Оценка равномерности поверхностного распределения потока излучения как фактора энергоэффективности светокультуры

Сергей Анатольевич Ракутько; Елена Николаевна Ракутько

Сергей Анатольевич Ракутько Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» http://orcid.org/0000-0002-2454-4534
Елена Николаевна Ракутько Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» https://orcid.org/0000-0002-3536-9639

Ключевые слова: светокультура, осветительная установка, равномерность освещения, коэффициент полезного использования потока, энергоэффективность, экологичность

Аннотация

Введение. Обеспечение равномерности распределения освещенности по площади выращивания является важным для повышения эффективности использования энергии и улучшения качества растений наряду с другими требованиями. Цель работы – рассмотреть математический аппарат для описания распределения потока излучения по поверхности, а также обосновать выбор способов характеристики степени равномерности освещения.
Материалы и методы. Для оценки энергоэффективности светокультуры использован коэффициент полезного использования потока. Изложены различные способы определения среднего значения освещенности. Представлены формулы для коэффициентов равномерности. Экспериментальную проверку производили на горизонтальной плоскости, моделирующей поверхность для выращивания растений.
Результаты исследования. Доказано, что вычисленные по предложенной методике значения освещенности в различных точках освещаемой поверхности соответствуют экспериментально полученным значениям. Большую информацию о равномерности несет коэффициент, учитывающий картину распределения освещенности по всем точкам поверхности. Построен частотный график распределения величины освещенности, и обоснована его практическая применимость. Выявлена взаимосвязь между коэффициентом полезного использования потока и равномерностью создаваемой освещенности. При снижении высоты подвеса светильника возможно существенно увеличить коэффициент полезного использования потока, однако при этом резко ухудшается равномерность освещения.
Обсуждение и заключение. Показана возможность оценки энергоэффективности по коэффициенту полезного использования, определяющему долю полезного потока, падающего на поверхность, от общего потока, генерируемого источниками света. Высказано предположение, что этот показатель может характеризовать экологичность светокультуры, поскольку установлена его связь с равномерностью создаваемой освещенности, влияние которой на светокультуру следует из литературных источников.

Биографии авторов

Сергей Анатольевич Ракутько, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ»

главный научный сотрудник, заведующий лабораторией энергоэкологии светокультуры Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства филиала ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (196625, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, Фильтровское ш., д. 3), доктор технических наук, доцент, Researcher ID: B-2745-2014, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2454-4534, Scopus ID: 26040971100, sergej1964@yandex.ru

Елена Николаевна Ракутько, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ»

научный сотрудник Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства филиала ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (196625, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, Фильтровское ш., д. 3), Researcher ID: AAW-6856-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3536-9639, elena.rakutko@mail.ru

Литература

1. Urban Horticulture for Food Secure Cities through and beyond COVID-19 / M. M. Khan, M. T. Akram, R. Janke [et al.]. – DOI 10.3390/su12229592. – Текст : электронный // Sustainability. – 2020. – Vol. 12, Issue 22.

2. Dutta Gupta, S. D. Fundamentals and Applications of Light-Emitting Diodes (LEDs) in in Vitro Plant Growth and Morphogenesis / S. D. Dutta Gupta, B. Jatothu. – DOI 10.1007/s11816-013-0277-0 // Plant Biotechnology Reports. – 2013. – Vol. 7. – Pp. 211–220.

3. Horticultural Lighting System Optimalization: A Review / L. Sipos, I. F. Boros, L. Csambalik [et al.]. – DOI 10.1016/j.scienta.2020.109631. – Текст : электронный // Scientia Horticulturae. – 2020. – Vol. 273.

4. Hybride Irradiation as Best Available Practice in Artificial Plant Lighting / S. A. Rakutko, A. Avotins, J. Gruduls, E. N. Rakutko. – DOI 10.22616/ERDev.2020.19.TF254 // Proceedings of 19th International Scientific Conference “Engineering for Rural Development” (20–25 May 2020). – Jelgava, 2020. – Pp. 1076–1081.

5. Ракутько, С. А. Энергоэкологические основы наилучших доступных технологий светокультуры / С. А. Ракутько. – DOI 10.24411/0131-5226-2019-10121 // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. – 2019. – № 1. – С. 44–60. – Рез. англ.

6. Xu, Y. Seven Dimensions of Light in Regulating Plant Growth / Y. Xu. – DOI 10.17660/ActaHortic. 2016.1134.56 // Proceedings of ISHS Acta Horticulturae 1134: VIII International Symposium on Light in Horticulture. – 2016. – Vol. 1134. – Pp. 445–452.

7. Comparison and Perspective of Conventional and LED Lighting for Photobiology and Industry Applications / B.-S. Wu, Ya. Hitti, S. MacPherson [et al.]. – DOI 10.1016/j.envexpbot.2019.103953. – Текст : электронный // Environmental and Experimental Botany. – 2020. – Vol. 171.

8. Moreno, I. Illumination Uniformity Assessment Based on Human Vision / I. Moreno. – DOI 10.1364/OL.35.004030 // Optics Letters. – 2010. – Vol. 35, Issue 23. – Pp. 4030–4032.

9. Ciolkosz, D. E. Selection and Placement of Greenhouse Luminaires for Uniformity / D. E. Ciolkosz, A. J. Both, L. D. Albright. – DOI 10.13031/2013.6842 // Applied Engineering in Agriculture. – 2001. – Vol. 17, Issue 6. – Pp. 875–882.

10. Saito, K. Evaluation of the Light Environment of a Plant Factory with Artificial Light by Using an Optical Simulation / K. Saito, Y. Ishigami, E. Goto. – DOI 10.3390/agronomy10111663. – Текст : электронный // Agronomy. – 2020. – Vol. 10, Issue 11.

11. Xu, Y. Analysis of the Uniformity of Light in a Plant Growth Chamber / Y. Xu, H. Wang, W. Nsengiyumva. – DOI 10.1109/UV.2018.8642131. – Текст : электронный // Proceedings of 4th International Conference on Universal Village. – 2018.

12. Study on Illumination Distribution and Uniformity for LED Plant Light Source Array / Z. Zhu, S. S. Ying, H. J. Hu [et al.]. – DOI 10.3788/gzxb20144308.0822004 // Acta Agriculturae Zhejiangensis. – 2015. – Vol. 27. – Pp. 1489–1493.

13. High Uniformity LED Panel-Light for Plant Lighting / Zh. Shuai, W. Shang-Sheng, M. Bing-Xu [et al.]. – DOI 10.3788/fgxb20183903.0403 // Chinese Journal of Luminescence. – 2018. – Vol. 39, Issue 3. – Pp. 403–413.

14. Кочетков, Н. П. Определение кривой силы света, обеспечивающей равномерное освещение горизонтальной рабочей поверхности / Н. П. Кочетков, Т. А. Широбокова, Т. Р. Галлямова // Достижения науки и техники АПК. – 2013. – № 8. – С. 64–66. – URL: https://clck.ru/Vrmgm (дата обращения: 10.04.2021). – Рез. англ.

15. Ferentinos, K. P. Optimal Design of Plant Lighting System by Genetic Algorithms / K. P. Ferentinos, L. D. Albright. – DOI 10.1016/j.engappai.2004.11.005 // Intelligence. – 2005. – Vol. 18, Issue 4. – Pp. 473–484.

16. Zhang, Y. Comparison of Energy Use Efficiency of Greenhouse and Indoor Plant Factory System / Y. Zhang, M. Kacira. – DOI 10.17660/eJHS.2020/85.5.2 // European Journal of Horticultural Science. – 2020. – Vol. 85, Issue 5. – Pp. 310–320.

17. Urban Horticulture in Retail Parks: Environmental Assessment of the Potential Implementation of Rooftop Greenhouses in European and South American Cities / E. Sanyé-Mengual, J. Martinez-Blanco, M. Finkbeiner [et al.]. – DOI 10.1016/j.jclepro.2017.11.103 // Journal of Cleaner Production. – 2018. – Vol. 172. – Pp. 3081–3091.

18. Сорока, Б. С. Использование топлива и загрязнение окружающей среды. (Часть 1. Энергоэкология использования топлива и нормирование вредных выбросов) / Б. С. Сорока // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. – 2007. – № 2. – С. 39–52. – URL: https://energy.bntu.by/jour/article/view/646 (дата обращения: 10.04.2021). – Рез. англ.

19. Энергоэкологическая оценка использования различных генерирующих источников в сельском хозяйстве / А. Ю. Брюханов, И. А. Субботин, Е. В. Тимофеев, А. В. Эрк. – DOI 10.15507/2658-4123.029.201903.366-382 // Инженерные технологии и системы. – 2019. – Т. 29, № 3. – С. 366–382. – Рез. англ.

20. Ракутько, С. А. Моделирование и численный анализ энергоэкологичности светокультуры / С. А. Ракутько, Е. Н. Ракутько. – DOI 10.22314/20737599-2019-13-3-11-17 // Сельскохозяйственные машины и технологии. – 2019. – Т. 13, № 3. – С. 11–17. – Рез. англ.

21. Nelson, J. A. Economic Analysis of Greenhouse Lighting: Light Emitting Diodes vs. High Intensity Discharge Fixtures / J. A. Nelson, B. Bugbee. – DOI 10.1371/journal.pone.0099010. – Текст : электронный // PLoS ONE. – 2014. – Vol. 9, Issue 6.