СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК И СПОСОБ ОСВЕЩЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ КУЛЬТУРЫ
LED LAMP AND METHOD OF LIGHTING AGRICULTURAL CROPS

Группа изобретений относится к светотехнике, а именно, к светодиодным светильникам и к области тепличного растениеводства, в частности к способу освещения высокорослой сельскохозяйственной культуры.
Уровень техники.
Как известно из уровня техники основными факторами, сдерживающими широкое использование известных светодиодных осветительных устройств для бокового освещения растений  при их выращивании  в промышленных сооружениях защищенного грунта (в частности в теплицах), являются:
- большая масса устройства, и значит всей осветительной установки, приводящая к увеличению нагрузки на несущие конструкции теплицы;
- высокая начальная стоимость светодиодной осветительной установки, что приводит к большому сроку её окупаемости;
- недостаточная величина светового потокапри боковом освещении высокорослой сельскохозяйственной культуры внутри куста растений, путём использования известных светодиодных светильников.
Указанные факторы являются следствием, в том числе, недостаточной эффективности  теплоотдачи от светоизлучающих модулей в окружающую среду.
Известно устройство для бокового освещения растений "Светодиодный фитооблучатель", патент РФ 2454066 , МПК A01G 9/20, 16.03.2010 [1]. Облучатель содержит платы, выполненные из гибкого материала в виде полуцилиндров, установленные в прозрачный цилиндрический плафон, светодиоды, расположенные с наружной стороны плат в несколько рядов и вентилятор. Устройство обеспечивает хорошую равномерность освещенности по высоте растения.
Недостатками данного устройства являются:
- размещение плоских световых элементов на полуцилиндрических платах не позволяет обеспечить хорошую теплоотдачу, что ведет к перегреву светодиодных  источников и снижению срока их службы;
- сложность конструкции из-за большого количества конструктивных элементов и узлов;
- низкая надежность известного светильника при использовании его в условиях теплиц (повышенная влажность, испарения, загрязнения от растений и насекомых), в первую очередь из-за наличия в его конструкции вентилятора.
Известный светодиодный светильник  по заявке US 20110019421 А1, 27.01.2011[2] содержит теплоотдающие пластины 121 с размещенными на них светоизлучающими модулями 13 которые установлены внутри замкнутого объема, то есть три камеры 111 образуют закрытую внутреннюю полость, сформированную внутренней поверхностью 112 трубчатой оболочки 11 из оптически прозрачного материала и двумя торцевыми крышками 14.
Недостатком  известного осветительного устройства 10 является большое тепловое сопротивление между светодиодами и окружающей светильник воздушной средой, равное сумме тепловых сопротивлений 4-х участков: светоизлучающий модуль 13 → теплоотдающая пластина 121 → воздух в оболочке 11 →  оболочка 11 → воздушная среда окружающая светильник. Такое техническое решение осветительного устройства не обеспечивает достаточную эффективность теплоотдачи от светодиодов и, как следствие, требует увеличить его охлаждающие поверхности, что приводит к росту массы и стоимости светильника. При этом создание светильника мощностью в несколько сотен ватт становиться экономически нецелесообразным.
Известный аналог – "Светодиодная лампа", патент РФ 2525458, МПК F21S 4/00 24.09.2012 [3], содержит, по крайней мере три продольных конструктивных элемента (печатные платы) с расположенными на них светодиодными модулями, причем печатные платы установлены в оптически прозрачную трубку и совмещены друг с другом так, что образуют в поперечном сечении лампы равносторонний многоугольник.
Недостаток этого аналога так же заключается в том, что продольные печатные платы с размещенными на них светодиодами установлены внутри замкнутого объема, образованного корпусом в виде оптически прозрачной трубки, торцы которой закрыты цоколями. Результатом такого решения также является недостаточная  эффективность теплоотдачи между светодиодами и окружающей средой. Как следствие - известное устройство имеет мощность не более 80 ватт.
Известен "Энергосберегающий светодиодный фитооблучатель" по RU 142791 U1, 10.07.2014 [4], который содержит прозрачный цилиндрический плафон, при этом "световые элементы закреплены на наружных плоских гранях полого теплоотводящего профиля, представляющего в сечении правильный многоугольник, соосно размещенного в прозрачном цилиндрическом плафоне", "а зазоры между теплопроводящим профилем и цилиндрическим плафоном у их концов защищены торцевыми крышками от попадания в область световых элементов влаги."
Преимущество данного технического решения, в сравнении с известными  [2] и [3], в том, что оно обеспечивает теплоотдачу от внутренней поверхности теплопроводящего профиля по кратчайшему пути непосредственно в окружающую среду путем естественной конвекции охлаждающего воздуха, проходящего внутри светильника вдоль внутренней поверхности полого теплоотводящего профиля.
Недостаток данного решения заключается в том, что внешняя поверхности полого теплоотводящего профиля обращена в сторону цилиндрического  плафона, "а зазоры между теплопроводящим профилем и цилиндрическим плафоном у их концов защищены торцевыми крышками от попадания в область световых элементов влаги". При таком решении, теплоотдача светодиодов через внешнюю поверхность полого теплопроводящего профиля происходит намного менее эффективно, так как осуществляется по цепочке с большим тепловым сопротивлением: теплопроводящий профиль → воздух в плафоне → цилиндрический плафон → воздушная среда окружающая светильник.
В целом, теплоотдача известного устройства недостаточно эффективна. Для обеспечения необходимой теплоотдачи потребуется увеличение поверхности охлаждения теплоотводящего профиля, вследствие чего возрастут габаритные размеры, масса и стоимость устройства.
Наиболее близким по достигаемому техническому результату решением, принятым за прототип, является известный  "Светодиодный светильник с динамическим конвекционным охлаждением" по RU 124 361  U1, 06.09.2012  [5]. Светильник содержит, по меньшей мере, один пустотелый корпус из теплопроводящего материала, на наружной поверхности которого закреплен светодиодный источник света, подключенный к источнику питания, отличающийся тем, что корпус представляет собой отрезок полой трубы с открытыми концами. Корпус светильника выполнен из полой трубы с профилем в сечении в виде многоугольника: прямоугольника, квадрата, треугольника.
Достоинство данного решения в сравнении с перечисленными аналогами в том, что теплоотдача от теплопроводящего корпуса происходит по кратчайшему пути непосредственно в окружающую среду как от внутренней, так и от наружной поверхностей корпуса.
Недостатки известного прототипа заключаются в следующем:
.
- при использовании светильника для целей бокового освещения высокорослых сельскохозяйственных растений внутри куста, необходимая  длина корпуса светильника составляет 2-2,5 метра. При такой  длине корпуса из полой трубы его гидравлическое сопротивление движению воздушного потока, охлаждающему внутреннюю поверхность профиля, возрастет пропорционально его длине и будет являться фактором ограничивающим количество охлаждающего воздуха, проходящего в единицу времени внутри корпуса светильника Это приведет к снижению эффективности теплоотдачи от внутренней поверхности корпуса;
- в области внутренних углов поперечного сечения профиля в виде многоугольника, течение охлаждающего воздушного потока имеет малую скорость и носит ламинарный характер, что дополнительно снижает эффективность теплоотдачи от этой части внутренней поверхности профиля. Этот недостаток в наибольшей степени проявляется для полой трубы треугольного профиля.
Для обеспечения необходимой величины теплоотдачи потребуется увеличение поверхности охлаждения корпуса, при этом возрастут габаритные размеры, масса и стоимость устройства.
Известен способ бокового освещения высокорослой сельскохозяйственной культуры с использованием светильников аналогичного назначения моделей: Hortiled Inter (http://www.hortilux.com/products/hortiledr-inter, 24.07.2017г.) [6] , и UnionPowerStar-160W-M (http://union-ps.com/fitolampa-fitosvetilnik-dlya-teplic.php, http://vegmosreg.ru/upload/ medialibrary/34f/Миллер.pdf, 24.07.2017г.)[7].
Известный способ бокового освещения растений имеет следующие недостатки:
- используемые светильники - аналоги размещаются горизонтально внутри куста растений. Вследствие этого, эффективно освещаемая ими зона по высоте растения  не превышает 1-1,2 метра даже при подвеске светильников в два уровня по высоте;
- низкая равномерность освещенности создаваемой известными светильниками по высоте растения внутри куста; при этом растение в процессе роста пересекает зоны с резко различающейся освещенностью, что негативно сказывается на процессе его роста и плодоношения;
- размещение светильников по высоте в два уровня и более, расширяет по высоте зону равномерной освещенности растения, но одновременно ведет к значительному увеличению суммарной стоимости и массы осветительной установки и большей нагрузке на конструкцию теплицы.
Известен способ бокового освещения растений  с использованием "Светодиодного фитооблучателя" того же назначения (патент РФ 2454066, МПК A01G 9/20)[1], который подвешивается вертикально внутри куста растений. Достоинством способа является хорошая равномерность освещенности по высоте растений создаваемая известным светильником.
Недостатком данного способа освещения является низкая надежность известного светильника при использовании его в теплицах (повышенная влажность, испарения и т.д.), в первую очередь из-за наличия в его конструкции вентилятора.
Наиболее близким по достигаемому техническому результату решением, принятым за прототип, является известный способ бокового освещения высокорослой сельскохозяйственной культуры с использованием "Энергосберегающего светодиодного фитооблучателя" аналогичного назначения по RU 142791 U1, 10.07.2014 [4].
7
Преимущество данного способа, в сравнении с известными [6] и [], в том, что он обеспечивает равномерным освещением  все ярусы растения  и световой поток светильника используется  растением более рационально.
Общим недостатком известных способов – аналогов и прототипа является недостаточная величина светового потокабокового освещения высокорослой сельскохозяйственной культуры внутри куста растений, при использовании известных светодиодных светильников.
Раскрытие сущности изобретения.
Изобретение, относящееся к устройству, направлено на устранение вышеуказанных недостатков известных аналогов и прототипа, связанных с теплоотдачей от внутренней поверхности корпуса.
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание светодиодного светильника мощностью в несколько сотен ватт.
Техническим результатом заявляемого изобретения является:
- высокоэффективный теплоотвод от светодиодного модуля.Технический результат достигается благодаря тому, что в отличие от известного светодиодного светильника, который содержит корпус выполненный из полой трубы, либо из нескольких теплоотдающих профилей сплошного сечения скрепленных соединителями, при этом плоскости наружных поверхностей корпуса, на котором закреплен светодиодный источник света, образуют в поперечном сечении равносторонний  многоугольник, в заявленном изобретении имеются следующие отличия:
- предусмотрены воздушные зазоры между продольными краями близлежащих профилей, из которых выполнен корпус,
- ширина Б и В воздушных зазоров выполнена с соблюдением неравенства Б≤B, где:
Б - ширина воздушного зазора между продольными краями профилей у нижних торцов,B- ширина воздушного зазора между продольными краями профилей у верхних торцов,
Между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом (высокоэффективный теплоотвод от светодиодного модуля), существует причинно-следственная связь, а именно:
1. между продольными краями близлежащих профилей корпуса предусмотрены воздушные зазоры.
2. ширина Б и В воздушных зазоров выполнена с соблюдением неравенства Б≤B, где:Б - ширина воздушного зазора между продольными краями профилей у нижнего торца,B - ширина воздушного зазора между продольными краями профилей у верхнего торца.
Наличие боковых воздушных зазоров между продольными краями близлежащих профилей, при равной с прототипом охлаждающей поверхности корпуса, обеспечит:
- увеличение внутренней площади поперечного сечения корпуса в 1,5- 3,0 раза, в сравнении с корпусом прототипа, как результат параллельного перемещения отдельных продольных профилей в направлении от продольной оси корпуса при образовании боковых воздушных зазоров. Вследствие этого снизится гидравлическое сопротивление движению воздушного потока, охлаждающего внутреннюю поверхность профилей корпуса;
- возникновение внутри корпуса светильника, в дополнение к основному продольному воздушному потоку, боковых воздушных потоков проходящих из окружающей среды через боковые воздушные зазоры вдоль внутренней поверхности теплопроводящего профиля в направлении от его продольного края к его середине - в нижней части корпуса и в противоположном направлении - в верхней части корпуса;
- увеличение объёма охлаждающего воздуха проходящего в единицу времени через внутреннее  поперечное сечение корпуса;
- турбулентный характер движения воздушного потока, по всей площади внутреннего поперечного сечении корпуса, как  результат взаимодействия между продольным и боковыми воздушными  потоками.
3. При изменении удельной мощности светильника на единицу длины корпуса при равной теплоотдающей  поверхности, одинаковый технический результат (высоко эффективный теплоотвод) достигается различной шириной Б и В воздушных зазоров выполненной с соблюдением  неравенства Б≤B.
Совокупность существенных признаков, оказывает непосредственное положительное влияние на характер гидродинамики охлаждающего воздуха и увеличение теплоотдачи корпуса светильника  и, таким образом, обеспечивает достижение технического результата: высокоэффективную теплоотдачу от светодиодного модуля в окружающую среду.
Изобретение относящееся к заявляемому способу  направлено на устранение вышеуказанного недостатка известного способа,а именно - недостаточной величины светового потокабокового освещения высокорослой сельскохозяйственной культуры внутри куста растений при осуществлении способа с использованием известных светильников.
Технической задачей, решаемой заявляемым способом, является:
.
- повышение эффективности бокового освещения высокорослой сельскохозяйственной культуры внутри куста растений
Техническим результатом  заявляемого способа является:
- увеличение светового потока бокового освещения высокорослой сельскохозяйственной культуры внутри куста растений.
Технический результат достигается благодаря тому, что в отличие от известного способа освещения сельскохозяйственной культуры, с использованием известного светодиодного светильника, заявленный способ осуществляют, используя светодиодный светильник по предлагаемому изобретению.
Между существенным признаком заявляемого способа и достигаемым техническим результатом, существует причинно-следственная связь, а именно:
- используемый светодиодный светильник имеет мощность в несколько сотен ватт, что обеспечивает получение необходимого технического результата (увеличение светового потока бокового освещения высокорослой сельскохозяйственной культуры внутри куста растений).
По предлагаемому способу освещения сельскохозяйственной культуры  в теплице используют заявляемый светильник, который имеет следующие преимущества:
- конструктивно прост, надежен и имеет небольшую массу,
- создает высокую равномерность освещенности растения по высоте до 3-х метров,
- имеет высокоэффективный теплоотвод от светодиодного модуля,
- имеет достаточную мощность в несколько сотен ватт для эффективного бокового освещения растений.
Сущность группы изобретений поясняется графическими материалами, на которых приведена конструкция светильника с сечением корпуса в виде равностороннего треугольника - как частного случая многоугольника:
Фиг.1. Конструктивная схема светильника с корпусом треугольного сечения.
Фиг.2. Схема движения боковых воздушных потоков в поперечном сечении нижней части корпуса.
Фиг.3. Схема продольных и боковых воздушных потоков охлаждения внутри корпуса светильника.
Фиг.4. Схема иллюстрирующая увеличение площади поперечного сечения корпуса при образовании воздушных зазоров между продольными краями профилей.
Фиг.5. Схема КСС светильника в горизонтальной плоскости.
Светодиодный светильник (фиг.1) содержит теплопроводящий корпус, выполненный из отдельных продольных профилей 1 сплошного поперечного сечения, на наружной поверхности которого закреплены светодиодные источники света 2. Плоскости наружной поверхности продольных профилей 1 в поперечном сечении корпуса образуют многоугольник в виде равностороннего треугольника, как частного случая исполнения. Профили друг с другом скреплены соединителями 3 с образованием между продольными краями 4 близлежащих профилей 1 воздушных зазоров 5 ширина Б и В которых выполнена с соблюдением неравенства Б ≤ B, где:
Б - ширина воздушного зазора между продольными краями профилей у нижнего торца 6,
B - ширина воздушного зазора между продольными краями профилей у верхнего торца 7.
На фиг. 2 показаны поперечное сечение нижней части корпуса и светодиодный источник света 2, в виде светодиодной матрицы, защищенный линзой 8. В нижней части корпуса боковой воздушный поток 10 проходит из окружающей среды, через боковые воздушные зазоры 5 вдоль внутренней поверхности теплопроводящего профиля 1, в направлении от его продольного края 4 к его середине.
На фиг. 3 показано, что холодный продольный воздушный поток 9 поступает из окружающей среды внутрь корпуса со стороны его нижнего торца 6 и, одновременно, холодный боковой воздушный поток 10 поступает с трех сторон в нижнюю часть корпуса через боковой зазор 5 шириной Б между продольными краями 4 близлежащих профилей. Нагретый продольный воздушный поток 11 выходит из корпуса со стороны его верхнего торца 7 и, одновременно, нагретый боковой воздушный поток 12 выходит с трех сторон в верхней части корпуса через боковой зазор 5 шириной В между продольными краями 4 близлежащих профилей 1.
.
На фиг. 4 приведена схема иллюстрирующая увеличение внутренней площади поперечного сечения корпуса при образовании воздушных зазоров 5 шириной Б или В между продольными краями 4 профилей 1На схеме показаны:
- пунктиром – линии контура внутренней поверхности корпуса, выполненного в виде полой трубы треугольного сечения;
- сплошной линией – линии контура корпуса треугольного сечения по предлагаемому изобретению, выполненного из отдельных продольных профилей 1 сплошного поперечного сечения, скрепленных друг с другом соединителями 3;
-  "αпи" – расстояние на которое параллельно перемещена каждая линия контура внутренней поверхности корпуса  выполненного по предлагаемому изобретению, от линии контура внутренней поверхности корпуса выполненного в виде полой трубы треугольного сечения. При этом образуется воздушный зазор 5 шириной Б или В между продольными краями 4 профилей 1.
- На фиг. 5 показана расчетная кривая силы света (КСС) в радиальном направлении от продольной оси светодиодного светильника. Сила света вдоль оси светильника, то есть по его высоте, также достаточно равномерная, за исключением краевых зон у торцов светильника.
Осуществление изобретения.
Светодиодный светильник содержит теплопроводящий корпус, выполненный из отдельных продольных профилей 1 сплошного поперечного сечения, на наружной поверхности которого закреплены светодиодные источники света 2. Плоскости наружной поверхности продольных профилей 1в поперечном сечении корпуса образуют многоугольник. Профили 1 между собой скреплены соединителями 3 с образованием воздушных зазоров 5 между продольными краями 4 близлежащих профилей 1.
,
.
В различных исполнениях, корпус светильника может иметь поперечное сечение в видеравностороннего многоугольника: треугольника, квадратаромба Для целей бокового облучения внутри куста растений предпочтительна конструкция корпуса с поперечным сечением в виде равностороннего треугольника (фиг.1, фиг.2, фиг.3).
Процесс теплообмен теплопроводящего корпуса с поперечным сечением в виде многоугольника происходит непосредственно в окружающую среду как от внутренней, так и от его наружной поверхностей. И, если, теплоотдача от наружной поверхности корпуса происходит путем естественной конвекции в условиях неограниченного объёма, то теплоотдача от внутренней его поверхности происходит в условиях ограниченного объёма, и это негативно влияет на интенсивность процесса теплоотдачи  протекающего непосредственно у данной поверхности.
Предлагаемое изобретение направлено на устранение вышеуказанных недостатков аналогов и прототипа, связанных с теплоотдачей от внутренней поверхности корпуса. Поэтому сравним условия теплоотдачи только от внутренних поверхностей известного корпуса в виде полой треугольной трубы и треугольного корпуса по предлагаемому изобретению.
Главное влияние на интенсивность теплоотдачи, при прочих равных условиях, оказывают скорость и режим течения охлаждающего воздуха, ограничиваемые в первую очередь величиной гидравлического сопротивления корпуса. При одинаковой длине корпуса, величина его гидравлического сопротивления в первом приближении обратно пропорциональна площади его внутреннего поперечного сечения.
Предлагаемое изобретение снижает гидравлическое сопротивление корпуса без увеличения его теплоотдающей поверхности, путем увеличения внутренней площади поперечного сечения корпуса в 1,5-3,0 раза. Это достигается в результате параллельного перемещения в направлении от продольной оси корпуса каждого из отдельных продольных профилей 1, что приводит к образованию воздушных зазоров 5 между продольными краями 4 близлежащих профилей 1.
Путем расчета сравним внутренние площади поперечного сечения корпусов, равновеликих по величине поверхности охлаждения:
-  корпуса в виде полой треугольной трубы у прототипа,
-  треугольного корпуса из отдельных продольных профилей сплошного поперечного сечения с воздушными зазорами по предлагаемому изобретению.
=
=
=
Для расчета в качестве базового, примем корпус в виде треугольной полой трубы с величиной внутренней стороны Апр 8 см. При одинаковой поверхности охлаждения обоих корпусов, ширина отдельного продольного профиля по предлагаемому изобретению Апи Апр8 см. Тогда, внутренние площади поперечного сечения корпусов:
=
=
2
2
2
- из полой треугольной трубы Sпр  Апр ⋅  8⋅  = 27,7 см(примем за 100%)
=
+
+
- по предлагаемому изобретению Sпи  Sпр  3 ⋅ Апи ⋅ αпи  3 ⋅  ⋅ где:
=
α- пи   - расстояние на которое необходимо параллельно переместить плоскость каждого из отдельных продольных профилей 1 корпуса выполненного по предлагаемому изобретению, от плоскости корпуса выполненного из полой треугольной трубы, для образования воздушного зазора 5 шириной Б или В между продольными краями 4 близлежащих профилей 1.
=
=
2
Принимая Б  1,0 см, после упрощения формулы получаем: Sпи  42,0 см(150%),
=
=
2
для Б  2,0 см, получаем:  Sпи  57,15 см (200%),
=
=
2
для В  3,5 см, получаем: Sпи  81,51 см (294%).
=
Вывод: образование воздушных зазоров 5 шириной Б  2,0 см между продольными краями 4 близлежащих профилей 1, увеличивает в 2 раза внутреннюю площадь поперечного сечения у нижнего торца профилей корпуса и, тем самым, снижает его гидравлическое сопротивление без увеличения поверхности охлаждения, а значит и без увеличения массы корпуса.
С увеличением удельной мощности светильника на единицу длины корпуса, при равной величине теплоотдающей поверхности, необходимо увеличить ширину Б и В воздушных зазоров  с соблюдением неравенства  Б≤B. В результате возрастет теплоотдача от внутренней  поверхности корпуса и, тем самым в различных исполнениях корпуса. При этом, обеспечение высокой эффективности его теплоотдачи достигается выбором различной ширины воздушного зазора 5, в зависимости от удельной мощности Руд светильника на один метр его длины, например:
=
в диапазоне до 80 Вт/м предпочтительная ширина Б  В,
<
в диапазоне свыше 80 Вт/м предпочтительная ширина БВ.
Предлагаемый светодиодный светильник при использовании для бокового освещения внутри куста высокорослых сельскохозяйственных растений, за счет высокоэффективной теплоотдачи от светодиодного модуля, имеет следующее преимущества:
- меньшую удельную массу и стоимость,
- мощность в несколько сотен ватт обеспечивает высокую степень освещенности при боковом освещении растений,
- температура корпуса светильника превышает температуру окружающей среды в теплице не более чем на 15-18°С, что обеспечивает растениям внутри куста комфортные условия роста при боковом освещении.
Кроме того, светодиодный светильник конструктивно прост и потому надежен при эксплуатации в условиях сооружений защищенного грунта.
Предлагаемый светодиодный светильник может быть изготовлен в широком диапазоне мощностей от 50 до 320 ватт и длиной от 400 до 2500 мм.