РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СВЕТОДИОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ ПТИЧНИКА ПРОМЫШЛЕННОГО СТАДА

- суммарные затраты на систему освещения с лампами накаливания более чем в 4,5 раза превышают затраты на систему освещения с люминесцентными лампами, что подтверждает низкую энергоэффективность ламп накаливания в сравнении с люминесцентными лампами;

- система технологического освещения птичника с лампами накаливания создает более благоприятный световой климат, позволяющий за период яйцекладки на 9,67% увеличить продуктивность кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» в сравнении с системой освещения на люминесцентных лампах;

- система технологического освещения с лампами накаливания для птичника промышленного стада на 50 тысяч кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» в сравнении с системой освещения на люминесцентных лампах позволяет получить дополнительный доход от реализации продукции на сумму более 4 миллионов рублей;

- замена ламп накаливания на люминесцентные лампы для птицеводства нецелесообразна; реальной альтернативой лампам накаливания являются светодиоды тепло-белого цвета, наиболее близкие к ним по спектру излучения и превосходящие их по эффективности воздействия на продуктивность кур-несушек, что показано в работах ведущих отечественных исследователей.

Оценка влияния средней освещенности кормушек по ярусам клеточной батареи в период яйценоскости на недельную продуктивность кур-несушек проведена в птичнике №101 в течение 63 недель: с начала яйцекладки (16 неделя) до забоя (78 неделя). Результаты приведены на рисунках 2 и 3.

Полученные результаты измерений и их обработка показали, что:

- недельная продуктивность кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» в период яйценоскости на каждом из ярусов клеточной батареи определяется, в основном, возрастом птицы; полученная зависимость продуктивности кур-несушек от их возраста согласуется с типовой кривой;

- корреляционное отношение между средней недельной продуктивностью кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» за период яйценоскости и средней освещенностью кормушек изменяется в диапазоне 0,1–0,2, что соответствует слабой корреляционной связи между указанными параметрами;

- минимальное изменение недельной продуктивности кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» за период яйценоскости наблюдалось на втором ярусе, средняя освещенность кормушек которого находится в диапазоне рекомендуемых значений (7-10 лк); на этом же ярусе к концу яйцекладки недельная продуктивность кур-несушек максимальна в сравнении с другими ярусами.

Рисунок 2 – Динамика изменения недельной продуктивности

кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» за период яйценоскости

Рисунок 3 – Зависимость относительной средней недельной продуктивности

кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» за период яйценоскости

от средней освещенности кормушек ярусов клеточной батареи

Оценка влияния средней освещенности кормушек по ярусам клеточной батареи в период яйценоскости на сезонную продуктивность кур-несушек для получения достоверных результатов проведена по трём птичниках (№67, №68 и №101) в течение 63 недель: с начала яйцекладки (16 неделя) до забоя (78 неделя). Результаты обработки измерений сезонной продуктивности кур-несушек и средней освещенности кормушек по ярусам клеточных батарей по трём птичникам за весь период наблюдений приведены на рисунке 4.

Корреляционное отношение между средней освещенностью кормушек и средней сезонной продуктивностью кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» по ярусам клеточных батарей птичников №67, №68 и №101 за период наблюдений составило = 0,803, что указывает на сильную нелинейную корреляционную связь между этими показателями. Вид нелинейной регрессии между средней освещенностью кормушек и относительной средней сезонной продуктивностью за период яйценоскости кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» по ярусам клеточных батарей в диапазоне освещенности кормушек от 5 до 30 лк с вероятностью Р = 0,90 адекватно описывается аппроксимирующей функцией:

, (1)

где – относительная средняя сезонная продуктивность кур-несушек за период яйценоскости, о.е.; Е – средняя освещенность кормушек, лк.

Рисунок 4 – Сезонная продуктивность кур-несушек по ярусам

птичников №67, №68 и №101

Полученные результаты обработки опытных данных показали, что:

- суточная продуктивность кур-несушек – независимая случайная величина, а сезонная продуктивность за период яйценоскости по каждому ярусу клеточной батареи, как сумма независимых одинаково распределенных 439 случайных величин, согласно центральной предельной теореме, имеет закон распределения, близкий к нормальному;

- оптимальной средней освещенностью кормушек для существующих условий содержания кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» с вероятностью Р = 0,90 следует считать среднюю освещенность второго яруса клеточной батареи 10,00±1,05 лк, обеспечивающую максимальную среднюю сезонную продуктивность птицы за период яйценоскости;

Рисунок 5 – Аппроксимация нелинейной регрессии между средней

сезонной продуктивностью кур-несушек кросса «Хайсекс Браун»

и средней освещенностью на кормушке

- на первом ярусе клеточной батареи средняя освещенность кормушек составляет 0,54 от оптимальной, что приводит к снижению средней сезонной продуктивности кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» на 1,6%; на третьем и четвертом ярусах клеточной батареи средняя освещенность кормушек существенно возрастает (превышая оптимальную в 2,02 и 2,94 раза, соответственно), однако средняя сезонная продуктивность птицы снижается, соответственно, на 2,4% и 5,2%.

В третьей главе «Моделирование светового поля идеализированного светильника с линейками точечных направленных источников света» приняты исходные положения и основные допущения для параметров идеализированного светильника, который: 1) расположен параллельно кормушкам над проходом в середине между клеточными батареями; 2) является идеальной линией и имеет длину, равную длине клеточной батареи; 3) включает в себя несколько линеек идеальных точечных направленных источников света; 4) число линеек идеальных точечных направленных источников света равно числу освещаемых ярусов клеточных батарей; 5) осевая сила света каждой линейки идеальных точечных источников света направлена на кормушки освещаемого яруса клеточной батареи; 6) идеальный точечный направленный источник света имеет круглосимметричное светораспределение и кривую силы света, равную

, (2)

где I0 – осевая сила света идеального точечного источника света, кд; – угол между направлением осевой силы света и направлением на освещаемую точку рабочей поверхности, град.; I – сила света идеального точечного источника света в направлении угла , кд; m – показатель степени, о.е.

Принятые допущения позволили смоделировать световое поле светильника в поперечной и продольной плоскости симметрии.

Освещение кормушек многоярусной клеточной батареи в поперечной плоскости идеализированного светильника показано на рисунке 6, где приняты следующие обозначения: i = 1…5 – количество ярусов клеточной батареи; hк – высота между кормушками клеточной батареи, м; a – расстояние между клеточными батареями, м; Hп – расстояние от пола до потолка птичника, м; H – высота светильника от кормушки первого яруса, м; h0 – высота первой кормушки от пола, м; Hсв = H + h0 – высота светильника от пола, м; li – расстояние от источника света до кормушки i-го яруса клеточной батареи, м; i – угол между направлением осевой силы света и нормалью к поверхности кормушки i-го яруса клеточной батареи (угол направления осевой силы света), град.

Рисунок 6 – Освещение кормушек клеточной батареи

в поперечной плоскости

Теоретические исследования в поперечной плоскости симметрии показали, что выбранная модель идеализированного светильника с линейками точечных направленных источников света позволяет:

- определить для каждого яруса клеточной батареи угол направления силы света линейки, при котором оптимальной освещенности на кормушке клеточной батареи соответствует минимальное значение силы света;

- выбрать критерий оптимизации для определения высоты подвеса светильника, при котором оптимальной освещенности кормушек всех ярусов клеточной батареи соответствует минимум суммы осевых сил света точечных источников света, освещающих ярусы клеточной батареи;

- рассчитать высоту подвеса светильника для двух-, трех-, четырех- и пятиярусной клеточной батареи, обеспечивающую оптимальную освещенность кормушек всех ярусов клеточной батареи при её различных параметрах;

- получить математические модели зависимостей оптимальной высоты подвеса светильника (в метрах) от конструктивных параметров двух-, трех-, четырех- и пятиярусной клеточной батареи:

для двухъярусной клеточной батареи:

; (3)

для трехъярусной клеточной батареи:

; (4)

для четырехъярусной клеточной батареи:

; (5)

для пятиярусной клеточной батареи:

. (6)

Обобщенная формула для нахождения оптимальной высоты Нопт светильника (в метрах) для многоярусной клеточной батареи определена методом наименьших квадратов. Общее выражение для ярусов i = 2…5 имеет вид:

. (7)

Освещение кормушек многоярусной клеточной батареи в продольной плоскости идеализированного светильника показано на рисунке 7.

Рисунок 7 – Освещение кормушек яруса клеточной батареи

линейкой точечных источников света

На рисунке 7 приняты следующие обозначения: A, B, C, D, F, G – точечные источники света; K – контрольная точка на кормушке яруса клеточной батареи, в которой определяется освещенность; h – расстояние от линейки точечных источников света до кормушки яруса клеточной батареи, рассматривается как высота линейки точечных источников света над кормушкой яруса клеточной батареи, м; l – расстояние между точечными источниками света в линейке, м; IA, IB, IC, ID, IF, IG – силы света от точечных источников света в направлении контрольной точки, кд; A, B, C, D, F, G – углы, под которыми направлены силы света от точечных источников света к контрольной точке, град.; x – координата контрольной точки K на кормушке яруса клеточной батареи (0 x l); = l/ h – относительное расстояние между источниками, о.е.

Теоретические исследования в продольной плоскости симметрии показали, что выбранная модель идеализированного светильника с линейками точечных направленных источников света позволяет:

- рассчитать максимальное Еmax и минимальное Emin значения освещенности (в люксах) на кормушке вдоль яруса клеточной батареи, среднюю освещенность (в люксах) и неравномерность освещения (в о.е.) вдоль кормушки;

- определить зависимость светотехнически выгодного расстояния между точечными источниками света в линейке светильника от показателя степени модели кривой силы света (2) точечного источника света (рисунок 8)

, (8)

обеспечивающую для различных значений показателя m допустимую неравномерность z 1,214 освещения кормушки вдоль яруса клеточной батареи при минимальном числе точечных источников света в линейке светильника;

- получить неравенство

, (9)

определяющее достаточную точность и достоверность расчетов освещенности кормушек вдоль яруса клеточной батареи при учете ближайших к расчетной точке шести точечных источников света (рисунок 7);

Рисунок 8 – Зависимости max = f(m) и min = f(m)

- определить диапазон оптимальных значений расстояния (в о.е.) между точечными источниками света в линейке светильника (рисунок 8)

min max (10)

для любого значения показателя m, обеспечивающий достаточную точность и достоверность расчетов освещенности кормушек вдоль яруса клеточной батареи при учете ближайших к расчетной точке шести точечных источников света.

В четвертой главе «Выбор и обоснование конструкции светодиодного светильника и методики расчета параметров светодиодного освещения многоярусных клеточных батарей птичника промышленного стада кур-несушек» предложена и обоснована конструкция светодиодного светильника, защищенная патентом № 99242 на полезную модель.

а)	б)

Рисунок 9 – Конструкция светодиодного светильника:

а – вид спереди; б – вид снизу; 1 – основание; 2 – оптически прозрачная

крышка; 3 – профиль светильника; 4 – радиаторные решетки; 5 – светодиодная линейка; 6 – светодиод; 7 – блок питания; 8 – торцевая крышка

Новым в предлагаемой конструкции светильника является то, что профиль выполнен в форме полуцилиндра, а изменение формы кривой силы света светильника достигается изменением числа светодиодных линеек, изменением их места положения на профиле и изменением количества светодиодов, расположенных на них линейно, равномерно и параллельно оси полуцилиндра. Данная конструкция светодиодного светильника позволяет обеспечить оптимальную среднюю освещенность кормушек на всех ярусах клеточных батарей.

На основе экспериментальных и теоретических исследований предложены формулы инженерного расчета для определения параметров системы технологического светодиодного освещения многоярусных клеточных батарей (длина и количество световых магистралей, количество светильников в магистрали и в зале птичника, оптимальная высота подвеса светильников над кормушкой первого яруса клеточной батареи, величина и направление сил света светодиодов). Расчет параметров светодиодного освещения птичника на 50 000 кур-несушек приведен для четырехъярусной клеточной батареи «Техна» ТБК-В.

Предложена инженерная методика для определения параметров светодиодного светильника, включающая конструирование заданной кривой силы света светильника, заданных углов излучения светодиодов, выбора типов реальных промышленных образцов светодиодов, определения мощности, светового потока светильника и всей системы светодиодного освещения в целом. Приведен пример расчета параметров светодиодного светильника для освещения четырехъярусной клеточной батареи.

В пятой главе «Оценка ожидаемой эффективности применения светодиодных светильников для освещения многоярусных клеточных батарей с содержанием кур-несушек промышленного стада» представлены расчеты основных экономических показателей при оценке применения предлагаемой системы светодиодного освещения на основе известных методик.

Полезный эффект оценен с точки зрения повышения энергоэффективности системы технологического освещения и повышения продуктивности кур-несушек. Расчет экономических показателей проведен для птичника промышленного стада на 50 000 кур-несушек с содержанием в клеточной батарее «Техна» ТБК-В. Расчетные значения экономических показателей равны:

- первоначальные капитальные вложения 1 391 000 руб.;

- чистый дисконтированный доход, при ставке дисконта 15%, за 10 лет эксплуатации – 632 415,99 руб.;

- среднегодовая рентабельность проекта – 14,55 % /год;

- внутренняя норма доходности – 20,7 %;

- срок окупаемости первоначальных вложений – 1,6 года.

Полезный эффект от применения светодиодных линейных светильников в птичнике составит:

- от экономии электроэнергии – 83 045,46 руб./год;

- от повышения продуктивности кур-несушек – (2,3%/год) 784 051,52 руб./год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Замена ламп накаливания на люминесцентные лампы в системе технологического освещения птичника промышленного стада с содержанием кур-несушек в многоярусных клеточных батареях нецелесообразна, так как приводит к снижению продуктивности птицы. Реальной альтернативой лампам накаливания, несмотря на высокую стоимость, являются светодиоды тепло-белого цвета, наиболее близкие к ним по спектру излучения и превосходящие их по воздействию на продуктивность кур-несушек.

2. Существующие системы технологического освещения не обеспечивают оптимальной освещенности на кормушках клеточной батареи птичника промышленного стада кур-несушек. Поддержание оптимальной средней освещенности на кормушках всех ярусов клеточной батареи позволяет повысить продуктивность птицы. Существующие методы обеспечения оптимальной освещенности кормушек клеточной батареи системами светодиодного освещения нуждаются в дальнейшем совершенствовании.

3. Между средней освещенностью кормушек по ярусам клеточных батарей и средней сезонной продуктивностью за период яйценоскости кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» существует сильная нелинейная корреляционная связь, характеризуемая корреляционным отношением = 0,803.

4. Предложена математическая модель, адекватно аппроксимирующая вид нелинейной регрессии между средней освещенностью кормушек по ярусам клеточных батарей и относительной средней сезонной продуктивностью за период яйценоскости кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» в диапазоне освещенности кормушек от 5 до 30 лк с вероятностью Р = 0,90.

5. Оптимальной средней освещенностью кормушек для существующих условий содержания кур-несушек кросса «Хайсекс Браун» с вероятностью Р = 0,90 следует считать среднюю освещенность 10,00±1,05 лк, обеспечивающую максимальную среднюю сезонную продуктивность птицы за период яйценоскости.

6. Разработана модель идеализированного светильника с линейками точечных направленных источников света, позволяющая установить зависимости светотехнических и конструктивных параметров системы технологического светодиодного освещения от конструктивных параметров клеточной батареи и птичника.

7. Предложена конструкция светодиодного светильника для освещения многоярусной клеточной батареи с содержанием кур-несушек промышленного стада, позволяющая обеспечить оптимальную среднюю освещенность кормушек и требуемую неравномерность освещения вдоль кормушек на всех ярусах клеточной батареи.

8. Разработана инженерная методика по расчету параметров и конструированию светодиодных светильников для освещения многоярусных клеточных батарей птичников промышленного стада кур-несушек.

9.Экономическая оценка ожидаемой эффективности применения предлагаемой светодиодной системы освещения показала, что первоначально вложенные средства окупаются за 1,6 года.

Основные результаты диссертации

Опубликованы в следующих печатн