Светодиодная фитоустановка Российский патент 2023 года по МПК A01G7/04 A01G9/20 

Изобретение относится к области светотехники и нацелено на решение задачи выращивания овощных и зеленых культур, увеличение хозяйственного урожая в условиях промышленных сооружений защищенного грунта, снижение сроков подготовки рассады, проведение экспериментов с растениями в условиях фитотронов и снижение затрат электрической энергии.

Известна светодиодная осветительная установка с изменяемой светоцветовой средой, включающая, по крайней мере, один светильник, состоящий из корпуса, на задней стенке которого расположены основные светодиодные модули, излучающие белый свет и объединенные в группы, а также драйвера питания и блок управления. В корпусе светильника размещены дополнительные светодиодные модули, излучающие свет с длинами волн соответствующими красному, зеленому, синему, желтому, фиолетовому цветам, а также ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, объединенные в группы по цветам и излучениям и соединенные с многоканальным управляемым драйвером питания (RU 159034, МПК F21K 99/00, опубл. 27.01.2016).

Недостатками известного устройства являются:

- наличие светодиодов, излучающих в ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра могут отрицательно влиять на биохимические процессы светокультур;

- в описании указано в качестве одного из назначений установки - облучение растений, но цель и сущность этого назначения не раскрыта;

- осветительная установка включает диффузный (или призматический) рассеиватель, что ограничивает эффективность использования светодиодных модулей и требует корректирующих настроек для получения требуемых спектров;

- в светодиодной осветительной установке используется датчик цветовой температуры, который не позволяет измерять спектр излучения светильника.

Известен светильник, содержащий набор светодиодов с различными спектрами и различной мощности. Использованы светодиоды типов сине-зеленый (490 нм), зеленый (524 нм), тепло-белый (440 и 587 нм) и красный (634 нм). Отклонение максимумов излучения от указанных длин волн составляет ±20%. Технический результат такого решения заключается в обеспечении суммарного спектра излучения, близкого к равномерному. Его добиваются регулированием потока от светодиодов отдельных типов (RU 2692648, МПК A01G 9/20, A01G 7/04, H05B 33/00, опубл. 25.06.2019).

Недостатками известного устройства являются:

- отсутствует возможность регулирования плотности потока излучения светодиодов как отдельно, так и в группе;

- отсутствует возможность получения обратной связи от источника питания;

- указанный диапазон мощности используемых светодиодов, не позволяет оценить энергетическую эффективность установки

- спектр излучения светодиодов в светильнике не позволяет сформировать эффективный фотосинтетический поток излучения, поскольку отсутствуют светодиоды в дальне красной области спектра.

Известен светодиодный фитооблучатель для выращивания томата, предназначенный для выращивания томата, выполненный из светильников, содержащих набор светодиодов с различными спектрами излучения. Использованы светодиоды типов синий 434…450 нм, красный 630…632 нм и 660…670 нм, дальний красный 730…735 нм и белый (максимум переизлучения в диапазоне 500…600 нм). Распределение мощности излучения по областям спектра составляет синий 15-20%, зеленый 15-20%, красный 50-55%, дальний красный 10-15% (RU 2695812, МПК F21K 99/00, опубл. 30.07.2019).

Недостатками известного устройства являются:

- ограниченность назначения установки лишь для выращивания сортов томата;

- не представлена эффективность облучения отдельных светодиодов;

- не представлена мощность установки, хотя говорится о низком энергопотреблении;

- ток, а соответственно световой поток светодиодов не может изменяться, что не позволяет оптимизировать спектр излучения в процессе роста растений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является светодиодный универсальный фитооблучатель, включающий группы светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой группы и блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения, имеющий компьютер, датчик, имеет корпус, на котором закреплен блок из четырех групп светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой их линейки, защитный экран от пыли и влаги, выполненный из полупрозрачного тонкостенного поликарбоната или стекла и герметично закрепленного на корпусе над светодиодными группами, закрепленный на корпусе датчик температуры, связанным с контроллером, отслеживающим его температурный режим, и систему теплоотвода, выполненную в виде канала-змеевика, проточенного на внутренней стенке корпуса, герметично закрытого крышкой и связанного трубками с системой жидкостного охлаждения. Фитооблучатель снабжен линейками светодиодов белого диапазона цветовой температуры излучения 4000 К, выполненными на основе кристаллов синего 440-460 нм, покрытых люминофором с максимумом переизлучения, происходит добавление зеленой области спектра 535-570 нм (RU 2744302, МПК A01G 9/24, опубл. 05.03.2021).

Недостатками известного устройства являются:

- наличие сложной системы теплоотвода с применением жидкостного охлаждения;

- ограниченность спектрального диапазона облучения использованием белых светодиодов с цветовой температурой 4000 К;

- отсутствие контроля уровня облученности и спектрального состава излучения;

- невозможность регулировать условия облучения без использования ПК, планшета или телефона.

Проведенные в последние годы исследования по влиянию спектрального состава излучения на растения говорят о том, что квазимонохроматический спектральный состав излучения не полностью раскрывает заложенный в растения потенциал. Также отмечается негативное влияние на орган зрения работающего персонала источников, имеющих монохроматическое излучение только в синей и красной областях спектра. Указанный недостаток устранен в предлагаемом изобретении применением светодиодов полного спектра.

Техническим результатом является создание светодиодной фитоустановки, предназначенной для выращивания овощных и зеленых культур в сооружениях защищенного грунта с возможностью адаптации режима облучения под потребности выращиваемой культуры и обеспечение естественный системы теплоотвода от светодиодных модулей без применения жидкостного охлаждения, увеличение спектрального диапазона облучения путем использования белых светодиодов с цветовой температурой 5000 К, наличие средств контроля уровня облученности и спектрального состава излучения, возможность регулировки условий облучения в ручном и автоматическом режимах.

Сущность изобретения заключается в том, что светодиодная фитоустановка включает фитооблучатель с группой светодиодов с регулируемым спектром излучения, имеющий корпус, источник питания, защитный экран, блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения, блок контроля облученности, компьютер. На корпусе фитооблучателя закреплены модули светодиодов с регулируемым спектром излучения каждого из них, имеющих линзы на каждом светодиоде для перераспределения светового потока, блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения, включающий интерфейсный модуль DALI, блок питания DALI и панель управления DALI, блок контроля облученности в виде спектрорадиометра, и корпус, имеющий внутреннее оребрение. Также в корпусе выполнены каналы для отвода тепла конвекционными потоками от внутреннего оребрения, расположенные сверху и снизу корпуса в шахматном порядке.

На фиг.1 представлен фитооблучатель (вид снизу); на фиг.2 представлен фитооблучатель (главный вид с поперечным разрезом А-А); на фиг.3 представлена блок-схема светодиодной фитоустановки; на фиг.4 представлен пример сценариев облучения выращиваемой культуры.

Светодиодная фитоустановка включает фитооблучатель 1 (фиг.1, 2) с группой светодиодов 2 с регулируемым спектром излучения, имеющий корпус 3, источник питания 4, защитный экран 5 из прозрачного темперированного стекла, предохраняющий внутреннюю часть фитооблучателя от проникновения пыли и влаги, блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения 6, блок контроля облученности 7, компьютер 8. На корпусе 3 фитооблучателя 1 закреплены модули 9 светодиодов 2 с регулируемым спектром излучения каждого из них, имеющих линзы 10 на каждом светодиоде 2 для перераспределения светового потока. Светодиодная фитоустановка включает блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения 6 (фиг.3), состоящий из интерфейсного модуля DALI 11, блока питания DALI 12 и панели управления DALI 13. Блок контроля облученности в виде спектрорадиометра 7. Корпус 3, выполняющий одновременно функции радиатора, имеет внутреннее оребрение 14 и каналы 15 для отвода тепла конвекционными потоками от внутреннего оребрения 14, расположенные сверху и снизу корпуса 3 в шахматном порядке.

Светодиодная фитоустановка работает следующим образом.

В фитооблучателе 1 используются мощные светодиоды 2 с мощностью до 5,5 Вт, работающие в оптимальном для них режиме мощности до 2,1 Вт. Данный режим работы обеспечивает высокий эффективный поток единичного светодиода при высокой эффективности и достаточно низкой температуре на кристалле, что обеспечивает высокую надежность и высокий срок службы.

Светодиоды 2 комплектуется линзами 10 для формирования различных видов кривой силы излучения.

Используются светодиоды 2, излучающие в областях спектра, наиболее эффективно обеспечивающих протекание как фотосинтеза (так называемые «синее» - 400-500 нм и «красное» излучение - 600-700 нм), так и оказывающие морфогенетическое действие («дальне красное» - 700-800 нм). Соответственно, первый канал составляют светодиоды с доминирующей длиной волны 450 нм и эффективностью 2,2 мкмоль/Дж, второй - 660 нм и 2,9 мкмоль/Дж, третий - 730 нм и 2,17 мкмоль/Дж, четвертый - белые светодиоды с цветовой температурой 5000°К и индексом цветопередачи - 70. Максимальная мощность одного фитооблучателя - 150 Вт.

Каждый тип светодиодов 2 смонтирован на модуле 9, который запитан от источника питания 4 постоянного тока.

В качестве источника питания 4 используется источник стабилизированного тока с возможностью настройки величины выходного тока, функцией поддержания постоянного светового потока и с возможностью диммирования.

Блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения 6, включающий интерфейсный модуль DALI 11, блок питания DALI 12 и панель управления DALI 13, обеспечивает плавное регулирование плотности потока излучения каждого модуля 9 светодиодов 2 от 0 до 100%, позволяет изменять спектральный состав, а также возможность получения обратной связи от источника питания 4. Блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения 6подключается к компьютеру 7 для управления и гибкой настройки, лучшей визуализации и сохранения результатов.

Блок контроля облученности в виде спектрорадиометра 7 контролирует уровень естественной освещенности и автоматически регулирует уровень искусственной освещенности (облученности) с целью поддержания заданного значения. Тем самым обеспечивается максимальное использование энергии солнечного излучения и экономия электрической энергии. Также блок контроля облученности в виде спектрорадиометра 7 позволяет регистрировать уровень облученности в эффективных единицах и единицах световой системы, спектральную плотность потока излучения, облученность в отдельных областях спектра, сохранять результаты на жесткий диск компьютера 8.

Специально спроектированный корпус 3 фитооблучателя имеет внутреннее оребрение 14 и каналы 15, расположенные сверху и снизу корпуса 3 в шахматном порядке, служащие для отвода тепла конвекционными потоками от внутреннего оребрения 14.

Пример. Возможна подготовка различных сценариев облучения, которые могут активироваться как в ручном, так и в автоматическом режимах. Сценарий облучения готовится с учетом видовых особенностей выращиваемой культуры и с учетом ее потребностей на конкретном этапе развития. На фиг.4 представлены 3 возможных сценария облучения для огуречной культуры облученностью 200±10 мкмоль/с⋅м² при соотношениях долей синего, зеленого и красного излучений в спектрах 20:30:50 (%) с разным содержанием уровня «дальне красного» излучения (линия 730 нм) - 30% (серая кривая), 50% (оранжевая кривая) и 70% (синяя кривая).

По сравнению с известным решением заявленное изобретение позволяет создать светодиодную фитоустановку, предназначенную для выращивания овощных и зеленых культур в сооружениях защищенного грунта с возможностью адаптации режима облучения под потребности выращиваемой культуры, а также позволяет обеспечить естественную систему теплоотвода от светодиодных модулей без применения жидкостного охлаждения, увеличение спектрального диапазона облучения путем использования белых светодиодов с цветовой температурой 5000 К, наличие средств контроля уровня облученности и спектрального состава излучения, возможность регулировки условий облучения в ручном и автоматическом режимах.

Изобретение относится к области светотехники и предназначено для выращивания овощных и зеленых культур в сооружениях защищенного грунта. Светодиодная фитоустановка включает фитооблучатель с группой светодиодов с регулируемым спектром излучения, имеющий корпус, источник питания, защитный экран, блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения, блок контроля облученности, компьютер. На корпусе фитооблучателя закреплены модули светодиодов с регулируемым спектром излучения каждого из них, имеющих линзы на каждом светодиоде для перераспределения светового потока, блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения, включающий интерфейсный модуль DALI, блок питания DALI и панель управления DALI, блок контроля облученности в виде спектрорадиометра. Корпус имеет внутреннее оребрение. В корпусе выполнены каналы для отвода тепла конвекционными потоками от внутреннего оребрения, расположенные сверху и снизу корпуса в шахматном порядке. Техническим результатом является обеспечение возможности адаптации режима облучения под потребности выращиваемой культуры, обеспечение естественной системы теплоотвода от светодиодных модулей без применения жидкостного охлаждения, увеличение спектрального диапазона облучения путем использования белых светодиодов с цветовой температурой 5000 К, возможность регулировки условий облучения в ручном и автоматическом режимах. 4 ил.

Светодиодная фитоустановка, включающая фитооблучатель с группой светодиодов с регулируемым спектром излучения, имеющий корпус, источник питания, защитный экран, блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения, блок контроля облученности, компьютер, отличающаяся тем, что на корпусе фитооблучателя закреплены модули светодиодов с регулируемым спектром излучения каждого из них, имеющих линзы на каждом светодиоде для перераспределения светового потока, блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения включает интерфейсный модуль DALI, блок питания DALI и панель управления DALI, блоком контроля облученности является спектрорадиометр, корпус имеет внутреннее оребрение, также в корпусе выполнены каналы для отвода тепла конвекционными потоками от внутреннего оребрения, расположенные сверху и снизу корпуса в шахматном порядке.