Светотехника в сельском хозяйстве

Светотехника как дисциплина изучает способы генерирования (создания) излучений видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного, пространственного перераспределения и измерения характеристик оптического излучения, и также преобразование его энергии в другие её виды и использование в различных областях сельского хозяйства. Светотехника включает в себя также конструкторскую и технологическую разработку источников излучения и систем управления ими, осветительных облучательных и светосигнальных приборов, устройств и установок, нормирование, проектирование, монтаж и эксплуатацию светотехнических установок. [1]

Осветительные установки создают необходимые условия освещения, которые обеспечивает зрительное восприятие (видение), дающее около 90% информации, получаемой человеком от окружающего его мира. Освещение создает нормальные условия для работы и учебы, улучшает наш быт.

Оптическое излучение все в большей степени используется в современных технологических процессах в промышленности и сельском хозяйстве, становится неотъемлемой частью фотохимических производств, играет все возрастающую роль в повышении продуктивности животноводства и птицеводства, урожайности растительных культур.

Эффективное использование света с помощью достижений современной светотехники – важнейший резерв повышения производительности труда и качества продукции, снижения травматизма и сохранения здоровья людей.

О масштабах современной светотехники можно судить по следующим цифрам. В нашей стране в настоящее время только в промышленности и сельском хозяйстве, в общественных и жилых зданиях и на улицах городов установлено более 1,5 млрд. световых точек суммарной мощностью около 150 млн. кВт. На освещение ежегодно расходуется свыше 220 млрд. кВт. ч электроэнергии, т.е. примерно 13% вырабатываемой в стране электроэнергии. Ежегодно в СНГ выпускается более 2,5 млрд. различных электрических источников света и более 120 млн. светильников и комплектующих изделий для них. На производстве светотехнических изделий, в сфере проектирования, монтажа и эксплуатации осветительных установок трудится по приближенной оценке более 250 тыс. человек.

Становление и развитие светотехники неразрывно связано с прогрессом в области физиологии зрения, оптики, учения об электричестве. Большое значение для формирования светотехники имели работы И. Ньютона, И. Ламберта, М.В. Ломоносова, П. Бугера, Т. Юнга, В.В. Петрова, Я. Пуркинье, Г. Гельмгольца. Новая эра в истории развития светотехники открылась с переходом на использование электрических источников света. Работы А.Н. Лодыгина, Т. Эдисона, П.Н. Яблочкова, приведшие к созданию электрических ламп, послужили основой прогресса светотехники. Важными вехами на этом пути явились разработка и внедрение люминесцентных ламп, разрядных ламп высокого давления, галогенных ламп накаливания.

В последние годы особое значение имели работы по созданию и освоению производства металлогалогенных ламп, натриевых ламп высокого давления и компактных люминесцентных ламп, открывших новые перспективы высококачественного освещения и эффективного использования электроэнергии.

В нашей стране светотехника получила подлинное развитие, когда были созданы собственная промышленность, научная и проектная базы. Советская светотехническая школа внесла значительный вклад в прогресс мировой светотехники. Работы С.И. Вавилова (люминесценция, действие света), М.А. Шателена (фотометрия, нормирование), С.О. Майзеля (физические основы процесса зрения), А.А. Гершуна (теоретическая фотометрия), П.М. Тиходеева (нормирование, световые эталоны и измерения), В.В. Мешкова (принципы нормирования и проектирования), В.А. Фабриканта (теория и создание люминесцентных ламп, открытие принципа действия квантовых генераторов), Г.М. Кнорринга (принципы светотехнических расчетов и проектирования осветительных установок) сыграли большую роль в развитии отечественной и мировой светотехники.

Главной задачей современной светотехники является эффективное применение оптического излучения в технологических процессах при рациональном использовании электрической энергии, а также создание комфортной световой среды для труда и отдыха человека.

Основные понятия и определения

Излучение есть перенос энергии от излучающего тела к поглощающему. Понятие излучения можно определить как материю формы, имеющую массу покоя равную нулю, и движущуюся в пространстве с постоянной скоростью.

Энергия излучения является количественной мерой движения материи и представляет собой одну из качественных разновидностей энергии.

Свойства электромагнитных излучений от γ - излучений до диапазона радиоволн, существенно различны и определяются в значительной мере энергией фотонов. Излучения с длинами волн в диапазоне от 1,0 нм до 1,0 мм выделены из общего спектра электромагнитных излучений и называются оптическим излучением. Они объединены общим названием «оптическое излучение», потому что принципы возбуждения оптического излучения, его распространение в пространстве и преобразования в другие виды энергии общие. В данный диапазон входят видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Напомним, что 1 нанометр (нм) равен 10^-9м.

В табл. 1.1 приведена общая характеристика спектра излучений от инфракрасных до рентгеновских. [3].

Таблица 1.1- Спектр излучений в интервале от инфракрасных до рентгеновских

Видимым называются излучение, которое может вызвать непосредственно зрительное ощущение. Как видно из табл. 1.1, границы диапазона видимого света следующие: нижняя - 380 нм, верхняя-760 нм. Излучение с длиной волны 550 нм, наилучшим образом воспринимаемое глазом человека, принято за единицу.

Излучение этого диапазона используют в сельском хозяйстве для создания рационального освещения в производственных и других сельскохозяйственных помещениях. Электрическое освещение обеспечивает необходимую производительность труда, требуемое качество продукции и безопасность работы обслуживающего персонала. В ряде производств оно является важнейшим производственным фактором: в птичниках - для увеличения светового дня, в теплицах - для дополнительного освещения растений и т.п.

Правильно выполненное освещение уменьшает зрительное и общее утомление работника, способствует поддержанию чистоты и порядка в производственных и жилых помещениях.

Видимый свет представляет собой сочетание излучений семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Перед красными лучами в спектре находятся тепловые (инфракрасные) излучения, а за фиолетовыми – ультрафиолетовые.

Диапазон волн ультрафиолетового излучения находится в пределах от 380 до 10 нм. Свойства ультрафиолетового излучения зависят от длины волны. Поэтому весь ультрафиолетовый диапазон подразделяют на три условных поддиапазона: область А - 320...380 нм, область В - 275...320 нм и область С - 200...275 нм.

Длинноволновое ультрафиолетовое излучение (область А) способно вызывать свечение некоторых веществ, поэтому его используют в основном для люминесцентного анализа химического состава и биологического состояния продуктов.

Средневолновое ультрафиолетовое излучение (область В) оказывает сильное биологическое действие на живые организмы. Оно способно вызывать эритему (покраснение кожи) и загар, превращать в организме животных необходимый для роста и развития витамин D в усвояемую форму и обладает мощным антирахитным действием.

Более короткое ультрафиолетовое излучение области С отличается сильным бактерицидным действием, поэтому его широко используют для обеззараживания воды и воздуха, для дезинфекции и стерилизации помещений, различного оборудования, инвентаря и посуды.

Инфракрасные излучения с длиной волны от 760 до 10⁵ нм, проникая в поверхностные слои тканей живого организма или растения, большую часть своей энергии расходуют на образование теплоты. Глубина проникновения инфракрасного излучения в тело животного доходит до 2,5 мм, в зерно - 1...2 мм, в сырой картофель - до 6 мм, в хлеб при выпечке - до 7 мм.

В сельском хозяйстве инфракрасные излучения используют для обогрева молодняка животных и птицы, сушки и дезинсекции сельскохозяйственных продуктов (зерно, фрукты, чай, хмель, табак и др.), пастеризации молока, сушки лакокрасочных покрытий и пропитанных изделий и т. д.

Энергия излучений носит название "лучистой энергии". Считается, что лучистая энергия передается в пространстве электромагнитными волнами, частота которых определяется величиной энергии фотона, Дж:

, (1.1)

где h - постоянная Планка, равная 6,624•10^-34 Дж•с; f - частота электромагнитных колебаний, с^-1.

Длина волны излучения , нм, и частота электромагнитных колебаний связаны между собой зависимостью

, (1.2)

где с - скорость света, равная 3×10⁸, м/с.

Величина передаваемой лучистой энергии Q от тела излучающего к телу поглощающему зависит от величины и количества фотонов и измеряется в джоулях (Дж). В практических расчетах чаще необходимо знать не всю величину лучистой энергии, а значение лучистого потока Ф, который характеризует количество энергии, излучаемой источником в единицу времени τ.

Поток Ф излучения, Вт (Дж/с), характеризует мощность оптического излучения:

Ф=dQ/dτ. (1.3)

Важной характеристикой является спектральная плотность потока излучения Ф(λ), Вт/нм, которая отражает распределение энергии всего излучения по спектру в соответствии с каждой монохроматической однородной составляющей:

Ф(λ)=dФ(λ)/dλ. (1.4)

Поток излучения связан со спектральной плотностью интегралом

(1.5)

Поток излучения, поглощенный приемником и преобразованный в нем в полезную мощность другого вида энергии, принято называть эффективным потоком Ф_эф.

Различают следующие формы преобразования поглощенной энергии излучения: фотоэффект - изменение электрического состояния поглощающего тела; фотолюминесценция - излучение энергии молекулами, возбужденными излучением; фотохимическое действие - изменение химического состояния тела, поглощающего излучение; фотобиологическое действие - изменение биологического состояния живого организма, подвергающегося излучению (облучению).

Эффективный поток Ф_эф составляет лишь долю всего падающего на приемник потока Ф:

(1.6)

где с - коэффициент пропорциональности; α - коэффициент поглощения излучения; η_e- энергетический КПД преобразования излучения приемником.

Чувствительность приемника того или иного излучения - это мера "реакции" приемника, отнесенная к мощности падающего на него излучения

(1.7)

Для определения эффективных потоков по уровню реакции того или иного образцового приемника построены системы эффективных величин и единиц, облегчающие количественную оценку процессов преобразования энергии излучений и упрощающие расчеты, связанные с её использованием.

В принятых системах эффективных величин (табл. 1.2) приемники излучения имеют избирательность и существенно отличаются спектральными характеристиками. Например, глаз человека и зеленый лист растения воспринимают излучения в почти одинаковом спектральном интервале. Однако то монохроматическое излучение, которое глаз воспринимает лучше всего (550 нм), для зеленого растения менее эффективно. Это говорит о том, что единицы и величины одной системы не могут быть использованы взамен единиц и величин другой, если не известны соотношения между ними. Соотношения же эти существенно зависят от спектрального состава излучения.

Таблица 1.2 - Системы принятых эффективных величин

В системе световых величин за единицу эффективного светового потока , воздействующего на глаз человека, принят люмен (лм). Индекс у потока означает, что величина относится к световой системе. 1 лм=1/683 Вт при однородном излучении с длиной волны, равной 550 нм. При другой волне 1 люмен не будет равновелик мощности 1/683 Вт. Существует и другое определение: люмен - это поток, излучаемый абсолютно черным телом с площадью 0,5305 мм² при температуре затвердевания платины (2042 К). Упрощенно абсолютно черным считается тело, которое испускает излучения равномерно и в одном направлении, все же приходящие излучения оно поглощает, то есть не обладает отражательной способностью.

Некоторое представление о значении люмена могут дать следующие примеры. Световой поток , падающий на 1 м² поверхности Земли летом при ясном небе, достигает 100000 лм; световой поток лампы накаливания мощностью 100 Вт напряжением 220 В составляет 1000 лм; световой поток лампы карманного фонаря равен примерно 6 лм.

О световом потоке можно также сказать, что это производная от силы света по величине телесного (пространственного) угла w:

(1.8)

где - элементарный световой поток, лм; - сила света, кд (кандела); - элементарный пространственный угол, ср (стерадиан).

В свою очередь, сила света есть пространственная плотность светового потока, то есть отношение светового потока к значению телесного угла , в котором он равномерно распределяется

(1.9)

Единица силы видимых излучений – кандела равна: 1 кд = 1 лм/1 ср.

Стерадиан (ср) - это телесный угол, который имеет вершину в центре сферы (шара) и опирается на участок сферы с площадью, равной квадрату радиуса сферы. Другое определение, используемое в расчетах: кандела - это 1/60 силы света, испускаемого с 1 м² абсолютно черного тела при температуре затвердевания платины (см. выше).

Светимость М_v - поверхностная плотность светового потока, испускаемого поверхностью, равная отношению светового потока Ф_v к площади светящейся поверхности S_п, м²

. (1.10)

Единица светимости - люмен на квадратный метр (лм/м²).

Яркость L_v - поверхностная плотность силы света в заданном направлении, равная отношению силы света I_v к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к тому же направлению:

L_v = I_v / (S_n cos α), (1.11)

где α - угол между светящейся поверхностью и заданным направлением.

Единица яркости - кандела на квадратный метр (кд/м²).

Освещенность E_v - поверхностная плотность светового потока, то есть отношение светового потока Ф_v к площади S_o, на которую он равномерно падает:

. (1.12)

Единица освещенности - люкс (лк); 1 лк = 1 лм/м².

Светимость и яркость зависят от коэффициентов отражения освещаемых поверхностей. Освещенность не зависит от коэффициента отражения. Яркость связана с определенным направлением, а освещенность и светимость не связаны с направлением.

Физические представления о значениях некоторых величин могут дать следующие примеры: освещенность в хирургической операционной должна быть равна 3000 лк, при чтении книги - 50 лк; светимость чистого снега в солнечный полдень достигает 80000 лм/м²; светимость вольфрамовой нити лампы накаливания мощностью 100 Вт, напряжением 220 В, при температуре нити Т = 2700 К равна 17•10⁶ лм/м²; яркость солнца, находящегося в зените, составляет 150•10⁷ кд/м², яркость белой бумаги при освещенности в 50 лк равна 0,05 кд/м².

В отличие от общей энергии излучения, измеряемой в джоулях, световую энергию лучше представить как произведение светового потока Ф_v на продолжительность его действия τ, в люмен-секундах (лм•с):

. (1.13)

Световая отдача - это отношение светового потока источника света к мощности, потребляемой источником:

(1.14)

Световая отдача измеряется в люменах на ватт (лм/Вт). Существует также понятие о световой экспозиции H_v, определяющей продолжительность действия определенной освещенности E_v, лк, за установленное время, ч, т.е. в люкс-часах (лк•ч):

. (1.15)

Дадим некоторые сведения о световых свойствах материалов.

Световой поток, который падает в общем случае на любую поверхность, частично отражается, частично пропускается и частично поглощается. Если на поверхность падает световой поток Ф_v, то в зависимости от свойства материала поверхности он разделяется на три составляющие: отраженный поток , пропущенный поток и поглощенный поток . Так что в сумме

. (1.16)

Из выражения (1.16) следует, что сумма коэффициентов отражения r, пропускания t и поглощения a

. (1.17)

Проходя через тело или отражаясь от него, световой поток в той или иной мере рассеивается. При отсутствии рассеивания отражение или пропускание потока называют направленным (примеры - зеркало или оконное стекло). Отражение или пропускание, при котором свет рассеивается настолько, что поверхность приобретает яркость, одинаковую по всем направлениям, называют диффузным. Примеры диффузного отражения - у мела, гипса; диффузно пропускает световой поток молочное стекло. Матовые поверхности дерева, бумаги, ткани близки к диффузным. Лучшей отражающей способностью обладает сернокислый барий (до 95% падающего на него потока). Свинцовые белила отражают до 90% падающего потока. В результате указанными материалами покрывают киноэкраны для получения более яркого изображения. Зеркало отражает 85% падающего потока, снег - 80...98%, трава - 7%, черная кожа – 1,5%.

В системе фотосинтезных величин за единицу эффективного фотосинтезного потока , оцененного по реакции на облучение зеленого растения, принят фит (фт). Индекс у потока означает, что величина относится к системе фотосинтезных величин. Фит - это один ватт излучения при длине волны 680 нм.

В системе витальных величин за единицу эффективного потока, названного витальным , принят один вит (вит) - поток излучения в один ватт при длине волны 297 нм.

В системе бактерицидных величин за единицу эффективного (бактерицидного) потока принят один бакт (бк) - поток излучения в один ватт при длине волны 254 нм.

Остальные производные величины и единицы измерения для трех указанных систем приведены в табл. 1.2. [3].

Преобразование оптического излучения происходит в приемниках оптического излучения, под которыми понимаются любые объекты независимо от их происхождения и агрегатного состояния, в которых энергия оптического излучения превращается в другие виды энергии. Первичным процессом преобразования излучения является поглощение приемником фотонов падающего на него излучения. Количественно этот процесс оценивается коэффициентом поглощения α, представляющим собой отношение поглощенной приемником энергии оптического излучения к упавшей на него. [4].

В соответствии с законом сохранения энергии для оптического излучения процесс преобразования в общем, виде можно описать следующим уравнением:

(1.18)

где Q_α – энергия оптического излучения, поглощенная за промежуток времени dt, Дж; α – коэффициент поглощения излучения приемником; Ф(t) – поток излучения, упавший на приемник, в функции времени, Вт; Q_Э – эффективная энергия, Дж; Q_П – энергия потерь, Дж.

Величины W_Э и W_П требуют разъяснения. Энергия оптического излучения принципиально может преобразовываться в любой другой вид энергии: тепловую, электрическую, энергию химических связей и т.п.

В практике установки, в которых используется оптическое излучение, имеют конкретное назначение получить определенный положительный результат воздействия оптического излучения на приемник, в качестве которого может быть человек, животное, растение, сельскохозяйственные продукты, фотоэлемент, фоторезистор и т.п.

При решении таких задач предусматривается превращение в приемнике энергии оптического излучения в определенный другой вид энергии, что позволит получить ожидаемый положительный результат. Но, как и в любом процессе, преобразование одного вида энергии в другой не обходится без потерь, то есть часть энергии излучения преобразуется в такие виды энергии, которые для решения данной задачи не нужны.

Таким образом, под Q_Э следует понимать ту часть поглощенной приемником энергии излучения, которая преобразовалась в необходимый вид энергии, обеспечивающий ожидаемый положительный эффект. Другие виды энергии, которые при этом образовались побочно, следует отнести к потерям Q_П.