической модели. ГЛ.З. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ НА СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДАХ ДЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ Т КОНВЕЙЕРНОЙ САЛАТНОЙ ОРАНЖЕРЕИ V 3.1. Оценка влияния эффекта самораздвижения растений на цилиндрической посадочной поверхности на продуктивность конвейерного посева. 3.2. Оптимизация параметров системы освещения с использованием разработанной модели. 3.3. Описание конструкции опытных образцов конвейерных цилиндрических салатных оранжерей "Фитоцикл-СД" и "Фитоконвейер" с разработанной системой освещения 3.4. Испытания разработанной системы освещения. Результаты вегетационных опытов по выращиванию салатных культур в цилиндрических оранжереях ф со светильниками на светодиодах. Основные результаты и выводы Список цитированных литературных источников ПРИЛОЖЕНИЕ '' \ Принятые сокращения ФАР - фотосинтетически-активная радиация 1 СЖО - система жизнеобеснечения;

V КМ - корневой модуль;

КО - космическая оранжерея;

МКС - международная космическая станция;

СД - светоизлучающий диод;

ППФ - нлотность нотока фотонов;

ВВЕДЕНИЕ Идея обеспечения жизнедеятельности людей в дальних космических экснедициях с помощью вегетирующих растений разрабатывалась ещё в начале прощлого столетия основоположниками отечествен1юй космонавтики К.Э. Циолковским (1906) и А.Ф.

I Цандером. (1928) н продолжает оставаться актуальной в настоящее время. С ноявле1Н1ем орбитальных станций «Салют» и «Мир» ее развитие получило повый импульс. На борту орбитальных станций стали систематически нроводиться экснерименты с растениями.

В 2004 г. США, Россия и ряд других космических держав объявили о своих намереииях осуществить в ближайшем будущем экспедицию па Марс. Тем самым специалисты многих стран нерешли от разработки концепций подготовки далып1х кослп1ческих экспедиций и постояпно действующих илаиетиых баз к решеиию конкретных технических задач и разработке аппаратуры. Много усилий направляется, в частпости, на создание биологической комноненты СЖО, основной и неотъемлемой частью которой является звено высщих растений. Растення в составе СЖО могут выполнять такие функции как: улучщение рациона питания экинажа, регенерация атмосферы, регенерация воды, утилизация некоторых отходов, психологическая ноддержка экипажа. К пастоящему времепи разработаны и успешно иснытаны в космосе десятки образцов вегетацнонной анпаратуры, примепяелюй в исследовательских целях (Berkovich, 1996;

Scarascia-Mugnozza and Schettini, 2002;

Berkovich et al., 2005).

J Многочисленные экснерименты по выращиванню растений в условиях космического полета позволили сформулировать комплекс требовапий, предъявляемых к среде обитания растений в космических оранжереях (КО). Нрактпчески все известные в настоящее время конструкции КО создавались не с целью обеспечения высокой нроизводительности съедобиой биомассы и внесения вклада в нищевой рацион космонавтов, а для нроведения научных экснернментов с растспнями в хорощо контролируемой среде обитания в условиях космического нолёта. Меисду тем, к нронзводственным космическим оранжереям, предназначенным для производства растительной нищи в составе СЖО, предъявляется ряд дополпительных требоваиий.

Производствеииые КО на борту пилотируемого космического аппарата обязаны постоянно находиться в рабочем состоянии, следователыю, они должны удовлетворят!

Жёстким ограннчениям, нредъявляемым к любой нодсистеме СЖО. В частности, должны быть лншнмизнроваиы как нотребляемые бортовые ресурсы, такие как масса оборудова1Н1я, заиимаемый объем, мощность энсргопотреблепия, водонотребление, трудозатраты иа обслуживание и др., так и выделяемые оранжереей потоки тепла, влаги и отходы. На современном этапе при подготовке к длительным межпланетным экспедициям стала актуальпой задача оптимизации конструкции производственной космической оранжереи с целью получения требуемого урожая нолезной биомассы при минимальном расходе бортовых ресурсов космической станции. Поскольку единственным пилотируемым космическим аппаратом длительного действия в настоящее время является Международная космическая станция, отработка конструкции перспективных производстве1И1ых оранжерей для СЖО экипажей должна нроизводится в первую очередь на ней. Однако, до полётных иснытаний предстояло выполиить больщой объём наземных исследований.

Рассматривая пути экономии таких ресурсов как объем и энергия, разработчики ораижерей довольно давно пришли к идее раздвижения посева по мере роста растеиий как средства более эффективиого использоваиия падающего па растеиия светового потока (Чучкин, 1967). Предлагался ряд способов раздвижеиия посева, которые, однако, оказались технически сложиыми и трудоемкими. В качестве иерснективной идеи, нозиоляющей создать экономичную производственную космическую оранжерею, в ИМБП был предложеп способ посадки и выращивания посевов иа выпуклых криволинейных поверхностях с иснользованием внешнего но отношению к посевам и когщентрически расположенного светильника такой же формы, что и посадочпая поверхность. Как ноказали оныты по выращнванию растеннй на советских космических станциях, нри отсутствии силы тяжести нобеги стеблевых растений в посеве ориентируются вдоль иормалей к посадочной поверхности за счет фототропических реакций (Машинский и др., 1988;

Ivanova et al., 1992;

Berkovich et al, 1997c). Это позволяет сформировать в условиях невесомости принципиально новую самораздвигающуюся структуру носева на криволииейных посадочных поверхностях. Направления стеблей растеиий в таких посевах являются расходящимися, т.е. расстояния мелсду верхущками растений по мере их роста увеличиваются. В таких посевах, умеиьшается взаимное затененне листьев и улучшается светораспределение внутри растительиого слоя. Принимая во внимание этот эффект, был нредложен ряд нринциниально новых комно1ювок ора1глерей для условий микрогравитации сферической посадоч1юй поверхностью (Беркович и др., 19796;

Беркович и др., 1982а;

Беркович и др., 19826), цилиндрической (Беркович и др., 1979а;

Беркович и Павловский, 1997) и тороидалыюй (Беркович и др., 1990). Были созданы наземные экспериментальные образцы оранжерей с цилиндрической посадочгюй иоверх1юстыо и вегетациощюй камерой в виде спиральиого цилиндра. В наземных онытах была отработана тех1юлогия выращивания листовых салатиых культур в этих оранжереях. (Berkovich et al., 1997;

Berkovich et al., 2000;

Berkovich et al., 2001;

Berkovich et al., 2003;

Berkovich et al., 2004a;

Berkovich et al., 2004b).).

В 2001 г. в результате анализа ресурсов на борту Российского сегмента МКС, нроведенного в отделе СЖО РКК "Энергия", была нодтвериодена возможность размещення нроизводственной салатной оранжереи иа борту МКС и определено, что MOHiHOCTb выделяемого на нее энергонотребления, в ближайщие годы сможет составлять величину не более 0,25 кВт. С учетом этой оценки в 2002 г. в рамках фннансируемого Меисдународным научно-техннческим цеитром (МНТЦ) Проекта №2137 была ноставлена задача создання нрототина конвейерной нроизводственной салатной космической оранжереи "Фитоконвейер" с нриемлемым на сегодня для Российского сегмента МКС энергонотреблением в 0,25 кВт, цри котором номинальная нроизводительность салатной зеле1ги составила бы не менее 40 грамм съедобной салатной бномассы в сутки. В качестве необходнмого этана отработки технологии выращиваиия растеиий иа МКС занланирован экснернмент с космической конвейерной оранжереей "Внтацикл Т", включённый в "Долгосрочную нрограмму научно-црнкладных исследований и экснериментов, нланируемых на Российском сегменте МКС" (версия 1999 года).

Прн разработке нрототина нолетной цнлнндрической оранжереи и возннкли задачи, решение которых легло в основу данной работы. Необходимо было оитимизировать конструкцию вегетационной установки но критерию максимума нронзводительности, отнесенной к основным затраченным ресурсам: электроэнергни, объёму и времени вегетации, а также обосновать научные рекомендации но выбору режима освещения для иосевов растеиий в вегетационных установках с учетом появления новых источников света для светокультуры растеиий - светоизлучающих диодов.

Извест1ю, что основным потребителем электроэнергни в оранжереях является система освещення растений. На ее долю обычно приходится до 60-70% всего эпергопотребления (Clawson et al., 1999, Cuello et al., 2001, Morrow et al, 2005).Вследствне этого, эффективность работы нроизводственной космической ораижереи в зиачительной стененн определяется техническнми характеристиками её светильника, что и делает актуальиой работу но оптимизации его характеристик в условиях жесткого ограничения но энергонотребленню.

Интенснвные исследовання и разработки по примеиеиию светоизлучающих диодов (СД) В11сокой интенсивности в светокультуре растеиий ведутся с иачала 1990-х годов в ряде лабораторий мира. Основные преимущества этих иолунроводниковых генераторов света состоит в следующем:

• новыщенная безонасность вследствие отсутствия деталей из стекла и узлов, работающих нри высокой темнературе;

• большая светоотдача ( ППФ до 1000 мкмоль м-2-c-l и выше);

• отсутствие в спектре излучения инфракрасной составляющей;

• относительно малые обьем и масса;

• возможность плавной регулировки яркости от О до максимальиого значе1н^я, при т этом кансдая спектральная составляющая может регулироваться отдельно;

• высокий ресурс работы при незначительной деградации;

• высокая световая эффективность, • меха1Н1ческая прочность.

Перечисленные свойства СД делает их весьма нерспективнымн для применення в космических оранжереях. Вследствие этого в прототипе космической коивейерпой производственной оранжереи впервые для российских разработок предложено использовать светильник на основе светоизлучающнх днодов.

Другой задачей работы являлась расчетная и экспериментальная оценки в наземных условиях производительпостн и эффективиости вегетациощюй устаповки с конвейерным самораздвигающимся носевом пекинской канусты. Биологическая продуктив!гость посева определяется интенсивностью нроцессов фотосинтеза и дыхания растегщй. Одним из основиых факторов, влияющих на интенсивность фотосинтеза посевов зеленных растений, является световой режим. Установленне колнчестве1Н1Ой завнсимости продуктивности посева от характеристик светового поля, создаваемого светильником для освещения носева в роетовой камере, дает возможность нанболее нолно интернретировать результаты нроводимых вегетациоиных онытов с растениями, а также позволяет в ряде случаев предсказать, как скажется измепение параметров установки на продуктивности посева. Наличие таких даиных позволяет также оптимизировать конструкцию вегетационной камеры и светильника.

Нам также представлялось важным нровести углублённый количественный анализ разлнчнй между самораздвигающимися носевами иа вынуклых посадочных новерхностях и традицио1Н1ыми нлоскнми посевами и оценить нотегнщальные нреимущества, которые может дать эффект самораздвижения в повышепии удельпой продуктивпости оранжереи.

Для решения указанных задач была разработана комньютерная модель нродуктнвности посевов, выращиваемых на вынуклых носадочных новерхностях и реализующая ее нрограмма в среде программирования MATLAB v. 6.5.

Компьютерная модель была использована при разработке прототипов вегетационных установок с самораздвигающимися носевами и светнльннками на основе светонзлучающнх диодов: «Фитоцикл СД» и «Фитокоивейер», моделирова1гия их иотенциальиой нродуктивности и анализа их эффективности.

Были проведены многочисленные опыты по выращиваиню посевов Пекииской капусты в устаповке «Фитоцикл СД». Данные вегетациоиных опытов совместно с расчетамн позволяют сделать вывод о высокой эффектив1юсти полетного прототииа вегетационного комплекса «Фитоконвейер». Таким образом, работы по теме даипой диссертации явились новым и необходимым этаиом разработки производствеппой ^ космической оранжереи для СЖО космических экипажей.

Цель нсследовання: разработка методики оптимизации системы освещепия "^ растещн"! для конвейерной цилиидрической салатной оранжереи как компонента СЖО пнлотнруемых космических кораблей и онтнмизация режимов освеще1щя прототипов космических оранжерей «Фитоцикл СД» и «Фитокопвейер»..

Основные задачн, которые были поставлепы и рещепы для достижения указаииой цели:

1. Анализ характеристик искусствеииых источников света и их влияния иа рост и развитие растений;

обоснование выбора источников света для конвейерной цилиидрической салатной космической оранжерен.

W 2. Разработка математической модели продукционного процесса в самораздвигающихся посевах па выпуклой цилиидрической посадоч1ЮЙ поверхности и создание на ее основе комньютерной нрограммы, нозволяющей моделировать результаты вегетационных опытов и оптимизировать копструкцию и режим работы блока \ освещеиия.

3. Разработка блоков освещения на светодиодах для ирототипов цилиндрических космических ораижерей «Фнтоцикл СД» и «Фитоконвейер» и оптимизация светового режима конвейерной цилиидрической салатиой космической оранжереи с использованием разработанной модели.

4. Апробация разработанных светодиодных светильннков в вегетационных • эксперимеитах в паземных нрототинах конвейерной цилиндрической салатной космической оранжереи..

Методы нсследованнй Разработка модели продукционного нроцесса в самораздвигающнхся носевах на вынуклой цилиндрической посадочной поверх1юсти основывалась на данных теории фотосннтетической продуктивности растещш и иа результатах вегетационных онытов, проведепных в нашей лаборатории ранее, а также вынолненных автором в процессе днссертацнонной работы. Все нараметры модели были либо нолучены из неносредствениых измереннй, либо определепы путем аппроксимации экспериментальных данных. Результаты моделирования также были многократно проверены нутем измерений в опытах с растениями. При выполнении работы было проведепо около 20 вегетации пекинской капусты общей нродолжительиостью 500 дней.

Конструктивиые решения отрабатывались экспернмеиталыю па физических лабораторных моделях.

Научная новнзна работы:

• впервые разработана математическая модель нродукцио1И10го процесса для копвейерпых самораздвигающихся иосевов растений иа выпуклой цилиндрической посадочной новерхности ;

• впервые разработаны и успешпо испытапы 2 модели цили1гдрического светильиика иа основе светодиодов для коивейерных цилиидрических салатиых оранжерей "Фитоцикл СД" и "Фитоконвейер";

• впервые обоснованы оптимальпые параметры системы освещения для нрототипа конвейерной цилшгдрической салат1юй космической ораижереи ;

• впервые пайдены количественные оценки влияиия коицеитрации светового иотока и самораздвижепия растений иа цилиидрической посадочпой поверхпости на продуктив1юсть посева и удельную его продуктив1юсть на затраченные для выращнвания ресурсы;

• впервые получены эксперимеитальные данные о влиянии нараметров светового режима на удельную продуктивпость конвейерной цилиндрической оранжереи «Фитоцикл СД».

Основные результаты, выноснмые на защнту:

1. модель фотосинтетической продуктивиости самораздвигающихся посевов зелеппых растений в конвейерной цилиндрической оранжерее. На основе модели создана методика оптимизации светового режима в ораижереях такого типа с учетом ограничений на потребляемые ресурсы и производителыюсть устаиовки 2. реализация модели в виде комплекса компьютерных нрограмм в онерациои1юй среде MATLAB 6.5. нозволяющего раесчитг1вать зависимости абсолютиой п удельной продуктивности ораплсереи от конструктивных нараметров и режимов культивироваиия в области интенсивиостей освещения от 90 до 350 мкмоль м- -с-.

3. онтимизация светового режима для нрототина конвейерной цилиидрической салатной космической ораижереи «Фитокоивейер».

4. рекомендации для ироектировапия блока освещения аппаратуры «Витацикл Т» для проведепия одпоимеииого космического эксперимента па Российском сегмеитс МКС.

5. количествепиая оценка повышения абсолютной и удельной продуктивности за счет фактора самораздвижепия растений па выпуклой цилипдрической посадочиой I поверхности.

Пра1сгичсскан значимость работы заключается в следующем.

Компьютерпая программа, создаиная на ос1юве математической модели фотопродуктивности посевов, позволила сократилть в 6-7 раз число предварительных вегетационных опытов для оптимизации коцструкции и режима работы оранжереи.

Создаиы блоки освещения для наземных прототипов коивейерных оранжерей г «Фитоцикл СД» и «Фитокоивейер», иснользующихся при выполнеиии НИР лаборатории.

Получены оценки влияиия самораздвижения растений на цилипдрической г посадочной поверхпости на продуктивность и удельную продуктивность посева, которые позволили получить исходные данные для конструкции системы освещения в установке "Витацикл-Т";

техиическое задание на ироведеиия космического эксперимеита с этой устаповкой включеио в "Долгосрочиую программу пауч1ю прикладиых исследовапий и экспериментов, плаиируемых па Российском сегменте Международгюй космической станции" и согласоваио с нредставителями РКК "Энергия".

Апробация работы. Результаты и положения, изложенные в диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях :

1. Presentation 2005-01-2842 at The 35th International Conference on Environmental Systems and 8"" European Symposium on Space Environmental Control Systems, Rome, Italy. 11-14 July 2005.

2. Presentation 2004-01-2434 at The 34th International Conference on Environmental Systems, Colorado Springs, USA. 19-22 July 2004.

3. Presentation F4.2-0007-04 at The 35th COSPAR Scientific Assembly, Paris, France.

18-25 July 2004.

4. Доклад на конференции «Организм и окружающая среда: адаптация к экстремальным условиям», Москва, 3-5 гюября 2003 г.

5. Доклад iia Четвертом Меисаународном Аэрокосмическом Конгрессе, Москва, 18 23 августа 2003 г.

6. Доклад на Меисдународпой конференции «Системы и технологии будущего изучения и освоения космического нространства», Москва, 9-11 июня 2003 г, 7. Доклад на 12-ой Всероссийской школе «Экология и почвы», Пущино, 2003 г.

Публикации. Результаты и положения диссертации нзложепы в 4 статьях и од1юй монографии.

Реализация иолучениых результатов. Результаты работы внедрены в ГНЦ РФ ИМБП РАН и НИИ Импульспой техники Минатома РФ при создании конструкций экснериментальпых образцов конвейерных оранжерей "ФИТАЦИКЛ-СД" и "ФИТОКОНВЕЙЕР" в рамках Проекта №2137 Мелсдупародного научно-технического центра, а также в ФГУН НИИ Космнческого приборостроеиия Роскосмоса при разработке Технического задания на аннаратуру для космического экснеримента "ВИТАЦИКЛ-Т" на росснйском сегменте МКС.

Объем диссертации Диссертационная работа состоит из введегн^я, трех глав, заключения, основных результатов и выводов, приложепия и содержит 115 стр., включает 16 таблиц, 44 рисунков;

список литературы включает 63 иаименований.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Ю.А.Беркович, Н.М.Кривобок, С.О.Смоляиина, А.Н.Ерохин. Коемическпе ораижереи: иастоящее и будуп(ее. М. 0 0 0 Фирма «Слово», 2005. 367 с.

2. Ерохнн А.Н., Беркович Ю.А. Аиализ характеристик салатной космической opairncepeif е блоком освеп(еция иа светоизлучающих диодах.

Авиакосмическая и экологическая медицина. 2005, т.39, J b 1, стр. 36 - 43.

V 3. Berkovich, Yu.A., Krivobok N.M., SmoIianiHa S.O., Erokhin A.N., H. G. Levine.

Development and Operation of a Flight-Prototype Salad Machine "Phytoconveyer". SAE technical paper # 2005-01-2842.

4. Berkovich Yu.A., Erokhin A.N., Smolianina S.O., Prenger J.J., Levine H.G.

Development and testing of a cylindrical LED lighting unit for a conveyor-type salad production system. SAE Technical Paper 2004-01-2434.

5. A.N. Erokhin, Yu.A. Berkovich, S.O.Sniolianina, N.M.Krivobok, A.N. Agureev, S.K.Kalandarov.

Studies of the Efficiency of Cylindrical Salad Growth Facility with a Light Emitting Diodes Unit as a Component for Biological Life Support System for Space Crews Advance Life Support, 2004. В печати.

г л. 1. ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ И СВЕТОВОГО РЕЖИМА НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ САЛАТНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ОРАНЖЕРЕИ Продукцнонные нронесс!.!, нротекаютне и раегеппях, нрямо нлн косвенно связаны с нараметрамн релснма освеи1ення растенни (Гимирязеп. 1878). ДеГ1стиие света условно делят на две основные функннн - фотосннгегнческую н регулягорную. Характернстпки системы освещения должчн.! оиеснечпвать обе эти фу1нцнн. Онтнческое нзлученне, ocBemaioHiee ноеев растенни, должно обладать высокой фотоснн7етнческоп актнвностгло.

Снектральнып состав света должен обеснечнват!, развнтне здоровых растенни с нолноненнои но составу биомассой.

Оновные характеристики системы оевен1ення в космнческнх оранжереях можно класснфицировать, напрнмер, следукмцнм образом ( Перковнч и др, 2005):

а) тин нсточннка света (спектр нзлучения):

солнце, элек! ролам ны, светодиоды, сменкиигыи;

б) размсн1енне нсточннков света:

вне посева, внутрн носева, смеишниое, в) режим освен1ення:

нлотносп, нотока ФЛ1', фотоиернод, доза CBeroBoii энергнн за ие1етанн1о;

г) составля1онн1е :)квнвалентно|'1 массы оранжерен:

масса снстемы освен1ения.

энергонотреблемне н охлаждение, грудозатраты иа обелуживаиие.

надежность.

Помнмо режнма освещення, на нродукцно1ии.н'1 нронесс pacreHHii оказьишют влияние следуюнн1е основные нараметры окружа1он1еи среды (Хит, 1972):

leMiieparypa н влажность воздуха, коинентрання углекислого газа и кислорода в воздухе, температура н концентра1Н1я углекнслого газа и кислорода в корневой зоне растений.

pH II концентрация нонов нутрненю» и субсгратном растворе, темнература н влажносп. еубетрата в корневой зоне, концецтрацня загрязннтелеи воздуха, коццецтрацня мегаболцтов в корневой зоне н др.

Согласно работе (Перковнч н др., 2005), для регулнровання нараметров ередм раетеннй п КО цредуематрнваются еоответетвуюшне основные ноденс1ем1.1:

ф 1. снстемаосвен1ення;

J 2. система корневого снабже1Н1я;

3. снстема регулнрова1Н1я состава газовой средг.г;

4. CHCicMa термо[5лагорегулцро1!ання;

5. снстема контроля н унравлення.

В дашюй работе счнта;

1ос1,, что нодсцстемы 2-4 стабнлнзнруют вышеперечнсленные нараметры среды в доцустнмых днаназонах, ноэтому предметом онтнмнзаццц являлась работа только снстемы освещения.

Рассмотрцм связь ряда основных нараметров енетемы оевен1ення с нроцзводцтелы1ост1ю ц салатцой орацжерец.

1.1 Влияние интенсивности фотосинтетически активной радиации и концентрации СО2 на продуктивность посева и длительность товарной вегетации.

Образованне органнческнх веществ в лнсгьях растений цронсходцт в процессе фотосннтеза за счет энергии ноглони1е.\н1х квантов евега (Полевой, 1989). Фотосннтез происходит в органоидах растительиых клеток, хлоронластах, имеюин1х размеры 3- мкм. Хлоропласт содержит около 1000 тилакоидов - за\нснут1)1х нлоскнх образований, пмеющих диаметр порядка 500 нм. Именно вблизи мембран тнлакоидов, еодержаии1х активиые иигменты, прежде всего а н b хлорофнлы, нросходят нроцессы фотоснитеза.

ф Сложный ироцесс фотосицтеза, включающий хнюгосгуненчатые реак1Н1н с участнем ферментов, можно схс.хипически представить как Д1!е груииы реакций: 1 - реакции фотоднссоцнацни воды с выделеиием кислорода, 2 - реакции восстаиовлеиия двуокиси углерода до углевода.

2П2О i свст+хлорофил I I'iic.1.1. Схема и формул1.1 процсссои фотосппгсш.

Перенос атомок иодорода, образуютихея и iiepBoii группе реакции, во вторую группу оеуп1естиляется в последоиательпоети ферментативных стадии с участием активированного светом хлорофнла, как ноказапо ira схеме рпс. 1.1. Счптается, что возбужденне молекул фотоспнтетических нигмеитов могут осуп[ествлят1. только световые кванты с длниоП liOjHii.i в дпапазопе нрпблпзптельпо от 350 нм до 700 нм. Свет этого снектральною дпаназона называется фотоепп гетпческп активиои радпа[П1ей (ФАГ').

Несмотря на разлнчне состава органических вен1еств, образу1опн1хся в растеннях в результате фотосинтеза, состав бпомассы растеннн довольно стабилен но содержанию такпх хнмнческнх элеме1ггов как углерод, водород, киелород, н др. (Генкель, 1975) Сухая биомасса растеиин содержаит около 45% углерода. 1:слн нзвестна доля содержания углерода в биомассе растеиия Цс. можно определить в граммах колпчество сухой биомассы, накаплнваемон растспнем прп ноглон1е1НП1 в нронессе фотосинтеза 1 грамма двуокиси углерода: М= l2/(44-i]c)- Одновременно с фогосинтезом нроисходит дыхагнге растении, в коюром раиее наконлегнтя бномасса 1ютребляется с выделением энергии и СО2. Баланс этих двух ироцсссов образуег види.\н.н"|, нлн негто-, фотоеиитез.

Срав11ител1но легко измеряемую скорость accи^нlляпнн СО2 посевом, или его негто (вндимыи) фотосн1Г1ез, можно в нрос1енн1ем 1!иде связать с иродуктнвиостью посева в даиный момент, например, формулой :

ch ' - где М-сухая биомасса [юссва расгеи1и"|;

у = 0.211]' : F = F-R - иегго фотосинтез носева;

F - фотосннтез Hoeeiia;

R - дыхание иоссва;

/ - время.

.Выражение (1) иоснт назваиие закона Д)видсоиа-11ин1па ( Росс, 1975).

Даллее но тексту мы будем называть скоростью плп пптепсивпостью фотосннтеза видпмую екорость ассимиляцпн СО2 носевом расгенни.

Продуктивность фотосннтеза заинснт как от факгоров вненн1ен среды, так н от онтогенетического состояния листа. Известнгле модели фотоеннтеза лнста исходят из иредставлеиин о динамике ферментатнвных реакции, а также онисывают иереиос кислорода и двуокиси углерода между внутреииими областями хлороиластов и окружа1ои1ен средой в днффузиоиио.м нриближеиии. При уироии11онн1х нредиоложениях такая модель приводит к следующей завнснмостн скорости фотосинтеза листа F от ф 7 интенсивности освещения и коинентраци!"! СОг и О2 (Cliarles-Edwards, 1981).:

(2), здесь а -безразмерная иостояииая, h^a-I+Ti*-C+(R,/- a-'*I)*(i, c^-R,r(a-I+TiC)-u-I-(ri-C xrO), I - число фотонов поглощаемых в едиииис объема фогосиитетической системы листа, С и О - концентрации соответственно СОт н От в окружаюн1ем воздухе, Rj скорость темпового дыхання, а. г/ и г^- констаилы, которые могут быть выражены через скорости ферментативных реакцнй и коэф(|)Н1и1енты дн(1)фузни газовь1х комноиент.

Зависимость скорости фотосинтеза от интеиснвности освеи1еиня лнста носнт иазвание световой кривой фотосннтеза лнста. Волее простые модели фоюеинтеза нснользую'' эм1Н1рические формулы для световых кривых. Паиример, в работе (Гудрнаан, 1986) световая крнвая иредставлена в виде:

F = (F,,, +/?J-(l-exp(-a-//(F,,, +У?,)))-/;

,, (3) а в работе (Charles-ndwards, I98I) иредставлено несколько yiipoHieiiHoe выражхмгие:

(4) F = aIiCI(aI + TC)-Rj Здесь Fin, а\\т- постоянные величины, характернзуюище еветовую крнвую. При елабой освещсииоети ироцесс темнового дыхання иреобладает, и видимьи"! фотосинтез отрицателен. Коэффициеит a=dF/dl (нри маюй интеисивиости света) характеризует эффективность исиользоваиия растеннем света 1Н13кой интенсивиостн. Другой характеристикой является иигенсивиость освеи1еиия 1^. нрн когорой види\ии"| фотосиитез равен нулю F(lc)=O, нли гак иаз1,1ваем1.н"| светово!! ко.\н1еисациоииьи"1 иункт.

Ком11енсацио1И1ый цуикт определяется величиной TCNHIOBOIO Д1.1хання Ic^R/a. Прн больнюй ocBeHieiHiociH скорость фотосннтеза достигает иасыщеиия. Скорость фотосиитеза при иасыщеции Fm и нитеиснвиость освен1ения I,,,^F,,/a, нри которой достигается иасьмценне, также являютея характеристиками световой кривой фотосинтеза.

Листья светолюбивых растений нмеюг монин.н"! (|)огосни1етичееки1'| аниарат. 11асьице1И1е фотоеиитеза у иих,\южет цастуца1ь нрн /;

„^8()0 - 1000 MKMOJH, М'^-С"', т.е. нрн ннтенснвностн света, сравнн,\юй с интенсивиост1ю прямого еолиечиого оевеи1еиия.

Величина F,,, у светолюбивых растсинй достигает зиачеииГ! (2-^2.5)-10"^ г(С02)-м"^-с"' (Гудриааи, 1986).

I.O т-' ОО W о и U. О. о О н о е О.О IOO 2ОО ЗОО ППс1), Вт-м Рис. 1.2 а. Световые кривые фотосиитеча.чистьев томата, выраи1еииых ири облучеииости 20, 50 и 80 Вт/м^ ири нормальной кониеитрации СО2 и 16 часовом световом иериоде.

9- ' у у 40 X о и л ) У СИ % у 20 О Potato Wheat 'X • о а Soybean X CJ О е л L -10....

1. »

• I t_ 1000 О ППФ, мкмольм''с'' Рис. 1.2 6. Световые крив1.1е (|)огосиите'5а иосевов картофеля, 1И11енниы и сон, выран1енных.-2 - ири облуче1И1ости 750 мкмоль-м" -с', и кочаииого салата, Bi.ipaHieiHioro ири 140 мкмоль-м' -с*', ири коицеитращш СО2 1200 мкмоль-моль'' и 16 часовом световом иериоде.

Примеры световых кривых для растеппп, выраиюииых в разлпчтлх условиях, данные п работах (Charles-Edwards, I98I;

Wheeler et al. 1996), ириведепы на рие. 1.2 а и б„ соответственно:

1'астсння и ннфокнх нределах адантнруются к условня.м освен1ення. Светов11е крнвые листьев растений одного внда, выраи1,енных при разлнчном освещеннн, могут разлнчат1ея. Лнстья как бы настраиваются иа фотосинтез именно в тех условнях, в которых они растут. Световые кривые листьев раетении, выросни1х ири более ярком оспен1еинн, имеют, как иравило, бол1нн1е величинь! фотосннтеза нрн насьннеиии, Г„„ н тсмнового дыха1Н1я, Rj. Это свойспю нллюсгрнруют крнв|.1е рнс. 1.2 а,б. В густых носевах это может проявляться в том, что листья, находянн1еся [\ разных ярусах иосева, демонстрируют разиые кривые фотосиитсза (Чмора, 1967). Кроме того, фотосинтетнческая актнвность лнстьев заметно изменяется в нроцессе онтогенеза (Мокроносов, 1981). В нроиессе роста листа удельная скорость фотоснитсза на еди1Н1цу его нлонщдн быетро увеличиваегся и достн1ает макснмума ири нлоншди листа 0,5н-0,9 от максимального значення, а затем ностснен1Ю уменынается, Умсныне1Н1е может составлять норядка 20%-50%. Основной причиной уменг.шения является сиижение числениостн хлоронластов на едннину нлоишди листа.

Посевы растеннй в иернод ннтенсив1юго роста иотрсбляют больнюе количество дв}окисн углерода (до 1500-2000 кг иа га в сугки), коюрая ностуиает в хлоронластьг из окружаюи1его воздуха за счет ди(|)(1)узии. Скороегь фог()си1Г1еза сун1ест1!еиио зависит от конненгранни СОг в окружа1он1ей среде. Эга зависнмосгь, ирнближеиио оиисываемая уравиением (4), имеет вид возрастаюи1ей криво!'! с комисисаииоииым иуиктом но СО2 и насы1це1Н(ел1 в областн больни1х KoirHCHTpaiuiii СО2 норядка 1500-3000 мкмоль-моль'' Экнернменты но выраин1ванию расте1ин'1 нри высоких (вплоть до 3000-4000 мкмоль-моль' ') коннентраинях СО2 люделнруют условня в замкнут1.1х обитаемых гермообт^емах, где коицеитрация СО2 может значительно нревьинать нормальную для зе1\июй атмосферы (около 300 мк^юль•мoль''). Например коинентрання COi в газовоГ! среде МКС составляет норядка (3-^6)-10"^ мкмоль мол1"'. Примеры зависимосги фоюсинтеза носсва от кониснтраннн СО2 в вегетаниоииой камере, шятые из работ (Kim et al. 2004;

Wheeler et al.

1996) нриведеи11 на рнс. 1.3 а,б.

о и •Я о S СП X о () 200 400 600 800 1000 1200 е i, \имол1.-мол|/ -5 Рис. 1.3 а. Заниснмости фотосиитеза от коицеитрации углекислого газа для лнстьв салата Lactuca sati\a в возрасте 26 дней;

о •о и I S го • Soybean о Wheat о О е 500 О Коннситраиия СО2, мкмол1.-мо;

и.'' Рис. 1.3 б. Зависимое! и (|)()госинтеза от ко1И1ентраинн углекнслого газа для гииеиицы и сои;

Отметим, что в области углекислотного насьицення нитеисивноси. фотосиитеза может 6i.iTb почти в два раза вьние, чем ири иормальион ко1Н1е1працни СО2 в атмосфере.

1.2 Основные подходы к моделированию фотосинтеза посева. Зависимость продуктивности от листового индекса посева.

Прнведенные выше уравнення относятся к фотосннтезу отдельного лнста. Переход ( от моделей фотосннтеза лнста г оценке фотосннтеза фнтоценоза связан с учетом несгчолькнх факторов. Оеновгн,1мц срсдн ннх являются, во-нервг.ьх, раснределенне света цо глубнне посева, во-вторых, раснределенне фотосннтезнрущнх элементов (органов) но объему носегш с учетом гюзможной разнпцьг в фотосннтегпческой актпвпостп, н в третьнх, - пзмепепне в условпях средгл но обтему посева (копцептрагщн СО2 п О2, телтсратура, влажностг, воздуха н др.). В настоящее время нредложеп ряд ^гoдeJгeй, Н03В0ЛЯЮ1ЦПХ рассчитать фотоспптез цецоза растегшй в завпспмостн от факторов внешней средг.г, п, в частпостп, от условнй освегценпя (Goudriaan 1977;

Norman 1979;

Whisler et al.

1986). Скорость фотоспптеза посева o6ii4no вычнсляе1ся как сумма фотосннтеза отдельных лнстьев, расчнтыг$аемого но уравпеппям (2) - (4). Панболее точно такнм образом удаётся моделпровать iLioini.ie посевы, в когорг.гх на едннггцу носадоч1юй площадп прпходнтся М1юго лпстг.ег?, хаотпчпо расположепых но об1)ему посева. Листовую массу тагсого посева можчю в первом прнблпмсепнн рассматрнвать как сплошнуго мутную среду, однородную в горнзонтачьной нлосгсостн, все характернстнкн которой заги1еят только от вглсоты ггад посадочной пог5ерхностью. Ослабленне сг}етового луча в мутной среде оннсглваегся cooTHonjeiiHCM, согласно которому умепьгненне нптепспвпостн светового луча ill прн нрохождення отрезка нутн с1х можно заннсать как (5) сП' =-z-r-dx, где /* - ннтспснвностп луча, / - онтпчесгчая плотность средгл, нропорцноггальная объемггой НЛ0ТН0СТ1Г рассенваюгцнх н ггоглогцагогцпх центров в мутпой среде.

Поскольку в noceric свег рассепвается п поглощается лнстья.\н1, го в формуле (5) онтнческая нлотность '/, проноргцюггальгга объемной нлотностгг раснределення лпстовой гюгюрхностн в данной точке L{r) = {AS/Af'}, где AS' - сумарная гглошадь лнстг.ев,, загчлгочепнглх в малом объеме AV. TaKHNr образом: ill' --кГL{r)-ds. Коэффициент к называется кoэффнцггeптo^г затуха1гня света, нлгг экстнпкшгн. Коэффпцпепт экстннкцпп зависпт, в осповпом, от сггегтралгно1() сосгагш сиега, ггадагон1его на носев н впдовглх сгюйств лпстьев растеггнй. Это уравнегн1е можгго нропггтегрггрогшть ir заннсать в внде:

(6) Г =ll-cxp{-k\L{r)-ils).

Указанный подход дает способ для расчета облученностн в любой точке внутрь" лнстовой массы посева с учетом как перассеяппого, падающего сверху на посев, так н рассеянного лнст1ямп нзлучення внутрн посева. Иеходя нз такого предетавлеппя о взапмодействпн нзлучення е лнетовой массой посева, можно заннеать выраження для пнтенснвностп нерассеянного нзлучення /|(г) н рассся1нюго нзлучення /jCr) в любой точке носсва г в впде (Toinley J.M., 1976):

2,т,т/2 л (7) d(p 00 где В(О,(р) яркость неба в 11анравле1Н1н (0,(р), s - длпна нутн луча в толп1е лнетовоко нокрова от е ю ноиерхностн до точкн Интенсивность рассеянного нзлучення г.

определяется нз уравпеппя /,(г) = fiL • J(/, ip) + Л(/3)) • ехр(-^/:|г -р\) • \г - р\''dV^ (8) г где // - коэффпцнент расссяння. Интеграл берется но всему объему V, заннмасмому посевом.

Так как рассся1П1ое нзлучсппе обычно нмсет зпачп гельно мен1лцую ннтенснвности чем надаютее на носев, то penieiHie уравпення (8) можно нскать нутсм носледовател11Н1х прнблпжеппй. Прн этом в первом нрпблнже1Н1н в правой частп берется I^^\p) = Q, а для расчета каждого последуюп1его 11рнблнже1Н1я берется фупкння / ' ' " " ( р ). рассчптанпая на предыдун1ем ншгс:

| r":||||'\/Г, (9) с В11раження (7), (8) н (9) дают penieinie задачн в самом обн1ем внде. Онн нрнменнмы, нанрнмер, к неоднород1н1М носеаам, состояни1м нз рядов растеннй нлн отдельных растенпй. Одпако, получпть даже прпблпжспные анатнтнческне рен1ення уравненпй (7)-(9) достагочно сложно, за псключеннем случая ca.\ioii нростой геометрнн.

Тем не менее, oini могут служнть гсорегнческой основой для чнслеппого репгепня задачп о раснространеннн евета впутрн растптельного слоя.

Иростая анх1нтнческая людель раснространсння светового нзлучсппя впутрн посева была предложепа в работе (Monsi М., Saeki Т., 1953). Для одпородпого плоского носсва, у которого нлотность раснределення лпеювой новерхноетн завпснт только от глубнны z '' (^) ^ и jiQi", моделн нолучена следуюн1ую завнспмость Ш\Ф от глубпны, ^Лч отсчитываемой от верхней гранн1н.1 растнтельного покрова:

h где Io - ППФ на верхней границе носева, величииа L{h) = \L (z)ilz - листовой нидекс о части иосева, заключенной между верхней граннцей цосева, z=0, п горнзонталыюй нлоскостью, нроходящей на глубине г=//. Пели высоту носегт обозначнть П, то велнчггна ^V L=L(H) является лнcтoвы^г нндегссом всего носева. Из оггределения лнстового нггдсгсса ^'чч легко гюказать, что L = n-S^, где и - нлотносгь ггосадкгг, гглгг число растеггий в ггосеве гга у (^ едггггнцу гглощадн. Si - средггяя cy^г^гapггaя гглощадь лнстг.ев одггого раетенггя. В резулгтате нодстагговкгг (10) в (4) мгл гголучаем завнснмость скоростн фотосггнтеза лггстьев от ггх глубгггнл в носеве F(L(h)). Суммирование но все,%г яруса\г носегш F^ = \F(l)cll дает о следующее ги.граженне для завнсггмостгг фотосггнтеза носева на едггггицу носадочггой нлонщдгг, F^, от факторов окружагощей средьг гг лггстог$ого ггггдегчса:

(П) ''*^]-К:

Формула ( I I ) в ряде случаев внолне удогиетворнтельно огигсглвает эгссггеримеггталгггГ)Ге даггггые завггсггмостгг скорости ассгглгиляцгггг ггосегю\г двуокисгг углерода от нггтенснвггостгг облучеггггя. Эта людель ггосггт ггазг5агнге моделн «болыггого лггста» (Charles-Edwards, 1981).

Позднее бьглгг нредложены ггесгсолг.ко варггаггтов, развггваюингх ir уточиягощих модель «больгиого лггета» для есгествегиюго солнеч1гого облучегпгя. Oдггн^г ггз иих ягшяетея лгодель, ггазваггггая авторамгг.\годелью «евета и гени» (De I'ury. Fareuhar, 1997) В этой модели ггредггрггияга ггонытгса учета ггеодггородносгн света, ггроинкаюнгего в растггтельггг.гй нокров в гигде блгнов гг;

ггг нятегг евета гг 1егги. Вся лнстогшя ног^ерхность делггтея гга две чаети - еолнечггуго и теггевую, Гчоторгле рассхгагриваготся гго отдельггостгг.

Доля «ег^етовых» лгге1Гег« улгеиьигаетея гю вггутреггггггх слоях носегш гю закону f^,,i,{h) = ехр(-А\,„,/,(//)), где А',,,,,- гоэффггги1ент затухаггня сг$ета. Отделг.но рассчнтывагогся облучсггностгг, создаг^аемг.ге ггрямг.1.\г солггечггг.гм сгштом гг рассеяги1глм дггффузггг.гм излуче!ггге\г. Светоги.ге листг^я ггаходягся в условггях сг$егового ггасглщеггия фотоенггтеза.

Полггг.п'г фотосггггтез ноеегш является сулгмой фотосггнгеза сг{етовой и теггевой чаетей, каждая ггз готорглх раеечггтглвается сулгхгггрогшнггелг лггстогюго фотосггнтеза но глубнгге ггосег5а аггалопгчгю лгодели болг.нгого листа. Можгго сказать, что модель «сг!ета и тегггг»

ягигяется какбгл лгодельго двух «больгггих лггстг.ев»: евеюгюго гг теггевого.

Другой иоггглткой угочнеиггя модели «болГ)Ггюго.чиста» является гак ггазьншемая «мггогоелойггая» лгодель носева (Goudriaan 1977). Растнтельный ггокров в «мггогослойной»

моделн разбгггшется гге тольгсо на ег{етог?уго гг тенег{уго частгг, гго гг делится гга слогг гго глубпие с толпппю!!, которая соответствует пзмепеппю лпстового ппдекса, AL, па величииу около 0,1. Световые листья каждого слоя делятся па группы по углу паклопа плоскости листа к вертикали!. Такое разделение иозволяет более точио учесть измеиеппе освеи1еппости листовой поверхности солпечиым светом в течепие дня. В пределах каждого слоя завпсимост1 облучеииостп от гл}бипы, а также фотосиптез различиых групп лпстьев рассчптываются так же, как в модели «света и тейп» пли в моделп «большого листа». Рассчитанные зиачеппя па пижпеп грапице предыдущего слоя служат исходиымп грапич1плми зиачеииями для иоследу1ои1его слоя. Система уравиеппи «многослойной»

модслн рсп1ается числе1Н10. Па рнс. 1.5. ноказаны результат11 расчета световых крнвых фотоспптсза посевов с лнстовымн нндекхахн! L|=2,4 н L2=5,0. рассчитаииые с исиользоваиием трех оиисанных вьине моделей (De Ригу, Farciihar. 1997).

т Mullilayef Son/Shade § 40 Big-leaf и о Iо 600 1200 1800 0 600 1200 1800 НПФ, м к м о л ь м ' с ' Рнс. 1.5 Сравнение расчетов фотосинтеза посева с пснользованнем моделей «больнюго лнста», «света н тенн» н «многослойной».

Модель «больнюго лнста» дает несколько завьнненную оценку скоростн фотоснитеза нрн L2=5,O. Модели «света и тепи» и «миогоелойиая» дают близкие результаты, песколько уточпя1оии1е моде;

и. «больнюго листа».

Другие извест1И.1е нодходы к задаче оннсання нроникиовеиия светового излучеипя в крону носева, п основном нснользуют одну нз трех уномянутых выше моделей, отличаясь либо нeзнaчнтeльны^нI деталя\н1, либо реализацией чнслен1юго алгорнтма решения. Напрпмер, модель фотосинтетической продуктпвностн посева, представленная в (Favreau М. et al, 2005), реализована па базе соиремеппого программного пакета EcosimPro, предпазиачеппого для моделпровапия динамических систем. В этой работе фотосиитез посева по классической схеме вычнсляется, исходя из модели листового фотосинтеза.

/.

Полиый фотосиитез посева вычисляемся как F^ = \F{\{l).C\,p,C,,2)'^^^ ^ 1 Д ^^ о /(/) оиисывается уравиепием (10), Ссог и Со2 - коипентрапни двуокиси углерода и кислорода в окружающей среде. Рост посева моделируется зависимостью листового индекса L от фотосшгтеза 1юсева illJdt = К• f^, где К ~ иостояниая, нзмеряемая в экнернменте. Результаты моделнрования сравииваются с экснерихгснтальнымп да1Н1ыми, нолучепныли! в канадском University of Guelph для посевов салата н свеклы. Недостатком предложегнюй моделн является больпюе колнчество (9) свободных параметров, пдентпфнцируемых по результатам экснернментов. Такое чнсло параметров позволяет добнться совнадепня результатов расчетов с эксперпмептальп11мп данными гючти незавнспмо от качества самой моделн.

Большое чпсло экснернменталын,1х нсследованнй посвян1ено нзученню влпяппя тнна нсточпнка света п режнма освен1ення на фогосннтез н продуктпвность посевов. В США в космнческом центре пм. Дж. Кенедн с 1988 года проводнлн 01п1ты по выращнва1Н1Ю различных культур в герметнчпой вегетаппогпюй установке Biomass ProdHction Chamber (ВРС). Установка нмела пзолнроваппый вегетаниоииь1Й обт.ем 113 м^ с носадочной нлонщдью 20 м и была снабжена снстемамн регулнровання условнй срсдгл обнтання растеппй. В работе (Wheeler et al, 1996) представлепы дапные о выранншаннп в установке ВРС под дуговымп патриевымн ламнамп высокого давлеппя.четырех культур (гпнеинна Trilicwn aeslivuin L.;

соя Glycinc max (L) Merr.;

салат Lcicluca saliva L. n картофель Solanwn tiibcrosiiin L.) нрн различ1плх средиедпевгплх потоках фотопов, освен1ающнх носев. Результаты нроаналнзнрованы графнческп па рнс.1.6. Отметнм, что са'шт нрн ^нIHHMiuн,нoй из четырех культур абсолюгиой урожайности имел максимальный (наряду с картофелем) выход съедобной бномассы, отнесенньнТ к затраченной световой энергии. Позже в работе (Bcrkovich et al., 2004) был нолучен и более обин1Й вывод о том, что салатные зеленные KyjH.Typbi нмеют иаивысн1ую среди лншгнх другнх овон1ных н злаковых культур удел1)Ну1о нродукгнвносгь, отнесённую к основным заграчен1плм прп культнвнроваиии ресурсам, таким как масса оборудоваиия, занимаемый объем, мо1нность эиергопотреблеиия, водоиотребле1И1е, трудозатраты иа обелуживапие и т.д. На рис. 1. авторы упомянутой работы 1996 г. аннрокснмнров^шн завнснмость продуктнвностп от дневной Д 3 Л ФЛР как лииейиую по четырем культурам. Однако, для отдельных культур О анпрокснмацию произвести не удалось, иоскольку данн11е но каждой культуре были нолучеи1Л в довольно узком диапазоне иитенснвностен ФАР.

• Пшеница '- Соя Total о Biomass Салат Ф Картофель а A U Ф* Л. -'' jet' Edible О А IBH( 20 Biomass '";

• 10 • т A т о.1..

1, 1 1 n 20 30 60 40 Дневная доза ФАР, мол1.-м"^-де1гь"' Рис. 1.6. Зависимость иродуктивностн различных носсвов от среднего дневного потока фотоснитетнческн актнвноП раднаиии В работах (Ricliards et.al., 2004;

Richards et.al., 2005) изучалась зависимость урожайиости салалнлх культур (редиса - Raphamts sativiis, лука - Alliiiin fistiiloswn, салата - Latiica saliva) от иитеисивиости освен1еиия ири различной темиературе и концентрации СОг в воздухе. Оныты проводились при значениях ППФ 150, 300 и 400 мкмоль-м'^-с'', создаваемого белыми люмннесцентными ламнамн, ирн темнературе от 25 до 28 "С и при коицеитраннях СОг 400 н 1200 мкмоль-моль"'. Растения освеи1али с фотонернодом 16 час нри отиосительиоП влажности воздуха 50% в кюветах илощадыо 0.3 м.

Продолжительиость вегетации составляла 35 дней. К моменту уборки плотность посевов составляла 26.6 раст на м".

На рнс.1.7 и рис. 1.8 ириведены результаты лих эксиеримеитов для качаииого салата.

Уро"Лчайност1 качанного салата нри конценграцни СО^ равной 1200 мкмоль-моль'' (блнзк'оГ1 к насыщению) в два раза нревьннает урожайность нри 400 мкмоль-моль"' (блнзкой к естественной). Показательно, что урожайность ciunaTa с увеличе1Н1ем илотиоети иотока фотонов иосева растет медленнее, чем затрачиваемая световая энергия.

Это указывает на то, что максимальная эффективность расходоваиия энергии иосевом салата соответствовала в данном экснернменге невгисокой освен1ениости 1юрядка мкмоль-м" -с''.

4.5 _.-• L 3 2,5 X ю X 400 мкмольмоль' о D.

U 0.. - 1 -.

. - -, 50 100 150 200 250 300 350 400 ППФ. мкмольм'с' Рис. 1.7. Зависимость продуктивности посева салата oi иптенсивносги света при различных концентрациях 1200 мкмольмоль" о о 400 МКМОЛ1.МОЛ1."' с;

О о 50 100 150 200 250 300 350 40О -2 -I ППФ. мкмольм" с Рис.1.8. Зависимость удельной урожайное!и салага па единицу па едипицу )мергии освещения при при различпых «начсниях lunnnocin покжа фогопов и концентрациях С В целом, приведенные дан1н1е указывают на то. что оптимальное значение облучённостн носева в общем случае чависи! как or характеристик посева (особенности фотосиитетпческого аппарата выбраппых растеиип, их архитектоника, густота посева, иростраиствепиое расположепие отпосительпо светильипка и др.), так и от параметров среды обптаппя. Вслсдстиис этого плотиость потока ФАР будет рассматривается пами в главе 3 диссертацци как одпп пз параметров оптимизаиии светового режима при решепии задачи оптимизации cncie.Nn.i оснещеиия растеиии в салатной космической оранжерее.


Ещё один из важиейпшх параметров режима освещеппя - фотоиерпод. Согласно, например, да1П1Ым работы (Берковпч, 2000 б), фотоиериод может оказаться эффективным нараметром оптимнзацни удельной нронзводителыюстн для случая космнческих оранжерей с иоликулыурой овоп1ных и злаковглх растеиии. Одиако, как будет иоказано нами в гл.З, для случая пропзводствеппой салатной оранжерен онтнмалыпле уровпи ППФ пе превосходят обычно значеннй 350 мкмоль м" -с"'. Круглосуточное осве1пенне нрн этом не препятствует выращпваппю качествеппой товарпой нродукцпп, п введеппе телпювого периода может линп снпжать удел1ну1о пропзводптельность па затрачеппые ресурсгл.

Важ1п1м нараметром вегетацноппой установкн и режима вырапи1вапия растеиии в пей является длительность товарной вегетации. В наземном овон1еводстве защнп1ё1П1ого групта длтельпость товарпой вегегацнн онределяют эмннрнческп, исходя, в основном, из требований к качеству получаемой нродукции. Однако, такие требования носят, за псключенпем несколькпх количествен1н.1Х ограничений но составу биомассы (содержание пптратов, вптамииов и т.д.), качествеппый характер (виеппи1Й вид, оргаполептическпе свойства и др.) и существеипо зависят от кватпфикации спецпалпстов. Рекомепдации ио срокам уборки урожая в условиях защип1ёппого грунта даются с допуском в 10-20 дпей (Смпрпов, 1980). Такой подход малонрнгоден для случая, нанрпмср, определе1шя длительпости товарпой вегета1Н1и н ншгов конвейерного носева в конвейерной зеленной оранжерее в условиях кос.\н1ческого полёта, т.к. могут нрнводпть к зпачителыюму нерерасходу нотреблепня энерпн! н расходных матерналов (ночвозаме1Н1теля, семя1г и т.д.) на еднннцу цродукции и, соответствеиио, к увеличению эквивалентной массы оранжереи. В работе (Berkovich et al., 2001) была 01И1сана од1юмерная птерацнонная процедура оцтнмизации дли1ел1ности товариой вегстацпп по результатам предварительп11х BercTainiomn.ix опытов. В гл. 3 11астояи1ей работе мы рассмотрим длительиость товарной вегетацнн в качестве одного нз параметров в мпогомерпой задаче оптпмпзацпн снстемь! освеп1е1Н1я салатной космпческой ора1гжереп.

1.3 Зависимость продуктивности посева растений от спектральных характеристик излучения.

1.3.1 Основные требования к спектральному составу излучения источников света, применяемых в светокультуре растений Эксперименты показали, чго свеговые кванты из диапазона ФЛР неодинаково эффективны для инициирования фотосинтеза в хлоронластах листа. Количество фотосинтетических реакций (иJrи ассимилированных атомов С. или выделенных листом молекул Oj) приходящихся на I кваш свега, поцадагощий на лист, принято называть квантовой фотсинтететической эффективностью свега или квантовым выходом фотосиггтеза (Тихомиров, 2000). На рис. 1.9 нрнведен график относительной квантовой фотсинтететической эффективное! и света, взятый из работы (Sager, 1997 ).

0. z s 1»

X 0. о л I 0. i 0. CO 0. 0. 100 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Длина волны спета, нм Рис. 1.9. Спектральная эффекгивносгь использования света листом Как справедливо отмечает проф. Л.Л.Тихомиров (Тихомиров 2002), вряд ли можно рассматривать такую зависимость как количетвенно точную и унигзерсальную. Ввиду того, что расгения обладают снособпостыо в широких пределах адаптироваться к условиям выращивания, сцсктральная зависимосгь квантовой фотосинтетической эффективности может несколько отличатьея у растений, выросижх под источниками с разными снекграми излучения и при разной освещенности. Иепользуя приведенную зависимость для сравнеиня нсгочинков нзлучення с сун1ественно разными сиектрами, ее скорее иадо рассматривать как качестве1И1у1о. Она изволяет сделать вывод, что максимшн.ной эффективиостыо для фотосинтеза обладает крас1и.н"| свет в диапазоне длии волн 630^690 им.

Для искусствеиного освещення растений в настоящее время иснользуются, в основном, следующие источники света:

• люминесцентные (флуореснентнгле) газоразрядные ламны с разлнчными люминофорамн;

• галоген1нле н металлогалогегннле ламны;

• натрневые и ртутиые ламны высокого давлення;

• мнкроволновые ламны;

• светонзлучаюн1не дноды высокой ннтеисивиости.

Перечислим осиовные факторы, которые иеобходнмо учитывать ири выборе источннков искусствеиного освеи1еиня для сааатной оранжереи космического назначе1И1Я.

Излуче1Н1е должно обладать высокой фотосиитетической активиостью.

Спектральный состав света должеи обеснечнвать получепие здоровых растеиий с иолиоцеииой ио составу биомассой.

Источиик освеиюння должен нметь высокий КПД и длнтельн1н"| ресурс работы.

Нежелательно налнчне в спектре излучеиня значигельиой составляюн1ей вне днапазона 1)АР (350-^700 нм), например инфракрасной нли ультрафиолетовой, которые приводят к потерям энергни н сннжают эффекгнвность источиика света.

Согласно работе (Тихо\и1ров и др., 2000), для оце1пси источннков света в светокультуре растеиий гюльзуются такими ннтегральнымн характернстиками как:

• эиергетическнй КПД ламиы, 1Ъ, - суммариой мониюсти ФАР, OTHOIHCHHC излучаемой лампой (в Вт), к \шпнюстн нотребляемой ею электроэнергии (в Вт);

• фотосинтетическая сиектральиая эффективность, Мс-, - доля гютока илучення в областн ФАР, участвуюнщя в процессе фотосп1ггеза.

Характернстнки Еэ н Ее для некоторых нсточнпков света нрпведены в таблние 1.1.

Таблппа 1.1.

Эпергетический КПД ла.\н1 и фотосинтетнческая спектральная эффектнвиость Тин ламгН)1 Еэ Ее люминесиентная белого света 0,13 0, Натриевая низкого давления 0,23 0, Натриевая высокого давлення 0,20 0, Металлогалоидная 0,18 0, Микроволновая 0,20 0, Красиый светодиод (660 нм) 0,22 0, светодиод (470 им) 0,2 0, CHIHIH В таблнне 1.2 ириведены даииые о раснределении нзлучення но снектральным дианазонам для уиомяиут1.1х вын1е нсточннков света.

Таблица 1.2.

Сиектрхтьные характсрнстикн некоторых нсточ1Н1ков излучсиия (количеетво фотоиов, исиускаемьгх в даииом сиектральиом интер1{але, в % от оби1его числа иснускаем1.1х фотонов) Источник света Дианазоны длин волн, нм ^00-500 600- 300-400 500-600 700- 0.0 0.0 0. Светоднод 660 нм. 98.9 1. 4. Натриевые лами11 23.2 31. 0.3 40. высокого давления (ДНаТ) металлогшюгеииые 38.2 14.7 26. 6.5 14. ламны (ДРН) 2.4 18.7 49.2 23.5 6. белые флюоресцеит1Нд1е газоразрядные ламны (БФЛ) Отметнм, что но энергетнческому КНД красные светодиоды находятся на уровне дуговых натрневых лa^нl, нревосходя ламн11 BfI)JI. KpaciH.ie светодноды нмеют наилучинн"! ноказател!. фотосннтетнческоГ! сиектрал1.ио1'1 э(|)фсктнвностн, т.к. нрактичсски все излучеине красного светодиода иаходигся в области максимальной квантовой эффектнвиости фотосинтеза.

Рассмотрнм далее требовання к снсктру излучения источника света с точки зреиия его фоторегулятор1гой фуикции. Свет участвует в регуля1Н1Н такнх важнейших нронессов как • прорастание семян растенни;

• рост раетепня н его морфогенез (coTiioineiHie размеров разлнчных органов, нлощадь н толщпна лнсп.ев н т.д.);

• прохождемне омтогенетнческих фаз;

• нзмене1Н1е метоболнзма н состава бномассы;

• накопление ферментов н нх активноетг,;

• фототроннзм и др.

Принято счнтать, что фоторегуляння осун1ествляется через фоторененторы нлн снециальные ннгменты. В отличии от фогосиитеза, интенснвность которого в шнрокнх нределах нронорнионшн.на ннтенснвиостн света, зависимость больин1иства фоторегуляторных нроцессов от иитеисивиости света имеет нороговый характер. Для осуществления процесса регуляннн необходимо нревышенне порогового зиачепня потоком квантов в соответству1он1ем с[1ектралы1ом диапазоне, носле чего процесс не зависит или слабо зависит от иитенснвностн света (Тнхомпров, 2002). Детально механпзмы регуляиии миогих иронессов жизиедеятельиости растения и связь нх со спектральным составом света в настояи1ее время enie не установлегнл. Известно лннп,, что часть регуляторных функций (нзменение лгетаболнзма, накопление ферментов и их активность, фотоморфогенез и др.) осуществляется через пнгмент-фоторецептор белковой нрнроды - фнтохром. Этп процессы активнруются нлн нодавляются в завнснмостн от соотноигеиия в сиектре света нотоков нзлучення в областн длин волн 660 и 730 им., которые взанмодейс1ву1от с двумя (|)ормамн (1)нгохрома. Достоверно установлено также наличие высокоэиергетической фогоре1уляиин, осуществляемой нзлученнсм CHirero цвета цз диапазона длин воли 400 - 480 нм. I акнм образом, спектр нзлучення для светнльцнка необходимо тщательно иодбнрать нри нроектирова1нн( космнческнх оранжерей различного назначения..

1.3.2. Характеристики современных светоизлучающих диодов Раеемотрим более нодробно техннческне характернстнки.современных светоизлучаю[цнх диодов (светодиодов). Светоднод (СД) - это иолунроводииковый прибор с р-п нереходом, который нзлучает фотоны нрн прохождении через него электрического тока в ирямом иаиравлеинн. Эффект излучеиня света называется иижектнрованной элeктpoлlo^ннlecнeнцнeii н пронсходнт за счет рекомбннацин иеосиовиых иосителей заряда. С15етодиоды обладают вг1СкоГ» яркостью (тысячи кд/м ) и силой света (до десятков сотеи кд), а также виеннн1М квантовым выходом до 50%. Длина волны излучаемого света определяется, в основном, выбором используемых полупроводниковых материалов.

До сих нор наиболее широко распространены и дёшевы светодиоды первого поколения с диаметром линзы 5 мм. I иничный нример конструкции 5-гимиллиметрового светодиода приведен на рис. 1.10.

n^ p ПрОВиД Передняя панель Иэлучаюил)1' кристапл корпус Вьшоды Подложка Кристапп, приа|еный проводящей смолой Рис. 1.10. Конструкция свстоизлучаюн1сго диода с диаметром линзы 5мм.

СД состоит из полупроводникового кристалла - «чипа», рамки с внешнимн выводами, на которой размешен кристалл, и герметизирующего корнуса из эноксидной смолы. Корпус окружает и зашишает кристалл, а также рассеиваег свет (формирует диаграмму направленности излучения). Крисгалл приклеивается токопроводяшей эпоксидпой смолой ко дну рамки, называемой лчнкой. I [омерхность лунки вьшолнена из светооражаюшего материала и являелся первичпой оптической системой для кристалла.


Она отражает идущее в стороны ог граней кристала излучение и вместе с линзой из эпоксидной смолы формирует угловое распределение излучеиия светодиода. Верхний контакт кристалла соединен проводом с другим выводом рамки. Размеры излучающего кристалла лежаг обычно в дианазоне от 0.18 до 0.5 мм. Внешние выводы кроме электрическою конгакга выполняют ро.пь теплоотводов, что сильпо ограпичивает мощность СД такой конструкции.

Основными оптическими характеристиками светодиода являются полный световой ноток Ф и его угловое раснределение, онисываемое заисимостью силы света / от нолярного угла О, отсчитываемого от осн днода, а также снектр нзлучення. В фотометрнн световой ноток измеряется в люменах, а сила света в кэиделах. Однако, в ироцессе ноглощеиия света лист[ями растенни для фотосиитеза в ианболыиен стенени имеет значение квантовая нрирода свега. Фиксация листом од1го1о атома углерода требует иоглощеиия определенного чнсла квантов света - фотонов. Поэтому для характернстик светового излучения, нада1ои1его на посев, обычио пользуются кваитовыми едииицами мкмоль-с"', для СИЛ1.1 света - мк^юль с''-стер'', для илотиости светового иотока - мкмоль м" V (Thimijan & Ileins, 1983).

При илоитди чина светодиода с диаметром лннзы 5 мм, равной ~ 0.25 мм\ рабочнн ток составляет 20-30 мА, мониюсть ие нревыншет 0,1 Вт, а световой ноток до 1- лм нлн 0,04 мкмоль-с"'. Тииичиая область ирименения 5- мм светодиодов - индикация.

Совремеииые мощиые светодиоды, ис[1ользуемые для освен1ення, нмеют несколько другую конструкцию. Она иоказана на рнсунке 1.11.

Пластмассовая линза Силиконовый гель JnGaN полупроводииковый чип Кремниевый чип-носитель со схемой защиты от электростатического пробоя Теплоогвод Рне. 1.11 Конструкцня мощного светодиода LXIlL-BMOl иа осиове чина InGaN.

Больн1ая металлическая нодоннт обесиечивает на иорядок меиьшее теиловое сонротивлеиие и интенсивньи"| теилоотвод. При излучател1иой иJrolцaди чниа ~1 мм, токе 350 мЛ и электрической MOHIHOCTH ОКОЛО I Вт световой иоток достигает 25 лм или 0,5 - I мкмоль-с''. Мощность свеюдиодов такой конструкцни доведеиа до 5 Вт со световь1м выходом около 100-120 лм. или 3-4 мкмоль-с''. Увелнченне излучающе!! новерхиости чииа ириводит, однако, к заметному сиижеиию кваигового вьгхода еветодиода, как иоказаио иа графике рис. 1.12., взятому на сайте: unw.iiorliixcorn.com.

Снектр нзлуче1Н!Я обычных «монохроматнческих» СД иредставляет собой узкую сиектральную лннню. Она характеризуется ноложеииелг максимума Л 1 И И У^ и ее ннфнной 11 иа уровне ноловины максимума иитенснв1юстн Д?^. У различных иолуироводииковых материалов "к лежнт в щнроком днаназоне от 350 нм до 7000 им. Полуии!рииа спектральной линии Ак составляет обычно от 20 до 100 нм. Типичные спектры излучения СД разного цвета показаны на рис. 1.13.(www.noiliixcorp.com) X •и ' i' о SOVi - 'h г 5 ПШ 70'* • 60'.

0. Площадь чипа, мм" Рис. 1.12. Зависимое 11. квантовой )ффективности от площади чипасветодиода при плотности тока 0.5 А/мм^.

480 530 580 630 680 7Л0 7вО Длина волны излучения, нм Рис. 1.13. Спектры излучения светодиодов разного цвета Светодиод может имегь несколько чинов с разными цветами свечения либо несколько р-п нереходои в одном кристалле. Эго позволяет сделать снекгр излучения более сложным, например. сделат1 излучаемый белым. Возможно также управление CBCI 1Н?етом свечения. Особое ингенсивно развивающееся направление технологии разработка свегодиодов. излучак)Н1И\ белый Паилучнже результаты здесь CBOI.

доетигиуты методом иаиесеиня люмп1юфора нз же.чтого фосфора на синий чпгг типа InGaN, однако, подобные СД нмеют нока высокую стонмость.

Важнейн1еП характернстнкой, онределяюн1ей эффективность нреобразовання электрической моинюетн в световой иоток, являегся В11еии1ий квантовый выход чипа.

Величиы вненн1его квантового выхода для некоторых основных тигюв светоднодов прнведеиы в таблице 1.4.

Таблица 1.4.

Квантовый выход некоторых тинов еветодиодов Излучаюнщя Цветсвечення Длииа волны, им Квантовый выход, % структура красный 660 МДГ G a 0.65 А1 0. As оранжевый 630 0. Ga As 0 351' 0.65 :N желто-зелен Ы11 585 0. Ga As 0.15 l'o85:N GaP:N зелен1н"| 0. SiC еиний 480 0. In Ga N 470 СИ1И1Й ИК излучение МДГ Gao.9Alo.i As Характернстики еветодиодов обычио измеряют прп поминал(иом значении рабочего тока, которое для 5-мм. свегодиодов составляет 20 ма. Световой иоток, излучаемый еветодиодом при иомнна,11ном токе, лежит об1,1чио в днаиазоне 0,001-^0,04 мкмольс''.

Завнснмость светового нотока от рабочею гока СД ирнведеиа иа рие. 1..(www.norluxcorp.com, 2002) гв гв э »

отн.

к "•-Red 12 -«-Вки о —•-Amber с i '" Светово 1. 3ZO 180 Прямом ток, мЛ Рис. 1.14. Типичная зависимость светового потока от рабочего тока через свстодиод тина Luxeon.

Потребляемая мощпосгь определяется вольтамперной характериетикой светодиода.

Примеры вольтамперных характеристик для светодиодов разного цвета приведены на рис. 1.15 (www.scieens.ru, 2003).

Рис. 1.15. Вольтамнерпые характеристики для различных светодиодов:

1-красный. 2-желтый. 3-зеленый. 4-синий.

Важной для целей данной рабогы характеристикой яиляегся коэффициент преобразования потребляемой электрической мощности (W) в свеговой ноток, или коэффициент эффективности, К,ф=Ф/\^ с ' Вт"'). HaибoJн,нleй эффективностью (или (MKMOJH, наибольшим световым выходом) среди светодиодов. излучающих в области ФАР.

обладают красные СД на основе GaAIAs. генерирующие излучение в диапазоне длин волн 640-690 нм. Световой выход завиеит от величины рабочего тока. K|,|] максимален при токе несколько ниже номинального и заметно падас! с увеличением рабочею гока. Панример, зависимость К,ф от прямого гока для партии красных светодиодов. исследованных в работе (ВаПа el al.. 1992). приведена в габлице 1.5.

Таблица 1.5.

Зависимость коэффициента эффективности красгнлх светодиодов от рабочего тока Прямой ток. (мА) 10 30 20 0.91 0. 0.88 0.84 0. Кэфф (мкмольс"'Вт"') Если выразить световой ноток в энергетнческих едииинах, то КПД нреобразовання энергии из электрической и световую непосредствен1го для светоднодов нолучается равным около 20%, а с учетом нотерь в регулнруютей электронике - около 15%, что соноставимо с дангнлмн для люмннеснент1нлх ламн. Однако, сун1ествуют значнтельные резервы да;

н.ней[него увелнчення КПД светоднодов.

Конструкиня светоднода онределяет раснределенне света н диаграмму нанравленности излучення в нространстве. Узкая днаграмма нанравленности обеснечнвает больн1у1о снлу света в осевом нанравленнн, но небольиюй угол обзора. Тот же кристалл может быть смонтнровап так, чтобы нолучнть нн1рокнй угол обзора, но ннтенсивность в осевом нанравлеини будет ннже, нронорннонально углу излучения.

Угловое расиределенне излучения свегодиодов иринято характернзовать велнчнной полярного угла 0|/2, на котором снла света надает вдвое от своего макснмалыюго значения иа оси днода. В характернстиках обычно указывают велнчнну 2 0|/2 - как угол раскрглтия конуса, в котором сосредоточена основная часть излучения светодиода. Величина 2-0i/2 у совремеииых светодиодов сос1авляет от 8° до 120°. Зависимость силь1 света иа оси светодиода от ии1рины углового раснределення нзлучення 20i/2 иоказаиа в табл. 1.6. (Barta etal,1992).

Таблица 1.6, Зависимость силы света на осн светодиода от ншрииы углового раснределения излучеиия для 5 мм красных светоднодов 8 Шнрнна углового 17 30 45 расиределення излучення (градусы) Питенснвность 1000 500 250 200 100 излучення на оси (миликэиделы) По мере увеличеиия времеии наработкн световой выход днодов сннжается или, нроисходнт нх так называемая деградацня.

Па рнсунке 1.16 нрнведены результаты измереиия светового выхода в завнснмостн от срока работы для 5-мм белою свегоднода н светоднода высокой монцюстн LXIIL BMOI (www.luxeon.com).

100 a. 5U " \ 1 60 'i, '^40 ^^^"^.

•ejrrbCenie r • Jiuie J DCJ — 1 1 0 8000 12000 -1000 Time (lu-s) Д ?-mm ivhite LED О Н1§Ь-Ро\тег LED Рис. 1.16. Пзмсисиис светового выхода для 5-мм белого светодиода и светодиода высокой мопиюсти LXIIL-BMOl и зависимости от срока работы Основными иричииами сиижеиия светового выхода являются: ножелтенис светодиодиой колбы (лиизы) из эпоксидного материала, потемнение металлического покрытия луики олражателя и деградация как самого чина, так н слоя люмииофора. У высококачественшлх диодов за 50000 часов pa6oTi.i иадеиие светового выхода не иревышает 20%. У ордииариых диодов диаметром 5 мм в течеиие 4000 часов может происходить наденне яркости иа 35% даже ири иормальиых условиях. Суи1ествеиную роль в ускореиии деградаиии СД играет рабочая темиература. Хотя совремеи1н.1е СД сиособиы работать в ин1роком интервале темнерагур от —30 до +80 ''С и вьние, с новыше1Н1ем рабочей темиературы ироиесс деградации ускоряется. По данным обзора (Тнмофеев, 2002), при новьииеннн темнературы окружающей среды с 30 до 45 "С срок службы прнбора уменьшается в 2 раза, а нрн те.\н1ературе 60 X' - в 4 раза. Вследствие этого ири разработке блоков осветеиия для ироизводствеииьгх космических ораижереи иа основе светоднодов желательно нредусматривать систему охлаждения и контроля темнературы.

Технология ироизводства светоднодов в настояи1ее время интенсивно соверн1енствуется. Улучимются характеристики светоднодов, новыншется нх надежность и эффективность, быстро уменьнгается стоимость, расии1ряется область иримеиення. По прогнозам в 2006 году световой гилход СД может нрсвыснть 100 лм/Вт. Световой иоток таких светодиодов будег досгаточен для создаиня светян1их новерхностей большо!!

яркости с Т Л Н Н Й светящей нанелн 12-15 мм. Светодиоды уже более 10 лет с уснехом ОН 1 О нрименяются для выращивания растений в условиях некусстиенной среды н нмеют ряд иреимун1еств, которые былн отмечены В1.нне, Можно сделать вывод о несомнегнюй иерснективности светодиодов ири исиол1зова1И1и в будуни1Х вегетаинонных установках коемнческого назначення.

1.3.3. Конструкции светнльннков на основе светонзлучашщнх днодов для космнческнх оранжереи.

OiHiHieM ряд известных конструкннй светнльииков иа основе светоизлучаюии1х диодов, разработаииых для космических оранжерей. Одной из нослед1И1х разработок в этой области является светодиодный спстнльинк для оранжерен VEGGIE, иредставлеиый комиаиией Orbital Technologies Corporation (ОКВГГЕС) (Emmerich J.C. ct al., 2004).

Основой светнльииков является ячейка размером 2.5x2.5 см., несунхая 132 светоднода с разнымн длннами волн. Поверхностная нлотность размен1ення светодиодов составляет диод на см. Состав светодиодов в ячейке может быть различиым. В качестве осиовиого комнонеита (64 игг.) исиользова;

и1сь вьгеокоэффективные красные дноды с.=640 нм.

Световой выход этнх диодов (в Вт ) составляет 22% от электрической моннюстн ннтания, что превышает эиергетическую эффсктивиость люминесиентных ламп. Такие СД также обладают высокой стабильностью излучення. При иснытаннях в теченни 10000 часов иеирерывной работы в режнме вьние номииальиого тока не было отмечено деградации светового выхода. В варианте светильннка для исследовательской оранжереи в ячейках размен1алис1 светоднодь!, излучаюин1е догюлннтельные снектральные компоненты.

Коротковолновое излученне нредставлемо у;

н.графнолеговымн днодами с ?^=400 им. и синими с ?^=440 им. В длиииоволиовой области спектра иснользованы днод1[ с \=660 нм и v=730 им. Предиолагается, что доиол1Н1тельиые сиектралынле комноненты обладают регуляторным действием и обеспечивают 1юрма;

нн1,н"| морфогенез растений. Ячейки кo^нlлeктyютcя также небольнн1м колнчес1вом зеленых светоднодов с ?^=540 нм, в 0С1ЮВН0М, для нормального ивстогюго восирия1ия растеиий ири наблюденнн н фотографировании. В нронзводственной оранжерее чг доиолиительных снектральных компонент в светильнике былн оставлены только 7^=440 им. и составляюн1ая зеленого света с ?^=540 нм инзкой ннтенснвностн. Светнльинк оранжереи был вьнюлиен в внде нлоской матрнны площадью 0,17 м, с пинннной 2 см, включавигей 91 оиисаиную выше ячейку. Прн измереинях ППФ на расстоянни 5 см над посадочной новерхностью былн реализоваиы еледукмцие днаназоны регулировання ППФ для снектральных комнонент:

для СД с ?L=640 нм (1фас1гый) - от О до 300 мкмоль м"^ с"';

для СД с ?^=440 нм (синий) - от О до 50 ;

MKMOJM, М"'С"' для СД с А.=540 нм (зеленый) - от О до 30 мкмоль м"^ с"'.

Разброс ППФ но площади оставался и нределах ±10% о г среднего значения.

На рис. 1.17 (Fmmerich.I.C. et al. 2004) показапа зависимость ППФ. создаваемого одной ячейкой светильника, or потребляемой ей )лек[рической мопиюсгн (для основной спектральной комноненты с А,=640 нм). Видно, чю «|)фективность начинает заметно падать при W больн1е 2.8 Вт. что соо i ветствует току %20ма. С точки зрения эффективности оптимально получать заданный уровень ППФ за счет большой нлотрюсти размещения светодиодов рабогаюгпих при токе не выще 10 20ма. Такое рещение оптимально и с точки зре1Н1я надежности системы. Рабочий юк красгнлх светодиодов в оранжерее VEGGIE около 7 ма. При 1аком токе среднее время наработки на отказ для ячейки оценено авторами в 500000 часов.

Мощность. [JT Рис. 1.17. Зависимость ППФ. создаваемого одной ячейкой светильника фирмы ORBITEC, 01 потребляемой электрической мощности для основной снектральной комнопенты с ?L=640 нм Существенное значение для уменьн!ения потерь света и создания более равномерного светового поля в объеме росювой камер1,1 имеег магериш! ггокрытня стенок ростовой камерь!. По рез'льтатам работы (Emmerich.I.C. el al.. 2004) наилучщие результаты даю1 гладкое и рифленое зеркальные нокрыгня. Оевещенность на расстоянии 40 см от светилы1ика в камере с зеркальным покрыгием степ почти в 2 раза вьике, чем в камере с белым незеркальным покрытием.

ШиЖАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ВПМ 1.3.4 Результаты вегетаииоииых оиытов с исиользованием светодиодных светнлымпсов.

Эффективность тради1П1оин(лх ламн н светодподпых псточппков света для светокультургл разлпчных сортов раетеннй сравннвалась в работах ряда авторов.

Рассмотрпм работы, которые могут нметь отношенне к космнческнм оранжереям. КПД ДПаТ н красных свстодподов вьипе, чем у других рассмагрпваемых источннков света.

Однако, в нх снектре мало снней составляюн1ей (400-500 нм), что может отрнпательно сказываться на развнтни пекоторых видов растеиий (соя, шпппат и др). У ряда растений усплнваетея рост стебля, вытягнваются лнстья н гннокотнль нрн прорастаппп семяп (neathcote et al., 1996;

Wheeler et al., 1991;

Britz&Sager, 1990;

Tibbits et al., 1983;

), может уменьн1аться фотосннтез ii, в конечном счете, урожайность. Добавленне к красным светоднодам или ДПаТ излучения сииих люмииеспептпых ла,%н1 с 1И1тспсив11остью ииогда всего лишь от 1% до 10% от общего потока (1)ото1юв оказ11вало положптельиый эффект.

Растення нод действием такого нзлучення развнвалнсь так же, как и под белымн флюopecпeIrтны^п^ нлп мнкровол1ювымн лампамп (Coins, 2002;

Coins et al., 2001;

Coins&Yorio, 2000;

Coins et al., 1997).

Появлепне около 10 лет назад iroBoro тппа снппх свегодпов (InCaN) с высоким световым выходом вызвало серию исследований но нроверке их нрнменимостн для снней нодсветкн растеннй дополнительно к основному масснву красных светодподов. По результатам нредварнтельных онытов была рекомендована ннтенснвность нодсветкн на уровне 10% от пнтепснвностн ocnoBiioii красной составляюн1ей но ППФ. В экснернменте, описанном в работе (Coins&Yorio, 2000), сравннвалась эффектнвность выраннииигня ишииата {Spinacca olcracca) при освеи1еннн носева лампами ДПаТ, БФЛ, микроволиовы.\и1 лампамп и красиЕлми светодиодами с длииой волпы со зпачеппяхп! максимума в спектре излуче1И1я в области 660, 670, 680 и 690 им с 10% (по эиергии) иодсветкой сииимп светодиодами с длииой волиы 470 им. Все псточппкп света BbipauiniBajnicb по ППФ в областп ФАР па уровие 250 мкмоль-м'^-с''.В 1аблипе 1.4. ириведсиы зпачеиия ППФ в мкмоль-м'^-с"', измере1И1ые иа расстояпии 25 см от этих источииков света (микроволповые ламп1л - па расстояппп 50 см.). Лампы ДПаТ были экранированы от растеннй фнльтром нз нлскснгласа со слоем воды.

Таблнпа 1.4.

Сиектрсии.иые харакгерист1Ии нсточннков нзлучення Мнкр белые Светодио Пагри Свегодиоды Светодио Светодио оволн 660+470(10 ды ды ды (|)Л1ОО CBi.ie 670+470( овыс рссце лампы %) пм. 680+470(1 690+470( лампы нтпые высок 10%) нм.

0%) нм. 0%) пм.

лампы ого давле ппя ППФ 324 272 401 251 253 (300- нм.) 250 ППФ ФАР 250 250 250 253 (400- нм.) Снннй 66 54 16 22 22 22 (400- нм.) Красный 72 66 106 227 227 (600- нм.) Инфракрас 28 4 1 1 15 нын (600 700 нм.) По выходу бномассы и но велпчппе бпомассы на 1 моль затрачс1гнон ФАР посевы, выращенные под ДНаТ, мнк'роволновымп ла.\1па\п1 п свегодподамп с комбпнанпеп длпн волн 690 + 470 нм., нмелн наплучтне показатели, пс обпаружнвая достоверного различия между собой. В работе (Goins el al., 2001) оннсан сходный экспернмепт, проведепный с качанным салатом {Lactuca saliva), Как условпя, так н резул1.тат11 этого эксперимента, былн апалоп1чпы.\п1 вып1ео1П1санным. Паплучпп1е н еходпые между собой результаты показалп посевы под ДПаТ п светодподамн 690+470 нм. п 680+470 нм. Кроме того, ноеевы нод этпмп псточ1пнсамп света устойчнво давачп напбольп1пй лпстовой нпдекс.

Эффект увелнче1П1я плопщдп JHicTieB авторы относят за счет того, что в спектре перечнслсппых псточнпкоп света относительно Nnioio нзлучення в ближней ПК области.

Необходимо подчеркнуть, что оннсанные OIH.ITI.I были нродела1ил лини, при одном 31гачении ППФ, равно.\1 250 MKMOJH.-M'^ е''. Влпянне спсктршн.ного состава света на нродуктпвпость посевов прн других уровпях освеп1епия пеобходпмо будет исследовать дополнительно.

Были также нроведеиы исследования влия1н»я на рост и развитие растеиий добавле1И1я в сиектр светильника излуче1И1я зелен111х светоднодов с длиной волны в иитервале 530-585 им. (Kim et al., 2003, 2004;

KleiH, 1992;

Klein et al., 1965). Включение в снектр зеленой комионеиты в количестве больше 50% (ио ППФ) давшю отрицательный эффект, рост иосевов как 1 биомассе, так и но лнстовой илоишди заметгю замедлялся.

Ю При 5%-24% зеленого света и спектре устойчнвых нзмененнй роста растений не иаблюдалось. Зеленый свет улучшал внзуальное воеириятие раетеиий ири иаблюдении и фотосъемке, придавая им естествеииую зеленую окраску.

В эксиернмеите, оннсаииом в работе (Stryjevvski et al., 2001), изучалось морфология растений ишината в носевах, BbipameiHibix нод cвeтoднoдa^иI с длииой волиы 660, 690, и 725 им с добавленнем света светоднодов 470 нм. Онытиые растеиия сравнивались CHIHIX с коитрольиыми, выраи1еннымн нод ДПаТ и БФЛ.. Лнатомнческое етроенне растеннй, выросшнх 1 Д нзлучением светодиодов 660+470 им. и 690+470 нм, не отличалось от Ю такового в контрольнь1Х носевах. В растениях, выросших иод излучеиием 700+470 нм. и 725+470 нм, структура листьев и черешков (нетнолей) еун1ественно отлнчалась от контрольной. Так, толщнна лнстьев н илои1адь ионеречиого сечения череннсов нетнолей у этих растеиий были сушественио меиьше, чем у коитрольиых растеиий. У растеиий, выросии1х иод излучеиием 700+470 им, налнсадиый мезофил был иримерио вдвое тоньше, а у растеннй, выросшнх нод излучеиием 725+470 им, лист был ирнблизителыю в 4 раза тоиьн1е контрольного, нрнчём иалисадиьнТ мезофил различить бьию гючтн невозможно н лнст состоял только из губчагого мезофила.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.