Облучатели на основе светодиодов для светокультуры салата

Благодаря росту излучательной эффективности светодиодов (СД) за последние годы и заметному снижению их цены, интерес к использованию облучателей на основе СД в растениеводстве защищенного грунта постепенно переходит в практическую плоскость. В ряде стран (включая Россию) проведены серии пилотных экспериментов по применению СД-облучателей в теплицах при выращивании зеленных культур, томатов, роз и др. растений. Разработаны и предлагаются потребителям мощные СД-облучатели, в основном, с красно-синим спектром излучения. На рис. 1 мы привели стоимость двух серий СД-облучателей для растениеводства на российском рынке мощностью от 80 до 600 Вт.

 

Очевидно, что ценовой фактор является решающим при определении реальной конкурентоспособности СД-облучателей в сравнении с используемыми в настоящее время облучателями с натриевыми лампами высокого давления (НЛВД).

Целью настоящей статьи является технико-экономическое сопоставление двух указанных конкурирующих вариантов при светокультуре салата и оценка возможных сроков окупаемости высоких капитальных затрат, связанных с внедрением СД-облучателей.

В условии отсутствия каких-либо надежных данных о связи продуктивности салатных культур с техническими параметрами СД-облучателей, настоящие расчёты будут носить характер предварительных оценок. Тем не менее, они позволят достаточно надёжно сопоставить технико-экономически традиционные на основе НЛВД и новые облучательные установки (ОУ) на основе светодиодов.

При этом мы будем придерживаться, по возможности, реальных данных и условий, соответствующих существующему технологическому процессу светокультуры салата в теплицах.

В связи с изложенным, рассмотрим два достаточно наглядных варианта сопоставления:

• Одинаковая продуктивность, но удельная мощность ОУ в случае СД-облучателей на 30% ниже.
• Одинаковая удельная электрическая мощность двух типов ОУ, но продуктивность, в случае СД-облучателей, за счёт оптимизации спектра, на 30% выше.

Ниже приводятся необходимые пояснения к выбранным параметрам и величинам, используемым в расчетах:

• S – площадь салатной линии, 960 м²;
• P_Л,Na – номинальная мощность используемых НЛВД, 600 Вт;
• P_уд – удельная электрическая мощность ОУ с Na-облучателями на салатной линии, 100 Вт/м²;
• К_ПРА — коэффициент учитывающий потери мощности в ПРА светильника, 1,07;
• t_д – необходимая продолжительность искусственного освещения салата в год (определяется суммированием продолжительности фотопериода по месяцам) в соответствии с таблицах

№ месяца	1	2	3	4	5	6
Период искусственного освещения, ч.	19	19	16	12	—	—

№ месяца	7	8	9	10	11	12
Период искусственного освещения, ч.	—	—	10	14	19	19

В нашем случае  —  t_д = 3870 ч.

• x – тариф на электроэнергию, руб./кВт*ч;
• Б_Na – стоимость тепличного светильника;
• А_Na  — стоимость лампы ДНаЗ 600, 1250 руб.;
• τ_Л,Na – экономически целесообразный срок службы лампы ДНаЗ 600, 18 тыс. ч.;
• τ_св,Na– срок службы светильника, 35 тыс. часов;
• P_LED – номинальная мощность используемого СД-светильника, примем её равной 300 Вт, а с учетом потерь в блоке питания – 330 Вт;
• Б_LED – стоимость светодиодного светильника,  руб.;
• τ_LED – срок службы светодиодного светильника, 50 тыс. ч.;
• N_Na – количество облучателей с НЛВД.
• N_LED – количество светодиодных светильников (рассчитывается в зависимости от варианта реализации ОУ);
• П_Na – продуктивность салатной линии при использовании облучателей с НЛВД;
• П_LED – продуктивность салатной линии при использовании СД.

Рассмотрим далее оба указанных выше варианта освещения салатной линии.

 Вариант I. П_Na = П_LED; P_уд,LED = 70% P_уд,Na

Здесь необходимо пояснить, что  принятое соотношение удельных мощностей учитывает возможность более энергоэкономичного облучения  за счёт оптимизации спектра, СД-облучателей.

Необходимое количество облучателей определяется из следующих соотношений:

В рассматриваемом случае окупаемость варианта со СД-облучателями по сравнению с базовым вариантом (облучатели с НЛВД) будет обеспечиваться за счёт экономии эксплуатационных затрат за какое то время T.

Тогда К_Na+Э_NaT = К_LED+Э_LEDT, откуда:

К – капитальные затраты на ОУ;

Э – эксплуатационные затраты для обоих типов ОУ, определяемые по известным формулам и учитывающие затраты электроэнергию и замену ламп и облучателей:

На рис. 2 представлена серия зависимостей, определяющих срок окупаемости затрат на СД-облучателей, в сравнении с затратами на облучатели с НЛВД. Рассмотрено два подварианта при тарифе на электроэнергию: 1) x = 4.2 руб./кВт*ч (питание из внешней сети); 2) x = 1.5 руб./кВт*ч (питание от собственной ТЭС).

 

Вариант II.     П_Na = 1.3П_LED; P_уд,LED = P_уд,Na .

В этом случае, окупаемость более высоких начальных затрат при СД-облучении будет определяться более высокой продуктивностью и, соответственно, прибылью.

Попытаемся найти общее для Na-  и СД-облучения время Т (годы), при котором суммы капитальных и эксплуатационных затрат для ОУ обоих типов сравняются.

Тогда, с учетом принятых допущений, используя указанные выше обозначения, запишем систему уравнений:

П_Na – прибыль, образующаяся при продаже продукции, выращенной под Na – облучателями (норма прибыли одинакова для Na и СД — ОУ).

После простых преобразований получим выражение для расчета Т:

Дополнительных пояснений заслуживает определение абсолютных значений прибыли П_Na , которые включены в расчет на основе реальных показателей, достигнутых на салатных линиях в тепличных комбинатах с использованием ОУ с Na-облучателями.

Примем среднюю суточную продуктивность салатной линии с S= 960 м²с Na-облучателями, П_сут’ = 1300 горшочков салата, тогда средняя продуктивность за год, точнее за период светокультуры – 8 мес. (242 дня, продукция за оставшиеся 4 мес. не имеет отношения к искусственному освещению), составит 314.6 тыс. горшочков при средней цене реализации 30 руб. Принимая норму прибыли – 25 %, получим для рассматриваемой установки П_Na = 2360 тыс. руб. в год.

На рис. 3 приведена зависимость срока окупаемости ОУ с СД-облучателями для светокультуры салата в сравнении с существующими Na-облучателями (на примере светильника GALAD ЖСП30-600-010) в функции цены СД-облучателя, при двух указанных выше тарифах на электроэнергию.

Приведем в заключение, краткий комментарий к полученным данным.

По первому сценарию, если реализована ОУ с меньшей удельной установленной мощностью, за счёт экономии электроэнергии (при тарифе 4,2 руб./кВт*ч) срок окупаемости варианта со СД-облучателями составит 12,5÷16 лет, при цене на СД-облучатель 300 Вт 18÷20 тыс.руб.. Окупить затраты на СД-облучатели при пониженных тарифах на электроэнергию представляется малореальным.

По второму сценарию, затраты на электроэнергию становятся одинаковыми для обоих случаев и, с учётом принятых допущений, за счёт возросшей прибыли при СД-облучении окупаемость инновационного варианта не превысит 8,5÷11 лет.

Нам представляется, что вопрос о реальном использовании СД-облучения для светокультуры салатно-зеленных культур, может рассматриваться при снижении цены на указанные изделия не менее, чем в 2 раза, а этого, с учетом существующих темпов снижения стоимости СД-световых приборов, не следует ожидать ранее 2016÷2017 годов.

 Л.Б.Прикупец, к.т.н. зав.лаб. ВНИСИ им. С.И.Вавилова,
А.А.Емелин, инженер ВНИСИ им. С.И.Вавилова

---

Комментарии: