Лекція 8. Електричне освітлення і опромінення в сільському господарстві

1. Промениста енергія

Видиме випромінювання сприймається оком людини як світло. Через органи зору людина сприймає до 90% всієї одержаної нею інформації: світло – це особлива форма існування матерії у вигляді електромагнітного поля.

Матерія має енергію, маса спокою її дорівнює 0, а швидкість руху у вакуумі максимальна:

C = 3·10⁸ м/с = 300 000 [км/с].

Зміни стану електромагнітного поля носять коливальний характер, частота коливань позначається грецькою буквою υ (с ^-1  , Гц)

Між швидкістю C, частотою υ і довжиною хвилі коливань λ існує залежність

, [нм]                                             (8.1)

Довжина хвилі λ вимірюється у нанометрах (1нм = 10 ^-9 м).

Електромагнітні коливання (поле) існують на всіх частотах, а, значить, і довжинах хвиль.

В сільському господарстві використовують енергію електромагнітних коливань в діапазоні 10... 340 000 нм . Випромінювання цієї частини спектра електричних коливань можуть бути виявлені оптичними приладами, тому вони одержали назву область оптичних випромінювань (табл. 8.1.).

Діапазон спектра оптичного випромінювання лежить у межах від 5·10^-3 напівтемних до 1 мм. Цей діапазон у свою чергу підрозділяється на ультрафіолетову (від 5·10^-3 до 0,4 напівтемних), видиму (від 0,4 до 0,76 напівтемних) і інфрачервону (від 0,76 напівтемних до 1 мм) області. Інфрачервона область ділиться на короткохвильовий (від 0,76 до 1,5 напівтемних), средневолновый (від 1,5 до 20 напівтемних) і довгохвильовий (від 20 напівтемних до 1 мм) ділянки.

Таблиця 8.1. Спектр оптичного випромінювання

Залежно від впливу на біологічні об’єкти ультрафіолетове випромінювання поділяється на три зони: А, В, С.

Випромінювання зони А (довжина хвилі 315…380 нм) має біологічну активність і здатне викликати пігментацію (потемніння) шкіри людини, а також здійснює позитивний вплив на організм свійських тварин і птиці, визначає нормативний ефект у рослин.

Таке випромінювання застосовується для люмінесцентного аналізу хімічного складу різних речовин і біологічного стану продуктів харчування.

Випромінювання зони В (довжина хвилі 280…315 нм) має більшу енергію фотонів та спричиняє тонізуючу і терапевтичну дію на живі організми, що здатне викликати пігментацію і подразнення шкіри (еритему). Таке випромінювання має потужну антирахітну дію та здатне перетворювати вітамін D в організмі тварин (необхідний для росту і розвитку тварин) в легко засвоювану форму, але, в свою чергу, УФ випромінювання зони В шкідливе для більшості рослин. Таке випромінювання застосовується, зазвичай, для стимулюючого опромінення молодняку тварин і птиці.

Зона С (довжина хвилі 100…280 нм) відрізняється сильною бактерицидною дією фотонів великої енергії на віруси і мікроорганізми. Тому використовується для знезаражування води і повітря, дезінфекції і стерилізації інвентарю, посуду тощо.

Видимим називають випромінювання діапазону від 380 до 780 нм, яке безпосередньо викликає зорові відчуття у людини. Випромінювання застосовують для створення необхідного рівня освітленості під час виконання відповідних робіт людиною, або забезпечення їй візуальних комфортних умов. Крім того, видиме випромінювання є основою реакції фотосинтезу в рослин, сприяє збільшенню продуктивності та регулюванню біологічних ритмів тварин і птиці.

Інфрачервоне випромінювання (понад 780 нм) має найменшу енергію фотонів, яка під час поглинання призводить лише до коливання електронів на енергетичних орбітах, що проявляється як утворення теплоти в опромінюваному тілі. У сільському господарстві використовується для обігріву молодняку тварин і птиці, сушіння сільськогосподарських продуктів, пастеризації молока тощо.

Залежно від впливу на біологічні об’єкти інфрачервоне випромінювання також поділяється на три зони: А, В, С.

Границі цих зон в інфрачервоному діапазоні спектра є в значній мірі умовними, і в ряді випадків можна зустріти інший розподіл спектра. Всі тіла, температура яких вище абсолютного нуля, є джерелами випромінювання й характеризуються випромінювальною та поглинальною здатностями. Спектральною випромінювальною здатністю тіла називається кількість енергії, випромінюваної в нескінченно вузькому інтервалі довжин хвиль із одиниці поверхні тіла в одиницю часу при температурі Т у всіх напрямках.

Спектральна випромінювальна здатність тіла визначається щільністю його випромінювання, віднесеної до певної довжини хвилі, і виміряється у Вт. Спектральною поглинальною здатністю тіла називається відносна величина, що показує, яка частина падаючої на поверхню тіла променистої енергії в нескінченно вузькому інтервалі довжин хвиль поглинається ним при температурі Т.

Тіла, що повністю поглинають падаючий на них потік випромінювання, що володіють максимальною енергетичною світністю, називають абсолютно чорними (АЧТ). Зв'язок між випромінювальною й поглинальною здатностями встановлюється за допомогою закону Кірхгофа. Енергетична сила світла АЧТ, що випромінюється в простір, пропорційна косинусу кута між напрямком випромінювання й нормаллю до випромінюючої площини.

2. Фотобіологічна дія оптичного випромінювання

Енергія оптичного випромінювання безпосередньо діє на людей, тварин, рослин, мікроорганізми та інші приймачі. Існують наступні основні види фотобіологічної дії:

Світлова дія - виражається в зоровому відчутті людини і дозволяє орієнтуватись в просторі.

Фотосинтез - поглинання рослинами видимого і УФ випромінювання.

Фотоперіодична дія - чередування і тривалість освітлення і темноти.

Терапевтична дія - опромінення людей тварин, птиці дозованою кількістю УФ, ІЧ і видимого опромінювання, що призводить до покращення обмінних речовин, опору до зменшення захворювань.

Бактерицидна дія - викликає знищення бактерій.

Мутагенна дія - тривала дія на рослини, тварини УФ опроміненням, яке призводить до спадкоємних змін, (виведення нових сортів).

3. Енергетичні величини і одиниці їх вимірювання

Для кількісної оцінки дії оптичного випромінювання користуються системою енергетичних величин. Мірою випромінювання є енергія Q, що вимірюється в Дж, але на практиці зручніше користуватись не енергією, а потужністю випромінювання або потоком випромінювання Ф.

Потоком випромінювання Ф називають енергію випромінювання, що переноситься за одиницю часу від джерела випромінювання до опромінюваного об’єкта:

,                                              (8.2)

де dW – енергія випромінювання, що передається за час dt, Дж; dt – проміжок часу, впродовж якого випромінювання може бути сприйнятим, с.

Для опису розподілу потоку випромінювання за спектром (в залежності від довжини хвилі випромінювання) використовують поняття спектральної густини потоку випромінювання :

,                                          (8.3)

де  – однорідний потік на ширині смуги .

Рис. 8.2. Потік а) і спектральна густина випромінювання б)

Просторову густину потоку випромінювання джерела називають силою випромінювання (Вт⋅ср^‐1), яка визначається як відношення потоку випромінювання до тілесного кута, у якому він рівномірно розподілений:

,                                             (8.4)

де ω – значення тілесного кута. Одиниця вимірювання тілесного кута – стерадіан (ср).

Тілесний кут в 1 стерадіан відповідає куту конуса із вершиною в центрі сфери, що відтинає в сфері радіусом r площу поверхні  (рис. 8.3):

.                                                 (8.5)

Рис. 8.3. Тілесний кут

Густина випромінювання (Вт⋅м^‐2) – це відношення потоку випромінювання до площі випромінювальної поверхні:

.                                          (8.6)

де  – площа поверхні, що опромінюється.

Густина потоку на випромінюваній поверхні – енергетична світність (Вт⋅м^‐2):

,                                        (8.7)

де  – площа випромінювальної поверхні.

Кількість енергії опромінення або енергетична експозиція визначається за формулою:

.                                      (8.8)

Таким чином, існують наступні енергетичні характеристики оптичного випромінювання:

4. Вимірювальні прилади оптичного випромінювання

Оптичне випромірювання може бути виміряно тоді, коли воно поглинається яким небудь тілом і перетворюється в інший вид енергії:

• теплову;
• електричну;
• хімічну.

На практиці більш широке застосування отримала теплова і фотоелектрична дія. Для вимірювання тепла широке застосування знайшли болометри (рис. 8.4.).

Болометр, це пристрій в якому чутливим елементом є первинний перетворювач виготовлений із міді, платини, нікеля. Принцип дії таких датчиків засновано на зміні опору первинного перетворювача. Тобто при зміні температури тіла змінюється опір первинного перетворювача.

Рис. 8.4. Загальний вигляд болометра

Електричні приймачі перетворюють енергію випромінювання в електричну за рахунок фотоефекту. До них відносяться фоторезистори, фотодіоди, фото транзистори. Їхній принцип дії засновано на внутрішньому фотоефекті. Тобто енергія оптичного випромінювання переводить електрони матеріалу в вільний стан, що збільшує провідність матеріалу.

Рис. 8.5. Фоторезистор

Люксметри (рис. 8.6) призначені для вимірювання освітленості на певній площині. Люксметр складається із селенового фотоелемента, вмонтованого в пластмасову оправу з ручкою, гальванометра, шкала якого проградуйована в люксах, і з’єднувальних проводів.

Рис. 8.6. Люксметр

Для вимірювання великих освітленостей на селеновий фотоелемент надівається світлофільтр з відповідним коефіцієнтом пропускання, що дозволяє збільшити межі вимірювання до 1000 разів.

Принцип дії селенового фотоелемента основано на тому, що під дією світла в фотоелементі виникає електричний струм.

Для вимірювання фотосинтезної опроміненості використовують фітофотометри ФИТОМ-70 та ФФМ-71, спектральна чутливість яких близька до середньої спектральної чутливості листка рослини.

Для вимірювання ультрафіолетового опромінення використовують уфіметри (рис. 8.6.) УФИ-73 та УФД-73, ерметри УБФ та УФМ-71, бактометр УФБ-1А, ердозиметр УФД-1А.

Рис. 8.7. Вимірювач УФ випромінювання UVA Meter

Принцип дії уфіметрів заснований на перетворенні енергії ультрафіолетового випромінювання на електричні імпульси.

Для вимірювання інфрачервоного випромінювання використовується піранометри (рис. 8.8), болометри і термоелементи з оптичним фільтром КС-19, пристрій ТФА-2, фотощуп ИВФ-1 тощо.

Рис. 8.8. Загальний вигляд піранометра

5. Будова і робота електричних джерел світла, їх енергетичні та експлуатаційні характеристики

Електричними джерелами світла є лампи розжарювання, люмінесцентні лампи низького тиску, люмінесцентні енергозберігаючі лампи, галогенні лампи.

Електричні лампи розжарювання (рис. 8.9) є найпоширенішим електричним джерелом світла у сільському господарстві. Принцип дії ламп розжарювання ґрунтується на перетворенні електричної енергії, що підводиться до її нитки, на енергію видимих випромінювань, які впливають на органи зору людини і створюють у неї відчуття світла, близького до білого. Процес перетворення відбувається в лампі при нагріванні її нитки з вольфраму до температури 2600—2700 °С. Нитка лампи не перегоряє, оскільки температура плавлення вольфраму (3200—3400 °С) значно вища за температуру розжарювання нитки, а також внаслідок того, що з колби лампи видалене повітря або колба заповнена інертними газами (сумішшю азоту, аргону, ксенону), в середовищі яких метал не окислюється.

Рис. 8.9. Лампа розжарювання

Строк служби ламп розжарювання коливається в широких межах, оскільки залежить від умов роботи, в тому числі від стабільності номінальної напруги, наявності чи відсутності механічних впливів на лампу (поштовхи, струси, вібрації), температури навколишнього середовища, тощо. Середній строк служби лампи розжарювання загального призначення становить 1000 — 1200 год.

При тривалій роботі лампи розжарювання її нитка розжарення під дією високої температури нагрівання і поступово випаровується, зменшуючись у діаметрі, і, нарешті, перегоряє. Чим вища температура нагрівання нитки розжарення, тим більше світла випромінює лампа, але при цьому інтенсивніше відбувається процес випаровування нитки і скорочується строк служби лампи. Тому для ламп розжарювання встановлюється така температура розжарення нитки, за якої забезпечуються необхідна світловіддача лампи і певна тривалість її служби.

Лампи розжарювання, з внутрішнього об’єму (колби) яких видалено повітря, називаються вакуумними, а з колбами, заповненими інертними газами, – газоповними або галогенними (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Газоповна лампа розжарювання

Газоповні лампи мають більшу світловіддачу, ніж вакуумні, оскільки газ, який знаходиться в колбі під тиском, перешкоджає випаровуванню нитки розжарення, що дає змогу підвищити її робочу температуру. Недоліком газоповних ламп є деяка додаткова втрата в них теплоти нитки розжарення через конвекцію газу, що заповнює внутрішню порожнину колби.

З метою зниження теплових втрат газоповні лампи заповнюють малотеплопровідними газами. Одним із способів зниження теплових втрат є також зменшення розмірів і зміна конструкції нитки розжарення, які виконують у вигляді щільної гвинтоподібної спіралі (моноспіралі) або подвійної спіралі (біспіралі).

Основний недолік ламп розжарювання — низька світловіддача: лише 2 — 4 % споживаної ними електричної енергії перетворюється на енергію видимих випромінювань, що сприймаються людським оком, решта енергії переходить, головним чином, у теплоту, яка випромінюється лампою.

Люмінесцентна лампа (рис. 8.11) працює за рахунок виникнення розряду між двома електродами (нитками розжарювання) на кінцях лампи. При розряді, електрони, що виділяються з електродів бомбардують шар спеціального матеріалу люмінофору, яким покрита колба лампи з внутрішньої сторони і він починає світитися. Для кращої провідності розряду в колбу лампи поміщують незначну кількість ртуті, яка перебуває у вигляді пари.

Рис. 8.11. Люмінісцентна лампа денного світла

Люмінесцентна енергозберігаюча лампа (рис. 8.11) працює за тим ж принципом, що й звичайна люмінесцентна, тільки відрізняється формою, габаритами та споживаною потужністю.

Рис. 8.12. Енергозберігаюча люмінісцентна лампа

LED – лампа (рис. 8.13.) світиться за рахунок світлодіодів, які споживають дуже малу кількість електроенергії при тих самих параметрах освітлення і мають великий термін служби.

Рис. 8.13. LED (світлодіодна) лампа

До електричних характеристик електричних ламп належать номінальна напруга мережі живлення, номінальна електрична потужність.

Основною світлотехнічною характеристикою ламп є світловий потік. У процесі експлуатації лампи світловий потік через розпилювання тіла розжарювання, зниження його робочої температури і прозорості колби зменшується. Для ламп, що пропрацювали 75% номінального строку служби допускається зменшення світлового потоку до 72…85% залежно від типу лампи, потужності і категорії  виготовлення.

Експлуатаційними характеристиками, що визначають економічні показники роботи є світлова віддача і номінальний строк служби.

Ртутна лампа високого тиску ДРЛ (рис. 8.14.) складаються з трубки (пальника) із прозорого кварцового скла, розраховану на робочі температуру близько 800 °С і закріплену за допомогою траверси всередині зовнішньої еліпсоподібної колби (ця форма забезпечує рівномірний розподіл температури). Всередину трубки після ретельного видалення сторонніх газів вводиться строго дозована кількість ртуті і аргону при тиску 1,5 ... 3 кПа. Аргон служить для полегшення розряду і захисту електродів від розпилення в початковій стадії розгоряння лампи, так як при кімнатній температурі тиск парів ртуті дуже низький.

Рис. 8.14. Дугова ртутна лампа високого тиску (ДРЛ)

На кінцях пальника напаяно два активованих (покритих шаром окислів лужноземельних метала) вольфрамових електрода і поруч з кожним з них по одному додатковому − запалюючому електроду довжиною 2 мм. Такі лампи називаються чотирьохелектродними. Наявність запалювальних електродів забезпечує запалення не розігрітих ламп при напрузі не нижче 90% номінальної, так як початковий розряд виникає між сусідніми робочими і запалювальними електродами. Напруга на електроди подається через різьбовий цоколь. Після виникнення розряду в лампі запалювальні електроди на її роботу не впливають, тому що в їх ланцюг включено струмообмежуючий опір.

Зовнішня колба покрита зсередини люмінофором і заповнюється сумішшю аргону і азоту для запобігання окислення і відведення тепла від пальника.

Лампи ДРЛ включаються в мережу послідовно з баластним дроселем, втрати потужності в якому складають приблизно 10% потужності лампи. При низьких температурах навколишнього середовища (нижче - 30°С) необхідно застосовувати імпульсний запалюючий пристрій, який забезпечує її запалювання при температурах до - 45 ° С.

Для запалювання ламп ДРЛ характерна наявність періоду розгоряння, що досягає п'яти - семи хвилин. Протягом цього періоду основні характеристики лампи зазнають зміна внаслідок зміни тиску парів ртуті в пальнику. В лампах потужністю 80 Вт тиск підвищується до 10⁶ Па, в лампах потужністю 1000 Вт - до 2,5·10⁵ Па. При цьому, пусковий струм лампи в два рази перевищує номінальний.

Через те, що, що після відключення лампи ДРЛ тиск парів залишається високим, запалити її повторно можна тільки після її охолодження через 5 ... 10 хвилин. Тому в мережах аварійного освітлення лампи ДРЛ не використовуються.

Якщо напругу живлення зникне на півперіуда або знизиться нижче 90% від номінального на два періуди, лампа згасне і запалиться знову, коли охолоне.

Пульсація світлового потоку цих ламп дуже значна (коефіцієнт пульсації становить 63 ... 74%).

Оптимальним положенням лампи є вертикальне. При горизонтальному положенні світловий потік зменшується на 2 ... 5%.

Лампи ДРЛ випускаються потужністю від 50 до 2000 Вт. Їх світлова віддача складає від 40 до 60 лм / Вт.

Середня тривалість горіння − до 20000 годин. До кінця терміну служби світловий проток знижується до 60% від номінального.

Металогалогенні лампи ДРІ — це джерела освітлення з високою потужністю та порівняно невеликим енергоспоживанням (рис. 8.15.). Їх відносять до газорозрядних ламп, оскільки на відміну від звичайних ламп розжарювання, вони випромінюють світло газових розрядів, а не теплове світіння нитки розжарювання.

Рис. 8.15. Металогалогенна лампа (ДРІ)

Пристрій і принцип дії металогалогенних ламп заснований на тому, що нітрати багатьох металів випаровуються легше, ніж самі метали, і не руйнують кварцове скло. Тому всередину колб металогалогенних ламп крім ртуті і аргону додатково вводяться різні хімічні елементи у вигляді їх галоїдних сполук, наприклад, йод, бром, хлор.

Після запалювання розряду, коли досягається робоча температура колби, галогеніди металів частково переходять в пароподібний стан. Потрапляючи в центральну зону розряду з температурою кілька тисяч градусів Кельвіна, молекули галогенідів дисоціюють на галоген і метал. Атоми металу збуджуються і випромінюють характерні для них спектри. Дифундуючи за межі розрядного каналу і потрапляючи в зону з більш низькою температурою поблизу стінок колби, вони возз'єднуються в галогеніди, які знову випаровуються. Такий замкнутий цикл забезпечує деякі переваги перед лампами ДРЛ: по-перше в розряді створюється концентрація атомів металів, що дають необхідний спектр випромінювання, так як при робочій температурі кварцової колби 800 ... 900 °С тиск парів галогенідів багатьох металів значно вище, ніж самих металів , таких як талій, індій, скандій, діспрозій і ін. і по-друге з'являється можливість вводити в розряд лужні метали, такі як натрій, літій, цезій та інші агресивні метали (наприклад, кадмій, цинк), які в чистому вигляді викликають швидке руйнування кварцового скла , а у вигляді галогенідів не викликають такого руйнування.

Такі лампи працюють від змінного струму, тому для їх справного функціонування необхідно використовувати спеціальний баласт і імпульсні запальні пристрої (ІЗП).

Натрієва лампа високого тиску (ДНаТ) являє собою (рис. 8.16) циліндричну розрядну трубку з полікристалічного окису алюмінію змонтовану в вакуумовану циліндричної або еліпсоїдної форми колбу з термостійкого скла.

Натрієві лампи високоготиску (НЛВТ) потужністю 400 і 250 Вт знаходяться в стадії впровадження, дослідницькі роботи спрямовані в основному на значне поліпшення їх кольоровості, яка в даний час така, що різко обмежує область застосування цих ламп.

Рис. 8.16. Натрієва лампа високого тиску (ДНаТ)

Крім випарів натрію розрядна трубка заповнена ксеноном і випарами ртуті. Із зовнішньої колби відкачане повітря, що підвищує теплоізоляцію розрядної трубки. Лампи ДНаТ мають високу світлову віддачу – до 130 лм⋅Вт^-1.

Термін служби натрієвих ламп становить близько 10000 годин, що дозволяє значно знизити капітальні витрати.

6. Види і системи освітлення

Правильно спроектоване і раціонально виконане освітлення виробничих приміщень має позитивний психофізіологічний вплив на працюючих, сприяє підвищенню ефективності та безпеки праці, знижує стомлення і травматизм, зберігає високу працездатність.

Відчуття зору відбувається під впливом видимого випромінювання (світла), яке являє собою електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 380-760 нм. Для якісної оцінки умов зорової роботи використовують такі показники, як фон, контраст об'єкта з фоном, коефіцієнт пульсації освітленості, показник освітленості, спектральний склад світла.

При освітленні виробничих приміщень використовують:

-        природне освітлення, що створюється прямими сонячними променями та розсіяним світлом небосхилу і змінюється в залежності від географічної широти, пори року і доби, ступеня хмарності, прозорості атмосфери;

-         штучне освітлення, що створюється електричними джерелами світла;

-         суміщене освітлення, при якому недостатнє за нормами природне освітлення доповнюють штучним.

Конструктивно природне освітлення поділяють на бічне (одно- і двостороннє), що здійснюється через світлові прорізи в зовнішніх стінах; верхнє − через аераційні і зенітні ліхтарі, прорізи в покрівлі і перекриттях; комбіноване − поєднання верхнього та бокового освітлення.

Штучне освітлення за конструктивним виконанням може бути двох видів − загальне та комбіноване. Систему загального освітлення застосовують у приміщеннях, де по всій площі виконуються однотипні роботи. Розрізняють загальне рівномірне освітлення (світловий потік розподіляється рівномірно по всій площі без урахування розташування робочих поверхонь) і загальне локалізоване освітлення (з урахуванням розташування робочих поверхонь).

При виконанні точних зорових робіт (наприклад, слюсарних, токарних, контрольних) у місцях, де обладнання створює глибокі, різкі тіні або робочі поверхні розташовані вертикально, поряд із загальним освітленням застосовують місцеве освітлення. Сукупність місцевого і загального освітлення називають комбінованим освітленням. Застосування одного місцевого освітлення всередині виробничих приміщень не допускається, оскільки утворюються різкі тіні, зір швидко стомлюється і створюється небезпека виробничого травматизму.

За функціональним призначенням штучне освітлення поділяють на робоче, аварійне і спеціальне, яке може бути охоронним, черговим, евакуаційним, еритемним та ін.

Робоче освітлення призначене для забезпечення нормального виконання виробничого процесу, проходу людей, руху транспорту і є обов'язковим для всіх виробничих приміщень.

Аварійне освітлення влаштовують для продовження роботи в тих випадках, коли раптове відключення робочого освітлення (при аваріях) і пов'язане з цим порушення нормального обслуговування обладнання може викликати вибух, пожежу, отруєння людей, порушення технологічного процесу тощо Мінімальна освітленість робочих поверхонь при аварійному освітленні повинна складати 5% від нормованої освітленості робочого освітлення, але не менше 2 лк.

Евакуаційне освітлення призначене для забезпечення евакуації людей з виробничого приміщення при аваріях і відключенні робочого освітлення; організується в місцях, небезпечних для проходу людей: на сходових клітках, вздовж основних проходів виробничих приміщень, в яких працюють більше 50 осіб. Мінімальна освітленість на підлозі основних проходів та на сходах при евакуаційному освітленні повинна бути не менше 0,5 лк, на відкритих територіях − не менше 0,2 лк.

Охоронне освітлення влаштовують уздовж кордонів територій, що охороняються спеціальним персоналом. Найменша освітленість у нічний час дорівнює 0,5 лк.

Сигнальне освітлення застосовують для фіксації кордонів небезпечних зон; воно вказує на наявність небезпеки або на безпечний шлях евакуації.

6.1. Вибір типу джерел світла і світильників

Обираючи систему освітлення, виходять з погляду економічності або гігієнічності. Система комбінованого освітлення більш економічна і дозволяє на робочих місцях створювати високу освітленість. Система загального освітлення з погляду гігієни праці краща, тому що вона дозволяє створити рівномірний розподіл освітленості у всьому приміщенні, усунути різкі тіні й контрасти. У майбутньому, зі зростанням енергооснащеності загальне освітлення неминуче повинно витиснути комбіноване освітлення.

Коли обирається тип джерела світла, перевага віддається газорозрядним лампам, як найбільш економічним. Газорозрядні лампи застосовуються в приміщеннях, не освітлених природним світлом, де необхідне тонке розрізнення кольорів і виконуються точні роботи.

При виборі джерела світла для загального освітлення виробничих приміщень доцільно застосовувати:

- люмінесцентні лампи ЛБ, тому що вони мають задовільну передачу кольорів і високу світлову віддачу;

- для освітлення робочих місць, де існують підвищені вимоги до передачі кольору − лампи ЛД;

- при дуже високих вимогах до передачі кольору − лампи ЛДЦ. Лампи ДРЛ, ксенонові, натрієві використовуються для освітлення відкритих просторів.

Світильники в системі загального освітлення розташовують в один ряд, у кілька рівнобіжних рядів, у шаховому порядку та ін.

Слід також регламентувати відстань від крайнього ряду світильників до стіни. Коли робочі поверхні розташовуються уздовж стін, то ця відстань дорівнює 0,25-3 м; при відсутності робочих поверхонь біля стін − 0,4-5 м.

Прожектори розміщують групою по 10-15 шт при освітленні великих територій - більше 1000 м² з високим рівнем нормованої освітленості і тоді, коли кількість опор повинна бути мінімальною Під час освітлення територій площею не більше 3000-5000 м² застосовують індивідуальне розташування прожекторів: 1-2 шт. Для усунення блискості під час прожекторного освітлення передбачається установка прожекторів на опори визначеної висоти.

Конструкція світильника повинна надійно захищати джерело світла від пилу, води та інших зовнішніх факторів, забезпечувати електро-, пожежо - і вибухобезпечність, стабільність світлотехнічних характеристик у даних умовах середовища, зручність монтажу та обслуговування, відповідати естетичним вимогам. Залежно від конструктивного виконання розрізняють світильники відкриті, захищені, закриті, пилонепроникні, вологозахисні, вибухозахищені, вибухобезпечні. На рис. 8.17 наведені деякі найбільш поширені типи світильників (а - д − для ламп розжарювання, е - ж − для газорозрядних ламп).

Рис. 8.17. Основні типи світильників:

а - "Универсаль"; б - "Глубокоизлучатель"; в - "Люцета"; г - "Молочний кулька"; д - вибухобезпечний типу ВЗГ; е -типу ОД; ж - типу ПВЛП

Вибір типу світильників відбувається з урахуванням характеристики приміщення, для якого проектується освітлення. Для приміщень, стіни та стеля яких мають невисокі відбивальні властивості, доцільно застосовувати світильники прямого світла, які, направляючи випромінювання ламп униз на робочі поверхні, гарантують мінімальні втрати і найкраще використання світлового потоку. Однак слід мати на увазі, що світильники цього класу створюють різкі падаючі тіні від сторонніх предметів, що необхідно враховувати при їх розташуванні.

При освітленні виробничих приміщень, стіни та стеля яких мають високі відбивальні властивості, доцільно використовувати світильники переважно прямого світла. Деяке зменшення частки світлового потоку, що безпосередньо випромінюється у нижню півсферу, компенсується покращенням якості освітлення і в той же час мало впливає на енергетичну ефективність освітлювальної установки, оскільки такі світильники мають більш високий ККД порівняно з аналогічними світильниками прямого світла.

В адміністративно-конторських приміщеннях доцільно використовувати світильники розсіяного світла, значна частина світлового потоку яких направляється на стіни та стелю і, відбиваючись від них, сприяє усуненню різких тіней, що за характером роботи бажано саме для таких приміщень.

У високих приміщеннях доцільно застосовувати світильники з концентрованою чи глибокою кривою сили світла (КСС), які направляють основну частину світлового потоку безпосередньо на робочі поверхні. В приміщеннях з великою площею та незначною висотою бажано застосувати світильники з широкою формою КСС, що дозволяє навіть при значних відстанях між світильниками забезпечити рівномірний розподіл освітленості на робочих площинах.

Невідповідність світлотехнічних характеристик світильника розмірам та характеру оброблення освітлюваного приміщення зумовлює зростання встановленої потужності, зниження якості освітлення. У свою чергу, невідповідність конструктивного виконання світильника умовам середовища в приміщенні знижує довговічність і надійність роботи освітлювальної установки (агресивне, вологе, запилене середовище), а в окремих випадках може спричинити пожежу чи вибух. Тому світильники повинні мати необхідний ступінь захисту від умов зовнішнього середовища в місцях облаштування. Особливо жорсткі вимоги щодо цього стосуються світильників, які встановлюються у вибухо- та пожежонебезпечних приміщеннях.

6.2. Розміщення світильників у приміщенні

Під час проектування електроосвітлення необхідно враховувати наступні вимоги: забезпечення найсприятливіших умов роботи, мінімізація протяжності проводок, зручність монтажу та безпечність у процесі експлуатації.

На рис. 8.18 наведені типові випадки розміщення світильників.

Рис. 8.18. Схеми розміщення світильників:

а) рівномірне розміщення світильників; б) розміщення світильників у шаховому порядку; 

в) схема розміщення світильників з люмінісцентними лампами; 

г) позначення до розрахунку освітленості, де h_п – висота приміщення, а при ферменному покритті – висота до затягування ферм; 

h_c – відстань світильників від перекриття або затягування ферм; h_р – висота робочої поверхні над підлогою; h_ср – висота встановлення світильника над робочою поверхнею.

Розрахункову висоту підвішування світильників визначають за формулою:

,                                 (8.9)

де h_п – висота приміщення, м; h_с – висота звисання світильника (залежить від конструкції світильника), h_с = 0,2…0,8 м; (для високих приміщень зерноочисних агрегатів, майстерень можна брати і більші значення); h_р – рівень робочої поверхні від підлоги.

6.3. Методи розрахунку освітлення

Для розрахунку штучного освітлення використовують, в основному, три методи:

-         коефіцієнта використання світлового потоку;

-         точковий;

-         питомої потужності.

Метод коефіцієнта використання світлового потоку 

Застосовується для розрахунку загального рівномірного освітлення горизонтальних поверхонь при світильниках будь-якого типу. Цей метод дозволяє врахувати як прямий світловий потік, так і відбитий від стін та стелі. Світловий потік лампи Ф_л визначають за наступною формулою:

,                                    (8.10)

де  Е − нормована освітленість, лк; S − площа освітлюваного приміщення, м²; k_з − коефіцієнт запасу, що враховує зниження освітленості в результаті забруднення та старіння ламп (k_з = 1,3-1,8); Z − коефіцієнт нерівномірності освітлення (Z = 1,1-1,15); N − кількість світильників; n − кількість ламп у світильнику; η − коефіцієнт використання світлового потоку.

Коефіцієнт використання світлового потоку − довідникове значення, залежить від типу світильника, параметрів приміщення (довжини, ширини і висоти), коефіцієнтів відбиття стель, стін і підлоги приміщення та індексу приміщення і. Індекс приміщення враховує висоту втановлення світильника над робочим місцем h_ср, довжину та ширину приміщення А і В.

.                                           (8.11)

Визначивши  світловий потік лампи Ф_л, за таблицею обирають найближчу стандартну лампу і визначають електричну потужність усієї освітлювальної установки.

Метод питомої потужності 

Застосовується для наближеного попереднього визначення встановленої потужності освітлювальної установки.

Метод питомої потужності вважається найбільш простим, однак і найменш точним, тому його застосовують лише при наближених розрахунках. Цей метод дозволяє визначити потужність кожного світильника (лампи) для створення в приміщенні нормованої освітленості.

,                                          (8.12)

де р − питома потужність, Вт/м² (вибирається з довідника); S − площа приміщення, м²; N − кількість світильників у приміщенні.

Для того, що б правильно вибрати величину питомої потужності необхідно знати тип світильників, нормовану освітленість, коефіцієнт запасу (при його значеннях, що відрізняються від зазначених в таблицях, допускається пропорційний перерахунок значень питомої потужності), коефіцієнти відображення поверхонь приміщення, значення розрахункової висоти і площу приміщення.

Точковий метод 

Метод розрахунку освітлення застосовується для розрахунку загального рівномірного і локалізованого освітлення, місцевого освітлення незалежно від розташування освітлюваної поверхні при світильниках прямого світла.

В основному точковий метод розрахунку освітлення застосовується при розрахунку локалізованого і зовнішнього освітлення у випадках, коли частина світильників закривається розташованим в приміщенні обладнанням, при висвітленні похилих або вертикальних поверхонь, а також для розрахунку освітлення виробничих приміщень з темними стінами та стелею (ливарні, ковальські цехи, більшість цехів металургійних заводів, сільськогосподарських приміщень тощо).

В основу точкового методу покладено рівняння, що звязує освітленість і силу світла:

,                                  (8.13)

де I_α − сила світла в напрямку від джерела на задану точку робочої поверхні (визначають за кривими сили світла або за таблицями обраного типу світильника); α − кут між нормаллю до робочої поверхні і напрямом сили світла до розрахункової точки; μ − коефіцієнт, що враховує дію віддалених від розрахункової точки світильників і відбитого світлового потоку від стін, стелі, підлоги, обладнання, падаючого на робочу поверхню в розрахунковій точці (приймають у межах μ = 1,05 ... 1,2), k_з − коефіцієнт запасу, h_сp − висота підвісу світильника над робочою поверхнею.

Перед початком розрахунку освітлення точковим методом необхідно викреслити в масштабі схему розміщення світильників для визначення геометричних співвідношень і кутів (рис. 8.19).

Рис. 8.19. Схема до розрахунку освітлення точковим методом

Розрахунок точковим методом більш складний, ніж розрахунок за питомою потужністю і методом коефіцієнта використання. Розрахунок ведеться за спеціальними формулами, номограммам, графіками і допоміжним таблицями.

Крім вищевказаних методів розрахунку освітлення, є комбінований метод, який застосовується в тих випадках, коли непридатний метод коефіцієнта використання, а світильники не відносяться до класу прямого світла.

Для деяких видів приміщень (коридорів, сходів і т. д.) існують прямі нормативи, що задають потужність ламп для кожного такого приміщення.

7. Установки для опромінення рослин в умовах захищеного ґрунту

В осінньо-зимовий період, коли рівень природної опроміненості в теплицях недостатній для нормального розвитку рослин, застосовують спеціальні опромінювальні установки. Використання додаткового опромінення в тепличному овочівництві дозволяє на 20-40 % збільшити урожайність огірків, на 15-20 % збільшити урожайність томатів, на 50-70 % збільшити урожайність салату і зеленої цибулі, на три-чотири тижні прискорити дозрівання овочів, скоротити строки вирощування розсади (повноцінну розсаду томатів отримати за 40-50 діб замість 60, огірків - за 20-25 діб замість 35-40).

Штучне опроміненн рослин у теплицях не може бути замінене яким-небудь іншим агротехнічним заходом. Тільки під дією оптичного випромінювання відбувається реакція фотосинтезу, при якій енергія оптичного випромінювання в присутності молекул води і вуглекислого газу трансформується в хімічну енергію органічних з'єднань рослин з виділенням кисню.

У процесі фотосинтезу накопичення його продуктів є інгібітором цього процесу, ККД фотосинтезу знижується не тільки при високому рівні опроміненості, а й з плином часу. Ряд досліджень відмічають зниження фотосинтезу при незмінній опроміненості після двох-трьох годин роботи фотосинтезного апарату. Тому необхідне зниження опроміненості в цей період до десяти відсотків початкового і через одну-дві години рослина знову готова працювати на повну потужність.

Стосовно розсади тепличних культур можна зробити ряд корисних для практики висновків:

• у період сходів допустиме круглодобове опромінення з метою максимального накопичення біопродуктів рослиною (сім-дев'ять днів);
• зміна опроміненості на протязі дня, що дозволяє економити значну кількість електроенергії;
• по мірі наближення моменту висаджування розсади на постійне місце режим опромінення слід наближати до режиму природного дня.

Типи опромінювачів і опромінювальних установок, їх характеристики

Для створення необхідного світлового режиму в теплицях використовують опромінюючі установки. Ці установки повинні спрямовувати весь світловий потік джерела випромінювання безпосередньо на корисну площу стелажа. Крім того, випромінювач необхідно наблизити до рослин на мінімально допустиму відстань.

Для опромінення рослин в теплицях вітчизняна промисловість випускає тепличні опромінювачі типу ОТ-400 з лампою ДРЛФ-400, ОГС01 «Фотос» з лампами ДРИ 1000-6, ДРИ 2000-6 та ДРИ 3500-6, установку опромінювання рослин у теплицях УОРТ-2-3000 з металогенною лампою ДМЗ-3000, систему опромінення рослин у теплицях СОРТ1 з лампою ДКсТЛ 10 000 та інші.

На рис. 8.20 зображено опромінювач типу ОТ-400. Він складається з лампи ДРЛФ-400, корпуса з баластним пристроєм, фарфорового патрона, вузла для підвішування, двох відрізків шлангового кабелю. Один відрізок кабелю обладнаний розеткою, а другий — вилкою. Вилка і розетка дають можливість об'єднувати в групу з послідовним живленням до п'яти опромінювачів.

Рис. 8.20. Опромінювач ОТ-400:

1 — вушко для підвішування; 2 — пускорегулюючий апарат (ПРА);

Установки СОРТ1, ОГС01, УОРТ-2 дають можливість забезпечити необхідний для розвитку рослин світловий потік при меншій більш як у два рази витраті електроенергії порівняно з опромінювачами типу ОТ-400.

Опромінювальні установки, що використовуються в теплицях, можуть бути стаціонарними і рухомими. Як правило, у стаціонарних установках використовуються газорозрядні джерела випромінювання порівняно великої одиничної потужності. Такі установки потребують найменших затрат на їх обслуговування, що дає їм переваги порівняно зі спеціальними газорозрядними лампами низького тиску.

Рухомі установки дозволяють при інших рівних умовах не менше ніж у два рази зменшити встановлену потужність для опромінення рослин на однаковій площі при тих же витратах електроенергії. Конструкція таких установок дещо складніша від стаціонарних тому, що необхідний пристрій для переміщення опромінювальної установки з однієї ділянки на іншу.

До опромінювальних установок, що використовуються в теплицях, ставиться ряд вимог:

1. Спектральний склад енергії випромінювання повинен бути сприятливим для здійснення процесу фотосинтезу і не містити випромінювань, які негативно діють на розвиток рослин.
2. Опроміненість повинна рівномірно розподілятися по поверхні рослини і бути достатньою для протікання основних процесів у розвитку рослин і формуванні врожаю.
3. Установка не повинна перегрівати рослини і заважати догляду за ними.
4. Застосування опромінювальних установок повинно бути рентабельним і безпечним в експлуатації.

Характеристики опромінювальних установок і опромінювачів приведені в таблиці 8.2.

Таблиця 8.2. Тип установок і опромінювачів

При проектуванні опромінювальних установок для рослин у теплицях слід вибрати тип опромінювача, потужність джерел випромінювання, визначати кількість опромінювачів, тривалість їх роботи та витрати електричної енергії за період вегетації рослин.

В практиці проектування опромінювальних установок часто користувались простим, але дуже наближеним методом, в основу якого закладено нормативи питомої електричної потужності джерел випромінювання у ватах на квадратний метр опромінюваної поверхні.

8. Опромінювальні установки для тварин

Ультрафіолетове випромінювання (УФ) − один з важливих факторів зовнішнього середовища, що чинить великий вплив на життєдіяльність живих організмів.

Біологічна дія УФ випромінювання на організм сільськогосподарських тварин проявляється через фотохімічні реакції в шкіряному покрові, слизистих оболонках і органах зору.

Під дією УФ випромінювання в шкірі тварин відбувається реакція утворення з пасивного провітаміну активно діючого вітаміну D, який відіграє важливу роль у регулюванні обміну речовин. При недостачі вітаміну D порушується мінеральний, білковий і вуглецево-жировий обмін в організмі. Наслідком цього є такі захворювання як ацидоз, остеомаляція, рахіт тощо. При цьому затримується ріст і розвиток молодняку, частішають захворювання, знижується продуктивність тварин і птиці.

Крім вітаміну D, у шкірі утворюються й інші біологічно активні речовини, які потоком крові поширюються по всьому організму, і здійснює благочинний вплив на більшість процесів, що протікають в організмі.

УФ опромінення великої рогатої худоби покращує її імунобіологічні властивості, підвищує надої молока на 5-13%, приріст молодняку на 7-13%, виліковує рахіт і грибкові захворювання тварин.

УФ опромінення птиці на 10-15% збільшує яйценосність і на 4-11% приріст м'яса. Опромінення яєць перед інкубацією підвищує виведення курчат на 5-10%.

УФ опромінення сільськогосподарських тварин і птиці необхідно проводити на фоні задовільних умов утримання і годування при обов'язковому дотриманні рекомендованих добових експозицій (доз), приведених у таблиці 8.3.

Таблиця 8.3. Рекомендована добова експозиція опромінення

Крім того, ультрафіолетове випромінювання використовується для передпосівної обробки насіння зернових і овочевих культур, для знезаражування води, дезінфекції повітря і посуду, люмінесцентного аналізу продуктів, а також для боротьби з комахами-шкідниками.

УФ випромінювання може чинити не тільки корисну дію, а й шкідливу, залежно від довжини хвилі, інтенсивності і тривалості опромінення. При УФ опроміненні тварин доцільніше поєднувати малу опроміненість з більшою тривалістю опромінення, яка б не перевищувала тривалість світлового дня.

Для ультрафіолетового опромінювання тварин та птиці промисловість випускає стаціонарні світильники - опромінювачі типу ЗНП-1 з лампою ЛЕ-30; опромінювач ртутно-кварцевий ОРК-2 з лампою ДРТ-400, який застосовують для профілактичного та лікувального впливу на невелику групу тварин, а також для опромінювання інкубаційних яєць та молодняку птиці у перші дні після виведення; опромінювач еритемний для тварин ОЗЖ-1 з лампою ОЗ-30-1, який використовується в особистих підсобних господарствах.

Для дезінфекції повітря в сільськогосподарських приміщеннях, а також для запобігання мікробному зараженню сільськогосподарських харчових продуктів для тварин застосовують опромінювачі бактерицидні стельові і настінні ОБП і ОБН з лампою ДБ-30-1, світильник-опромінювач ББП-01.

Для знезараження води застосовуються установки ОВ-ЛКХ-1, ОВ-1П, ОВ-Ш-РКС, ОВ-ЗП, ОВ-ЗП-РКС, ОВ-ПК-РКС, ОВУ-6П продуктивністю до 3000 м³/г, в яких джерелом бактерицидного випромінювання є лампи ДБ-30, ДБ-60 і ДРТ (400, 1000, 2500).

Найкращий вплив на організм тварин і птиці проявляється при  одночасному УФ і ІЧ опромінюванні.

Опромінювачі УФИКИ призначені для створення ІЧ та УФ опромінень і аероіонізації. Опромінювачі входять у системи комплексного електрофізичного впливу на молодняк сільськогосподарських тварин. 

Опромінювачі випускаються в таких виконаннях:

-         УФИКИ-1 з двома лінійними випромінювачами ЛИКИ-220-300 та двома аероіонізаторами і лампою ЛЕ-15 (ЛЕ-30);

-         УФИКИ-2 має дві лампи ИКЗК-215-220-250, два аероіонізатори. Як джерело УФ випромінювання використовують лампу ЛЕ-15 (ЛЕ-30).

Інфрачервоні випромінювачі розташовані з боків опромінювача, поряд з ними іонізатори, між якими знаходиться ультрафіолетова лампа.

Система опромінювання тварин СОЖ-1призначена для використання на тваринницьких фермах як джерело УФ та ІЧ випромінювань. Система складається з 60 опромінювачів і пульта керування. Система виконує такі функції: опромінення тварин вітальним потоком, обігрів молодняку інфрачервоним потоком, опромінювання місць утримання тварин бактерицидним потоком. Ці Функції здійснюються за рахунок комбінації джерел випромінювання: лампи ДРТ2-100 − еритемне, лампи ДРТ-100 − бактерицидне і дві лампи ИКЗК-220-250 − інфрачервоне випромінювання.

Система автоматизованого управління електрофізичним процесом ІЧ обігріву і УФ опромінення ИКУФ-2М і ИКУФ-ЗМ (рис. 8.20.) призначена для місцевого обігріву поросят сисунів у закритих приміщеннях, що опалюються, для ультрафіолетового опромінювання і аероіонізації повітря.

Рис. 8.21. Опромінювач установки ІКУФ-1:

1 − інфрачервона лампа; 2 − еритемна лампа; 3 − кожух пуско − регулюючого апарата з перемикачами; 4 − підвіска; 5 − захисна решітка.

Система має два виконання: ИКУФ-2М використовується для 14 обігріву та УФ опромінення; ИКУФ-ЗМ − для ІЧ-обігріву, УФ - опромінення і аероіонізації.

Система ИКУФ-2М складається з 42 опромінювачів УФИКИ-1 і блока керування, який забезпечує ручне і програмне керування електрофізичним процесом. Система ИКУФ-ЗМ складається із 42 опромінювачів УФИКИ-2 і блока керування, який забезпечує ручне і програмне керування електрофізичним процесом.

Комплекти обладнання Луч-А і Луч-2И (рис. 8.22.) призначені для локального опромінювання інфрачервоними і ультрафіолетовими випромінюваннями, а також для впливу іонізованим (Луч-2И) повітрям на курчат, каченят, гусенят, індичат у закритих приміщеннях. Комплект складається з 40 опромінювачів, регулятора напруги для живлення ІЧ ламп та блока керування.

Рис. 8.22. Опромінювач установки ЛУЧ:

1 − еритемна лампа; 2 − інфрачервона лампа; 3 − кожух пускорегулюючої апаратури; 4 − підвіска; 5 − захисна решітка.

Опромінювач установки Луч має ущільнене виконання арматури вітальних ламп, а патрони інфрачервоних ламп можна встановлювати під різними кутами до вертикалі для отримання необхідного розподілу ІЧ випромінювання.

Установка ІЧ обігріву, УФ опромінювання та освітлення ЭРИКО-1 призначена для обігріву молодняку тварин інфрачервоними променями та опромінювання їх ультрафіолетовими з одночасним освітленням приміщення.

До складу установки входить 120 опромінювачів типу "Зоотон", 100 світильників для ламп ЛБ-40 і 70 опромінювачів для ламп ЛЕ-30-1.

Електромеханізована підвісна опромінювальна установка УО-4М (рис. 8.23.) призначена для УФ опромінювання тварин і птиці при утримуванні в клітках або станках.

Установка складається з чотирьох опромінювачів з лампами ДРТ-400, привідної станції і несучої конструкції. Несучу конструкцію виконують із стального оцинкованого дроту, який закріплюють вздовж приміщення за допомогою натяжних болтів, вмонтованих у торцеві стіни. Опромінювачі в приміщенні здійснюють зворотно-поступальний рух за допомогою троса, змонтованого на натяжних роликах, який приводиться в рух від привідної станції з двигуном потужністю 0,27 кВт. Довжина несучого дроту і троса розрахована на приміщення довжиною до 90 м. Кожний опромінювач може переміщуватися з швидкістю 0,3 м/хв на відстань 35-42 м.

Рис. 8.23. Опромінююча установка УО-4:

1 - троси; 2 - каретка; 3 - несуча проволока; 4 - кабель; 5 - редуктор; 6 - електродвигун; 7 - щит керування; 8 - арматура; 9 - лампа; 10 - екрани; 11 - провідники; 12 - тримач.

Самохідна установка для опромінення курей УОК-1 (рис. 8.24.) призначена для УФ опромінення птиці при багатоярусному клітковому утриманні. Установка являє собою шасі, яке приводиться в рух двигуном потужністю 0,27 кВт. Електродвигун через редуктор  і ланцюгову передачу приводить у рух колеса шасі, які котяться по колії кормороздавача між рядами кліткових батарей.

Рис. 8.24.  Самохідна установка УОК-1:

1 – самохідне шасі; 2 – привод від електродвигуна до ведучих коліс і пристрій для укладання кабелю; 3 – опромінювачі з лампами ДРТ-400; 4 – штанга; 5 – панель керування; 6 – кінцеві вимикачі.

9. Презентація до лекції 8

Для завантаження натисніть сюди: "Презентація до лекції 8".