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:     | 1 || 3 |

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Ерохин, Алексей Николаевич Оптимизация системы освещения растений для ...»

-- [ Страница 2 ] --

С учётом изложеииых результатов вегстагиюнных экснернментов можно сделать вывод о том, что неточник света иа базе красных светодиодов с длииой волгил от 660 до 690 нм. с добавлением излучеиия сиих светодиодов (?.=470 им.) в количестве около 10% ио ППФ, или 30-40 мкмольм'^-е"', можно счнтать 1герснект1иии1м для исиользоваиия в космического оранжереях для выранн1вания витамииной зеленн. Выбор светоднодов с конкретной длниой волиы в интервале 660-690 нм может завнсеть от ряда факторов, нанрнмер, от внда вырашнваемых в оранжерее растеннй, а также от достуниости и цеиы ириобретеиия еоответствуюин1х светод1юдов, которые в настояи1ее время дииамичио изменяются.

1.4 Влияние пространственной организации светового поля на продуктивность посева растений Как было отмечено 1ю введеини, одннм из иутей 1ювьииення удельной нродуктивиоети в космических ораижереях, рабогаюи1их в условиях микрогравитацни.

может служпть примепеппе спецпальпой прострапсгвеппой оргаппзацпп 1юеевов растений. Известные конетрукцнп космпческпх орапжерей в осповпом повторяют компоповку паземпых вегетацпоппых устройств: растеппя растут па плоской посадочпой поверхпостп, пад которой расноложе1п| распределенные по горизоитальиой плоскости источппкп света. Стебли раетепий в поеевах па такпх поверхностях параллельпы. Такая компоповка в пазсмных условпях обусловлепа cymecTBOBainicM препмуп1ествеппого паправлепня орнентацип раетсний, задаииого вектором силы тяжести и отслеживаемого ими с помощью гравптроппческпх реакцпй. Мпогочпслеппые опыты по культивироваппю растепий в условиях космического полёта, показалп, что прн отсутствпп гравптацпоппых спл стеблп растеппй могут орнентпроваться по паправлеппю к псточ1ппсу света, т.е. по паправлеппю градпепта облучёП1юстп за счёт реакций фототрогшзма. В работах (Берковпч и др., 1985, и Berkovich ct al., 1997), были предложепы вегетацпошсые камеры с так нaзывaeмы^пI самораздвигаюни1мися носсвамн растеннй. Для выращпваппя подобпого тппа посевов в условпях нeвeco^юcтп растеппя предлагалось высажпвать па выпуклые крпволппейпые (пплппдрпческпе, сфернческпе п т.д.) посадочпые поверхностп, а нсточннкн света, освени1юн1не носев, равпомерпо распределпть па вогпутой крпволпнеЙ1ЮЙ поверх1юстп той же формы, что п посадочпая, по впеп1пей, коппептрпческой п/нлп коакспалыюй по отпоп1епню к выпуклой посадочной. Поскольку' 1юрмалп к сосед1Н1.\1 точкам выпуклых повсрхпостей не являются параллельпымп, направлеппя стеблей растеппй в такпх посевах являютея расходяпи1мпся, т.е. расстояпня между верхуннч-амп растепнП по мерс пх роста увелпчпваются, п пропсходпт самораздвпжеппе растеппй в гюсеве. Как было показапо в работе (HepKoiupi, 2000), в такпх посевах умепьпшется взаимное затенение ;

и1етьев и улучшается свсгораснределенне. Па рис. 1.18. гюказапы расчётные графнкн самораздвпжеппя посевов пекоторых салатпых растеппй па разлпчпых В1)П1уклых поверх1юетях пз угюмяпутой работы.

20 г 91.

о о• 2• с о" О 5 10 15 20 25 Возраст растений, дни О 5 10 15 20 Возраст растений, d)iu 1 - сферическая поверхность;

2 1 - капуста пекинкая;

2 - салатная тороидальная поверхность с ^^^ = ю см;

з горчица тороидальная поверхность с /^7 = юо см;

4 цилиндрическая поверхность Рпс. 2.1. Законы самораздвпжсння посевов на разлнчных выпуклых повсрхпостях, а) для растенпИ салатной горчнпы для разлпчпых форм выпуклых посадочпых поверхпостсй раднусом 7 см;

б) для растеннП салатной г орчппы п капусты некннскоп на ннлпндрнческон посадочной поасрхностн раднусом 7 см.

Освенщсмая нлощадь носева панболсс быстро увслнчнвается с ростом растеппй в оранжерее со сфсрпчсской носадочно!'! поверхпостыо. 11есомпс1Н1ый пптерес для будущпх крунномасп1табпых нропзводствспных космпчсскпх оранжерей нрсдставляет п торондальная компоновка, Однако, такне компоповкп могут вызывать трудностн прп ннтеграппн нх в отсекн космнческого летательного аппарата с небольшпм объёмом.

Ресурсы, доступн11с в блпжайн1ее врс,\я для са.чатноп космнчсскоп оранжереп в составе МКС, не позволяют пока эффектпвно воспользоваться пренмуществамп подобных спстем выранн1ва1П1я растеннй. Учёт ресурсов МКС, пропзведёппып совместно со спенналнстамп пз РКК "Эпергпя", показал, что нредельные габарнтные размеры современной салатной оранжерен могут составнть не более, чем 790x540x400 мм, а л(онпюсть среднесуточного энергопотребле1Н1я вряд лн сможет нревыснть 0,15 кВт. Расчёты показалп, что едннствеппой возможной формой копвейерной орапжереп с самораздвнгаюнн'мнся посевамп при такпх ограннче1П1ях может служпть crnipajHHbH"i нплнндр. На рпс. 2. пзображепа нрпнппппальная схема 1Н1лн11дрпческой оранжереп. К настоящему времспп опублнкован ннкл работ, носвян1е1пп,м"| лематнке разработкп н нсследовапня конвейерных пплнпдрпческпх с^иатпых opair/керей космпческого назначенпя, где можно пайтп подробное oinicanne устройства н ггрпнпнна работы пплнпдрнческой оранжереп (Berkovich et al., 1997;

Berkovich et al., 2000;

Berkovich et al., 2001;

Berkovich et al., 2003;

Beikovich et al., 2004a;

Berkovich et al., 2004b). ). Однако, до настоян1его временп не былп разработапы моделн, связыва1опи1е нродуктн|{ность самораздвнгаюнн1хся посевов с конструктпв1гымн параметрамп орапжерей с вынуклылп! носадоч|гымн поверхпостямп. В в пастояп1ей работе мы сосредоточнлн уснлня па разработке пакой моделн н оптпмпзацнп с ее помонию хараклернстнк освеп1ення для конвейерной нплнндрнческой CHCTCNH.I салатной оранжереп как колпюненга СЖО орбнтальпой космпческой стапнпн.

ГЛ. 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ САМОРАЗДВИГАЮЩИХСЯ НОСЕВОВ РАСТЕНИЙ НА ВЫНУКЛЫХ ПОСАДОЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ 2.1. Задача моделирования удельной продуктивности космической оранжереи и оптимизации эффективности ее работы за счёт характеристик системы освещения Согласно определению из работы (Berkovich et al., 2000), нроектирование космической оранжереи заключается в выборе таких конструктивных решений, параметров и режимов культивирования растений, которые обеспечивали бы в условиях космического полёта максимум критерия эффективности работы оранжереи при сохранении приемлемых характеристик качества урожая. Для оптимального проектирования важно иметь модель проектируемого объекта, то есть установить количественные зависимости удельной производительности от тех параметров конструкции и режима культивирования растений, которые мы можем задавать в рамках исходных данных на проектирование, т.е. от параметров оптимизации. Одним способом описания проектируемой оранжереи является эмпирическая модель. Она получается путем проведения предварительных онытов на прототипах проектируемой установки и определения по их результатам эмпирических зависимостей ее характеристик от проектных параметров. Преимуществом такого подхода, безусловно, является надежность получаемых результатов. Однако, у него есть и серьёзные недостатки. Во-первых, создавать целый ряд прототипов с различными конструктивными параметрами очень сложно и дорого. Во-вторых, для получения статистических эмпирических зависимостей необходимо нроведение большого числа вегетационных онытов, что требует значительного времени и трудозатрат.

Другим подходом к решению подобной задачи является построение математической модели нроектируемой вегетационной установки, идентифицируемой но данным сравнительно небольшого числа экспериментов, даюшей возможность численного моделирования исследуемых зависимостей. Математическое моделирование дополняет эмпирический подход, резко снижает затраты на эксперименты и нозволяет наиболее нолно интернретировать результаты вегетационных онытов с растениями и прогнозировать влияние различных параметров на характеристики оранжереи. Адекватная математическая модель также позволяет поставить и решить задачу оптимизации вегетационной установки и технологического режима культивирования растений по основным параметрам.

Общий подход к задаче оптимизации производственной системы освешеиия в космической оранжерее был описап во введении к нашей работе. Выше были также перечислены основные параметры конструкции и режимов работы системы освешепия и онисано их влияние на среду обитания растений и на продуктивность посева. В этом разделе дается более строгая математическая формулировка задачи оптимизации.

Производственная оранжерея, как уже было отмечено, является частью СЖО космического корабля. Задача оптимального выбора ее характеристик может решаться в рамках общей задачи построения оптимальной структуры СЖО. Разработаны процедуры, позволяющие на основе набора глобальных и локальных критериев, а также формализованных приёмов принятия рещеиия в условиях неполной информации проектировать эффективную технологическую структуру СЖО и ее отдельные комноненты (Drysdale, 1998, Менькин, 1999).

В данной работе решается задача оптимизации работы космической оранжереи за счёт нодбора характеристик системы освещения на основе однокритериального подхода. Для постановки задачи оптимизации определим критерий оптимизации и параметры оптимизации.

Одним из наиболее раснространенных глобальных критериев для сравнения и оценки эффективности систем и устройств космического применения является минимум приведенной массы системы (Drysdale, 1996;

Drysdale, 1998;

Drysdale et al, 1999;

Cuello et al., 1998;

Cuello et al., 1999). Масса оранжереи, наряду с энергоемкостью и потреблением других бортовых ресурсов, определяет ее приведенную, или эквивалентную, массу. В наиболее полной форме эквивалентная масса системы определяется как сумма пяти составляющих (Levri et al., 2000):

1. собственно массы;

2. объема;

3. энергопотребления;

4. отводимого тепла (тепловыделения);

5. трудозатрат экипажа.

Полную эквивалентную массу системы целесообразно представить в виде двух составляющих:

ESMTOTAL = ESMNCT + ESMCT, (2.1) где ESMNCT - эквивалентная масса системы без учета трудозатрат экипажа, ESMCT - вклад в эквивалентную массу системы, учитывающий полные трудозатраты экипажа на систему жизнеобеспечения. Составляющие рассчитывают по следующим формулам:

ESMNCT И ESMCT V + ypxP + YcxC, (2.2) E S M N C T = M + YVX = уст xtLss. (2.3) ESMCT Здесь М - масса (включая и переменную во времени составляющую) системы, V - объем, занимаемый системой;

Р - энергопотребление системы;

С - необходимая мощность охлаждения;

tLss - время работы экипажа, необходимое для обслумивания СЖО;

yv, ур. Ус. Уст коэффициенты, отражающие стоимость единицы гермообъема, энергии, отводимого тепла и трудозатрат экипажа в терминах эквивалентной массы. Обычно эти коэффициенты считают постоянными в условиях аналогичных космических экспедиций. Значения коэффициентов для перевода основных бортовых ресурсов в приведепную массу для некоторых космических миссий приведены в (Maxwell&Drysdale, 2001). К преимуществам метода приведенной массы можно отнести его распространенность и наглядный смысл. Недостатками метода являются отсутствие во многих случаях обоснованной методики пересчета различных характеристик и ресурсов в приведенную массу. На сегодняшний день наиболее достоверные экспериментальные данные, необходимые для расчета приведенной массы, имеются только для сравнительно простых научно-исследовательских космических оранжерей применительно к Международной космической станции, да и то не в полном объеме.

Для более простой предварительной оценки технологической структуры при проектировании системы жизнеобеспечения в качестве глобального критерия был предложен минимум потребления бортовых ресурсов для производства единицы полезной продукции (Samsonov et al., 2000):

. общие затраты,_.^ ф=. (2.4) полезная продукция Для космической оранжереи такой критерий может быть выражен в виде минимума следующей линейной комбинации:

Uiii:b^, (2.5) где Р - производительность оранжереи по полезной биомассе за едипицу времени;

Ri потребление оранжереей i-того ресурса за единицу времени;

yi - обобщенная стоимость единицы i-Toro ресурса;

к - количество видов нотребляемых ресурсов.

При отсутствии удовлетворительных оценок уь которые, как и при оценке эквивалентной массы, обычно зависят от длительности и характера космической экспедиции, состава экипажа, параметров всех подсистем космического корабля и других факторов, удобнее использовать более простой глобальный критерий оптимизации, предложеппый для сравнения эффективности культивирования различных посевов растений при различных условиях среды (Berkovich et al., 2004):

T^xVxE где Me - съедобная часть сухой биомассы посева;

Кп - коэффициент хозяйственного использования, т.е. доля съедобной биомассы в общей биомассе посева;

Ту - период времени между посевом и уборкой урожая;

V - объем, занимаемый посевом;

Е - потребляемая посевом электроэнергия. Критерий обозначен буквой Q от английского слова "quality" - качество.

В числителе выражения (2.6) стоят основные показатели, увеличепие которых повышает эффективность выращивания растений в космической оранжерее: прирост съедобной биомассы и коэффициент хозяйственного использования полученной биомассы, характеризующий 49.

степень безотходности производства. Наоборот, увеличение показателей, стоящих в знаменателе: период между получаемыми урожаями, объем, занимаемый установкой и ее энергопотребление - приводит к снижению эффективности работы оранжереи, т.е.

уменьшению ее удельной нроизводительности на затраченные ресурсы. Учитывая, что энерговесовые характеристики системы охлаждения для оранжереи, как правило, пропорциональны мощности, потребляемой оранжереей, а также то, что трудозатраты экинажа нрн длительном ненрерывной работе салатной оранжереи приблизительно пропорциональны времени ее функционирования, можно считать, что Q-критерий отражает удельную производительность вегетационной установки, нормированную на все основные нотребляемые бортовые ресурсы. Использование Q-критерия предполагает, что все перечисленные ресурсы имеют одинаковый порядок стоимости. В этом случае возможпо предварительное сравнение эффективности космических оранжерей без сложных и неточных вычислений соотношений "цены" ресурсов для каждой конкретной космической экспедиции. Однако, для корректного сравнения по Q-критерию различных технологий выращивания растений или различных конструкций оранжерей и их отдельных подсистем необходимо вьшолнение следующих условий (Беркович, 2000):

• входные массонотоки, потребляемые ресурсы и полезный нродукт в сравниваемых объектах должны быть сопоставимы;

например, при сравнении конструкций производственной космической оранжереи входные массопотоки - это посадочный материал (семена, луковицы, корнеплоды и т.д.), а полезный продукт - съедобпая растительная биомасса;

• качество получаемой продукции в сравниваемых объектах должно быть удовлетворительным для всех сравниваемых технологий и конструкций;

• сравниваемые объекты должны нредназначаться для близких но стенени автономности космических экспедиций;

поскольку потребляемые ресурсы могут изменяться при увеличении срока автономной работы устройства.

До оптимизации системы освещения в качестве исходных данных были заданы следующие нараметры и характеристики конвейерной салатной оранжереи:

• комноновка вегетационной камеры оранжереи - цилиндрическая;

• вид выращиваемых растений - листовая кануста, литовая горчица и др. зеленные культуры, имеющие близкие кривые роста в условиях светокультуры;

• количество щагов конвейерного посева (10 - в установке "Фитоцикл СД" и 6 - в "Фитоконвейере");

• условия среды обитания растений в вегетационной камере:

режим освещения растений - ненрерывный;

концентрация СОг в вегетационной камере в наземных условиях составляет 300 - -1.

мкмоль-моль температура в вегетационной камере находится в диапазоне 27° - 32° С;

относительная влажность воздуха 40-70%.

На основании изложенных в разделе 1.1.3 материалов мы выбрали в качестве источника излучения комбинацию красных светодиоды с длиной волны излучения 660 нм с синими светодиодами с длиной волны излучения 470 нм, нричём вклад синей комноненты составлял 10±2% по ППФ. Все панели со светодиодами в рассматриваемых конструкциях размещены на внутренней поверхности вегетационной камеры оранжереи, имеющей форму снирального цилиндра, т.е. источники света расположены над посевом. Как показано в работе (Беркович и др, 2005), вегетационная камера вынолнена в конвейерных цилиндрических оранжереях в форме цилиндрической поверхности, направляющая для образующей которой описана в полярных координатах уравнением дуги кривой:

= го+Н1+Ь(ф) (2.7) где г(ф) - радиус-вектор нанравляющей;

ф - угол поворота радиуса вектора;

(О ф 360, го радиус блока корневых модулей (посадочного барабана);

HI- высота растений в конце первого щага растительного конвейера с запасом 3-4 см;

Ь(ф) = Ь(Т-ф/360) - кривая роста растений в нолярных координатах, где h(t) - кривая роста растений;

t - возраст растений;

Т нродолжительность вегетации растений в установке. Из уравнения (2.7) следует, что для выбранных объектов культивирования в качестве конструктивного параметра оптимизации можно выбрать, нанример, радиус блока корневых модулей го.

В качестве параметров оптимизации системы освещения выбраны:

1. 1о -величина ППФ ФАР, создаваемая светильником на уровне верхней границы носева;

2. Ту -длительность товарной вегетации;

3. Г -диаметр цилиндрического блока корневых модулей (посадочной поверхпости).

о Учитывая приведенные в настоящей главе данные о выращивании салатных культур, мы выбрали диапазон изменения величины Ь - от 90 до 350 мкмоль Длительность товарной вегетации Tv=N'T, где N - число щагов конвейера, Т - длительность шага конвейера. С учетом суточной цикличности работы экипажа величина Т бралась в пределах от 36 часов до 5 суток с интервалом 12 часов. Как было показано в диссертации Берковича, 2000, Q критерий монотонно убывает с ростом радиуса блока корневых модулей го. Таким образом, оптимальным является минимально допустимое для данной конструкции значение го. Возможность уменьшения го ограничивается минимальным количеством субстрата, необходимым для обеспечения минерального питания растений (Кривобок, 2005). Таким образом, размерность задачи оптимизации можно понизить до 2-х.

Заметим, что величины, входящие в Q критерий и не зависящие от выбраных параметров, не влияют на процедуру оптимизации и могут быть онущены. Так, мы будем считать ностоянным для выбранной культуры Кл - коэффициент хозяйственного использования. Для N - шагового конвейера вместо (2.6) можно записать следующее выражение для Q критерия как функции выбранных параметров 1о и Т:

где М - масса урожая, Vi и Wi - объем вегетационной камеры и мощность затрачиваемая на освещение посева на i-том шаге конвейера. Итак, на основании вышеизложенных материалов можно заключить, что задача онтимизации светового режима оранжереи заключается в нахождении максимума Q критерия (2.8) в определенной выше области параметров 1о и Ту.

Проектирование оранжереи включает интегрирование ее в структуру СЖО конкретного космического корабля. Это выражается в том, что задаются ограничения на технические параметры оранжереи, связывающие ее с другими системами космического аппарата. Основные требования связаны с ограничением объема, энергопотребления и производительпости вегетационной установки. Для цилиндрической оранжереи ограничение объема нрактически сводится к ограничению ее длины. Таким образом оптимальное значение критерия обычно приходится находить при выполнении указанных ограничений:

А). LSUax Б). WSW^ax В). М(1„Т)/Тт, (2.9) Световой режим определяемый максимумом китерия (2.8) без ограничений можно назвать оптимальным. О режиме, определяемом максимумом китерия (2.8) в условиях ограничений (2.9) будем говорить как об условно онтимальном. Ограничения (2.9) сужают область допустимых режимов работы орапжереи, в которой ищется максимум критерия. Это приводит к тому, что условно оптимальпое значение критерия может быть меньше его значения в оптимальном режиме. В общем случае, чем более жесткими являются ограничения (2.9), тем более значительно условно оптимальный режим отличается от оптимального.

2.2. модель фотосинтетической продуктивности посева зеленных растений в конвейерной цилиндрической оранжерее в данном разделе описано построение модели фотосинтетической продуктивности конвейерного носева в цилиндрической оранжерее тина «Фитоцикл СД». Мы рассматриваем конвейерный носев растений, состоящий из N разновозрастных носевов, о каждом из которых будем говорить как о шаге конвейера и нумеровать от 1 до N в порядке увеличепия возраста.

Через время Т, называемое продолжительностью щага конвейера, посев старщего возраста с N ого шага конвейера убирается, все остальные шаги перемещаются на следующий по ходу шаг, а на первом шаге сажается новый посев. Продолжительность вегетации растений в конвейерном посеве равна N T. Поперечное сечение ростовой камеры оранжереи и размещение в ней посевов, или щагов растительного конвейера, показаны схематично на рис.2.1.

VI У 1Г III Рис. 2.1. Схема поперечного сечения ростовой камеры конвейерной цилиндрической оранжереи.

Наружный кожух ростовой камеры имеет форму спирального цилиндра, соосного с цилиндрическим блоком корневых модулей. Форма направляющей спирали в поперечном сечении вегетационной камеры отражает усреднённую кривую роста культивируемых растений в процессе вегетации. Светящие панели со светодиодами распределены на внутренней поверхности спирального кожуха вегетационной камеры. В поперечном сечении каждый из N шагов конвейера занимает пространство внутри угла 2к/Ы, ограниченное изнутри поверхностью корневых модулей, а снаружи - поверхностью спирального светильника вегетационной камеры.

Рассмотрим составляющую конвейерного посева с номером i (liN). Обозначим через Mj - сухую биомассу этого посева к моменту iT, т.е. в конце i-того щага, а через ЛМ, - прирост к сухой биомассы на i-том шаге конвейера. Можно записать: М^ = ^ Д Л /,, и в частности, для сухой биомассы снимаемого урожая: Л/д,=^АМ,. Моделирование продуктивности (= конвейерного посева сводится, таким образом, к расчету величин ДМ, для i=l,2...N. На первых шагах конвейера происходит прорастание семян, начальное формирование структуры растений и фотосинтетического аппарата листьев, но площадь листьев растений мала, поэтому эти посевы не являются "сомкнутыми", что не позволяет для описания их продуктивности модель "большого листа". Накопление биомассы на первых 4-5 шагах конвейера незначительно, оно составляет примерно 2-6% от биомассы урожая и не вносит, таким образом, заметного вклада в оценки урожая конвейерного посева. Вследствие этого рост конвейерного посева моделируем, начиная с 12-15 дня после посадки (или с 5-6 шага при 10 шаговом конвейерном посеве). При этом в выражении для М^ выделим два слагаемых:

(2.10) В соответствии с введенными выше обозначениями, первое слагаемое - биомасса, накопленная на первых No шагах. От этого начального значения моделируется дальнейший рост посева, описываемый вторым слагаемым в (2.10). Зависимость Л/д,^ от интенсивности освешения 1с целесообразно описывать эмпирической формулой:

М^„=//.ехр(;

^-/о), (2.11) где ц и X постоянные величины, определяемые по результатам опытов. Для посевов пекипской капусты в возрасте 15 дней (это соответствует 5 шагам с длительностью 3 суток каждый или шагам - с длительностью 2,5 суток) измерения дают значения ^=12-^18 г, х^О.ОО 16-^0. мкмоль''.

Обратимся теперь к вычислению величин ДЛ/,. Согласно уравнению (1.1) скорость, с которой в данный момент увеличивается биомасса посева, пропорциональна видимому фотосиптезу посева F. Интегрируя уравнение (1.1), можно записать:

/Т АЛ/, =/ \FrdT = yT-F, (2.12) (,-1)7 Здесь Fj среднее значение функции F^ на интервале интегрирования. Изменение скорости фотосинтеза на протяжепии шага конвейера можно приближенно считать линейным (при N10), в этом случае средним будет значение функции в средней точке интервала.

При онисании морфологических характеристик посева и взаимодействия оптического излучения с посевом мы придерживались классической модели «большого листа», описанной, например, в (Charles-Edwards, 1998). При построении модели продуктивности посева растений в цилиндрической оранжерее мы использовали следуюшие основные предположения: 1) листовая масса посева занимает всё пространство между двумя коаксиальными цилиндрами:

внутренним - посадочным цилиндром и внешним - поверхностью посева. При этом, плотность распределения листовой поверхности аксиальио симметрична и не зависит от координаты вдоль оси цилиидров;

2) скорость фотосинтеза в любом объеме посева пропорциональна заключенной в этом объеме суммарной нлощади листовой поверхности;

3) цилиндрический светильник над посевом состоит из большого числа равномерно распределённых по поверхности светоизлучающих диодов, которые но длине волны излучения разделяются на два типа - красные и синие.

При численном моделировании посев разбивали на т цилиндрических слоев одинаковой толщины, а нлощадь листовой поверхности Sy, заключенную ву-том слое (J=I,2...m) посева / того шага конвейера, считали равномерно распределенной по объему слоя. Как было отмечено в главе 1, интенсивность фотосинтеза растений измеряют по скорости ассимиляции двуокиси углерода из окружающего воздуха. Выражение для средней скорости ассимиляции СОг посевом растений на i-том щаге конвейера мы представляем в виде:

где Fy (I) -удельная интенсивность фотосинтеза на единицу площади листа для листьеву го слоя посева, /у-средпяя плотность потока фотонов (ППФ) ву-том слое. Первый индекс у всех величин обозначает номер шага конвейера. Мы учитывали зависимость функции F^ только от одного аргумента - плотпости потока фотонов, носкольку полагали, что значения остальных нараметров, влияющих на скорость фотосинтеза (температура и влажность воздуха, концентрация СО2 и др.), одинаковы для всех листьев в носеве. Как было отмечено в разделе 1.1, это донущение справедливо в космических орапжереях, где работа подсистем оранжереи сводит градиенты параметров среды внутри посева до пренебрежимо малых значений.

Задача моделирования фотосинтеза посева складывалась, таким образом, из моделирования распределения 1у светового потока в объеме растительного покрова и распределения Sy листовой площади по глубине носева и определения вида световой кривой листьев в разных ярусах посева на всех моделируемых шагах конвейера.

2.3. Исследование распределения по объему посева площади фотосинтезирующих листьев Распределение листовой площади посева по высоте определяли экспериментально. В работе Ю.К. Росса, 1975, описано несколько возможных методов для проведения такого исследования. Мы использовали два различных метода, один как основной, и второй как контрольный. Основным был расчетно-весовой метод. В этом методе распределение листовой площади носева получалось как сумма большого числа распределений площади отдельных листьев. Распределение по высоте площади листовой поверхности отдельного листа оценивалось расчетно-весовым методом. При съеме очередного растения для каждого листа измеряли высоты его нижней Ы и верхней Ъ2 точек, а также массу листа ш. Предварительно была измерена средняя поверхностная плотность листа р. Для листьев пекинской капусты мы получили значение р=28±8 см^г. По измеренной массе листа его площадь определялась как 8л=р-т. Из простых геометрических фигур наиболее адекватно описывает форму листа пекинской капусты фигура в виде четырехугольника, изображенная на рис. 2.2.

Раснределение фотосинтезирующей площади листа по высоте в интервале от Ы до h мы моделировали кусочно-линейной зависимостью:

1 (2.14 а) при 1 (2.14 6) при В функциях (2.14) 0|11 - свободный параметр, значение которого выбиралось так, чтобы обеспечить максимально возможное соответствие результатов данного и контрольного методов. Далее мы суммировали распределепия (2.14) для достаточно большой выборки листьев и получали эмпирическое распределение Se(h)=dS/dh площади листовой поверхности по высоте для посева. Пример такого эмпирического распределения, полученного для 8 растений в возрасте 24 дней, показан на рис. 2.3 (кривая 1). Полученное ••h, эмпирическое распределение Se(h) аппроксимировали по методу наименьщих квадратов зависимостью, рекомендованной в работе р^^ 2 2Мо ель формы листа пекинской Васильева, 2003: капусты.

а(х) а{х) =С - - Здесь x=(h/H), X - расстояние от посадочной поверхности, нормированное на высоту посева Н, а(х)=П-1!(х)/Ео - плотность распределепия фотосинтезирующей поверхности посева, н S(x) -функция аппроксимирующая эмпирическую зависимостьЕе(Ь), So= \I,(h)dh полная о листовая площадь посева. Для постоянных кь кг, и С определены следующие значения:

ki=4,0-^5,3 ;

кг=6,2-^9,6;

С=0,12-^0,22. Кривая 2 на рис. 2.3 представляет собой аппроксимацию эмпирического распределения по формуле (2.15). Значения ki, кг и С принимали одинаковыми для всех возрастов. От шага к шагу изменялась высота посева Н и его полная листовая площадь So. При заданных перечисленных выще параметрах распределения (2.15) величины Sij рассчитываются путем несложной процедуры:

\a{x)dx, (2.16) где Xj и Xj+i -нижняя и верхняя границы растительного слоя с номером j в посеве i-того шага.

Контрольным методом оценки функции S(h) был метод послойного разрезания, впервые примененный в работе (Monsi.& Saeki, 1953). Он заключается в том, что листовую массу посева срезают послойно, начиная с верхушек, и измеряют площадь листьев в каждом срезанном слое.

Толшина слоев была выбрана нами равной 5 см. Суммарную нлошадь фотосинтезируюшей листовой поверхности Sn в каждом слое (п=1,2,3,... -номер слоя) определяли весовым методом.

Для сопоставления обоих методов мы сравнили измеренные величины Sn с аналогичными величинами, рассчитанными исходя из аппроксимирующего распределения а(х). Наилучшее соответствие результатов расчетно-весового и контрольного методов достигалось при |д.=0.85.

Результаты сравнения двух методов показаны на рис. 2.3.

0.2 • 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0. x=h/H Рис.2.3. Результаты измерения плотности распределения фотосинтезируюшей поверхности посева, а(х), по высоте растительного слоя, х, в 24 дневном посеве пекинской капусты расчетно-весовым методом (1) и их аппроксимация (2). Сравнение результатов расчетно-весового метода (*) с измерениями - методом послойного разрезания для 5 слоев (•).

Доверительный интервал для экспериментальных данных соответствует доверительной вероятности 0.9.

При применении разрабатываемой модели к посевам с различной пространственной компоновкой (например, на плоскости и цилиндре) возникает вопрос - различается ли в таких носевах усреднённое морфологическое строение растений и, как следствие - распределение листовой нлощади но глубине посева. Исследования распределения листовой площади по глубине, проведенные для плоских и цилиндрических посевов пекинской канусты, не выявили статистически значимой разницы этой характеристики. В дальнейшем моделирование продуктивности цилиндрического и плоского носевов было вынолнено в нредноложении, что усреднённое морфологическое строение растений в них нри одинаковом возрасте одинаково, а следовательно, одинаково и распределение 2(h) листовой нлощади по высоте.

В заключение отметим, что для характеристики густоты носевов на криволинейных выпуклых посадочных новерхностях мы будем иснользовать величину модифицированного листового индекса L, которую мы определяем как отнощение суммарной листвой площади к площади освещаемой поверхности посева, L = —. Напомним, что традиционно листовой ипдекс определяется как отнощение суммарной листвой площади к посадочной площади. Для плоского посева освещаемая и посадочная площади одинаковы, и следовательно, нриведенное выше определение совпадает с традиционным для плоского посева.

Для конвейерного посева на выпуклой цилиндрической посадочной новерхности мы определяем листовой индекс на каждом i-ом шаге Li как отнощение суммарной листвой площади посева к площади освещаемой поверхности посева Sj^' на этом шаге,, = -^-j— 2.4. Моделирование светораспределения в посевах зеленных растений При расчете характеристик светового ноля по объему посева первой задачей является адекватное описание излучения самого источника света. Для светодиодного источника эта задача может быть решена наиболее точно. Светильник состоит из отдельных, практически точечных источников света - светодиодов. Мы будем рассматривать светильники, состоящие из светоднодов двух тинов: с излучением в красной и синей областях видимой части спектра.

Тин светодиода будем обозначать индексом а, нринимающим значения а=г для красных и а=Ь для синих светодиодов. Для светодиодов каждой марки нроизводитель сообщает среднюю интенсивность излучения на оси диода. Фа, а также диаграмму направленности излучения Фо{0)- Излучение в каждой точке внутри посева складывается из прямого - идущего неносредственно от светильника, 1о, и рассеянного, Ь :

(2.17) I=Io+Is.

Интенсивность прямого излучения 1о рассчитывается как сумма плотностей потоков излучения от каждого светодиода светильника:

Nr (2.18) (2.19) - кЯ, •)x R-' ;

а=Г,Ь, где индексы г и b соответствуют красным и синим светодиодам, соответственно. Nr и Nb - число светодиодов каждого типа в светильнике. Фа - интенсивность излучения на оси диода, Фа\О) - функция углового распределения излучения, к -коэффициент экстинкции излучения в посеве, Ri - расстояние от i-того светодиода до точки наблюдения в посеве, Х\ - оптическая толщина листовой массы посева, находящейся между точкой наблюдения и i-тым светодиодом, 0i угол между осью i-ro диода и направлением от него в точку наблюдения. Оптическая толщина листовой массы на пути от i-ro светодиода до точки наблюдения Х\ рассчитывалась по уравнению:

' ', (2.20) где Vj -объем j-ro слоя посева, 5ij -длина лежащего в j -том слое посева отрезка прямой, соединяющей i -й диод и точку наблюдения. Экспериментально были найдены следующие значения для интенсивностей Фа и аппроксимации для функций углового распределения излучения нри рабочем токе диодов равном 25 мА, Qr = 450 мкмоль/с, Qb- 156 мкмоль/с;

(2.21) ф^[0) = ф^^со^^{\..^хв), вп1?).в;

ф/,{в) = фд^со8^'^{2.0x0), вк1А.

Функции углового распределения нормированы из условия \ф^ {в)сЮ. = 1, где dQ = 2л Sin0 d0, откуда находятся значения ф^^^ =1.96 ср'', ф,, =2.60ср-'.

Расчет рассеянного излучения представляет собой более сложную задачу. Весь посев разбивался на L элементарные объемы AVk, такие, что в пределах каждого элементарного объема все характеристики, L включая освещенность, можно было считать постоянными. Каждый элементарный объем являлся источником рассеянного излучения. Расчет интенсивности рассеянного излучения был выполнен с использованием подхода, изложенного в п. 1.2.

Однако, интенсивность рассеянного излучения Рис. 2.4 Схема измерений светового поля под плоским светодиодным светильником.

оказалась малой на фоне первичного излучения. Его L1 и L2 - отрезки, где проводились измерения, представленные на рис. 2.5 и 2.6.

вклад в фотосинтез посева по нашим оценкам не превыщал 3-4% даже при максимальпой величине коэффициента рассеяния. Учет рассеянного излучения делает модель более громоздкой, не обеспечивая заметпого улучшения ее качества и точности. Вследствие этого в дальнейших расчетах рассеянное излучение не учитывалось.

В расчетах, как и в реальных установках, была припята копструкция светильпика, состоящая из нескольких плоских плат со светодиодами. В устаповках плоской компоновки указанные платы образуют горизоптальный плоский светильник, размещённый над посевом;

в цилиндрических вегетационных камерах платы размещаются вдоль образующих па впутренпей поверхпости цилипдрического колсуха вегетациоппой камеры.

Для проверки точности информации о характеристиках светодиодов были сделаны нробные расчеты светового поля под плоским светильпиком в прямоугольной ростовой камере без посева. Экспериментальная вегетационная установка «Зелень» с ростовой камерой шириной 40 см. длиной 65 см и высотой 64 см была снабжена светильником из двух светодиодных плат размером 87ммх540мм, установлеппых с зазором между ними в 12 мм. На каждой плате были смонтированы 44 ряда по 12 светодиодов (10 краспых и 2 сипих). Было измерено измепепие плотности светового потока по высоте и по ширине ростовой камеры отдельно для красных и синих светодиодов. Схема измерений показапа па рис 2.4. На рис.2.5 и 2.6 сравниваются результаты измерений и расчетов плотности светового потока по описаппой методике.

200 и + N' + ф ° л о + о о о +,, f,- _ 150 о О © + с о U + о 50 + 5 10 15 20 25 30 35 Коордипата Y точки измерения, см Рис.2.5. Зависимость ППФ красных светодиодов в центре светильника (х=0) от расстояния но вертикали до светящей новерхности. о - данные измерений, + - результаты расчета + о о о ф....

15 14 - о + о 13 о е..+.

с 12 с о 11 -• + 0 2 4 6 8 Координата X точки измерения, см Рис. 2.6 Зависимость ППФ синих светодиодов от расстояния до центра светильника на расстоянии у=35.4 см нод светящей поверхностью, о —данные измерений, + - результаты расчета Совнадеиие результатов можно оценить как хорошее. Отметим, что основной причиной отличия расчетов от измерений в данном случае является отличие реального углового распределения излучения от упрощепной модельной зависимости (2.21), заложенной в расчете.

В рамках данной работы нет, однако, необходимости добиваться дальнейшего уменьшения различия, т.к. демонстрируемая точность расчетов вполне достаточна для решения задач данной работы.

Прежде чем переходить к расчетам светового поля в посевах рассмотрим сначала, как распределяется световой ноток в отсутствии носева в ростовой камере, которая нредставляет собой пространство между двумя коаксиальными цилиндрами, ограниченное с торцов нлоскими стенками. Па новерхности внешнего цилиндра расноложены светодиоды светильника, внутренний цилиндр - носадочный. Па рис. 2.6 ноказана зависимость от высоты над поверхностью внутреннего цилиндра полной (суммарной по всем направлениям) плотности нотока ФАР (кривая 1), и ее вертикалыюй составляющей (кривая 2). Чтобы сравнить распределение света в цилиндрической и нлоской ростовых камерах, эти зависимости рассчитаны для плоской (прямоугольной) ростовой камеры со светильником, нолученным путём развёртки цилиндрического светильника в плоский (кривая 5). В цилиндрической ростовой камере происходит как бы «концентрация» излучения к центральной оси, т.е.

существенное увеличение освещенности вдоль радиусов поперечного сечения цилиндра, вследствие того, что вклад в освещенность в каждой точке вносит больщее число светодиодов.

Эффект «концентрации» существенно зависит от ширины углового раснределения излучения светодиодов. Кривые 1 и 2 рассчитаны для диодов с угловым распределением 2в^ = 20°. При увеличении ширины углового распределения до 2^^ = 90° мы получим для тех же величин кривые 3 и 4. Освещенность в основной части объема ростовой камеры в этом случае существенно выше. Таким образом, для реализации преимущества цилиндрической компоновки светильника пужно иснользовать светодиоды с щироким (60°-90°) угловым раснределением излучения.

2000 г 1800 -• 1600 1400 -.

э 1200 i 1000 е с с 800 600 400 200 10 12 14 18 20 22 24 26 26 Расстояние по радиусу от оси цилиндров, см Рис. 2.7. Радиальное распределение ППФ в цилиндрической (1,2,3,4) и плоской (5) ростовых камерах для светодиодов с углом излучения 2^, = 20° (1,2) и 90° (3,4), Для расчета распределения освещенности в посевах растений необходимо было оценить коэффициент экстипкции Кэ. Такая оцепка была получена путем измерений зависимости плотности потока фотопов от глубины в посевах пекипской капусты, сорт Хибинская. Был выполнен ряд измерений в сомкнутых плотных посевах возраста 24-30 дпей с листовым индексом в пределах 8-ь14, выращенных как на плоской, так и на цилиндрической посадочных поверхностях. Ввиду большой перавпомерпости светового потока, в посевах пекипской капусты на каждом уровне по глубине делалось от 25 до 50 измерений, по которым производилось усреднение. Паиболее адекватное соответствие расчетов с результатами измерений было достигнуто при /Гэ=0.3-г0.35. На рис. 2.8 приведепы результаты измерения распределения светового потока в посеве пекинской капусты 30 дневного возраста, а также результаты его расчета при к=0.35.

0.35 :

11.4635 • 150 о 100 ( С \ ^ о• t i - 10 20 25 Расстояпие от посадочной поверхности, см Рис. 2.8 Вертикальная составляющая ППФ в посеве пекинской капусты с листовым индексом 11.5. Результаты измерений (о) и расчетная кривая (-) при к^=^.ЪЪ. Доверительный интервал для результатов измерений соответствует доверительной вероятности 0.95.

Кроме того, были рассчитаны зависимости распределения света в посевах разного возраста на шагах растительного конвейера с 6 по 10. Результаты расчета представлепы на рис. 2.9 для значений ППФ на поверхности посева 350 мкмоль-м'^-с'' и 130 мкмоль-м"^-с"'.

450 г "—"\ „ / / '/• / iJ 2 е _ • • • • с 1 5 10 15 20 25 Высота над посадочной новерхностыо, см Рис. 2.9 Распределение плотности потока фотопов по глубине конвейерного посева пекинской капусты для шагов с 6 по 10 при уровнях освещения 130 мкмоль-м'^-с'' (кривые 1) и мкмоль-м"^-с'' (кривые 2).

При относительно высокой освещенности 350 мкмоль-м'^-с'' (верхние кривые) образуется густой посев, листовой индекс к 30 дню достигает 12. Освещенность резко снижается по глубине посева уже со 2-го расчётного щага. При меньщей освещенности мкмоль-м'^-с"' листовой индекс посева к концу вегетации оказывается примерно вдвое меньще, а на первом рассчитываемом шаге (15-18 дней) - всего лишь около 1,5. Па первых шагах конвейера в этом случае отчетливо виден эффект концентрации света в направлении к центру цилиндрической ростовой камеры.

Текст программпого модуля Flight_cil, осуществляющего расчет распределения освещенности внутри растительного покрова цилиндрической формы приведен в Приложении.

2.5. Исследование фотосинтетической активности листьев в различных ярусах посева Для моделирования фотосинтетических характеристик посева пекинской капусты и определения величин Fy в формуле (2.4) были измерены световые кривые разных листьев посева. Измерялись световые кривые старых и молодых, световых и темновых листьев, находящихся в разных ярусах посева при различной интенсивности освещения. Были проведены две серии измерений - одна с использованием инфракрасного измерителя фотосинтеза LI-6400, производства LiCor. Inc., США, другая - с инфракрасным газоанализатором ГОА4-07 российского производства. Оба прибора представляют собой СОг газоанализаторы и измеряют скорость уменьшения концентрации СОг за счет фотосинтеза при циркуляции воздуха в замкнутом коптуре, включающем листовую камеру с участком освещаемого листа. Окпо листовой камеры имело размеры (Зх1,5)см при общем объеме воздушного контура около 100 см. Поскольку размеры листовой камеры были существенно меньше размеров листа пекинской капусты, скорость фотосинтеза измерялась не только для разных листьев, но и на разных участках одного листа. Зависимости скорости фотосинтеза от положения измеряемого участка на листе обнаружено не было.

Примеры измеренных световых кривых для двух основных грунп листьев нриведены на рис. 2.10.

* * -^ у • 0.0033"х-0. Q^'i а) * »

| 3 claial 1j linear ППФ, мкмоль-м'^-с'' y-0.0016*x-0 0 0.4 0. 0. б) •t 0.1 + ••''' + 0- data 1 -0.1 - linear ^ -n ППФ, мкмоль-м"^-с"' Рис. 2.10. Результаты измерения и аппроксимации световых кривых листьев растений пекипской капусты: а) световых и молодых листьев;

б) старых темповых листьев.

Первая группа измерений (рнс.2.10 а) относится к световым листьям, находящимся в верхнем, хорошо освещенном ярусе посева, и к молодым растущим листьям. Освещепность па поверхности световых листьев, как правило, превышает 80-100 мкмоль-м'^-с"'. Вторая группа измерений (рис.2.10 б) сделана на старых темповых листьях, расположенных в более глубоких и менее освещенных слоях посева. Световой поток па поверхности таких листьев обычно не превышает 50 мкмоль-м'^-с"'. Фотосинтетическая активность световых листьев несколько выше, чем у старых темновых. Измерения фотосинтетической активности листьев, приведенные на рис. 2.10, были выполнены в посевах пекинской капусты, выращенных при освещенности мкмоль-м"^-с"'. Кансдая серия измерений была аппроксимирована линейной зависимостью, при этом мы получили для световых листьев:

F(I) = a^•I-RJ^, где Rdi=1.3 мкмоль-м'^-с'', а|=2.3-10''^мкмольСОУмкмоль, (2.20) а для старых темповых листьев:

F(I) = «2 • / - Rj2, где Ri2=0.32 мкмоль-м"^-с'*, а2=4.7-10''' мкмольСОУмкмоль (2.21) Описанные выше результаты измерения фотосинтеза разных листьев посева приводят к выводу о том, что при вычислении полного фотосинтеза посева по формуле (2.13) при 11с, где 1с - световой компенсационный пупкт листа, можно приближенно вычислять скорость фотосинтеза по формуле (2.21), а при 11с - по формуле (2.20). Величина 1с, как было отмечено ранее, зависит от освещенности, при которой был выращен посев. С увеличением интенсивности освещения от 95 до 350 мкмоль-м"^-с'' величина светового комненсациопного пункта 1с изменяется приблизительпо от 10 до 60 мкмоль-м'^-с"'.

Таким образом, в расчётах применяли 2 различные линейные аппроксимации световых кривых для "световых" и "темновых" листьев, соответственно, подобно тому, как это было рекомендовано для модели продукционного процесса посева в работе (De Ригу, Farcuhar, 1997).

2.6. Особенности моделирования конвейерного цилиндрического посева и Идентификации параметров математической модели Как отмечалось нами выше, при разработке конструкции производственных конвейерпьк оранжерей цилиндрической компоновки была предложена конструкция с вегетационной камерой в виде спирального цилиндра. Форма спирали выбирается в зависимости от особенностей выращиваемой культуры таким образом, чтобы на калдом шаге конвейера верхняя граница посева (верхушки растений ) находилась в 2-3 см. от поверхности светильника. Такая форма вегетационной камеры позволяет сэкономить объем, занимаемый установкой, а также наиболее эффективно использовать энергию, затрачиваемую на освещение посева. Зависимость максимальной высоты растений от их возраста, которую мы далее будем называть кривой роста посева, является одним из параметров модели. По результатам большого числа вегетационных опытов для посевов пекинской капусты кривая роста была аппроксимирована следующей полиномиальной зависимостью:

,•/* (2.22) Н - высота посева в см., t — возраст посева в днях, коэффициенты аО=5.98;

al=0.136;

а2= 0.0686;

аЗ=0.00908;

а4=-0.000292;

а5=2.87*10'^ График кривой роста П(т) для пекинской капусты показан на рис. 2.11.

10 15 2О Возраст растений, дни Рис.2.11 Зависимость максимальной высоты пекинской капусты от возраста растений.

При построении модели посева в такой оранжерее было использовано несколько упрошаюших допушений, которые, однако, не изменили качественно характер полученных результатов и выводов. Основным допущением при расчётах являлась замена в пределах одного шага конвейера отрезка спиральной дуги в поперечном сечении светильника на дугу окружности среднего для данного шага радиуса. Биомасса посева, накопленная к концу очередного шага конвейера, бралась в качестве начального значения при моделировании следуюшего шага. Распределепие листовой плошади по глубине посева описывалось зависимостью (2.15).

Еще два параметра, используемые в расчетах, были определепы экспериментально для посевов пекинской капусты. Это Д - доля сухой биомассы в сырой массе посева, а также величина Кпм - отношение суммарной площади листьев растения к его сухой массе (без корня)..

Измерения содержания сухого вещества в биомассе растений проводились путем высушивания снятых растений в сушильном шкафу в течении суток при температуре около 200°С. Они показали, что для растений пекинской канусты разного возраста, значения величины Д лежат в интервале А=0.06±0.09. Значения параметра Кпм различны для молодых и взрослых растений. У растений в возрасте 15-^18 дней Кпм составляет около 0,5 см^/мг, для взрослых растений в возрасте 24-^30 дней было получено значение Кпм~0,3 см^/мг.

Окончательная идентификация входящих в модель параметров проводилась с использованием экснериментальных данных о зависимости продуктивности 10 щагового посева пекинской капусты с длительностью шага, равной 3 дням от интенсивности его освешения.

Параметры модели выбирались так, чтобы обеснечить максимально возможное совпадение расчетной и экспериментальной зависимостей продуктивности, не выходя при этом за пределы тех допустимых границ, которые были нолучены прямыми измерениями или косвенной оценкой данного параметра по результатам измерепий. На рис. 2.12 приведена экспериментальная зависимость нродуктивности и близкая к ней расчетная зависимость при выбранных значениях параметров.

700 г « u о о а 2 о к а о 50 100 150 200 250 П П Ф, мкмоль-м'^-с'' Рис 2.12. Расчетная (*) и экспериментальная (D) зависимости продуктивности дневного конвейерного цилиндрического посева пекинской капусты в оранжерее "Фитоцикл СД". Доверительный интервал для экснериментальных данных соответствует доверительной вероятности 0.9.

В результате были идентифицированы следующие значения нараметров:

коэффициент экстинкции к-э=0.32 ;

доля сухого вещества в биомассе А=0.06;

коэффициенты в формуле (2.2), определяющие ^1=15.7 г, х=0.00184 мкмоль"';

начальные значения биомассы носева коэффициенты в формуле (2.6), определяющие кг4.5,к2=7.9,С=0.18;

распределение листовой площади по высоте отношение листовой площади растения ' при т=15-^18 дней, к его сухой массе в разном возрасте _ Кпм-0. при т=18-^21 дней.


Кпм=0. Кпм=0.3 см^-мг"' при т=21-^35 дней;

эффективность иснользования ai= 02=2.3-10'^ мкмольСО/мкмоль'';

света (формула 2.12) темновое дыхание Rji=0.23;

0.46;

0.70;

1.43 мкмоль-м'^'-с'*. Примечание;

указанные четыре значения темнового дыхания относятся к посевам, выросщим при интенсивности освещения 1о=95;

130;

220 и 350 мкмоль-м"^-с'', соответственно.

На рис.2.13 нредставлены результаты расчета при указанных значениях параметров нарастания биомассы с 15 до 30 дневного возраста в условиях различного освещения.

700 i о о Cylindrical 1^ сз о S Ц • / 100 - • --у^---^ •••• { 2S 10 15 Возраст посева, дни Рис 2.13. Расчет зависимости биомассы посева пекинской капусты в оранжерее "Фитоцикл СД" от возраста растений при интенсивности освещения 350, 220, 130 и 95 мкмоль-м"^-с"' (кривые 1,2,3 и 4, соответственно).

На кривой 1, соответствующей освещенности 350 мкмоль-м"^-с"', можно наблюдать замедление роста массы носева в конце вегетации из-за большой густоты посева сильного затенения внутренних слоев листового покрова и увеличения темнового дыхания в нижней части посева.

Одним из критериев работоснособности модели является устойчивость результатов моделирования по отношению к изменению ее нараметров, в том смысле, что результат моделирования не должен существенно изменяться при небольших изменениях какого-либо параметра модели. Было проведено исследование устойчивости модели нродуктивности конвейерного посева по отношению к ряду нараметров, онределяюших свойства посева, характеристики излучения, размеры и форму вегетационной камеры и др. Например, была рассчитана продуктивность посевов, биомассы которых Мо в возрасте 15 дней различались между собой на 60 %. В возрасте 30 дней отличие их по биомассе было менее 16%. Это свидетельствует о том, что процесс роста биомассы посева, как его описывает приведенная модель, онределяется в основном интенсивностью освещения и в меньшей стенени зависит от начальных условий. Исследование чувствительности результатов моделирования к изменению других параметров также показало устойчивость модели в указаппом смысле.

Описанная выше математическая модель фотосинтетической продуктивности зеленных растений в конвейерной цилиндрической оранжерее реализована в виде комплекса программ Р системе компьютерной математики MATLAB 6.5. Комнлекс включает две программы Phyto_conv и Phyto_optim. Блок-схемы и тексты нрограмм приведепы в Приложении.

Программа Phyto_conv нозволяет рассчитывать для посевов цилипдрической и плоской компоновки следующие характеристики:

• распределение листовой площади по глубине посева;

• распределение освещенности внутри растительного покрова;

• фотосинтез отдельных слоев и всего посева;

• динамику изменения биомассы и листового индекса посева.

Отметим ещё раз, что заложенные в программе данные нреднолагают: а) нормальные условия внешней среды но темнературе, влажности и концентрации СО2, б) онтимальные условия увлажнения и аэрации корневой зоны и минерального нитания растений, в) отсутствие в среде обитания растений вредных примесей, метаболитов и других стрессовых факторов, угнетающих развитие растений.

Программа Phyto_optim па оспове данных о динамике изменения биомассы конвейерного посева, получаемых в программе Phyto_conv, осуществляет оптимизацию светового режима (выбор интенсивности освещения 1о и продолжительности вегетации Т) посредством расчета Q критерия.

Итак, в даппой главе разработана математическая модель фотосинтетической продуктивности зеленных растений в конвейерной цилиндрической оранжерее, позволяющая рассчитывать зависимости абсолютной и удельной продуктивности оранжереи от диаметров посадочного цилиндра и цилиндрического светильника, кривых роста растений и распределения их фотосинтезирующей поверхпости в посеве, а также длительпости освещепия при зпачениях плотпости потока фотопов в области от 90 до 350 мкмоль м"^-с''. Здесь же разработаны методы идентификации входящих в модель параметров и компьютерная программа для реализации расчётов. Полученные результаты позволили приступить к решению задачи оптимального проектировапия светильника для копвейерной КО с цилиндрической посадочной поверхностью.

ГЛ. 3. РАСЧЕТ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ НА СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДАХ ДЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КОНВЕЙЕРНОЙ САЛАТНОЙ ОРАНЖЕРЕИ 3.1. Оценка влияния эффекта самораздвижения растений на цилиндрической посадочной поверхности на продуктивность конвейерного посева.

Как уже было отмечено во введении, в ИМБП была предложена идея использования для условий микрогравитации оранжерей нового типа с самораздвигающимся посевом растений на выпуклых криволинейных посадочных поверхностях. В развитие этой идеи созданы и испытаны образцы конвейерной оранжереи с цилиндрической посадочной поверхностью, окружённой снаружи светильником в форме спирального цилиндра, а также отработана технология выращивания листовых салатных культур в этих оранжереях. Однако, оценка преимуществ, которые может дать новая компоновка оранжереи по сравнению с традиционными плоскими вегетационными установками, ранее была сделана только приближённо, в основном, из геометрических соображений (Berkovich, 2000;

Беркович, 2000).

В данной работе мы провели углублённый количественный анализ различий между самораздвигающимися посевами на выпуклых посадочных поверхностях и традиционными плоскими посевами с использованием описанной в предыдущей главе модели фотосинтетической продуктивности, а также проверили результаты экспериментально. Использование модели в данной задаче обеспечило возможность корректного сравнения, так как позволило рассчётным путём определить потенциальную продуктивность посевов в вегетационных установках, отличающихся только формой посадочной поверхности и светящей поверхности светильника, при аналогичных условиях среды, чего всегда трудно достичь в реальных вегетационных экспериментах.

Для сравнения были рассчитаны абсолютные и удельные производительности 2-х модельных конвейерных оранжерей - цилиндрической и плоской. Схематически они показаны на рис 3.1.

Рис. 3.1.

Расчеты производились с использованием описанной в предыдущей главе математической модели фотосинтетической продуктивности для случая посевов пекинской капусты.

Полагали, что обе модельные оранжереи имеют одинаковую площадь светящей поверхности светильника и одинаковую высоту ростовой камеры на соответствующих щагах. На рис.3.2 представлены результаты расчета роста сырой биомассы с 6-го по 10-й шаг плоского и цилиндрического конвейерных посевов, а также данные измерений сырой биомассы растений, выращенных в установке "Фитоцикл-СД".

Полученные данные показали, что при одинаковом падающем световом потоке продуктивность конвейерного цилиндрического посева может превыщать приблизительно на 30 % продуктивность плоского посева. При варьировании радиуса цилиндрической установки, а также других используемых в модели параметров в пределах ±10 % от номинальных значений, указанная оценка повышения продуктивности в посевах на цилиндрической посадочной поверхности колебалась в пределах от 25 до 35 %. Таким образом, численный эксперимент продемонстрировал устойчивое преимущество в производительности конвейерных цилиндрических оранжерей при фиксированных затратах энергии на освещение.

Данные расчетов также позволили выявить, что указанная разница в продуктивности цилиндрического и плоского посевов возникла, в основном, вследствие различного распределения светового потока по глубине растительного покрова. Графики зависимости плотности потока фотонов внутри посева от высоты над посадочной поверхностью представлены на рис. 3.3.

X я / \j J 6.5 6.5 7.5 8,5 Рис. 3.2. Рост биомассы на 6-10 шагах цилиндрического и плоского конвейерных посевов пекинской капусты. Экспериментальные данные показаны символом *.

Вертикальные отрезки обозначают доверительные интервалы для экспериментальных точек при 5% уровне значимости Наиболее значительная разница в распределении света наблюдалась на 6, 7 и шагах конвейерного посева. Даппые рис. 3,3 свидетельствуют о том, что, в отличие от случая плоской вегетационной камеры, в цилиндрической камере изменение светового потока по глубине посева на старших шагах конвейера происходит не монотонно, например, по закону Ламберта-Бэра (1.5), а описывается фупкцией с экстремумом, координата которого зависит от возраста растений на данном шаге. Кроме того, в слоях цилиндрического посева, расположенных глубже, чем координата максимума ППФ, затухание света происходит гораздо быстрее, чем в плоском посеве 6 1 \ i « е с iV —^ / с !,'*У / о 5 10 15 20 25 Высота от посадочной поверхности, см Рис. 3.3 Расчетные кривые светораспределения в конвейерных носевах пекинской капусты на цилиндрической и плоской носадочпых поверхностях.

Цифры у кривых обозначают номер шага конвейера. Сплошные и пунктирные кривые относятся к результатам в цилиндрическом и плоском посевах, соответственно.

Причинами такого изменения светораспределения в самораздвигаюшихся цилиндрических посевах является совместное действие 2-х эффектов: концентрация светового потока в паправлепии от светящей поверхности светильника к посадочной поверхности оранжереи, отображённая на рис. 2,7, а также изменение функции распределения фотосинтезирующей поверхпости растений по слоям цилиндрического посева по сравнению с плоским посевом. На рис. 3.4. представлены расчётные кривые изменения нлотности новерхности фотосинтезирующих органов пекинской капусты по слоям для посевов на плоской и на цилиндрической поверхностях при двух значениях листового индекса: 2,7 и 7,8.


10 15 20 25 30 35 Рис. 3.4. Расчётные функции плотности распределения фотосинтезирующей поверхности пекинской капусты по высоте растительного слоя для плоского (1) и цилиндрического (2) посевов при различных значения листового индекса.

Приведенные кривые позволяют проанализировать особенности цилиндрического посева как приёмпика оптического излучения. При одинаковом количестве растений объём, занимаемый посевом на цилиндрической поверхности, почти вдвое меньше, чем при плоской компоповке, соответственно максимальная плотность листовой поверхности (и просто плот1юсть биомассы на единицу объёма) в таком посеве значительно выще.

Однако, максимум плотности листьев приходится в цилиндрическом посеве на слои, лежащие ниже, чем в нлоском посеве, причём эта разница по глубине увеличивается с увеличением густоты (или листового индекса) носева. Именно этот эффект и был назван термином "самораздвижение растений" в нионерской работе (Беркович и др., 1985), посвященной самораздвигающимся посевам. Вследствие этого эффекта при правильном подборе интенсивности падающего света к листовому индексу посева и с учётом ко1щентрации светового потока по глубине растительного слоя в цилиндрическом самораздвигающемся посеве в зоне интенсивного освещения оказывается больщая доля листовой массы растений, чем в плоском посеве с тем же количеством растений. Как следствие, в цилипдрическом самораздвигающемся носеве достигается более высокая фотосинтетическая продуктивность (рис. 3.2). Кроме увеличения производительности по биомассе урожая, в цилиндрической оранжерее экономятся такие ресурсы, как обьем и трудозатраты экипажа. Из расчетов Q-критерия для цилиндрического и плоского посевов, сделанных нами в работе (Ерохин и Беркович, 2005), можно видеть, что при ППФ от светильника, равной 350 мкмоль-м'^-с'', вегетационная система цилиндрической компоновки имеет почти в 2 раза большую удельную производительность в расчете на затраченные ресурсы, чем оранжерея с плоской носадочной поверхностью. Процесс выращивания растений организуется в цилиндрических оранжереях но принцину ротационного конвейера с единым местом нроведения всех технологических операций.

Посадка и уборка растений, а также замена отработавших корневых модулей производится на одной и той же позиции, что нозволяет снизить трудозатраты и при необходимости механизировать эти операции.

3.2. Оптимизация параметров системы освещения с использованием разработанной модели.

Постановка задачи оптимизации, выбор критерия и параметров оптимизации, область их изменения были описаны в разделе 2.1 второй главы диссертации. Задача оптимизации была поставлена как задача нахождении максимума Q критерия (2.8) в онределенной выше области нараметров 1о и Ту нри вынолнении ограничений (2.9).

С помощью модели фотосинтетнческой продуктивности был вьшолнен расчет Q критерия (2.8) для цилиндрической конвейерной 10 щаговой оранжереи с носевом пекинской капусты в зависимости от интенсивности освещения Ь и длительности вегетации Ту в области 1о=95-^35О мкмоль-м'^-с'', Ту=15^35 дней. Результат расчета показан на рис.3.5.

75 •'. - ^ ^ Щ \\\\\\\\Уц\\Щ 100 ^^ Рис. 3.5. Зависимость Q критерия от интенсивности освещения и длительности шага конвейера.

На рис. 3.5 функция Q{Io,TJ изображена линиями уровня, В выбранной области параметров функция Q{Io,T^) имеет максимум Qmax= 1.8*10"^ кг м'^Дж''сут'' при Ту= дней и 1о=180 мкмоль м"^-с"'. Эти оптимальные значения соответствуют производительности 137 грамм сырой съедобной биомассы в день на 1 м длины посадочного цилиндра оранжереи. Поверхность функции имеет вид пологого, почти горизонтального хребта, идущего в направлении вдоль оси Io- Это означает, что в области оптимальной длительности вегетации 24-25 дней удельная продуктивность оранжереи слабо зависит от интенсивности освещения. В диапазоне интенсивностей от 95 до мкмоль-м''^ с'' удельная продуктивность отличается от максимальной не больше, чем на 10%. Это позволяет корректировать световой режим в КО, а также длительность вегетации, исходя, например, из потребной частоты получения биомассы для экипажа.

Например, эффективность работы изменится ненамного, если мы выберем в салатной оранжерее N=6 при Т=4 дня или N=8 при Т=3 дня или N=10 при Т=2.5 дня. В расчете на подведенный к посеву световой поток оптимальная удельная продуктивность составляет mv= 6.7 г/моль.

Рассмотрим теперь процедуру поиска оптимального режима в более близких к реальному проектированию условиях, когда заданы ограничения (2.9) на выделенные для оранжереи ресурсы и ее произвводительность.

Будем считать, что задана длина вегетационной камеры оранжереи. Для расчетов возьмем значение длины панелей светильника 20 см, соответствующее ростовой камере аппаратуры «Витацикл Т». На рис. 3.6 и 3.7 приведены результаты расчета мощности светового потока ]{1^^,Т) и дневной производительности оранжереи М{1^,Т)1Т в тех же координатах, как и на рис. 3.5.

Рис 3.6. Зависимость световой мощности W от интенсивности освещения и длительности щага конвейера.

Условия (2.9) Б) и В) выделяют из всей области изменения параметров некоторые подобласти f2(^niax '"(/)' заывисящие от граничных значений Wmax и md. Подобласти ^(^тах ''"г/) Д^^ конкретных граничных значений легко определить по графикам рис. 3.6 и 3.7, на которых функции мощности светового потока дневной И W{IQ,T) производительности оранжереи М(1^,Т)/Т изображены линиями уровнней. Условно оптимальный световой режим определяется путем нахождения максимума Q критерия (2.8) по подобласти ^C^max''^J ) • Рассмотрим несколько примеров условно оптимальных режимов освещения рассчитанных для условий проведения эксперимента «Витацикл Т».

's 250 200 u m 150 100 Длительность шага конвейера, сутки Рис. 3.7. Зависимость дневной производительности М ( / „, Т ) / Т от интенсивности освещения и длительности шага конвейера.

Исходя из полной выделяемой на оранжерею электрической мощности 150-200 Вт, для мощность светового потока были взяты два граничных значения - W I = 1 5 B T И W2=2O Вт. Для md. были взяты четыре значения 40, 50, 60 и 70 грамм в день. Линии уровня соответствующие этим значениям ограничений и выделяемые ими подобласти ^,mj) показаны на рис. 3.8.

7$.

2 Длительность шага конвейера, сутки Рис. 3.8.Линии ограничений и вьщеляемые ими подобласти на графике Q критерия.

Условно оптимальные световые режимы для выбранных ограничений поакзаны в этих областях точками 1^7. Соответствующие значения парамеиров и значений Q критерия приведены ниже.

1о=23О мкмоль-м' -с'', Ту=25 сут., г, ша =40г/день 2. 1о=27О мкмоль'м'^-с'', Ту=26 сут., г, md =50г/день 3. 1о=24О мкмоль-м"^ с"', Ту=32 сут., Q/Qmax=0. г, md =60г/день 4. md =40г/день 1о=23О МКМОЛЬ-М'^-С"', Ту=25 сут., Q/Qmax=l 5. =20Вт, та=50г/день 1о=35О мкмоль-м' -с"', Ту=24 сут., Q/Qmax=l 6. =20Вт, md=60г/дeнь 1о=35О мкмоль м"^-с"', Ту-26 сут., Q/Qmax=0. 7. г, md =70г/день 1о=34О мкмоль-м"^ с"', Ту=ЗО сут., Q/Qmax=0. Полученые результаты показывают, что не слишком высокие требования по продуктивности позволяют оставаться в области безусловно оптимального режима (случаи 1,4,5). Максимально эффективные режимы соответствуют продолжительности вегетации 24-25 суток. Повышение продуктивности в условиях ограниченной мощности приводит к понижению эффективности режима по Q критерию (случаи 2,3,6,7). Как мы уже отмечали выше, при увеличении освещенности и продолжительности вегетации до и более дней, посев к концу вегетации сильно загущается, свет не проникает внутрь Л С О О О покрова и дыхание массы слабоосвещенных нижних листьев снижает общий ИТВГ фотосинтез посева. Это иллюстрирует рис 3.9, где показана зависимость полного фотосинтеза носева в цилиндрической оранжерее от листового индекса посева при.-2 ^ освещенности 350 мкмоль-м" -с'. Максимум фотосинтеза наблюдается при L=6-^8. В более густых посевах свет используется менее эффективно.

500 "^—-^ -^—, 8 —-.

a m u i I a Jo' 6 8 10 12 14 16 18 Листовой индекс Рис. 3.9 Зависимость фотосинтеза посева в цилиндрической оранжерее от листового - индекса при освещенности 350 мкмоль-м' -с Для эффективной работы с продуктивпостью до 60 грамм в депь в технических требованиях на аппаратуру «Витацикл Т» следует предусмотреть уровень ППФ светильника 350 мкмоль-м'^-с"' и нродолжительность вегетации 25-26 суток. Полученные нами расчётные результаты подтверждают выводы, теоретически обоснованные в работе Ю.А. Берковича, 2000. Отметим также, что на основании расчётных данных по мере увеличения энергоресурсов, вьщеляемых для оранжереи, перспективной с точки зрения оптимизации по критерию удельной продуктивности может стать область интенсивности освещения 400-450 мкмоль-м"^-с'' при более короткой вегетации 20-22 дня. Такой режим может быть рекомендован, например, для для будущего Пассажирского межпланетного корабля пилотируемой марсианской экспедиции.

3.3. Описание опытных образцов конвейерных цилиндрических салатных оранжерей "Фитоцикл-СД" и "Фитоконвейер" с разработанной системой освещения Описанные выше методы расчета продуктивности посевов зеленных растений, а также результаты оптимизации системы освещения и светового режима конвейерной цилиндрической оранжереи были использованы при проектировании и разработке наземных прототипов космических вегетационных установок «Фитоцикл СД» и «Фитоконвейер» с системой освещения на светоизлучающих диодах.

Установка "Фитоцикл-СД" была создана в исследовательских целях для рещения следующих задач:

• отработки технологии выращивания конвейерного посева растений на цилиндрической посадочной поверхности;

• исследования светораспределения в самораздвигающихся посевах под излучением светодиодов;

• оценки продукционных характеристик, а также морфометрических и биохимических характеристик растений под светодиодными светильниками в самораздвигающихся конвейерных посевах на цилиндрической посадочной поверхности.

Фотография оранжереи "Фитоцикл-СД" дана на рис. 3.10. Основные технические параметры оранжереи представлены в табл. 3.1.

Рис. 3.10. Фотография вегетационной камеры оранжереи "Фитоцикл СД" С включенным светодиодным светильником Оранжерея "Фитоцикл-СД" состоит из силовой рамы с мотор-редуктором, выходным редуктором и емкостями для воды нли питательного раствора;

блока корневых модулей;

блока освещения и вентиляции;

пульта управления;

блока электропитания и соединительных жгутов. Конструкция оранжереи позволяет регулировать частоту реверсивного вращения блока вегетационных сосудов совместно с блоком освещения на угол 360°, осуществляемую мотором-редуктором через выходной редуктор, в диапазоне от 4 до 11 об/ч. Мотор-редуктор нредставляет собой регулируемый реверсивный малооборотный электродвигатель постоянного тока со встроенным понижающим редуктором. Выходной редуктор предназначен для дальнейщего понижения числа оборотов выходного вала мотор-редуктора и имеет два фиксированных нередаточных отношения: 1/19 и 1/20. В зависимости от температуры воздуха в вегетационной камере оранжереи могут быть включены до 7 вентиляторов, регулирующих количество воздуха для охлаждения растений. При повышении температуры воздуха в вегетационной камере до +36 °С в оранжерее предусмотрено автоматическое отключение света.

Таблица 3. Основные технические характеристики оранжереи "Фнтоцикл СД" Размеры вегетационной камеры, м:

длина 0, диаметр 0, 0, Посадочная площадь, м^ Освещаемая площадь, м^ 0, Объем камеры, м'* 0, Число корневых модулей Источники света красные (X = 660 нм) и синие (к = 470 нм) светодиоды Количество светодиодов, щт:

красных синих Поток фотосинтетических фотонов на расстоянии 4 см от светодиодов. 350 ± 4 мкмоль-м" -с" Мощность электропотребления, кВт 0, Блок корневых модулей "Фитоцикла-СД" содержит 10 вегетационных сосудов, называемых корневыми модулями, установленных в радиальных пазах торцевых дисков, закрепленных на центральном валу. Центральный вал, выполненный полым из нержавеющей стали и установленный в шарикоподшипниках силовой рамы, имеет сквозные продольные прорези на боковой поверхности. Следует обратить внимание на то, что система корневого снабжения в оранжерее "Фитоцикл-СД" не предназначена для работы в условиях невесомости и использовала способ автоматического регулирования водного потенциала в корневой зоне растений, основанный на использовании силы тяжести. Корневой модуль может быть заполнен как гранулированным, так и волокнистым почвозаменителем и снабжен крышкой, имеюшей продольные прорези для установки посадочных планок с семенами. Во время работы вегетационная камера (ВК) вращается вокруг своей оси, поэтому вода перераспределяется по объему корневого модуля как под действием капиллярных сил, так и за счет попеременного гравитационного перетока. Корневой модуль оранжереи "Фитоцикл-СД" показан на рис.

3.11.

Рис. 3.11. Фотография корневого модуля оранжереи "Фитоцикл СД" В ходе экспериментов с листовой горчицей и пекинской капустой было установлено, что при скоростях вращения 4-^11 об/ч побеги растут вдоль нормалей к цилиндрической посадочной поверхности без заметных периодических изгибов, вызываемых реакциями гравитропизма.

Для оранжереи "Фитоцикл СД" был разработан сниральный цилиндрический светильник на основе светодиодов. Светильник оранжереи "Фитоцикл СД" состоит из нлоских панелей со светодиодами размерами 595 мм х 80 мм, установленными на внутренней новерхности наружного спирального цилиндрического кожуха вегетационной камеры. Длина наружной образующей сниральной цилиндрической ВК салатной оранжереи составляет 620 мм, а длина спирали в поперечном сечении ВК на уровне световых папелей -1700 мм. Панели были смонтированы на расстоянии 40 мм от новерхности кожуха. На каждой из 12 нанелей размещены 438 красных и 88 синих светодиода. На трех паиелях, соответствующих начальным шагам конвейера с малым листовым индексом посева, были расположепы 396 краспых и 44 синих светодиода. В светильнике иснользовали 5-мм красные светодиоды L1345SRC/E (фирма Kingbright) с длиной волны X = 660 нм и синие светодиоды тина ОРТ - Р470 - 60 (фирма OPTOLOCO) с X = 470 нм. Суммарная освещаемая площадь посева па уровпе верхущек побегов составляет около 0,86 м^. Блок управления позволяет раздельно включать системы красных и синих светодиодов, а также регулировать для них рабочие токи в нределах от 10 до 35 мА. Измеренная на расстоянии 4 см от источников света суммарная нлотность потока фотосиптетически активных фотонов составила 350±45 мкмоль-м'^-с"' при токах мА и 23 мА на красных и синих светодиодах, соответствеппо. Электрическая мощность, потребляемая светильником в этом режиме, составила 385 Вт, из которых 285 Вт приходится на красные светодиоды и 95 Вт - на синие.

Нри работе оранжереи "Фитоцикл СД" возможны внештатные ситуации при которых капли слабосолевого питательного раствора могут попасть па платы светильника.

Ноэтому особое внимание было уделено гидроизоляции светодиодных плат. В установке напряжение питания светильника составляло 135 В. Нри нопадании питательного раствора наблюдалось сильное повреждение новерхности нлат и электрических схем за счет электролитических реакций.

Внутри блока освещения оранжереи "Фитоцикл-СД" был установлен датчик температуры, автоматически отключающий освещение при нагреве блока до температуры, превышающей 36 °С. Электрический жгут для питания блока имел запас длипы и наматывался на специальную катушку кожуха при вращении блока. Вращение оранжереи и включение реверса происходят по сигналам концевых выключателей, размещенных на кронштейнах силовой рамы, каждый из которых был продублирован концевыми выключателями аварийного выключения вращения вегетационной камеры.

Установка «Фитоконвейер» была снроектирована и ностроена для выращивания "самораздвигающихся" конвейерных посевов зеленных растений примепительно к условиям космического полёта на МКС. Основным отличием ее от описанной в предыдущем разделе установки «Фитоцикл СД» является система увлажнения и аэрации, способная работать в условиях невесомости. Общий вид установки представлен на рис.

3.12.

Рис. 3.12. Общий вид вегетационной камеры салатной оранжереи "Фитоконвейер" без выносных блоков Оранжерея включает в себя:

• ростовую камеру (РК);

• блок корневых модулей (БКМ) с посадочными устройствами (ПУ);

• блок освещения (ВО);

• блок увлажнения и аэрации почвозаменителя (БУА);

• систему контроля и управления (СКУ);

• силовую раму с приводом для реверсивного вращения в наземных условиях.

Блок корневых модулей и блок освещения смонтированы внутри ростовой камеры, а блок увлажнения и аэрации субстрата и система контроля и управления выполнены в виде отдельных выносных блоков, соединённых с ростовой камерой электрическими кабелями и гибкими трубопроводами с байонетными разъёмами.

Основные технические характеристики оранжереи «Фитоконвейер» приведены в таблице 3.2.

Таблица 3. Технические характеристики ораплереи «Фитоконвейер»

Габаритные размеры, без силовой рамы, мм 540x590x Потребляемая электрическая мощность, кВт 0, Объем оранжереи, м"* 0, Суммарная освещаемая площадь посева, м^ 0, Количество шагов растительного конвейера Плотность потока фотонов под светильником, мкмоль-м'^-с'' Расчётная производительность салатной зелени, г/сутки 50- Временной интервал между шагами конвейера, сутки 4- Силовая рама используется при наземной эксплуатации для снижения влияния гравитропического изгиба побегов растений. Ростовая камера вместе с блоком корневых модулей ненрерывно и реверсивно вращается на ±360° вокруг горизонтальной оси со скоростью 1-2 оборота в час, В условиях невесомости гравитропические реакции растений отсутствуют, поэтому потребность в реверсивном вращении ростовой камеры отпадает.

Поперечное сечение ростовой камеры оранжереи и размещение в ней растений показаны схематично были показаны на рис. 2.1. Паружпый кожух ростовой камеры (7) имеет форму спирального цилиндра, соосного с цилиндрическим блоком корневых модулей и установленного в опорах силовой рамы с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси. Форма направляющей спирали в поперечном сечении вегетационной камеры отражает усреднённую кривую роста культивируемых растений в процессе вегетации. На одном конце этой оси установлена щестерня с цепной передачей к приводу вращения ростовой камеры, установленному на силовой раме. На другом конце оси смонтирован жидкостной распределитель с щаговым приводом, поочерёдно подключающим по определёпной программе водные магистрали от БУА к каждому из корневых модулей (1). В качестве источников излучения использованы полупроводниковые светодиоды двух типов - красные, излучающие в узкой спектральпой полосе вблизи длины волны 660 нм, и синие с излучением вблизи длины волны 465 пм.

Светодиоды смонтированы на 14 плоских светящих панелях (4) размером 220x85 мм. На калсдой панели размещепо 240 красных и 28 синих светодиодов. При разработке светильника оранжереи «Фитоконвейер» напряжение питания было понижено до 27 В.

Была также выполнена многослойная (3-5 слоев) изоляция поверхности плат полиуретановым лаком.

Внешний вид светящей панели показан на рис. 3.13. Средняя плотность потока фотонов (ППФ)на расстоянии 4 см от поверхности светильника составляет 350 мкмоль-м' •с'. Отклонение ППФ по площади светильника от средней величины не превышает ±15%.

Кроме того, блок освещения орапжереи "Фитоконвейер" снабжен панелью белых светодиодов, обеспечивающей подсветку растений белым светом при открытии люка и, следовательно, неискажённое визуальное восприятие окраски листьев как зеленой. Полная мощность, потребляемая системой освещения в номинальном режиме, составляет около 150 Вт. Система освещения питается от стабилизированного источника постоянного тока напряжением 27 вольт.



Pages:     | 1 || 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.