Способ искусственного освещения растений Российский патент 2024 года по МПК A01G9/26 

Изобретение относится к растениеводству, а именно к выращиванию растений и проведению с ними научно-исследовательских и селекционных работ в условиях искусственного освещения в климатических установках.

Известно, что жизнедеятельность растений обусловлена следующими основными климатическими факторами окружающей среды: светом, температурой, влажностью, содержанием углекислого газа, скоростью движения воздуха. Однако, проведение селекционных работ и научных исследований по изучению влияния климатических факторов на растения в естественной среде их обитания ограничено вегетационным периодом и неуправляемостью климатических условий, что привело к необходимости создания устройств искусственного климата (УИК), которые воспроизводят в ограниченном пространстве климатические факторы - биологические прототипы естественных климатических условий [Садовой А.Ф., Советов В.П. Установки искусственного климата. - М.: Агропромиздат, 1985. - 72 с., ил.], [Курец В.К., Попов Э.Г. Статистическое моделирование системы связей растение-среда. - Л.: Наука, 1991. - 152 с.]. В естественной среде обитания возможность произрастания тех или иных видов растений обусловлена поступлением световой энергии Солнца, частично трансформирующейся в тепловую. Формирование биомассы, ее количество и качество обусловлены, прежде всего, совокупностью многочисленных высокоэнергетических процессов фотосинтетической деятельности за счет поступления световой энергии интенсивностью 100-350 Вт/м² в области спектра 380-710 нм [Солнечная радиация в оценках максимальной урожайности яровых культур / И.А. Шульгин, Р.М. Вильфанд, А.И. Страшная, О.В. Береза // Биосфера. - 2015. - Т. 7. - №4. - С. 371-383]. Явление фотосинтеза - образование органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов - открыли в конце XVIII века английские и голландские ученые. Русский исследователь К.А. Тимирязев доказал, что у растений за поглощение света отвечают специальные пигменты. Основные из них - хлорофиллы а и b и каротиноиды. Хлорофиллы поглощают свет синего и красного диапазонов, а каротиноиды - только синего. Свет, полученный разными пигментами, расходуется на разные цели. Пигменты с пиком чувствительности в красной области спектра отвечают за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение. Пигменты с пиком поглощения в синей области отвечают за увеличение зеленой массы [Прокофьев А., Туркин А., Яковлев А. Применение светодиодов в растениеводстве. http://www.gidroponika.su]. При этом лишь часть поглощенной энергии в ходе газообмена (фотосинтеза и дыхания) запасается в биомассе, тогда как другая, значительно большая, расходуется на транспирацию, теплообмен и т.д. Кроме того, формирование биомассы хозяйственно ценных органов растений обусловлено не только высокоэнергетическими процессами, но и совокупностью многочисленных низкоэнергетических процессов фоторегуляторной и фотоинформационной деятельности, также совершаемой световой энергией, в том числе и низкой интенсивности 0,1-10 Вт/м². К ним относятся фотопериодизмы, фототропизмы, фотоактивация и фотореактивация, индукция «биологических часов», фотоморфогенез в целом и т.д. [Солнечная радиация в оценках максимальной урожайности яровых культур / И.А. Шульгин, Р.М. Вильфанд, А.И. Страшная, О.В. Береза // Биосфера. - 2015. - Т. 7. - №4. - С. 371-383]. Световую энергию в УИК растения получают от источников искусственного освещения. Для этого используют различные осветительные приборы: лампы накаливания, люминесцентные и газоразрядные лампы (FLUORA, ДРЛФ, МГЛ, ДНаТ). Однако, в последнее время для светильников в основном используют белые светодиоды (СД) с широким спектром и монохромные СД с узким спектром [Бизнес-инжиниринг экобиосистем искусственного климата / Е.В. Зайцев, Ю.В. Мартынов // Студенческие научные достижения: сборник статей X Международного научно-исследовательского конкурса, Пенза, 05 октября 2020 года. - Пенза: "Наука и Просвещение" (ИП Гуляев Г.Ю.), 2020. - С. 34-37] благодаря хорошим эксплуатационным характеристикам: устойчивости к механическим нагрузкам и температуре окружающей среды (от -55 до +85°С), большому сроку службы (50 тыс.ч), надежности, компактности, простоте схемы включения, электробезопасности, экологичности, излучению спектров, необходимых для растений [Некоторые особенности выбора светильников и ламп / В.В. Белов // Техническое обеспечение технологий производства сельскохозяйственной продукции: Сборник статей по материалам II Всероссийской (национальной) научно-практической конференции, Курган, 14 июня 2018 года / Под общей редакцией С.Ф. Сухановой. - Курган: Курганская государственная сельскохозяйственная академия им. Т.С. Мальцева, 2018. - С. 58-62]. Наибольшее распространение получили способы освещения растений в УИК с вертикальной конструкцией рабочей камеры, позволяющие более рационально использовать площадь лаборатории. Например, известен способ светодиодного освещения растений в двухсекционной УИК с расположением секций друг над другом [Патент РФ №2739604, МПК A01G 9/24. Климатическая камера для выращивания растений / А.С. Дорохов, Н.О. Чилингарян и др. - Заявка №2020126041; Заявлено 05.08.2020; Опубл. 28.12.2020; Бюл. №1], включающий индивидуальное облучение растений в секциях. Достоинством способа является то, что изменение интенсивности потока излучения, его спектрального состава обеспечивают в соответствии с целями экспериментальных исследований с помощью системы управления. Недостаток заключается в том, что растения освещаются только сверху, что характерно только для полуденного освещения в естественных условиях. Кроме того, светодиоды размещают внутри секций, что вызывает необходимость в дополнительной теплоизоляции. Частично свободен от названных недостатков способ освещения в УИК [Патент РФ №2787699, МПК A01G 9/14, A01G 9/24. Комнатная теплица / Л.А. Журавлева, И.А. Попков. - Заявка №2022109875; Заявлено 13.04.2022; Опубл. 11.01.2023; Бюл. №2], включающий облучение от светодиодов, которые встраивают в непрозрачные верхнюю и боковые стенки, и от светоотражающего экрана, который устанавливают с внутренней стороны задней стенки. Облучение растений со всех сторон осуществляют в УИК [Патент РФ №2400056, МПК A01G 9/24. Вегетационная установка / П.П. Долгих, Н.В. Цугленок. - Заявка №2009106130/12; Заявлено 20.02.2009; Опубл. 27.10.2010; Бюл. №27] светоди-одами синего, красного и зеленого спектра, которые располагают снаружи по всей поверхности прозрачной рабочей камеры, которую выполняют в виде полого цилиндра с купольной крышей. Таким образом, способ обеспечивает освещение растений близкое к естественному, то есть под разными углами и со всех сторон, что повышает равномерность облучения как верхних, так и нижних листьев. Недостатком способа является сложность его реализации и отсутствие признаков, обеспечивающих воспроизведение климатических факторов: температуры, влажности. Наиболее близким является способ освещения растений со всех сторон, предложенный в УИК [Патент РФ №2446673, МПК A01G 9/24. Шкаф роста растений / В.В. Альт, В.А. Золотарев, В.В. Минеев, Л.А. Даукшис. - Заявка №2010125445/13; Заявлено 21.06.2010; Опубл. 10.04.2012; Бюл. №10] (прототип). В прототипе исследуемые растения, находящиеся в остекленной рабочей камере вертикального типа, освещают источниками света (люминесцентными фитолампами), которые располагают с внешних сторон двух боковых, задней и верхней стенок рабочей камеры, а также отраженным светом от зеркальной полимерной пленки, наклеенной с внутренней стороны передней двери. Режим «день-ночь» осуществляют таймером программируемого устройства управления. Недостатком способа является то, что при его осуществлении естественные условия освещения растений моделируют не в полной мере. Хотя, как известно, в природной среде процесс облучения растений протекает следующим образом. При низком стоянии Солнца, когда лучи должны пройти через атмосферу относительно более длинный путь, коротковолновые лучи почти полностью поглощаются атмосферой, поэтому в утренние и вечерние часы в спектре преобладают красные лучи. По мере увеличения высоты Солнца над горизонтом доля синих лучей увеличивается, а также увеличивается и интенсивность радиации. Установлено, что для фотосинтеза, как высокоэнергетического процесса, необходима интенсивность солнечной радиации, превышающая определенное значение, называемое компенсационной точкой, которая не остается постоянной в течение всего цикла жизни растения. Для многих растений это значение находится в пределах 209-349 Вт/м2. При интенсивности радиации ниже указанного предела на дыхание расходуется больше органического вещества, чем образуется в процессе фотосинтеза [Дилишатов, О.У. Анализ и расчет солнечной радиации на территории города Ош и Карасуйского района / О.У. Дилишатов, 3.К. Эрмекова, Б.У. Хасанов // Наука. Образование. Техника. - 2022. - №2(74). - С. 35-43]. Однако, формирование биомассы хозяйственно ценных органов растений обусловлено не только высокоэнергетическими процессами фотосинтетической деятельности, но и совокупностью многочисленных низкоэнергетических процессов, протекающих и при низкой интенсивности 1-10 Вт/м², характерной для восхода и захода Солнца и, так называемых, «гражданских сумерек» (периода между восходом или заходом Солнца и моментом, когда глубина погружения Солнца за горизонт равна 6°; в этот период можно читать, видеть цифры часов). Сумеречные явления обусловлены тем, что до восхода Солнца и после его захода прямые лучи не достигают поверхности Земли в данном месте, но освещают небо, и чем ниже опускается Солнце под горизонт, тем более высокие слои атмосферы посылают на Землю рассеянную радиацию. Исследования по выращиванию яровой пшеницы при постоянной интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР, 380-710 нм) в течение 18-часового фотопериода и при изменении интенсивности ФАР по кривой схожей с ходом радиации в естественных условиях показали, что более быстрое развитие, большее накопление биомассы растениями, включая массу зерен в колосе, имело место во втором варианте, при этом длина фотопериода (18 часов) и суточная доза ФАР во всех вариантах была одинаковой. Максимальная интенсивность ФАР составляла примерно 300 Вт/м², а минимальная 30 Вт/м^{2 [Информационно-регуляторная роль солнечной радиации в периоды сумерек в развитии и продуктивности яровых зерновых культур / И.А. Шульгин, Р. М. Вильфанд, А.И. Страшная [и др.] // Труды Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации. - 2016. - №362. - С. 193-213]. Таким образом, именно последовательность низких и высоких интенсивностей влияла на особенности продукционного процесса. Следовательно, утренние и вечерние сумерки, в течение которых совершается переход от ночи к дню и от дня к ночи, являются важным для растения интервалом времени, в течение которого растения «сталкиваются» со значимой для них низкой интенсивностью радиации, достаточной тем не менее для физиологически активной ее роли, и должны учитываться при моделировании освещения в УИК.}

Техническим результатом при осуществлении заявляемого способа является воспроизведение светового режима в остекленной рабочей камере вертикального типа шкафа искусственного климата более близким к естественному.

Технический результат в изобретении достигается тем, что в способе искусственного освещения растений, включающем проведение научно-исследовательских и селекционных работ с растениями в шкафах искусственного климата с остекленной рабочей камерой вертикального типа, освещение которой осуществляют с помощью программируемого устройства управления источниками света, расположенными с внешних сторон двух боковых, задней и верхней стенок рабочей камеры, а также отраженным светом от зеркальной полимерной пленки, наклеенной с внутренней стороны передней двери, в качестве источников света используют линейки светодиодов с излучением красного и синего спектров, которые располагают поочередно по всей высоте боковых и задней стенок и ширине верхней стенки параллельно горизонтальной плоскости, при этом используют многоканальное программируемое устройство управления, с помощью которого обеспечивают включение заданных комбинаций линеек светодиодов в заданное астрономическое время в течение суточного цикла.

Такое выполнение способа позволяет моделировать плавный переход от полной ночной темноты к освещению, характерному для «утренних гражданских сумерек», затем для восхода, утра, дня, вечера, захода, «вечерних гражданских сумерек», и снова к ночи, за счет того, что включение горизонтально расположенных линеек светодиодов в соответствующей комбинации и в соответствующее время позволяет имитировать подъем, нахождение в зените и опускание Солнца относительно горизонта. При этом излучение со стороны левой, правой, задней боковых стенок и передней двери имитирует рассеянное излучение с восточной, западной, южной и северной сторон небосвода, соответственно, а со стороны верхней стенки - излучение Солнца в зените. Количество и соотношение включенных красных и синих линеек светодиодов в заданном интервале суточного цикла позволяют моделировать интенсивность и спектр излучения, необходимые для данного растения, периода его вегетации, а также исходя из условий эксперимента.

На фиг. показано схематичное изображение расположения линеек светодиодов относительно остекленной рабочей камеры (дверь не показана) шкафа искусственного климата, поясняющее сущность способа искусственного освещения растений.

Способ искусственного освещения растений реализуется в последовательности действий, изложенной ниже.

Растения, путем открывания передней двери с наклеенной с внутренней стороны зеркальной полимерной пленкой, помещают в остекленную рабочую камеру 1 вертикального типа шкафа искусственного климата с расположенными с внешних сторон рабочей камеры поочередно по всей высоте боковых и задней стенок и ширине верхней стенки линейками светодиодов 2 красного и синего спектров параллельно горизонтальной плоскости. Затем в многоканальное программируемое устройство управления, представляющее собой, например, многоканальное реле реального времени, каждый выход которого подключен к соответствующей линейке светодиодов 2, записывают циклическую суточную программу включения линеек светодиодов 2. Для этого для каждого выбранного астрономического времени суток назначают соответствующую комбинацию активных выходов многоканального реле.

Для примера рассмотрим действия при реализации суточного цикла освещения линейками светодиодов 2 (мощностью 10 Вт каждая) в количестве 56 штук - по 16 штук с внешних сторон боковых и задней стенок и 8 штук с внешней стороны верхней стенки рабочей камеры, как показано на фиг. - при разбиении суток, например, на следующие интервалы: «утренние гражданские сумерки» - начало 5 ч, восход - начало 6 ч, утро - начало 7 ч, день - начало 10 ч, вечер - начало 19 ч, заход - начало 21 ч, «вечерние гражданские сумерки» - начало 22 ч, ночь - начало 23 ч. Нумерация линеек светодиодов 2 - снизу вверх и справа налево отдельно для левой, правой, задней боковых стенок и верхней стенки (нечетные - красные, четные - синие). Индексы у номеров «л», «п», «з» и «в» означают, соответственно, расположение линеек светодиодов 2 на левой, правой, задней боковых стенках и верхней стенке. В начале «утренних гражданских сумерек» в 5 ч утра, когда глубина погружения Солнца равна 6°, красный свет (заря) является доминирующим интенсивностью не более 10 Вт/м², а противоположная западная сторона горизонта практически не освещена, назначают комбинацию из двух красных линеек светодиодов 2:1_Л и 1_З. В 6 ч утра начинается восход, Солнце начинает подниматься над горизонтом, его лучи проходят через атмосферу относительно более длинный путь, чем в зените. Чем короче длина волны, тем сильнее рассеиваются и поглощаются лучи. Так как синие лучи рассеиваются атмосферой в 5-7 раз сильнее, чем красные [Дилишатов, О.У. Анализ и расчет солнечной радиации на территории города Ош и Карасуйского района / О.У. Дилишатов, З.К. Эрмекова, Б.У. Хасанов // Наука. Образование. Техника. - 2022. - №2(74). - С. 35-43], то назначают комбинацию красных и синих линеек светодиодов 2 в соотношении 5:1, а именно 1_Л, 3_Л, 5_Л, 7_Л, 1_З, 2_Л. По мере увеличения высоты Солнца над горизонтом общая интенсивность, а также доля синих лучей увеличивается, поэтому в утренние часы (начало в 7 ч) назначают комбинацию красных и синих линеек светодиодов 2 в соотношении 2:1 - все нечетные (красные) и четные с 10 по 16 (синие) с индексами «л» и «з». В течение дня (начало 10 ч) интенсивность приходящей ФАР по-степенно увеличивается до 350-400 Вт/м² в полдень, а продуктивность фотосинтеза растет [Солнечная радиация в оценках максимальной урожайности яровых культур / И.А. Шульгин, Р.М. Вильфанд, А.И. Страшная, О.В. Береза // Биосфера. - 2015. - Т. 7. - №4. - С. 371-383]. При этом также уменьшается интенсивность бокового освещения, поэтому назначают комбинацию красных и синих линеек светодиодов 2 в соотношении 1:1 - все с 7 по 16 (красные и синие) с индексами «л», «з» и «п» и все с 1 по 8 (красные и синие) с индексом «в». В вечерние часы (начало в 19 ч) Солнце перемещается на западную сторону горизонта, в остальном все аналогично утренним часам, поэтому назначают комбинацию красных и синих линеек светодиодов 2 в соотношении 2:1 - все нечетные (красные) и четные с 10 по 16 (синие) с индексами «п» и «з». Комбинацию красных и синих линеек светодиодов 2 для захода Солнца (начало 21 ч) назначают аналогично восходу в соотношении 5:1, но с освещением с «западной» стороны: 1_П, 3_П, 5_П, 7_П, 1_З, 2_П. Для «вечерних гражданских сумерек» (начало 22 ч) назначают комбинацию красных линеек светодиодов 2: 1_П и 1_З. В 23 ч наступает ночь - все линейки светодиодов 2 отключены (все выходы многоканального реле не активны). Для более плавного изменения интенсивности освещения в течении суток количество интервалов (шагов программы) можно увеличить. Для низкорослых растений можно использовать только верхнюю часть рабочей камеры, установив решетку для растений на нужной высоте. Из примера видно, что способ позволяет варьировать независимо друг от друга основные характеристики облучения растений: спектр, интенсивность спектральных составляющих, продолжительность облучения с разными интенсивностями, фотопериодизм. Это важно, так как для каждого вида растений набор необходимых изменяемых характеристик и их значений могут кардинально отличаться, поиск наиболее удачных наборов необходимых воздействий на каждый отдельно взятый вид растения представляет трудоемкую задачу, решение которой позволит как автоматизировать агропромышленную сферу деятельности путем использования «умных ферм», так и углубить знания в областях биологии и ботаники. То есть, изменяя параметры внешней среды растения (среди которых и свет) можно влиять на множество характеристик растения, достигая необходимых результатов: быстрого созревания с наибольшей биомассой, или более продолжительного цветения [Баширов, А.А. Исследование влияния светодиодных излучателей на растения / А.А. Баширов, Л.О. Казмирук, В.Д. Сандаков // XXV Всероссийский аспирантско-магистерский научный семинар, посвященный Дню энергетика: Материалы конференции. В 3-х томах, Казань, 07-08 декабря 2021 года / Под общей редакцией Э.Ю. Абдуллазянова. Том 1. - Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2022. - С. 272-274]. Другими словами, возможность моделирования является стимулом для дальнейшего развития биологических наук: для более интенсивного изучения строения и функций биологических систем с целью использования полученных сведений для оптимального решения производственных проблем [Воронов, Ю.А. Бионика и биотехнология / Ю.А. Воронов, Е.А. Рябинская // I Лужские научные чтения. Современное научное знание: теория и практика: Материалы международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 22 мая 2013 года / Ответственный редактор Т.В. Седлецкая. - Санкт-Петербург: Ленинградский государственный университет им. А.С. Пушкина, 2013. - С. 406-411].

Процесс выполнения описанных действий может быть осуществлен с помощью следующих материальных средств.

В качестве рабочей камеры 1 и климатической установки используют шкаф с регулируемым микроклиматом [Патент РФ №2603910, МПК A01G 9/24. Шкаф с регулируемым микроклиматом / В.В. Минеев, В.А. Золотарев, В.В. Альт, В.М. Фурзиков, С.В. Рожанская. - Заявка №2015124018/13; Заявлено 19.06.2015; Опубл. 10.12.2016; Бюл. №34]. В качестве линеек светодиодов 2 используют, например, монохромные светодиодные ленты типа SMD 2835 длиной 500 мм и мощностью 20 Вт/м, помещенные по 8 штук (поочередно 4 красных BLDS20-3528R и 4 синих BLDS20-3528B) в каждый из семи корпусов 3 (фиг.) BLD-PLKA 6060 (595x595x30 мм) с рассеивателем «Призма» светильника Армстронг компании BEELED г. Воронеж [URL:http://www.beeled.ru]. Вместо синих монохромных светодиодных лент могут быть использованы «холодные» белые светодиодные ленты с широким спектром, так как у них синяя область широко растянута и захватывает пик поглощения пигментами 440 нм. В качестве программируемого устройства управления источниками света (светодиодными лентами) используют, например, либо многоканальное реле ТК-415 компании «ЦентрРосОборудование» г. Ростов-на-Дону [URL:http://www.centros.ru], либо программируемое реле ПР-102 с модулями расширения ПРМ-1 компании ОВЕН г. Москва [URL:http://www.owen.ru].

Изобретение относится к растениеводству и может использоваться для выращивания растений и проведения с ними научно-исследовательских и селекционных работ в условиях искусственного освещения в климатических установках. Для этого растения выращивают в остекленной рабочей камере вертикального типа шкафа искусственного климата с расположенными с внешних сторон рабочей камеры поочередно по всей высоте боковых и задней стенок и ширине верхней стенки линейками светодиодов красного и синего спектров параллельно горизонтальной плоскости. При этом используют многоканальное программируемое устройство управления, с помощью которого обеспечивают включение заданных комбинаций линеек светодиодов в заданное астрономическое время в течение суточного цикла. Использование изобретения позволит осуществить научно- исследовательские и селекционные работы при выращивании растений в климатических установках со световым режимом, более близким к естественному. 1 ил.

Способ искусственного освещения растений, характеризующийся тем, что для проведения научно-исследовательских и селекционных работ растения выращивают в шкафах искусственного климата с остекленной рабочей камерой вертикального типа, причем освещение рабочей камеры осуществляют источниками света, расположенными с внешних сторон двух боковых, задней и верхней стенок рабочей камеры, и отраженным светом от зеркальной полимерной пленки, наклеенной с внутренней стороны передней двери, а в качестве источников света используют линейки светодиодов с излучением красного и синего спектров, которые располагают поочередно по всей высоте боковых и задней стенок и ширине верхней стенки параллельно горизонтальной плоскости, при этом используют многоканальное программируемое устройство управления, с помощью которого обеспечивают включение заданных комбинаций линеек светодиодов в заданное астрономическое время в течение суточного цикла.