LED светотехника для теплиц
LED светотехника для теплиц
Еще на заре появления светотехнической тепличной отрасли в отставку сразу же были отправлены лампы накаливания, производство которых сейчас во многих странах прекращено. Слишком уж много у них недостатков. За основу были взяты люминесцентные лампы с несравненно более высоким КПД и качеством спектра. Их недостатки и принялись исправлять, создав газоразрядные тепличные светильники.
Еще лет 10-15 назад лучшими для досветки считались лампы производства лидеров светотехнической тепличной отрасли. Правда приходилось мириться с их главным недостатком - слишком большим потреблением электроэнергии, из-за чего стоимость их влетала в «копеечку», особенно при выращивании цветов. Не слишком оптимальным был и их спектр для растений. Сегодня современная наука предлагает решение и этих проблем, предлагая светодиодные светильники.
КОНСТРУКЦИЯ
Светодиоды или LED (название происходит от англ. Light emitting diode - низкоэмиссионный диод) представляют собой конструкцию, которая преобразует электрическую энергию в световую, как, впрочем, и любая лампа. Но в отличие от всех ламп, это преобразование происходит совершенно другим путем - вследствие излучательной рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике (из которого и сделан диод). На языке физики это явление называют электролюминесценцией. Свет возникает при рекомбинации электронов и дырок в области р-п-перехода. И чтобы изготовить любой диод, нужно сделать р-п-пе-реход, иначе говоря - контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого полупроводниковый кристалл легируют разными примесями: теми, что проявляют свойства акцептора. Так появились транзисторы, микросхемы и первые диоды-индикаторы, которые загораются при включении бытовой техники. Они привлекали многими преимуществами, но для использования в качестве досветки в теплицах тогда требовало решить ряд задач. Сделать это удалось лишь недавно.
Во-первых, не всякий р-п-пе-реход излучает свет. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой. Для этого полупроводник должен быть без дефектов. Если они есть - рекомбинация в таких местах происходит без излучения. В третьих, нужно было определиться с содержанием и составом примесей, чтобы достигнуть нужного качества спектра. Были и другие проблемы. В результате пришли к выводу, что одного р-п-пе-рехода в кристалле недостаточно, и сегодня изготавливаются целые многослойные полупроводниковые структуры (так называемые гетеро-структуры). За их изучение, кстати, российский академик (выходец из Беларуси) Жорес Алферов совместно с Г. Кремером и Дж.Килби был удостоен Нобелевской премии 2000 года. Особенно открылись пути создания таких структур с развитием нанотехнологий, что стало революцией в светотехнике. Новое поколение светодиодов сегодня сделано на основе наноматериалов (поэтому изготовить их под силу лишь крупным корпорациям на специальных заводах). Кроме того, важно сделать такие гетерострукту-ры так, чтобы заставить ток пройти по такому пути, который был бы максимально выгоден светотехнику. Из-за этого не получится скопировать производство, просто купив оборудование и технологию. Нужно знать научный секрет создания наноструктур, например, с квантовыми ямами из нитрида галлия и его твердых растворов. Не обладая такой научной базой, ни одна страна не сможет выпускать светодиоды ни за какие средства, как бы этого не хотелось. А делиться такими знаниями просто так никто не заинтересован.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ
Сам светодиод состоит из 3-х элементов:
• полупроводникового кристалла на подложке;
• корпуса с контактными выводами;
• оптической системы.
Первым шагом является выращивание гетероструктур с толщиной нанослоев разного состава и создание кристаллических заготовок с этими слоями - так называемых «чипов». Естественно, от состава слоев, их толщины и легирования примесями зависит длина волны и некоторые другие характеристики получаемого света. Контакты к «чипам» должны иметь малое сопротивление
- от этого зависит КПД. Поэтому ведущие производители на них также не экономят.
Наконец, оптическая система
- это покрытие чипов люминофорами и линзы. От них зависят в первую очередь направленность излучения и спектр.
Все это устройство закрывают корпусом из прочного пластика с теплоотводом (для уменьшения нагрева) - так что в отличие от хрупких ламп светодиоду не страшны удары и падения.
Стоимость установок для выращивания полупроводниковых нитридов - 1,5-2 млн. у.е. Научиться получать на такой установке гетероструктуры можно за 1 -3 года. Одно время в Украине собирались построить что-то типа «силиконовой долины» в КПИ, в этот университет приезжал сам Жорес Алферов. Но тем все и закончилось.
Следующий шаг - создание контактов к n-и р-слоям, покрытое металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов. И затем наступает главный момент - создание светодиодов из этих чипов. К сожалению, в отечественных условиях возможности выращивать собственные чипы, нет практически ни на одном из заводов. Купить уже упоминавшуюся установку (она называется эпитаксиальной) вряд ли кому по карману, но даже после этого для последующего промышленного производства необходимо крупное финансирование. Так что даже российские производители нередко используют зарубежные чипы. Впрочем, санкции сыграли и положительную роль, вынудив стимулировать национальное производство.
И еще. LED-светильник - это не один светодиод, а множество. Они монтируются на общую подложку, исполняющую роль радиатора (естественно делают и варианты, похожие на лампы, но они для бытовых целей с неподходящим для растений спектром). Так создаются светодиодные модули (попросту - светильники), которые могут иметь любую форму линейную, прямоугольную, круглую. Из них отдельные могут излучать один цвет, другие - другой, обычно в пропорциях: 15-20% синего и 80-85% красного, что при смешивании дает необходимый растениям спектр. Те отечественные фирмы, которые предлагают подобные светильники, изготавливают их, просто монтируя на подложку светодиоды импортного производства, главным образом более дешевые - тайваньского.
Преимущества LED-светильников действительно впечатляющие. Поскольку они изготовлены из прочного пластика, как говорилось выше, им не страшны механические повреждения. Напряжение, необходимое для работы одного светодиода, составляет - 3-4 вольта. Поэтому рабочее напряжение светодиодных модулей не более 12-24 В. А поскольку при таком напряжении не требуется применять провода большого сечения с недешевой изоляцией - это немаловажно. У газоразрядных трубок, в отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света загорелся, вначале необходимо подать на разряд необходимое напряжение. Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, их яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически сразу после включения. Дело в том, что спектральный состав солнца в течение дня меняется. Скажем, в утренние часы он один, с 11 до 16.00 другой, а перед закатом - в нем преобладает ультрафиолет, практически не нужный для фотосинтеза. Поэтому скопировать солнечный свет практически невозможно ни в одной лампе. А если захотеть это сделать, нужно предусмотреть возможность регулировки яркости, интенсивности и спектрального состава света, как и других параметров. Кроме светодиодов, это пока невозможно ни в одной из газоразрядных ламп.
Любые люминесцентные лампы не любят низких температур и перепадов, характерных для защищенного фунта. Иначе люминофор начнет конденсироваться на стенках колбы. Светодиодам в этом отношении все равно. Но главное - значительно снижается потребление электроэнергии - в 3-6 раз, даже по сравнению с энергосберегающими люминесцентными лампами, содержащими ртуть, которой светодиоы не содержат.
Газорязрядные лампы разгораются не сразу. Ей нужно 5-7 минут, пока ртуть в кварцевой горелке испаряется, постепенно улучшая качество разряда между основными электродами. Лишь после того, как вся она перейдет в пары, лампа выходит на номинальный режим работы и максимальную светоотдачу. Из-за этого, после выключения, повторное включение невозможно, пока лампа полностью не остынет. Светодиоды в этом отношении неприхотливы - их можно включать-выключать бесчисленное количество раз. Несравненно выше и их долговечность - производители заявляют про десятки тысяч часов работы - что составляет в условиях теплиц не менее 10 лет.
Высокий КПД обуславливает низкую температуру на поверхности светодиода, прикосновение к которому куда безопасней горячей лампы. Впрочем, это хорошо известно, и практически все тепличники мечтают установить светодиодное освещение.
Единственным сдерживающим фактором является их цена. Еще одна опасность - приобрести светильники с несоответствующим растениям спектральным составом света. Нередко стремление найти подешевле ведет к покупке изделий сомнительного качества, предназначенных для уличного освещения. Некоторые производители делают так. Собирают светильник из закупленных светодиодов тайваньского производства. Подбирают их соотношение, чтобы получился примерно подобный газоразрядным лампам спектр и, запаковав в корпус с именем фирмы, выдают за тепличный светильник. Увы, на глаз, проверить разницу в длине волны в 680 и 690 нм невозможно, и не всегда купленный LED-модуль оправдывает ожидания. Не оправдать ожидания они могут и по другой причине. Оборудуя систему освещения в теплицах, многие не обращаются к услугам квалифицированного светотехника. В худшем случае считают, что могут разместить светильники самостоятельно, в лучшем - прибегают к помощи электрика или светотехника-дизайнера, не обладающего знаниями в тепличной отрасли. В результате расплачиваются неравномерным освещением, а то и экспериментами с несколькими светодиодными модулями, пытаясь найти лучший из них для конкретной культуры.
Чтобы избежать подобных проблем, нужно обращаться только к профессионалам, которых на рынке крайне мало. Но даже в этом случае, чтобы хотя бы контролировать их работу, необходимо знать перечисленные тонкости, основные параметры светильника, какую площадь он освещает, светоотдачу в люменах/Ватт (чем она выше, тем лучше), спектральный состав. Лучше прибегнуть к услугам специалистов той фирмы, где их приобретают. В этом случае электрик составит схему подключения и разводки, которую нужно сохранить в дальнейшем, выполнит рекомендации светотехника: учтет высоту подвешивания светильников и расстояние между ними. В качестве бонуса могут оборудовать таймером, чтобы освещение включалось в запрограммированное время. Если все сделать грамотно и профессионально, преимущества светодиодов проявятся в полной мере, особенно со временем, при растущих ценах на электроэнергию. Термотрансферный принтер этикеток