Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Энергосбережение в оптических электротехнологиях АПК. Прикладная теория и частные методики

Голосов: 2

В монографии изложены теоретические основы энергосбережения в оптических электротехнологиях АПК на основе метода конечных отношений (МКО). Метод позволяет проводить анализ и синтез энергосберегающих технологических процессов и энергосберегающих технологических схем применительно к широкому кругу энерготехнологических процессов (ЭТП) АПК. Представлена общая методология энергетического анализа этапов ЭТП. Показано, что определяющей характеристикой этапов ЭТП вне зависимости от происходящих в них процессов является величина энергоемкости. Предложены частные методики энергетического анализа этапов технологического процесса облучения (ТПО) как важнейшего вида ЭТП. Книга предназначена для научных работников, преподавателей и студентов высших учебных заведений, руководителей и специалистов энергетических объектов АПК.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    перенос электрона, фотоионизация и др. Дальнейшее завершение фотохими-
ческой реакции происходит в темновой период.
       Для оценки эффективности первичный фотофизических и фотохимиче-
ских процессов используется показатель квантового выхода (или обратный
ему показатель - квантовая эффективность). Для некоторого процесса он оп-
ределяется как отношение количества молекул, которые дезактивируются из
возбужденного состояния посредством этого процесса, к общему числу мо-
лекул в данном возбужденном состоянии. Эффективность фотохимических
реакций непосредственно влияет на выход последующих биохимических ре-
акций в фотобиологических процессах.
       Третью, самую большую группу видов ОЭТ, представляют техноло-
гические процессы фотобиологического действия. Они осуществляются над
объектами живой природа: растениями, животными, птицами, рыбами, насе-
комыми, бактериями, грибками, спорами и т.п. [23,24,25,27,28,29,30,31,32,
33, 34].
       Фотобиологические реакции происходят по схеме первичные фотофи-
зические реакции - первичные фотохимические реакции - биохимические ре-
акции, т.е. описанные выше первичные фотореакции являются общими, а
специфическое разветвление процессов происходит на последувщих стадиях.
Однако некоторые особенности фотобиологических реакций проявляются
уже на первичных стадиях поглощения излучения. Имеется в виду фотоадап-
тация биологических приемников излучения, их "приспосабливание" к свето-
вым условиям, позволяющее биообъекту выжить и репродуцировать.
       С функциональной стороны фотобиологические реакции можно под-
разделить на собственно физиологические и деструктивно-модифицирующие
[35]. Первые, в свою очередь, делятся на энергетические, биосинтетические и
информационные. При этом один вид ОЭТ может включать в себя разные
комбинации этих процессов. Например, облучение растений охватывает фо-
тосинтез (энергетический процесс), биосинтез хлорофилла (биосинтетиче-
ский процесс) и морфогенез, периодизм, тропизм (информационные процес-
сы). Это подтверждает сложность биообъектов и разносторонние требования
к ОЭТ.
       В противоположность функционально-физиологическим, при деструк-
тивно-модифицирующих реакциях свет и электронно-возбужденное состоя-
ние молекул не являются естественными участниками нормальных метабо-
лических процессов. Излучение просто повреждает молекулы биосубстрата,
побуждая их к различным химическим превращениям, не свойственным
норме. При этом могут иметь место летальные эффекты (например, фотохи-
мическое повреждение ДНК у низкоорганизованных форм живой материи),
мутационные эффекты (например, возникновение мутационной формы орга-
низма вследствие замены или выпадения основания ДНК), патофизиологиче-
ские реакции (временное нарушение метаболизма и физиологического со-
стояния клеток и организмов, при чем не происходят необратимые повреж-
дения жизненно важных структур).

                                    11


      Фотобиологические, особенно деструктивно-модифицирующие, ре-
акции требуют значительной энергии кванта света. Поэтому они происходят
под действием излучения УФ, а также видимого диапазона оптического
спектра. Однако это справедливо для однофотонных процессов, которые
имеют место в ОЭТ обычных интенсивностей. В условиях высокоинтенсив-
ных технологий (импульсное и лазерное излучения) могут иметь место двух-
фотонные и многофотонные процессы, и фотохимические реакции могут ид-
ти под действием излучения в ближней ИК-области спектра [36, 37].
      Второй уровень классификации ОЭТ должен отражать основные аспек-
ты построения их технологических схем облучения. Признаки классифика-
ции этого уровня представлены на рис. 1.4. Комбинации значений каждого из
признаков приводят к синтезу конкретных типов технологических схем об-
лучения.




          Рис. 1.4. Классификация технологических схем облучения (2-й уровень)

      Так, на рис. 1.4 оплошными линиями соединены значения признаков,
характеризующих облучение растений. Это соответствует технологической
схеме, обеспечивающей поверхностное программное облучение обычными
источниками света. А, например, для оптического обеззараживания жидких
сред целесообразна технологическая схема импульсного объемного облуче-
ния движущейся жидкости, что соответствует пунктирным линиям, соеди-
няющим требуемые значения признаков на рис. 1.4.
      Многообразие объектов облучения в АПК и отсюда вариантов ком-
бинаций рассмотренных признаков привели к большому количеству при-
меняемых технологических схем облучения. Однако, несмотря на это, основ-
ные принципы их построения одни и те же [38]. Анализ показывает, что наи-
большее влияние на технологическую схему оказывает признак 2. Таким об-
разом, независимо от признаков 1, 3 и 4, технологические схемы поверхност-
ного и объемного облучения представляют собой два принципиально отли-
чающихся класса, к которым следует применять разные подходы. Поверхно-
стное облучение объекта осуществляется одним или несколькими источни-
ками излучения, причем, исходя из требуемых значений облученности и ее
равномерности распределения по поверхности объекта, выбирают наиболее
рациональные параметры геометрии системы "облучатель - объект". Объем-

                                       12


ное облучение осуществляют путем погружения источников излучения в
среду объекта либо ее поверхностным облучением. В последнем случае с це-
лью повышения равномерности облучения применяют перемешивание среды
либо облучение ее с разных сторон.
      К третьему уровню классификации ОЭТ можно отнести признаки, ха-
рактеризующие некоторые частные особенности технологий: тип источника
излучения, установленную электрическую мощность, климатическое испол-
нение, стойкость к воздействию окружающей среды и др. [39, 40,41,42,43,44].
      Таким образом, в рассмотренных уровнях классификации ОЭТ основ-
ными влияющими на биологический объект параметрами являются поверх-
ностная плотность потока излучения и спектральное распределение энергии
потока. В связи с этим важной задачей совершенствования ОЭТ является
создание и модернизация приборов, установок и технологических процессов,
оптимизированных по спектральным характеристикам и по мощности облу-
чения [45,46,47].
      Важным вопросом является изменение величины энергии, переноси-
мой излучением, во времени. Многие характеристики ОЭТ зависят от приня-
того способа изменения параметров радиационного режима во времени (либо
учета факта таких изменений, происходящих в силу естественных процес-
сов).
      Так, влияние прерывистого облучения на высшие растения исследуется
в течение длительного времени. Еще в 1914-1919 гг. Варбург и Рихтер уста-
новили, что прерывистое освещение некоторых растений приводит к зна-
чительному повышению скорости фотосинтеза. Приведены данные, соглас-
но которым при частоте изменения освещения 8000 периодов в минуту
скорость фотосинтеза возрастает на 100% [48]. Однако в течение длительно-
го времени эти результаты не были подтверждены и к середине XX столе-
тия утвердилось мнение, что наилучшим условием для протекания процессов
фотосинтеза является непрерывное и равномерное в течение светового дня
освещение растений [49]. С середины 50-х годов вновь начинают накапли-
ваться факты, свидетельствующие о возможном благоприятном воздействии
прерывистого облучения на фотосинтез и биологическую продуктивность
некоторых растений. В опытах Вавилина определялось содержание хлоро-
филла в листьях огурцов и томатов при различных условиях периодического
освещения. В этих опытах растения выращивались при интенсивности фи-
зиологической радиации от 8000 до 36000 эрг / сек ⋅ см 2 , при продол-
жительности циклов облучения по 12 секунд. Выяснилось, что максималь-
ное содержание пигментов в листьях наблюдается при продолжительности
темных и светлых промежутков в цикле около 5-6 сек [50].
      Леман с сотрудниками проводили опыты с периодическим освещением
огурцов и томатов в теплицах люминесцентными лампами, работающими в
непрерывном режиме, но перемещающимися относительно рядков с расте-
ниями возвратно—поступательно по рельсам. При таком способе освещения
не только экономится электроэнергия за счет периодического освещения ка-
ждого растения, но и сокращаются расходы на установленную мощность
                                    13


электрооборудования, т.к. один и тот же источник излучения периодически
освещает то одни растения, то другие. При этом было обнаружено увели-
чение скорости фотосинтеза исследованных растений в 2-2,5 раза. Лучшие
результаты получались при продолжительности циклов облучения 6-7 секунд
[51,52,53].
       В этих опытах при постоянной освещенности контрольных растений в
5000 лк скорость фотосинтеза рассады томатов составляла 20-23
 мг / дм 2 ⋅ ч поглощенной углекислоты, а при периодическом облучении та-
ким же источником свата повышалась до 40 мг / дм 2 ⋅ ч . Для рассады огур-
цов скорость фотосинтеза в этих условиях возрастала в среднем с 11 до 29
 мг / дм 2 ⋅ ч .
       Отмечалось, однако, что при подобных условиях облучения крайние
и средние по ходу периодического движения ламп ряды растений нахо-
дятся в существенно неравных условиях что, сказывается на росте растений,
находящихся в различных рядах.
       Другой использованный метод динамического облучения растений со-
стоит в применении коротких импульсов света повышенной мощности,
полученных от различных источников, импульсных разрядных ламп, лазеров
а также фокусировкой солнечного излучения [54,55].
       Такой способ воздействия света на растения может осуществляться
дополнительно к постоянному непрерывному освещению, либо независимо
от него. Сообщается, что светоимпульсное воздействие на семена, рассаду и
вегетирующие растения может стимулировать процессы фотосинтеза и уве-
личивать продуктивность растений.
       Экспериментальные исследования эффективности использования пе-
ременных световых полей, получаемых различными способами (вращением
облучателя или его отражателя, прецессионным, возвратно-поступательным
и колебательным движениями облучателя) показали, что энергозатраты при
этом на выращивание растений в закрытом грунте снижаются в 2..2,5 раза.
[56].
       Наилучшие и наиболее воспроизводимые результаты были получены
при светоимпульсном предпосевном облучении семян и клубней посадоч-
ного картофеля. На основе этих исследований была создана промышленная
установка светоимпульсного облучения [57]. Очень интересны результаты
работ по использованию динамического освещения растений, синхронизи-
рованного с изменениями биопотенциалов самого растения, что открывает
возможность создания своеобразных автоматизированных систем управления
процессами технологического воздействия ФАР в условиях интенсивной
культуры сельскохозяйственных растений.
       Известны исследования по изменению биопотенциалов зеленого листа
(электрофолиограмм) в ответ на периодически изменяющуюся интенсив-
ность освещения растения. Такие эксперименты позволяют легко выявлять
наличие колебательных звеньев в цепи преобразования световой энергии зе-
леного растения, а также исследовать в динамике процессы адаптации фо-

                                    14


тосинтетической системы растения к изменяющимся условиям освещения
[58,59,60].
      К сожалению, до настоящего времени не удалось установить взаимо-
связь параметров злектрофизиологического отклика листа на световое воз-
действие с фундаментальными характеристиками процессов фотосинтеза,
такими, например, как интенсивность процесса фотосинтеза или эффектив-
ность преобразования световой энергии, несмотря на то, что попытки уста-
новления подобных взаимосвязей не прекращались со времени открытия
фотозависимости биопотенциалов листа. Между тем, представляется оче-
видным, что установление описанных выше взаимосвязей, могло бы пре-
вратить изучение биопотенциалов листа под действием освещения как мощ-
нейший метод изучения фотосинтетического аппарата, так и инструмент,
позволяющий осуществлять изучение оптимальных параметров технологи-
ческого воздействия облучения на сельскохозяйственные растения, выра-
щиваемые как в светокультуре, так и с использованием дополнительного ис-
кусственного или комбинированного освещения.
      Тем не менее, даже современное состояние рассматриваемой про-
блемы позволяет получать обнадеживающие результаты, могущие найти
применение в технологии выращивания сельскохозяйственных растений.
      Так например, включение регистратора биопотенциала листа в цепь
обратной связи с источником светового излучения позволило на некоторых
растениях (кукуруза, бобы и др.) при определенных параметрах цепи обрат-
ной связи получить автоколебательный режим вегетации растения при кото-
ром само растение по сути дела управляло источниками освещения. Было
исследовано несколько типов автоколебаний в описанной вегетационной
системе, возникающих при различных режимах ее работы. Утверждается,
что подобные режимы автоколебаний были обнаружены у всех без исключе-
ния видов исследованных растений, хотя режимы их возникновения у раз-
личных видов растений различаются.
      Обращает на себя внимание тот факт, что растения, выращенные в ре-
жиме автоколебаний, развивались не только не хуже контрольных, но и зна-
чительно превосходили их по некоторым контролировавшимся параметрам
(сосущей силе корней, отношению общей биомассе к массе корневой систе-
мы, интенсивности окраски листьев). При этом, суммарное потребление све-
товой энергии опытными растениями было почти в 2 раза меньше по срав-
нению с контрольными. Таким образом, опытные растения находились в ус-
ловиях, когда их физиологические потребности удовлетворялись не меньше
чем у контрольных растений, но в значительно более экономичном световом
режиме. Растение в такой системе как бы само себе выбирает наиболее
"комфортные" условия роста и, в частности, фотосинтеза.
      Очевидно, что автоколебательные режимы вегетации растения, а равно
и любые другие подобные автоматизированные системы управления техно-
логическим процессом вегетации с/х растений, работающие на основе ана-
лиза параметров состояния растения в режиме реального времени, требуют
дальнейшего углубленного изучения и имеют практически неограниченные
                                   15


перспективы применения, так как могут обеспечить большой экономиче-
ский и экологический эффект за счет значительного сокращения энергозатрат
и увеличения биологической продуктивности сельскохозяйственных расте-
ний, выращиваемых в закрытом грунте [61].
      Ниже рассмотрены некоторые процессы в ОЭТ, которые, сами являясь
функциями времени, могут оказать влияние на переменный режим облуче-
ния.
      В общем случае, при непостоянстве потока излучения во времени энер-
гия излучения (в биологии для этой величины применяется термин доза) мо-
жет быть определена по формуле
                                            t2

                                     Q = ∫ Фt dt                         (1.1)
                                            t1

где t1 , t 2 - моменты времени, соответствующие началу и концу процесса.
        Графически доза соответствует площади под графиком функции изме-
нения потока от времени Фt в интервале t1 … t 2 .
        Лучистая энергия, попадающая на единицу облучаемой поверхности за
время t 2 - t1 , называется энергетической экспозицией (или количество облуче-
ния):
                                           dQ t 2
                                       H=     = ∫ Et dt                  (1.2)
                                           dS t1
        Экспозиция является основной величиной, определяющей меру реак-
ции приемника во всех фотохимических процессах, в которых число моле-
кул, вступающих в реакцию, определяется не только плотностью потока по
облучаемой поверхности, но также и длительностью процесса.




                  а)                                          б)
                  Рис.1.5. Зависимость параметров потока ОИ от времени
                               а - дозы, б - экспозиции

     В таблицу 1.2 сведены рассмотренные процессы с указанием порядка
величины временных диапазонов, в которых проявляются изменение энергии
излучения.




                                       16


Таблица 1.2. Процессы, в которых проявляется изменение
энергии излучения во времени

№                                     Временной          Иллюстрация процесса
                 Процесс
п/п                                   диапазон, с.

      Процессы, в которых проявля-
1     ется волновая природа излуче-       10-15
      ния



      Получение мощных единичных
2     импульсов в импульсных ис-      10-7 … 10-2 с.
      точниках излучения



      Процессы, на которые влияет
3                                            10-2
      периодичность питающей сети



      Процессы, на которые сказы-
4     ваются размахи изменения на-      10-1…101
      пряжения


      Процесс выхода источников из-
5     лучения в рабочий режим после          102
      включения


      Получение заданной периодич-
6     ности импульсов (суточные фо-          105
      топериодические процессы)



      Формирование произвольного
7     закона изменения потока во             107
      времени



      Изменение свойств источников
8     излучения в процессе их экс-           108
      плуатации




                                        17


      1. Процессы, в которых проявляется волновая природа излучения
      Излучение имеет электромагнитную природу и распространяется в
пространстве в виде электромагнитной волны, представляющей собой пе-
риодические колебания напряженностей электрического и магнитного полей
во взаимно перпендикулярных плоскостях. Распространение электромагнит-
ной волны в пространстве описывается уравнениями Максвелла:
                                           ∂H        ∂E
                                     μ μ0    =−                                  (1.3)
                                          ∂t    ∂x
                                             ∂E    ∂H
                                      ε ε0      =−    ,                          (1.4)
                                             ∂t    ∂x
где       μ и ε - магнитная и диэлектрическая проницаемость среды;
      μ0 и ε0 - магнитная и электрическая постоянные;
       E и H – мгновенные значения напряженностей электрической
                и магнитной составляющей поля;
        t - время распространения волны;
         x – расстояние исследуемой точки поля от источника излучения.
      В системе СИ ε 0 = 1 4π ⋅ 9 ⋅ 109 м-1.с.А.В-1 и μ 0 = 4π 10 −7 м-1.с.А-1.В.
      Для гармонической волны, характеризующей монохроматическое из-
лучения
                                                2π      x
                                 E = Emax sin      (t − )                         (1.5)
                                                T      υ
где E max – максимальное значение напряженности электрического поля;
    T – время полного периода колебаний;
      x
          - отношение, определяющее запаздывание колебаний в исследуемой
      υ
точке по сравнению с колебаниями в точке расположения источника излуче-
ния.
      Между длиной волны λ, частотой ν, скоростью волны в веществе υ и
периодом T существует следующие взаимосвязи:
                          λ = υ . T; ν = 1/Т и λ . ν = υ
      Фазовая скорость волн в среде
                                                с
                                           υ=        .                           (1.6)
                                                εμ
      Среднее значение потока энергии через единичную площадь в плоско-
сти, перпендикулярной распространению волны определяется произведением
квадрата амплитуды напряженности электрического поля на скорость рас-
пространения излучения в данной среде и на ее абсолютную диэлектриче-
скую проницаемость.
                                      υ ⋅ε ⋅ε 0 2
                                  Ф=           E max               (1.7)
                                          2
      Волновая природа излучения проявляется в его взаимодействии с ве-
ществом.


                                          18


      2. Получение мощных единичных импульсов
      Именно в импульсном режиме возможна генерация мощного излуче-
ния. Специальные импульсные источники света потребляют пиковую элек-
трическую мощность порядка 108 Вт, генерируя мощный поток. Длитель-
ность импульса может составлять 10-7 … 10-2 с.
      Импульс силы излучения I t характеризуется пиковой силой излучения
Iп, длительностью вспышки τ всп , величиной освечивания θ , определяемой по
формуле
                                           ∞

                                      θ = ∫ I t dt                         (1.8)
                                           0

      Величина освечивания представляет собой пространственную плот-
ность энергии за время действия импульса. Для уяснения этого рассмотрим
импульс постоянной интенсивности I . За время Δt величина освечивания
составляет θ = IΔt . Т.к. I = Ф ω , то θ = Ф ϖ ⋅ Δt . Величина потока Ф = W Δt .
Тогда θ = W ϖ , т.е. величина освечивания есть отношение энергии излуче-
ния к телесному углу, в котором это излучение происходит. Поскольку те-
лесный угол представляет собой меру пространства, то можно заключить, что
величина освечивания представляет собой пространственную плотность
энергии.
      Достаточно апробировано применение импульсного облучения в све-
токультуре [62,63]. Отмечается, что в этом режиме растения более эффектив-
но используют энергию оптического облучения, т.е. КПД фотосинтеза выше
по сравнению с непрерывным облучением [64]. В ряде исследований показа-
но, что урожайность культур при их импульсном облучении не снижается,
однако происходит существенная экономия электроэнергии [65,66,67]. В
опытах О.И.Кузнецова применение импульсного облучения рассады огурцов
с τ =10-3 с и частотой повторения 50 Гц позволило сократить расход электро-
энергии в 2 раза [68]. Аналогичные результаты были получены
К.С.Битаровым [69].
      3. Процессы, на которые влияет периодичность питающей сети
      Теория газового разряда и имеющиеся экспериментальные данные сви-
детельствуют, что интенсивность спектральных линий сильно модулирована
по периоду проходящего через разрядный промежуток тока [70]. В связи с
высокой стабильностью частоты питающей сети этот эффект имеет значение
больше при производстве газоразрядных ИС, однако в случае применения
повышенных частот может представлять интерес и при эксплуатации ламп.
      Следование потока газоразрядных ИС за мгновенным значением тока
приводит к периодическому изменению (пульсации) с удвоенной частотой
сети (т.е. 100 Гц) интегрального потока, что связанно с малой инерционно-
стью характеристик газового разряда. Для количественной характеристики
глубины пульсаций используется коэффициент пульсации [71]. Так, для ос-
вещенности коэффициент пульсации представляет собой отношение разно-
сти максимальной и минимальной освещенности во времени к удвоенному
значению средней освещенности за период:
                                      19


                                 Emax − Emin
                             kп =            ⋅ 100%,              (1.9)
                                    2 Eср
где Emax и E min
             - максимальное и минимальное значение освещенности в тече-
ние периода;
       Eср - среднее значение освещенности за период Т=0,02 с.
      Среднее за период значение освещенности E ср определяется по форму-
ле:
                                      1T
                                 Eср = ∫ E (t )dt.                  (1.10)
                                      T0

      Снижение пульсаций светового потока возможно путем применения
автоматизированных энергосберегающих систем управления светотехниче-
скими установками [72].
      Для снижения влияния пульсации сетевого напряжения на параметры
ламп накаливания (в т.ч. продления их срока службы) в ряде публикаций рас-
сматривается применение однополупериодного выпрямления. Однако тща-
тельно выполненные эксперименты не позволяют рекомендовать этот способ
по причине резкого снижения светового потока, еще больших его пульсаций,
сомнительного эффекта в плане продления срока службы ламп [73].
      4. Процессы, на которые сказываются размахи изменения напряжения
      Значение величины напряжения питания в электрической сети практи-
чески никогда не остается постоянным. Наиболее значительные отклонения
от номинальных параметров наблюдаются в сельских электрических сетях.
Эффективность использования ИС в значительной степени зависит от разма-
хов изменения напряжения, которые задаются стандартом на качество элек-
трической энергии. Так, в электрической сети считается допустимым нали-
чие размахов в 0,5% от номинального значения при интервалах между ними
0,1 с; 1,5% - при интервалах 1 с; 2,5% при интервалах 10 с. В работах
С.В.Гулина показано, что даже такие относительно малые отклонения вели-
чины питающего ИС напряжения оказывают существенное влияние на их
спектральные характеристики, что приводит к дополнительным энергетиче-
ским потерям [74,75,76].
      При этом коэффициент изменения расхода электроэнергии
                                        U max

                             k э = kд     ∫k
                                        U min
                                                P
                                                    pu du ,         (1.11)

где k д - коэффициент дополнительного отклонения параметров,
          учитывающий необходимость поддерживать требуемое значение
           интегрального потока,
     k P -коэффициент отклонения мощности, связанный с зависимостью
          электрической мощности ИС от напряжения питания;
     pu - плотность распределения вероятности значения напряжения пита-
ния.

                                         20



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика