Размещено на http://www.allbest.ru/

Университет ИТМО

Факультет: Инженерно-физический

Кафедра: Лазерных технологий и экологического приборостроения

Направление подготовки (специальность): Техническая физика

Реферат на тему:

"Космическая пекинская капуста и LED технологии: как это работает?"

Выполнил: Жарков Я.О.

Группа:3232

Санкт-Петербург 2014

Содержание

• Введение
• 1. Устройство и принцип работы диодов
• 2. Преимущества и недостатки светодиодов
• 3. Светодиоды в растениеводстве
• 4. Пекинская капуста: правда и вымысел
• 5. Поведение капусты под влиянием светодиодов
• Заключение
• Список литературы

Введение

Значимость конкурентов светодиодов с каждым годом падает: эффективность белых светодиодов резко взлетела за последнее десятилетие, и в 2007 превысила аналогичный показатель у других источников белого света. Сфера применения светодиодов увеличивается не менее интенсивно: где бы вы не находились, оглянитесь и вы увидите что наличие LED технологии вокруг нас удивляет не больше чем лицо того самого попрошайки который ежедневно едет с вами в одном вагоне метро. Подсветка ЖК-экранов ноутбука, световой индикатор противопожарной сигнализации, фонарик лежащий под рукой потому что в туалете общежития опять нет света…

Не обошла перспективная технология и растениеводство. В 50 лет незамужние дамы, могут быть либо кошатницами, либо садоводами, а что делать, если нет дачи за городом или банального участка под окнами дома? Создавать свою домашнюю оранжерею! И отнестись к любимому огороду надо со всей скрупулезностью, вплоть до выбора источника освещения. Так почему же выбор должен пасть все-таки на LED светильники?

Использование светодиодов для тепличной среды, как пекинская капуста окажется в космосе и как это скажется на вашем пищеварении - в этом реферате.

1. Устройство и принцип работы диодов

Светодиод относятся к классу биполярных полупроводниковых устройств, а значит, для его работы используется p-n область с разными типами проводимости, обеспечивающая протекание тока. Для создания такого перехода, светодиодный чип выращивают из определенной широкозонной полупроводниковой структуры (GaAs, GaP, SiC), на заранее выбранной подложке (GaN на сапфире, GaN на Si, GaN на SiC). Чтобы светодиод выполнял свою основную функцию - излучение света при протекании через него тока - его подключают к источнику питания в прямом направлении (напряжение ИП способствует снижению потенциального барьера pn). Это приводит к тому, что основные носители заряда (ОНЗ) в эмиттере (их концентрация намного больше концентрации ОНЗ в базе) обретают энергию достаточную, чтобы перейти в базу. Этот эффект носит название инжекции, и лежит в основе работы любого биполярного полупроводникового прибора.

При переходе ОНЗ в базу электроны рекомбинируют с дырками, образуя фотоны, которые покидают светодиод в виде монохроматического излучения.

Рис. 1. Схема поясняющая работу диода

Рис.2. Обозначение светодиода и его ESD диода

В общем случае устройство светодиода и светодиодного светильника выглядит так:

Рис. 3. Устройство светодиода

Рис.4. Устройство светодиодного светильника

ESD диод используется как вспомогательный, для защиты основного от электрического пробоя (ввиду малого значения Uпроб. светодиода)

В процессе работы светильника образуется большое кол-во тепла (порядка 75% потребляемой энергии). Для его отвода от чипа к радиатору используется печатная плата. Платы изготовляют на основе металлов (алюминий, медь) или керамических материалов с высокой теплопроводностью, позволяющих получать рекордно низкое тепловое сопротивление, от 2 до 0.5 К/Вт, и обеспечивать эффективный теплоотвод (мощность устройств СОВ достигает 500 Вт).

2. Преимущества и недостатки светодиодов

светодиод растениеводство фотосинтез освещение

Популярность светодиодов (как и пекинской капусты) становится все больше с каждым годом. Рассмотрим, чем же так привлекательны светодиоды:

- Возможность излучения в узко заданном спектре.

- Белый свет высокого качества, при индексе цветопередачи в диапазоне 80-95 (за 100 принимается излучение Солнца). "Чистый свет" особенно ценят дизайнеры.

- Отсутствие в спектре излучения инфракрасной составляющей и, как следствие, низкое тепловыделение и отсутствие нагрева окружающих поверхностей и предметов.

- Направленность излучения. Эта особенность может иметь и отрицательный эффект, например, когда светодиоды установили для освещения ж/д, неравномерное освещение поверхности стало потенциально опасным для рабочих. Использование вторичной оптики же ведет к потерям в интенсивности.

- Отсутствие мерцания света. Несомненный плюс для производственных предприятий.

- Малые габариты. Хотите сделать костюм зловещего монстра на Хэллоуин? Хотите узнать, кто громче визжит из проходящей по темному парку влюбленной парочки? Тогда вам не обойтись без пары зрачков из красных светодиодов!

- Стойкость к вибрациям и ударам. Собрались испытывать нервы людей, будьте готовы получить в глаз! Светодиоды точно выдержат этот удар, а вы?

- Мгновенное включение и выключение. Как известно лучший прием в драке - бег, и если уж вас угораздило удирать в костюме от преследователя, будет лучше, если вы будите делать это без наводящих на цель огней. Люминесцентные лампы здесь явно не подходят!

- Низкое энергопотребление и высокая световая отдача (никто же не хочет убегать с огромной батареей на спине, правда?)

- Гарантии работоспособности при любой влажности и температуре окружающей среды от -50 до +50 °С.

- Высокий срок службы: заявлено 100000 часов!

Несмотря на столь широкий ряд преимуществ, у светодиодов есть недостатки. Основной из них - дороговизна производства светодиодов. Снижение стоимости светодиодных устройств - основная движущая сила развития технологии их производства. При перспективе увеличения плотности излучения светодиодных устройств ожидается появление тенденции к подорожанию теплоотводных систем. Тем ни менее, согласно прогнозам Департамента по энергетике США, основной показатель экономической эффективности светильников - доллар/килолюмен, для LED ламп белого света снизится к 2020 году в 8 раз по отношению к 2012.

Для каждой сферы применения светильников свои критерии: плюсы могут обратиться в минусы, а те могут оказаться незначительными в ввиду получаемого результата. Посмотрим, как проявили себя светодиоды в такой не самой очевидной области их применения, как освещение теплиц и оранжерей.

3. Светодиоды в растениеводстве

В растениеводстве правильный подбор источника света главным образом влияет на фотосинтез. Фотосинтез - главный процесс жизнедеятельности растений, более 95% сухого вещества создается благодаря нему.

У растений за поглощение света отвечают разные пигменты. Основные из них - хлорофиллы a и b и каротиноиды. Хлорофиллы поглощают свет синего и красного диапазонов, а каротоноиды - синего и зеленого. Свет полученный разными пигментами расходуется на разные цели: пигменты с пиком чувствительности в красной области спектра отвечают за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение растений; пигменты с пиком поглощения в синей области, отвечают за увеличение зеленой массы[3].

Остальные части спектра растениями используются мало.

Опыты выращивания растений (пшеницы, салата, шпината) под светодиодами показали, что светильники на основе красных светодиодов (640-660 нм) с добавлением не менее 10% (по плотности потока фотонов) синих (470 нм) обеспечивают более благоприятные условия освещения по сравнению со светильниками на основе исключительно красных светодиодов.

В работе проводилось исследование на предмет эффективности использования аграрных натриевых ламп и светильника Xlight. Последний представляет собой один из примеров внедрения LED технологий на рынок агропромышленной техники: устройство работающее от постоянного тока, на основе красных и синих светодиодов, расположенных на алюминиевой плате. Следует отметить, что платы из алюминия являются самыми распространенными на рынке ввиду своей дешевизны по сравнению с более эффективными аналогами.

Рис.5. График соотношения спектров эффективности фотосинтеза, натриевой лампы высокого давления и светодиодного агросветильника XLight

Эффективность источника света обычно оценивают по количеству люменов излучаемого светового потока, приходящихся на один ватт потребляемой мощности. Но ввиду того, что свет разных длин волн растения воспринимают по разному,

параметром, в отечественных работах характеризующим "яркость" источника света для растения, является плотность потока фотонов (мкмоль/мІ*с).

На Рис. 5 представлена кривая относительной спектральной эффективности фотосинтеза, и спектры натриевой лампы и светильника Xlight. Как видно по графику спектральный состав светодиодного светильника более благоприятен для выращивания растений.

Интенсивность излучения светодиодного светильника зависит от протекающего через него тока. Благодаря тому, что современные тепличные комплексы предоставляют возможности тонкого программного управления, можно регулировать значения интенсивности на разных этапах роста растения.

Исключительной особенностью светодиодов является то, что в их свете отсутствует ИК компонента (см. рис 6). Благодаря этому температурный микроклимат оранжереи не будет нарушен нежелательным воздействием теплового излучения. К тому же светильники можно располагать в непосредственной близости от растения без опасности нанести ему повреждения.

Рис.6. Распределение потребляемой электроэнергии источниками света: светодиодом (а), флуоресцентной лампой (б), лампой накаливания (в).

К преимуществам светодиодной системы освещения для растений следует отнести и экономическую эффективность. В уже упомянутой работе показано, что в долгосрочной перспективе СД светильники способны окупить себя ввиду меньшего энергопотребления, но не меньшей эффективности.

А как же люминесцентные лампы? Эксперимент показал, что они не могут обеспечить спектр, необходимый для полного цикла роста растений, а пригодны только для выращивания рассады.

Перспективность использования LED технологий для создания оранжерей подчеркивают в многобюджетной космической отрасли. В проекте покорения Марса в 2030 году NASA собирается использовать светодиодные светильники для выращивания растений в искусственной среде. А в отечественном проекте Марс-500 ученые применили светодиоды для освещения космической конвейерной цилиндрической оранжереи "Фитоцикл-СД". В течение 100 суток исследователи выращивали не что иное, как пекинскую капусту. Вдохновением для данного реферата послужила исследовательская статья создателей "Салатной машины", предшествующая эксперименту Марс-500.

4. Пекинская капуста: правда и вымысел

Почему именно пекинская капуста? Данный представитель эукариотов зародился на территории Китая, и как многое оттуда, в итоге оказался в домах американцев и европейцев (разве что Made in China здесь заложено в самом названии). В последние годы данная культура производится и пользуется популярностью в России.

Пекинскую капусту рекомендуют потреблять при гастрите и для ускорения перистальтики кишечника, что благоприятно влияет на процесс пищеварения.

Причина, по которой ученые остановились именно на пекинской капусте в отчетах исследователей не уточняется. Вероятно дело в скороспелости и устойчивости к выращиванию в условиях нехватки света и кислорода, и конечно в богатом витаминном комплексе.

5. Поведение капусты под влиянием светодиодов

Учеными было проведено сравнительное исследование развития растений китайской капусты 15- и 27-дневного возраста, выращенных при освещении дуговой натриевой лампой высокого давления (НЛ) и светильником на основе красных (650 нм) и синих (470 нм) светодиодов (СС) с соотношением красных и синих квантов 7 : 1. Растения первой группы выращивали при плотности потока фотонов 391 ± 24 мкмоль/(мІ с) ("нормальный" уровень освещения), растения второй группы - при 107 ± 9 мкмоль/(мІ2 с) ("низкий" уровень освещения.

В процессе эксперимента выяснилось, что при росте растения на протяжении 4 недель СС вариант в целом уступал по массе НЛ варианту, хотя соотношение массы побег/корень было выше у СС, ввиду малого веса корня. Содержание сахаров было значительно выше у НЛ варианта, в среднем в два раза. Пигментный состав (количество каротиноидов и хлорофиллов а b) в целом был схож, но у СС варианта значение отношение Хл/Кар менялось при разном уровне освещения. По количеству белка между обоими вариантами серьезных различий замечено не было.

Полученные экспериментальные данные позволяют заключить, что при уровне освещения 350-400 мкмоль/(мІ*с) данный СС, по плотности потока фотонов в целом обеспечивает адекватные условия освещения. Не было найдено и существенных нарушений в протекании фотосинтеза у растений СС варианта. Вместе с тем, у растений, выращенных под СС, уже на 15-й день вегетации было выявлено замедление роста корня по сравнению с НЛ вариантом, усиливающееся по мере роста растений. Высокое отношение масс побег/корень может негативно отразиться на росте и развитии растений при ухудшении условий выращивания.

При смене интенсивности облучения в НЛ варианте у растения произошел быстрый рост побегов в последующие 12 дней, и на 27-й день вегетации при выращивании под НЛ масса целого растения не отличались от показателей растений, изначально выращиваемых при нормальном освещении (когда у СС при тех же условиях конечная масса получилась в два раза меньше). Следует отметить, что усиленный рост побегов в период с 15-го по 27-й день вегетации сопровождался угнетением роста корня. Это обстоятельство представляется полезным с хозяйственной точки зрения, поскольку возрастает доля съедобной части в общей массе растения, однако оно же может явиться и причиной пониженной устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды.

Причины описанных различий, по-видимому, лежат в разнице спектров падающего света. В спектре СС практически отсутствовали кванты зеленой и дальней красной полос, которые играют регулирующую роль в росте растения. Известно также, что свет различного спектрального состава влияет на содержание и активность гормонов растений. Таким образом, при лучшем обеспечении фотосинтетически активными квантами растения, выращенные под светодиодами, были лишены тех квантов, которые являются важными с регуляторной точки зрения.

Итак, при выращивании растений под НЛ есть возможность снижать интенсивность освещения на ранних стадиях вегетации без потери урожая. Это может оказаться полезным при выращивании растений в условиях с сильно ограниченными энергоресурсами. Красно-синие СС при оптимальной интенсивности освещения позволяют успешно выращивать растения, но особенности из взаимодействия с фотосинтетическим аппаратом растения требует еще дальнейшего изучения, и подбора нужных компонент спектра.

Заключение

Еще не надумали заняться созданием собственного огорода? Даже если нет, пекинская капуста больше не представится вам очередным нудным овощем. Автор этой статьи при виде этого иностранца на прилавке супермаркета точно с улыбкой вспомнит время, проведенное за созданием реферата. И с сожалением осознает, что пекинская капуста лучше его, ведь она полетит в космос, а он нет.

Если с положительными свойствами капусты все понятно, что же мы узнали про применение светодиоды в растениеводстве? Здесь важную роль играют такие преимущества: выгодное энергосбережение и высокий срок службы, отсутствие ИК излучения, малые габариты и устойчивость к механическим воздействиям, возможность тонкого регулирования интенсивности и спектрального состава света. Последняя особенность играет особо важную роль: исследования фотосинтетического аппарата растений позволяют понять нам, какой свет благоприятнее всего влияет на рост и развитие, и получить его благодаря LED технологиям. Работы в данной области ведутся, и я уверен, капуста будет проводить холодные ночи на Марсе под светом точно не натриевых ламп.

Список литературы

1. Бугров В.Е., Виноградова К.А. Оптоэлектроника светодиодов: Учебное пособие. - СПб.: НИУ ИТМО, 2013. - 174 с.

2. Б.И. Григорьев Элементная база и устройства аналоговой электроники. - СПб: СПб ГУ ИТМО, 2008. - 94 с.

3. Илья Бахарев, Александр Прокофьев, Андрей Туркин, Андрей Яковлев. Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы. Полупроводниковая светотехника. 2010. Т. 5. №7. С. 60-63.

4. О. Аверчева, Ю. Беркович, А. Ерохин и др. Особенности роста и фотосинтеза растений китайской капусты при выращивании под светодиодными светильниками. Физиология растений. 2009. № 56. С. 17-26.

5. Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Зяблова Н.В., Кривобок А.С., Кривобок Н.М., Смолянина С.О., Мухамедиева Л.Н., Пахомова А.А., Новикова Н.Д., Поддубко С.В., Корсак И.В. ИТОГИ ЭКСПЕРИМЕНТА "САЛАТНАЯ МАШИНА" В РАМКАХ ПРОЕКТА "МАРС-500". Авиакосмическая и экологическая медицина. 2012. Т. 46. № 5. С. 59-64.

6. Сайт Space.com - электронные данные- доступ: http://www.space.com/21028-mars-farming-nasa-missions.html

7. U.S. Department of Energy. SSL Manufacturing Roadmap. July 2011.

8. Сайт Woman.delfi.ua - электронные данные - доступ: http://woman.delfi.ua/news/woman/health/pekinskaya-kapusta-polza-i-protivopokazaniya.d?id=2051373

9. Сайт Woman.delfi.ua - электронные данные - доступ: http://woman.delfi.ua/news/woman/health/top-7-produktov-dlya-zhenskoj-grudi.d?id=1988987

10. Нобелевский комитет - электронные данные - доступ: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/

Размещено на Allbest.ru