Энергосберегающие элементы электротехнологии и светокультуры растений, обеспечивающие перспективы развития АПК

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное образовательное 
учреждение высшего образования 
«Самарский государственный аграрный университет» 
 
 
 
 
 
 
 
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ 
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ 
И СВЕТОКУЛЬТУРЫ РАСТЕНИЙ, 
ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ 
РАЗВИТИЯ АПК 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Кинель 2022 
 

УДК 631.371:621 
ББК 40.7 
   Э45 
 
Рекомендовано научно-техническим советом Самарского ГАУ 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, декан инженерного факультета,  
проф. кафедры  «Агротехнологии, машины и безопасность  
жизнедеятельности», ФГБОУ ВО Ульяновский ГАУ,  
А. А. Павлушин; 
д-р техн. наук, декан  факультета  энергетики и электрификации,  
проф. кафедры  «Энергетика и электротехнологии»,  
ФГБОУ  ВО Удмуртский  ГАУ, 
П. Л. Лекомцев;  
канд. техн. наук, доцент кафедры «Механизация, электрификация  
и автоматизация сельскохозяйственного производства», 
ФГБОУ ВО Чувашский ГАУ, 
Е. Л. Белов 
 
Авторский коллектив: 
С. И. Васильев, С. В. Машков, В. А. Сыркин, Т. С. Гриднева,  
М. Р. Фатхутдинов, П. В. Крючин 
 
Э45    Энергосберегающие элементы электротехнологии и светокультуры 
растений, 
обеспечивающие 
перспективы 
развития 
АПК 
:  
монография / С. И. Васильев, С. В. Машков, В. А. Сыркин [и др.]. – 
Кинель : ИБЦ Самарского ГАУ, 2022. – 155 с. 
ISBN 978-5-88575-694-5 
 
Рассмотрены научные, методологические основы и прикладные аспекты 
использования электрофизических способов воздействия на растения овощных, зелёных, ягодных и пряно-ароматических культур с целью реализации 
экологически чистых и энергосберегающих технологий интенсификации процессов их производства. Приведены результаты экспериментальных исследований по обоснованию параметров и режимов работы электротехнологических установок для электрофизического воздействия. 
Монография предназначена для магистрантов, аспирантов, инженернотехнических и научных работников, изучающих современные электротехнологии и занимающихся их внедрением в сельскохозяйственное производство. 
 
УДК 631.371:621 
ББК 40.7 
ISBN 978-5-88575-694-5 
 
© Васильев С. И., Машков С. В., Сыркин В. А.,  
Гриднева Т. С., Фатхутдинов М. Р., Крючин П. В., 2022 
© ФГБОУ ВО Самарский ГАУ, 2022 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ………………………………….………………....... 
6 
1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ НА РАСТЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР ….................. 
9 
   1.1. Анализ способов и устройств для электрофизического  
воздействия на растения различными факторами ………......... 
9 
     1.1.1. Анализ способов и устройств для воздействия на 
растения электрическим полем ……………………………….... 
9 
     1.1.2. Анализ способов и устройств для воздействия на  
растения магнитным полем и электроактивированной водой... 
16 
   1.2. Теоретические исследования процесса воздействия  
электрическим полем на растения ………………………........... 
18 
     1.2.1. Факторы воздействия электрическим полем на растения................................................................................................ 
18 
     1.2.2. Разработка технологической схемы способа 
воздействия электрическим полем на растения ………............ 
20 
     1.2.3. Исследование процесса взаимодействия электрического поля с растением …………………………………............. 
30 
   1.3. Методика и результаты экспериментальных исследований по воздействию на растения электрическим полем............  
34 
2. ВОЗДЕЙСТВИЕ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ НА РАСТЕНИЯ 
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР …............................ 
64 
   2.1. Анализ способов и устройств для воздействия на растения магнитным полем ……………………………....................... 
64 
   2.2. Разработка установки для воздействия на растения  
магнитным полем ……………………………………….............. 
83 
     2.2.1. Разработка установки кассетного типа ……………… 
83 
     2.2.2. Разработка установки карусельного типа …………… 
86 
   2.3. Программа и методика экспериментальных исследований ……………………………………………….......................... 
91 
   2.4. Результаты экспериментальных исследований ……….... 
97 
 
 
 
 
3 

3. АДАПТИВНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ РАСТЕНИЙ …………....... 
103 
 
   3.1. Анализ состояния вопроса адаптивного освещения растений при их выращивании в контролируемых условиях …… 103 
   3.2. Разработка электрической и конструктивной схем регулируемого фитосветильника ……………………….................... 
115 
   3.3. Методика и результаты экспериментальных исследований по обоснованию эффективности адаптивного освещения. 
121 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………..... 135 
ЛИТЕРАТУРА ………………………………………………....... 140 
АЛФАВИТНО-ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ……….............. 151 
 
 
 
 
 
4 

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 
 
ВКС – высокотехнологичное культивационное сооружение; 
КВЧ – крайне высокие частоты; 
СВЧ – сверхвысокие частоты; 
КС – контролируемая среда; 
КУ – контролируемые условия; 
СЭХ(П) – светотехнические и электротехнические характеристики (параметры); 
ЭДС – электродвижущая сила; 
ЭМП – электромагнитное поле; 
ЭП – электрическое поле; 
ЭСП – электростатическое поле; 
МП – магнитное поле; 
ОИ – оптическое излучение; 
ЭС – электрическая схема. 
 
 
 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Выращивание растений различных сельскохозяйственных 
культур, в том числе и овощных культур, в условиях закрытого 
грунта или высокотехнологичных культивационных сооружений 
сопровождается высокими затратами энергии, как тепловой, для 
поддержания оптимальных параметров микроклимата, так и электрической, главным образом для освещения (досвечивания) растений. В условиях роста цен на энергоносители всё более актуальной 
становится задача снижения энергозатрат, т.е. повышения энергоэффективности светотехнического и иного технологического  
оборудования [1; 2; 3; 4; 5]. 
Внедрение светодиодных фитосветильников, взамен люминесцентных, для освещения теплиц способствует частичному решению 
данной задачи, однако, возникают новые, связанные со спектральным составом света, излучаемого светодиодными светильниками. 
Состав спектра светодиодного светильника часто не соответствует 
потребностям растений. В следствие этого несоответствия возможно отставание в развитии растений от аналогичного развития 
при освещении специальными люминесцентными источниками 
света, спектр света которых в большей степени соответствует спектру естественного солнечного излучения [6; 7].  
Оптимальные характеристики спектра света для каждой выращиваемой культуры, в настоящее время, не обоснованы и даже 
слабо изучены. 
Похожие проблемы возникают при выращивании меристемных растений, например, при производстве безвирусных семян картофеля отечественной селекции. Проблема в том, что в процессе селекционной работы значительная часть времени тратится на выращивание отобранных микроклональных ростков до необходимых 
размеров. Это снижает интенсивность селекции и приводит к увеличению материальных затрат. Возникает задача, связанная с ускорением роста микроклональных ростков, а, следовательно, и ускорения селекции. 
При этом, важно создать экологически чистые методы и технологии для обеспечения ускорения селекции. 
6 

Одним из вариантов обеспечения ускоренной селекции, как и 
выращивания овощных культур в контролируемых условиях, является применение современных электротехнологий, в т.ч. электромагнитного стимулирования и адаптивного освещения растений  
[8; 9; 10; 11]. 
В настоящее время в Российской Федерации устройства для 
ускоренной селекции меристемных растений не производятся, а 
установки для интенсивного производства агрокультур, в т.ч. зеленных культур, ограниченны узким кругом моделей, преимущественно иностранного производства, обладающих ограниченными 
функциональными возможностями. 
В связи с вышеперечисленным очевидна необходимость совершенствования уже имеющихся способов и устройств и разработки 
новых, способных обеспечить ускорение процессов вегетации при 
минимальных затратах энергии. 
Цель исследования: научно обосновать и разработать комплекс 
энергосберегающих элементов электротехнологии и светокультуры 
растений, выращиваемых в контролируемых условиях. 
Задачи исследования:  
- усовершенствовать способ стимулирования растений в электрическом поле, разработать и обосновать электрическую и конструктивную схему устройства, обеспечивающего реализацию способа, определить оптимальные характеристики электрического 
поля в процессе воздействия; 
- разработать и обосновать электрическую и конструктивную 
схему устройства для стимулирования растений в магнитном поле, 
определить оптимальные характеристики магнитного поля в процессе воздействия; 
- разработать систему адаптивного освещения растений и исследовать её эффективность при выращивании растений в контролируемых условиях. 
Объект исследования – совокупность растений, технических 
средств и технологических процессов электрофизического воздействия на растения. 
Предмет исследования – параметры и характеристики процессов электрофизического воздействия на растения. 
Повышение энергоэффективности выращивания сельскохозяйственных культур в КУ возможно осуществить за счет сокращения 
7 

вегетационного периода растений, т.е. ускорения их роста, например, зеленных и овощных культур за счет их стимулирования электрическим либо магнитным, либо комбинированным электромагнитным полями, являющимися естественными для растений. 
Важно, что применение электротехнологии является экологически чистым способом повышения продуктивности растений, не 
снижающим качество получаемой продукции и не загрязняющим 
окружающую среду. 
При производстве (выращивании) сельскохозяйственных культур в КС дополнительное повышение энергоэффективности возможно за счет применения адаптивного светодиодного освещения 
растений. 
В целом, комплекс исследований направлен на установление 
теоретических и экспериментальных зависимостей между характеристиками электрофизического воздействия на растения, и улучшением их посевных, ростовых и биологических качеств, приводящих 
к увеличению урожайности исследуемых культур и улучшению качества получаемой продукции. 
 
 
8 

1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ НА РАСТЕНИЯ 
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР 
 
1.1. Анализ способов и устройств для электрофизического  
воздействия на растения различными факторами 
 
1.1.1. Анализ способов и устройств для воздействия 
на растения электрическим полем 
 
В процессе роста на растения оказывают влияние различные 
факторы внешней среды, в том числе и естественное электрическое 
и магнитное поля земли. Сравнительно недавно доказано, что электромагнитное поле оказывает прямое и косвенное действие на растения.  
Известно, что слабый электрический ток, пропускаемый через 
почву, благотворно влияет на жизнедеятельность растений. При 
этом исследований по электризации почвы и влиянию данного фактора на развитие растений проведено мало, и данный вопрос недостаточно изучен.  
Электрические явления играют важную роль в жизни растений. 
В ответ на внешние раздражения в них возникают очень слабые 
токи (биотоки). В связи с этим можно предположить, что внешнее 
электрическое поле может оказать заметное воздействие на темпы 
роста растений [12, 13, 14]. 
Например, пропуская слабые электрические токи через почву 
в зоне расположения корневой системы, возможно оказывать влияние на интенсивность питания, а, следовательно, и рост растения (рис. 1.1.1). 
В XIX в. ученые установили, что земной шар заряжен отрицательно по отношению к атмосфере. В начале XX столетия на расстоянии 100 км от поверхности земли была обнаружена положительно заряженная прослойка – ионосфера, она имеет вид светящейся прозрачной сферы. Таким образом, земная поверхность и 
ионосфера представляют собой два электрода, создающих электрическое поле, в котором постоянно находятся живые организмы [15]. 
Заряды между Землей и ионосферой переносятся аэроионами. 
Носители отрицательных зарядов устремляются к ионосфере,  
а положительные аэроионы движутся к земной поверхности, где 
9 

вступают в контакт с растениями. Чем выше отрицательный заряд 
растения, тем больше оно поглощает положительных ионов. Однако до сих пор положительное или отрицательное действие электрического поля на растения не доказано. Замечено, что частые 
грозы благоприятствуют росту растений.  
Однако грозовое лето отличается не только частотой молний, 
но и температурой, количеством осадков, поэтому, какой  
из факторов оказывает решающее влияние, неизвестно [9; 16; 17; 
18; 19; 20; 21]. 
 
 
 
Рис. 1.1.1. Схема электрофизического воздействия на растение  
постоянным током, проходящим через почву  
в зоне его корневой системы 
 
Ученые Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева 
АН СССР установили, что фотосинтез идет тем быстрее, чем 
больше разность потенциалов между растениями и атмосферой. 
Так, например, если около растения держать отрицательный электрод и постепенно увеличивать напряжение, то интенсивность фотосинтеза будет возрастать. Если же потенциалы растения и атмосферы близки, то растение перестает поглощать углекислый газ. 
Пропуская через растения электрический ток, можно регулировать не только фотосинтез, но и корневое питание, так как нужные 
растению элементы поступают, как правило, в виде ионов. Американские исследователи установили, что каждый элемент усваивается растением при определенной силе тока [10; 11; 14; 22]. 
Электрическое поле влияет не только на взрослые растения, но 
и на семена. Если их на некоторое время поместить в искусственно 
созданное электрическое поле, то они быстрее дадут всходы.  
10