Development of a design scheme of a photo-installation for low-volume cultivation of microgreens and vegetable crops

Full Text

Сегодня отрасль сельского хозяйства растениеводство развивается очень быстро. Особенно важным становится выращивание микрозелени и овощных культур в контролируемых условиях.

В настоящее время исследования в области выращивания микрозелени и овощных культур в фитоустановках являются актуальными. Такие фитоустановки позволяют выращивать микрозелень и овощные культуры независимо от времени года, что обеспечивает постоянное предложение на рынок свежей и здоровой продукции. Однако у существующих установок есть свои недостатки. Например, многие из них имеют большие размеры и большую массу конструкции. Кроме того, многие аналоги не обеспечивают достаточно широкий спектр параметров для поддержания оптимального микроклимата для роста и развития выращиваемых растений.

Цель исследований – разработка конструктивной схемы фитоустановки для малообъемного выращивания микрозелени и овощных культур.

Задачи исследований – обосновать параметры разрабатываемой конструктивной схемы фитоустановки.

Материал и методы исследований.

При выращивании микрозелени очень важно обеспечить качественное освещение (досвечивание) и оптимальный микроклимат. Соблюдение этих условий обеспечивает ускоренный рост и развитие растений, повышение урожайности. Таким образом сокращается время одного цикла выращивания микрозелени и овощных культур [1].

Для выявления преимуществ и недостатков фитоустановок был проведен обзор и анализ аналогичных установок. Были проанализированы следующие установки для выращивания микрозелени и овощных культур: Гроутент марки «Probox Ecopro», фитотрон марки «ЛиА-2», «Фитотрон» (патент № 49420, РФ) и установка, выполненная в соответствии с описанием к патенту № 61984, РФ «Светодиодный фитоинкубатор».

Все названные установки применяют для выращивания микрозелени и овощных культур, однако они отличаются по конструктивным особенностям. Вышеперечисленные установки имеют встроенные блоки управления. Стенки устройства у фитотрона «ЛиА-2» [3] и «Фитотрона» (патент № 49420, РФ) [4] выполнены из жесткого материала, стенки гроутента «Probox Ecopro» [2] выполнены из полиэстеровой ткани, что не позволяет обеспечить требуемую жесткость конструкции. Представленные устройства не обеспечивают желаемым диапазоном параметров микроклимата. Стенки светодиодного фитоинкубатора открытые, из-за этого не создается требуемый микроклимат для выращивания микрозелени и овощных культур [5]. Представленные аналоги, в частности, Фитотрон «ЛиА-2» и «Фитотрон» (патент № 49420, РФ) имеют большие размеры, что не подходит для применения в условиях частных домовладений, для которых необходимы малые размеры устройств. Проведенный анализ показал, что существующие аналоги имеют ряд недостатков, которые устранены в проектируемой фитоустановке.

Результаты исследований.

Проектируемая фитоустановка имеет форму прямоугольника следующих размеров: высота 0,5 м, ширина 0,95 м, длина 0,491 м. Установка таких размеров подходит для пользователей с небольшим помещением, к примеру, для малых частных домовладений. Особенностью конструкции являются прозрачные стенки из оргстекла. Блок управления установлен снаружи на верхней крышке. Проектируемая установка отличается от аналогов компактностью, эргономичностью, имеются возможности настраивания параметров микроклимата и подстраивания под разные культуры. Каркас предлагаемой фитоустановки выполнен из алюминиевых уголков с целью увеличения его прочности и снижения массы конструкции. Корпус выполнен из прозрачного оргстекла для обеспечения проникновения естественного света в фитоустановку. Также прозрачные стенки позволяют вести визуальный контроль за растениями.

Блок управления выполнен из металла, он содержит тумблеры включения светильников белого света и фитосветильников, а также устройство защитного отключения для защиты человека от поражения электрическим током. Для защиты от короткого замыкания в блоке питания установлен автоматический выключатель.

В проектируемой фитоустановке применен модуль дистанционного управления светильниками белого света и фитосветильниками.

В фитоустановке используются фитосветильники марки «Uniel UlI-P19-30W» [6] и светильники белого света марки «ДПО-2х12» [7]. Использование двух видов светильников в фитоустановке (белого света и фитоосвещения) позволяют создать необходимый для роста и развития растений спектр освещения.

В двух боковых стенках и на верхней крышке проектируемой фитоустановки выполнены отверстия для притока и удаления воздуха. Поток воздуха, проходящий через данные отверстия, регулируют за счет специальных заслонок. Микровентиляция необходима для контроля и поддержания требуемых температуры и влажности воздуха внутри фитоустановки.

Конструктивная схема спроектированной фитоустановки представлена на рисунке 1.

 

Рис. 1. Конструктивная схема фитоустановки: 1 – фитосветильники; 2 – светильники белого света; 3 – блок управления; 4 – каркас устройства; 5 – отверстия микровентиляции; 6 – ножки; 7 – контейнеры для растений; 8 – заслонки

 

Были проведены расчеты мест расположения светильников в фитоустановке. Для этого были учтены такие параметры, как площадь освещаемой поверхности, уровень освещенности, мощность светильников. В результате были определены параметры расположения светильников.

Высота от расчетной поверхности до светильников [9]:

h = H - h_p - hрк - h_c, м,                                                                              (1)

где H – высота от днища до крышки фитоустановки, м (H = 0,5 м);

h_р – высота контейнеров, м (h_р = 0,22 м);

h_рк – высота светильников, м (h_рк = 0,02 м);

h_с – высота подвеса светильников, м (h_с = 0 м).

Высота подвеса светильников равна нулю, так как светильники прикреплены к верхней крышке и не имеют свеса. В результате

h = 0,5 – 0,22 – 0,02 – 0 = 0,26 м.

Расчет показал, что высота от расчетной поверхности до светильников составляет 0,26 м.

Расстояние между светильниками [9]:

L = λ·h, м,                                                                             (2)

где λ – параметрический коэффициент, выбран из справочника (λ = 0,8…1) [9]:

L= 0,8·0,26 = 0,2 м.

Общее количество светильников

$\mathrm{N} = \frac{B}{L}$шт.,                                                                           (3)

где B – ширина фитоустановки, м (B = 0,950 м);

$N = \frac{0.950}{0.2}= 4.75$ шт.

Округляем число светильников в большую сторону, принимаем N = 5 шт. Рассчитаем расстояние L_СВ от крайних рядов светильников до стенок устройства [9]:

L_СВ = 0,5 · L, м.                                                                     (4)

В результате

L_СВ = 0,5 · 0,2 = 0,1 м.

Расчет расстояния от крайних рядов светильников до стенок устройства проводят для создания равномерности освещенности.

Расчет светового потока Ф светильников проведем при помощи коэффициента использования светового потока светильников [8]:

$Ф=\frac{\frac{{Е}_{н}}{2}\cdot {К}_{зап}\cdot S\cdot z}{N\cdot \eta }$, Лм,                                                        (5)

 

где ЕН – норма освещенности рекомендуемая, лк (ЕН = 16000 лк) [8];

К_зап – коэффициент запаса (К_зап   = 1,5) [9];

z – коэффициент неравномерности освещенности (z = 1,15);

S – площадь освещаемой поверхности, м2 (S = 0,467 м2); 

N – число светильников фитосвета и белого света (Nфит = 3 шт., Nбел = 2 шт.);

ή – коэффициент использования светового потока источника света, для светильников фитосвета и белого света, соответственно, ήф = 0,83 и ήб = 0,81:

${Ф}_{фит.}=\frac{\left(\frac{16000}{2}\right)\cdot \mathrm{1,5}\cdot \mathrm{0,467}\cdot \mathrm{1,15}}{3\cdot \mathrm{0,83}}=\mathrm{2588,2}$ Лм

${Ф}_{бел.}=\frac{\left(\frac{16000}{2}\right)\cdot \mathrm{1,5}\cdot \mathrm{0,467}\cdot \mathrm{1,15}}{2\cdot \mathrm{0,81}}=3978$ Лм

По полученному световому потоку выбраны светодиодные светильники белого света мощностью 24 Вт марки «ДПО-2х12» со световым потоком 4000 Лм [6], и фитосветильники мощностью 30 Вт марки «Uniel UlI-P19-30W», световой поток которых равен 2600 Лм, что соответствует фотосинтетическому фотонному потоку 46 мкмоль/c [7].

На рисунке 2 представлены общий вид фитоустановки и ее 3D модель.

 

Рис. 2. Фитоустановка: а - общий вид; б - 3D модель

 

Контейнеры с семенами устанавливают в фитоустановку, далее включают светильники белого света и фитосветильники, выставляют необходимые параметры освещения и микроклимата. Производится досвечивание за необходимое время. За счет тепловой энергии светильников создается и поддерживается микроклимат внутри установки. Приток и удаление воздуха происходит через отверстия, расположенные в стенках и крышке фитоустановки. Требуемый воздухообмен системы микровентиляции регулируют за счет специальных заслонок. По истечению времени вегетации собирают выращенный урожай.

Заключение.

Проведен подробный обзор и анализ фитоустановок (аналогов), что позволило выявить их недостатки. Эти недостатки были успешно учтены и исправлены при разработке фитоустановки. Была разработана конструктивная схема фитоустановки для выращивания микрозелени и овощных культур и обоснованы ее параметры. Обоснование конструктивной схемы включило в себя определение расположения всех необходимых элементов установки, таких как фитосветильники и светильники белого света, система микровентиляции, регулируемой заслонками, блок управления, а также контейнеры для растений. Выполнены расчеты высоты от расчетной поверхности до светильников, которая составила 0,26 м, расстояния между светильниками – 0,2 м, общего количества светильников – 5 шт. Подобраны светильники марки «Uniel UlI-P19-30W» мощностью 30 Вт и «ДПО-2х12» мощностью 24 Вт.

About the authors

Evgenyi A. Evseev

Samara State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: evseevevgen15@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7853-0875

Postraduate student

Russian Federation, Ust-Kinelsky, Samara region

Sergey I. Vasiliev

Samara State Agrarian University

Email: si_vasilev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4368-3123

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Ust-Kinelsky, Samara region

Sergey V. Mashkov

Samara State Agrarian University

Email: mash_ser@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9941-3803

Candidate of Economic Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Ust-Kinelsky, Samara region

References

Supplementary files