Разработка конструктивной схемы фитоустановки для малообъемного выращивания микрозелени и овощных культур
- Авторы: Евсеев Е.А.1, Васильев С.И.1, Машков С.В.1
-
Учреждения:
- Самарский государственный аграрный университет
- Выпуск: Том 8, № 4 (2023)
- Страницы: 58-64
- Раздел: ТЕХНОЛОГИИ, СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
- URL: https://bulletin.ssaa.ru/1997-3225/article/view/622850
- DOI: https://doi.org/10.55170/19973225_2023_8_4_58
- ID: 622850
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Цель исследований – разработка конструктивной схемы фитоустановки для малообъемного выращивания микрозелени и овощных культур. В настоящее время все больше людей проявляют интерес к здоровому питанию, поэтому выращивание микрозелени и овощных культур становится особенно актуальным. Для выращивания микрозелени и овощных культур используют различные фитоустановки, которые могут иметь разные формы, размеры и могут быть изготовлены из разных материалов. Однако у таких фитоустановок есть недостатки: они обычно слишком большие для использования в частных домах и не обеспечивают необходимый диапазон параметров микроклимата. В результате эвристического анализа была разработана конструктивная схема фитоустановки, которая включает в себя каркас, прозрачные стенки, светильники белого света, фитосветильники и блок управления. Блок управления расположен на верхней крышке фитоустановки. Он содержит тумблеры для включения светильников белого света и фитосветильников, устройство защитного отключения и модуль дистанционного управления. В стенках и верхней крышке устройства выполнены отверстия для микровентиляции. Микровентиляция регулируется при помощи специальных заслонок вручную. Также определено расстояние от расчетной поверхности до светильников, которое составило 0,26 м, и рассчитано расстояние между светильниками, которое составило 0,2 м. Определены места расположения светильников в фитоустановке. Общее количество светильников составляет 5 штук. Подобраны фитосветильники марки «Uniel UlI-P19-30W» мощностью 30 Вт со световым потоком 2600 Лм, и светильники белого света марки «ДПО-2х12» мощностью 24 Вт со световым потоком 4000 Лм.
Ключевые слова
Полный текст
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 - hp - hрк - hc, м, (1)
где H – высота от днища до крышки фитоустановки, м (H = 0,5 м);
hр – высота контейнеров, м (hр = 0,22 м);
hрк – высота светильников, м (hрк = 0,02 м);
hс – высота подвеса светильников, м (hс = 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
шт., (3)
где B – ширина фитоустановки, м (B = 0,950 м);
шт.
Округляем число светильников в большую сторону, принимаем N = 5 шт. Рассчитаем расстояние LСВ от крайних рядов светильников до стенок устройства [9]:
LСВ = 0,5 · L, м. (4)
В результате
LСВ = 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]:
, Лм, (5)
где ЕН – норма освещенности рекомендуемая, лк (ЕН = 16000 лк) [8];
Кзап – коэффициент запаса (Кзап = 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:
Лм
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.
Об авторах
Евгений Александрович Евсеев
Самарский государственный аграрный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: evseevevgen15@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7853-0875
аспирант
Россия, Усть-Кинельский, Самарская областьСергей Иванович Васильев
Самарский государственный аграрный университет
Email: si_vasilev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4368-3123
кандидат технических наук, доцент
Россия, Усть-Кинельский, Самарская областьСергей Владимирович Машков
Самарский государственный аграрный университет
Email: mash_ser@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9941-3803
кандидат экономических наук, доцент
Россия, Усть-Кинельский, Самарская областьСписок литературы
- Васильев С. И., Машков С. В., Сыркин В. А. Комплекс энергосберегающих элементов технологии выращивания овощных культур в контролируемых условиях // Вестник аграрной науки Дона. 2020. № 4(52). С. 10–19.
- Гроутент «Probox Ecopro» [Электронный ресурс]. URL: https://growell.ru/category/probox-ecopro/?etext=2202.LU6thhBwsMoUJCuHaYwdccv9mJIv86PCwSPqqX3BTGPtiR_Xxe3mUDTEJ5HD620JzMXuyneQgHvuXGqsf1HmVWNmaXhyaHFraGpudm9md20.300eed4fa610222648b5e71703687ac232d19689&yclid=448190242827079160 (дата обращения: 01.08.2023).
- Фитотрон «ЛиА-2» [Электронный ресурс]. URL: https://miroborudovaniya.ru/product/fitotron-lia-2-dvuhdvernyj-s-4-mya-svetodiodnymi-panelyami/ (дата обращения: 11.08.2023).
- Пат. № 49420 РФ, A01G 9/26. Фитотрон / Сапрыкин Л. Г., Гайдуков Е. Н., Сапрыкин Д. Л. № 2013134389/13 ; заявл. 23.07.2013 ; опубл. 27.01.2015, Бюл. № 21. 7 с.
- Пат. № 61984 РФ, A01G 9/14. Светодиодный фитоинкубатор (устройство) / Марков В. Н. № 2006138995/22 ; заявл. 07.11.2006 ; опубл. 27.03.2007, Бюл. № 9. 11 с.
- Светильник светодиодный фито света [Электронный ресурс]. URL: https://uniel.ru-/catalog/osveshchenie-dlya-rasteniy-i-ptitsevodstva/svetilniki-dlya-rasteniy/uli-p19-30w-spfb-ip40-white/ (дата обращения: 4.08.2023).
- Светильники светодиодные белого света [Электронный ресурс]. URL: https://www.etm.ru/cat/nn/4771963?city=216 (дата обращения: 4.08.2023).
- Расчет электрического освещения [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.-net/preview/5733972/page:7/ (дата обращения: 6.08.2023).
- Айзенберг Ю. Б. Справочная книга по светотехнике. М., 2006. 972 с.
- Моргунов Д. Н., Васильев С. И. Исследование спектральных характеристик электрических источников света // Вестник аграрной науки Дона. 2017. № 2 (38). С. 5–13.
- Абиян М. В., Гиш Р. А, Подушин Ю. В. Влияние периода искусственного освещения на формирование рассады салата // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 101 (07). С. 1–12.
- Бакунов А. Л, Дмитриева Н. Н., Милехин А. В, Рубцов С. Л. Оптимизация освещения микрорастений картофеля in vitro с использованием светодиодных источников // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 92 (6). С. 85–90.
- Князева И. В, Вершинина О. В, Гудимо В. В, Сорокопудов В. Н. Технологические приемы выращивания мяты и мелисы на вертикальных стеллажах // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2021. № 11. С. 78–84.
- Герасимова О. А, Дружинина Е. С, Жуков А. А, Назарова О. В, Тихонов Е. А. Пути активизации роста и развития растений // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2021. № 10 (204). С. 95–99.
- Оленин О. А., Зудилин С. Н. Полифункциональные биопрепараты для органического земледелия на основе переработки органических отходов и сырья // Нива Поволжья. 2020. № 4 (57). С. 36–42.
- Сяпуков Е. Е. Энергетическая и экономическая эффективность регуляторов роста и борной кислоты в технологии сахарной свеклы // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2012. № 4 (20). С. 20–23.