Александр Проценко - Энергетика сегодня и завтра
Чтобы тепло не рассеивалось впустую, в теплицах применяют теплозащитные экраны, специальное остекление и алюминиевые профили, обеспечивающие герметичность. Они оснащаются автоматизированными системами управления микроклиматом, калориферными системами обогрева.
Если теплица или парник оборудуются для обогрева системой циркуляции воздуха, то можно использовать избыточную солнечную энергию. Нагретый днем воздух продувается по специальным каналам сквозь почву или термоаккумулятор, отдающие запасенное тепло по ночам.
Подавляющее большинство предложений по энергосбережению рождается из детального и даже придирчивого анализа технологического процесса.
Проанализировав циркуляцию воды и воздуха в теплице, специалисты Квебекского университета в Канаде предложили обогревать не все пространство парника, а лишь часть его, непосредственно примыкающую к растениям. Для этого вдоль грядок можно прорыть траншеи метровой глубины. Днем они покрыты полиэтиленовой пленкой, под ней воздух накапливает и сохраняет тепло.
На ночь, когда становится холодно, полиэтиленовую пленку заменяют алюминиевым полиэфирным «пледом», теплоотдача через который значительно выше, и растения по соседству с траншеей обогреваются излучаемым теплом. Площадь для теплицы при этом методе увеличивается, но затраты энергии на обогрев, утверждают канадские специалисты, уменьшаются в несколько раз.
Основной «хлеб» растений — свет. Посмотрим, какие энергосберегающие ресурсы имеются здесь.
Наука об искусственном освещении — светокультура — находится на стыке биологии и электротехники.
Она может очень многое дать как растениеводству, подсказав оптимальные условия для выращивания урожая, так и энергетике, предложив способы минимизировать расход энергии.
Приведем один пример. Московский тепличный комбинат, построенный в 1972 году, расходует 250–280 тысяч киловатт-часов электроэнергии в год, а на комбинате «Тепличный», созданном в последнее время в Ивановской области, электроэнергии расходуется в три раза больше — 600–700 киловатт-часов на гектар. Не будем сразу обвинять проектировщиков или тех, кто работает в тепличных хозяйствах. Ведь условия выращивания растений могут очень различаться по многим причинам.
Например, средняя естественная освещенность зависит как от географического расположения, так и от «утепленности» теплицы. Нужно учитывать также температурные условия района. Неодинакового количества света требуют и разные виды овощей. Рассаду необходимо освещать в два раза больше, чем взрослые растения. Причин разного расхода электроэнергии может быть много, И все же разница в три раза слишком велика.
Для жизнедеятельности растения необходимо чередовать периоды освещенности с периодами пребывания в Темноте. Длина светового дня должна быть от 8 до 14 часов в зависимости от вида растения и периода созревания. Эти факты общеизвестны. А вот менее известный факт: экспериментально установлено, что фотосинтез лучше совершается при освещении с меняющейся интенсивностью. В совхозе «Тепличный» Челябинской области установили осветительные лампы на каруселях, вращающихся с небольшой скоростью в горизонтальной плоскости. Урожай собирается такой же, как и при непрерывном освещении 8-12- часовой длительности, а расход электроэнергии в несколько (!) раз меньше.
Преобразование неорганических веществ, воды, углекислоты в углеводы и кислород под действием солнечного света — механизм очень сложный. Он не понят еще до конца и на молекулярном, и на клеточном уровне.
Фотосинтез очень чувствителен ко многим параметрам внешней среды, и для выявления оптимума требуются точные эксперименты. К сожалению, проводятся они не всегда тщательно, и это часто служит источником ложной информации.
Например, однажды в прессе промелькнуло сообщение, будто достаточно было установить в теплицах одного из совхозов красные светофильтры на осветительные лампы, и урожай повысился в полтора-два (!) раза. Конечно, растение любит красный свет. Ведь именно поэтому его преобладающий цвет зеленый. Но зачем устанавливать красный фильтр?
Если из видимого солнечного «белого» света извлечь одну компоненту, в данном случае красную часть спектра с длиной волны от 600 до 700 микрометров, то «белое» сменится на «дополнительную» окраску. Дополнительный цвет к красному — зеленый. Растение зеленое именно потому, что из солнечного излучения оно интенсивно поглощает красную компоненту и отражает «дополнительную».
Отсюда вовсе не вытекает, что для роста растения полезно отсекать часть солнечного спектра. А кроме того, дешевых идеальных фильтров нет, а в применяемых частично поглощаются все длины волн.
Растение действительно любит красный свет. Что это значит? Число квантов света на единицу энергии красной части спектра больше, чем в сине-фиолетовом диапазоне, поскольку энергия кванта с увеличением длины волны падает. Но ведь и более «энергичные» кванты также могут осуществлять акты фотосинтеза, хотя и с меньшей эффективностью. Так зачем же их отсекать?
Интересные соображения я нашел в статье доктора биологических наук Б. Гуляева. Он пишет, что, если всего 20 процентов красных лучей заменить на синие, существенно увеличится скорость поглощения листьями углекислого газа. Зеленые лучи лучше проникают сквозь листву и обеспечивают энергией листья нижних ярусов.
Очень чувствительны к световому спектру процессы, от которых зависит развитие растения. При полном отсутствии «синих» и «зеленых» фотонов можно выращивать только листовые формы типа салата.
Можно сделать вывод, что для всех высших наземных растений идеальным источником света является солнце. В видимой части спектра его излучение у земной поверхности содержит около 30 процентов синих лучей и примерно по 35 процентов зеленых и красных. Создать лампы, которые имели бы такую спектральную характеристику, пока не удается. Наилучшими «солнцеподобными» параметрами обладают пока люминесцентные лампы разного вида. И все же предпринимаются попытки улучшить естественный солнечный свет.
Для покрытия теплиц предлагается использовать но стекло и не обычную полиэтиленовую пленку, а фоторедуцирующую. Механизм редуцирования света примерно такой же, как и в люминесцентных лампах. В пленку введены люминофоры, которые переводят коротковолновую ультрафиолетовую часть спектра в видимую часть, тем самым как бы несколько увеличивая силу солнца в этой части. Сообщается, что фоторедуцирующая пленка позволяет увеличить урожайность различных культур на 10–60 процентов.
Вряд ли имеет смысл отвергать предлагаемый способ сразу. Ведь «испытания проведены в различных климатических зонах страны». Но для понимания физики и биологии процесса следует помнить, что ультрафиолетовая часть спектра энергетически составляет не более 20 процентов от видимой. И даже если половину ее преобразовать в видимую часть, то общая энергия видимого света увеличится не более чем на 10 процентов. А ведь для растений полезен и ультрафиолет, который отсекается фоторедуцирующей пленкой.
Согласно детальным исследованиям в растениях имеются вещества, активно поглощающие ультрафиолетовые лучи. Обнаружено, что добавка таких лучей к световому потоку вызывает более интенсивный рост и развитие растений. Связь света, температуры и фотосинтеза очень сложная и разная для разных культур.
Вот передо мной графики, показывающие зависимость между интенсивностью фотосинтеза и температурой. Это — кривые с горбом. Значит, существует оптимальная температура. Ниже ее и выше ее фотосинтез идет хуже.
Для каждой освещенности — своя кривая. Скажем, для 15 градусов фотосинтез максимален при освещенности 20 тысяч люкс. Если в этих условиях освещенность увеличить в полтора раза, ничего не изменится. Вероятно, фотосинтез даже ухудшится, а количество затраченной энергии увеличится. Этот пример я привожу как раз для того, чтобы показать, насколько сложны механизмы фотосинтеза и как осторожно нужно относиться к различным экспериментам и рекомендациям.
Основное сырье для создания биомассы — вода и углекислый газ. Интенсивность фотосинтеза возрастает при увеличении концентрации углекислого газа в атмосфере. Полезность такой подкормки зависит и от температуры, освещенности, наличия влаги. Как видим, связь очень многопараметрическая, особенно если учесть, что существует еще зависимость от вида растений, состояния почвы.
Некоторые главные связи изучены, разработаны оптимальные технологические приемы. Когда же не учитываются те или иные факторы, неизбежен отрицательный результат.
Например, углекислый газ подается в теплицы из специального устройства, в- котором сжигается природный газ, и если температура в теплице начинает расти выше оптимальной, то, несмотря на увеличение концентрация углекислого газа, фотосинтез уменьшается. Значит, природный газ сжигают зря.
