Россия
УДК 631.234 Теплицы. Оранжереи
УДК 631.344.8 Отопительные, вентиляционные и оросительные устройства для оранжерей, теплиц и т. п.
В статье рассматриваются технические средства полива в тепличных комплексах, использующие электрохимически активированную воду (ЭАВ). Представлен анализ существующих систем, их эффективность и влияние на урожайность и качество растениеводства. Особое внимание уделено механизмам электрохимической активации воды, а также преимуществам и недостаткам её использования в условиях закрытого грунта.
тепличные комплексы, полив, электрохимическая активация воды, ЭАВ, урожайность, растениеводство, технические средства полива, системы полива, закрытый грунт, агротехнологии
Тепличные комплексы играют ключевую роль в современном сельском хозяйстве, обеспечивая устойчивое производство овощей и других культур в условиях изменяющегося климата. Эффективное управление поливом в тепличных комплексах имеет принципиальное значение для достижения высоких показателей урожайности и качества продукции. В последние годы активно исследуются новые технологии, направленные на оптимизацию процессов полива. Одной из перспективных технологий является использование электрохимически активированной воды.
Процесс ЭАВ можно описать следующим алгоритмом:
1. Вода поступает в электрохимический резервуар, где она подготавливается к процессу активации, пройдя необходимые стадии фильтрации и предварительной обработки.
2. В резервуаре вода подвергается воздействию постоянного электрического тока, проходящего через электроды – анод и катод.
3. На катоде формируется католит – вода с восстановленными свойствами и высоким pH. На аноде – анолит, вода с окислительными свойствами и низким pH.
4. Полученные католит и анолит собираются в разных резервуарах и используются согласно их функциональному назначению.
Полученная таким образом вода обладает уникальными свойствами, способствующими более эффективному увлажнению и питанию корневой системы растений.
Математическое описание процесса ЭАВ может быть задано с использованием моделей Нернста-Планка, Батлера-Вольмера, и макроскопического описания потока массы в ячейке ЭАВ.
Модель Нернста-Планка для описания диффузии и миграции ионов:
где J – плотность потока ионов; D – коэффициент диффузии; C – концентрация ионов; x – координата; μ – подвижность ионов; z – заряд иона;
F – постоянная Фарадея; ϕ – электрический потенциал.
Модель Батлера-Вольмера для описания кинетики электродных реакций:
где i – плотность тока, i0 – ток обмена, α – коэффициент асимметрии, F – постоянная Фарадея, η – избыточное напряжение на электроде (разность между потенциалом электрода и потенциалом равновесия реакции), R – универсальная газовая постоянная, T – температура.
Макроскопическое описание потока массы в ячейке ЭАВ:
Где 
– скорость изменения концентрации C во времени t; D – коэффициент диффузии; 
– вторая производная концентрации по координате x, учитывающая диффузию; v – скорость потока, учитывающая конвекцию; 
– градиент концентрации, учитывающий конвекцию; r(C,t) – скорость химической реакции в зависимости от концентрации C и времени t.
Одним из основных преимуществ использования ЭАВ является улучшение качества воды и повышение ее эффективности при полив, что позволяет снизить расход воды и удобрений, а также снизить риск заболеваний растений. Однако, существуют и некоторые недостатки, такие как высокие затраты на оборудование и электроэнергию, а также необходимость систематического обслуживания и контроля.
Технические средства автоматизации систем полива сегодня играют ключевую роль в развитии современного сельского хозяйства, повышении эффективности водопользования и оптимизации агротехнических процедур. Использование этих технологий позволяет улучшить условия выращивания растений, снизить потребление ресурсов и трудозатраты, а также повысить качество и количество урожая.
Автоматизированные системы полива опираются на комплексное использование программного обеспечения и аппаратных компонентов [1, 2]. Основой таких систем являются датчики влажности, температуры, рН и питательных веществ в почве, которые обеспечивают сбор данных в реальном времени для мониторинга состояния почвы и потребностей растений. Анализируя полученные данные, центральный блок управления принимает решения о запуске полива, его продолжительности и интенсивности.
Система автоматического полива включает в себя насосы, клапаны, фильтры и капельницы или спринклеры. Насосы, работающие под управлением контроллера, обеспечивают подачу воды по запрограммированному графику. Клапаны направляют поток воды в нужные зоны полива. Фильтры предотвращают засорение системы твердыми частицами, а капельницы и спринклеры обеспечивают равномерное распределение воды по почве.
Среди преимуществ автоматизированной системы полива – точный контроль над водопотреблением, уменьшение объемов испаряемой воды, улучшение корневой системы растений за счет оптимальной влажности почвы и сокращение риска развития болезней. Эти системы также способствуют минимизации экологического влияния агрохозяйств за счет предотвращения переизбытка воды и улучшения использования удобрений.
На практике автоматизация полива может быть воплощена как в крупных аграрных холдингах, так и в частных подсобных хозяйствах. Малогабаритные системы капельного полива доступны для мелкосерийного производства и сюжетного садоводства, что позволяет увеличить доступность технологии.
Отдельное внимание заслуживают передовые методы ирригации, включающие применение ЭАВ – электрохимически активированной воды. Этот подход представляет собой экономно-эффективное решение для повышения качества полива, особенно в условиях ограниченного доступа к чистой воде.
Фундаментальным показателем для успешной автоматизации полива является программное обеспечение, способное интегрировать данные с различных сенсоров, предоставлять гибкие настройки полива и адаптироваться к меняющимся климатическим условиям. Разработка такого ПО представляет собой сложную ИТ задачу, требующую глубоких знаний как в области агрономии, так и в области программирования и кибернетики.
Таким образом, технические средства полива в тепличных комплексах с использованием электрохимически активированной воды представляют собой перспективное направление развития сельского хозяйства. Они позволяют совершенствовать процессы полива, повышать урожайность и качество продукции, а также снижать нагрузку на окружающую среду. Однако, для успешной реализации таких систем необходимо учитывать как преимущества, так и недостатки данной технологии, а также применять современные средства автоматизации для эффективного управления.
1. Starikov, A. V. Automation of Combined Irrigation System Control in Greenhouses with Electrochemically Activated Water / A. V. Starikov, A. A. Gribanov, A. A. Starikova // International Ural Conference on Electrical Power Engineering : Proceedings - 2022 International Ural Conference on Electrical Power Engineering, UralCon 2022, Magnitogorsk, 23–25 сентября 2022 года. – Magnitogorsk: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2022. – P. 284-289. – DOIhttps://doi.org/10.1109/UralCon54942.2022.9906670.
2. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023660385 Российская Федерация. Программа для конфигурации технологических режимов автоматизированной теплицы : № 2023619875 : заявл. 19.05.2023 : опубл. 19.05.2023 / А. В. Стариков, А. А. Старикова ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова".
3. Стариков, А. В. Конфигуратор технологических режимов автоматизированной теплицы: функциональность и особенности реализации / А. В. Стариков, А. А. Старикова // Современный лесной комплекс страны: проблемы и тренды развития : Материалы Всероссийской научно-практической конференции, Воронеж, 07 октября 2022 года / Отв. редактор А.А. Платонов. – Воронеж: Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, 2022. – С. 224-232. – DOIhttps://doi.org/10.58168/MFCCPTD2022_224-232.
