Достижения в области технологий УФ-светодиодов начали менять ландшафт освещения для садоводства. Продолжающиеся исследования направлены на определение преимуществ и оптимальных методов использования ультрафиолетового света в садоводстве. Использование оптики в сочетании с ультрафиолетовыми светодиодами может помочь в достижении поставленных целей и оптимизации роста. Хотя существует ряд материалов, пропускающих УФ-излучение, не все они равноценны или отвечают требованиям для работы с ультрафиолетом. Джастин Гэлбрейт (Justine Galbraith), инженер по стеклу, и Шарайя Фоллетт (Sharayah Follett), менеджер по развитию рынка в Kopp Glass Inc., обсуждают характеристики различных материалов, пропускающих ультрафиолетовое излучение, и способы решения практических сложностей путем интеграции оптических элементов.
Рисунок 1: Модель системы на основе УФ-светодиодов без оптики в сравнении с системой с оптикой. Слева широкий угол ведет к световым потерям. Справа свет направлен более эффективно.
Светодиодные технологии позволяют одновременно регулировать интенсивность и спектр света, что обеспечивает более эффективный и продуктивный метод освещения для роста растений, чем традиционные источники. Это также реализуется благодаря улучшениям УФ-светодиодов, которые позволяют производителям использовать дозы УФ-излучения с определенной длиной волны в нужное время цикла уборки урожая, чтобы повысить качество роста растений более экономичным способом.
Хотя технология постоянно совершенствуется, доступные на рынке УФ-светодиоды все еще имеют ограничения в достижении целевых характеристик в области садоводства. При использовании только схем УФ-светодиодов и соответствующих углов излучения сложно поддерживать или увеличивать рабочее расстояние, добиться максимальной интенсивности света и обеспечить равномерное освещение листового полога.
Традиционно для устранения этих ограничений и управления световым потоком светильников использовалась оптика. Тем не менее, проектирование оптики для улучшения характеристик УФ-светодиодов, особенно при меньшей длине волны УФ в области В, открывает совершенно новый спектр задач для специалистов по традиционным технологиям. Не все материалы пропускают ультрафиолетовые волны необходимой длины, и не все материалы, пропускающие ультрафиолетовое излучение, имеют одинаковые эксплуатационные характеристики.
Преимущества светодиодных систем в садоводстве
Светодиоды имеют много преимуществ по сравнению с традиционными технологиями ламп накаливания, люминесцентных ламп, ламп высокой интенсивности (HID) или натриевых ламп высокого давления (HPS), которые обычно использовались в помещениях фермерских хозяйств.
Большим преимуществом использования светодиодов в садоводстве является контроль температуры. Лампы HPS производят широкополосный спектр, включая ближний инфракрасный свет, который преимущественно отвечает за тепловыделение. В случае со светодиодами большая часть потребляемой энергии преобразуется в свет. Часть энергии теряется на тепло, но управление осуществляется с помощью радиаторов, систем водяного охлаждения и другими способами. Светодиоды позволяют производителям более эффективно управлять температурой окружающей среды, что необходимо для определенных растений.
Светодиоды, как правило, являются более энергоэффективными. При аналогичной светоотдаче светодиоды обычно потребляют гораздо меньше энергии, чем традиционные лампы. Светодиоды также имеют гораздо более длительный срок службы, иногда более десяти лет. Все это ведет к снижению эксплуатационных расходов для производителей [1].
Наконец, светодиоды обеспечивают излучение при необходимой длине волны. С помощью настройки спектра пользователь выбирает оптимальную длину волн в зависимости от условий применения или потребностей выращиваемых видов. Большинство имеющихся в продаже светодиодных светильников представляет собой сочетания красных, зеленых, синих и/или белых светодиодов, которые можно регулировать для достижения желаемого эффекта, например, цветения или роста растений. Кроме того, доказано, что ультрафиолетовый свет имеет дополнительные преимущества для садоводства.
Преимущества УФ-излучения для роста растений
Исследования воздействия ультрафиолетового излучения на посевы ведутся с 1960-х годов. По мере развития УФ-светодиодов у исследователей появились низкотемпературные источники света с узким спектром излучения в ультрафиолетовом диапазоне. Это позволило оценить целевые диапазоны длины волн; например, недавние испытания показали, что УФ-излучение в области B (280-315 нм) «повышает скорость фотосинтеза, обеспечивает фотозащиту молодых саженцев перед переносом на поле и улучшает пигментацию, аромат и устойчивость к грибковым заболеваниям и насекомым» [2].
УФ-излучение воздействует на фоторецепторы растений и регулирует вторичные процессы роста в течение всей жизни растений. Подтверждено, что это улучшает вкус, текстуру и внешний вид растений. В одном исследовании воздействие УФ-излучения ближнего диапазона в области B привело к увеличению толщины листа салата и ветвления пуансеттии [3]. УФ-излучение также может повысить устойчивость к болезням и увеличить срок хранения. Продемонстрировано уменьшение количества грибка и плесени. Например, доказано, что объем поражения огурца уменьшается при воздействии ультрафиолета области B [3].
Важно помнить, что дозировка УФ-света и необходимая длина волны зависят от культуры. График и место размещения УФ-освещения в цикле выращивания следует тщательно выбирать для каждого вида с учетом желаемых результатов и того факта, что чрезмерная мощность и воздействие ультрафиолетовых лучей могут причинить вред.
Идеи по интеграции УФ-светодиодов в садоводстве
Ключевой проблемой при внедрении этой технологии является определение способа интеграции УФ-светильников в существующие процессы культивирования или инфраструктуру.
Светильники видимого диапазона обычно находятся на расстоянии более четырех футов от листового покрова. Такое рабочее расстояние обеспечивает достаточно места для ухода и обслуживания растений. Это расстояние особенно важно на этапах вегетации и цветения для более высоких видов растений, а также в теплицах, где дополнительные светильники могут находиться на расстоянии более пятнадцати футов от целевой поверхности.
При таком рабочем расстоянии возможны сложности с интеграцией УФ-светодиодов, особенно при меньшей длине волны (область В). Это связано с тем, что большинство имеющихся в продаже УФ-светодиодов имеет широкие углы излучения, обычно 120-140 градусов, и более низкую выходную мощность по сравнению со светодиодами видимого диапазона. По мере увеличения рабочего расстояния зона покрытия светодиодов также увеличивается и может быстро превысить размер листового полога. Это ведет к световым потерям и ограничивает как эффективность системы, так и способность к достижению оптимальной дозировки и плотности потока фотонов (PFD), необходимых для роста растений. На рисунке 1 показан широкий угол излучения светодиода без оптического элемента и вытекающие световые потери.
Одним из способов решения этой проблемы является приближение светильника к листовому пологу для обеспечения направления всего света от УФ-светодиодов направлен на целевую поверхность. Это может потребовать значительного изменения инфраструктуры, что может повлечь чрезмерные затраты и ограничить пространство, необходимое для выращивания. Другим решением является увеличение количества светодиодов для достижения целевого PFD. Тем не менее, это решение также может быть очень дорогостоящим и не учитывает световые потери и оптическую неэффективность.
Для светильников на основе светодиодов видимого диапазона общим решением является использование коллиматорной оптики для достижения нужного угла излучения. Таким образом, рабочее расстояние можно увеличить и в то же время избежать траты энергии на свет, не попадающий на нужную поверхность, и обеспечить сохранение целевого значения мощности. На рисунке 2 показано влияние оптики на угол излучения и ее эффективность в направлении и фиксации рассеянного света. Контроль угла излучения светодиода обеспечивает гибкость конструкции, необходимую для увеличения рабочего расстояния.
Однако это решение не является столь простым для светильников на основе УФ-светодиодов. Это связано с ограниченной доступностью прозрачных материалов, подходящих для УФ-оптики в садоводстве. Требования к материалам включают высокую пропускную способность при критической длине волны УФ-излучения, механическую прочность для сохранения оптических свойств в рабочих условиях при садоводстве, возможность получения нужных форм и размеров и, наконец, соответствующую цену.
Определение ожидаемой производительности и срока службы различных материалов, пропускающих УФ-излучение, требует принятия во внимание как основных свойств материала, так и рабочей среды.
Хотя в этой статье основное внимание уделяется УФ-излучению, важно выбрать прозрачный материал, который может пропускать волны видимого и инфракрасного спектра, что позволяет разрабатывать и реализовывать светильники полного спектра.
Прозрачные материалы или УФ-оптика
Распространенное заблуждение заключается в том, что кварц является единственным прозрачным материалом, способным выдерживать длительное воздействие коротковолнового УФ-излучения. Однако новые достижения в области материалов, например, разработка компанией Kopp специального УФ-стекла, позволяют изготавливать оптику с высокой пропускной способностью в УФ, видимом и инфракрасном диапазонах, рассчитанную на сложные условия эксплуатации.
Три основные категории прозрачных материалов, которые можно использовать для изготовления оптики в УФ-системах, это полимеры, например, акрил и силикон, керамика и стекло, например, кварц и плавленый кварц, и УФ-стекло со специальным составом. Важно отметить, что УФ-стекло не является стандартным материалом в силу своей структуры, разработки, производственных ограничений и стоимости.
При выборе прозрачного материала для УФ-оптики не существует универсального решения. Каждый материал обладает уникальными свойствами, которые определяют порядок управлению светом. Очень важно оценивать каждое свойство материала с учетом всех аспектов системы освещения, от рабочей среды до желаемых показателей светоотдачи.
Для садоводства к важным критериям относятся пропускная способность, термические свойства, срок службы материала, оптическая эффективность и, что наиболее важно, гибкость в изготовлении нужной оптической конструкции. Основные свойства представлены в таблице 1 и рассматриваются в следующих разделах для оценки их влияния в системе.
|
Свойство |
Определение |
Влияние в системе |
|
Поглощение, пропускание и отражение |
Поглощение — это уменьшение количества света при прохождении сквозь материал. И наоборот, пропускание — это количество света, проходящего сквозь него. Отражение у прозрачных материалов обычно происходит на поверхности и является функцией длины волны и показателя преломления. |
Эти свойства, наряду с исполнением, помогают определить светоотдачу оптики. |
|
Термостойкость |
Рабочая температура оптического материала должна соответствовать рабочей температуре УФ-светодиода. УФ-светодиоды требуют термической регулировки для снижения рабочей температуры с целью сохранения срока службы, обеспечения эффективности и производительности.
|
При нагреве материала выше максимальной рабочей температуры возможна деформация оптики. |
|
Стойкость к УФ-излучению |
В зависимости от состава материала и качества света пропускная способность может быть нестабильной при определенной длине волн УФ. Это свойство обычно восстанавливается после прекращения воздействия. УФ-излучение также может влиять на структурную целостность материалов, вызывая пожелтение или поверхностные разрушения.
|
У материалов, которые не устойчивы к воздействию ультрафиолета, возможно снижение пропускной способности или возникновение повреждений. Это ведет к снижению светоотдачи. |
|
Химическая стойкость |
Независимо от того, подвергается ли материал воздействию обычных веществ, например воды, или иных агрессивных химических веществ, важно понимать свойства материала. Химическая стойкость зависит от состава материала. |
Деградация поверхности в результате воздействия влажности и агрессивных химических веществ влияет на пропускную способность. |
|
Коэффициент преломления |
Коэффициент преломления определяет, сколько света отражается и пропускается на поверхности, а также под каким углом он преломляется. Это значение является уникальным для каждого материала. |
Это свойство необходимо инженеру-оптику для оптимизации конструкции оптического элемента в соответствии с целевыми характеристиками. |
|
Твердость и жесткость |
Твердость — это устойчивость материала к царапинам, трещинам или постоянной деформации острыми краями другого материала. Если твердость материала известна, можно определить его устойчивость к истиранию. Жесткость — это степень, до которой материал может изгибаться или продавливаться. |
Мягкие материалы подвержены риску истирания поверхности, что влияет на пропускную способность. Недостаток жесткости может указывать на подвижность компонента, а это может негативно отразиться на светоотдаче. |
Таблица 1: Важные свойства материала, которые нужно учитывать при выборе материала для УФ-оптики
Пропускная способность прозрачных материалов
На первом месте при выборе УФ-пропускающего материала стоит пропускная способность. Необходимо определить нужную длину волны и затем понять, будет ли материал пропускать достаточно света для использования в системе. На рисунке 2 приведено сравнение спектров пропускания вышеупомянутых материалов в УФ-диапазоне.
Рисунок 2: Пропускная способность прозрачных материалов в УФ-диапазоне
Важна конструкция оптики
Оптимизированная конструкция оптики направляет весь возможный свет на целевую поверхность и позволяет повысить оптическую эффективность системы. Во многих случаях оптика, изготовленная из материалов с более низкой пропускной способностью, обеспечивает попадание большего количества света на целевой листовой полог по сравнению с плоским окном с более высокой пропускной способностью, но без оптических характеристик.
В отраслях, где применяются светодиоды, кварц давно используется для изготовления окон и простой оптики, например, стержней. Хотя кварц имеет хорошую пропускную способность, также существуют материальные и производственные ограничения, которые затрудняют изготовление оптических конструкций. В отличие от кварца, специальные, разработанные с учетом способа конечного применения УФ-стекла сложной и контурной формы можно изготовить не только в заводских условиях. Такая гибкость позволяет формировать оптические элементы как на поверхности падения, так и на поверхности отражения оптики.
Конструкция оптики будет подробно рассматриваться ниже, но это важно помнить на протяжении всего процесса оценки прозрачных материалов.
Термостойкость
Как отмечалось выше, ключевое преимущество использования светодиодов в садоводческом освещении заключается в том, что они имеют более низкую тепловую мощность и рабочие температуры по сравнению с традиционными источниками света. Светодиоды выделяют некоторое количество тепла; однако тепло генерируется по причине неэффективного преобразования электрической энергии в свет, а не из-за инфракрасного излучения.
УФ-светодиоды имеют тенденцию нагреваться сильнее, чем светодиоды видимого диапазона, поскольку имеют меньшую степень преобразования электрической энергии в оптическую. Оптическая мощность УФ-светодиодов составляет 15-25 % от входной электрической мощности, тогда как светодиоды видимого диапазона имеют эффективность генерации света около 40 % [4], и чем выше мощность светодиода, тем больше тепла может быть произведено.
В большинстве случаев температура светодиодов регулируется, обычно с помощью воздушного или водяного охлаждения. Тем не менее, необходимо знать рабочую температуру для выбора оптического материала, который не будет деградировать или деформироваться при такой рабочей температуре.
Влияние условий эксплуатации на срок службы
Необходимо помнить о влиянии различных условий эксплуатации на оптику. Например, такой материал, как УФ-стекло, обладает высокой устойчивостью к абразивному воздействию, циклическим изменениям температуры и УФ-излучению, в то время как пластмассы в аналогичной среде будут разрушаться и обесцвечиваться, что ведет к значительному снижению пропускной способности. Следует отметить, что снижение пропускной способности может значительно повлиять на характеристики светильника, особенно в таких областях, как садовое освещение, где требуется постоянный и равномерный световой поток.
Кроме того, следует учитывать влияние условий эксплуатации на сам светильник. УФ-светодиоды, особенно в области В, по-прежнему относительно дороги, и их эффективность может значительно снизиться при воздействии воды и влажности. В светильниках видимого диапазона плоские окна, защитные линзы и оптика обычно используются для защиты внутренних компонентов от воздействия окружающей среды и получения отраслевых сертификатов. Сюда относятся классификация IP и знаки сертификации, в том числе UL, ETL, CSA и CE. Аналогичным образом УФ-пропускающие окна и оптика могут использоваться для защиты УФ-светодиодов.
Для обеспечения правильной работы систем на основе УФ-светодиодов и надлежащей защиты компонентов важно использовать долговечный материал, который со временем не утратит пропускную способность и не деградирует при продолжительном использовании.
Стабильность материала при воздействии УФ-излучения
Оптическая стабильность, т. е. сохранение пропускной способности материала при эксплуатации, зависит от таких характеристик источника света, как длина волны и оптическая мощность, а также от типа используемого материала. Во многих случаях длительное воздействие ультрафиолета может снизить пропускную способность материала. Эта характеристика является уникальной для каждого материала в зависимости от химического состава, конструкции и способа обработки. Некоторые материалы являются значительно более стабильными, чем другие. Таким образом, следует проконсультироваться с производителями материалов по вопросу устойчивости к УФ-излучению.
Также важно, чтобы материал сохранял структурную целостность после продолжительного воздействия ультрафиолета, особенно в системах садового освещения с использованием УФ-излучения в области В и С. Кварц и УФ-стекло стабильны при воздействии УФ-излучения. С другой стороны, большинство полимеров, например, акрил, разрушается и деградирует даже при непродолжительном воздействии ультрафиолетового излучения [5].
Химическая стойкость в условиях эксплуатации
Часто садовые светильники подвергаются воздействию воды, влаги и других используемых в работе химических веществ. Некоторые вещества, например перекись водорода, могут оставить пленку на линзе, что снижает пропускную способность. Если материал не может выдерживать воздействие окружающей среды, его производительность снижается, что негативно сказывается на росте растений. Кроме того, идеальным вариантом является простой в очистке и обслуживании материал.
Кварц и специальное УФ-стекло устойчивы к влажности и воздействию различных химических веществ. Полимеры значительно менее устойчивы к влажности и химическому воздействию; они подвержены более высокому риску деградации, которая снижает пропускную способность и эффективность.
Влияние выбора материала на конструкцию оптики
Наконец, следует учитывать способ придания материалу окончательной формы для использования в оптике. Возможность реализации конструкции зависит от таких параметров материала, как коэффициент преломления и технологичность. Сама конструкция и пропускная способность материала определяют оптическую эффективность системы, а также возможную светоотдачу.
Коэффициент преломления
Коэффициент преломления определяет, как быстро свет проходит через материал, и как он отражается и преломляется на поверхности. Это свойство материала является дисперсионным, поэтому его следует определять с учетом используемой длины световой волны.
Каждый материал имеет критический угол, который определяется его коэффициентом преломления. Если падающий свет попадает на поверхность под углом выше критического, он полностью отражается без пропускания. На рисунке 4 показан пример полного внутреннего отражения (TIR) и использования этого принципа в конструкции оптики. Эти углы имеют основополагающее значение при проектировании криволинейной оптики для достижения целевых характеристик. Пропускная способность и коэффициент преломления материала должны быть известны на момент начала процесса проектирования оптики. Поскольку разные материалы имеют разные коэффициенты преломления, замена материалов требует изменения конструкции оптики.
Рисунок 3: Пример полного внутреннего отражения (TIR) и использования этого принципа в конструкции оптики
Технологичность материала
Для достижения необходимой эффективности прозрачный материал должен подходить для формирования оптической конструкции. Таким образом, технологичность является критической характеристикой прозрачного материала.
В отраслях, где применяются светодиоды, кварц давно используется для изготовления окон и простой оптики, например, стержней. Хотя кварц имеет хорошую пропускную способность, также существуют материальные ограничения, которые затрудняют изготовление оптических конструкций. Ему невозможно придать сложную форму путем формования или прессования. Технологии производства этого материала также имеют ограничения. Это повышает стоимость, в результате материал является непрактичным.
Полимеры также непрактичны, но по иной причине. Полимеры можно отливать в сложные формы, но в силу ограниченности способов обработки ограничен размер. Многие соединения не обладают химической стойкостью и будут разрушаться при длительном воздействии ультрафиолета, что отрицательно скажется на производительности в сфере садоводства. Полимерам также не хватает жесткости, т. е. они могут изгибаться, тогда как стекло и кварц стабильны. Это может привести к смещению оптики относительно матрицы УФ-светодиодов и к изменению светового потока.
Специальное УФ-стекло рассчитано на достижение целевых характеристик. Сюда относятся пропускание УФ-излучения с нужной длиной волны, долговечность материала и возможность экономически эффективного производства сложных оптических форм путем формования. Структурная гибкость и технологичность гарантируют, что оптика сможет отвечать требованиям и условиям эксплуатации.
Процесс проектирования оптики
Последним пунктом при выборе материала является оценка влияния конструкции оптики на мощность светильника. При изготовлении из оптимального материала оптика будет эффективно достигать целевых характеристик конечного пользователя. Например, оптика может быть рассчитана на увеличение рабочего расстояния светильника при сохранении светоотдачи. Она может перенаправлять ультрафиолетовый свет для обеспечения равномерного освещения листового полога большой площади. Она может коллимировать свет для обеспечения равномерного покрытия по мере роста растений. Или может выполнять все указанные функции, поскольку характеристики варьируются и определяются системой или конечным пользователем.
Процесс проектирования оптики обычно начинается с инженера-оптика. Необходимо знать параметры УФ-светодиода (производитель, спектральное распределение, пиковая длина волны, угол луча), оптические свойства материала (пропускная способность, коэффициент преломления) и желаемые рабочие характеристики (угол луча, карта PFD, схема интенсивности излучения). Инженер использует эту информацию для определения типа оптики, которая позволит оптимизировать систему для достижения целевых показателей. На рисунке 4 представлен пример оптики из УФ-стекла, разработанной для оптимизации линейной матрицы из 10 УФ-светодиодов.
Рисунок 4: Оптика из УФ-стекла для оптимизации линейной матрицы из 10 УФ-светодиодов
Для создания оптики, оптимизированной с точки зрения как производства, так и светоотдачи, инженер-оптик, производитель оптики и OEM-производитель освещения должны сотрудничать на ранних этапах процесса проектирования. Без тесного взаимодействия инженер-оптик может спроектировать оптику, обеспечивающую идеальное распределение света в пределах ограничений OEM-производителей светильников, но не соответствующую возможностям производителей оптики. В результате конструкция окажется очень дорогой или невозможной для производства без внесения изменений. Сотрудничество на ранних этапах позволяет сократить время на разработку изделия, избежать дорогостоящих конструктивных изменений, повысить производительность и ускорить процесс выхода на рынок.
Заключение: Оптимизация характеристик УФ-светодиодов с помощью оптики из УФ-стекла
Оптика дает преимущества и позволяет создавать дифференцированные и эффективные светильники для садоводства. Это обеспечивает гибкость проектирования для преодоления эксплуатационных сложностей и достижения целевых характеристик. Оптику можно комбинировать со светодиодами видимого и УФ-диапазона, однако при выборе подходящего материала нужно дополнительно учитывать длину волны УФ-излучения.
При проектировании оптики для систем освещения на основе УФ-светодиодов крайне важно выбрать материал, который пропускает необходимое количество УФ-излучения при критической длине волны, обладает долговечностью и обеспечивает необходимую светоотдачу в условиях садоводства. Материал должен быть также пригоден для изготовления сложных форм и размеров и при этом быть не слишком дорогостоящим.
Оптика из УФ-стекла способна отвечать требованиям производительности и технологичности для использования в садоводстве. Она повышает оптическую эффективность светильников путем эффективного направления света на целевую поверхность и обеспечения оптимального покрытия листового полога, контроля рабочего расстояния и защиты внутренних компонентов от воздействия среды.
Внедрение оптики из УФ-стекла позволяет производителям реализовать преимущества УФ-светодиодов, включая повышение качества продукции и производительности, а также снижение затрат на электроэнергию, эксплуатацию и обслуживание, что обеспечивает увеличение продуктивности и прибыльности предприятия.