СВЕТОДИОДНЫЙ ФИТООБЛУЧАТЕЛЬ
LIGHT DIODE PHYTO-IRRADIATOR

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к осветителям, предназначенным для выращивания различной растительной продукции, зелени, овощей или цветов в сооружениях защищенного грунта.
Известно устройство для освещения растений, которое представляет собой металлогалогенную лампу (МГЛ), в колбу которой вводят добавки галогенидов и ряда других элементов, например алюминия, кремния и др., в результате чего получают световой поток из трех спектров - сине-голубого (С) в диапазоне 400-500 нм, красного (К) в диапазоне 600-700 нм и желто-зеленого (З) в диапазоне 500-600 нм, в соотношениях: С/К/З (20%±5%)/(40%±5%)/(40%±5%). При этом колба лампы наполняется инертными газами с достаточно высоким давлением [патент РФ №2040828, МПК A01G 9/26, «Установка для облучения растений», опубл. 27.07.1995 г., бюл. №21].
Недостатки известного устройства для освещения растений заключаются в следующем:
1) световой диапазон фитопрожектора, выполненного в виде МГЛ, состоит из трех широкополосных спектров и не является оптимальным по фотосинтетической активности растений (ФАР), поэтому осветитель потребляет излишнюю энергию для генерации светового потока;
2) в процессе работы МГЛ спектральный состав их непредсказуемо изменяется, что ухудшает условия роста растений;
3) изменять спектральный состав излучения с помощью известной лампы невозможно, а, как показывает практика растениеводства, при выращивании различных видов растений спектральный состав освещения желательно изменять по мере их роста и созревания;
4) МГЛ имеет высокую температуру корпуса и при определенных условиях может обжечь растения или повысить температуру теплицы до недопустимого уровня;
5) МГЛ лампа взрывоопасна и может разлететься на осколки при случайном попадании на нее брызг, возникающих в процессе полива растений;
6) для включения лампы требуется специальная пускорегулирующая аппаратура (ПРА), состоящая из зажигающего устройства и балластного сопротивления, в которых теряется часть электроэнергии;
7) срок службы лампы не превышает 5000 тыс. часов, что увеличивает эксплуатационные расходы на освещение.
Известно также устройство искусственного освещения растений в зависимости от интенсивности и спектрального состава внешней освещенности в соответствии с заданным режимом облучения [патент РФ №2278408, МПК G05D 25/00, «Универсальный полихроматический облучатель», опубл. 20.06.2006 г., бюл. №17]. Облучатель содержит несколько групп светодиодов с различным спектром излучения, дополняющих друг друга, включая инфракрасный и ультрафиолетовый, а обогреватель выполнен в виде источника инфракрасного излучения с направленным тепловым потоком. В систему управления введены автоматический регулятор цикла облучения по времени суток любого пояса земного шара, автоматический регулятор режима освещения в соответствии с погодными условиями, например «солнце», «пасмурно» и т.д. В нем предусмотрен датчик сканирования спектрального состава оптического диапазона облучения и корректирования на основе обратной связи результирующего спектрального состава путем подключения соответствующих групп светодиодов.
Недостатки устройства известного облучателя заключается в том, что:
1) его корпус имеет сложную конструкцию и при воздействии влаги, попадающей на корпус, например, сверху, прожектор может выйти из строя;
2) часть света теряется из-за того, что сам корпус облучателя препятствует прохождению светового потока, идущего к освещаемому объекту от внешнего источника освещения;
3) при облучении не учитываются этапы онтогенеза растений, а также не предусмотрена возможность импульсного включения фитопрожектора с регулировкой времени экспозиции и длительности темновых пауз.
Известно также устройство светодиодного фитопрожектора [патент РФ №2369086, МПК A01G 9/20, «Светодиодный фитопрожектор», опубл. 10.10.2009 г., бюл. №28], выбранное за прототип, в котором светодиодный фитопрожектор содержит 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. Корпус фитопрожектора выполнен в виде прямоугольной рамы, изготовленной из П-образного швеллера, светодиоды расположены на платах, платы установлены в один ряд в прозрачных герметичных плафонах (в вариантах технического решения плафоны выполнены в виде трубок, фасонного профиля, прямоугольного фасонного профиля, прямоугольного фасонного профиля со скругленной лицевой частью плафона), плафоны установлены внутри корпуса с зазором относительно друг друга в несколько параллельных рядов. В варианте технического решения в блок управления светодиодным прожектором введен программируемый контроллер с операционными стеками протоколов, формирующий определенный режим управления светодиодами в соответствии с ФАР и набором обозначений, указывающий вид растения и этап его онтогенеза. В варианте технического решения в схему управления введен программируемый контроллер, обеспечивающий заданный режим импульсного включения источников света, с регулятором времени экспозиции и регулятором длительности темновых пауз. В варианте технического решения прямоугольная рама снабжена верхней крышкой с вентилятором.
Светодиоды разделены на группы, различающиеся спектром излучения. Спектр излучения светодиодов подобран таким образом, чтобы его состав соответствовал потребностям растений того или иного вида для обеспечения оптимального фотосинтеза. Соотношение световых потоков подбирается заранее и затем может регулироваться в широких пределах. Это соотношение регулируется в соответствии с видом и стадией развития растения. Светодиоды различного спектра излучения распределены вдоль лицевой поверхности фитопрожектора равномерно. При этом группы светодиодов определенного спектра излучения располагают преимущественно в одном из плафонов, а плафоны чередуют. Часть светодиодов может иметь ультрафиолетовый и инфракрасный спектры излучения.
В систему управления входит блок электропитания и микропроцессорная система управления, в которую встроен компьютерный блок задания режима включения (БЗРВ). К БЗРВ в свою очередь подключены программируемый контроллер для перевода схемы из ручного режима в автоматический, датчик внешней освещенности, спектрометр, таймер, а также программируемый контроллер вида растений. Кроме того, в систему управления введен программируемый контроллер задания режимов для поддержания суточного цикла изменения спектра освещения и величины освещенности в соответствии с выбранной программой. Также в схему может быть введен программируемый контроллер, который позволяет учесть тип внешнего источника света. В варианте технического решения в схему управления введен программируемый контроллер, обеспечивающий заданный режим импульсного включения световых элементов с регулятором, управляющим продолжительностью световых импульсов, с регулятором освещенности и регулятором длительности темновых пауз.
Недостатками выбранного за прототип облучателя являются:
1) конструкция фитопрожектора предполагает его закрепление на несущих конструкциях теплицы, поэтому фитопрожектор размещен над растениями на значительной высоте и верхний ярус листьев может препятствовать поступлению света к нижним ярусам листьев;
2) наличие металлического корпуса повышает его металлоемкость;
3) в каждый облучатель встроена очень сложная система управления, включающая в себя несколько программируемых контроллеров, что значительно удорожает облучатель.
Целью данного изобретения является повышение эффективности использования световой энергии облучательной установки культивируемыми растениями, обеспечение лучших условий для процесса фотосинтеза и, как следствие, увеличение урожайности растений защищенного грунта, сокращение сроков выращивания растительной продукции, повышение ее питательных и вкусовых качеств, улучшение товарного вида, а также снижение материалоемкости устройства и упрощение системы управления.
Указанная цель достигается за счет того, что в фитооблучателе, содержащем платы со световыми элементами, состоящими из групп светодиодов с различными спектрами излучения, снабженном вентилятором и системой управления с коммутатором групп светодиодов, датчиком освещенности и датчиком-спектрометром, в отличие от прототипа, платы выполнены из гибкого материала в виде полуцилиндров, соединены попарно навесами и установлены в прозрачный цилиндрический плафон, светодиоды расположены с наружной стороны плат в несколько рядов, кроме того, фитооблучатель подвешен на тросе и регулируется по высоте с помощью электропривода, а система управления вынесена за пределы корпуса и выполнена на базе промышленного компьютера, управляющего фитооблучателем по программе.
Такая конструкция фитооблучателя позволяет опустить его внутрь посадок. В результате этого растения не тянутся к свету, так как все ярусы листьев растений освещаются равномерно, следовательно, световой поток используется более рационально всеми листьями растения. Кроме того, при такой организации досвечивания возможно применять загущенный способ посадки, при котором на каждый квадратный метр площади высаживается до 8-10 растений, в то время как при традиционном - всего 3-4. Соединение плат между собой навесами позволяет в случае необходимости открывать их, что облегчает процесс монтажа и ремонта. Подвешивание облучателя на тросе и применение электропривода позволяют регулировать высоту подвеса облучателя. Кроме того, такая конструкция фитооблучателя отличается меньшей металлоемкостью, так как отсутствует металлический корпус, а также меньшей стоимостью, так как система управления вынесена за пределы корпуса облучателя, что позволяет объединять в одну систему несколько облучателей.
Совокупность признаков заявляемого фитооблучателя не известна и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Сущность изобретения состоит в следующем. Светодиодный фитооблучатель, представленный на фиг.1, содержит платы 1 со световыми элементами 2, состоящими из групп светодиодов с разными спектрами излучения. Платы выполнены из гибкого материала в виде полуцилиндров и соединены попарно навесами 3, позволяющими в случае необходимости открывать их, что облегчает процесс монтажа и ремонта. Выводные провода расположены с внутренней стороны плат. Светодиоды расположены с наружной стороны плат в несколько рядов. Количество светодиодов в ряду, количество рядов на платах, а также количество попарно соединенных плат зависят от мощности светодиодов, требуемой суммарной величины светового потока и спектра их излучения. Платы установлены в прозрачный цилиндрический плафон 4, выполненный, например, из акрила. К верхней части плафона прикреплен вентилятор 5, направляющий воздушный поток внутрь плафона вдоль плат, что обеспечивает необходимое охлаждение. Облучатель подвешен на тросе 6. Применение электропривода 7 позволяет поднимать или опускать облучатель на необходимую высоту.
Светодиоды 2 разделены на группы, различающиеся спектром излучения. Спектр излучения светодиодов подобран таким образом, чтобы его состав соответствовал потребностям растений того или иного вида для обеспечения оптимального фотосинтеза, и может регулироваться в широких пределах. Светодиоды различного спектра излучения распределены вдоль лицевой поверхности фитооблучателя равномерно. Часть светодиодов также может иметь ультрафиолетовый и инфракрасный спектры излучения.
Система управления (фиг.2) вынесена за пределы корпуса фитооблучателя, что позволяет объединять в одну систему десятки облучателей, и включает в себя компьютерный задатчик, выполненный на базе промышленного компьютера.
Светодиодный фитооблучатель подвешивают на тросе и опускают внутрь посадок таким образом, чтобы все ярусы листьев растений освещались равномерно. Светодиодный фитооблучатель работает следующим образом: компьютерный задатчик (8) по программе на основе данных, полученных от датчика внешней освещенности (11) и датчика-спектрометра (12), формирует управляющий сигнал и через коммутатор групп светодиодов (9) воздействует на группы светодиодов (2) и позволяет корректировать интенсивность и спектральный состав источника света в зависимости от внешнего освещения и с учетом вида растений. Интенсивностью светового потока можно управлять при помощи включения и выключения необходимого количества плат со световыми элементами, а спектральным составом - включением групп светодиодов с разными спектрами излучения.
Кроме того, в компьютерный задатчик введена информация, позволяющая формировать определенный режим управления светодиодами в соответствии с значениями фотосинтетически активной радиации (ФАР) и с данными о растениях и этапах их онтогенеза.
При необходимости компьютерный задатчик позволяет реализовать режим импульсного включения источников света с управлением временем экспозиции и длительностью темновых пауз. Применение режима импульсного включения источников света позволяет снизить удельное энергопотребление.
Применение данного фитооблучателя значительно повышает эффективность использования световой энергии облучательной установки культивируемыми растениями, а значит, позволяет сократить длительность периода вегетации до начала плодоношения, увеличить продуктивность самих растений, а также повысить товарные качества плодов и содержание в них сахаров и витаминов.
Кроме того, изобретение обладает меньшей металлоемкостью, а также позволяет значительно сократить затраты на оснащение облучателями промышленных теплиц, потому что система управления вынесена за пределы корпуса фитооблучателя и выполнена на базе современного промышленного компьютера, что позволяет объединять в одну систему десятки и даже сотни облучателей.