РАСТЕНИЕВОДЧЕСКОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ СТИМУЛИРОВАНИЯ РОСТА РАСТЕНИЙ И БИОРИТМА РАСТЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК A01G7/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Представленное изобретение относится к растениеводческому осветительному устройству и к способу стимулирования роста растений и биоритма растения. Кроме того представленное изобретение относится к светильнику, содержащему упомянутое растениеводческое осветительное устройство, и растениеводческому применению, содержащему упомянутое растениеводческое осветительное устройство или упомянутый светильник.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно, что фотофизиологические процессы являются крайне важными для роста растений и что данные процессы регулируются фотопигментами, которые демонстрируют спектры поглощения, сильно зависимые от длины волны. Хлорофилл, например, поглощает свет в диапазоне длин волн, равном приблизительно 620 нм - 680 нм, тогда как различные формы фитохрома, Фитохром восстановленный (Pr) и Фитохром дальний красный (Pfr), которые регулируют диапазон молекулярных и физиологических реакций в растениях, реагируют на свет в пределах диапазонов длин волн с центром в красном и дальнем красном, соответственно. Соотношение, например, между поглощением Pr и Pfr регулирует физиологические процессы в растениях, например, стимулирование цветения, вытягивание стеблей, прорастание и т.д.

Для улучшения спектрального профиля растений при искусственном освещении, могут быть использованы флуоресцентные лампы, которые обычно представляют собой ртутные паросветные разрядные лампы низкого давления с люминофорным покрытием. Однако, данные лампы, раскрывают ряд недостатков, таких как ограниченная эффективность, содержание ртути, которая является опасным агентом, имеют короткий срок службы, являются хрупкими, требуют высокое напряжение и испускают нежелательный инфракрасный свет.

В качестве альтернативы, сегодня имеются твердотельные источники света, такие как светоиспускающие диоды (LED), также используемые для освещения растений, поскольку LED обеспечивают более долгий срок службы, более высокую эффективность фотонного потока, более низкое рабочее напряжение, узкополосное световое излучение и гибкость в терминах сборки по сравнению с общепринятыми источниками света.

WO 2010/053341 раскрывает светодиод с люминофором для выращивания растений, содержащий полупроводниковую интегральную схему, формирующий свет с короткой длиной волны (синий или почти ультрофиолетовый), и преобразователь длины волны, содержащий по меньшей мере один люминофор, преобразующий упомянутый свет с короткой длиной волны в свет с более длинной длиной волны вследствие фотолюминисценции. Свет с более длинной длиной волны содержит компонент дальнего красного спектра, имеющий пик в спектральном диапазоне, равном приблизительно 700 нм - 760 нм, соответствующем спектру поглощения Pfr.

В связи с этим, дальний красный свет также может достигаться за счет использования прямых дальних красных LED, которые основаны, например, на AlGaAs или AlInGaP полупроводниковых материалах.

Однако, существуют проблемы, связанные с предшествующим уровнем техники; формирующие дальний красный свет LED, использующие преобразование люминофора из синего света, являются не эффективными, например, вследствие присущего им большого стоксова сдвига. Прямые дальние красные LED также являются относительно неэффективными и кроме того не широко доступными.

Вследствие этого, существует потребность в недифицитных искусственных источниках света, обеспечивающих более эффективное освещение с узким диапазоном длин волн во время выращивания растений.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача представленного изобретения состоит в решении или по меньшей мере в уменьшении проблем, описанных выше.

В частности, согласно первому аспекту изобретения, предусмотрено растениеводческое осветительное устройство. Устройство содержит твердотельный источник света, выполненный с возможностью излучения прямого красного света, имеющего максимальную длину волны излучения, равную 600-680 нм, предпочтительно 640-680 нм, и элемент преобразования длины волны, выполненный с возможностью приема по меньшей мере части прямого красного света, излучаемого из твердотельного источника света и преобразования принимаемого прямого красного света в дальний красный свет, имеющий максимальную длину волны излучения, равную 700-760 нм, предпочтительно 720-760 нм.

Преимущество данного устройства состоит в том, что оно использует высоко эффективные прямые красные LED и низкие стоксовые потери, связанные с преобразованием из красного света в дальний красный свет. Прямые красные LED, излучающие свет с максимальной длиной волны излучения, равной, например, 660 нм, легко доступны с очень высокой эффективностью: степень преобразования электрической энергии в оптическую (WPE) превышает 50%. Стоксовые потери для преобразования с 660 нм на 740 нм составляют приблизительно только 10%. В результате эффективность устройства увеличивается по сравнению с устройствами из уровня техники. Кроме того для формирования светового излучения в красном, а также в дальнем красном диапазонах спектра, в комбинации с твердотельным источником света необходим только один тип элемента преобразования длины волны. Небольшое количество составных элементов, необходимых для достижения требуемого светового излучения, является предпочтительным с точки зрения легкости сборки, низкого потребления материала, а также для стоимости при изготовлении осветительного устройства согласно представленному изобретению. Соответственно, предложенное растениеводческое осветительное устройство выполнено, эффективным образом, с возможностью формирования комбинации красного и дальнего красного света. Это особенно полезно для стимулирования роста растений и/или биоритма растения за счет имитации цветового изменения дневного света. Следовательно, с использованием предложенного осветительного устройства можно эффективным образом воздействовать, например, как на Фитохром восстановленный (Pr), так и на Фитохром дальний красный (Pfir).

В контексте представленного изобретения термин красный свет необходимо понимать, как свет, обладающий энергией, соответствующей диапазону длин волн, равному 600-680 нм. В предпочтительном варианте осуществления представленного изобретения диапазон длин волн красного света является более узким 640-680 нм для дополнительной оптимизации эффективности осветительного устройства.

Аналогичным образом, термин дальний красный свет необходимо понимать, как свет, обладающий энергией, соответствующей диапазону длин волн, равному 700-760 нм. В предпочтительном варианте осуществления представленного изобретения диапазон длин волн дальнего красного света является более узким 720-760 нм для дополнительной оптимизации эффективности осветительного устройства.

Слова прямой красный или прямой дальний красный свет следует истолковывать, как красный свет или дальний красный свет, формируемый непосредственно твердотельным источником света без каких-либо дополнительных оптических процессов за пределами твердотельного источника света.

Под элементом преобразования длины волны подразумевают люминофорный материал, способный преобразовывать свет первого диапазона длин волн в свет второго диапазона длин волн, при этом второй диапазон длин волн смещен на стоксов сдвиг относительно первого диапазона длин волн.

Люминофорный материал, в контексте представленного изобретения, определяется как материал или вещество, демонстрирующее световое излучение после возбуждения при люминисцентных, флюоресцентных или фосфоресцентных процессах.

Согласно еще одному варианту осуществления представленного изобретения, отношение прямого красного к дальнему красному свету, излучаемому из растениеводческого осветительного устройства, устанавливают за счет регулирования доли прямого красного света, падающего на элемент преобразования длины волны из твердотельного источника света. Это обеспечивает простое средство регулирования отношения прямого красного к дальнему красному свету и, следовательно, влияние на рост и развитие растений.

Согласно еще одному варианту осуществления представленного изобретения твердотельный источник света и элемент преобразования длины волны компонуют в единый блок, что упрощает сборку источников света в матрицы или другие конфигурации, обеспечивающие эффективное освещение растений.

Согласно еще одному варианту осуществления, единый блок может дополнительно содержать по меньшей мере один дополнительный твердотельный источник света, выполненный с возможностью излучения прямого красного света. Это может обеспечивать дополнительную свободу настройки отношения прямого красного к дальнему красному свету и улучшение интенсивности света красного и/или дальнего красного спектральных компонентов, что требуется для улучшенного выращивания растений.

Согласно второму аспекту представленного изобретения предусмотрен способ стимулирования роста растений и биоритма растения, при этом способ содержит этапы формирования прямого красного света, имеющего максимальную длину волны излучения, равную 600-680 нм, предпочтительно 640-680 нм, с использованием твердотельного источника света, приема по меньшей мере части прямого красного света в элементе преобразования длины волны и преобразования принимаемого прямого красного света в дальний красный свет, имеющий максимальную длину волны излучения, равную 700-760 нм, предпочтительно 720-760 нм, с использованием элемента преобразования длины волны, обеспечивая таким образом возможность влияния на фотоморфогенез растений.

Согласно третьему аспекту представленного изобретения предусмотрен светильник, содержащий по меньшей мере одно растениеводческое осветительное устройство, которое описано в данной заявке.

Растениеводческое осветительное устройство выполнено с возможностью формирования растениеводческого света. Термин «растениеводческий свет» может, в качестве примера, относиться к свету, имеющему спектральное распределение с интенсивностью света в первой длине волны, выбираемой из диапазона, равного 400-475 нм, и во второй длине волны, выбираемой из диапазона, равного 600-800 нм. Это не означает, что свет от растениеводческого осветительного устройства, при включении, всегда будет содержать интенсивность в обеих областях. Осветительное устройство может обеспечивать свет с интенсивностью только в одном из спектральных диапазонов, таких как синий свет или (дальний) красный свет, или в иных спектральных диапазонах. Кроме того, вследствие того факта, что устройство может содержать множество LED, вполне может быть, что одно или более LED в основном дают синий свет, тогда как одно или более других LED могут в основном давать (дальний) красный свет (см. также ниже). Фраза «длина волны, выбранная из диапазона» также может содержать использование широкополосных излучателей, даже широкополосных излучателей, которые также излучают за пределами диапазона, излучая все-таки по меньшей мере на длине волны в упомянутом диапазоне. Данная фраза может в частности, но не исключительно, содержать излучатели, которые имеют преобладающую длину волны излучения в данном диапазоне.

Термин «растениеводческий» относится к (интенсивному) выращиванию растений для использования человеком и является очень разнообразным по своей деятельности, включая растения для еды (фрукты, овощи, грибы, съедобные травы) и непищевые сельскохозяйственные культуры (цветы, деревья и кустарники, газонная трава, хмель обыкновенный, виноград, лекарственные травы). Термин «сельскохозяйственная культура» использован в данной заявке для обозначения растениеводческого растения, которое выращивается или выращивалось. Сельскохозяйственными культурами могут называться растения одного и того же вида, выращиваемые в крупных масштабах для еды, одежды и т.д. Сельскохозяйственной культурой являются не относящиеся к животным роды или виды, которые выращивают для уборки, например, в качестве пищи, корма для скота, топлива или для любой другой экономической цели. Термин «сельскохозяйственная культура» также может относиться к множеству сельскохозяйственных культур. Растениеводческие сельскохозяйственные культуры могут в частности относиться к продовольственным сельскохозяйственным культурам (томатам, перцам, огурцам и салату), а также к растениям (потенциально) несущим подобные сельскохозяйственные культуры, таким как растение томата, растение перца, растение огурца и т.д. Растениеводческие в данной заявке может в целом относиться, например, к сельскохозяйственным и несельскохозяйственным растениям. Примерами сельскохозяйственных растений являются рис, пшеница, ячмень, овес, нут, горох, вигна, чечевица, фасоль золотистая, фасоль мунго, соя, фасоль обыкновенная, фасоль аконитолистная, лен обыкновенный, кунжут, чина посевная, кроталярия ситниковидная, перец острый, баклажан, томат, огурец, окра, арахис, картофель, кукуруза, африканское просо, рис, люцерна, редька, капуста, салат, перец, подсолнечник, сахарная свекла, клещевина, красный клевер, белый клевер, сафлор, шпинат, лук, чеснок, турнепс, тыква большая, дыня мускатная, арбуз обыкновенный, огурец, тыква обыкновенная, гибискус коноплевый, масличная пальма, морковь, кокосовая пальма, папайя, сахарный тростник, кофейное дерево, дерево какао, чайное растение, яблоня, груша, персик обыкновенный, вишневое дерево, виноград, миндаль, земляника, ананас, банан, кешью, Irish, маниока, таро, фикус каучуконосный, сорго, хлопчатник, тритикале, голубиный горох и табак. Особенный интерес вызывают томат, огурец, перец, салат, арбуз, папайя, яблоко, груша, персик, вишня, виноград и земляника.

Растениеводческие сельскохозяйственные культуры можно выращивать в частности в теплице. Следовательно, изобретение относится в частности к применению устройства и/или способа в теплице. Устройство может быть расположено между растениями, или между растениями, подлежащими, что называется «межрядному освещению». Растениеводческое выращивание на проволоке, например, растений томатов, может быть конкретной областью применения межрядного освещения, причем представленные устройство и способ могут быть направлены на данное применение. Устройство также может быть расположено поверх растений или растений, подлежащих освещению. В частности, искусственное освещение необходимо, когда растениеводческие сельскохозяйственные культуры выращивают слоями друг над другом.

Выращивание растениеводческих сельскохозяйственных культур слоями обозначают, как «многослойное выращивание», которое может иметь место на растениеводческом производстве. Также устройство и/или способ может применяться при многослойном выращивании.

Вследствие этого, в четвертом аспекте согласно представленному изобретению, предусмотрено растениеводческое применение, в частности выбранное из группы, содержащей теплицу и растениеводческое производство (фабрику растений), при этом растениеводческое применение дополнительно содержит растениеводческое осветительное устройство или светильник, такой как описан в данной заявке. В варианте осуществления, подобное растениеводческое применение содержит множество упомянутых светильников, при этом в пределах упомянутого растениеводческого применения упомянутые светильники необязательно выполнены с возможностью освещения сельскохозяйственных культур с боков. В еще одном варианте осуществления, растениеводческое применение содержит множество слоев для многослойного выращивания сельскохозяйственных культур, при этом растениеводческое применение дополнительно содержит множество упомянутых светильников, выполненных с возможностью освещения сельскохозяйственных культур в упомянутом множестве слоев.

В частности в теплицах, в которых растениеводческие сельскохозяйственные культуры выращивают рядами, может применяться освещение сельскохозяйственной культуры с боков. Фраза «освещение сельскохозяйственной культуры с боков» в частности обозначает такую конфигурацию осветительного устройства, что в течение по меньшей мере части процесса роста сельскохозяйственной культуры, сельскохозяйственная культура освещается сбоку. Это не исключает (дополнительное) верхнее освещение, но по меньшей мере растениеводческое осветительное устройство согласно изобретению выполнено таким образом, что в течение по меньшей мере части процесса роста сельскохозяйственной культуры, сельскохозяйственная культура освещается сбоку сельскохозяйственной культуры. Если предположить выращивание сельскохозяйственных культур рядами, по меньшей мере часть растениеводческого осветительного устройства, в частности по меньшей мере часть его светоизлучающей поверхности, может быть расположена между рядами сельскохозяйственных культур. Следовательно, по меньшей мере часть растениеводческого осветительного устройства согласно изобретению может иметь компонент горизонтального распространения и освещать одну или более сельскохозяйственных культур. Преимущество бокового освещения состоит в том, что сельскохозяйственные культуры могут лучше (более полностью) освещаться, использование энергии является более эффективным и, таким образом, общее потребление энергии может быть уменьшено, и в частности с устройством изобретения, может быть возможно выбирать конкретный цвет, соответствующий потребности сельскохозяйственной культуры на конкретном этапе.

Следует заметить, что изобретение относится ко всем возможным сочетаниям признаков, перечисленных в формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее данные и другие аспекты представленного изобретения будут описаны более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, показывающие варианты осуществления изобретения.

Фиг. 1 показывает типичные зависимые от длины волны спектры поглощения фитохрома восстановленного (Pr) и Фитохрома дальнего красного (Pfr).

Фиг. 2 показывает схематичный вид сбоку в поперечном разрезе базовой конструкции осветительного устройства согласно предпочтительному в настоящее время варианту осуществления изобретения.

Фиг. 3 показывает схематичный вид сбоку в поперечном разрезе базовой конструкции осветительного устройства согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, содержащей дополнительный твердотельный источник света.

Фиг. 4 иллюстрирует световое излучение согласно одному варианту осуществления представленного изобретения, относящееся к световому возбуждению с использованием прямого красного LED для создания дальнего красного светового излучения за счет использования в качестве элемента преобразования длины волны флюоресцентного красителя.

Фиг. 5 иллюстрирует светильник согласно третьему аспекту изобретения.

Фиг. 6 и 7 схематично изображают некоторые варианты применения согласно четвертому аспекту изобретения.

На фиг. 2 и 3 размеры слоев и областей преувеличены для иллюстративных целей и, таким образом, приведены, чтобы проиллюстрировать общую конструкцию варианта осуществления представленного изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее представленное изобретение будет описано более полно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых показаны предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения. Однако, данное изобретение может быть осуществлено во множестве различных форм и не должно истолковываться в качестве ограничения вариантами осуществления, изложенными в данной заявке; точнее, данные варианты осуществления приведены для законченности и завершенности, и полностью передают квалифицированному специалисту объем изобретения.

В культивировании растений, необходимо использовать прямой красный и/или дальний красный свет. Красный свет имеет, например, оптимальную длину волны для фотосинтеза растений. За счет применения дальнего красного может достигаться обработка окончанием дневного света, которая оказывает благотворное воздействие на рост растений, обеспечивая более длинные стебли, которые, например, являются важными для срезаемых цветов и саженцев, тогда как распускающиеся листья и усиливающаяся скорость роста имеет значение для листовой зелени и т.д.

Различные формы фитохрома, Фитохром восстановленный (Pr) и Фитохром дальний красный (Pfr), вовлечены и регулируют диапазон молекулярных и физиологических реакций в растениях, таких как растения, приведенные для примера выше. Как можно видеть из зависимых от длин волны спектров поглощения Pr и Pfr, см. Фиг. 1, данные молекулы могут реагировать на свет в пределах диапазонов длин волн с центром в красном и дальнем красном, соответственно. Вследствие этого, за счет регулирования отношения красного освещения растения к дальнему красному, возможно посредством фотофизиологической реакции Pr и Pfr регулировать физиологические процессы в растениях, например, стимулирование цветения, вытягивание стеблей, прорастание и т.д.

Общая идея данного изобретения состоит в создании эффективного способа и осветительного устройства для формирования света в дальней красной области длин волн светового спектра. Согласно варианту осуществления представленного изобретения это может достигаться за счет использования твердотельного источника света, излучающего прямой красный свет вместе с элементом преобразования длины волны, который выполнен с возможностью преобразования упомянутого прямого красного света в упомянутый дальний красный свет. Небольшой сдвиг длины волны между красным и дальним красным светом имеет присущие низкие стоксовы потери, по сравнению со способами с использованием преобразования синего света или ультрафиолетового света, обеспечивая возможность осуществления более эффективного освещения растений. Небольшое количество составных элементов, необходимых для достижения требуемого светового излучения, является дополнительным преимуществом с точки зрения легкости сборки, низкого потребления материала, а также стоимости при изготовлении источника света согласно представленному изобретению.

Для того, чтобы облегчить осветительное устройство, то есть облегчить осуществление при культивировании растений, твердотельный источник света и элемент преобразования длины волны могут быть дополнительно собраны в единый блок.

Фиг. 2 иллюстрирует схематичный вид сбоку в поперечном разрезе базовой конструкции растениеводческого осветительного устройства 100 согласно предпочтительному в настоящее время варианту осуществления изобретения. Осветительное устройство содержит твердотельный источник 102 света (в данном варианте осуществления LED) на опоре 104, выполненный с возможностью излучения прямого красного света, и элементы 106 преобразования длины волны, выполненные с возможностью преобразования упомянутого прямого красного света в дальний красный свет. Согласно варианту осуществления, который проиллюстрирован на фиг. 2, упомянутые элементы 106 преобразования длины волны рассредоточены в материале 108 подложки, образуя слой 112 преобразующего длину волны элемента. Материал 108 подложки может быть по меньшей мере полупрозрачным для света в диапазонах длин волн, имеющих отношение к представленному изобретению. Необходимо заметить, что вариант осуществления, который раскрыт на Фиг. 2, имеет преимущество, что элементы 106 преобразования длины волны могут быть расположены на расстоянии от твердотельного источника 102 света, уменьшая посредством этого тепловой контакт с твердотельным источником 102 света, который в противном случае мог бы иметь негативное влияние на физические свойства элементов 106 преобразования длин волн, твердотельный источник 102 света или и то и другое. Конструкция дополнительно обеспечивает большие возможности специальной настройки оптических свойств составных частей для того, чтобы улучшить световой выход из устройства, посредством выбора материала промежуточного слоя/слоев 110, разделяющего слой 112 элемента преобразования длины волны и твердотельный источник 102 света. Однако, в пределах объема представленного изобретения также возможно по меньшей мере частичное расположение элементов преобразования длин волн непосредственно на твердотельном источнике света.

В качестве неограничивающих примеров материал подложки изготавливают из прозрачного полимерного материала, например акриловых полимеров, таких как полиметилметакрилат (PMMA), сложные полиэфиры, такие как поликарбонат (PC) и полиэтилентерефталат (PET), эпоксидные смолы, поливинилспирт (PVA), полиуретан, полистирол или силиконы. Возможно, слой элемента преобразования длины волны состоит из частиц элемента преобразования длины волны, рассредоточенных в одном или более упомянутых выше материалов подложки, которые затем внедряют в один или более других материалов подложки, выбираемых из упомянутых выше материалов.

В качестве альтернативы, материалом подложки может быть стеклянный или керамический материал.

В качестве альтернативы, слой элемента преобразования длины волны может быть полностью образован самим элементом преобразования длины волны, например, в случае, когда элементом преобразования длины волны является неорганический люминофор, он может представлять собой формованный керамический компонент, или это может быть выращенный единственный кристалл.

Слоем элемента преобразования длины волны, например, может быть отдельно расположенный компонент, или он может наноситься на подложку, например, посредством покрытия, печати или наклеивания.

В качестве неограничивающего примера слой/слои промежуточного материала сделан/сделаны из воздуха, или прозрачный материал выбирают, например, из силиконов или эпоксидных смол.

Согласно еще одному варианту осуществления, возможно регулировать долю упомянутого прямого красного света, падающего на упомянутый элемент преобразования длины волны из упомянутого твердотельного источника света. Согласно данному варианту осуществления осветительное устройство содержит твердотельный источник света, элемент преобразования длины волны и, возможно, экранирующее средство. За счет изменения положения элемента преобразования длины волны и/или за счет изменения положения упомянутого твердотельного источника света и/или за счет изменения положения упомянутого экранирующего средства, может регулироваться отношение прямого красного к упомянутому дальнему красному. Следовательно, для получения требуемого соотношения светового выхода между красным и дальним красным светом от осветительного устройства согласно изобретению, не требуется никакого излишка твердотельных источников света, что улучшает эффективность, упрощает сборку и дополнительно снижает расходы. Тема, как регулировать количество света, излучаемого из источника света, например, LED, падающего на элемент преобразования длины волны, например, раскрыта в US 2010/0254115, на который приведена ссылка.

Согласно еще одному варианту осуществления представленного изобретения, который проиллюстрирован на Фиг. 3, в едином растениеводческом осветительном устройстве 300, содержащем по меньшей мере один дополнительный твердотельный источник 302 света, выполненный с возможностью излучения упомянутого прямого красного света, вместе с твердотельным источником 102 света, выполненным с возможностью освещения элементов 106 преобразования длины волны, можно настраивать отношение упомянутого прямого красного к упомянутому дальнему красному свету. В подобном едином блоке 300 осветительного устройства отношение упомянутого прямого красного к упомянутому дальнему красному свету настраивают посредством независимого регулирования интенсивности твердотельного источника 102 света, выполненного с возможностью освещения элементов 106 преобразования длины волны, и дополнительного твердотельного источника 302 света. В данном отдельном варианте осуществления, для увеличения светового излучения из упомянутого единого блока 300 осветительного устройства и уменьшения света, падающего на упомянутые элементы преобразования длины волны из упомянутого дополнительного источника 302 света, хотя это и не обязательно, между двумя упомянутыми источниками света расположена отражающая панель 304. Данный вариант осуществления обеспечивает дополнительную свободу настройки отношения упомянутого прямого красного к упомянутому дальнему красному свету и улучшения интенсивности света красного и/или дальнего красного спектральных компонентов, что требуется для улучшенного выращивания растений.

Согласно еще одному варианту осуществления представленного изобретения, единый блок осветительного устройства содержит по меньшей мере один дополнительный твердотельный источник света, выполненный с возможностью излучения синего или белого света для того, чтобы дополнительно стимулировать рост растений.

Элемент преобразования длины волны может содержать люминофорный материал, который, в контексте представленного изобретения, необходимо понимать, как материал или вещество, демонстрирующее световое излучение после возбуждения в люминисцентных, флюоресцентных или фосфоресцентных процессах. Ниже имеются три различных типа люминофоров, приведенных для примера, которые могут служить в качестве эффективных элементов преобразования длины волны. Необходимо заметить, что элементы преобразования длины волны могут быть расположены дистанционно или непосредственно на твердотельном источнике света.

Во-первых, элемент преобразования длины волны может содержать квантовую точку (QD). QD представляют собой небольшие кристаллы полупроводникового материала, обычно имеющие ширину или диаметр, равный только нескольким десяткам нанометров. Они имеют преимущество, что при возбуждении падающим светом, они излучают свет, при этом длина волны света определяется размером и материалом QD. Кроме того, они показывают очень узкие полосы излучения и, таким образом, обеспечивают насыщенные цвета, где световой выход конкретного цвета может быть получен посредством специального приспосабливания материала и размера использованных QD. QD с излучением в дальнем красном при возбуждении красным могут, например, достигаться за счет использования QD, содержащих материал, выбранный из группы, состоящей, но без ограничения II-VI и III-V QD, предпочтительно из InP, CdTe, CdTe/CdSe структур ядра и оболочки, тройных смесей, таких как CdSe_xTe_y, или халькопиритового QD, например, Cu_xIn_ySe₂ или Cu_xIn_yS₂. Для усиленных излучающих свойств, QD могут быть сверху покрыты широкозонными материалами, такими как CdS и ZnS.

Во-вторых, элемент преобразования длины волны может содержать неорганический люминофор, при этом упомянутый неорганический люминофор содержит материал, легированный Cr³⁺, предпочтительно материал, выбранный из группы, состоящей из Y₃Ga₅O₁₂:Cr, LaAlO₃:Cr и Gd₃Ga₅O₁₂:Cr, при этом Gd₃Ga₅O₁₂:Cr является более предпочтительным, поскольку его полоса возбуждения низкой энергии расположена приблизительно на 650 нм. В качестве альтернативы, могут быть использованы фосфоры (Zn, Cd) S:Ag с высоким содержанием Cd, так как также известно, что они имеют максимум излучения в дальнем красном.

В-третьих, элемент преобразования длины волны может содержать флюоресцентный краситель, при этом упомянутым флюоресцентным красителем предпочтительно является (например, алкокси) замещенный 3,4,9,10-перилен-тетракарбоксилбис-бензимидазол (PTCBI), также упоминаемый как периленперинон, являющийся элементом семейства дальних красных излучающих красителей, а более предпочтительно 3,4:9, 10-бис(1,2-бензимидазол)-1,6,7,12-тетра(4-нонилфенокси)перилен (син/анти-изомеры). Было показано, что данный краситель имеет поглощение при 550-670 нм и демонстрирует излучение в диапазоне 650-850 нм (M.G. Debije et al, Appl. Optics 50, 163 (2011)). Кроме того, сообщалось о квантовом выходе, равном 80% для красителя в поликарбонатном материале подложки. Секционное замещение периленперинона не ограничено 4-нонилфенокси, использованным в данном примере, но может быть диапазоном других алкокси, включая другие алкилфенокси, такие как 4-терт-октилфенокси.

Было показано, как проиллюстрировано на Фиг. 4, что используя LED, излучающий с максимальной длиной волны излучения при 620 нм, возможно формировать световое излучение в диапазоне длин волн 650-850 нм за счет использования преобразующего длину волны материала, содержащего флюоресцентный краситель (3,4:9,10-бис(1,2-бензимидазол)-1,6,7,12-тетра(4-нонилфенокси)перилен(син/анти-изомеры)), примешанные в материал подложки из полиметилметакрилата (PMMA) 1 мм толщины. В данном конкретном варианте осуществления материал подложки, содержащий элемент преобразования длины волны, был расположен удаленно от LED.

Квалифицированный специалист в области техники понимает, что представленное изобретение никоим образом не ограничено предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Наоборот, в пределах объема приложенной формулы изобретения возможно множество модификаций и вариантов.

Например, в варианте осуществления представленного изобретения твердотельным источником света может быть органический светоизлучающий диод (OLED) или лазерный диод (LD).

Согласно одному варианту осуществления твердотельный источник света может быть выполнен с возможностью излучения света, имеющего максимальную длину волны излучения, равную 620±10 нм. Согласно еще одному варианту осуществления твердотельный источник света может быть выполнен с возможностью излучения света, имеющего максимальную длину волны излучения, равную 640±10 нм. Согласно еще одному варианту осуществления твердотельный источник света может быть выполнен с возможностью излучения света, имеющего максимальную длину волны излучения, равную 660±10 нм.

Фиг. 5 схематично показывает светильник 400 согласно третьему аспекту изобретения. Светильник содержит одно или более растениеводческих осветительных устройств согласно первому аспекту изобретения.

Фиг. 6 схематично изображает растениеводческое применение, например, для выращивания томатов. Позиция 1000 обозначает растениеводческое применение, в данном случае в качестве примера теплицу. Растениеводческая сельскохозяйственная культура показана позицией 1. Позиция 2 обозначает возможный плод (плоды), в данном случае томаты. Сельскохозяйственная культура томата использована только в качестве примера, чтобы проиллюстрировать некоторые аспекты. Сельскохозяйственные культуры или растения томатов расположены рядами. Расстояние между рядами, и, следовательно, между растениями, показано позицией L1, и может быть, например, в диапазоне 1-2 м, например, 1,5 м. Общая высота от уровня земли, обозначенная позицией H, может, например, быть в диапазоне 2-4 м, например, приблизительно 3 м. Часть данной общей высоты, которая особенно релевантна для растениеводческого освещения, может охватывать высоту H1, и находится в диапазон 0,5-1 м, и составляет приблизительно высоту H2 над уровнем земли, причем данная высота H2 может быть в диапазоне 0,5-1,5 м, в частности приблизительно 1 м. Светильник 500, может в частности направляться к растениеводческой сельскохозяйственной культуре поверх упомянутой высоты H1; однако, с левой стороны показан относительно высокий светильник 500, только в качестве примера. Позиция d обозначает расстояние между (светоизлучающей поверхностью (поверхностями) светильника 500 и сельскохозяйственной культурой 1. Позиция 511 обозначает растениеводческий свет, который формируется светильником 500 во время работы. Светильник 500 может содержать множество растениеводческих осветительных устройств 100.

Еще один вариант осуществления растениеводческого применения будет обсуждаться далее со ссылкой на Фиг. 7. Позиция 1200 обозначает растениеводческое применение, в данном случае в качестве примера растениеводческое производство, имеющее множество рядов сельскохозяйственных культур 1. В данном варианте осуществления, светильники 500, которые описаны в данной заявке, использованы для многослойного выращивания. Множество слоев обозначены позициями 1010. В данном случае полезно, что все растениеводческие осветительные устройства 510 во время работы излучают растениеводческий свет 511 в одном и том же направлении в сторону растений. В данном случае, может быть предпочтительно поместить растениеводческие осветительные устройства 510 между двумя фольгами 360. Предпочтительно, фольга в задней части растениеводческого осветительного устройства 510 сделана диффузно отражающей за счет включения слоя, который содержит белую краску на основе таких частиц, как Ti0₂. Преимущество состоит в том, что свет, который отражается растением назад в светильник 500, снова возвращается.

Кроме того отклонения от раскрытых вариантов осуществления могут быть понятны и реализованы квалифицированным специалистом при практическом использовании заявленного изобретения, в результате изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а форма единственного числа не исключает множества. Тот факт, что некоторые средства перечислены во многих различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что сочетание данных средств не может быть использовано с достижением преимущества.

Изобретение относится к растениеводческому осветительному устройству, к способу стимулирования роста растений и биоритма растения, к светильнику, содержащему упомянутое растениеводческое осветительное устройство, и к растениеводческому сооружению, содержащему упомянутое растениеводческое осветительное устройство или упомянутый светильник. Осветительное устройство содержит твердотельный источник света, выполненный с возможностью излучения прямого красного света, имеющего длину волны, равную 600-680 нм, предпочтительно 640-680 нм, и элемент преобразования длины волны, выполненный с возможностью приема по меньшей мере части упомянутого прямого красного света, излучаемого из упомянутого твердотельного источника света, и преобразования упомянутого принимаемого прямого красного света в дальний красный свет, имеющий максимальную длину волны излучения, равную 700-760 нм, предпочтительно 720-760 нм. Способ стимулирования роста растений и биоритма растения содержит этапы, на которых формируют прямой красный свет, имеющий максимальную длину волны излучения, равную 600-680 нм, предпочтительно 640-680 нм, с использованием твердотельного источника света, принимают по меньшей мере часть упомянутого прямого красного света в элементе преобразования длины волны и преобразуют упомянутый принимаемый прямой красный свет в дальний красный свет, имеющий максимальную длину волны излучения, равную 700-760 нм, предпочтительно 720-760 нм, с использованием упомянутого элемента преобразования длины волны. Светильник содержит по меньшей мере одно из указанных растениеводческих осветительных устройств. Растениеводческое сооружение содержит по меньшей мере одно из указанных растениеводческих осветительных устройств или один из указанных светильников. Такое выполнение позволит повысить эффективность осветительных устройств и эффективность освещения растений для стимулирования их роста и биоритма. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Растениеводческое осветительное устройство, содержащее твердотельный источник (102) света, выполненный с возможностью излучения прямого красного света, имеющего максимальную длину волны излучения, равную 600-680 нм, предпочтительно 640-680 нм, и элемент (106) преобразования длины волны, выполненный с возможностью приема по меньшей мере части упомянутого прямого красного света, излучаемого из упомянутого твердотельного источника (102) света, и преобразования упомянутого принимаемого прямого красного света в дальний красный свет, имеющий максимальную длину волны излучения, равную 700-760 нм, предпочтительно 720-760 нм,

при этом отношение упомянутого прямого красного к упомянутому дальнему красному свету, излучаемому из упомянутого осветительного устройства, устанавливается за счет регулирования доли упомянутого прямого красного света, падающего на упомянутый элемент (106) преобразования длины волны из упомянутого твердотельного источника (102) света.

2. Растениеводческое осветительное устройство по п. 1, в котором упомянутый элемент (106) преобразования длины волны содержит квантовую точку, неорганический люминофор и/или флюоресцентный краситель.

3. Растениеводческое осветительное устройство по п. 2, в котором упомянутая квантовая точка содержит материал, выбранный из группы, состоящей из II-VI и III-V квантовых точек, предпочтительно InP, CdTe, CdTe/CdSe структур ядра и оболочки, тройных смесей, таких как CdSe_xTe_y, или халькопиритовых квантовых точек, таких как Cu_xIn_ySe₂ или Cu_xIn_yS₂.

4. Растениеводческое осветительное устройство по п. 2, в котором упомянутый неорганический люминофор содержит материал, легированный Cr³⁺, предпочтительно материал, выбранный из группы, состоящей из Y₃Ga₅O₁₂:Cr, LaAlO₃:Cr и Gd₃Ga₅O₁₂:Cr.

5. Растениеводческое осветительное устройство по п. 2, в котором упомянутый флюоресцентный краситель предпочтительно содержит (например, алкокси) замещенный 3,4,9,10-перилен-тетракарбоксилбис-бензимидазол (PTCBI), также называемый периленпериноном, являющийся членом семейства красителей, излучающих дальний красный свет, а более предпочтительно 3,4:9,10-бис(1,2-бензимидазол)-1,6,7,12-тетра(4-нонилфенокси)перилен(син/антиизомеры).

6. Растениеводческое осветительное устройство по любому одному из пп. 1-5, в котором упомянутый твердотельный источник (102) света и упомянутый элемент (106) преобразования длины волны собраны в единый блок.

7. Растениеводческое осветительное устройство по п. 1, содержащее по меньшей мере один дополнительный твердотельный источник (302) света, выполненный с возможностью упомянутого излучения прямого красного света и посредством этого настройки отношения упомянутого прямого красного света к упомянутому дальнему красному свету.

8. Растениеводческое осветительное устройство по п. 1, содержащее по меньшей мере один дополнительный твердотельный источник света, выполненный с возможностью излучения синего или белого света.

9. Способ стимулирования роста растений и биоритма растения, содержащий этапы, на которых:

формируют прямой красный свет, имеющий максимальную длину волны излучения, равную 600-680 нм, предпочтительно 640-680 нм, с использованием твердотельного источника (102) света,

принимают по меньшей мере часть упомянутого прямого красного света в элементе (106) преобразования длины волны и

преобразуют упомянутый принимаемый прямой красный свет в дальний красный свет, имеющий максимальную длину волны излучения, равную 700-760 нм, предпочтительно 720-760 нм, с использованием упомянутого элемента (106) преобразования длины волны,

при этом отношение упомянутого прямого красного к упомянутому излучаемому дальнему красному свету устанавливают посредством регулирования количества упомянутого прямого красного света, падающего на упомянутый элемент (106) преобразования длины волны из упомянутого твердотельного источника (102) света.

10. Способ по п. 9, в котором отношение упомянутого прямого красного к упомянутому излучаемому дальнему красному свету настраивают за счет использования дополнительного твердотельного источника (302) света, выполненного с возможностью излучения прямого красного света.

11. Способ по п. 10, в котором упомянутый элемент преобразования длины волны содержит флюоресцентный краситель, при этом упомянутый флюоресцентный краситель предпочтительно содержит (например, алкокси) замещенный 3,4,9,10-перилен-тетракарбоксилбис-бензимидазол (PTCBI), также называемый периленпериноном, являющийся членом семейства красителей, излучающих дальний красный свет, а более предпочтительно 3,4:9,10-бис(1,2-бензимидазол)-1,6,7,12-тетра(4-нонилфенокси)перилен(син/антиизомеров).

12. Светильник (400, 500), содержащий по меньшей мере одно растениеводческое осветительное устройство по пп. 1-8.

13. Растениеводческое сооружение (1000, 1200), выбранное из группы, содержащей по меньшей мере теплицу и фабрику растений, при этом растениеводческое сооружение дополнительно содержит по меньшей мере одно растениеводческое осветительное устройство по пп. 1-8 или светильник по п. 12.