Оценка рентабельности организации тепличного хозяйства с

Оценка рентабельности организации тепличного хозяйства с
использованием светодиодных ламп в качестве оборудования досветки.
Проектно-исследовательская работа
Выполнил ученик 11 класса
КГОАУ «Школа космонавтики»
Макаревич Михаил Денисович
Железногорск. 2015
1
Введение
В 2013 году по инициативе Африканского и Европейского Физического Общества,
правительств Ганы, Мексики, Новой Зеландии и России Генеральная Ассамблея ООН приняла
резолюцию, по которой 2015 провозглашен Международным годом света и световых технологий. В
данном проекте участвуют более 100 партнёров из 85 стран. Целью программы является пропаганда
важности основанных на свете технологий для устойчивого развития, в частности, в области
медицинского обслуживания, сельского хозяйства и коммуникаций.
В 2012 году в целях реализации Федерального закона «О развитии сельского хозяйства» в
силу вступило постановление Правительства РФ «О Государственной программе развития
сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и
продовольствия на 2013 - 2020 годы». Одной из ключевых задач данного постановления являются
«стимулирование инновационной деятельности и инновационного развития агропромышленного
комплекса» и «развитие биотехнологии». Таким образом, на уровне государства планируется
поощрять внедрение новых наукоемких и энергоэффективных технологий в сельскохозяйственный
комплекс Российской федерации.
Овощи являются одним из важнейших источников природных витаминов, антиоксидантов,
незаменимых аминокислот и других биологически активных веществ, которых нет в других
продуктах питания. Не случайно Всемирная организация здравоохранения как один из показателей
при оценке качества жизни в стране принимает уровень потребления населением овощебахчевой
продукции. Ежегодная минимальная норма потребления овощей, по данным Научно –
исследовательского института питания Российской академии медицинских наук, составляет 120 кг.
Огромная доля сельскохозяйственной продукции нашей страны производится в тепличных
комбинатах. Теплицы необходимы для обеспечения равномерного потребления жителями всех
регионов России овощной продукции. Так как условия некоторых регионов не полностью подходят
для ведения сельского хозяйства, тепличные комбинаты сталкиваются с определёнными
проблемами. Хотя с недостатком тепла, воды и минеральных удобрений можно справится,
недостаток света становится реальной угрозой перед предприятиями. Решением этой проблемы
стала установка в хозяйствах дополнительных источников света. Чаще всего ими становятся
натриевые и люминесцентные лампы. Но у таких ламп есть множество минусов: низкий срок
службы, опасность отравления почвы токсичными веществами и т.п. Так же существует ещё один
минус. Его можно назвать основным – это низкая эффективность для обеспечения фотосинтеза.
В конце XVIII века английские и голландские ученые пришли к выводу, что растения
питаются водой, воздухом, светом и в малой части почвой. Опытным путем они открыли явление
фотосинтеза — образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии
фотосинтетических пигментов. Более 95% сухого вещества растений создается в результате этого
процесса. Управление фотосинтезом — наиболее эффективный путь воздействия на
продуктивность и урожайность растений. Русский исследователь К.А. Тимирязев доказал, что
источником энергии для фотосинтеза служит преимущественно длинноволновая часть спектра
(красные лучи), а влияние коротковолновой части (сине-зеленой) менее существенно.
Натриевые и люминесцентные лампы излучают именно коротковолновую часть спектра
(сине-зеленые лучи). Для фотосинтеза она тоже важна, но намного меньше, чем длинноволновая
часть спектра. С использованием источника света, который будет учитывать все эти параметры,
тепличные хозяйства смогут производить намного больше качественной продукции. Этим
источником становится светодиод.
Современные светодиоды перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра: от
красного до фиолетового цвета. Диапазон длин волн излучения светодиодов в красной области
спектра составляет 620–780 нм, в оранжевой — 600–620 нм, в желтой — 585–595 нм, в зеленой —
500–570 нм, в голубой — 465–490 нм и в синей — 430–465 нм. Таким образом, составляя
2
комбинации из светодиодов разных цветовых групп, можно получить источник света с практически
любым спектральным составом в видимом диапазоне.
В конце хочется отметить, что в России эта сфера нова. Немногие предприятия готовы к
производству качественной агросветодиодной продукции. Тем временем тепличные хозяйства
нуждаются в дешевой, эффективной отечественной продукции. За светодиодными технологиями
будущее и нельзя этим пренебрегать.
Цель:
Испытать
опытные
образцы
энергоэффективных
специализированных
биосветотехнических облучателей на растениях огурца и составить финансовый план организации
тепличного хозяйства.
Задачи.
1. Вырастить растения огурца под экспериментальными образцами тепличных светодиодов;
2. Измерить морфологические и биохимические показатели в выращенных растениях и на
основе этих данных определить пригодность разработанных нами светильников;
3. Определить экономическую выгоду от использования светодиодных светильников в
тепличном хозяйстве.
Рабочая гипотеза исследования:
Замена традиционных тепличных светильников на светодиодные, с оптимальным образом
подборными волновыми характеристиками излучения для разных видов сельскохозяйственных
культур позволит значительно повысить рентабельность производства сельскохозяйственной
продукции в тепличных хозяйствах, за счет значительного снижения энергопотребления и
значительно возросшего срока службы самих источников света. Кроме того, существует
возможность использования светодиодов в закрытых системах.
Глава 1. Общие литературные сведения
1.1.1. Фотосинтез.
Фотосинтез очень хорошо изучен и подробно описан в справочной литературе. Так в работе
А.В.Амелина и др. утверждается, что «...важнейшими компонентами фотосинтетического аппарата
являются пигменты, при помощи которых фотосинтезирующие организмы улавливают
электромагнитную энергию солнечного света и преобразуют ее в химическую энергию
органических соединений. У покрытосеменных растений фотосинтезирующую функцию в
основном выполняет хлорофилл». Но на мембранах тилакоидов так же содержатся и каротиноиды.
Общепринято считать датой открытия 1771 год. Именно тогда английский ученый Дж. Пристли
обратил внимание на изменение состава воздуха вследствие жизнедеятельности животных. Если с
этим воздухом контактировали зеленые растения, то он вновь становится пригодным, как для
дыхания, так и для горения. В дальнейшем работами ряда ученых (Я. Ингенгауз, Ж. Сенебье, Т.
Соссюр, Ж.Б. Буссенго) было установлено, что зеленые растения из воздуха поглощают С02, из
которого при участии воды на свету образуется органическое вещество. Именно этот процесс в 1877
г. немецкий ученый В. Пфеффер назвал фотосинтезом. Большое значение для раскрытия сущности
фотосинтеза имел закон сохранения энергии, сформулированный Р. Майером. В 1845 г. Р. Майер
выдвинул предположение, что энергия, используемая растениями, — это энергия Солнца, которую
растения в процессе фотосинтеза превращают в химическую энергию. Это положение было развито
и экспериментально подтверждено в исследованиях русского ученого К.А. Тимирязева.
Хлорофиллы были впервые выделены в 1818 П. Ж. Пельтье и Ж. Кавенту. Разделить пигменты и
изучить их по отдельности удалось М. С. Цвету с помощью созданного им метода хроматографии.
Спектры поглощения хлорофилла были изучены К. А. Тимирязевым. Он же, развивая положения
Майера, показал, что именно поглощенные кванты позволяют повысить энергию системы, создав
3
вместо слабых связей С-О и О-Н высокоэнергетические С-С (до этого считалось, что в фотосинтезе
используются жёлтые лучи, не поглощаемые пигментами листа). Сделано это было благодаря
созданному им методу учёта фотосинтеза по поглощённому CO2 в ходе экспериментов по
освещению растения светом разных длин волн (разного цвета). Оказалось, что интенсивность
фотосинтеза совпадает со спектром поглощения хлорофилла.
В книге Холла Д. и Рао К. «Фотосинтез» отмечено, что «…окислительно-восстановительную
сущность фотосинтеза (как оксигенного, так и аноксигенного) постулировал Корнелисван Ниль.
Это означало, что кислород в фотосинтезе образуется полностью из воды, что экспериментально
подтвердил в 1941 А. П. Виноградов в опытах с изотопной меткой. В 1937 г. Роберт Хилл установил,
что процесс окисления воды (и выделения кислорода), а также ассимиляции CO2 можно разобщить.
В 1954—1958 Арнон Д. установил механизм световых стадий фотосинтеза, а сущность процесса
ассимиляции CO2 была раскрыта Мельвином Кальвином с использованием изотопов углерода в
конце 1940-х, за эту работу в 1961 ему была присуждена Нобелевская премия».
О. Хит в книге «Фотосинтез» пишет о пигментах следующее: «Поглощением квантов света в
видимой части спектра (400-700 нм), которые имеют достаточную энергию для осуществления
фотосинтеза, обладают органические соединения (пигменты), содержащие системы сопряженных
связей. В клетках эволюционно более древних фотосинтезирующих организмов (бактерии,
водоросли) присутствуют разнообразные соединения (хлорофиллы, бактериохлорофиллы,
бактериородопсин, каротиноиды, фикобилины), способные при определенном их сочетании
обеспечить акцептирование солнечного излучения во всей видимой (и даже в ближней
инфракрасной) части спектра. Их набор и соотношение специфичны для различных групп и во
многом зависят от условий обитания организмов. Пигменты фотосинтеза у высших растений
значительно менее разнообразны». Профессор Ермаков И.П. в своем учебнике пишет: «В листьях
(хлоропластах) высших растений присутствуют два хлорофилла (a и b), представляющие собой Mgсодержащие порфирины. Основная их часть включена в состав светособирающих комплексов,
обеспечивает поглощение и передачу световой энергии на так называемые реакционные центры. В
этих центрах, которые содержат лишь небольшую часть общего хлорофилла а, и осуществляются
первичные фотосинтетические реакции. Кроме хлорофиллов в фотосинтетических мембранах
всегда присутствуют желтые пигменты - каротиноиды (как правило, пять типов). Каротиноиды
выступают также в роли светосборщиков и наряду с этим играют важную роль в защите
фотосинтетического аппарата от фотоповреждений».
1.1.2. Фазы фотосинтеза
Существует две основные фазы фотосинтеза: световая и темновая. Световые реакции проходят в
тилакоидах (мембранах хлоропластов), а темновые – в строме (внутренней полости хлоропластов).
В ходе световой фазы энергия света преобразуется в энергию химических связей АТФ и
восстановленного НАДФ. Вода расщепляется на водород и кислород. Водород используется для
восстановления НАДФ, а кислород представляет собой побочный продукт.
Общее уравнение реакции:
2Н2О + 2НАДФ+ → О2 + 2НАДФ*Н + 2Н+;
АДФ + ФН → АТФ
В ходе темновой фазы диоксид углерода восстанавливает до углеводов, используя химическую
энергию АТФ и водород в восстановленном НАДФ.
Фотосинтезирующие пигменты участвуют именно в световой фазе.
1.2. Пигменты, участвующие в световой фазе фотосинтеза
Пигменты фотосинтеза у высших растений подразделяются на два класса: хлорофиллы и
каротиноиды. Основное назначение пигментов – поглощать световую энергию, превращая её затем
4
в химическую энергию. Пигменты располагаются на мембранах хлоропластов (тилакоидах), а
хлоропласты в клетке обычно ориентируются таким образом, чтобы мембраны находились под
прямым углом к источнику света (для максимального поглощения света). На Рис. 1 представлены
спектры поглощения хлорофиллов a и b в сравнении с каратиноидами.
1.2.1. Хлорофилл
Хлорофиллы поглощают в основном красный и сине-фиолетовый свет, зеленый свет ими
отражается, что и придает растениям специфическую зеленую окраску, если она не маскируется
другими пигментами.
В состав молекулы хлорофилла входят плоская голова, поглощающая свет, в центре которой
расположен атом магния. Этим можно объяснить, почему растения нуждаются в магнии и почему
дефицит магния приводит к уменьшению образования хлорофилла и пожелтению листьев растения.
Молекула хлорофилла включает в себя ещё длинный гидрофобный углеводородный хвост.
Внутренние мембраны также гидрофобные, поэтому хвосты «забрасываются» внутрь тилакоидных
мембран и служат своеобразным якорем. Гидрофильные головы располагаются в плоскости
мембранных поверхностей подобно солнечным батареям. У различных хлорофиллов к головам
прикреплены различные боковые цепи, что приводит к изменению их спектров поглощения,
увеличивая диапазон длин волн поглощаемого света.
1.2.2. Каротиноиды
Каротиноиды – это желтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, сильно поглощающие
в сине-фиолетовой области. Они называются вспомогательными пигментами, поскольку
поглощенную ими световую энергию они переносят на хлорофилл. В спектре поглощения
каротиноидов обнаруживаются три пика в сине-фиолетовой области. Помимо своей функции как
вспомогательных пигментов каротиноиды защищают хлорофиллы от избытка света и от окисления
кислородом, образующимся в процессе фотосинтеза. Они хорошо замаскированы зелеными
хлорофиллами, но становятся видны в листьях до начала листопада, поскольку хлорофиллы
разрушаются первыми.
Каротиноиды бывают двух типов: каротины и ксантофиллы. Самым распространенным из
каротинов является β-каротин
Глава 2. Разработка светодиодных ламп для тепличных хозяйств.
2.1. История искусственного освещения в тепличных хозяйствах
История тепличных хозяйств насчитывает сотни лет. Первые парники появились в Римской
Империи. Тогда они представляли из себя обогреваемые конструкции, покрытые слюдой. В таких
помещениях выращивали теплолюбивые культуры, рассады цветов и экзотические растения.
Именно их появление привело к производству в Риме листового стекла и металлических рам.
Со временем происходило развитие оборудования и материалов, применяемых в сооружении
теплиц. Технический прогресс привел к созданию новых прозрачных материалов, благодаря этому
стали использовать профилированный ПВХ, сотовый поликарбонат, светостабилизированный
полиэтилен и другие подобные материалы. Все большей популярностью стали пользоваться
теплицы из поликарбоната и ПВХ. Данные материалы позволили добиться большой прочности и
получить хорошую альтернативу по светопроницаемости.
С появлением искусственных источников света стало возможным введение дополнительного
освещения в тепличные хозяйства. В России такие технологии появились более 40 лет назад. В 1972
году на Кадошкинском электротехническом заводе было начато производство первых в стране
тепличных облучателей ОТ 400, специально предназначенных для досвечивания рассады в
рассадных отделениях теплиц. Облучатели комплектовались лампами ДРЛФ 400, массовый выпуск
5
которых был организован на СПО «Лисма», г. Саранск на базе ламп ДРЛ 400. Следом за ними
появились металло-галогенные, а затем и натриевые лампы.
С 2005 года, когда в продаже появились белые светодиоды с различными оттенками свечения,
крупные пищевые производства и частные фермерские хозяйства обратили свое внимание на эти
более эффективные и экономичные источники света. Постепенно, всё большее количество
производителей оснащают теплицы светодиодными источниками освещения. На 2010 год общий
объем продаж светодиодной продукции составил 10,8 миллиарда долларов США. Наука не стоит на
месте и в этой ветви развития технологий существует огромный потенциал роста.
2.2. Принцип работы светодиода
Светодиод состоит из полупроводникового p-n-переход (электронно-дырочный переход). С
помощью процесса, носящего название легирование, материал n-типа обогащается отрицательными
носителями заряда, а материал р-типа – положительными носителями заряда. Атомы в материале nтипа приобретают дополнительные электроны, а атомы в материале р-типа приобретают «дырки» –
места на внешних электронных орбитах атомов, в которых отсутствуют электроны.
При приложении к диоду электрического поля электроны и «дырки» в материалах p- и n- типа
устремляются к p-n-переходу. Когда носители заряда подходят к p-n-переходу, электроны
инжектируются в материал р-типа. При подаче отрицательного напряжения со стороны материала
n-типа через диод протекает электрический ток в направлении от материала n-типа в материал ртипа. Это называется прямым смещением.
Когда избыточные электроны переходят из материала n-типа в материал р-типа и рекомбинируют с
«дырками», происходит выделение энергии в виде фотонов, элементарных частиц (квантов)
электромагнитного излучения. Все диоды испускают фотоны, но не все диоды испускают видимый
свет.
Материал, из которого изготавливается светодиод, выбирается таким образом, чтобы длина волны
испускаемых фотонов находилась в пределах видимой области спектра излучения. Разные
материалы испускают фотоны с разными длинами волн, что соответствует разным цветам
испускаемого света.
Пучок видимого света, испускаемого светодиодом, является холодным, но так как в светодиодах
имеются потери, то на p-n-переходе генерируется тепло, иногда достаточно большое. Ограничение
температуры p-n-перехода с помощью правильно сконструированного теплоотвода и других
методов контроля температуры является критичным для обеспечения нормальной работы
светодиода, оптимизации его светового потока и повышения срока службы.
2.4. Описание предоставленного светотехнического оборудования
1) «Модель А» – Основной спектр роста.
Для вегетативного и генеративного этапов развития. Данный спектр будет играть большую роль в
выращивании различных растений: от травянистых растений, например, огурцов и томатов до
деревьев. Будет способствовать более усиленному росту растений и ускоренному цветению.
Данный спектр для некоторых растений будет стимулировать развитие надземной части, а для
других будет способствовать развитию компактных растений. Спектр «Модель А» эффективен
инфракрасным светом (около 18% от общего излучения) и не имеет UV(УФ) - излучения.
Рекомендации по применению: подходит для большинства овощей, например для огурцов, для
цветов и саженцев деревьев.
2) «Модель Б» – Спектр роста для растений салатного типа
Спектр «Модель Б» будут применяться для выращивания листовых зеленых овощей, трав, microgreens (маленькой, молодой зелени) и других растений, собираемых до цветения. Данный спектр
6
обуславливает высокое качество растений с оптимальным размером, высокой биомассой, большей
долей сухового вешества, ароматом и вкусом. Спектр «Модель Б» имеет меньшее значения в
инфракрасном диапазоне по сравнению с «Модель А» и не содержит UV(УФ).
Рекомендации по применению: Основной свет для лиственных зеленых, трав, micro-greens
(молодая, миниатюрная зелень), листовой салат и т.д.
3) «Модель В» (яровизация и формирование корней): лампы с данным спектром будут существенно
сокращать время необходимое для яровизации и способствовать развитию корнеобразованию, что
обеспечит высокое качество саженцев и лучшие урожаи.
Технические
оборудования.
требования
(характеристики)
предоставленного
светотехнического
Спектр излучения облучающего устройства (допускаются отклонения от номинальных значений в
пределах ±4%):
1.
Модель А – ультрафиолет отсутствует:
Ультрафиолет (<400 nm) – 0%;
Синий (400-500 nm) – 10÷18%;
Зеленый (500-600 nm) – 11÷19%;
Красный (600-700 nm) - 50÷58%;
Инфракрасный (700-800 nm) – 15÷19%;
ФАР (400–700 nm) – 79÷87%.
2.
Модель Б – ультрафиолет отсутствует:
Ультрафиолет (<400 nm) – 0%;
Синий (400-500 nm) – 8÷18%;
Зеленый (500-600 nm) – 15÷24%;
Красный (600-700 nm) - 57÷65%;
Инфракрасный (700-800 nm) – 6÷10%;
ФАР (400–700 nm) – 85÷96%.
3.
Модель В – отсутствует ультрафиолет:
Ультрафиолет (<400 nm) – 0%;
Синий (400-500 nm) – 6÷13%;
Зеленый (500-600 nm) – 0÷5%;
Красный (600-700 nm) - 59÷69%;
Инфракрасный (700-800 nm) – 20÷29%;
ФАР (400–700 nm) – 69÷78%.
Глава 3. Выращивание растений огурца с использованием светодиодного облучателя
7
В качестве проверки светодиодных ламп было проведено экспериментальное выращивание
растений огурца с использованием светодиодных ламп. Далее описан ход эксперимента.
3.1. Подготовка семян перед посевом и выращивание растений
Перед посевом семян проводили их поверхностную стерилизацию 70 %-ным этиловым
спиртом, после чего семена были промыты дистиллированной водой и затем обработаны Н2О2 при
t 38-400 в течение 7-8 мин. Затем вновь промывали стерильной водой. Семена проращивали
рулонным методом.
Растения выращивали в условиях естественного освещения, освещенность на уровне
проростков составляла 300 мкмоль фотонов м-2 с-1, относительная влажность воздуха – 75±3%,
температура – 25±2°C.
3.2. Определение содержания фотосинтезирующих пигментов
В первой части проекта был опробован метод определения содержания пигментов в листьях
Латука посевного:
1. Изготовление высечек
2. Экстракция в спиртовом растворе на водяной бане
3. Измерение оптической плотности экстракта хлорофилла в полярном растворителе на
спектрофотометре "SPEKOL 1300"
4. Определение количества хлорофилла a, хлорофилла b, каротиноидов, и других соотношений
при помощи специальных формул
Далее идет описание проделанной нами работы исходя из задач проекта:
1. Изготовление высечек
Для проведения измерения оптической плотности экстракта хлорофилла были изготовлены
высечки, по пять с листьев каждого растения. Диаметр высечек равен 15 мм.
После изготовления высечек необходимо определить их массу. Для этого были
использованы высокоточные весы.
2. Экстракция в спиртовом растворе на водяной бане
Определенную навеску сырого растительного материала заливали 5 мл. 96% этанола и
ставили на водяную баню (t = 70 C) на 30 минут. После бани, давали полученному раствору остыть
в течении 5 – 10 минут, для получения более полной экстракции хлорофилла. Это необходимо, как
уже сказано, потому, что хлорофилл, связанный с белком, можно легко от него отделить при
помощи органического растворителя. При высоких температурах это делать намного проще.
3. Измерение оптической плотности экстракта хлорофилла в полярном растворителе на
спектрофотометре "SPEKOL 1300"
Для определения количества хлорофилла в образцах использовали метод измерения
оптической плотности экстракта хлорофилла в полярном растворителе на спектрофотометре
"SPEKOL 1300". Для этого в спектрометр погрузили 96% этиловый спирт и приняли его за эталон.
Далее по очереди выставляли длины волн: 470, 649, 665, 720 нанометров.
4. Определение количества хлорофилла a, хлорофилла b, каротиноидов, и других соотношений при
помощи специальных формул
8
Для получения результатов необходимо применить формулы.
Формула нахождения хлорофилла a, мкг/мл:
(d 665 нм – d 720 нм) * 13,7 – (d 649 нм- d 720 нм) * 5,76;
Формула нахождения хлорофилла b, мкг/мл:
(d 649 нм – d 720 нм) * 25,8 – (d 665 нм- d 720 нм) * 7,6;
Формула нахождения каротиноиды, мкг/мл:
((d 470 – d 720) – 0,001666 * C(хлорофилла a) – 0,03315 * C(хлорофилл b)) / 0,21;
Где d - степень ослабления лучей;
С – концентрация.
Содержание пигментов рассчитывали по формуле:
V×C/S,
где V - обьем навески (мл), С – концентрация пигментов (мкг/мл), S - масса навески (cm2).
Глава 4. Результаты и их обсуждение.
Под влиянием опытных биоосветительных облучателей на растения огурцов, было выявлено
их неоднозначное действие. В опытном варианте, где использовалась светодиодная лампа с белым
спектром СИД-Б, надземная часть была гораздо меньше по сравнению с опытными вариантами,
которые были выращены в условиях естественного освещения ДС+ЛДС и с дополнительным
освещением светодиодной лампой с красным спектром ДС+СИДК (приложение, рис.). Это может
свидетельствовать о том, что светодиодная лампа с белым спектром недостаточно пригодна для
выращивая растений, в том числе растения огурцов.
Другим важным показателем, характеризующим состояние растения в условиях различного
освещения, является содержание хлорофилла в листьях. В настоящее время хорошо известно, что
по своим функциональным свойствам молекулы пигментов неравнозначны: одни из них входят в
состав реакционных центров фотосистем, другие выполняют только светособирающую функцию,
поэтому критичным для поддержания нормального уровня фотосинтеза и сопряжения
энергетических процессов является соотношение различных групп фотосинтетических пигментов.
В данном исследовании было показано, что в варианте, где растения были выращены под
светодиодной лампой с белым спектром, содержание хлорофиллов а и b, а также содержание
каратиноидов было выше, чем в остальных вариантах (приложение, табл.). Это может
свидетельствовать о том, что под данной лампой растениям не хватало интенсивности света.
Можно сделать следующее заключение, что светодиодная лампа с белым спектром не
подходит для выращивания растений. Опытные образцы СИД-Э(2) и СИД-Э(3), светодиодные
лампы с комбинированным спектральным составом наиболее подходящие для выращивания
растений, в частности растений огурцов. Однако, нужно отметить, что в данном эксперименте они
не значительно, но уступают естественному освещению и требуют доработок.
Глава 5. Проектировка производственной части
5.1. Расположение теплицы
Запуск тепличного производства связан с вопросом поиска места его расположения. Рядом
должен быть источник воды, доступ к электричеству, должны проходить автодороги. Кроме того,
теплица должна находиться в низине, чтобы она не продувалась холодными ветрами, но
одновременно, чтобы уровень грунтовых вод не поднимался очень высоко.
9
Согласно «Нормам технического проектирования теплиц и тепличных комбинатов для
выращивания овощей и рассады» размещение теплиц и тепличных комбинатов не допускается:
- на земельных участках, почва которых загрязнена вредными веществами в концентрациях,
превышающих допустимые (соли тяжелых металлов, продукты радиоактивных отходов,
соединения азота, пестициды и др. токсиканты);
- в водоохранных зонах рек, озер и водохранилищ (Постановление Совета Министров РСФСР от
17.03.89 № 91);
- первом и втором поясах санитарной охраны источников водоснабжения (СНиП 2.04.02, СанПиН
2.1.4.027).
Овощные и рассадно-овощные теплицы круглогодового использования на широтах 35с.ш., как правило, ориентируют коньками кровли в широтном направлении, для рассадно-овощных
теплиц весенне-осеннего использования на широтах 40-65° с.ш. целесообразна меридиональная
ориентация.
При выборе площадки строительства под культивационные сооружения во всех зонах
необходимо отдавать предпочтение площадкам на южных склонах.
5.2. Сооружение теплицы
Тепличные комбинаты по своему назначению делятся на овощные (ТОК) – для производства
овощей и рассадно-овощные (РОТК) - для выращивания рассады, предназначенной для высадки в
открытый грунт, с последующим производством овощей.
Была выбрана круглогодовая однопролетная ТОК, площадью 525 м2.
Согласно «Нормам технического проектирования теплиц и тепличных комбинатов для
выращивания овощей и рассады» комплекс административных и бытовых сооружений состоит из
зданий, рекомендованной площади:
Состав зданий, сооружений, помещений овощных комбинатов
Здания, сооружения, помещения
Здание управления тепличного комбината АТС с
вспомогательной службой, АСУТП и лаборатория
КИП и А
Административные и бытовые помещения
Агрохимлаборатория для комбинатов площадью менее
18 га, в том числе:
- аналитическая
- весовая
- разборочная
- моечная
- помещение для сушки растительных и почвенных
образцов
Производственно-вспомогательные и бытовые
помещения, в том числе:
Бытовые помещения, в том числе:
- помещения общественного питания
Площадь, м2
По расчету и согласно инструкции
завода-изготовителя
По расчету согласно СНиП
«Административные и бытовые
здания»
52
18
8
10
8
8
В соответствии со СНиП
«Административные и бытовые
здания»
В соответствии со СНиП
«Предприятия общественного
питания»
10
- комната агронома и бригадира
- кладовая инвентаря
- комната для слесаря и электрика (мелкий ремонт)
- сортировочная
- холодильная камера
- бокс выдачи продукции
- камера дозаривания
Щитовые, операторские
Растворные узлы, в том числе:
- растворные узел минеральных удобрений
- растворные узел дезинфицирующих средств
- санитарно-бытовые помещения, в том числе:
- помещения для стирки и обезвреживания одежды
- помещение для сушки спецодежды 2
Машиностроительный блок 4, в том числе:
- участок зарядки, электропогрузчиков (щелочная,
агрегатная)
- отапливаемое помещение для стоянки машин и
тракторов
- кузнечно-сварочный участок
- шиноремонтный участок (вулканизаторная)
- участок зарядки аккумуляторов
- участок технического обслуживания
- измерительных приборов и автоматики
- участок технического обслуживания топливной
аппаратуры
- участок технического обслуживания машин
- участок ремонта сантехнического оборудования
- слесарно-механический участок для сельхозтехники
- маслосклад - кладовые
- бытовые помещения
Сарай для сельхозтехники и тракторов, в том числе:
- инвентарная
- склад запасных частей, инструментов и
хозматериалов
Объекты складского назначения, в том числе:
- склад светильников
- склады строительных материалов (без стекла), в том
числе:
- закрытый
- под навесом
- открытый
- склад минеральных удобрений
- склад дезинфицирующих средств
- склад сантехнического оборудования
Тарное хозяйство 5, в том числе:
- склад тары
- помещение для ремонта тары
- помещение для дезинфекции тары
- площадь для приема и разгрузки тары
- площадь для проезда транспорта с тарой
12-15 на блок теплиц пл. 6 га
2,0-2,5 на блок теплиц
8-10 на блок
20-25 на 1 га теплиц
16-18 на 1 га теплиц
Из расчета заезда автомобилей (один
бокс на блок теплиц) - 9,04,5 м
Согласно заданию на проектирование
По расчету
По расчету
По расчету
То же
По расчету не менее 4 м2 на блок
То же
По расчету
2,0-2,5 на 6 га теплиц
2,1 на 1 га теплиц
По расчету
По расчету
По расчету
2,5-2,6 на 1 га теплиц
1,1-1,2 на 1 га теплиц
9,4 на 1 га теплиц
1,2 на 1 т годовой потребности
2,5 на 1 т годовой потребности
8 на 1 га теплиц
192 (6), 272 (12), 290 (18),
354 (24), 400 (30), 800 (60)
68 (6), 136 (12), 144 (18),
136 (24), 172 (30), 340 (60),
20 (6, 12), 30 (18, 24),
40 (30), 80 (60)
54 (6, 12, 18),
108 (24,30), 210 (60)
36 (6, 12, 18), 50 (24, 30)
14 (6), 26 (12, 18),
30 (24, 30), 60 (60)
Площадка для приготовления и хранения почвенных
смесей
11
Площадка с твердым покрытием для санитарной
обработки машин и инвентаря, используемых при
химической обработке растений 6
Площадка для уничтожения растительных остатков
Склад нефтепродуктов
Склад баллонов углекислоты
Котельная
Насосные станции водопровода
Насосные станции канализации
Тепловой пункт
Газораспределительный пункт
Ограждение комбината
Трансформаторная подстанция
По расчету
1 на 0,5 т растительных остатков
По расчету
По расчету
По расчету
По расчету
По расчету
По расчету
По расчету
В соответствии с п. 2.9.
По расчету
Таким образ, общая рекомендуемая площадь сооружений тепличного комбината составляет 725 м2.
5.3. Световой режим
Рекомендуемый световой режим:


В овощных теплицах облученность должна быть не менее 70,0 Вт/м2 ФАР, суточное
количество ФАР для овощных культур в период плодоношения составляет не менее 900
Вт∙ч/м2 ФАР;
При разработке культурооборотов следует учитывать суточное количество естественной
ФАР, проходящее в теплицу. Если суточное количество ФАР, проходящее в теплицу,
составляет менее 0,9 минимального физиологического критерия, рекомендуется
предусматривать дополнительное искусственное облучение;
Где ФАР – Фотосинтетически Активная Радиация.
Красноярск располагается в III световой зоне, где средняя сумма ФАР в осенне-зимний
период, где как раз необходима досветка, равна 610-970 кал/см2 в месяц. Если переводить в Вт∙ч/ м2
ФАР, то получается 227-360 Вт∙ч/ м2 ФАР. Т.о. досвечивать необходимо около 540-673 Вт∙ч/ м2.
5.3. Температурно-влажностный режим
Расчетную относительную влажность воздуха в теплице следует принимать равной 60%.
Расчетную температуру воздуха в овощных теплицах круглогодового использования и в
рассадных отделениях (теплицах) овощных теплиц следует принимать 15°С.
Температура внутреннего воздуха в овощных теплицах не должна превышать 30°С, при
этом длительность периода с максимальной температурой допускается не более 10 часов.
Температура почвы в корнеобитаемом слое не должна быть ниже 18°С и выше 25°С.
12
Рекомендуемый температурно-влажностный режим:
Температура воздуха, °С
Культур
а
Огурец
(зимневесенни
й
оборот)
Огурец
(осенни
й
оборот)
до плодоношения
днем
ночью
солне
чно
пасмурно
22-24
20-22
25-26
22-23
Температура грунта, °С
в период плодоношения
днем
ночью
Относительная
влажность воздуха,
%
до
плодоношения
в период
плодоно
шения
до
плодоно
шения
в
период
плодон
ошения
солнечно
пасмурно
17-18
24-28
22-24
19-20
20-24
20-24
70-75
75-90
19-20
21-23
19-21
17-19
22-24
20-22
70-75
75-80
Для снятия перегрева и увлажнения воздуха в теплицах предусмотрена система увлажнения
и испарительного охлаждения воздуха.
Система включает: сеть трубопроводов в теплицах, магистральные трубопроводы и группу
насосов с фильтрами в здании производственно-вспомогательных и бытовых помещений.
В теплице данная система состоит из магистрального трубопровода – стальные
электросварные трубы Ø89х28 мм; подводок к оросителям – стальные водогазопроводные трубы Ø
50мм, на которые устанавливаются вентили с электромагнитным приводом Ø 50мм; оросителей –
поливинилхлоридные трубы Ø25 мм и форсунок.
5.4 Газовый состав и скорость движения воздуха
Концентрация углекислого газа в воздухе теплиц
Облученность
(освещенность),
Вт/м2 ФАР
рассада
Концентрация СО2, %
до плодоношения
плодоношение
Огурец
до 40
40-80
80-160
более 160
0,05-0,07
0,07-0,10
0,10-0,15
0,15-0,18
0,05-0,07
0,10-0,15
0,15-0,18
0,18-0,20
0,05-0,07
0,07-0,10
0,10-0,15
0,15-0,18
Глава 6. Финансовый план
13
Важнейшей составляющей оценки инвестиционного проекта, от которой зависит точность
экономических показателей оценки инвестиционных проектов, является расчет капитальных
вложений на реализацию проекта. Сюда включаются все затраты на строительство,
приобретение и монтаж оборудования. Рассчитаем сумму требуемых капитальных вложений
на реализацию данного дипломного проекта.
Средний срок службы оборудования 10 лет.
Так как амортизация предполагается как постоянные затраты, и в учетной политике
организации зафиксирован линейный способ начисления амортизации, то ежегодные
амортизационные отчисления на технологическое оборудования составят 10% от
первоначальной стоимости.
Затраты на приобретение технологического оборудования
№
Наименование оборудования
п/п
кол-во
Отпускная цена за
единицу, руб.
Стоимость всего, руб
1
Теплица 7,5x10
7
187390
1311730
2
Система капельного полива на грунтах в
теплице
7
13895
97265
3
Система верхнего увлажнения и охлаждения
воздуха в теплице
7
9726
68082
4
Автоматизированная система подкормки СО2
7
8615
60305
5
Комплект датчиков и контроллер для
измерения температуры и влажности воздуха в 7
теплице
3242
22694
Итого
1560076
В соответствии с программой Минсельхозразвития РФ «Развитие тепличного овощеводства и
садоводства до 2020г.» предприятие имеет право возместить 20% от стоимости тепличного
оборудования. Таким образом «реальные» затраты на приобретение теплиц и оборудования
составят – 312015 руб.
Расчёт затрат на приобретение и установку газоперекачивающего блочноконтейнерного агрегата ГПА-Ц-16
№
Статья затрат
п/п
Стоимость, руб
1
Газоперекачивающий блочно-контейнерный агрегат ГПА-Ц-16
7000000
2
Пуско-наладочные работы по установке ГПА-Ц-16
200000
3
Приобретение и установка ангара для ГПА-Ц-16
1800000
Итого:
9000000
Расчет эксплуатационных расходов
Значительными в статьях расходов производственного предприятия являются затраты на
оплату основных видов ресурсов на технологические нужды.
Расходы на технологические нужды за год
14
№
Статьи затрат
п/п
ед. изм. Кол-во ед. изм.
Стоимость ед. изм., руб
сумма, руб.
1
Электроэнергия
кВТ
355207
2,28
809871,05
2
Теплоснабжение
кВт
25577444
0,12
306929,33
Водоснабжение
м3/год
25561
14,22
363477,42
3
Итого, в год
1480277,80
Расходы на семена
№
п/п
Наименование
ед. изм.
кол-во ед.
изм.
стоимость ед. изм., руб
сумма, руб.
1
Огурцы
кг
5,8
1800
10440
2
Томат
кг
1,2
4500
5400
3
Редис
кг
40
450
18000
4
Капуста салат
кг
15
95
1425
5
Салат качан
кг
0,17
95
16,15
6
Лук
кг
31
100
3100
Итого
38381,15
Следует учесть расходы и на приобретение удобрений и ядохимикатов. Предполагаемым
поставщиком можно принять группы компаний ТК 9 г. Москва, ул. Летчика Бабушкина, д. 1,
корп.
Затраты на приобретение удобрений и ядохимикатов за год
№
п/п
Наименование
ед. изм.
кол-во ед.
изм.
стоимость ед. изм., руб
сумма, руб.
1
Органические удобрения
т
320
4000
1280000
2
Минеральные удобрения
кг
14209
14,2
201768
3
Ядохимикаты
кг
302
75
22650
Итого:
1504418
При расчете затрат на производство продукции необходимо обратить внимание и на расходы
на горюче-смазочные материалы.
Расходы на горюче-смазочные материалы за год
№
п/п
Наименование
ед. изм.
кол-во ед.
изм.
стоимость ед. изм., руб
сумма, руб.
1
Бензин
т
16
27000
432000
2
Дизельное топливо
т
36
27000
972000
3
Масла моторные
т
3
39000
117000
5
Масла трансмиссионные
т
1
39000
39000
Итого
1560000
Также необходимо учесть заработную плату рабочих и персонала тепличного комбината
(7976 тыс.руб.).
15
Прогнозируемые ежегодные эксплуатационные расходы
№ п/п
Наименование статей расходов
Сумма, тыс. руб.
1
Фонд оплаты труда
7976
2
Приобретение семян
38
3
Приобретение ядохимикатов и удобрения
1504
4
ГСМ
1560
5
Спецодежда, ИХП
275
7
Расходы на технологические нужды
1480
8
Аренда селькохозяйственных земель
60
9
Прочие расходы
150
Итого:
13043
Совокупные расходы 1-го года реализации проекта будут складываться из затрат на
приобретение и установку тепличного комплекса и газокомпрессорной станций, а также из
эксплуатационных расходов и составят 42 369 (20326+9000+13043) тыс. руб.
Для реализации проекта планируется привлечение заёмных средств из следующих
источников:
- Средства выделяемые Минсельхозразвитием РФ в рамках программы «Развитие сельского
хозяйства и регулирование рынков с/х продукции, сырья и продовольствия» - 5 млн. руб.;
- Средства гранта на создание и развитие ТОК в рамках государственной поддержки
предпринимателей села – 1,5 млн.руб.;
- Единовременная помощь на бытовое обустройство для начинающих фермеров – 250 ты.
руб.;
- Долгосрочный кредит – 35 млн.руб.
Условия кредитования предприятия
В результате анализа кредитных продуктов, предлагаемых банками региона, наиболее
привлекательным оказался кредитный продукт «Стань фермером» ОАО «Россельхозбанк»
(Приложение 3). Процентная ставка – 9%, срок кредитования – 3 года, льготный период – 1
год.
В соответствии с примерным графиком платежей затраты на погашение процентов за первый
год кредитования составят –3150000 руб.
В результате реализации данного проекта прогнозируемый доход будет складываться в
результате реализации овощной продукции и зелени.
Прогнозируемый доход от реализации продукции предприятия за 1-й год реализации
проекта
№
п/п
Наименование
продукции
Объем продукции, кг
Цена за 1 кг, руб
Объем выручки от
реализации продукции, руб
1
Огурцы
403374
60
24202420
Итого
24202420
16
Расчет чистой прибыли 1-го года реализации проекта
№п/п
Показатель
Значение, млн.руб
1
Выручка от реализации продукции
34,03
2
Расходы на приобретение и установку оборудования
29,33
3
Ежегодные эксплуатационные расходы
13,04
4
Погашение процентов по кредиту
3,15
5
Чистый убыток
11,49
Ключевым критерием привлекательности инвестирования в любой сфере бизнеса является
скорость возврата вложенного капитала и рентабельность. Именно эти показатели позволяют
инвестору сравнить различные варианты развития бизнеса и выбрать тот проект, который в
наибольшей степени соответствует его стратегии и финансовым возможностям.
С учетом первоначальных инвестиций и доходов от реализации продукции, получим:
1-й год реализации проекта – убыток 11,49 млн.руб;
2-й год реализации проекта:
Экономический эффект (Ээ)= Доходы*Индекс-дефлятор-Расходы
Анализируя тенденцию уровня инфляции за 2007-2012гг., средний уровень инфляции
составил 9%. Таким образом, прогнозируемая сумма дохода за 2013г. увеличится с учётом
индекса-дефлятора и составит 37,09 млн.руб. (34,03*1,09).
Прогнозируемая сумма платежей по погашению кредита за 2013г. составит – 19 925 тыс. руб.
Ээ = 37,09 – 20 – 13,04 = 4,05 (млн.руб)
Таким образом, срок окупаемости реализации проекта составит 1 год 9 месяцев.
17
Литература
1.Амелин А.В., Лаханов А.П., Яковлев В.Л. // Биологический и экономический потенциал
зернобобовых и крупяных культур и пути его реализации. – Орел: РАСХН, 1999. – С. 80
2.Рубин А. Б. // Биофизика. В 2 тт. — М.: Изд. Московского университета и Наука, 2004.
3.Хит О. // Фотосинтез: (Физиол. аспекты). – М.: Мир, 1972. – С. 315
4.Холл Д., Рао К. // Фотосинтез: Пер. с англ. — М.: Мир, 1983.
5.Физиология растений / под ред. проф. Ермакова И. П. — М.: Академия, 2007
6.Правительство Российской Федерации. Постановление Правительства РФ «О Государственной
программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной
продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы»: офиц. текст. 2012 г. – 366 с.
7.И. Бахарев [и др.] Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и
перспктивы // Современные технологии автоматизации. – М: СТА-ПРЕСС. 2010. – С. 76-82
8.Гладин Д. Светодиодное освещение в сельском хозяйстве. Технические аспекты проектирования
и производства светодиодного оборудования // Полупроводниковая светотехника. – М: Файнстрит.
2013. – С. 7-8
9.Прокофьев А. Туркин А. Яковлев А. Перспективы применения светодиодов в растениеводстве //
Полупроводниковая светотехника. – М: Файнстрит. 2010. – С. 23-26
10. Райт М. Применение светодиодных ламп для выращивания растений (светодиодные лампы в
сельском хозяйстве): Пер. с англ. // LEDs Magazine. – 2011. С. 51-52
11. Ковалёва А. М., Апанайкин О. В // БИЗНЕС-ПРОЕКТ: "АВТОНОМНОЕ ТЕПЛИЧНОЕ
ХОЗЯЙСТВО С ВНЕДРЕНИЕМ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ"
18
Приложение
Рисунок - Внешний вид растений огурцов на 14-е сутки вегетации.
Обозначения: ДС+ЛДС - дневной свет; ДС+СИДК - дневной свет с дополнительным освещением
(светодиодная лампа с красным спектром); СИД-Б - светодиодная лампа с белым спектром; СИДЭ(2) - экспериментальная светодиодная лампа №2; СИД-Э(3) - экспериментальная светодиодная
лампа №3.
Таблица – Содержание пигментов в листьях огурцов, выращенных под разным освещением, мг/см2
19
Хл.а+хл.б./Кар. Хл.а/Хл.б
Хл.а, см2
Хл.б, см2
Кар.,см2
ДС+ЛДС
3,42±0,07
2,77±0,05
30,14±1,21
10,89±0,46
12,00±0,51
ДС+СИДК
3,47±0,03
2,72±0,06
30,27±1,34
11,14±0,48
11,92±0,42
СИД-Б
3,76±0,10
2,74±0,06
46,59±2,27
17,06±1,01
16,89±0,47
СИД-Э(2)
3,72±0,04
2,52±0,02
39,77±1,67
15,77±0,54
14,91±0,46
СИД-Э(3)
3,65±0,07
2,57±0,06
36,73±0,47
14,32±0,46
13,98±0,15
Обозначения на рисунке.
20