Dobór materiału do konstrukcji elementów optycznych w systemach oświetlenia UV LED

Postępy w konstrukcji układów LED pozwalają na jednoczesną kontrolę natężenia oraz widma emitowanego promieniowania, umożliwiając efektywniejsze zarządzanie parametrami sygnału wyjściowego niż w przypadku tradycyjnych źródeł światła. Na rynku dostępne są również lampy UV LED, powszechnie wykorzystywane m.in. w uprawie roślin do stymulacji ich wzrostu, co znacząco zwiększa wydajność plantacji oraz jej ekonomiczną efektywność.

Pomimo ciągłego rozwoju układów UV LED, dostępne na rynku produkty wciąż posiadają swoje ograniczenia, niekiedy mogące stanowić przeszkodę w osiągnięciu wymaganych przez użytkownika parametrów pracy. Promieniowanie uzyskane bezpośrednio z diod UV LED może okazać się niewystarczające do otrzymania zadowalającego i jednorodnego pokrycia światłem wymaganych rejonów. Sposobem na rozwiązanie tych problemów może być zastosowanie odpowiednich elementów optycznych, skupiających wiązki promieniowania w wybranych obszarach. Konstrukcja soczewek i refl ektorów właściwych do pracy z promieniowaniem UV wymaga jednak korzystania z innych materiałów niż w przypadku światła widzialnego – m.in. dlatego, że nie wszystkie tradycyjnie stosowane substancje charakteryzują się dobrą przejrzystością w paśmie UV.

Korzyści ze stosowania LED w uprawie roślin

Technologia LED zapewnia wiele korzyści w porównania do uprzednio stosowanych w uprawie roślin rozwiązań, takich jak np. lampy sodowe HPS (High Pressure Sodium Vapor). Jedną z najważniejszych jest możliwość precyzyjnej kontroli temperatury w pomieszczeniu. Klasyczne żarówki, jarzeniówki czy lampy wyładowcze produkują szerokie spektrum promieniowania, którego znaczna część (szczególnie z zakresu bliskiej podczerwieni) generowana jest w postaci energii cieplnej. Układy LED są znacznie bardziej efektywne energetycznie, dużo większą część pobieranej energii przekształcając w postać promieniowania świetlnego. Dzięki temu o wiele łatwiej można kontrolować temperaturę pomieszczenia, bez konieczności stosowania rozbudowanych systemów chłodzących niezbędnych do odprowadzenia nadmiarowo wyprodukowanego ciepła.

Wyższa efektywność energetyczna przekłada się nie tylko na mniejsze kłopoty z chłodzeniem, ale i mniejsze zużycie energii elektrycznej, co znacząco ogranicza koszty eksploatacji systemu. Układy LED charakteryzują się ponadto dłuższą żywotnością niż tradycyjne lampy (dochodzącą nawet do 10 lat), co jeszcze bardziej zmniejsza koszty utrzymania.

Diody LED umożliwiają ponadto emisję promieniowania o określonej długości, co pozwala na precyzyjny dobór optymalnych parametrów pracy systemu. Większość dostępnych w sprzedaży lamp LED oferuje sygnał będący kombinacją różnych długości fali, którego proporcje mogą być dopasowywane w zależności od aktualnych potrzeb użytkownika. Badania pokazują, że zwiększone korzyści uzyskać można również poprzez dodatkowe poddawanie uprawy oddziaływaniu promieniowania UV w określonych dawkach.

Zalety promieniowania UV w uprawie roślin

Badania mające na celu określenie wpływu promieniowania UV na wzrost plonów prowadzi się już od lat 60. XX wieku. Dzięki technologii UV LED badacze i plantatorzy mają obecnie do dyspozycji niskotemperaturowe źródło promieniowania charakteryzujące się wąskim pasmem generowanego sygnału, co pozwala na oszacowanie skuteczności określonych zakresów widma dla indywidualnych gatunków roślin.

Promieniowanie UV dociera do umieszczonych w roślinach fotoreceptorów i pełni ważną funkcję w regulacji cyklu życiowego fl ory. Dotychczasowe rezultaty pokazały możliwość uzyskania w ten sposób poprawy smaku oraz wyglądu plonów, zwiększenia odporności na choroby i infekcje, a także wydłużenia ich okresu trwałości. Optymalne dawkowanie światła UV wymaga jednak precyzyjnej kontroli cyklu wegetacyjnego oraz doskonałej znajomości wymagań danego gatunku roślin, ponieważ dostarczenie zbyt dużej porcji promieniowania przynieść może odwrotne do oczekiwanych, szkodliwe efekty.

Wykorzystanie UV LED w systemach oświetleniowych

Kluczowym wyzwaniem podczas implementacji technologii UV LED jest wybranie właściwego sposobu integracji oświetlenia UV z istniejącą infrastrukturą.

Źródła światła widzialnego rozmieszczone są zazwyczaj w pewnej odległości od powierzchni roślin, wynoszącej przynajmniej jeden metr. Ta wolna przestrzeń tworzy obszar roboczy pozwalający na wykonywanie czynności pielęgnacyjnych, jest również ważna dla umożliwienia wzrostu gatunków pnących lub charakteryzujących się większym rozmiarem. Wynika to niekiedy również z konstrukcji obiektu, gdyż w przypadku niektórych budynków szklarniowych wysokość od sufitu do podłoża wynosić może nawet powyżej 3–4 m.

Na tak dużych odległościach bardzo trudne może być zintegrowanie oświetlenia UV LED, szczególnie lamp pracujących z niższymi długościami fali (zakres UV-B). Dzieje się tak, ponieważ większość dostępnych w sprzedaży lamp charakteryzuje się szerokim kątem świecenia, wynoszącym typowo od 120–140º, w dodatku przy niższej mocy wyjściowej niż w przypadku źródeł światła widzialnego.

Wraz ze wzrostem odległości pomiędzy źródłem światła a oświetlaną powierzchnią wzrasta powierzchnia obszaru objętego promieniowaniem, mogąc bardzo szybko przekroczyć faktyczny obszar uprawy. W rezultacie część wypromieniowanej energii jest marnowana, ograniczając zarówno efektywność energetyczną systemu, jak i zdolność do osiągnięcia optymalnego dawkowania oraz wartości zagęszczenia strumienia fotonów (PFD, Photon Flux Density) wystarczającej do stymulacji wzrostu roślin. Obrazowo przedstawione zostało to na rysunku 1.

 

Rys. 1. Prosty przykład pokazujący skuteczność oraz zasadność stosowania elementów optycznych w systemie oświetleniowym

Jedną z metod rozwiązania tego problemu jest skrócenie dystansu, czyli umieszczenie źródła światła bliżej powierzchni roślin. W wielu przypadkach może okazać się to jednak niemożliwe do osiągnięcia, a przynajmniej wysoce kłopotliwe, wiążąc się z koniecznością przebudowy całej infrastruktury obiektu, co jest inwestycją dość kosztowną oraz utrudniającą prowadzenie uprawy. Kolejny sposób opierać się może na zwiększeniu liczby lamp LED, co podwyższy moc wyjściową promieniowania oraz pozwoli uzyskać wymaganą wartość PFD. Opcja ta również wiąże się ze znaczącym wzrostem kosztów, zarówno podczas instalacji, jak i późniejszej eksploatacji, nie jest zatem rekomendowana z powodów ekonomicznych ani ekologicznych.

W przypadku LED-owych źródeł światła widzialnego powszechnym rozwiązaniem jest korzystanie z elementów optycznych skupiających wiązkę świetlną. Pozwala to na zawężenie obszaru objętego promieniowaniem, eliminując negatywny wpływ odległości między lampą a powierzchnią uprawy. Dla lamp UV rozwiązanie tego problemu jest niestety znacznie trudniejsze. Materiały transparentne wykorzystywane do pracy ze światłem widzialnym wykazują znaczącą degradację parametrów pracy wraz ze spadkiem długości fali. Liczba rodzajów materiałów nadających się do pracy ze światłem UV jest zatem mocno ograniczona. Substancje takie spełniać muszą wymagania w zakresie odpowiedniej wartości przezroczystości dla wybranych długości fali, wytrzymałości mechanicznej, plastyczności (możliwość formowania właściwych kształtów) oraz ceny. Materiał taki charakteryzować się musi ponadto dobrymi właściwościami również przy transmisji światła widzialnego oraz podczerwonego, pozwalając na realizację kompleksowego systemu oświetlenia.

Dostępne rodzaje materiałów transparentnych

Najbardziej popularnym materiałem nadającym się do konstrukcji elementów optycznych dla lamp UV jest prawdopodobnie kwarc. Na rynku dostępnych jest jednak obecnie więcej różnych typów substancji, zaprojektowanych i opracowanych pod kątem optymalizacji parametrów pracy z promieniowaniem UV.

Wyróżnić można trzy grupy produktów mogących znaleźć zastosowanie przy konstrukcji elementów optycznych dla lamp UV: polimery (jak np. akryl i silikon), ceramiki i szkła (m.in. kwarc i topiona krzemionka) oraz specjalne kompozycje szklane (np. "UV glass").

Wybór optymalnego materiału zależy od właściwości i warunków pracy systemu. Każda z substancji ma unikatowe cechy wpływające na propagację sygnału świetlnego. Na etapie projektowania systemu ważne jest dokonanie oceny właściwości materiałów pod kątem zakładanego zastosowania, uwzględniając przy tym szereg czynników, od środowiska pracy aż do pożądanych parametrów sygnału wyjściowego.

W przypadku systemów oświetlenia przeznaczonych do uprawy roślin kluczowe kryteria obejmują m.in. charakterystykę przezroczystości, właściwości cieplne, żywotność oraz łatwość produkcji i zdolność do formowania określonych kształtów. Definicję i znaczenie wymienionych parametrów przedstawiono w tabeli 1.

Przezroczystość materiału

Podczas poszukiwań substancji nadającej się do konstrukcji opraw i elementów optycznych dla źródeł światła w pierwszej kolejności należy wziąć pod uwagę wartość przezroczystości. Dla dokonania optymalnego wyboru trzeba najpierw określić wymaganą częstotliwość promieniowania, gdyż większość materiałów ma charakterystykę przezroczystości silnie zależną od długości fali. Przykład takiego wykresu pokazano na rysunku 2.

 

Rys. 2. Zależność przezroczystości materiału od długości fali

Właściwości termiczne

Jak już wspomniano, jedną z głównych zalet układów LED jest niewielki poziom emisji energii cieplnej podczas pracy – lampy te nie nagrzewają się znacząco, w przeciwieństwie do klasycznych rozwiązań. Diody LED wciąż generują jednak pewną ilość ciepła, przy czym diody UV LED charakteryzują się gorszymi parametrami niż ich odpowiedniki z zakresu światła widzialnego. Sprawność nowoczesnych lamp LED dochodzi obecnie do ok. 60%, zaś w przypadku źródeł UV LED jest to jedynie do ok. 25%. Oznacza to, że jedynie 25% energii elektrycznej dostarczonej do układu zamieniane jest w promieniowanie z zakresu UV. Znaczna część z pozostałych 75% rozpraszana jest w postaci energii cieplnej.

Przed wyborem materiału do konstrukcji elementu optycznego należy zatem oszacować temperaturę pracy źródła światła, aby mieć pewność, że nie wpłynie ona negatywnie na właściwości tego materiału, np. powodując jego deformację.

Wpływ warunków otoczenia

Element optyczny podczas pracy poddawany będzie wpływowi różnych czynników i warunków występujących w otoczeniu systemu. Do najczęściej występujących zaliczyć można wilgoć, zmiany temperatury czy obecność różnego typu substancji chemicznych. Zjawiska te wywołać mogą przedwczesne starzenie lub uszkodzenie elementów systemu, pogarszając parametry jego pracy. Soczewki i oprawy pełnią dodatkowo funkcję ochronną wobec źródeł światła, zabezpieczając diody UV LED przed uszkodzeniem. Wybrany materiał transparentny musi zatem charakteryzować się wystarczającym poziomem odporności na szkodliwy wpływ otoczenia.

Kwarc oraz szkło charakteryzują się wysokim poziomem odporności na działanie czynników chemicznych i mechanicznych. Polimery są znacznie bardziej wrażliwe na działanie wilgoci i chemikaliów, co zwiększa ryzyko ich degradacji w niesprzyjającym środowisku.

Właściwości optyczne materiału

Dla zapewnienia odpowiednich właściwości optycznych materiał musi zostać uformowany w określony kształt, zależy od takich parametrów jak współczynnik załamania, a także od plastyczności i łatwości formowania materiału.

Współczynnik załamania jest miarą zmiany prędkości rozchodzenia się fali świetlnej w ośrodku w odniesieniu do innego ośrodka (najczęściej próżni). Określa on m.in. kąt padania oraz odbicia i załamania światła.

Każdy materiał (a w zasadzie para materiałów) ma tzw. kąt graniczny, określany właśnie przez współczynnik załamania. Jest kąt padania światła wzrośnie powyżej kąta granicznego, następuje całkowite wewnętrzne odbicie i światło nie przechodzi przez granicę tych ośrodków. Znajomość wartości kąta granicznego jest niezbędna do konstrukcji geometrii elementu optycznego. Zobrazowanie tego zjawiska pokazane zostało schematycznie na rysunku 3.

 

Rys. 3. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia uniemożliwia przejście światła pomiędzy dwoma ośrodkami. Jest to podstawa działania układów optycznych skupiających wiązkę świetlną

Podsumowanie

Elementy optyczne pozwalają znacząco podnieść efektywność systemów oświetlenia UV-LED, powszechnie wykorzystywanych m.in. w uprawie roślin. Umożliwiają osiągnięcie zakładanych parametrów pracy, regulację szerokości wiązki oraz jednorodnego pokrycia światłem wymaganych obszarów.

Nie wszystkie materiały odpowiednie do konstrukcji opraw i soczewek dla źródeł światła widzialnego charakteryzują się jednakowo dobrymi właściwościami w zakresie UV. Do budowy tego typu rozwiązań konieczne jest korzystanie ze specjalistycznych substancji, takich jak np. dopasowane rodzaje szkła. Tego typu konstrukcja może być w stanie zabezpieczyć pracę kompleksowego systemu oświetlenia, korzystającego zarówno z lamp UV LED, jak i LED pracujących w paśmie widzialnym. Dokonując wyboru najodpowiedniejszego materiału, należy dokonać analizy szeregu jego parametrów, pamiętając przy tym o wymaganiach oraz przewidywanych warunkach pracy systemu.

Damian Tomaszewski