Светокультура. Рациональный подход к выбору системы освещения

Едва ли найдется в отечественной экономике отрасль, кроме тепличного растениеводства, которая на ближайшие 4-5 лет ставила бы перед собой столь «дерзкие» планы развития. До 2020 года предполагается построить около 1500 га новых теплиц, оснащенных самым современным оборудованием и использующих высокоэффективные технологии.

Одной из них является технология светокультуры, позволяющая даже в самые холодные и темные зимние месяцы заменить импортные тепличные овощи с сомнительным пищевым качеством свежей и богатой витаминами экологически чистой отечественной овощной продукцией. При, практически, круглогодичном выращивании, с использованием искусственного освещения в течение 6-7 месяцев в году, в отечественных теплицах уже достигнут и превзойден уровень урожайности основной тепличной культуры, огурца, – 100 кг/м². Цена, которую за это приходится платить, связана с ростом энергозатрат с (60÷70)∙10³ кВт∙ч на 1 га в традиционных теплицах с кратковременным электрическим освещением только в рассадных отделениях до (40÷70)∙10⁵ кВт∙ч при светокультуре, то есть энергозатраты на 1 га возрастают примерно в 60÷100 раз (!). Доля затрат на электроэнергию в себестоимости тепличной продукции может достигать 30÷50%, определяя тем самым особый уровень требований к энергоэффективности используемого в теплицах светотехнического оборудования.

Средняя световая отдача современных тепличных светильников достигает 120÷130 люмен/Вт, в то время как у световых приборов для уличного освещения она находится на уровне 70÷75 лм/Вт, светильников для общественных зданий – ~ 50 лм/Вт, а для бытовых светильников – 20÷25  лм/Вт.

На рис. 1 показана динамика ввода в России за последние годы новых площадей современных теплиц с технологией светокультуры. По итогам 2015 года площадь теплиц со светокультурой достигла, по нашим оценкам, 360 га; хотелось бы надеяться, что прогноз на 2016 год будет реализован и каждый год в последующие 4-5 лет этот показатель будет только расти.

Рис. 1. Строительство овощных теплиц со светокультурой

В настоящее время в российских овощных и цветочных теплицах установлено и эксплуатируется порядка 850 тыс. светильников, это значит, что уже в этом году в осветительных установках теплиц заработает миллионный светильник и число световых точек в теплицах составит 20% от общего числа светильников с натриевыми лампами высокого давления (НЛВД), эксплуатируемых в осветительных установках России.

На рынке тепличного освещения в России и за рубежом в настоящее время монопольное положение занимают светильники с НЛВД с электромагнитными и электронными пуско-регулирующими аппаратами (ЭмПРА и ЭПРА). Несмотря на успехи светодиодной светотехники и наличие большого числа предложений по светодиодным фитооблучателям, последние в ближайшие годы не смогут оказать серьезную конкуренцию светильникам с НЛВД и будут иметь лишь крайне ограниченное применение.

Казалось бы, особенности и основные параметры тепличных НЛВД-светильников с ЭмПРА и ЭПРА известны, хорошо изучены и рассмотрены в [1]. Несмотря на это, с учетом нынешней экономической ситуации и намечаемого «взрывного» характера развития потребностей в тепличных светильниках, мы решили еще раз вернуться к этому вопросу.

Разумеется, одним из важнейших параметров конкурирующих типов светильников является их энергоэффективность.

Примечание: световая отдача светильников с зеркальными лампами типа «Рефлакс» на 5÷6 % выше.

Рис. 2. Энергоэффективность светильников мощностью 250÷1000 Вт

На рис. 2 представлены световые отдачи всего ряда тепличных светильников мощностью 250÷1000 Вт. Как видно, для самого массового тепличного светильника мощностью 600 Вт, независимо от типа используемого ПРА,  энергоэффективность, практически, одинакова. Это означает, что при заданной установленной мощности осветительной установки, потребляемая мощность и достигаемый уровень освещенности у светильников с ЭмПРА и ЭПРА будут также одинаковы.

В случае применения ЭмПРА, независимо от напряжения питающей сети (220 или 380 В) отклонения от номинального значения в большую или меньшую сторону приводят к изменению электрических параметров лампы и светильника. Характерные зависимости приведены на рис. 3 для светильника 600Вт/380В.

Рис. 3. Зависимость электрических параметров светильника мощностью 600 Вт/380 В с ЭмПРА от напряжения сети

Достаточно сильный характер имеет зависимость мощности лампы от напряжения сети, при изменении последнего на ± 5%, соответственно, ~ на ± 11% изменится энергетическая мощность лампы. За уменьшением или увеличением мощности лампы следует вариация светового потока светильников и, следовательно, уровня освещенности в теплице. Эту закономерность поясняет рис. 4, на котором при выборе условного номинального уровня освещенности в теплице Е=15 клк показано, что понижение Uсети, например до 360В, приводит к снижению освещенности до 13,5 клк, равно как и увеличение Uсети до 400В – к росту освещенности до 16,5 клк. В принципе, имея возможность варьировать выходным напряжением питающего трансформатора, этим можно пользоваться для изменения, в ту или другую сторону, электрической мощности и уровня освещенности в теплице.

Рис. 4. Зависимость освещенности от напряжения сети для светильника с ЭмПРА 600Вт/380В

У тепличных светильников с ЭПРА мощность и световой поток, а, следовательно, и уровень освещенности в теплице при изменении Uсети в пределах ± 10% остаются, практически, стабильными. Преимуществом светильников с ЭПРА является возможность плавного регулирования мощности и светового потока в пределах – до 50% от номинала с помощью специального блока управления.

Компанией ООО «БЛ Групп» созданы системы группового регулирования мощности и светового потока так же для светильников с ЭмПРА, однако из-за высокой стоимости их применение в теплицах в настоящее время пока не рентабельно.

Важными параметрами для тепличного светильника, безусловно, являются срок службы и эксплуатационная надежность. На рис. 5 приведены полученные немецкими светотехниками данные по среднему сроку службы основных элементов светильников  с ЭмПРА и ЭПРА.

Рис. 5. Срок службы основных элементов светильника с НЛВД.

Эти данные наглядно показывают, что срок службы светильников с ЭмПРА может в несколько раз превышать срок службы светильника с ЭПРА, поскольку ресурс лишь одного из критических элементов последнего, электролитического конденсатора, в среднем, рассчитан на 5÷6 лет эксплуатации и определяет срок службы всего ЭПРА. Многолетняя эксплуатация светильников с ЭмПРА показывает, что при замене, по необходимости, комплектующего конденсатора и ИЗУ срок службы изделия превышает 10-12 лет.

С учетом изложенного гарантийный срок на светильник с ЭмПРА выше, чем для светильника с ЭПРА.

Высокая надежность и большой срок службы для тепличных светильников особенно важны для нашей страны с учетом, как правило, значительной удаленности объектов производства и потребления друг от друга.

К числу основных характеристик тепличного светильника относится его вес. Вес светильника 600Вт/380В с ЭмПРА находится на уровне ~ 9 кг, а его аналоги с ЭПРА — ~ 4 кг. При удельной электрической мощности осветительной установки Р₁=100 Вт/м² средняя нагрузка на конструкции теплиц составит 1,5 кг/м², а при Р₁=200 Вт/м² – 3,0 кг/м², что в несколько раз меньше допустимых нагрузок для теплиц ООО «Агрисовгаз». Отметим также, что «Галад» (ОАО «КЭТЗ») выпускает тепличные светильники с независимым ЭмПРА; в этом случае вес светильника не превышает 1 кг.

Как показал практический опыт последнего времени, с учетом гигантских значений потребляемой электрической мощности в теплицах со светокультурой (до 2 МВт и даже более на 1 га) необходимо самым серьезным образом  относиться к проблемам, связанным с возможными гармоническими искажениями в питающей сети.

Если светильник с ЭмПРА является линейной нагрузкой и не вызывает искажений синусоидальной формы питающего напряжения, то, напротив, светильник с ЭПРА может являться источником образования гармоник, поступающих в сеть. В этом случае важнейшей задачей является разработка практических мер по снижению гармонических искажений до уровней, допустимых по ГОСТ 13109-97.

Отметим также, что светильник с ЭПРА чувствителен к помехам из сети, в том числе, и из-за собственных гармонических искажений, напротив, светильник с ЭмПРА к ним, практически, не восприимчив.

Большие объемы потребления светильников при светокультуре требуют учета экологических качеств изделий. Укажем в связи с этим, что утилизация отработавших свой ресурс ЭмПРА (сдача для вторичного использования меди и электротехнической стали) способно вернуть потребителю 10÷15% первоначальных затрат на закупку светильников, в то время как утилизация ЭПРА, в принципе, убыточна.

К настоящему времени более десятка фирм предлагает тепличному сообществу светодиодные фитооблучатели, в большинстве случаев с излучением в синем и красном диапазонах ФАР. Изделия, как правило, отличаются достаточно высоким профессиональным уровнем качества и дизайна. В них используются, как правило, цветные светодиоды или модули лучших зарубежных производителей, облучатели обладают высокой энергоэффективностью. Впрочем, последнее требует пояснений.

Световая система величин, которая используется для измерения излучательных характеристик светильников с НЛВД, не применима для красно-синих светодиодных облучателей. В данном случае пользуются фотонной фотосинтезной системой величин, которая в России пока не стандартизована. Это, разумеется, не мешает экспериментам и пилотным проектам с использованием светодиодных облучателей, однако при выполнении договорных обязательств по поставкам изделий в производственную теплицу способно вызвать юридические сложности.

На практике, для перехода от световых величин  к фотонным фотосинтезным пользуются соотношением

Е, лк = (72÷76)∙Е_Ф, мкмоль/м²∙с

Это означает, что величина освещенности Е = 22 клк, часто используемая на практике у нас в стране при светокультуре огурца с НЛВД, эквивалентна, примерно, 300 мкмоль/м²∙с.

При использовании для этой цели красно-синих светодиодных облучателей необходимый уровень облученности может быть несколько ниже. Насколько – это должно быть установлено экспериментами. Для салатных культур такие данные получены. [2]

Светодиодный облучатель достаточно тяжелый световой прибор. Для сравниваемых мощностей его вес будет существенно превышать вес светильника с ЭмПРА. Количественные данные приведены на рис. 6.

Рис. 6. Вес тепличных светильников с НЛВД и светодиодами.

Но основной причиной, которая препятствует внедрению светодиодных облучателей в производственные теплицы, является, как известно, ценовой фактор. На рис.7 приведены средние оптовые стоимости светодиодных облучателей в зависимости от мощности в течение последних лет. Для сравнения приведены также средние цены 2016 г. светильников «Галад»  с ЭмПРА и ЭПРА мощностью 600 Вт. Многократная разница в ценах на светодиодные и натриевые облучатели и выполненные технико-экономические оценки позволяет утверждать, что замена традиционных светильников с НЛВД  на светодиодные в настоящее время нерентабельна.

Рис. 7. Цены на тепличные светодиодные облучатели в России.

Проведенный в статье анализ характеристик конкурирующих типов тепличных светильников подтверждает высокий «рейтинг» конструкций с ЭмПРА. Наиболее востребованным на рынке типопредставителем светильников этого вида является ЖСП30-600-013 на напряжение 380В. Ряд тепличных комбинатов успешно применили этот светильник в 2015 году, предполагается его использование в ряде новых или развивающихся тепличных комбинатах со светокультурой в 2016 году.

Завод-изготовитель тепличных светильников «Галад», ОАО «КЭТЗ», проводит модернизацию светильника ЖСП30-600-013. С 2016 года в его конструкции будет использоваться новый компенсирующий конденсатор со сроком службы до 10 лет и гарантией на 3 года.

В настоящее время разница в оптовых ценах светильника «Галад» мощностью 600 Вт с ЭПРА, в конструкции которого 100% радиоэлементов зарубежного происхождения и его аналога с ЭмПРА, в котором лишь один элемент, ИЗУ, импортный (ф. Vossloh Schwabe, Германия) составляет 40÷50% в пользу последнего.

С учетом изложенного, использование эффективного и надежного светильника с ЭмПРА на настоящем этапе развития теплиц со светокультурой следует считать рациональным подходом.

На рис. 8 приведены фото основных типов тепличных светильников «Галад», все типы светильников, кроме светильника мощностью 1000 Вт, выпускаются в модификациях с трубчатыми НЛВД или зеркальными НЛВД «Рефлакс».

Рис. 8. Светильники Galad с ЭмПРА и ЭПРА.

Подробная информация содержится в каталоге «Тепличное освещение» Galad или на сайте www.galad.ru. На сайте размещен удобный для практики калькулятор ориентировочного расчета осветительной установки для разных типов теплиц и светильников.

Л.Б.Прикупец, зав. лаб. ООО «ВНИСИ им. С.И. Вавилова,
вед. консультант ООО «БЛ ТРЕЙД», г. Москва

Литература.

1. Л.Б. Прикупец «Высокоэффективное светотехническое оборудование для теплиц. Теплицы России», №2, 2007, с. 45-47.
2. Л.Б. Прикупец, А.А. Емелин, И.Г. Тараканов. Светодиодные облучатели: из фитотрона в теплицу. «Теплицы России», №2, 2015, с. 52-56.

Комментарии:

Один комментарий на «“Светокультура. Рациональный подход к выбору системы освещения”»

1. Интересует ДНаТ лампы для теплиц