СВЕТИЛЬНИК Российский патент 2015 года по МПК F21V9/14 G02B5/30 A01G9/20 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к осветителям, предназначенным для выращивания рассады, овощей или цветов в домашних или промышленных условиях.

Известно устройство, патент RU 2176762 С2, МПК F21W 101:10, F21V 9/14, F21S 8/12, 10.01.2001, комбинированный источник поляризированного излучения предназначен для обеспечении безопасности движения транспортных средств. Световой поток, перпендикулярно падающий на поверхность поляризатора, поляризируется в двух ортогональных плоскостях.

Недостатки устройства: из-за способа преобразования светового потока большие потери электроэнергии, нельзя использовать диффузионные источники света, сложное конструктивное исполнение, высокая стоимость.

Известно устройство (реферат заявки) RU 93027620 A, G02B 5/30, 7.12.1995, диэлектрический поляризатор света для усиления степени поляризации света, падающего по нормали, один из диэлектрических слоев выполнен в виде периодично расположенных выступов. Кроме того, поляризатор выполнен в виде решетки с прямоугольной формой профиля полос.

Недостаток устройства: устройство предназначено для работы в высокоточных оптических приборах и для облучения растений не пригодно, не все типы источников излучения можно использовать, мало эффективен.

Известно устройство патент RU 2147759 С1, МПК G02B 5/30, 20.04.2000, излагается технология изготовления пленочных поляризаторов в зависимости от применяемых химических компонентов, толщины слоя пленок, приводятся примеры поляризаторов, выполненных по патентуемой технологии.

Недостаток: описываемые поляризаторы можно использовать только в технике, для применения в сельском хозяйстве мало пригодны.

Известно устройство патент RU 2056731 C1, F21V 7/00, 27.03.1996, светоотражатель светильника для теплицы содержит каркас и светоотражающие пластины, имеющие возможность вращаться, кроме того, для регулирования спектрального состава излучения устройство имеет светокорректирующий экран с секцией светонепроницаемых пластин, которые выполнены из материалов с заданным значением коэффициента пропускания падающего оптического потока в спектральном диапазоне 400-500 нм, 500-600, 600-700 нм.

Недостатки устройства: имеет сложную конструкцию, громоздкое, дорогостоящее.

Известно устройство (прототип) патент RU 2369086 С1, МПК A01G 9/20, 10.10.2009. Фитопрожектор выполнен в виде прямоугольной рамы, светодиоды расположены на платах, платы установлены в один ряд в прозрачных герметичных плафонах, плафоны установлены внутри корпуса с зазором относительно друг друга в несколько параллельных рядов так, что центральные оси световых потоков светодиодов направлены в одну сторону к лицевой поверхности корпуса и перпендикулярны его плоскости.

Фитопрожектор, управляемый от микропроцессорной установки, позволяет обеспечивать спектральный состав излучения, оптимальный для фотосинтетической активной радиации (ФАР) с учетом стадии развития и вида растений, и позволяет при необходимости изменять состав излучения и время экспозиции.

Недостатки: громоздкая и дорогостоящая конструкция, требующая сложной электронной схемы управления (программируемый контроллер с операционными стеками протоколов и т.д.), большое энергопотребление.

Максимальное поглощение хлорофиллом хаотично вращающихся фотонов происходит при совпадении направлений пропускания световых векторов Е падающего света с векторами пропускания клеток хлорофилла и минимально - при полном (90°) расхождении этих направлений. Так как хлорофиллы поглощают свет избирательно, то в этом случае - очень низкий коэффициент полезного действия фотосинтетической активной радиации излучения (КПД ФАР) как в прототипе, так и в его аналогах.

Цель изобретения - повышение КПД ФАР излучения, экономия электроэнергии, повышение вегетации растений.

Следует отметить, что в предлагаемом устройстве заложен способ повышения вегетации растений, изложенный в патенте РФ №2469526 С2, 10.09.2012.

На Фиг. 1 изображена конструкция устройства (вариант), где: 1 - источник излучения; 2 - световой поток; 3 отражатель; 4 - оптическая ось излучателя; 5 - двухзвенный поляризатор, расположенный на пути светового потока 2, выполнен в виде двух поляризирующих диэлектриков: первый - 5а расположен на внутренней поверхности отражателя 3, второй - в виде диэлектрического сердечника 6, который расположен симметрично оптической оси 4 отражателя 3. Поляризирующие диэлектрики двухзвенного поляризатора 5 могут быть и в пленочном исполнении - однослойные или многослойные, нанесенные на отражающие поверхности отражателя 3 - поляризирующий диэлектрик 5а и диэлектрического сердечника 6 - поляризирующий диэлектрик 5в, с постоянными или переменными значениями коэффициента преломления n_i, где: i - 1, 2, …, m. При этом поляризирующие поверхности диэлектриков двухзвенного поляризатора, имеющего границы раздела сред (воздух-стекло), расположены под углом к падающим лучам излучателя и определяются зоной угла Брюстера (, где: - угол Брюстера, - ширина зоны Брюстера). Диэлектрический сердечник 6 поляризатора 5 может быть выполнен, например, полым (или монолитным) из диэлектрика (стекла) и иметь коническую или веретенообразную форму. Отражатель 3 и сердечник 6 образуют, например, близкую по форме к конической, кольцевую щель, 7 - выходной поляризованный смешанный световой поток; 8 - растения, растущие в питающем грунте 9. Где: $${\Phi }_1^1$$ - отраженный поляризированный частично световой поток; $${\Phi }_1^{11}$$ - преломленный поляризованный частично световой поток; Ф₁ - выходной неполяризованный световой поток. Диэлектрики (5а, 5в) двухзвенного поляризатора 5 являются, например, одновременно и зеркальными отражателями.

В варианте исполнения Фиг. 2 для регулировки плотности поляризации (регулировки КПД ФАР светильника) применяется механизм подстройки положения диэлектрического сердечника 6 поляризатора 5 - механизм регулировки 10, оснащенный, например, шкалой отсчета средней плотности поляризации. Механизм 10 представляет собой фиксирующуюся рейку со стрелочным указателем, соединенную с сердечником 6, который имеет возможность при настройке устройства перемещаться вдоль оси 4 в направляющих (на чертеже не показаны).

В варианте исполнения Фиг. 2 сердечник 6 выполнен полым и может состоять из одного или нескольких полых прозрачных поляризирующих диэлектриков, вставленных один в один - в форме "матрешки".

В варианте исполнения Фиг. 3 светильник содержит магнитостатический узел 11, выполненный на постоянных магнитах 12, расположенных симметрично на магнитопроводе 13, вокруг отражателя 3. Магнитостатический узел 11 может состоять из K_j пар полюсов магнитов (где: j - 1, 2, …, m). Каждая пара магнитов имеет S и N полюса, южный и северный соответственно (H₀ - напряженность магнитного поля Ф_м). Между ними располагаются магниточувствительные поляризирующие диэлектрики (5а - 5в). Магнитные поля Ф_м перекрывает все рабочие поверхности магниточувствительных поляризирующих диэлектриков двухзвенного поляризатора 5.

В варианте исполнения Фиг. 3 светильник содержит магнитостатический узел 11 (двухполюсный), состоящий из внешнего кольцевого постоянного магнита 12, расположенного на отражателе 3 и имеющего, например, полюс N и дополнительного постоянного магнита 12в, расположенного, например, в полости диэлектрического сердечника 6, симметрично оптической оси 4 и имеющего полюс S. Полюса постоянных магнитов расположены по периферии магниточувствительного поляризатора 5. Магнитное поле Ф_м направлено радиально от оптической оси 4 к внутренней стороне кольцевого магнита 12 (вектор Н₀ направлен от S→N) и пересекает магниточувствительные поляризирующие диэлектрики. Внешнее магнитное поле кольцевого магнита 12 замыкается на постоянный магнит сердечника 12в внешним магнитопроводом (не показан).

В варианте исполнения Фиг. 3 магнитостатический узел 11 выполняется на электромагнитах, состоящих из секций (L1, L2) обмоток 14, катушки L, расположенной на полюсных сердечниках магнитопровода 13 (взамен постоянных магнитов). Секционные обмотки 14 в катушке L соединены последовательно (L₁+L₂) (или, например, последовательно-параллельно) и подключены к первому (токовому) выходу I_упр блока управления 15. Магниточувствительный поляризатор 5 выполнен, например, пленочным, одно- или многослойным, в котором показатель преломления n изменяется, например, в слоях или в одном слое диэлектрика.

В варианте исполнения Фиг. 3 магнитостатический узел 11 на электромагнитах, для усиления напряженности Н₀ магнитного потока Ф_м, в зазоре между полюсами электромагнитов 14 имеет, например, дополнительный магнитопровод 12а, расположенный в полости сердечника 6 поляризатора 5 и выполнен, например, в форме конического кольца, т.е. повторяют, например, форму внутренней полости сердечника 6.

Таким образом, в магнитостатическом узле, выполненном на постоянных магнитах или электромагнитах, магнитопроводы и полюса которых располагаются по периферии поляризатора с магниточувствительным диэлектриками.

В варианте исполнения Фиг. 4 электростатический узел 16 содержит два электропроводящих электрода 16а и 16в: первый 16а - располагается на внутренней поверхности отражателя 3 или является одновременно корпусом отражателя 3, а второй 16в - расположен на внешней или внутренней поверхности диэлектрического сердечника 6, причем электрод 16в выполнен, например, прозрачным. Между электродами 16а и 16в располагаются электрочувствительные поляризирующие диэлектрики 5а и 5в, коэффициенты преломления (n) которых могут иметь постоянную или переменную величину по кольцевым поверхностям диэлектрика или по слоям диэлектриков (где: E₀ - напряженность электрического поля). Электроды 16а, 16в подключены ко второму (потенциальному U_упр) выходу блока управления 15.

Рассмотрим работу устройства Фиг. 1. На вход устройства подают электропитание U_вх. Излучатель 1 преобразует электрический ток в оптическое излучение 2 (0,4-0,7 мкм), которое при помощи отражателя 3 подают вдоль оптической оси 4 к поляризатору 5 (на его оптический вход).

Следует отметить, что в качестве излучателя 1 могут быть использованы любые источники света с требуемым спектром излучения: накальные, газоразрядные, электролюминесцентные и другие.

Часть светового потока свободно проходит через двухзвенный поляризатор 5, а другая его часть попадает на границу раздела сред - в зоны углов Брюстера. Рабочие поверхности диэлектриков 5а и 5в двухзвенного поляризатора 5 производят поляризацию световых лучей 2, падающих на них под углом в угловой зоне Брюстера - , в отраженном $${\Phi }_1^1$$ (от отражателя 3 и сердечника 6) и в преломленном $${\Phi }_1^{11}$$ потоках в веществе диэлектрика 6. На выходе двухзвенного поляризатора 5 плоско поляризованные и хаотично расположенные друг к другу световые потоки смешивают с неполяризованным Ф₁, если такой имеется, и отражают в направлении растений, например, в течение всего периода вегетации растений. (Световой поток или его часть, отражаясь от границ раздела сред диэлектриков, проходит через щель, созданную отражателем и сердечником).

Клетки хлорофилла поглощают фотоны только в том случае, если произойдет совпадение электрического вектора Е фотона с разрешенным направлением пропускания квантов света в них (клетках). Поэтому поляризованные фотоны из смешанного светового потока, произведенного описанным выше устройством Фиг. 1, легче улавливаются клетками хлорофилла и в большем количестве по сравнению с известными устройствами (прототипом), что и приводит к увеличению процесса фотосинтеза в листьях растений.

Работа светильников, в которых применяются пленочные поляризирующие диэлектрики, похожа на работу описанного выше устройства, Фиг. 1. Однако применение многопленочных диэлектриков с различными значениями показателя преломления n приводит к увеличению КПД ФАР и, как следствие, - к росту фотосинтеза растений, сокращению сроков их вегетации. В таких устройствах, например, при определенном исполнении поляризирующей пары можно получить, например, режим перекрестной поляризации: первая часть потока 2 отражается от пленочного диэлектрика 5а отражателя 3 и входит в зону угла Брюстера поляризирующего пленочного диэлектрика 5в сердечника 6, а вторая часть потока 2 отражается от пленочного (пленочных диэлектриков) поляризирующего диэлектрика 5в и входит в зону угла Брюстера пленочного поляризирующего диэлектрика 5а отражателя 3 и обе части потоков соответственно поляризуются и отражаются в сторону растений. Поляризирующая пара в этом случае ведет себя как оптический волновод, в котором возможно, например, двойное или тройное отражение световых лучей от соответствующих поляризирующих участков границ раздела сред диэлектриков. Соответственно происходит двух- или трехкратная поляризация первой и второй частей неполяризированного светового потока, плотность поляризации соответственно возрастает (растет КПД ФАР).

В варианте исполнения однопленочных поляризирующих пар наибольшее значение КПД ФАР можно получить, если пленочный диэлектрик имеет переменное значение коэффициента преломления n_i, каждое из которых соответствует падающим световым лучам (пучкам) в соответствующей угловой зоне Брюстера. Чем меньше значение угловой зоны, тем точнее конструктивное исполнение поляризирующей пары поляризатора, выше значение КПД ФАР светильника, больше экономии световой энергии.

Для разных групп растений требуется определенная оптимальная плотность поляризации светового потока. Для установки такой плотности поляризации предназначено устройство, показанное на Фиг. 2, в котором используется механизм регулировки 10. Работа устройства Фиг. 2 похожа на работу устройства Фиг. 1. При облучении растений другой (энергетической) группы необходимо при помощи механизма 10 установить поляризатор 5 в новый режим работы, создающий соответственно оптимальное значение КПД ФАР. Пусть в исходном состоянии сердечник 6 минимально поляризирует вторую часть светового потока (основная часть потока идет на отражение). При смещении сердечника происходит угловая подстройка поляризирующей (отражающей) поверхности сердечника под часть падающих на нее лучей - происходит ввод соответствующих лучей в зону угла Брюстера и, как следствие, - изменение КПД ФАР светильника (увеличение). Кроме того, если сердечник 6 двухзвенного поляризатора 5 имеет несколько слоев прозрачного диэлектрика, например два слоя, сложенные матрешкой, то это приводит к увеличению плотности поляризации преломленного светового потока $$к\to 2{\Phi }_2^{11}$$ (поляризация на просвет), т.е. получим на выходе смешанный световой поток, равный: $${\Phi }_{\Sigma }={\Phi }_1^1+2{\Phi }_2^{11}+{\Phi }_1$$ .

С целью расширения функциональных возможностей (автоматизации процесса регулирования КПД ФАР) светильника, в него введен магнитостатический узел 11 или электростатический узел 16, показанные на Фиг. 3, Фиг. 4 соответственно, с применением блока управления 15.

Работа устройства Фиг. 3 похожа на работу устройства Фиг. 1. Отличие состоит в том, что в нем регулирование плотности поляризации светового потока осуществляется магнитостатическим узлом 11, выполненным, например, на постоянных магнитах 12. Это устройство работает в полуавтоматическом режиме.

Пусть постоянные магниты 12 находятся в исходном состоянии - α=0°, устройство работает в режиме Фиг. 1. Для облучения растений, например, другой энергетической группы требуется перестройка режима работы поляризатора (другое значение КПД ФАР). Для этого поворачивают магнитопровод 13 с постоянными магнитами 12 на угол α=α₁. Под действием измененного углового положения вектора напряженности Н₀ магнитного поля Ф оптические оси магниточувствительных частиц (микрокристаллов или молекул и т.д.)) смещаются на некоторый угол по отношению к падающим лучам 2, соответственно меняется коэффициент преломления поляризирующего диэлектрика, например меняется последовательность значений n_i на участках 5 а и 5 в поляризирующей поверхности поляризатора 5, с n_i (i - 1, 2, 3, …, m) на n_j (j - 3, 4, …, m+2). Измененное положение вектора напряженности магнитного поля Н₀ активизирует поляризирующие диэлектрики 5а и 5в таким образом, что изменение n_i происходит, например, в направлении от источника излучения 1 к оптическому выходу устройства. Происходит изменение (расширение) зон углов Брюстера и подстройка их под падающие лучи света в эти зоны, при этом большее число лучей светового потока Ф (потока 2) поляризуются - плотность поляризации возрастает (растет КПД ФАР). Следовательно, растет до оптимального значения и скорость фотосинтеза в растениях соответствующей (энергетической) группы.

Работа устройства Фиг. 3 с магнитостатическим узлом 11 на кольцевом (двухполюсном) постоянном магните похожа на работу устройства на постоянных (не кольцевых) магнитах 12. Отличие состоит в том, что управление КПД ФАР устройства осуществляется при смещении поляризатора 5 вдоль оптической оси 4. При этом происходит изменение напряженности Н₀ магнитного поля, которое соответственно изменяет коэффициент преломления n поляризирующей пары 5.

Работа устройства Фиг. 3 с магнитостатическим узлом 11 на электромагнитах, состоящих из секций обмоток 14 катушки L, расположенных на полюсных сердечниках магнитопровода 13 взамен постоянных магнитов 12 (образуют пары противоположных полюсов: N - S), похожа на работу устройства Фиг. 3 (Фиг. 1) на постоянных магнитах, но в отличие от его полуавтоматического режима работы устройство с электромагнитами работает в автоматическом режиме. Отличие состоит еще и в том, что магнитопровод 13, например, не поворачивается (хотя дополнительно и может поворачиваться), а управление поляризатором 5 осуществляется путем подачи из блока 15 управляющего тока I_упр на секции 14 катушки L_1-2. Под действием возрастающего тока I_упр происходит соответствующее изменение напряженности магнитного поля Н₀, которое перестраивает магниточувствительные поляризирующие диэлектрики 5а и 5в на соответствующий режим работы, при котором происходит изменение плотности поляризации светового потока как при отражении, так и при его преломлении, или при работе на просвечивание при многослойном прозрачном сердечнике 6 поляризатора 5. Если полый сердечник 6 поляризатора Фиг. 3, например, многослойный и работает только на отражение (по аналогии с поляризаторм 5а отражателя), то, например, для экономии тока управления - I_упр. в полость вводится дополнительный магнитопровод (магнитомягкий), что позволяет уменьшить магнитный зазор между полюсами электромагнитов и поднять напряженность магнитного поля Н в зазоре. При этом возрастает воздействие Н на магниточувствительные поляризаторы - КПД ФАР возрастает соответственно.

Работа устройства Фиг. 4. На вход устройства подают электропитание U_вх. Излучатель 1 преобразует электрический ток в оптическое излучение 2, которое при помощи отражателя 3 подают вдоль оптической оси 4 к поляризатору 5. Часть светового потока 2 попадает на поляризирующую поверхность 5а, а другая часть светового потока - на 5в. Блок 15 выключен. Рабочие поверхности диэлектриков 5а и 5в в двухзвенном поляризаторе 5 производят поляризацию световых лучей 2, падающих на них в зоны углов Брюстера или под углами Брюстера, в отраженном $${\Phi }_1^1$$ и в преломленном $${\Phi }_1^{11}$$ потоке в веществе (или преломленные и поляризованные в режиме просвета слоистого диэлектрика 6). На выходе двухзвенного поляризатора 5 плоско поляризованные и хаотично расположенные друг к другу световые потоки смешиваются с неполяризованным, если такой имеется, и отражают в направлении растений (отражатель 3 зеркальный), например, в течение всего периода вегетации растений.

Однако для различной стадии развития и вида растений необходимо изменять плотность поляризации световых потоков Ф до оптимальных значений. Для этого включим устройство управления 15, на его выходе появляется управляющее напряжение U_упр, которое поступает на электростатический узел 16 - на его электропроводящие электроды 16а и 16в. Между ними возникает электрическое поле Е₀ (по аналогии с конденсатором), которое пронизывает электрочувствительные поляризирующие диэлектрики 5а и 5в, в результате показатель преломления n диэлектриков начинает изменяться и, как следствие, изменяется зона угла Брюстера (растет, например, угол Брюстера или относительный коэффициент преломления Ni), следовательно, изменяются зоны захвата лучей световых потоков и изменяется (растет) соответственно плотность поляризации.

При наступлении перехода, например, к другой стадии развития растения плотность поляризации световых потоков Ф¹ и Ф¹¹ соответственно изменяют, соответственно изменяется оптимальное значение КПД ФАР для данной стадии развития растения. Такой режим управления устройством позволяет существенно сэкономить электроэнергию.

Устройство с двухзвенным поляризатором (его альтернативные варианты) позволяет оптимизировать режим фотосинтеза растений различных энергетических групп, т.е. возникла возможность менять КПД ФАР светового потока (для определенного энергетического типа растений) до уровня, соответствующего оптимальному предпороговому значению насыщения фотосинтеза этих групп, что сокращает сроки вегетации растений, приводит к экономии потребления электроэнергии, повышает КПД ФАР светильника.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к осветителям, предназначенным для выращивания рассады, овощей, цветов в домашних или промышленных условиях. Достигаемый технический результат - повышение КПД фотосинтетической активной радиации излучения, снижение потребления электроэнергии, повышение вегетации растений. Светильник содержит излучатель (1) с отражателем (3) и двухзвенный поляризатор. Двухзвенный поляризатор образован поляризирующими диэлектриками, первый из которых расположен на внутренней поверхности отражателя, второй - на поверхности диэлектрического сердечника (6), расположенного симметрично оптической оси отражателя. Поляризирующие диэлектрики пленочные, однослойные или многослойные. Двухзвенный поляризатор может быть снабжен механизмом подстройки диэлектрического сердечника, электростатическим или магнитостатическим. Магнитостатический узел может быть выполнен на постоянных магнитах или электромагнитах. 4 ил.

Светильник, содержащий излучатель с отражателем, отличающийся тем, что светильник снабжен двухзвенным поляризатором, расположенным на пути светового потока, причем двухзвенный поляризатор выполнен: в виде двух поляризирующих диэлектриков - первый расположен на внутренней поверхности отражателя, второй - в виде диэлектрического сердечника, расположенного симметрично оптической оси отражателя, или пленочным, однослойным или многослойным, нанесенным на отражающие поверхности отражателя и диэлектрического сердечника, при этом поляризирующие диэлектрики двухзвенного поляризатора имеют границы раздела сред, например воздух-стекло, причем поверхности поляризации на границах раздела сред диэлектриков расположены под углом к падающим лучам излучателя и определяются зоной угла Брюстера или, например, двухзвенный поляризатор снабжен: механизмом подстройки диэлектрического сердечника, или электростатическим, или магнитостатическим узлом, выполненным на постоянных магнитах или электромагнитах, магнитопроводы и полюса которых располагаются по периферии поляризатора с магниточувствительными диэлектриками, или на сердечниках магнитопроводов магнитостатического узла располагаются, например, секции катушки, подключенной к первому выходу блока управления, кроме того, электростатический узел содержит два электропроводящих электрода, расположенных по периферии электрочувствительных поляризирующих диэлектриков: первый располагается на внутренней стороне отражателя или является одновременно корпусом отражателя, а второй, например прозрачный, расположен на внешней или внутренней поверхности диэлектрического сердечника, электроды которых соединены со вторым выходом блока управления, при этом диэлектрический сердечник выполнен, например, полым, или в виде двух или большем числе слоев поляризирующих диэлектриков, вставленных один в один в форме матрешки, или в полости магниточувствительного диэлектрического сердечника расположен, например, дополнительный магнитопровод магнитостатического узла на электромагнитах или дополнительный постоянный магнит магнитостатического узла на постоянных магнитах.