Использование оптики для светодиодов в садоводстве

Достижения в технологии УФ-светодиодов начали менять ландшафт садового освещения. Исследования все еще продолжаются, чтобы выявить масштабы преимуществ и передовых методов использования УФ-света в садоводстве. Использование оптики в тандеме с системами УФ-светодиодного освещения может помочь достичь поставленных целей и оптимизировать рост. Хотя существует несколько материалов, пропускающих УФ-излучение, не все они эквивалентны или способны удовлетворить требования для УФ-приложений. Жюстин Гэлбрейт, инженер по стеклу, и Шарайа Фоллетт, менеджер по развитию рынка в Kopp Glass, Inc. обсуждают характеристики различных материалов, пропускающих УФ-излучение, и способы решения прикладных задач за счет интеграции оптических элементов.

Рисунок 1: Смоделированная УФ-светодиодная система без оптики в приложении сравнивается с системой с оптикой. Слева результат широкого угла обзора - рассеянный свет. Справа свет эффективно направлен на полог растения.

Достижения светодиодов позволяют одновременно управлять интенсивностью света и спектром, что приводит к более эффективному и производительному методу освещения для роста растений, чем традиционные источники. Это дополнительно реализуется за счет усовершенствований УФ-светодиодов, позволяющих производителям интегрировать определенные дозы целевых длин волн УФ-излучения в нужное время цикла сбора урожая, чтобы повысить качество роста растений более экономичным способом.  

Хотя технология постоянно развивается, коммерчески доступные УФ-светодиоды все еще имеют ограничения в достижении целевых показателей производительности в садоводстве. Используя одну только конструкцию УФ-светодиодной матрицы и соответствующие углы луча, может быть сложно поддерживать или увеличивать рабочие расстояния, максимизировать интенсивность света и обеспечивать равномерное световое покрытие на растительном покрове.

Традиционно для устранения этих ограничений и управления светоотдачей прибора использовалась оптика. Однако разработка оптики для улучшения характеристик УФ-светодиодов, особенно при более низких длинах волн УФ-В, создает совершенно новый набор проблем для тех, кто имеет опыт работы в традиционных технологиях. Не все материалы пропускают УФ-излучение с необходимой длиной волны, и не все материалы, пропускающие УФ-излучение, одинаково эффективны при применении.

Преимущества светодиодов в садоводстве

Светодиоды имеют много преимуществ по сравнению с традиционными технологиями ламп накаливания, люминесцентными лампами, лампами с высокоинтенсивным разрядом (HID) или натриевыми парами высокого давления (HPS), которые исторически использовались в сельскохозяйственных помещениях.

Одним из основных преимуществ использования светодиодов в садоводстве является контроль температуры. Лампы HPS производят широкополосный спектр, который включает в себя ближний инфракрасный свет, на который приходится большая часть тепловыделения. Для светодиодов большая часть потребляемой энергии преобразуется в свет. Некоторая энергия теряется на тепло, но это происходит с помощью радиаторов, водяного охлаждения и других методов. Светодиоды позволяют производителям лучше управлять температурой окружающей среды, необходимой для конкретных растений.

Светодиоды обычно более энергоэффективны. Для того же количества светового потока светодиоды обычно потребляют гораздо меньше энергии, чем традиционные лампы. Светодиоды также имеют гораздо более длительный срок службы, иногда достигающий более десяти лет. Все это приводит к снижению стоимости владения для производителей [1].

Наконец, светодиоды предлагают целевые диапазоны длины волны излучения. Благодаря настраиваемым спектрам пользователь выбирает оптимальные длины волн в зависимости от области применения или потребностей культивируемых видов. Большинство имеющихся в продаже светодиодных осветительных приборов имеют комбинации красных, зеленых, синих и / или белых светодиодов, которые можно настроить в зависимости от желаемого эффекта, такого как цветение или рост вегетативных растений. Однако было показано, что УФ-свет приносит дополнительные преимущества для садоводства.

Польза УФ-излучения для роста растений

Исследования влияния УФ-излучения на посевы продолжаются с 1960-х годов. С развитием УФ-светодиодов исследователи теперь имеют источники света с низким нагревом и узкими полосами излучения в УФ-области. Это позволило оценить целевые диапазоны длин волн; например, недавнее тестирование показало, что УФ-B (280-315 нм) излучение «увеличивает скорость фотосинтеза, обеспечивает фотозащиту молодых саженцев перед их переносом в поле и улучшает пигментацию, аромат и устойчивость к грибковым заболеваниям и насекомым» [ 2].
УФ-свет воздействует на фоторецепторы растений и регулирует вторичные процессы роста на протяжении всей жизни растений. Было показано, что это улучшает вкус, текстуру и внешний вид растений. В одном исследовании воздействие NUV-B привело к увеличению толщины листьев салата и увеличения ветвления пуансеттии [3]. УФ-свет также может улучшить устойчивость к болезням, а также продлить срок хранения. Было показано, что он уменьшает плесень и грибок. Например, было показано, что поражения на огурцах уменьшаются при воздействии УФ-В [3].

Важно помнить, что дозировка УФ-излучения и необходимые длины волн зависят от культуры. Время и размещение ультрафиолетового света в цикле выращивания следует тщательно выбирать для каждого вида и желаемых результатов, с пониманием того, что чрезмерная мощность и воздействие ультрафиолетовых лучей могут быть вредными.

Рекомендации по интеграции УФ-светодиодов в садоводство

Ключевой проблемой при внедрении этой технологии является определение того, как интегрировать УФ-светильники в существующие производственные предприятия или инфраструктуру.

Видимые осветительные приборы обычно находятся на расстоянии более четырех футов от кроны растений. Это рабочее расстояние дает достаточно места для ухода за растениями и ухода за ними. Это расстояние особенно актуально на стадиях вегетации и цветения для более высоких видов растений, а также в теплицах, где дополнительные осветительные приборы могут находиться на расстоянии более 15 футов от целевой поверхности.

На таких рабочих расстояниях может быть сложно интегрировать УФ-светодиоды, особенно те, которые излучают более низкие длины волн (УФ-В). Это связано с тем, что большинство имеющихся в продаже УФ-светодиодов имеют широкий угол луча, обычно 120-140 градусов, и меньшую выходную мощность по сравнению с видимыми светодиодами. По мере увеличения рабочего расстояния зона покрытия светодиодов также увеличивается и может быстро стать больше, чем стандартные навесы растений. Это приводит к потере света, ограничивающему как эффективность системы, так и возможность достижения оптимальной дозировки и плотности потока фотонов (PFD), необходимых для роста растений. Рисунок 1 демонстрирует широкий угол обзора светодиода без оптики и результат потери света при его применении.  
Один из способов решения этой проблемы - поднести прибор ближе к растительному покрову, чтобы гарантировать, что весь свет от УФ-светодиодов направлен на целевую поверхность. Это может потребовать значительного перепроектирования инфраструктуры, что может быть дорогостоящим и ограничивать пространство, необходимое для операций роста. Другое решение - увеличить количество светодиодов для достижения целевого значения PFD. Однако это также может быть недешево и не устранять потери света и оптическую неэффективность.

Для осветительных приборов, использующих видимые светодиоды, распространенным решением является введение коллимирующей оптики для достижения заданного угла луча. Таким образом, рабочее расстояние может быть увеличено, гарантируя, что энергия не будет тратиться впустую на свет, не попадающий на заданную поверхность, и поддержание заданного количества мощности. На рис. 2 показано влияние оптики на угол обзора и эффект в приложении для направления и захвата рассеянного света. За счет управления углом луча светодиода становится возможной гибкость конструкции, необходимая для преодоления увеличенного рабочего расстояния.

Однако это решение не так просто для осветительных приборов, использующих УФ-светодиоды. Это связано с ограниченной доступностью прозрачных материалов, подходящих для УФ-оптики в садоводстве. Требования к материалам включают высокое пропускание при критических длинах волн УФ-излучения, механическую прочность для сохранения оптических свойств в условиях садоводства, возможность изготовления желаемых форм и размеров и, наконец, соответствующую цену.   

Определение ожидаемых характеристик и срока службы различных материалов, пропускающих УФ-излучение, требует учета как критических свойств материала, так и условий эксплуатации.

Хотя в этой статье основное внимание уделяется ультрафиолетовому излучению, важно выбрать прозрачный материал, который может пропускать видимые и инфракрасные волны, что позволяет проектировать и реализовывать осветительные приборы полного спектра.

Прозрачные материалы или УФ-оптика

Распространенное заблуждение состоит в том, что кварц - единственный прозрачный материал, способный выдерживать длительное воздействие при более низких длинах волн УФ-излучения. Однако новые достижения в области материалов, такие как разработка Коппом специально разработанного УФ-стекла, позволяют изготавливать оптику с высоким коэффициентом пропускания в УФ, видимом и ИК-диапазонах длин волн и выдерживать жесткие условия эксплуатации.

Три основные категории прозрачных материалов, которые могут использоваться для оптики в УФ-приложениях, - это полимеры, такие как акрил и силикон, керамика и стекло, такие как кварц и плавленый кварц, и специализированные составы стекла для УФ-излучения. Важно отметить, что УФ-стекло не является стандартным материалом из-за композиционного дизайна, разработки, производственных ограничений и соображений стоимости.

При выборе прозрачного материала для УФ-оптики не существует универсального решения. Каждый материал обладает уникальными свойствами, которые определяют контроль над светом. Жизненно важно оценить каждое свойство материала с учетом всех аспектов системы освещения - от рабочей среды до желаемых показателей светоотдачи для конкретного применения.  

Применительно к садоводству критерии, которые следует учитывать, включают передачу, тепловые свойства, срок службы материала, оптическую эффективность и, что наиболее важно, гибкость при изготовлении необходимой оптической конструкции. Основные свойства обобщены в таблице 1 и обсуждаются в следующих разделах, чтобы детализировать влияние на приложение.

Таблица 1: Важные свойства материала, которые следует учитывать при выборе материала, пропускающего УФ-излучение, для оптики

Передача прозрачных материалов

Пропускание - это первый уровень рассмотрения при выборе материала, пропускающего УФ-излучение. Необходимо определить интересующую длину волны, а затем определить, будет ли материал пропускать достаточно света, чтобы быть подходящим для применения. На рис. 2 сравниваются спектры пропускания вышеупомянутых материалов при длинах волн УФ.

Рисунок 2: Передача прозрачных материалов на длинах волн УФ

Оптический дизайн важен

Оптимизированная оптическая конструкция направит весь возможный свет на поверхность цели и может повысить оптическую эффективность системы. Во многих случаях оптика, сделанная из материалов с более низким пропусканием, приведет к тому, что больше света достигнет целевого растительного покрова по сравнению с плоским окном с более высоким пропусканием, но без оптических характеристик.
Отрасли, в которых используются светодиоды, уже давно используют кварц для изготовления окон и простую оптику, например стержни. Хотя кварц обладает благоприятной пропускной способностью, он имеет ограничения по материалам и производству, которые затрудняют изготовление оптических конструкций. В отличие от кварца, специализированные УФ-очки, разработанные с учетом конечного применения, могут изготавливаться в сложных и контурных формах без изготовления. Эта гибкость позволяет встраивать оптические элементы как в падающую, так и на выходящую поверхность оптики.

Оптический дизайн будет подробно рассмотрен позже, но его важно помнить в процессе оценки прозрачных материалов.

Температурные соображения

Как отмечалось выше, ключевым преимуществом светодиодов в осветительных приборах для садоводства является то, что они имеют более низкую тепловую мощность и рабочие температуры по сравнению с традиционными источниками света. Светодиоды выделяют немного тепла; однако тепло генерируется из-за неэффективности преобразования электроэнергии в свет, а не из-за инфракрасного излучения.

УФ-светодиоды, как правило, нагреваются сильнее, чем видимые светодиоды, потому что у них более низкая эффективность розетки. На оптическую мощность УФ-светодиодов приходится 15-25% входной электрической мощности, тогда как видимые светодиоды имеют эффективность генерации света ближе к 40% [4], и чем выше мощность светодиода, тем больше тепла может выделяться.
В большинстве случаев управление светодиодами осуществляется термически, обычно с помощью воздушного или водяного охлаждения. Однако необходимо знать рабочую температуру, чтобы выбрать оптический материал, который не будет разрушаться или деформироваться при этой рабочей температуре.

Влияние среды приложения на время жизни

Крайне важно помнить, как на оптику будут влиять различные условия эксплуатации в среде применения. Например, такой материал, как ультрафиолетовое стекло, обладает высокой устойчивостью к абразивным воздействиям, циклическому нагреву и воздействию ультрафиолетового излучения, тогда как пластмассы в той же среде будут разрушаться и обесцвечиваться, что приводит к серьезным потерям при пропускании. Важно отметить, что потеря пропускания может значительно повлиять на характеристики осветительной арматуры, особенно в таких приложениях, как освещение для садоводства, где требуется постоянный и равномерный световой поток.

Кроме того, следует учитывать влияние среды приложения на сам прибор. УФ-светодиоды, особенно в диапазоне УФ-В, по-прежнему относительно дороги, и их характеристики могут значительно ухудшиться из-за воздействия воды и влажности. Плоские окна, закрывающие линзы и оптика обычно используются в осветительных приборах видимого света для защиты внутренних компонентов от воздействия окружающей среды и получения отраслевых сертификатов. К ним относятся рейтинги IP и знаки сертификации, такие как UL, ETL, CSA и CE. Аналогичным образом, окна и оптика, пропускающие УФ-излучение, могут использоваться для защиты УФ-светодиодов.

Чтобы системы УФ-светодиодов продолжали нормально функционировать и чтобы элементы были надлежащим образом защищены, важно использовать прочный материал, который не теряет светопропускание со временем и не портится после длительного использования.

Стабильность материала при воздействии УФ-излучения

Оптическая стабильность - или способность материала поддерживать светопропускание во время использования - зависит как от параметров источника света, таких как длина волны и оптическая мощность, так и от типа используемого материала. Во многих случаях длительное воздействие ультрафиолета может снизить пропускание материала. Эта характеристика различается от материала к материалу в зависимости от его химического состава, конструкции и обработки. Некоторые материалы будут намного стабильнее других. По этой причине следует проконсультироваться с производителями материалов относительно устойчивости УФ-пропускания.

Также важно, чтобы структурная целостность материала оставалась нетронутой после длительного воздействия ультрафиолетового излучения, особенно при использовании освещения в садоводстве с использованием длин волн УФ-В и УФ-С. Под воздействием ультрафиолетового излучения кварцевые и ультрафиолетовые очки механически устойчивы. С другой стороны, большинство полимеров, таких как акрил, разлагаются и разрушаются на поверхности при воздействии УФ-излучения даже в течение короткого времени [5].

Химическая стойкость в рабочей среде

Часто садовые осветительные приборы подвергаются воздействию воды, влажности и других химических веществ, используемых при их применении. Некоторые вещества, например перекись водорода, могут оставлять на линзе пленку, которая снижает пропускание. Если материал не выдерживает воздействия окружающей среды, его характеристики ухудшатся, что отрицательно скажется на росте растений. Кроме того, идеально подходит материал, который легко чистить и ухаживать.

Кварцевое стекло и специальное УФ-стекло могут выдерживать влажную среду и устойчиво к различным химическим веществам. Полимеры гораздо менее устойчивы к влажности и химическому воздействию; они подвержены более высокому риску разложения, что снижает передачу и эффективность.

Влияние выбора материала на оптический дизайн

В качестве последнего шага следует рассмотреть вопрос о том, как материал будет преобразован в свою окончательную форму в качестве оптики. Параметры материала, такие как показатель преломления и технологичность, определяют реалистичность оптических конструкций. Сама оптическая конструкция и естественная передача выбранного материала будут определять оптическую эффективность системы, а также возможную светоотдачу.

Показатель преломления

Показатель преломления показывает, насколько быстро свет проходит через материал и как он отражается и преломляется на границах раздела. Это свойство материала является дисперсионным, поэтому его следует определять для длины волны света, используемого в приложении.

У каждого материала есть критический угол, который определяется его показателем преломления. Если падающий свет падает на поверхность под углами, превышающими критический угол, он полностью отражается без прохождения. На рисунке 4 показан пример полного внутреннего отражения (ПВО) и то, как этот принцип используется в оптической конструкции. Эти углы являются основополагающими для расчета кривизны оптики для достижения целей проектирования. И пропускание материала, и показатель преломления должны быть известны в начале процесса проектирования оптики. Поскольку разные материалы имеют разные показатели преломления, замена материалов требует изменения конструкции оптики.

Рисунок 3: Пример полного внутреннего отражения (TIR) ​​и то, как этот принцип применяется в оптической конструкции

Обеспечение технологичности материала

Для достижения желаемых характеристик прозрачный материал должен принимать форму оптической конструкции. Следовательно, технологичность - критическая характеристика прозрачного материала.

Отрасли, в которых используются светодиоды, уже давно используют кварц для изготовления окон и простую оптику, например стержни. Несмотря на то, что кварц обладает хорошей пропускающей способностью, он имеет материальные ограничения, затрудняющие изготовление оптических конструкций. Его нельзя формовать или прессовать в сложные формы. Технологии изготовления этого материала также ограничены. Это увеличивает стоимость, делая материал непрактичным.

Полимеры также непрактичны, но по противоположной причине. Из полимеров можно придавать сложные формы, но из-за ограничений в методах обработки размер ограничен. Многие композиции не обладают химической стойкостью и разлагаются после длительного воздействия ультрафиолета, что отрицательно сказывается на характеристиках в садоводстве. Полимерам также не хватает жесткости, то есть они могут гнуться, тогда как стекло и кварц стабильны. Это может привести к смещению оптики с матрицей УФ-светодиодов и привести к изменчивости светоотдачи.  

Специализированные составы УФ-стекла предназначены для достижения целей. Это включает в себя передачу критических длин волн ультрафиолета, долговечность материала и возможность экономичного производства сложных оптических форм с помощью процессов формования. Гибкость композиционного дизайна и технологичность гарантирует, что оптика может удовлетворить потребности приложения или операционной среды.

Процесс оптического проектирования

Последнее, что нужно учитывать при выборе материала, - это оценить, как оптический дизайн повлияет на мощность осветительного прибора. Если оптика изготовлена ​​из наиболее подходящего материала, она будет эффективно обеспечивать цели конечного пользователя. Например, может быть сконструирована оптика для увеличения рабочего расстояния осветительного прибора при сохранении светоотдачи. Он может перенаправлять ультрафиолетовый свет, чтобы обеспечить равномерное световое покрытие на растительном покрове с большой площадью основания. Он может коллимировать свет, чтобы обеспечить равномерное освещение по мере роста растения. Или он может достичь всего вышеперечисленного, поскольку цели производительности варьируются и определяются приложением или конечным пользователем.

Процесс проектирования оптики обычно начинается с инженера-оптика. Им необходимо знать параметры УФ-светодиода (производитель, спектральное распределение, пиковая длина волны, угол луча), оптические свойства материала (пропускание, показатель преломления) и желаемые целевые характеристики (угол луча, карта PFD, карта освещенности. ). Инженер использует эту информацию для определения типа оптики, которая оптимизирует систему для достижения оптических целей. На рис. 4 показан пример стеклянной УФ-оптики, предназначенной для усиления линейной матрицы из десяти УФ-светодиодов.

Рисунок 4: Стеклянная УФ-оптика, оптимизированная для линейного массива из 10 УФ-светодиодов

Для производства оптики, оптимизированной как для производства, так и для светоотдачи, инженер-оптик, производитель оптики и производитель осветительного оборудования должны сотрудничать на ранних этапах процесса проектирования. Не работая вместе, инженер-оптик может спроектировать оптику, которая обеспечивает идеальное распределение света в рамках ограничений, установленных OEM-производителями осветительных приборов, что не соответствует возможностям производителя оптики. В результате конструкция может быть более дорогой или даже невозможной без модификаций. Сотрудничество на раннем этапе сокращает время, затрачиваемое на разработку продукта, предотвращает дорогостоящую реконструкцию, увеличивает производительность и ускоряет вывод продукта на рынок.

Заключение: оптимизируйте характеристики УФ-светодиодов с помощью УФ-стеклянной оптики

Оптика приносит пользу и позволяет разрабатывать дифференцированные и эффективные светильники для садоводства. Они обеспечивают гибкость конструкции для решения проблем приложений и достижения целей производительности. Оптика может работать как с видимыми, так и с УФ-светодиодами; тем не менее, при использовании длин волн УФ-излучения необходимо дополнительно рассмотреть вопрос о выборе подходящего оптического материала.

При разработке оптики для систем УФ-светодиодного освещения жизненно важно выбрать материал, который пропускает соответствующее количество УФ-света на критических длинах волн, демонстрирует долговечность и сохраняет мощность в садоводческой операционной среде. Материал также должен быть изготовлен из материала сложной формы и размера без чрезмерных затрат.

Стеклянная ультрафиолетовая оптика отвечает требованиям к производительности и технологичности в садоводстве. Они повышают оптическую эффективность осветительного прибора, эффективно направляя свет на поверхность объекта, обеспечивая оптимальное покрытие растительного покрова, позволяя контролировать рабочее расстояние и защищая внутренние компоненты от воздействия окружающей среды.

Внедрение ультрафиолетовой стеклянной оптики позволяет производителям реализовать преимущества ультрафиолетовых светодиодов, в том числе повышенное качество продукции, повышенный урожай, а также более низкие затраты на энергию, эксплуатацию и обслуживание, что приводит к более продуктивным и прибыльным операциям по выращиванию.