Энергосберегающее оптическое облучение промышленных теплиц

ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет

ООО «Научно-производственное предприятие Кандела»

А. Г. Молчанов, В. В. Самойленко

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ
ОПТИЧЕСКОЕ ОБЛУЧЕНИЕ 
ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕПЛИЦ

Монография

Ставрополь
«АГРУС»
2013

УДК 620.9
ББК 31.2
 
М76
Рецензенты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой 
селекции, семеноводства и технологии хранения продукции 
растениеводства им. профессора Ф. И. Бобрышева 
ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 
А. И. Войсковой;
доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения 
и эксплуатации электрооборудования 
ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 
В. Я. Хорольский 

Молчанов, А. Г.
М76  
Энергосберегающее оптическое облучение промышленных 
теп лиц : монография / А. Г. Молчанов, В. В. Самойленко ; Ставропольский государственный аграрный университет. – Ставрополь : 
АГРУС, 2013. – 120 с.

  ISBN 978-5-9596-0826-2

Рассмотрены вопросы повышения эффективности облучательных 
установок промышленных теплиц. Проведен обзор отечественной и зарубежной литературы по энергосберегающему облучению в сооружениях защищенного грунта. Достаточно большое внимание в работе уделено 
оптимизации факторов внешней среды обитания растений.
Представлены новые технические средства, с помощью которых возможно реализовать энергосберегающую технологию переменного облучения, что позволяет экономить до 40 % электрической энергии, сократить 
сроки выращивания рассады овощных культур, повысить качество продукции защищенного грунта.
Для руководителей и специалистов тепличных предприятий, аспирантов и студентов вузов.
УДК 620.9
ББК 31.2

© Молчанов А. Г., Самойленко В. В., 2013
© ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный 
 
аграрный университет, 2013
© ООО «НПП Кандела», 2013

ISBN 978-5-9596-0826-2

Все права защищены. Никакая часть монографии не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев 
авторских прав.

ОГЛАВЛЕНИЕ

 
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Глава 1
 
Биологические основы 
 
переменного облучения растений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
 
 
1.1. Облучение овощных культур защищенного грунта
 
 
 
с меняющейся интенсивностью  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
 
 
1.2. Влияние интенсивности облучения 
 
 
 
на фотосинтетическую деятельность . . . . . . . . . . . . . . . . 11
 
 
1.3. Обоснование способа переменного облучения . . . . . . . . 13
 
 
 
1.3.1. Критерии оптимизации параметров 
 
 
 
 
переменного облучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
 
 
 
1.3.2. Критерии выбора высокой облученности  . . . . . . 17
 
 
1.4. Переменное облучение – перспективный прием 
 
 
 
промышленной технологии овощеводства 
 
 
 
защищенного грунта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Глава 2
 
Облучательные установки тепличных производств . . . . . . . . . 27
 
 
2.1. Источники искусственного оптического излучения
 
 
 
и их использование в защищенном грунте. . . . . . . . . . . . 27
 
 
2.2. Анализ способов питания газоразрядных ламп 
 
 
 
высокого давления и реализующие 
 
 
 
их технические средства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Глава 3
 
Экспериментальные исследования 
 
технологии переменного облучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
 
 
3.1. Исследование режима переменного облучения 
 
 
 
в вегетационной климатической камере . . . . . . . . . . . . . . 39
 
 
3.2. Экспериментальные исследования в фитокамере . . . . . . 42
 
 
 
3.2.1. Система управления параметрами микроклимата 
 
 
 
 
на ОВЕН МПР51-Щ4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
 
 
 
3.2.2. Система управления оптическим облучением 
 
 
 
 
на ОВЕН ТРМ151-03 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
 
 
 
3.2.3. Экспериментальные исследования режима
 
 
 
 
переменного облучения рассады натриевыми 
 
 
 
 
лампами высокого давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.2.4. Информационная система удаленного
 
 
 
 
мониторинга состояния системы управления
 
 
 
 
параметрами микроклимата 
 
 
 
 
экспериментальной фитокамеры . . . . . . . . . . . . . 52

Глава 4
 
Обоснование целесообразности дополнительного облучения
 
рассады огурцов и томатов в зимних теплицах шестой 
 
и седьмой световых зон РФ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Глава 5
 
Содержание основных фотосинтезирующих пигментов 
 
в зависимости от качества, интенсивности 
 
и режима облучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
 
 
5.1. Влияние интенсивности и качества облучения . . . . . . . . 59
 
 
5.2. Особенности накопления хлорофилла
 
 
 
при переменном облучении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
 
 
5.3. Выявление оптимальной последовательности
 
 
 
в чередовании циклов облучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Глава 6
 
Влияние переменного облучения 
 
на растения огурцов и томатов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
 
 
6.1. Фотосинтетическая деятельность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
 
 
6.2. Рост и развитие растений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Глава 7
 
Теоретическое обоснование параметров 
 
энергосберегающей системы управления облучением 
 
в сооружениях защищенного грунта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
 
 
7.1. Энергосберегающая система управления облучением . . . . 84
 
 
7.2. Способ питания натриевых ламп высокого давления 
 
 
 
и устройство для его осуществления . . . . . . . . . . . . . . . . 85
 
 
7.3. Экспериментальное исследование 
 
 
 
электронного пускорегулирующего устройства . . . . . . . 88

 
Заключение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

 
Список использованной литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

ВВЕДЕНИЕ

Развитие овощеводства на современном этапе не может быть 
успешным только за счет овощеводства открытого грунта. Климатические условия в нашей стране таковы, что из открытого грунта 
основная масса свежих овощей поступает в конце лета и осенью.
Для сбалансированного равномерного поступления свежих 
овощей в течение всего года необходимо широко использовать 
сооружения защищенного грунта. Кроме того, обеспечение открытого грунта в достаточном количестве ранней и здоровой рассадой 
также является важной функцией защищенного грунта.
Одними из основных факторов микроклимата зимних теплиц, 
влияющих на получение качественной рассады, является интенсивность и продолжительность облучения. В пределах России 
условия естественной облученности позволяют выращивать огурцы и томаты в зимних теплицах в любое время года только в шестой и седьмой световых зонах, к которым, в частности, относится 
Юг России. Однако и здесь выращивание светолюбивых культур в 
несезонное время возможно только в переходном культурообороте, когда рассада формируется в сентябре – ноябре.
При выращивании рассады огурцов и томатов в зимне-весеннем 
культурообороте следует применять дополнительное электрическое облучение. Возможность искусственного облучения и его экономическая целесообразность подтверждены многочисленными 
исследованиями и опытом передовых хозяйств. Однако широкому 
внедрению искусственного облучения рассады огурцов и томатов 
в тепличных хозяйствах препятствует все еще значительный расход электрической энергии.
Перспективным направлением снижения затрат электроэнергии является разработка более совершенных способов и режимов 
искусственного облучения, способствующих повышению продуктивности растений в защищенном грунте. Разработка таких приемов должна базироваться на знании биологических особенностей 
поглощения растениями энергии оптического излучения. Исследование этих особенностей в свете решения проблем взаимодействия растений с одним из сильнодействующих факторов внешней 
среды – энергии излучения – должно быть направлено на повышение эффективности использования ее в процессе фотосинтеза. 
Это приведет к повышению интенсивности и продуктивности фо

тосинтеза, сокращению сроков выращивания рассады, получению 
более раннего и высокого урожая и в конечном счете к снижению 
себестоимости продукции защищенного грунта.
К настоящему времени известен ряд приемов и методов искусственного облучения растений, позволяющих сократить сроки их выращивания без ухудшения качества продукции. К таким 
приемам следует, прежде всего, отнести импульсное и переменное облучения. Импульсное облучение, в основе которого лежит 
наличие в процессе фотосинтеза световых и темновых реакций, 
сравнительно хорошо исследовано и применяется в практической 
светокультуре огурцов и томатов. Переменное же облучение, на 
большие преимущества которого указывали ряд исследователей 
(В. П. Мальчевский [112]; Б. С. Мошков [145]; В. М. Леман [97]), 
к началу наших исследований находилось лишь в стадии лабораторных экспериментов. Но уже первые попытки выращивания 
растений с помощью чередующихся по интенсивности уровней 
облученности в течение светлого периода суток показали, что 
урожайность достигает тех же величин, что и при постоянном 
облучении, а расход электрической энергии на единицу продукции намного меньше.
Однако влияние переменного облучения на рассаду наиболее ценных овощных культур защищенного грунта – огурцов и 
томатов – изучено недостаточно, теоретическое и экспериментальное обоснование оптимальных режимов этого способа облучения не проводилось. Поэтому в задачу настоящей работы 
и входило определение оптимальных режимов и параметров 
переменного облучения рассады огурцов и томатов с целью 
интенсификации ее производства при наименьших затратах 
труда и средств. В связи с этим необходимо было решить следующие вопросы: обосновать необходимость дополнительного электрического облучения в зимних теплицах Юга России 
в зимне-весеннем культурообороте; исследовать влияние переменного облучения на рассаду огурцов и томатов; теоретически 
разработать и экспериментально проверить критерии оптимизации режима переменного облучения; разработать и внедрить в 
производство технические средства управления облучательной 
установкой, обеспечивающие реализацию режима переменного 
облучения растений защищенного грунта.

ГЛАВА 1

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ПЕРЕМЕННОГО ОБЛУЧЕНИЯ РАСТЕНИЙ

1.1. Облучение овощных культур защищенного грунта 
с меняющейся интенсивностью 

Великий русский ученый К. А. Тимирязев [219] еще во второй 
половине прошлого века писал: « –для сообщения тепличным растениям более здорового вида в зимние месяцы, когда, особенно у 
нас, они страдают от недостатка света, электрическое освещение 
могло бы найти себе применение».
Эти предсказания сбылись, и сейчас в крупнейших тепличных 
комбинатах страны успешно используется искусственное облучение. Дополнительное облучение позволяет ускорить получение 
первого урожая овощей с одновременным повышением урожайности на 25–30 % в среднем за сезон [97, 98].
Искусственное облучение растений в настоящее время все 
шире внедряется в практику овощеводства защищенного грунта 
как у нас в стране, так и за рубежом. Это стало возможным благодаря многочисленным и глубоким исследованиям отечественных 
и зарубежных ученых в области светофизиологии. Развитие экспериментальных и теоретических исследований выращивания растений при искусственном облучении привело к появлению новой 
области науки и техники – светокультуры растений.
Вопросами искусственного облучения растений занимались 
многие отечественные и зарубежные ученые, в том числе А. А. Ничипорович, В. М. Леман, Б. С. Мошков, Я. А. Кунгс, В. С. Газалов, 
В. П. Шарупич, А. А. Рысс, Л. И. Гурвич, J. Timmerman, R. McCree, 
P. Mekkel, M. Fischer и другие. 
Становление светокультуры как науки в нашей стране связано с именем Н. А. Максимова [106, 107, 108, 109]. Его глубокие 
и многолетние исследования открыли новую страницу в светофизиологии, в практической светокультуре и досвечивании. Большой 
вклад в развитие светокультуры внесли также работы Н. А. Артемьева  [11], В. П. Мальчевского [112, 113].

Одним из ведущих специалистов в области светофизиологии 
и светокультуры растений Н. Н. Протасовой [188, 189] проводились исследования в области разработки физиологических основ 
интенсивной светокультуры и была предпринята попытка формирования современных представлений об эффективных характеристиках оптического излучения для выращивания растений в 
защищенном грунте. 
С тех пор как искусственное облучение начало применяться в 
защищенном грунте, встал вопрос об экономном и рациональном 
использовании электрической энергии, с одной стороны, а с другой  – о получении раннего и большого урожая, что заставило искать новые, нетрадиционные агрономические и технические решения в овощеводстве защищенного грунта.
Как показали опыты, одним из эффективных направлений является применение прерывистого облучения. Реализация этого 
приема была осуществлена В. Н. Любименко и Ф. Ф. Мацковым в 
опытах по определению хода фотосинтеза у свеклы при различных 
вариантах облучения [200]. Растения свеклы, получавшие облучение с двухчасовым интервалом, имели интенсивность фотосинтеза в полтора раза выше по сравнению с контролем, где облучение 
было в течение 12 часов непрерывным.
Опыты В. П. Мальчевского [112, 113], основавшиеся на результатах работ ряда исследователей (Трумиф, 1924; Пристлей, 
1929; Остром, 1935 – цитировано по В. П. Мальчевскому), показали, что при воздействии на растения короткими ежедневными 
периодами облучения («световые удары») от искусственных источников можно добиться увеличения массы сухого вещества на 
94 % и ускорения бутонизации на 11 дней. В качестве источников 
излучения применялись лампы накаливания и высоковольтные 
неоновые трубки, с помощью которых создавалась освещенность 
около 20000 лк и 1500 лк. «Световые удары» давались в дневное 
время как дополнение к естественному облучению через 2,5–3 
часа в течение 5–20 минут.
Б. С. Мошков [145, 146] и А. М. Ковальчук провели опыт с молодыми растениями огурцов и томатов, где в течение 15–20 дней 
при 18-часовом дне через час чередовали относительно сильный 
свет (700 Вт/м2) с относительно слабым (100 Вт/м2), созданным 
лампами накаливания. Контролем служили растения, которые получали только сильный или только слабый свет. В результате опы

та выявилось, что самыми лучшими растениями стали те, которые 
получали чередующуюся мощность потока излучения.
Трюфо и Тюрнесан (Jruffaut, Jhurnessen, 1923) получили зрелые 
ягоды земляники через 40 дней вместо 80 обычных для этой культуры, облучая ее лампами накаливания, причем источники совершали круговые движения над растениями.
В. М. Леман [97] изучал действие переменного облучения на 
растения огурцов и томатов с помощью установки с люминесцентными лампами. При своем движении над растениями установка периодически (каждые 5–7 секунд) создавала условия достаточного освещения для прохождения реакции фотосинтеза 
(6000лк) и довольно слабого (40–60 лк). В результате оказалось, 
выросшие под движущимися лампами растения намного превосходят по всем параметрам те, которые росли при постоянном 
уровне освещенности.
Экспериментальными исследованиями (Л. Г. Прищеп [181, 182]) 
было установлено, что карусельные установки с лампами дневного света и с лампами типа ДРЛ позволяют сократить потребление 
электрической энергии в несколько раз при выращивании огурцов 
и томатов по сравнению с неподвижными установками такой же 
мощности. Лампы в таких установках движутся с небольшой скоростью над растениями и тем самым создают режим облучения с 
переменной интенсивностью.
В продолжение исследований влияния переменного облучения 
на растения Г. В. Степанчук и Е. П. Ключка [76] проводили экспериментальные исследования по обоснованию рациональных параметров и режимов работы облучательных установок, оснащенных 
лампами ДНаТ, для выращивания рассады томатов в сооружениях 
защищенного грунта. В результате получены теоретическая зависимость, учитывающая основные параметры источника и приемника облучения, и конструктивно-технологическая схема облучательной установки; определены рациональные значения скорости 
движения облучателей. Экспериментальная проверка облучательной установки в производственных условиях показала, что продуктивность растений в среднем повысилась на 21 %. 
Литературные данные по использованию передвижных и карусельных установок показывают преимущества переменного облучения независимо от того, какими приемами было достигнуто чередование высокой и низкой облученностей. Однако из вышеназ

ванных публикаций не становится ясным оптимальное сочетание 
в цикле переменного облучения сильного и слабого воздействий, 
кроме того, исследователи не приводят данных об изменении количественного и качественного состава пигментного аппарата, 
что, несомненно, представляет интерес в плане изучения реакции 
пигментной системы на ритмическое раздражение ее переменным 
облучением.
Обзор литературных источников по использованию переменного 
облучения показал, что у исследователей нет единого мнения о параметрах режима такого воздействия на растения. В одних опытах 
чередование облученностей происходило с двухчасовым интервалом (опыты В. Н. Любименко и Ф. Ф. Мацкова), в других – каждые 
три часа по 5–20 минут («световые удары» В. П.  Мальчевского), в 
третьих – каждый час (опыты Б. С. Мошкова и А. М. Ковальчука). 
В. М. Леман предлагает менять уровни облученности через каждые 5–7 секунд. Такое разногласие авторов по поводу продолжительности воздействия на растения повышенной облученностью, 
по-видимому, связано с тем, что в разных опытах использовались 
источники оптического излучения с неодинаковой спектральной 
характеристикой, с различным уровнем интенсивности.
Проблеме повышения фотосинтеза с помощью переменного 
облучения посвящен сборник статей под редакцией А. А. Шахова [174]. Исходя из того, что биологическая эффективность оптического излучения повышается при светоимпульсном облучении 
растений по сравнению с непрерывным воздействием, А. А. Шахов с сотрудниками использовали концентратор солнечного света, 
способный создавать мощный солнечный поток до 25 тысяч люмен для кратковременного (20–45 минут) с частотой от 50 до 1000 
импульсов в минуту облучения растений, семян и клубней. Такое 
сильное воздействие осуществлялось на фоне умеренной интенсивности естественного облучения.
Несмотря на явное преимущество переменного облучения перед постоянным, оно не нашло должного применения в практике. 
Это связано с тем, что не были разработаны достаточно эффективные технические средства обеспечения переменной интенсивности облучения. Известные же приемы либо технически трудно 
выполнимы (карусельные и передвижные установки), либо находятся на стадии пробных лабораторных исследований. В обсуждаемых публикациях параметры режима переменного облучения 

выбирались, по-видимому, на основе эмпирических данных, без 
теоретического и экспериментального обоснования уровня интенсивности и времени облучения.

1.2. Влияние интенсивности облучения 
на фотосинтетическую деятельность

Известно, что фотосинтез – основная функция и главный процесс питания растений, так как 80–95 % биомассы растений приходится на органические вещества, образуемые в процессе фотосинтеза. Повышая фотосинтетическую продуктивность растений, например, путем увеличения коэффициента использования световой 
энергии, можно увеличить урожайность растений [149]. Необходимость создания условий для наиболее эффективного поглощения 
растениями света особенно важно при дополнительном облучении, в противном случае происходит нецелесообразное расходование электрической энергии, а это приводит к удорожанию продукции, кроме того, из-за снижения оптической энергии, которая 
может быть усвоена растением, происходит замедление процессов 
их роста и развития .
Создание условий для лучшего роста и развития растений чаще 
всего основано на применении различных агротехнических мероприятий: улучшение агротехники, внесение удобрений, полив, 
оптимальные сроки и способы посева и т. п., а также использование искусственных источников с необходимыми спектрами и интенсивностью излучения.
Наряду с этим необходимы мероприятия, способствующие направленному управлению фотосинтезом в целях повышения урожайности растений, которое в искусственных условиях может 
быть осуществлено путем изменения влияния различных факторов внешней среды, прежде всего – интенсивности облучения, так 
как она является наиболее сильнодействующим и может быть относительно легко подвержена управлению.
Фотосинтез светолюбивых культур (огурцы и томаты) при относительно высоком уровне облученности и при наличии прочих 
благоприятных факторов тем интенсивнее, чем выше концентрация хлорофилла [30, 41, 42, 152]. В свою очередь накопление 
хлорофилла в зеленых листьях зависит от интенсивности облуче

ния при прочих не лимитирующих факторах, причем этот процесс имеет определённый порог интенсивности облучения [143]. 
Накопление хлорофилла идет наиболее интенсивно при определенном для конкретной культуры уровне облученности, выше и 
ниже которого накопление пигмента снижается [39]. Н. П. Воскресенская [40–42] установила, что при относительно слабом 
освещении образуются преимущественно компоненты фотосинтезирующего аппарата (пигменты, белки, липиды и т. п.), а также 
конституционные компоненты клеток и тканей, что приводит к 
быстрому росту фотосинтезирующих органов. Однако уровень 
облученности не должен быть ниже определенного порога, за которым начинается этиоляция.
Усиленное образование компонентов фотосинтезирующего 
аппарата и рост его органов при облучении относительно низкими интенсивностями можно объяснить исходя из следующего. 
В  процессе эволюционного развития каждое растение приобретает генетически кодированный потенциал продуктивности, 
который оно стремится реализовать в процессе жизнедеятельности, приспосабливаясь к изменяющимся внешним условиям 
так, чтобы продукты фотосинтеза образовывать в определенном 
количестве и закономерности во времени [151]. Обеспечение 
оптимальной интенсивности и продуктивности фотосинтеза 
при недостаточной облученности осуществляется путем увеличения растением концентрации синтезирующих пигментов и 
усиленным ростом фотосинтезирующих органов. Компенсация 
снижения фотосинтеза из-за неудовлетворительных условий 
облучения осуществляется в силу действия внутренних регуляторных систем [67] за счет увеличения эффективности поглощения световой энергии более мощным фотосинтетическим аппаратом растения [40]. В результате увеличения концентрации 
хлорофилла лист становится оптически более плотной средой, 
что позволяет полнее абсорбировать падающую на него энергию оптического излучения.
Таким образом, для создания развитой фотосинтезирующей 
системы необходимо воздействовать на растения низкой облученностью, которая, однако, должна быть близкой к оптимальной величине для наибольшего накопления хлорофилла и стимуляции 
роста фотосинтезирующих органов. В результате влияния малой 
облученности в растении идет, в основном, образование компонен