Лекція 8. Електричне освітлення і опромінення в сільському господарстві

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.