ГИБРИДНАЯ ОБЛУЧАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СВЕТОКУЛЬТУРЫ ОГУРЦА В ТЕПЛИЦАХ Российский патент 2020 года по МПК A01G9/20 

Настоящее изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к системам освещения, предназначенным для применения в растениеводстве. В частности, данную установку можно использовать для выращивания огурца в защищенном грунте по технологии светокультуры в промышленных теплицах.

Известны облучательные установки (ОУ), использование которых в технологии светокультуры позволяет увеличить продуктивность основного тепличного растения, огурца, в 3-5 раз и содействовать тем самым обеспечению населения страны свежей и богатой витаминами овощной продукцией в холодное время года.

В современных теплицах для компенсации недостаточности естественного излучения (октябрь-март месяцы) используются осветительные установки с облучателями на основе специальных мощных натриевых ламп высокого давления (НЛВД), устанавливаемых сверху над ценозом растений в виде шпалер высотой до 3,5 м. Шпалеры образуют ряды растений, располагаемые на небольшом расстоянии друг от друга, достаточном для технологического обслуживания и сбора урожая. Освещенность от верхней части, обращенной к облучателям, вглубь шпалеры быстро падает и уже в середине ее части, являющейся зоной образования плодов, становится недостаточной для продуктивной светокультуры. Подобная практика наблюдается, в частности, в самые темные месяцы года (ноябрь-декабрь), когда естественное излучение крайне незначительно и составляет около 10% от необходимого уровня.

Известны так называемые, гибридные осветительные установки, в которых для компенсации указанного эффекта «светового колодца» используют дополнительное межрядное освещение на основе облучателей с НЛВД средней мощности (как правило, 250 Вт).

Например, из RU 153690 U1 известна светодиодная установка-трансформер, содержащая фитооблучатель, состоящий из плат со световыми элементами, выполненных из гибкого материала в виде полуцилиндров, соединенных попарно навесами и установленных в прозрачный цилиндрический плафон, групп светодиодов с различными спектрами излучения, которые располагаются с наружной стороны плат в несколько рядов, с компьютерным управлением. Документ RU 159034 U1 описывает светодиодную осветительную установку с изменяемой цветовой средой, содержащую светильник, состоящий из корпуса, на задней стенке которого расположены основные светодиодные модули, излучающие белый свет, и объединенные в группы, а также драйвера питания и блока управления, отличающаяся тем, что в корпусе светильника расположены дополнительные светодиодные модули, излучающие свет с длинами волн, и также блок управления. Из документа RU 59206 U1 известен облучатель для растениеводства, содержащий корпус, матрицу светодиодов, максимумы которых в спектре излучения лежат в области 450-480 и 660-690 нм, блок управления рабочими токами светодиодов с синим и красным цветом свечения, отличающийся тем, что матрица включает светодиоды с углом излучения не превышающим 30°. Изобретение RU 2369086 С1 раскрывает светодиодный фитопрожектор, содержащий корпус со световыми элементами, состоящими из групп светодиодов с различными спектрами излучения, блок электрического питания, микропроцессорную систему управления с коммутатором групп светодиодов, датчик освещенности, датчик - спектрометр, воздействующий на группы светодиодов через блок управления и позволяющий корректировать спектральный состав источника света в зависимости от внешнего освещения, и с учетом вида растений, с корпусом в виде прямоугольной рамы.

Однако, все предшествующие, в т.ч. и указанные осветительные установки не обладают оптимальным спектром фотосинтетически активной радиацией (ФАР) для светокультуры огурца и не обеспечивают дополнительный хозяйственный эффект из-за высоких температур и уровня облученности на небольших расстояниях от «горячих» ламп в случае натриевых ламп, что приводит к высыханию и порче листьев, снижает ассимиляционные возможности растений и создает неудобства для персонала.

Появление светодиодов, позволяющих выполнить любые требования к спектру излучения в области ФАР, дают возможность подойти с реальных позиций к оптимизации этого важнейшего параметра ОУ с учетом видовых особенностей растений. Эти требования определены для растений огурца на основе специальных фотобиологических экспериментов и приведены в источнике [1]. В соответствии с ними доли излучения в синем (Δλ_с=400÷500 нм), зеленом (Δλ_з=500÷600 нм) и красном (Δλ_к=600÷700 нм) диапазонах ФАР должны соотноситься для светокультуры огурца, как 20%:40%:40%.

Создание осветительных установок со светодиодными облучателями для верхнего освещения с оптимизированным спектром ФАР не имеет существенного значения для практики из-за высокой стоимости (в 5-7 раз выше стоимости аналогов с НЛВД), ограничений по мощности и высокого уровня затенения естественного излучения (до 20% вместо 3-4% у аналогов с НЛВД).

В тоже время задачам создания высокоэффективных облучательных систем для светокультуры растений с оптимальным спектром для светокультуры огурцов отвечают предлагаемые настоящим изобретением гибридные осветительные установки с верхними облучателями с НЛВД и межрядными светодиодными облучателями. С учетом того, что 90% всех тепличных комбинатов в настоящее время оснащены облучателями с НЛВД, которые могут быть сохранены в соответствии с предлагаемым изобретением и эксплуатироваться длительное время, подобный подход представляется наиболее рациональным. Следует отметить, что подобные гибридные ОУ считаются весьма перспективными в глобальных оценках развития теплиц со светокультурой растений [2].

Согласно настоящей заявке, предлагается гибридная осветительная установка с облучателями с НЛВД для верхнего освещения и светодиодными облучателями для межрядного облучения, отличающаяся тем, что с целью повышения продуктивности светокультуры огурца спектр светодиодного облучателя выбран таким образом, чтобы суперпозиция действия на ценоз растений обоих типов облучателей обеспечивала оптимальное соотношение облученностей от отдельных диапазонов ФАР: синего (Δλ_c=400÷500 нм), зеленого (Δλ_з=500÷600 нм) и красного (Δλ_к=600÷700 нм).

При этом, в одном из вариантов, указанная гибридная осветительная установка имеет соотношение долей излучения в указанных диапазонах ФАР у светодиодного облучателя следующее: Ф_Δλс:Ф_Δλз:Ф_Δλк=(25-27)%:(27-30)%:(44-46)%.

В еще одном из вариантов, указанная гибридная осветительная установка имеет такую конфигурацию, что межрядные светодиодные облучатели должны создавать фотосинтетическую фотонную облученность на уровне 90-100 мкмоль/(с⋅м²).

Гибридная осветительная установка отличается тем, что суммарная фотосинтетическая фотонная облученность средней части шпалеры огурца составляет 140-165 мкмоль/(с⋅м²)

Если пренебречь естественным излучением (его доля в зимние месяцы находится на уровне 10%), задача оптимизации спектра в предлагаемой гибридной осветительной установки заключается в обеспечении указанных выше для растений огурца относительных значений облученностей для каждого диапазона ФАР с помощью суперпозиции излучения верхних облучателей с НЛВД и межрядных облучателей со светодиодными облучателями.

Абсолютные значения облученности по полученным авторами данным от межрядных облучателей для светокультуры огурца должны соответствовать 90-100 мкмоль/(с⋅м²), что примерно в 1,5-2 раза превышает облученность от верхних облучателей в средней части шпалеры («зона налива») с учетом потерь излучения в ценозе. С учетом этого суммарная облученность в средней части шпалеры составит 140-165 мкмоль/(с⋅м²).

При этом, распределение излучения НЛВД по трем диапазонам ФАР составляет Ф_Δλс:Ф_Δλз:Ф_Δλк=8%:60%:32% и, практически, не искажается ценозом растений.

С учетом приведенных относительных спектральных характеристик и уровней облученности от верхних и межрядных облучателей в гибридной осветительной установке оптимальные условия по спектру растений огурца E_Δλс:E_Δλз:E_Δλк=20%:40%:40% в АС будут достигаться при следующем соотношении относительного спектрального распределения потока излучения от межрядного светодиодного облучателя:

Ф_Δλс:Ф_Δλз:Ф_Δλк =(25-27)%:(27-30)%:(44-46)%.

Использование гибридных ОУ с указанными характеристиками будет способствовать достижению максимальной продуктивности светокультуры огурца.

Авторами настоящего изобретения гибридные облучательные установки согласно настоящему изобретению были опробованы в теплицах (защищенном грунте) на различных видах культуры огурца, и было выяснено, что уровень облученности этих культур при использовании данных установок был повышен на 60-70% по сравнению с облучателями с НЛВД и прирост урожая в зимние месяцы составил 30-45% по сравнению с традиционными осветительными установками, не содержащими межрядных светодиодных облучателей и не дающих указанные соотношения спектров фотосинтетической активной радиации.

Исследования проводились в рамках Соглашения №14.576.21.0099 о предоставлении субсидии от 26.09.2017 года, заключенного между ООО «ВНИСИ» и Министерством образования и науки России. Идентификатор Соглашения: 0000000007417PD20002. Уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEFI57617X0099.

Источники

[1]. Авторское свидетельство №1620062 А1, Институт биофизики СО АН СССР, Способ выращивания огурца [Текст] / А.А. Тихомиров, И.Г. Золотухин. Г.М. Лисовский, Ф.Я. Сидько, Л.Б. Прикупец. - 4550599/13; заявлено 17.02.89; опубл. 15.01.91, Бюл. 2.

[2]. Smallwood, P.Н. Tracking the Horticultural SSL Market and Technology // Horticulture Lighting conference 2017, Denver, CO, USA.

Гибридная осветительная установка включает верхние облучатели с натриевой лампой высокого давления для верхнего освещения и светодиодные облучатели для межрядного облучения. Светодиодный облучатель имеет спектр, при котором суперпозиция действия на ценоз растений обоих типов облучателя обеспечивает оптимальное соотношение облученностей от отдельных диапазонов ФАР: синего (Δλ_с = 400÷500 нм), зеленого (Δλ_з = 500÷600 нм) и красного (Δλ_к = 600÷700 нм). При этом доли излучения в указанных диапазонах ФАР у светодиодного облучателя находятся в соотношении: Ф_Δλс : Ф_Δλз : Ф_Δλк = (25–27)%: (27-30)% : (44-46)%. Межрядные светодиодные облучатели создают фотосинтетическую фотонную облученность на уровне 90-100 мкмоль/(с⋅м²). Суммарная фотосинтетическая фотонная облученность средней части шпалеры огурца составляет 140-165 мкмоль/(с⋅м²). Изобретение позволит обеспечить повышение продуктивности светокультуры огурца. 1 з.п. ф-лы.

1. Гибридная осветительная установка с верхними облучателями с натриевой лампой высокого давления для верхнего освещения и светодиодными облучателями для межрядного облучения, отличающаяся тем, что для повышения продуктивности светокультуры огурца светодиодный облучатель имеет спектр, при котором суперпозиция действия на ценоз растений обоих типов облучателя обеспечивает оптимальное соотношение облученностей от отдельных диапазонов ФАР: синего (Δλ_с = 400÷500 нм), зеленого (Δλ_з = 500÷600 нм) и красного (Δλ_к = 600-700 нм), при этом доли излучения в указанных диапазонах ФАР у светодиодного облучателя находятся в соотношении:

Ф_Δλс : Ф_Δλз : Ф_Δλк = (25-27)% : (27-30)% : (44-46)%,

а межрядные светодиодные облучатели создают фотосинтетическую фотонную облученность на уровне 90-100 мкмоль/(с⋅м²).

2. Гибридная осветительная установка по п. 1, отличающаяся тем, что суммарная фотосинтетическая фотонная облученность средней части шпалеры огурца составляет 140-165 мкмоль/(с⋅м²).