Инновации света

Политехники разрабатывают уникальные светильники для промышленности

— В ПРЕДЫДУЩИЕ СТОЛЕТИЯ РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОПЛОЩАЛИСЬ В СОЗДАНИИ МАКРО- И МИКРОРАЗМЕРНЫХ ИСКУССТВЕННЫХ СИСТЕМ, КОТОРЫЕ ЛЮДИ ИСПОЛЬЗОВАЛИ В СВОЕЙ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ. НАЧАЛО XXI ВЕКА — ЭТО УЖЕ ЭПОХА ИСКУССТВЕННЫХ НАНОСИСТЕМ. ДОСТИЖЕНИЯ В ЭТОЙ ОБЛАСТИ СЕЙЧАС ПОЗВОЛЯЮТ СОЗДАВАТЬ МАТЕРИАЛЫ И УСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ С СОВЕРШЕННО НОВЫМИ, НЕ СУЩЕСТВУЮЩИМИ В ПРИРОДЕ, СВОЙСТВАМИ. СРЕДИ МАТЕРИАЛОВ ФОТОНИКИ К ТАКОВЫМ МОЖНО ОТНЕСТИ МЕТАМАТЕРИАЛЫ, МАТЕРИАЛЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ, КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ И ДРУГИЕ, — РАССКАЗЫВАЕТ ПРОФЕССОР КАФЕДРЫ ЛАЗЕРНОЙ И СВЕТОВОЙ ТЕХНИКИ ТОМСКОГО ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ВЛАДИМИР КОРЕПАНОВ.

Именно с такими искусственными системами работает научный коллектив под руководством Владимира Корепанова. Ученые создают светодиодные световые приборы с уникальными возможностями: высокой мощностью, повышенным сроком службы, высокой светоотдачей, автоматической регулировкой потоков излучения и цветопередачи.

Новый свет для ангаров и теплиц

Работа политехников имеет практическую направленность: светодиодные светильники, созданные по технологии ученых, можно использовать для освещения крупных промышленных объектов с большой площадью освещаемого пространства (например, сборочные производства в помещениях ангарного типа), для облучения растений в теплицах, выращивания хлореллы в промышленных реакторах. — Приборы, которые мы разрабатываем, будут иметь большой срок службы (50–100 тысяч часов), высокую световую отдачу (порядка 200 лм/Вт), способность легко и в широких пределах изменять потоки и спектр излучения, а также самонастраиваться на оптимальные режимы в зависимости от вида работ и объекта облучения, параметров естественного облучения от солнечной радиации. На основе светодиодов можно конструировать осветительные и облучательные приборы с любыми изменяемыми параметрами и любой цветовой гаммой излучения», — поясняет профессор Корепанов. Кроме того, по словам ученого, светодиоды дают возможность создавать интеллектуальные — «умные» — системы освещения и облучения.

Вызовы и решения

При разработке мощных светодиодных облучателей?политехники столкнулись сразу с несколькими научно-техническими проблемами, которые собираются решать в рамках гранта Министерства образования и науки Российской Федерации. Так, высокая мощность светильников требует создания специальных систем охлаждения.

— Облучатели должны иметь оптимальный спектр излучения. Требования к спектральному составу фитосветильников (для теплиц и реакторов) вытекает из биологических особенностей поглощения солнечной радиации растениями. Такие светильники должны обеспечивать излучение в синей, красной и зеленой областях спектра, — рассказывает Владимир Корепанов.

Промышленные светильники также должны обеспечивать не только необходимый световой поток, но и определенные спектральные характеристики излучения. Например, это требование имеет важнейшее значение для выполнения работ, когда необходимо обеспечить высокий индекс цветопередачи. Каждый вид работ требует создания своей комфортной гаммы светового потока, а светильник должен обеспечивать различные оттенки излучения в зависимости от этих требований.

Эта проблема в устройствах, создаваемых политехниками, решается благодаря разработке специальных светодиодов и обеспечению возможности управления спектральным составом излучения. Технология ученых Томского политеха позволит менять «оттенок» света не только для разных видов помещений, но и для успешного выращивания разных видов растений.

— Одна из центральных задач?— разработка адаптивных систем облучения, которые позволяют прибору изменять потоки и спектры излучения, приспосабливаться, в зависимости от вида работ или погодных условий, времени года и так далее. Для этого создаются аппаратно-программные комплексы, обеспечивающие мониторинг состояния окружающей среды и управление световыми потоками в зависимости от вида работ или стадии развития растения.

Одним из главных этапов создания адаптивной системы является разработка эффективного способа оценки необходимых для нормального развития растения параметров падающего излучения. Это наиболее интересная часть работы. Фактически мы планируем научиться «спрашивать» у растения, какого количества и качества излучения ему не хватает в данный момент, и удовлетворить эту потребность изменением параметров искусственного светодиодного облучения, — говорит профессор ТПУ. Такую систему анализа процессов роста и развития растений предполагается создать на основе современных оптических, люминесцентных и абсорбционных методов анализа состояния растения.

Еще одна важная проблема, которую решают политехники — разработка оптимальных параметров светораспределения светильников и облучателей. Правильное светораспределение обеспечивает наиболее эффективное использование потоков света и повышенные комфортные условия для работы. Наиболее значима эта проблема для обеспечения равномерного облучения листьев высокорослых растений в теплицах. Обычные светильники не обеспечивают равномерность облучения растений по высоте, которая может достигать пяти метров. Другими словами, в теплицах не все листья могут работать в полной мере из-за того, что получают разные «порции» света. Разрабатываемые учеными ТПУ конструкции облучателей и их оптика будут обеспечивать наиболее равномерное облучение всего лиственного покрова растений, а также обеспечивать наименьшее затенение солнечного света.

Перспективы нового света

По словам политехника, потенциальные потребители светодиодных систем — промышленные производители овощей и зелени в закрытом грунте, животноводческие предприятия, фермерские хозяйства и индивидуальные предприниматели — фермеры. Согласно обзору сельскохозяйственного рынка, проведенному учеными ТПУ во время разработки темы, ожидается, что рынок «умных» теплиц с использованием светодиодного освещения возрастет к 2020 году более чем до 1,2 миллиарда долларов. В целом рынок LED-освещения к этому же году вырастет в среднем на 27,46 %.

Светодиодная система позволит создать комфортные условия освещения на крупных сборочных производствах и сельскохозяйственных объектах, повысить продуктивность производства сельскохозяйственной продукции в условиях закрытого грунта.

— Использование таких установок — это еще и дополнительная возможность снизить энергозатраты на производстве, так как энергия будет расходоваться эффективнее, а долговечность светодиодов обеспечит высокий срок службы установок, — добавляет ученый.

Подготовила Елизавета Муравлева