Натриевые лампы высокого давления. Натриевые лампы для растений в теплицах

Газоразрядные натриевые лампы являются самыми эффективными среди существующих источников света по соотношению светоотдачи к затрачиваемой энергии, однако их спектр некомфортен для человеческого глаза. Отсутствие синего цвета формирует монохромную картину окружающего пространства. Из-за этой особенности натриевые светильники, несмотря на отличную экономичность, применяются ограниченно - в основном для уличного освещения. Между тем преобладание желто-красного «солнечного» и зеленого спектров благотворно сказывается на росте всех видов растений, что нашло широкое применение в тепличных хозяйствах.

Что такое натриевые лампы

Они относятся к газоразрядным лампам по аналогии с ртутными, люминесцентными, галогенными, ксеноновыми «собратьями». Источником свечения является газообразный натрий в сочетании с другими элементами, закаченный в стеклянную колбу. Под воздействием электрической дуги натрий разогревается до высоких температур и начинает светиться ярким желто-оранжевым светом, к концу службы лампы переходящим в красный спектр.

Характеристики

Мощность натриевых ламп самая высокая в классе – до 200 Lm/W (Люмен на Ватт). Характерными особенностями являются низкая цветовая температура (2100-2700 K) и доминирование желто-красного спектра излучения при минимальном количестве синего. Такое сочетание приводит к тому, что светильники данного типа наполняют окружающее пространство монохромным желто-оранжевым светом, в результате чего человеческий глаз недостаточно хорошо различает цвета и очертания предметов. Они теряют глубину, объем, затрудняется ориентация и оценка расстояний до объектов. Зато для растений на определенных этапах роста как раз необходим «солнечный» спектр излучения.

Виды ламп

По принципу работы они подразделяются на два основных класса:

• Натриевые лампы высокого давления (HPS – HighPressure Sodium).
• Натриевые лампы низкого давления (LPS – Low-Pressure Sodium).

Разработаны LPS-лампы в 30-х годах прошлого века. У них высочайшая эффективность (180-200 Lm/W), однако из-за конструктивного несовершенства эти лампы оказались капризными и даже опасными. Обычное кварцевое стекло беззащитно перед агрессивным воздействием натрия: он быстро улетучивался, а если осветительный прибор разбить – при реакции с кислородом газ может взорваться (воспламениться).

В 60-е компания General Electric разработала керамику с использованием оксида алюминия (поликор, лукалос), способную противостоять натрию при высоких температурах. Этот прорыв позволил вернуться к производству данного типа световых приборов, обладающих отличной экономичностью. Для улучшения свечения газа его закачивают под высоким давлением. Электрическая схема более простая, чем у LPS. К сожалению, повышение давления газа и другие факторы привели к значительному уменьшению световой отдачи – до 50-150 Lm/W (в зависимости от ее мощности), зато коэффициент цветопередачи (CRI) увеличился с 20 до 85 и выше (с недостаточной до хорошей).

Область применения

Светильники с натриевыми лампами низкого давления в мире большого распространения не получили. В СССР и США ставку сделали на более технологичные ртутные световые системы. В ряде европейских стран их активно применяют для освещения автомобильных дорог.

Натриевые лампы высокого давления более распространены. У нас они применяются для освещения городских улиц, в ландшафтном дизайне, для подсветки архитектурных объектов. Используются в производственных помещениях, где не требуется яркого света. В последнее время ведущие корпорации (Philips, General Electric и другие) значительно усовершенствовали конструкцию и потребительские качества этих ламп: их спектральный охват значительно расширился, увеличилась цветовая температура (с 2100 до 2700 K) – некоторые модели уже подходят для освещения жилых (производственных) помещений. Особо следует отметить применение натриевых ламп в тепличном хозяйстве.

Классификация

Натриевые светильники различаются по нескольким важным параметрам. По конструктивному типу они делятся на:

• Дуговые натриевые зеркальные (ДНаЗ).
• Дуговые натриевые матированные (ДНаМТ).
• Дуговые натриевые в светорассеивающей колбе (ДНаС).
• Дуговые натриевые трубчатые (ДНаТ).

Также различают светильники по потребляемому току (220V и 380V), которые, в свою очередь, подразделяются по мощности: от 50 до 1000 Вт.

Натриевые лампы для теплиц

Анализ энергопотребления теплиц показал, что наиболее энергоемкими являются процессы облучения и обогрева растений. Около 40 % электроэнергии, потребляемой тепличными хозяйствами, используется для облучения. Поэтому аграрии достигают увеличения овощной продукции за счет внедрения энергосберегающих осветительных устройств.

Большое значение, помимо оптимальных параметров микроклимата теплиц, имеет качество облучения растений. Поэтому актуальным является также изучение влияния качественных параметров освещения на процессы роста и морфологического развития саженцев. Использование в технологиях облучения растений принципиально новых источников света – современных натриевых светильников в сочетании с другими источниками освещения (например, светодиодами) – позволяет значительно увеличить показатели конечной урожайности.

Научный подход

Лидером в области совершенствования освещения теплиц является голландская корпорация Philips, что неудивительно, учитывая передовые позиции тепличной отрасли Нидерландов. Компания провела научно-практические исследования (в 2012 на Украине, в 2013 в Голландии), доказавшие, что натриевые лампы для растений наиболее предпочтительны. Они эффективнее компактных люминесцентных ламп, обладающих меньшей световой отдачей и не обеспечивающих оптимальный световой спектр. Параллельно доказано: лампы накаливания и ртутные светильники потребляют слишком много электроэнергии, чтобы быть экономически выгодными.

Еще лучшие показатели достигаются, если растения подсвечивать не только сверху, но и по бокам, в междурядьях. Для этого вполне подходят экономичные светодиоды (СД). Сочетание натриевых светильников со светодиодными способствуют большей урожайности. В 2012 году в Умани (Украина) была создана первая промышленная теплица, где сочетались эти виды осветительных приборов. Площадь участка при смешанном освещении СД и натриевыми лампами составляла 6000 м². Всего в теплице было установлено 1230 СД-модулей и 870 светильников с лампами ДНаТ. Эксперимент показал, что урожайность томатов (при соблюдении других требований) может достичь 73 кг/м² ежегодно.

Затем благодаря аналогичному эксперименту в Нидерландах (2013) совместное использование ДНаТ и СД привело к увеличению урожайности на 30 %. В дальнейшем технологию переняли в Англии, Дании, Канаде, Японии, Китае и других странах.

Технология

Как правило, промышленные теплицы делают из прозрачных материалов, чтобы растения подсвечивались солнцем. Однако на широтах более 40^о (ближе к полюсам) естественного освещения хватает только на 4-5 месяцев (май-сентябрь). В оставшееся время необходима дополнительная подсветка. Причем на различных этапах вегетации и для разных культур требуется свой спектр излучения.

Светильник под натриевую лампу размещается сверху – он заряжает растения желто-красным «солнечным» светом (зеленый спектр, также излучаемый этими осветительными приборами, не так важен). Светодиоды (либо люминесцентные лампы) целесообразно использовать как дополнительный инструмент при боковом облучении, основное преимущество которого заключается в том, что, находясь в нижней части вертикально выращиваемых растений, свет попадает на нижние ярусы листьев, которые получают недостаточно верхнего света. Такая комбинация повышает интенсивность фотосинтеза, благоприятствует росту, правильному развитию растений. Дополнительное освещение пригодится на этапах, когда выращиваемым культурам требуется синий спектр света, который у натриевых светильников почти отсутствует.

Как это работает

За поглощение фотонов света у растений отвечают специальные пигменты - каратиноиды, a- и b-хлорофиллы. Каратиноиды поглощают свет исключительно синего диапазона, хлорофиллы – синего и красного. Однако максимумы поглощения хлорофиллов – главных фотосинтетических пигментов – находятся в пределах 640-680 нм, а каротиноидов – в пределах 470-480 нм. Согласно этим параметрам, самыми эффективными источниками света для условий тепличного хозяйства считаются натриевые лампы освещения высокого давления (НЛВТ) с рабочим диапазоном 500-700 нм. Их стабильность, срок работы, световая отдача, экономическая эффективность наиболее оптимальны.

Лампы мощностью 50-150 Вт менее надежны и имеют низкую стабильность параметров в течение срока эксплуатации, чем лампы средней мощности (250 Вт и более). Причины этого – в наличии заметного выпрямляющего эффекта при воспламенении ламп малой мощности, который может достигать 2 минут. При этом через лампу проходит повышенный ток, в результате чего происходит интенсивное распыление катодных материалов и образование на внутренней поверхности разрядной трубки непрозрачного налета. Зажигающий импульс и величина пускового тока влияют на значимость эффекта выпрямления, поэтому энергия импульса должна обеспечивать быстрый переход от тлеющего разряда в дуговой. Для предотвращения возникновения эффекта выпрямления тока используют устройства для блокировки постоянного тока. Поэтому в теплицах чаще применяют НЛВД мощностью от 250 Вт.

Впрочем, многочисленные теоретические и экспериментальные исследования процессов в разряде, на электродах и в приэлектродных участках газово-разрядных ламп показали, что есть целый ряд вопросов, которые требуют дальнейшего совершенствования. Для НЛВТ, которые используются в растениеводстве закрытых грунтов, необходимо прежде всего оптимизировать спектральный состав излучения под конкретные светокультуры и уменьшить содержание ртути в разрядной трубке, предупредив возможное загрязнение окружающей среды парами ртути с приборов, вышедших из строя.

Вопросы экологии

Создание современных технологий выращивания тепличных растений связано с использованием высокоинтенсивных разрядных ламп, в частности натриевых. Их широкое применение является положительным фактором интенсификации этого производства, хотя и связано с серьезной экологической проблемой. В состав подавляющего большинства современных разрядных ламп входит токсичное вещество – ртуть. В натриевых светильниках, например, может содержаться амальгама натрия (сплав ртути). Если такой светильник разобьется над посадками внутри теплицы, размещенные под ней растения (зелень, овощи, рассада, комнатные цветы) становятся непригодными к использованию.

Главным направлением повышения экологичности является создание высокоэффективных безртутных газоразрядных ламп. В последнее время эти работы проводились отдельными светотехническими фирмами, в том числе и в странах СНГ. Натриевые лампы с уменьшенным количеством ртути в разрядной трубке и полностью безртутные модели уже существуют и все чаще применяются в тепличном хозяйстве.