Натрієві лампи високого тиску. Натрієві лампи для рослин в теплицях

Газорозрядні натрієві лампи є найефективнішими серед існуючих джерел світла за співвідношенням світловіддачі до затрачуваної енергії, однак їх спектр некомфортним для людського ока. Відсутність синього кольору формує монохромний картину навколишнього простору. З-за цієї особливості натрієві світильники, незважаючи на відмінну економічність, застосовуються обмежено - в основному для вуличного освітлення. Між тим переважання жовто-червоного «сонячного» й зеленого спектрів благотворно позначається на зростанні всіх видів рослин, що знайшло широке застосування в тепличних господарствах.

Що таке натрієві лампи

Вони відносяться до газорозрядним лампам за аналогією з ртутними, люмінесцентні, галогенні, ксеноновими «побратимами». Джерелом світла є газоподібний натрій в поєднанні з іншими елементами, закачаний в скляну колбу. Під впливом електричної дуги натрій розігрівається до високих температур і починає світитися яскравим жовто-оранжевим світлом, до кінця служби лампи переходить в червоний спектр.

Характеристики

Потужність натрієвих ламп найвища в класі – до 200 Lm/W (Люмен на Вт). Характерними особливостями є низька колірна температура (2100-2700 K) і домінування жовто-червоного спектру випромінювання при мінімальній кількості синього. Таке поєднання призводить до того, що світильники даного типу наповнюють навколишній простір монохромним жовто-оранжевим світлом, в результаті чого людське око недостатньо добре розрізняє кольори і обриси предметів. Вони втрачають глибину, обсяг, може орієнтація та оцінка відстаней до об'єктів. Зате для рослин на певних етапах росту якраз необхідний «сонячний» спектр випромінювання.

Види ламп

За принципом роботи вони підрозділяються на два основних класи:

Натрієві лампи високого тиску (HPS – HighPressure Sodium).

Натрієві лампи низького тиску (LPS – Low-Pressure Sodium).

Розроблені LPS-лампи у 30-х роках минулого століття. У них найвища ефективність (180-200 Lm/W), однак з-за конструктивну недосконалість ці лампи виявилися примхливими і навіть небезпечними. Звичайне кварцове скло беззахисне перед агресивним впливом натрію: він швидко улетучивался, а якщо освітлювальний прилад розбити – при реакції з киснем газ може вибухнути (запалати). В 60-е компанія General Electric розробила кераміку з використанням оксиду алюмінію (полікор, лукалос), здатну протистояти натрію при високих температурах. Цей прорив дозволив повернутися до виробництва даного типу світлових приладів, які володіють чудовою економічністю. Для поліпшення світіння газу його закачують під високим тиском. Електрична схема більш проста, ніж у LPS. На жаль, підвищення тиску газу та інші фактори призвели до значного зменшення світлової віддачі – до 50-150 Lm/W (в залежності від її потужності), зате коефіцієнт передачі кольору (CRI) збільшився з 20 до 85 і вище (з недостатньою до гарної).

Область застосування

Світильники з натрієвими лампами низького тиску у світі великого поширення не отримали. У СРСР і США зробили ставку на більш технологічні ртутні світлові системи. У ряді європейських країн їх активно застосовують для освітлення автомобільних доріг. Натрієві лампи високого тиску більш поширені. У нас вони застосовуються для освітлення міських вулиць, в ландшафтному дизайні, для підсвічування архітектурних об'єктів. Використовуються у виробничих приміщеннях, де не потрібно яскравого світла. Останнім часом провідні корпорації (Philips, General Electric та інші) значно вдосконалили конструкцію і споживчі якості цих ламп: їх спектральний охоплення значно розширився, збільшилася колірна температура (з 2100 до 2700 K) – деякі моделі вже підходять для освітлення житлових (виробничих) приміщень. Особливо слід відзначити застосування натрієвих ламп в тепличному господарстві.

Класифікація

Натрієві світильники розрізняються за кількома важливими параметрами. За конструктивним типом вони поділяються на:

Дугові натрієві дзеркальні (ДНаЗ).

Дугові натрієві матовані (ДНаМТ).

Дугові натрієві в светорассеивающей колбі (ДНаС).

Дугові натрієві трубчасті (ДНаТ).

Також розрізняють світильники за споживаним струмом (220V і 380V), які, у свою чергу, підрозділяються по потужності: від 50 до 1000 Вт.

Натрієві лампи для теплиць

Аналіз енергоспоживання теплиць показав, що найбільш енергоємними є процеси опромінення і обігріву рослин. Близько 40 % електроенергії, споживаної тепличними господарствами, використовується для опромінення. Тому аграрії досягають збільшення овочевий продукції за рахунок впровадження енергозберігаючих освітлювальних пристроїв. Велике значення, крім оптимальних параметрів мікроклімату теплиць, має якість опромінення рослин. Тому актуальним є також вивчення впливу якісних параметрів освітлення на процеси росту і морфологічного розвитку саджанців. Використання в технологіях опромінення рослин принципово нових джерел світла – сучасних натрієвих світильників в поєднанні з іншими джерелами освітлення (наприклад, світлодіодами) – дозволяє значно збільшити показники кінцевої врожайності.

Науковий підхід

Лідером в області вдосконалення освітлення теплиць є голландська корпорація Philips, що не дивно, зважаючи на передові позиції тепличної галузі Нідерландів. Компанія провела науково-практичні дослідження (2012 на Україні, в 2013 у Голландії), довели, що натрієві лампи для рослин найбільш кращі. Вони ефективніше компактних люмінесцентних ламп, що володіють меншою світловою віддачею і не забезпечують оптимальний світловий спектр. Паралельно доведено: лампи розжарювання і ртутні світильники споживають занадто багато електроенергії, щоб бути економічно вигідними. Ще кращі показники досягаються, якщо рослини підсвічувати не тільки зверху, але і з боків, в міжряддях. Для цього цілком підходять економічні світлодіоди (СД). Поєднання натрієвих світильників з світлодіодними сприяють більшої врожайності. У 2012 році в Умані (Україна) була створена перша промислова теплиця, де поєднувалися ці види освітлювальних приладів. Площа ділянки при змішаному освітленні СД і натрієвими лампами становила 6000 м 2 . Всього в теплиці було встановлено 1230 СД-модулів і 870 світильників з лампами ДНаТ. Експеримент показав, що врожайність томатів (при дотриманні інших вимог) може досягти 73 кг/м 2 щорічно. Потім завдяки аналогічного експерименту в Нідерландах (2013) спільне використання ДНаТ і СД призвело до збільшення урожайності на 30 %. Надалі технологію перейняли в Англії, Данії, Канаді, Японії, Китаї та інших країнах.

Технологія

Як правило, промислові теплиці роблять з прозорих матеріалів, щоб рослини підсвічувалися сонцем. Однак на широтах більше 40 про (ближче до полюсів) природного освітлення вистачає тільки на 4-5 місяців (травень-вересень). У час, що залишився необхідна додаткова підсвітка. Причому на різних етапах вегетації і для різних культур потрібен свій спектр випромінювання. Світильник під натрієву лампу розміщується зверху – він заряджає рослини жовто-червоним «сонячним» світлом (зелений спектр, також випромінюваний цими освітлювальними приладами, не так важливий). Світлодіоди (або люмінесцентні лампи) доцільно використовувати як додатковий інструмент при бічному опроміненні, основна перевага якого полягає в тому, що, перебуваючи в нижній частині вертикально вирощуваних рослин, світло потрапляє на нижні яруси листків, які отримують недостатньо верхнього світла. Така комбінація підвищує інтенсивність фотосинтезу, сприяє зростанню, правильному розвитку рослин. Додаткове освітлення згодиться на етапах, коли вирощуваним культурам потрібно синій спектр світла, який у натрієвих світильників майже відсутня.

Як це працює

За поглинання фотонів світла у рослин відповідають спеціальні пігменти - каротиноїди, a - і b-хлорофіли. Каротиноїди поглинають світло виключно синього діапазону, хлорофіли – синього і червоного. Однак максимуми поглинання хлорофілів – головних фотосинтетичних пігментів – знаходяться в межах 640-680 нм, а каротиноїдів – у межах 470-480 нм. Згідно з цими параметрами, найефективнішими джерелами світла для умов тепличного господарства вважаються натрієві лампи освітлення високого тиску (НЛВТ) з робочим діапазоном 500-700 нм. Їх стабільність, строк роботи, світлова віддача, економічна ефективність найбільш оптимальні. Лампи потужністю 50-150 Вт менш надійні і мають низьку стабільність параметрів протягом терміну експлуатації, ніж лампи середньої потужності (250 Вт і більше). Причини цього – в наявності помітного випрямляючого ефекту при займанні ламп малої потужності, який може досягати 2 хвилин. При цьому через лампу проходить підвищений струм, в результаті чого відбувається інтенсивне розпорошення катодних матеріалів та утворення на внутрішній поверхні розрядної трубки непрозорого нальоту. Запальний імпульс і величина пускового струму впливають на значимість ефекту випрямлення, тому енергія імпульсу повинна забезпечувати швидкий перехід від тліючого розряду в дуговий. Для запобігання виникнення ефекту випрямлення струму використовують пристрої для блокування постійного струму. Тому в теплицях частіше застосовують НЛВД потужністю від 250 Вт. Втім, численні теоретичні та експериментальні дослідження процесів в розряді, на електродах і в приэлектродних ділянках газово-розрядних ламп показали, що є ціла низка питань, які вимагають подальшого вдосконалення. Для НЛВТ, які використовуються у рослинництві закритих грунтів, необхідно насамперед оптимізувати спектральний склад випромінювання під конкретні світлокультури і зменшити вміст ртуті в розрядній трубці, попередивши можливе забруднення навколишнього середовища парами ртуті з приладів, що вийшли з ладу.

Питання екології

Створення сучасних технологій вирощування тепличних рослин пов'язано з використанням високоінтенсивних розрядних ламп, зокрема натрієвих. Їх широке застосування є позитивним фактором інтенсифікації виробництва, хоча і пов'язане з серйозною екологічною проблемою. До складу переважної більшості сучасних розрядних ламп входить токсична речовина – ртуть. В натрієвих світильниках, наприклад, може міститися амальгама натрію (сплав ртуті). Якщо такий світильник розіб'ється над посадками всередині теплиці, розміщені під нею рослини (зелень, овочі, розсада, кімнатні квіти) стають непридатними до використання. Головним напрямком підвищення екологічності є створення високоефективних безртутних газорозрядних ламп. Останнім часом ці роботи проводились окремими світлотехнічними фірмами, у тому числі і в країнах СНД. Натрієві лампи з зменшеною кількістю ртуті в розрядній трубці і повністю без-ртутні моделі вже існують, і все частіше застосовуються в тепличному господарстві.