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" і зеленого спектрів благотворно позначається на зростанні всіх видів рослин, що знайшло широке застосування в тепличних господарствах.
Що таке натрієві лампи
Вони належать до газорозрядних лампів за аналогією з ртутними, люмінесцентними, галогенними, ксеноновими "побратимами". Джерелом світіння є газоподібний натрій у поєднанні з іншими елементами, закачаний у скляну колбу. Під впливом електричної дуги натрій розігрівається до високих температур і починає світитися яскравим жовто-помаранчевим світлом, що до кінця служби лампи переходить у червоний спектр.
Характеристики
Потужність натрієвих ламп найвища в класі - до 200 Lm/W (Люмен на Ватт). Характерними особливостями є низька колірна температура (2100-2700 K) і домінування жовто-червоного спектра випромінювання при мінімальній кількості синього. Таке поєднання призводить до того, що світильники даного типу наповнюють навколишній простір монохромним жовто-помаранчевим світлом, в результаті чого людське око недостатньо добре розрізняє кольори і обриси предметів. Вони втрачають глибину, обсяг, ускладнюється орієнтація та оцінка відстаней до об 'єктів. Зате для рослин на певних етапах зростання якраз необхідний "сонячний" спектр випромінювання.
Види ламп
За принципом роботи вони підрозділюються на два основних класи:
- Натрієві лампи високого тиску (HPS - HighPressure Sodium).
- Натрієві лампи низького тиску (LPS - Low-Pressure Sodium).
Розроблені LPS-лампи в 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 беззахисне перед агресивним впливом натрію: він швидко відлетучувався, а якщо освітлювальний прилад розбити - при реакції з киснем газ може вибухнути (займатися).
У 60-ті 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 володіють відмінною економічністю. Для поліпшення світіння газу його закачують під високим тиском. Електрична схема простіша, ніж LPS. На жаль, підвищення тиску газу та інші фактори призвели до значного зменшення світлової віддачі - до 50-150 Lm/W (залежно від її потужності), зате коефіцієнт кольоропередачі (CRI) збільшився з 20 до 85 і вище (з недостатньої до хорошої).
Область застосування
Світильники з натрієвими лампами низького тиску в світі великого поширення не отримали. У СРСР і США ставку зробили на більш технологічні ртутні світлові системи. У низці 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 спектральне 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 у тепличному господарстві.
Класифікація
Натрієві світильники розрізняються за кількома важливими параметрами. За конструктивним типом вони діляться на:
- Дугові натрієві дзеркальні (ДНаЗ).
- Дугові натрієві матовані (ДНаМТ).
- Дугові натрієві у світлорозсіювальній колбі (ДНаС).
- Дугові натрієві трубчасті (ДНаТ).
Також розрізняють світильники за споживаним струмом (220V і 380V), які, в свою чергу, підрозділюються 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, крім 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 в області вдосконалення освітлення теплиць є голландська корпорація Philips, що не дивно, враховуючи передові позиції тепличної галузі Нідерландів. Компанія провела науково-практичні дослідження (в 2012 на Україні, в 2013 в Голландії), які 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 міжправдях. Для цього цілком підходять економічні світлодіоди (СД). Поєднання натрієвих світильників зі світлодіодними сприяють більшій 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 м2. 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/м2 щорічно.
Потім завдяки аналогічному експерименту в Нідерландах (2013) спільне використання ДНаТ і СД призвело до збільшення врожайності 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 понад 40о (ближче до полюсів) природного освітлення вистачає тільки на 4-5 місяців (травень-вересень). У час, що залишився, необхідне додаткове підсвічування. 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 такий 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 листя, які отримують недостатньо верхнього світла. Така комбінація підвищує інтенсивність фотосинтезу, сприяє зростанню, правильному розвитку рослин. Додаткове освітлення стане в нагоді на етапах, коли вирощуваним культурам потрібен синій спектр світла, який у натрієвих світильників майже відсутній.
Як це працює
За поглинання фотонів світла у рослин відповідають спеціальні пігменти - каратиноїди, a- і b-хлорофіли. Каратиноїди поглинають світло виключно синього діапазону, хлорофіли - синього і червоного. Однак максимуми поглинання хлорофілів - головних фотосинтетичних пігментів - знаходяться в межах 640-680 нм, а каротиноїдів - в 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, термін 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 розпилення катодних матеріалів та утворення на внутрішній поверхні розрядної трубки непрозорого нальоту. Запалюючий імпульс і величина пускового струму впливають на значущість ефекту випрямлення, тому енергія імпульсу повинна забезпечувати швидкий перехід від тліючого розряду в дуговій. Для запобігання виникнення ефекту випрямлення струму використовують пристрої для блокування постійного струму. Тому в теплицях частіше застосовують НЛВС потужністю від 250 Вт.
Втім, численні теоретичні та експериментальні дослідження процесів у розряді, на електродах і в приелектродних ділянках газово-розрядних ламп показали, що є цілий ряд питань, які потребують подальшого вдосконалення. Для НЛВТ, які використовуються в рослинництві закритих ґрунтів, 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 цього виробництва, хоча і пов 'язане з 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 до використання.
Головним напрямком підвищення екологічності є створення високоефективних безртутних газорозрядних ламп. Останнім часом ці роботи проводилися окремими світлотехнічними фірмами, в тому числі і в країнах СНД. Натрієві лампи зі зменшеною кількістю ртуті в розрядній трубці і повністю безртутні моделі вже існують і все частіше застосовуються в тепличному господарстві.