Научно-технические проблемы применения оптического излучения в сельскохозяйственном производстве

Соиск. Туаев И. М., доц. Гаппоев А. Б., проф. Бароев Т. Р.

Кафедра физики.

Горский государственный аграрный университет

Приведены результаты применения источников инфракрасного (ИК), ультрафиолетового (УФ) излучения, аэроионизации, освещения и автоматизированных ИК- и УФ-облучательных установок в сельскохозяйственном производстве.

Использование оптического излучения является одним из важнейших резервов повышения продуктивности таких отраслей сельскохозяйственного производства, как животноводство и птицеводство.

Опыт применения УФ-облучения для ликвидации «солнечного голодания» организма, ИК-локального обогрева молодняка, светорегуляторов, обеспечивающих фотопериодический цикл развития животных и птицы, дает возможность без больших материальных затрат получить дополнительные тысячи тонн мяса, молока, шерсти, десятки тысяч яиц, а также резко повысить сохранность молодняка – основу воспроизводства поголовья.

Решение задачи создания необходимых условий освещения сельскохозяйственных помещений значительно сложнее, чем промышленных, так как видимое излучение, непосредственно влияет на продуктивность животных, в то же время должно обеспечивать выполнение человеком определенных технологических операций.

Так, для ИК-обогрева молодняка выпускают лампы ИКЗК 220–250, ИКЗ 220-500, ИКЗ 220-500-1, КГ 220-1000. Разработана и выпущена опытная партия более дешевых ламп ИКЗС 220-250 в синей колбе.

Для УФ-облучения животных выпускают источники ЛЭ-15, ЛЭ-30, ЛЭР-40, для обеззараживания воздуха – ДРТ-400, воды – бактерицидные источники ДБ-30-1, ДБ-80.

Серийно изготовляют облучатели ССПО1-250 с ИК-лампой мощностью 250 Вт для обогрева молодняка, облучатели ОРИ-1, ОРИ-2 (мощностью 500 и 375 Вт), ОВИ-1 (500 Вт); УФ облучатели ЭО-1-30М с лампой ЛЭ-30-1.

Все более широкое применение находят комбинированные автоматизированные облучательные установки. В последние годы разработаны и серийно выпускаются комплекты светотехнического оборудования ИКУФ-1, ИКУФ-1М, «Луч» для ИК-обогрева и УФ-облучения молодняка.

Для облучения растений изготовлен комплект электрооборудования установки с лампами ДРВ-750, который позволит сократить капитальные затраты в 4 раза по сравнению с лампами ДРЛФ-400.

Несмотря на положительные результаты, необходимо отметить следующее: не организовано серийное производство ламп ИКЗС 220-250 для обогрева животных, ДРВЭД-750 ЛЭО – для УФ-облучения; медленно внедряются лампы ДРВ-750; не освоено производство регулятора температуры и облученности растений, который позволит уменьшить расход теплоты до 20 - на выращивание растений; не проводятся исследования по эксплуатации осветительно-облучательных установок; низка надежность осветительно-облучательного оборудования, поставляемого сельскому хозяйству.

6 Труды молодых ученых № 4, 2006

Задача коренного изменения осветительных установок сельскохозяйственных помещений в направлении снижения капитальных затрат и эксплуатационных расходов может быть решена за счет реализации нового принципа электроосвещения – осветительным установкам и устройствам с щелевыми световодами.

Новый способ освещения помещений щелевыми световодами основан на том, что источники (источник) света большой единичной мощности заключаются в общую оболочку, изолированную от окружающей среды и содержащую оптическую систему, которая направляет излучение ламп в нужных направлениях с малыми потерями. Щелевой световод может иметь жесткое или пленочное исполнение. Он представляет собой прямой или плавно изгибающийся цилиндр, стенки которого частично имеют высокоотражающее зеркальное покрытие, а в остальной части (вдоль образующих) характеризуется светопропускающими свойствами.

Разнообразные осветительные устройства со щелевыми световодами позволяют размещать источники света с их оптическими элементами, а также аппаратурой управления и защиты в специальных камерах вне или внутри помещения. Щелевые же световоды образуют в необходимых направлениях «светящие» линии. При направлении светового излучения только в один торец рабочая длина световода может достигать 40 – 50-кратного размера его диаметра. КПД комплекта осветительного устройства со щелевыми световодами около 40 %.

Основные преимущества осветительных установок со щелевыми световодами по сравнению с традиционными способами освещения заключается в следующем:

многократное уменьшение количества устанавливаемых «светоточек» с созданием условий, позволяющих реально осуществлять функции эксплуатации;

многократное уменьшение расхода дефицитных черных и цветных металлов, необходимых для изготовления светильника и монтажа осветительных установок;

уменьшение потребления электроэнергии на освещение, обусловленное снижением расчетного коэффициента запаса на 20 – 70 %, светотехническими преимуществами «светящих» линий и применением мощных ламп с наибольшей светоотдачей;

создание комплектных осветительных устройств с высокой степенью заводской готовности, обеспечивающих максимальную индустриализацию электромонтажных работ;

возможность увеличения при необходимости уровня освещенности в помещениях за счет замены ламп на более мощные при увеличении их числа без дополнительных строительно-монтажных работ по реконструкции осветительных установок;

ограничение тепловыделений в пространство помещений и возможность утилизации теплоты, излучаемой лампами;

упрощение и сокращение электрических сетей.

Реальный эффект от приведенных выше преимуществ зависит от тех технических и стоимостных показателей, которыми будут характеризоваться изделия промышленности со щелевыми световодами, а также от конкретных строительно-планировочных условий их применения и предъявляемых требований к освещению.

За последние годы значительно усовершенствованы высокоинтенсивные источники света (ВИС). Быстрое развитие ВИС осуществляется в направлении повышения их экономичности, срока службы, спектрального состава излучения, других эксплуатационных характеристик, а также расширения диапазонов мощностей, размеров, режимов работы и т. д.

Наличие широкого ассортимента ВИС, обладающих самыми различными характеристиками, ставит вопрос о правильном выборе их для использования в животноводческих помещениях. При решении этого вопроса следует исходить из анализа основных характеристик ВИС и соответствия их условиям освещаемого или облучаемого объекта.

ВИС, обладающие большой единичной мощностью, высокой световой отдачей, широким спектральным диапазоном (включая УФ- и ИК-области спектра), представляют интерес для использования в сельскохозяйственном производстве.

Необходимо разработать единую методику сопоставления облучательных установок для животноводства и растениеводства закрытого грунта, выполненных на базе различных ОИ, выпускаемых промышленностью.

На современных комплексах, где животные все время находятся в помещении, должно круглогодично применяться УФ-облучение, которое является одним из важнейших экономических факторов. Известны биологические эффекты УФ-излучения: эритемное и бактерицидное действие. Наиболее важным для животных является эритемное действие и те реакции, которые развиваются в период после облучения.

Особенно важно свойство УФ-излучения образовывать в организме животных необходимый для роста и развития витамин D. В то же время УФ-облучение гораздо шире воздействует на разные функции организма и стороны регулирующих систем, а не только на те, которые связаны с витамином D . Наблюдаются положительные сдвиги со стороны сердечно-сосудистой, дыхательной и кровеносной систем, а также улучшение фосфорно-кальциевого обмена у облучаемых животных.

Дозы УФ-облученности, которые приводятся в справочной литературе, были получены эмпирически десятки лет назад и не базировались на точной метрологии. Поэтому в настоящее время актуален вопрос пересмотра доз в целях конкретизации их не только для различных видов животных, но и для опорных (типичных по спектральному составу) источников оптического излучения, которые вызывают данный фотобиологический процесс. Уровень освещенности и наличие УФ-излучения являются важными составляющими микроклимата в животноводческих помещениях.

Задача инженеров и научных работников – создать рациональные системы оборудования, обеспечивающие те параметры жизненной среды животных, эффективность которых доказана и научно обоснована. Но задача состоит не в том, чтобы заполнить до отказа животноводческие помещения различным оборудованием, а пойти по пути создания комбинированных установок. В данном случае нерационально предусматривать систему освещения с соответствующей программой включения, установку УФ-облучения с системой автоматического управления и, кроме того, заполнять помещения аэроионизаторами, а необходимо объединить эти системы в одну.

Испытания комбинированных эритемно-осветительных ламп, созданных на основе люминесцентных ламп низкого давления, показали, что расход электроэнергии на освещение и облучение животных можно уменьшить на 40 %. Таким образом, использование комбинированных ламп с излучением в УФ и видимой областях спектра является одним из перспективных направлений. Применение в животноводческих помещениях установки для искусственной аэроионизации воздуха основано на использовании высокого напряжения тока, обусловливающего коронный разряд. Отрицательным полюсом служит рабочий орган установки, положительным – земля. Между этими полюсами создается электрическое поле, в котором происходит перезарядка и движение частиц. Важное значение в практике животноводства имеет применение аэроионизаторов для уменьшения запыленности воздуха. При ионизации происходит электрическая коагуляция пылевых частиц, что способствует эффективной очистки воздуха от пыли. Это свойство аэроионов особенно существенно при применении в животноводческом помещении УФ-облучательных установок, так как запыленность резко снижает эффективно используемый поток осветительных УФ-ламп. Поэтому применение коронного ионизатора в облучателе снизит осаждение пыли на лампах и тем самым повысит КПД облучательных установок. Кроме того, объединение систем освещения, УФ-облучения в одной установке повысит ее экономичность и снизит энергоемкость.

На промышленных комплексах с высокой концентрацией поголовья возникает проблема охраны животных и птицы от заболеваний, возбудители которых распространяются аэрогенным путем. Для решения этой проблемы, наряду с применением механических, электрических и биологических фильтров для очистки воздуха от пыли и бактерий, с успехом используют УФ-излучение, которое сочетает в себе высокую дезинфекционную активность с полным отсутствием токсического действия. В настоящее время для обеззараживания пользуются бактерицидными и ртутно-кварцевыми лампами непрерывного горения; серийно выпускаются облучатели ОБН, ОБП и др.

Заслуживает внимание применение ВИС. Известно, что для коагуляции белкового вещества бактерий требуется достаточно большая энергия квантов, соответствующих УФ-области спектра.

Выход УФ-излучения в газоразрядных источниках света зависит от увеличения температуры плазмы. Повышение энергии разряда приводит к возрастанию температуры плазмы, а увеличение частоты следования импульсов повышает среднюю мощность излучения ламп. В связи с этим использование для обеззараживания воздуха газоразрядных ламп импульсного режима по сравнению с режимом непрерывного горения имеет преимущество, заключающееся в возможности получения увеличенного КПД излучения в УФ-области спектра при варьировании энергии разряда, частоты следования импульсов и длительности вспышки. Не исключено, что с помощью импульсных ламп станет возможным обеззараживание животноводческих стоков, витаминизации кормовых дрожжей, а также использование коротковолнового УФ-излучения в других технологических процессах сельскохозяйственного производства, где необходимо не только повышение мощности излучения, но и время для стабилизации продуктов фотодиссоциации сложных молекул, чему способствует уменьшение длительности импульса света.

ИК-обогрев в начальный период выращивания молодняка повышает его сохранность и продуктивность. Доказано, что наиболее перспективно использование ИК-обогрева в комплексе с УФ-облучением, поэтому все более широкое применение находят комбинированные установки.

В ближайшее время следует разработать научные основы комбинированного воздействия различных оптических и других факторов микроклимата на организм животных, что позволит научно обосновать структуру и типоразмерные ряды осветительных и облучательных установок, а также повысить их энергетические, светотехнические и эксплуатационные параметры.

Значительный экономический эффект дает использование тиристорного регулятора для ИК-ламп животноводческих и птицеводческих облучателей. Дальнейшее совершенствование облучателей ИКУФ и «Луч» связано с переводом на повышенную частоту УФ-ламп с использованием полупроводниковых источников питания.

Применение повышенной частоты тока для осветительных комплектов животноводческих помещений может дать значительный экономический эффект и повысить надежность.

Разработка и внедрение указанных комбинированных систем позволит снизить отход молодняка на 10 – 15 %, повысит продуктивность животных на 20 % при уменьшении затрат кормов на единицу продукции.

Список литературы

1. Алферова Л. К. Использование эритемно-осветительных ламп в животноводстве // Механизация и электрификация сельского хозяйства, № 12,1999, с. 35-36.

2. Бакшеев П. Д. Комбинированные источники оптического излучения для животноводства // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1998, № 7, с. 16-17.

3. Кожевников Н. Д., Лямцов А. К. Применение оптического излучения. М.: Россельхозиздат, 1977.