Источники света

Светодиодное освещение на постоянном токе

0

Ситуация, складывающаяся в сетях переменного тока в настоящее время, как причина переосмыслить дальнейшее развитие всей энергетической отрасли с перспективой применения сетей постоянного тока.


На верхнем рисунке традиционная система, на нижнем освещения гибридная система


Комплексные системы освещения в птицеводческих и тепличных сооружениях


Многие приборы (например, компьютеры, электрочайники, светодиодные системы освещения и т.д.), потребляющие электроэнергию из однофазной сети переменного тока, изначально устроены таким образом, что питаются от постоянного тока.


При этом следует признать, что основным трендом с наибольшей вероятностью станет развитие интеллектуальных сетей постоянного тока.


Катастрофическим недостатком для постоянного тока является преобразование напряжения в сети.


Электродвигатели переменного тока конструктивно проще, чем постоянного тока.


Решающую роль постоянный ток играет для метро и трамваев, можно ограничиться одним силовым проводом.


Принципиальную роль играет вопрос выбора – к какой сети, постоянного или переменного тока, подключать системы освещения (газоразрядные, светодиодные).


В настоящее время наблюдается массовое внедрение бытовой, вычислительной, импульсной техники, энергосберегающих светильников, преобразователи частоты, выпрямители управляемые и неуправляемые, полупроводниковые АБП, различные регуляторы и другой преобразовательной техники в быту, в учреждениях здравоохранения, образования, культуры, малом бизнесе и прочее.


Все это происходит на фоне повышения тарифов за электроэнергию и возрастания технологических потерь, связанных с перерасходом электроэнергии из-за снижения качества электроэнергии.


Нет достаточно глубоких исследований, связанных с различными системами освещения (газоразрядные, светодиодные), работающими от одной питающей сети, от гибридных электросетей.


Большинство техники, использующейся в быту и офисах, может работать на постоянном токе, так как в основе их работы лежит принцип выпрямления переменного тока и преобразование его в частотных преобразователях по структурам техники для применения или выполнения разных функций, например, для регулирования скорости вращения двигателей, изменения звука, цвета и прочее.


При одинаковой стоимости кабелей на постоянном токе можно передавать почти в три раза большую мощность. Именно поэтому так распространены кабельные линии постоянного тока для преодоления больших водных преград.


В сетях постоянного напряжения существенно упрощаются вопросы управления распределенной генерацией электроэнергии и поставкой энергии в сеть ввиду отсутствия необходимости синхронизации различных источников (электромагнитная совместимость электрооборудования).


Сети постоянного напряжения с большим количеством управляемых генераторов и накопителей электроэнергии уже с полным основанием можно будет называть интеллектуальными сетями (англ. Smart Grid – SG).


• От качества электроэнергии напрямую зависит работа потребителя: при негативных тенденциях в сети у осветительного электрооборудования имеет место отклонение параметров от нормируемых


Прибор для анализа качества электрической энергии Fluke 434


В итоге именно те производители светодиодного осветительного оборудования, которые освоят технику снижения сетевых помех, получат значительное преимущество на рынке.


Способы борьбы за качество электроэнергии для промышленного оборудования

Перспективы светодиодных технологий

0

 

 

 

Размещение светильников в объеме теплицы

0

Освещение (облучение) растения по градиенту (т.е. направленности) воздействия учитывает факт взаимного положения источника излучения и рабочей технологической поверхности. Научные основы исследования по фотометрическому совершенствованию системы «облучатель – объект» были разработаны в трудах Карпова В.Н. В работах Сарычева Г.С. поднята проблема действия оптического излучения на биологический объект.

Традиционная схема освещение (облучение) растений характеризуется односторонним действием по отношению к биообъекту. Метод объемного облучения отраженный в работах Ракутько С.А. исключает это противоречие, позволяет повысить качество оптического излучения, формирования рационального пространственного потока оптического излучения. Установлена зависимость формы кроны растений (расположение листьев в пространстве) и светотехнических характеристик источника света (кривая светораспределения светильника). Суть метода оценка приемлемости облучателей с различными характеристиками светораспределения для создания рационального светового режима растений по соответствию компоновочной схемы облучательной установки и пространственной структуре кроны растения. Снижение фотометрических потерь возможно при максимизации произведения компоновочного коэффициента  на площадь миделевого сечения кроны растения . Компоновочный коэффициент  характеризует параметры облучательной установки. Площадь  определяется пространственной структурой кроны облучаемого растения. Происходящие при этом изменения интегральной облученности и равномерности светового поля компенсируют путем изменения высоты подвеса облучателя или коррекции его светораспределения при помощи конструкции светильника (рефлектора, светоотражающих поверхностей) (рисунок 1).

1

Рисунок 1. Формирование оптимизации радиационного режима растений и установка для фотометрирования кроны растения

Еще раз повторимся, что традиционная схема освещения освещение (облучение) растений всегда односторонне. Стационарное положение в объеме теплицы, как источника света, так и рабочей облучаемой поверхности. Например: напольное расположение растений и одностеллажное, многостеллажное. И как видно из рисунка 2, это не всегда правильный выбор при создании наиболее выгодной структуры светового поля. Важно учитывать форму растений и светораспределение светового прибора.

2

Рисунок 2. Сплошной светящийся потолок над одной технологической поверхностью

3

Рисунок 3. Структурная схема системы «облучатель – объект»

Рассмотрим структурную схему на рисунке 3 с права налево. Ключевым моментом является растение, от его требований зависит качественные и количественные показатели светового поля (пространство заполненное светом). Источником светового поля является лампа, выбранная по светотехническим и техническим характеристикам. В настоящее время при всем многообразии предлагаемой световой продукции, нет полностью удовлетворяющих растения источников света. Режим работы лампы во время эксплуатации, износ оборудования и срок службы напрямую зависят от качества электрической энергии. На каждом этапе преобразования энергии есть потери. Задача любой электротехнологии уменьшить эти потери. Таким образом, если выбран источник света, то определенным образом подразумевается создание светового поля с качественными и количественными показателями. При этом существует возможность изменять, регулировать и формировать световое поле через дополнительные технические устройства, средства, механизмы, приспособления и т.д. Первый вариант, когда регулируется положение источника излучения относительно растения, фитоценоза. Несомненно, такую возможность дает перемещение (движение) источника света в пространстве теплицы.

4

Рисунок 4. Движение панели собранной из люминесцентных ламп над одностеллажной установкой и вдоль многостелажной установки (автор Леман В.П.)

Второй вариант, когда относительно стационарного источника излучения меняет свое положение рабочие поверхности с облучаемыми растениями. Пример такой технологии является разработанная и изученная конструкция двухуровневой теплицы канадскими учеными R. Guay, R. Theriault (1990), когда через определенное время перемещаются в пространстве меняя свое положение верхний и нижний стеллажи.

5

Рисунок 5. Канадская технология. Движение стеллажных полок, лампы крепятся стационарно между полками

6

Рисунок 6. Движущие лотки между которыми установлены стационарно лампы

Но возможен третий вариант, когда взаимосвязано относительно друг друга перемещаются в пространстве источник излучения и рабочая поверхность (например, меня угол наклона). Предполагается подстраивать структуру агрофитоценоза под светототехнические характеристики источника света и создаваемого им светораспределения в пространстве по рабочей (облучаемой) поверхности. Конструкция многостеллажной установки переменного облучения для выращивания рассады томатов в сооружениях защищенного грунта состоит из двух лотков, находящихся друг над другом. В каждом лотке несколько рядов по пять участков (зона расположения одного растения). Размеры стеллажа подбираются из расчета жизненного пространства, необходимого взрослой рассаде томатов. Технологическая поверхность располагается под углом относительно горизонта. Один источник облучения рассчитан на два стеллажа, размещенных напротив друг друга (рисунок 7). В данной конструкции предлагается использовать боковое положение НЛВД с мощность 400 – ДНаТ-400.

7

Рисунок 7. Схема многостеллажной установки переменного облучения, авторы Ключка Е.П., Степанчук Г.В. (2011). В конструкции угол наклона в рабочей поверхности и применяется возвратно-поступательное движение облучателей вверх-вниз, обеспечивая боковое освещение растений

Новизна технического решения подтверждена патентами на изобретение РФ № 2003129738/28 «Устройство подвески и перемещения светильников в производственных помещениях», РФ № 2006142613/28 «Устройство выравнивания степени облученности в производственных помещениях» и на полезную модель РФ № 2010131786/21 «Сборно-разборный стеллаж».

Лампы в таких установках движутся с небольшой скоростью и создают режим с переменой интенсивностью облучения на фоне постоянного естественного облучения. Между моментом максимальной освещенности до наступления следующего максимума временной промежуток должен составлять от 1 до 10 . Это время обусловлено способностью растения адаптироваться в условиях низкой интенсивности облучения. При движении облучатель перекрывается лотком, создается период, в котором отсутствует искусственное облучение, остается только естественная радиация, поступающая в теплицу. Таким образом, конструкция стеллажа участвует в создании светового режима.

Патентный поиск

8

Рисунок 8. Схемы расположения источников света относительно рабочей технологической поверхности

9

Рисунок 9. Схемы расположения источников света относительно движущейся перемещающейся в объеме теплицы рабочей технологической поверхности

10

Рисунок 10. Схемы организации тепличного производства: с лева использование движения светильников между ужкостеллажной конструкцией; с права движущаяся облучаемая поверхность по винтовой траектории

11

Рисунок 11. Схемы расположения источников света (светодиодов) между вертикальной конструкцией стеллажей

Некоторые особенности источников света и растений

12

Рисунок 12. Прослеживается четкая зависимость, чем выше подвешен светильник, тем больше освещаемая площадь, но падает интенсивность облучения растений и наоборот. Для правильного выбора положения ламп необходимо знать: площадь облучаемой поверхности, высота подвеса светильника, расстояние между рядами, расстояние между светильниками в ряду и количество источников света. Результатом расчетов должно быть необходимая интенсивность на технологической поверхности и равномерность распределения освещенности.

13

Рисунок 13. Интенсивность освещения важный фактор жизнедеятельности растений, но до определенной величины. При дальнейшем повышении интенсивности облучения происходит угнетение растений вплоть до гибели

14

Рисунок 14. а) Точечный источник света (лампа накаливания, светодиоды и т.д.) б) Линейные источники света (люминесцентные, натриевые газоразрядные лампы)

15

Рисунок 15. Источники света делятся по температурному показателю излучаемого света. Для растения наиболее благоприятный теплый свет

Размещение светильников в объеме теплицы

ДНаТ (Дуговая Натриевая Трубчатая) – этот вид ламп используется в тепличном производстве во всем мире. ДНаЗ аналогичен ДНаТ за исключением того, что верхняя часть колбы покрыта зеркальным слоем, что позволяет использовать лампу без внешнего рефлектора. При эксплуатации исключается попадание атмосферных осадков на колбу. Рабочее положение произвольное. Предпочтение стоит отдавать лампам известных производителей – Philips, Osram, GЕ, Sylvania, Рефлакс и т.п. Хорошим соотношением «цена–качество» обладают многие лампы российского производства. Стоит опасаться ламп от неизвестных китайских производителей, т.к. их качество сомнительно с перспективой быстрого выхода из строя. У некоторых производителей есть модели ДНаТ, якобы специально адаптированные для выращивания растений. Это Philips «Green Power», Sylvania «GroLux», GE «Lucalox PSL» и некоторые другие. Практика показывает, что эти лампы имеют незначительные отличия от обычных моделей, но значительно большую цену. Их соотношение «цена–полезность» ниже, чем у обычных моделей того же производителя.

16

Рисунок 16. В настоящее время в промышленном тепличном растениеводстве наиболее распространенными являются газоразрядные лампы, в частности натриевые лампы газоразрядные высокого давления НЛВД – ДНаТ

Люминесцентные лампы – это газоразрядные лампы низкого давления, которые внутри заполнены как правило аргоном и газообразной ртутью. На внутреннюю сторону колбы наносят слой люминофора, который преобразует пары ртути в видимое излучение. При замене люминофоров, можно получать разные спектральные составы. У этих ламп больше недостатков, чем достоинств, т.к. лишь небольшая часть электроэнергии преобразуется в видимое излучение.

19

Рисунок 19. Люминесцентные лампы Т-4, T-5, T-8, T-12, а так же кольцевые
и U-образные люминесцентные лампы
. Люминесцентные лампы газоразрядные низкого давления не самые удачные для выращивания растений в условиях теплицы, но при их выборе играет роль конструктивные и эксплуатационные характеристики, а так же малое количество выделяемого тепла. Люминесцентные лампы особенно востребованы для многостеллажных установок

В начале 80-х годов прошлого столетия стали появляться многочисленные типы компактных люминесцентных ламп (Compact Fluorescent Lamps). Мощностью от 5 до 25 Вт со световой отдачей от 30 до 60 лм/Вт и сроком службы от 5 до 10 тыс.ч. Разработка КЛЛ стала возможна только в результате создания высокостабильных узкополосных люминофоров, активированных редкоземельными элементами, которые могут работать при более высоких поверхностных плотностях облучения, чем в стандартных люминесцентных лампах. За счет этого удалось значительно уменьшить диаметр разрядной трубки. Что касается сокращения габаритов ламп в длину, то эта задача была решена путем разделения трубок на несколько более коротких участков, расположенных параллельно и соединенных между собой либо изогнутыми участками трубки, либо вваренными стеклянными патрубками.

21

Рисунок 21. Энергосберегающие компактные люминесцентные лампы

Флуоресцентные лампы с холодным катодом называются так, потому что катод, испускающий электроны (отрицательный электрод) внутри лампы необязательно нагревать выше окружающей температуры, чтобы лампочка зажглась. У обычных флуоресцентных ламп катод выполнен в виде тонкой нити накаливания, загорающейся при температуре красного каления. Эти лампы не загораются в момент нажатия на выключатель, потому что катод некоторое время разогревается, и только после разогрева под воздействием низкоэнергетической ионной бомбардировки начинает испускать электроны; а весь фокус разработки флуоресцентных подсветок в том и состоит, чтобы свести время разогрева до минимума и не нарушить освещения. Разогретый катод становится очень мощным источником электронов. Вот почему флуоресцентное освещение излучает так много энергии порядка десятков люмен-ватт. В отличие от ламп с горячим катодом, катод у холоднокатодных ламп внушительнее по размерам и выполнен из металла, электроны из которого выбиваются ионами, имеющими более высокий заряд. Чтобы катод заработал, он необязательно должен светиться. Это с одной стороны неплохо, т.к. у ламп с холодным катодом нет задержки на разогрев, они срабатывают практически мгновенно. У ламп с холодным катодом довольно приличный срок службы, гораздо дольше, чем у обычных флуоресцентных ламп.

23

Рисунок 23. Разновидность люминесцентных ламп – флуоресцентные лампы

24

Рисунок 24. Флуоресцентные лампы имеют те же недостатки что и люминесцентные. По сравнению с обычными люминесцентными лампами они на порядок дороже, поэтому имеют ограниченное применение и как правило для домашних многостеллажных установок

25

Рисунок 25. Создание объемной световой среды при помощи люминесцентных ламп

26

Рисунок 26. Создание световой среды при помощи люминесцентных ламп в многостеллажной технологии

Безэлектродные индукционные люминесцентные лампы

90-е годы прошлого столетия были ознаменованы значимым событием в концепции развития люминесцентных ламп. Лидерами в сфере производства и разработки светотехнических изделий и систем – фирмами PHILIPS Lighting, GE Lighting (Дженерал Электрик Лайтинг) и OSRAM – были разработаны и внедрены в производство безэлектродные индукционные люминесцентные лампы (ИЛЛ). В этих лампах, как и в других люминесцентные лампах, для возбуждения свечения люминофоров используется газовый разряд в парах ртути и инертного газа (аргон или криптон). Поддержание разряда осуществляется за счет энергии электромагнитного поля, которое создается в непосредственной близости от разрядного объема. Создание безэлектродных ИЛЛ стало возможным благодаря успехам полупроводниковой электроники, которые позволили разработать малогабаритные и сравнительно дешевые источники высокочастотной (ВЧ) энергии с высоким КПД. Все возможные типы безэлектродных ИЛЛ состоят из трех основных узлов: малогабаритного источника ВЧ энергии, устройства для эффективной передачи ВЧ энергии в разряд, называемого индуктором, и разрядного объема.

27

Рисунок 27. Безэлектродных индукционных люминесцентных ламп

28

Рисунок 28. Безэлектродных индукционных люминесцентных ламп

29

Рисунок 29. Безэлектродных индукционных люминесцентных ламп

Светодиодные светильники

Первые светодиоды возникли в начале 60-х годов минувшего века, но широкое применение в качестве источников света стало возможным только в последнее десятилетие. Светодиодные светильники в первую очередь энергосберегающие, долговечные, экологичные. Их энергопотребление в 3…5 раз ниже по сравнению со светильниками на газоразрядных лампах, при одинаковой освещенности на рабочих поверхностях. Светодиоды позволяют конструировать агросветильники со специальным спектром излучения для увеличения эффективности электродосвечивания растений в защищенном грунте. Разнообразие конструкций светодиодных светильников отражает не популярность источника в применении, а скорее, попытки преодолеть трудности, с которыми столкнулась светотехника на пути внедрения твердотельных источников света.

30

Рисунок 30. Органические и неорганические светодиоды

33

Рисунок 33. Светодиодные светильники

36

Рисунок 36. Светодиодные светильники в теплице

37

Рисунок 37. Американские исследователи подтвердили: будущее за вертикальными фермами и пурпурными светодиодами

39

Рисунок 39. Вертикальное расположение светодиодные светильники в теплице

40

Рисунок 40. Вертикальное расположение светодиодные светильники в теплице

41

Рисунок 41. Комбинированное освещение, когда в создании световой среды участвуют разные типы ламп. В немецких теплицах используются натриевые лампы высокого давления с постепенным внедрением светодиодных ламп  (Германия)

42

Рисунок 42. Действующий проект в Дании: в теплице установлены светодиодные светильники OSRAM Golden Dragon Plus LEDs для демонстрации экономичного использования энергии в сравнении с люминесцентными лампами

43

Рисунок 43. В Финляндии компания Netled Oy совместно с OSRAM, начала выпуск светодиодных «занавесок», на которой расположены горизонтально светодиодные ленты

44

Рисунок 44. Светодиодные светильники в теплице между рядами

Вверх