Натрієві лампи високого тиску

Газорозрядні натрієві лампи є найефективнішими серед існуючих джерел світла за співвідношенням світловіддачі до енергії, що витрачається, проте їх спектр некомфортний для людського ока. Відсутність синього кольору формує монохромну картину навколишнього простору. Через цю особливість натрієві світильники, незважаючи на відмінну економічність, застосовуються обмежено - в основному для вуличного освітлення. Тим часом переважання жовто-червоного «сонячного» та зеленого спектрів благотворно позначається на зростанні всіх видів рослин, що знайшло широке застосування у тепличних господарствах.

Що таке натрієві лампи

Вони відносяться до газорозрядних ламп за аналогією з ртутними, люмінесцентними, галогенними, ксеноновими «побратимами». Джерелом свічення є газоподібний натрій у поєднанні з іншими елементами, закачений у скляну колбу. Під впливом електричної дуги натрій розігрівається до високих температур і починає світитися яскравим жовто-жовтогарячим світлом, що до кінця служби лампи переходить у червоний спектр.

Характеристики

Потужність натрієвих ламп найвища у класі – до 200 Lm/W (Люмен на Ватт). Характерними особливостями є низька колірна температура (2100-2700 K) та домінування жовто-червоного спектра випромінювання за мінімальної кількості синього. Таке поєднання призводить до того, що світильники даного типу наповнюють навколишній простір монохромним жовто-оранжевим світлом, внаслідок чого людське око недостатньо добре розрізняє кольори та контури предметів. Вони втрачають глибину, обсяг, утруднюється орієнтація та оцінка відстаней до об'єктів. Натомість для рослин на певних етапах зростання якразнеобхідний «сонячний» спектр випромінювання.

За принципом роботи вони поділяються на два основні класи:

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

Розроблено LPS-лампи у 30-х роках минулого століття. У них найвища ефективність (180-200 Lm/W), проте через конструктивну недосконалість ці лампи виявилися примхливими і навіть небезпечними. Звичайне кварцове скло беззахисно перед агресивним впливом натрію: він швидко випаровувався, а якщо освітлювальний прилад розбити - при реакції з киснем газ може вибухнути (зайнятися).

У 60-х 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, що мають відмінну економічність. Для покращення свічення газу його закачують під високим тиском. Електрична схема простіша, ніж у LPS. На жаль, підвищення тиску газу та інші фактори призвели до значного зменшення світлової віддачі - до 50-150 Lm/W (залежно від її потужності), натомість коефіцієнт перенесення кольорів (CRI) збільшився з 20 до 85 і вище (з недостатньою до хорошої) .

Галузь застосування

Світильники з натрієвими лампами низького тиску у світі великого поширення не набули. У СРСР і США ставку зробили більш технологічні ртутні світлові системи. У низці європейських країн їх активно застосовують для освітлення автомобільних шляхів.

Натрієві лампи високого тиску найпоширеніші. У нас вони застосовуються для освітлення міських вулиць, у ландшафтному дизайні, для підсвічування архітектурнихоб'єктів. Використовуються у виробничих приміщеннях, де не потрібне яскраве світло. Останнім часом провідні корпорації (Philips, General Electric та інші) значно вдосконалили конструкцію та споживчі якості цих ламп: їх спектральний охоплення значно розширилося, збільшилася колірна температура (з 2100 до 2700 K) – деякі моделі вже підходять для освітлення житлових (виробничих) приміщень . Особливо слід відзначити застосування натрієвих ламп у 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 світлорозсіювальній колбі (ДНаС).
Дугові трубчасті натрієві (ДНаТ).

Також розрізняють світильники по струму, що споживається (220V і 380V), які, в свою чергу, підрозділяються за потужністю: від 50 до 1000 Вт.

Натрієві лампи для теплиць

Аналіз енергоспоживання теплиць показав, що найбільш енергоємними є процеси опромінення та обігріву рослин. Близько 40% електроенергії, що споживається тепличними господарствами, використовується для опромінення. Тому аграрії досягають збільшення овочевої продукції за рахунок впровадження енергозберігаючих освітлювальних пристроїв.

Велике значення, окрім оптимальних параметрів мікроклімату теплиць, має якість опромінення рослин. Тому актуальним є також вивчення впливу якісних параметрів висвітлення на процеси зростання та морфологічного розвитку саджанців. Використання в технологіях опромінення рослин принципово нових джерел світла – сучасних натрієвих світильників у поєднанні з іншими джерелами освітлення (наприклад,світлодіодами) – дозволяє значно збільшити показники кінцевої врожайності.

Науковий підхід

Лідером у галузі вдосконалення освітлення теплиць є голландська корпорація Philips, що не дивно з огляду на передові позиції тепличної галузі Нідерландів. Компанія провела науково-практичні дослідження (у 2012 в Україні, в 2013 в Голландії), які довели, що натрієві лампи для рослин найкращі. Вони ефективніші за компактні люмінесцентні лампи, що володіють меншою світловою віддачею і не забезпечують оптимальний світловий спектр. Паралельно доведено: лампи розжарювання та ртутні світильники споживають надто багато електроенергії, щоби бути економічно вигідними.

Ще кращі показники досягаються, якщо рослини підсвічувати не лише зверху, а й з обох боків, у міжряддях. Для цього цілком підходять економічні світлодіоди (ЦД). Поєднання натрієвих світильників зі світлодіодними сприяють більшій урожайності. У 2012 році в Умані (Україна) було створено першу промислову теплицю, де поєднувалися ці види освітлювальних приладів. Площа ділянки при змішаному освітленні ЦД та натрієвими лампами становила 6000 м 2 . Загалом у теплиці було встановлено 1230 СД-модулів та 870 світильників з лампами ДНаТ. Експеримент показав, що врожайність томатів (за дотриманням інших вимог) може досягти 73 кг/м 2 щорічно.

Потім завдяки аналогічному експерименту в Нідерландах (2013) спільне використання ДНаТ та ЦД призвело до збільшення врожайності на 30%. Надалі технологію перейняли в Англії, Данії, Канаді, Японії, Китаї та інших країнах.

Технологія

Світильник під натрієву лампу розміщується зверху - він заряджає рослини жовто-червоним «сонячним» світлом (зелений спектр, що також випромінюється цимиосвітлювальними 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 рослин, що вертикально вирощуються, світло потрапляє на нижні яруси листя, які отримують недостатньо верхнього світла. Така комбінація підвищує інтенсивність фотосинтезу, сприяє зростанню, правильному розвитку рослин. Додаткове освітлення стане в нагоді на етапах, коли культурам, що вирощуються, потрібен синій спектр світла, який у натрієвих світильників майже відсутній.

Як це працює

За поглинання фотонів світла у рослин відповідають спеціальні пігменти – каратиноїди, a- та b-хлорофіли. Каратиноїди поглинають світло виключно синього діапазону, хлорофіли – синього та червоного. Однак максимуми поглинання хлорофілів – головних фотосинтетичних пігментів – перебувають у 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. Їхня стабільність, термін роботи, світлова віддача, економічна ефективність найбільш оптимальні.

Лампи потужністю 50-150 Вт менш надійні та мають низьку стабільність параметрів протягом терміну експлуатації, ніж лампи середньої потужності (250 Вт та більше). Причини цього – помітний випрямляючий ефект при запаленні ламп малої потужності, який може досягати 2 хвилин. При цьому через лампу проходить підвищений струм, внаслідок чого відбувається інтенсивне розпилення катодних матеріалів та утворення на внутрішній поверхні розрядної трубки непрозорого нальоту.Запальний імпульс і величина пускового струму впливають на значущість ефекту випрямлення, тому енергія імпульсу повинна забезпечувати швидкий перехід від розряду, що тліє, в дуговий. Для запобігання виникненню ефекту випрямлення струму використовують пристрої для блокування постійного струму. Тому в теплицях найчастіше застосовують НЛВС потужністю від 250 Вт.

Питання екології

Створення сучасних технологій вирощування тепличних рослин пов'язане із використанням високоінтенсивних розрядних ламп, зокрема натрієвих. Їх широке застосування є позитивним чинником інтенсифікації цього виробництва, хоч і пов'язане із серйозною екологічною проблемою. До складу переважної більшості сучасних розрядних ламп входить токсична речовина – ртуть. У 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 для використання.

Головним напрямом підвищення екологічності є створення високоефективних безртутних газорозрядних ламп. Останнім часом ці роботи проводилися окремими світлотехнічними фірмами, зокрема у країнах СНД. Натрієві лампи зі зменшеною кількістю ртуті у розрядній трубці та повністю безртутні моделі вже існують і все частіше застосовуються у тепличному господарстві.