Исследование спектральных характеристик электрических источников света

Цель исследования : получить и проанализировать спектральные характеристики электрических источников света для обоснования эффективности их последующего применения.

Материал и методы исследования . Исследования электрических источников света (ламп накаливания, люминесцентной, ДНаТ, светодиодной лампы и светодиодной фитолампы) проводились в лабораторных условиях, в специальном помещении. В данном помещении, в момент проведения эксперимента, отсутствует возможность проникновения светового потока от других источников света, кроме исследуемого, в том числе естественного.

Исследования проводились по следующим параметрам: освещенность, цветовая температура, спектр излучения в относительных единицах, координаты цвета [1].

Исследования данных параметров проводились с помощью спектроколориметра ТКА-ВД (рисунок 1).

Прибор предназначен для измерения координат цветности и коррелированной цветовой температуры источников света в Международной колориметрической системе МКО 1931 г. и 1976 г. (Международной комиссии по освещению), освещенности, создаваемой нормально расположенными источниками, яркости само-светящихся и несамосветящихся поверхностей накладным способом и яркости киноэкранов [2].

Применяется для измерения цветовых характеристик, освещенности и яркости сигнальных огней, световых табло, рекламных экранов, киноэкранов, светофоров и т.д.

Конструктивно ТКА-ВД состоит из трех функциональных блоков: два сменных оптоэлектронных блока - 01 «Яркость» и 02 «Освещенность» с гибкими многожильными экранированными кабелями, блок обработки сигнала.

1 - оптоэлектронный блок - 01; 2 - оптоэлектронный блок - 02; 3 - блок обработки сигнала; 4 - сетевой блок питания Рисунок 1 - Общий вид спектроколориметра ТКА-ВД

Прибор имеет возможность отображения информации результатов измерения: координаты цветности (х, у; u’, v’); координаты цвета (X, Y, Z), цветовую коррелированную температуру (Тц) и яркость (L) или освещённость (Е) на встроенном ЖКИ и (или) на экране компьютера [2, 3].

С помощью входящего в комплект программного обеспечения «Спектрофотометр вер. 2.0 для ТКА-ВД» под Windows можно получить ряд дополнительных расчетных характеристик измеренного источника света.

Общий вид спектроколориметра представлен на рисунке 1. Он состоит из оптоэлектронных блоков 1 и 2, блока обработки сигнала 3, сетевого блока питания 4.

В зависимости от исследуемых источников света и измерительных блоков, возможны различные схемы расположения лабораторного оборудования.

В нашем случае применяется прямая схема расположения, то есть исследуемый источник света и спектроколориметр располагаются в одной плоскости, в соответствии со схемами, представленными на рисунке 2. В данном случае важно выдерживать определенное расстояние между источником света и измерительным оборудованием в зависимости от габаритов источника света [5].

Исследуемые электрические источники света применяются для освещения улиц, промышленных знаний и помещений, общественных и жилых помещений, а также для досвечи-вания растений, выращиваемых в закрытом грунте и в технологиях светокультуры [4].

Важно то, что в каждом случае спектр излучения источника света должен быть различным.

Спектр излучения характеризуется энергией светового потока на определенных длинах волн (спектрограмма). Общее представление о спектре дает цветовая температура.

Так, например, по результатам исследований для уличного освещения наиболее приемлем желто-оранжевый, с температурой цвета около 1500-2000 °К, для офисных помещений -теплый белый, с температурой цвета около 3000 °К, а для досвечивания растений и освещения по технологиям светокультуры необходим комбинированный спектр.

Растения для фотосинтеза нуждаются в солнечном свете. Однако результаты научных исследований свидетельствуют, что не всякий свет полезен для растений [6].

Планируя освещение теплицы, важно различать основное освещение и досветку. Задача основного освещения - восполнить нехватку у растений естественного солнечного света с помощью искусственных источников и, конечно же, создать комфортные условия для работы растениевода. Досветка применяется для стимуляции развития растения на разных стадиях роста, например, с целью увеличения урожая или ускорения цветения [7, 8].

Объект

Тепловой источник света (электрические лампы накаливания), газоразрядные источники света (металлогалогенная, ксеноновая и люминесцентная лампа), светодиодные лампы и трубки (линейные светильники)

Рисунок 2 - Схемы расположения спектроколориметра и источника света

380 430 480 530 580 630 680 730 780

Длина волны, Нм

Рисунок 3 – Спектрограмма солнечного света

Недостаточно просто обеспечить яркое освещение – крайне важен состав света. Фотосинтез у растений способен протекать только под воздействием волн определенной длины в световом спектре. Солнечный свет содержит именно такой спектр. Соответственно, искусственный свет должен быть максимально близок по своему спектральному составу к солнечному, чтобы растения могли своевременно и правильно развиваться [9].

На рисунке 3 представлена спектрограмма солнечного света в относительных единицах, с указанием максимумов энергии, приходящихся на голубую (длина волны 400–500 нм) и фиолетовую (600–700 нм) части спектра. Данные максимумы энергии обозначены пунктирной линией [2].

В солнечном спектре преобладают голубые и фиолетовые оттенки. Красные цвета выражены не столь отчетливо.

Разные части спектра видимого света оказывают различное влияние на растение: красный стимулирует развитие корневой системы, образование соцветий, созревание плодов, синий и фиолетовый отвечают за рост вегетативной массы, зеленый и желтый практически не поглощаются и отражаются от поверхности – поэтому все растения зеленого цвета. Подсвечивая растение определенными спектрами света, можно управлять фотохимическими процессами его развития на разных стадиях роста, увеличивая эффективность теплицы. Для дос-ветки растений применяются специальные фитосветильники. Широко распространены фитосветильники c люминесцентными лампами, металлогенными зеркальными лампами высокого давления (ДРИЗ) и ДНаТ. Фитосветильники крепятся непосредственно над растениями. Наиболее эффективное излучение для растения находится в участках 400–450 и 650–700 нм. Именно эти длины волн – красный и синий цвета спектра – используются для фотосинтеза. Они имеют принципиальное значение для развития корневой системы и листьев [4].

Теоретически освещать растения можно разными источниками: лампами накаливания, люминесцентными, дуговыми ртутными и натриевыми лампами, а также светодиодными светильниками.

Для обоснования эффективности применения определенного источника света в зависимости от назначения были проведены экспериментальные исследования, результаты которых приведены ниже.

Результаты исследования и их обсуждение. Рассмотрим лампу накаливания. Она создает освещенность в точке установки спек-троколориметра, равную E = 56,2 лк. При этом коррелированная цветовая температура составляет Тц = 2380 ºК. Координаты цвета (в системе XYZ модели цветового пространства): X = 115; Y = 100; Z = 15.

Цветовая модель – математическая модель описания представления цветов в виде кортежей чисел (обычно из трёх, реже – четырёх значений), называемых цветовыми компонентами или цветовыми координатами. Все возможные значения цветов, задаваемые моделью, определяют цветовое пространство.

«XYZ» – это эталонная цветовая модель, заданная в строгом математическом виде организацией CIE (International Commission on

Illumination – Международная комиссия по освещению) в 1931 году. Модель CIE «XYZ» является мастер-моделью практически всех остальных цветовых моделей, используемых в технических областях.

Цветовая модель задаёт соответствие между воспринимаемыми человеком цветами, хранимыми в памяти, и цветами, формируемыми на устройствах.

На рисунке 4 представлена спектрограмма лампы накаливания. Анализируя ее и совмещая со спектрограммой солнечного света, очевидно, что в ней недостаточно выражена фиолетовая часть (около 55% от максимума энергии). А голубые оттенки, необходимые для фотосинтеза, практически отсутствуют (не более 5–10%).

Рисунок 4 – Спектрограмма лампы накаливания

Дефицит синего цвета приводит к вытягиванию листьев и стеблей, растения становятся хрупкими и болезненными.

Основная энергия спектра лампы накаливания расположена в красной и инфракрасной части спектра.

Таким образом, освещение теплицы лампами накаливания – самый неэффективный способ – 98% энергии тратится не на освещение, а на нагрев самой лампы.

Освещение теплицы люминесцентными лампами. По сравнению с лампами накаливания, люминесцентные лампы более эффективны. Их коррелированная цветовая температура достигает Тц = 3300 ºК, а освещенность E = 81,4 лк.

Спектрограмма люминесцентной лампы представлена на рисунке 5.

Спектр люминесцентных ламп имеет синие оттенки, необходимые для фотосинтеза. Один из максимумов синей части приходится на длину волны, равную 490 нм, что положительно для растений. Однако его интенсивность не высока, всего 0,28 относ.ед. Второй синий максимум выходит за пределы эффективной длины волны (длина волны 435 нм).

У люминесцентных ламп наиболее эффективно развита фиолетовая часть спектра, в ней наблюдается максимум при длине волны 615 нм, с интенсивностью до 0,85 относ.ед. Это положительно влияет не только на фотосинтез растений, но и на урожайность и скорость созревания.

Однако есть и существенный недостаток – основная часть спектра люминесцентных ламп приходится на зеленую область (зеленый максимум), в то время как зеленый цвет не усваивается растениями, а полностью отражается. Это приводит к недостаточной эффективности люминесцентных ламп для досвечивания растений и тем более для применения в технологиях светокультуры.

Анализ спектрограммы дает следующие координаты цвета: X = 103; Y = 100; Z = 42.

Рисунок 5 – Спектрограмма люминесцентной лампы

Светильники для теплиц с лампами ДНаТ. Светильники с натриевыми лампами могут похвастаться высокой эффективностью и большим световым потоком. Тем не менее, как и в случае с люминесцентными лампами и лам- пами накаливания, спектру свечения ламп ДНаТ сильно недостает синих оттенков.

Спектрограмма лампы ДНаТ представлена на рисунке 6. Данные лампы создают большой световой поток и освещенность, достигшую (в данном эксперименте) E = 374,4 лк.

Рисунок 6 – Спектрограмма лампы ДНаТ

При анализе спектрограммы очевидно, что основная часть энергии излучается в зеленожелтой части, с длиной волны от 560 до 630 нм. Анализ спектра показывает, что коррелированная цветовая температура, в данном случае, составляет Тц = 1860 ºК, координаты цвета: X = 132; Y = 100; Z = 13.

Фиолетовая часть спектра частично захватывается, это позволяет применять лампу ДНаТ для досвечивания растений, однако, оче- видно, что из-за отсутствия синих оттенков их эффективность невысока.

В этом случае лампы ДНаТ наиболее эффективны для освещения улиц, зданий и сооружений, так как отзывчивость человеческого глаза на данную часть спектра (с длиной волны от 550 до 650 нм) наибольшая.

Светодиодное освещение. В настоящее время активно начинает развиваться светодиодное освещение различных объектов и помещений.

Возникает вопрос об эффективности и допустимости применения светодиодного освещения в сельскохозяйственном производстве, в частности для освещения и досвечивания растений.

Светодиодный свет больше всего похож по спектральному составу на солнечный (рисунок 7). Коррелированная цветовая температура белого светодиода составляет Тц = 4100 ºК. Также светодиоды способны генерировать большой световой поток, в данном эксперименте освещенность в точке замера составила E = 101,9 лк. Анализируя спектрограмму светодиода, получаем координаты цвета: X = 98; Y = 100; Z = 62.

Особенно важно то, что спектрограмма светодиода имеет два приблизительно одинаковых по интенсивности (около 1 относ. ед.) ярко выраженных максимума. При этом максимум синей части приходится как раз на середину этой части – 450 нм. А второй максимум захватывает желто-фиолетовую часть спектра в интервале 550–650 нм.

Однако у белого светодиода также выражены и неэффективные (для досвечивания и освещения растений) области спектра: зеленожелтая (530–600 нм) и красная (свыше 650 нм). Это снижает его эффективность в тепличном производстве.

Рисунок 7 – Спектрограмма белого светодиода

Положительной особенностью светодиодного освещения является то, что подбор необходимой длины волны в составе светодиодного светильника – хорошо решаемая задача с комбинированием фиолетового и синего спектров. Производители светодиодов в настоящее время продвинулись еще дальше, освоив производство светодиодов с комбинацией красных, фиолетовых и синих кристаллов, такие диоды называются фитодиоды. Выпуск таких светодиодов значительно упростил производство фитосветильников – приборов нового поколения. Это, соответственно, уменьшило стоимость прибора освещения.

Фитосветильники и фитодиоды пока не нашли широкого применения в реальном производстве. Как следствие, возникают вопросы относительно их биологической и экономической эффективности, применимости.

В этой связи нами были проведены исследования спектрограммы фитосветодиода, который может входить в состав фитосветильника.

Получили, что светодиод с комбинированным (двойным) кристаллом излучает световой поток с выраженными синим и фиолетовокрасным максимумами (рисунок 8).

В этом случае коррелированная цветовая температура составляет Тц = 3900 ºК. Глазом человека воспринимается как теплый белый цвет. При этом фитодиод излучает большой световой поток, создавая освещенность, в точке замера равную E = 297,6 лк.

Анализ спектрограммы позволяет получить координаты цвета: X = 110; Y = 100; Z = 83.

Таким образом, комбинированный светодиод – фитодиод, имеет спектрограмму, наиболее близкую к спектрограмме солнечного света (см. рисунок 3).

Рисунок 8 – Спектрограмма фитодиода

Световой поток, содержащий в основном фиолетовую и синюю части спектра, излучаемый фитодиодом, позволит наиболее эффективно осуществлять досвечивание растений. Это позволит активизировать фотосинтез, обменные процессы в целом, а следовательно, рост, развитие растений и созревание плодов.

Энергетическая и экономическая эффективность фитодиодов сопоставима со светодиодами. Следовательно, энергозатраты минимальны.

Заключение . В результате проведенных исследований были получены спектрограммы основных электрических источников света.

Анализ полученных спектрограмм позволяет заключить, что наименее эффективными для целей досвечивания и освещения растений являются лампы накаливания и натриевые лампы (ДНаТ). В составе их спектра почти отсутствуют синие части спектра, необходимые для фотосинтеза растений.

Более эффективными являются люминесцентные лампы и светодиоды белого цвета. В их спектрах достаточно хорошо выражены фиолетовые части спектра, но недостаточно – синие. Это снижает их эффективность, но тем не менее позволяет применять их для досвечи-вания растений.

Наиболее эффективными являются комбинированные светодиоды со сдвоенным кристаллом – фитодиоды. Сдвоенный кристалл генерирует преимущественно синий и фиолетовый цвета спектра. Спектр фитодиодов наиболее приближен к солнечному, имеет два ярко выраженных максимума.

Таким образом, досвечивание или технологии светокультуры с применением фитосветильников наиболее эффективны как в биологическом, так и в энергетическом аспектах.