СИСТЕМА ОБЛУЧЕНИЯ РАСТЕНИЙ В ТЕПЛИЦЕ
IRRADIATION SYSTEM OF PLANTS IN A GREENHOUSE

Изобретение относится к области сельского хозяйства, к светокультуре, к стационарным осветительным устройствам или системам с использованием расположенных в ряд источников, к электрическим источникам света, в которых используется сочетание различных видов генерирования излучения, к источникам света, использующих светодиоды в качестве генерирующих свет элементов.
Основным источником естественного излучения, необходимого для жизни растений, является Солнце. Спектр его излучения характеризуется практически равномерной полосой в интервале длин волн 300…1000 нм, оказывающих наибольшее воздействие на рост и развитие растений. В этом интервале выделяют более узкие диапазоны, действие излучения которых на растение весьма различно. Это синий (400…500 нм), зеленый (500…600 нм), красный (600…700 нм). Излучение диапазона 400…700 нм называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР) в силу его наибольшей важности для обеспечения роста и развития растений. Так же большое влияние на растения оказывает излучение дальнекрасного диапазона 700…800 нм.
При выращивании растений в искусственных условиях (теплицах, сити-фермах и т.д.), в ряде районов планеты и в определенные периоды года уровня облученности, создаваемой солнечным светом, недостаточно для полного раскрытия продукционного потенциала растений. В этом случае выращивание растений производят с использованием искусственных источников света с различным спектром излучения. Как правило, используемые источники света являются частью облучательной установки или системы облучения растений в теплице, другими составляющими которой являются источники электрического питания, коммутирующая и управляющая аппаратура, электрические кабели и разьемы, несущие конструкции и крепежные детали, отражатели и другие элементы.
Из уровня техники известна облучательная установка, выполненная на натриевых лампах [Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б. Айзенберга, 3-е изд., М., 2008. - 952 с]. В соответствии с расчетом для достижения заданного уровня облученности растений лампы размещают в теплице рядами, с определенным количеством ламп в ряду на определенной высоте. При всех своих достоинствах (дешевизна, высокая единичная мощность и светоотдача) натриевые лампы обладают существенным недостатком. Максимум энергии излучается в конце зеленого - начале красного диапазона, при недостатке потока в синем и дальнекрасном диапазонах, что обьясняется физикой процессов, происходящих в газовом разряде лампы. Соответственно, изменением конструктива установки или внешним управлением существенно изменить спектр излучения натриевой лампы невозможно.
Современные светодиодные (СД) источники света позволяют обеспечить практически любой спектр суммарного излучения за счет подбора типов входящих в светильник светодиодов и регулировкой режима их питания.
Известна облучательная установка, выполненная из светильников, содержащих набор СД с различными спектрами и различной мощности. Использованы СД 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 СД отдельных типов [Кульчин Ю.Н. и др. Светильник. Пат. РФ №2692648. Заявка: 2017141519, 28.11.2017. Опубл. 25.06.2019 Бюл. №18].
Известна облучательная установка, предназначенная для выращивания томата, выполненная из светильников, содержащих набор СД с различными спектрами излучения. Использованы СД типов синий (434…450 нм), красный (630…632 нм), красный (660…670 нм), дальне-красный (730…735 нм) и белый (максимум переизлучения в диапазоне 500…600 нм). В результате суммарный о спектра излучения составляет синий 15…20%, зеленый 15…20%, красный 50…55%, дальне-красный 10…15% [Смирнов А.А. Светодиодный фитооблучатель для выращивания томата. Пат. РФ №269581. Заявка: 2018122109, 18.06.2018. Опубл. 30.07.2019 Бюл. №22].
Общим недостатком облучательных установок на СД является их большая стоимость, материалоемкость радиатора, вес светильника. Рациональным подходом является использование комбинированных установок, в которых основной поток излучения генерируется относительно дешевыми натриевыми лампами, а недостаток получаемого спектра корректируется с помощью СД.
Известен комбинированный осветитель, содержащий в одном корпусе натриевую лампу и СД, спектр излучения которых дополняет излучение натриевой лампы на необходимых длинах волн в диапазоне 400…700 нм [Репин Ю.В. Комбинированный осветитель. Пат. РФ №2516001. Заявка: 2012126133/07, 25.06.2012. Опубл. 20.05.2014 Бюл. №14].
Недостатки данного технического решения проистекают от объединения в одном корпусе двух типов источников света. Это необходимость замены всех облучателей при реконструкции системы облучения и сложность обеспечения теплового режима СД при наличии близко расположенных натриевых ламп Кроме того, не предусмотрена коррекция потока в дальнекрасном диапазоне.
Известна система освещения растений, включающая натриевые лампы и дополнительные СД источники, излучающие в синем спектральном диапазоне 400…510 нм (предпочтительно 420…490 нм). При этом долю красного излучения в суммарном потоке регулируют мощностью натриевых ламп, а в синем - СД источников [Рудой И.Г. Система и способ освещения выращиваемых растений. Заявка: 2018106100, 19.02.2018. Дата публикации заявки: 19.08.2019 Бюл. №23].
Недостаток данного технического решения - сложность системы регулирования мощности натриевых ламп, отсутствие в суммарном потоке дальне-красного излучения.
Наиболее близким техническим решением является система освещения растений, включающая источник дополнительного света (натриевую лампу), отдельный источник синего света с максимумом излучения в диапазоне 400…500 нм, доля потока которого регулируется в диапазоне 5…27% (наиболее предпочтительно 15…16%), отдельный источник дальне-красного света с максимумом излучения в диапазоне 700…800 нм, доля потока которого регулируется в диапазоне 4…36% (наиболее предпочтительно 10…11%) [Крейн М. Системы и способы освещения растений. Заявка: 2017137737, 31.03.2016. Дата публикации заявки: 30.04.2019. Бюл. №13].
Недостаток - СД источники с различным спектром, дополняющим излучения натриевой лампы, выполнены в виде отдельных излучателей. Для обеспечения возможности регулирования двух отдельных СД источников необходимы две отдельные системы управления, что удорожает систему и снижает эффективность светокультуры в целом.
Задача изобретения - повышение эффективности светокультуры и качества получаемой продукции за счет обеспечения требуемого спектрального состава системы облучения растений.
Технический результат - оптимизация спектра излучения и конструктивного исполнения дополнительных источников света, повышение равномерности светового поля в теплице, снижение материалоемкости системы облучения, повышение удобства ее эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что система облучения растений в теплице содержит в качестве основных источников света натриевые лампы, содержит в качестве дополнительных источников света светодиодные светильники, светодиодные светильники содержат несколько типов светодиодов, максимумы излучения которых лежат в пределах синего 400…500 нм и дальнекрасного 700…800 нм спектральных диапазонов, пики излучения синих светодиодов приходятся на длины волн 440…460 нм и 480…490 нм, количество основных источников света в теплице равно количеству дополнительных, основные и дополнительные источники света размещены по площади теплицы равномерно, основные и дополнительные источники света размещены на одинаковой высоте, конструктивно комбинация двух типов светодиодов смонтирована на одном светильнике, доля потока излучения светодиодов каждого светильника в диапазонах составляет 13…19% в синем и 7…12% в дальнекрасном от потока натриевой лампы, излучаемые светодиодами потоки фокусируются линзами с углом 85…95 градусов, использованы светодиодные источники нижнего освещения с теми же спектральными характеристиками, что и источники верхнего освещения, получающие электрическое питание от общего группового драйвера, расположенного вне ценоза.
Новые существенные признаки: пики излучения синих светодиодов приходятся на длины волн 440…460 нм и 480…490 нм, количество основных источников света в теплице равно количеству дополнительных, основные и дополнительные источники света размещены по площади теплицы равномерно, основные и дополнительные источники света размещены на одинаковой высоте, конструктивно комбинация двух типов светодиодов смонтирована на одном светильнике, доля потока излучения светодиодов каждого светильника в диапазонах составляет 13…19% в синем и 7…12% в дальнекрасном от потока натриевой лампы, излучаемые светодиодами потоки фокусируются линзами с углом 85…95 градусов, использованы светодиодные источники нижнего освещения с теми же спектральными характеристиками, что и источники верхнего освещения, получающие электрическое питание от общего группового драйвера, расположенного вне ценоза.
Перечисленные новые существенные признаки позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат обеспечивается тем, что количество основных источников света в теплице равно количеству дополнительных, что определяет выбор оптимальной мощности дополнительных источников света в соответствии с мощностью применяемых основных источников света и в совокупности с другими признаками обеспечивающей повышение равномерности светового поля в теплице, основные и дополнительные источники света размещены по площади теплицы равномерно, что в совокупности с другими признаками обеспечивает повышение равномерности светового поля в теплице, основные и дополнительные источники света размещены на одинаковой высоте, что повышает удобство в эксплуатации системы и в совокупности с другими признаками обеспечивает повышение равномерности светового поля в теплице, конструктивно комбинация всех типов светодиодов смонтирована на одном светильнике, что задает параметры конструктивного исполнения дополнительных источников, определяющие снижение материалоемкости системы облучения, доля потока излучения светодиодов каждого светильника в диапазонах составляет 13…19% в синем и 7…12% в дальнекрасном от потока натриевой лампы, что задает параметры конструктивного исполнения дополнительных источников света, а именно, количества отдельных СД кристаллов каждого типа на одном дополнительном источнике света, определяющих оптимальный спектр излучения, излучаемые светодиодами потоки фокусируются линзами с углом 85…95 градусов, что задает параметры конструктивного исполнения дополнительных источников света, а именно, тип применяемой линзы, что в совокупности с другими признаками обеспечивает повышение равномерность светового поля в теплице.
Возможность использования предлагаемого устройства в сельском хозяйстве, известность возможности реализации его составных частей и устройства в целом в описанном виде позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость».
Анализ уровня техники не выявил техническое решение того же назначения, что и предлагаемое устройство, которому присущи все приведенные в независимом пункте формулы существенные признаки, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
Сущность изобретения не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлена известность влияния признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, на основной технический результат. В изобретении используется неизвестное ранее, найденное в экспериментальных исследованиях соотношения потоков СД отдельных типов. Предлагаемое изобретение соответствует условию изобретательского уровня, т.к. основано на дополнении известного технического решения (использования комбинированного облучения) новыми, полученными авторами знаниями, при этом достигается неожиданный технический результат, обусловленный взаимосвязью дополнительных и известных признаков.
На фиг. 1 показаны спектры излучения: 1 - основных источников света, 2 - дополнительных источников света, 3 - совместного излучения.
На фиг. 2 показан фрагмент размещения системы облучения растений в теплице: 4 - теплица, 5 - основные источники света, 6 - дополнительные источники света, 7 - электрические линии.
В основе изобретения лежат следующие положения.
Энергия потока оптического излучения в области ФАР является основой обеспечения процессов фотосинтеза и получения полезной продукции в светокультуре и оказывает большое влияние на рост, развитие и физиологию растений. В целях обеспечения максимальной продуктивности выращиваемых растений при минимуме энергетических затрат применяют дополнительное облучение от искусственных источников света.
В настоящее время в светокультуре широко применяют натриевые лампы высокого давления. Их преимущества - дешевизна, высокая единичная мощность и светоотдача.
Спектр излучения натриевой лампы в видимой области состоит из самообращенных и сильно уширенных D-линий натрия (589,0 и 589,6 нм). При этом в желто-оранжевой области спектра (560-610 нм) сосредоточено 70% видимого излучения. При этом наблюдается недостаток излучения в синем и дальне-красном диапазонах. Светодиодные системы оптического излучения бесспорно являются гибкими с точки зрения формирования полезного растениям спектрального состава излучения, но при достижении сравнимых показателей интенсивности с облучательной установкой на натриевых светильниках становятся дороги и экономически не оправданы.
В этой связи, ключем к достижению наилучшей доступной технологии светокультуры (по критерию энергоэффективности и экологичности) является симбиоз облучателей на натриевых лампах, которые призваны сформировать необходимую интенсивность оптического излучения и дополнительных светодиодных облучателей, корректирующих спектральный состав и сглаживающих процесс деградации натриевой лампы.
Таким образом, при сравнительно небольших затратах на модернизацию существующих систем облучения растений в теплицах может быть получена максимально эффективная система облучения.
Работа системы осуществляется следующим образом.
Из агрономических требований для вида и сорта выращиваемых растений назначают необходимый уровень облученности в теплице. Компонуют систему облучения растений, которая содержит в качестве основных источников света натриевые лампы, а в качестве дополнительных источников света светодиодные светильники. Натриевые лампы как более мощный световой прибор создают основной поток оптического излучения. Для коррекции спектра натриевых ламп используют дополнительные светодиодные светильники, содержащие два типа светодиодов, максимумы излучения которых лежат в пределах синего 400…500 нм и дальнекрасного 700…800 нм спектральных диапазонов. За счет равенства количеств основных и дополнительных источников света в теплице, а так же размещения их на одной высоте равномерно по теплице создается высокая равномерность светового поля. Дополнительные светильники, излучая 13…19% в синем и 7…12% в дальнекрасном доли потока натриевой лампы, обеспечивают оптимизацию спектрального состава общего излучения. Излучаемый поток фокусируется в пространстве линзами с углом 85…95 градусов. Применение системы в теплице приводит к повышению эффективности светокультуры и качества получаемой продукции.
Пример 1. Проанализирован спектр излучения и спектральные соотношения различных типов натриевых ламп (таблица 1).
B
G
FR
R
B
R
FR
Выявлено, что поток излучения различных типов натриевых ламп характеризуется малой долей энергии в синей области спектра k, очень большой доле в зеленой k и недостаточной в дальнекрасной k. Соотношение k:k, которое при оптимальном спектре дожно быть близко к 1,7, составляет от 5,2 до 8,3 (в среднем 6,2). Соотношение k:k, которое должно быть порядка 2, составляет от 3,3 до 4,4 (в среднем k=3,8), т.е. имеет место недостаток потока в области дальнекрасного. Коррекцию спектра производилась добавлением потока от СД, излучающих в этих диапазонах.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
R
FR
R
B
Расчет проведен для лампы ДНат400, фотонный поток которой составляет 283 мкмоль⋅с. При этом поток в диапазонах в абсолютных значениях составляет: синем - 17,0, зеленом 131,3, красном - 106,7 и дальнекрасном - 27,9 мкмоль⋅с соответственно. С учетом оптимального соотношения k:k=2 в абсолютных значениях в дальнекрасном диапазоне необходимо иметь поток 106,7/2=53,3 мкмоль с. С учетом уже имеющегося потока необходимая добавка дальнекрасного составляет 53,3-27,9=25,4 мкмоль⋅с или 25,4/283=9,0% (с учетом статистического разброса принято 7…12%) от потока натриевой лампы. Для достижения соотношения k:k=1,7 в синем диапазоне необходимо иметь 106,7/1,7=62,8 мкмоль⋅с. С учетом уже имеющегося потока необходимая добавка синего составляет 62,8-17,0=45,8 мкмоль⋅с или 45,8/283=16,2% (с учетом статистического разброса принято 13…19%) от потока натриевой лампы.
-1
B
FR
Общий требуемый поток светодиодной матрицы составит 45,8+25,4=71,2 мкмоль⋅с при соотношении k:k=1,8. В соответствии с данными требованиями были изготовлены светодиодные матрицы по технологии СОВ (chip on board). На основе матрицы изготовлены дополнительные источники света.
Пример 2. Экспериментальный образец системы облучения испытывали в лаборатории энергоэкологии светокультуры Института агроинженерных и экологических проблем (филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ). Экспериментальная установка состояла из двух основных источников света (натриевых ламп 400 Вт) и двух дополнительных источников, расположенных по сторонам квадратной рамы с размерами 0,5×0,5 м. Контрольная установка была выполнена только на натриевых лампах. Высота подвеса рам над облучаемой поверхностью составляла 1,2 м. В качестве дополнительных источников использовали светодиодные светильники, на базе светодиодной матрицы, выполненной по технологии СОВ, на которой в найденном соотношении присутствуют кристаллы, излучающие в необходимых спектральных диапазонах. Матрица на теплопроводящей пасте прикреплена к радиатору и закрыта линзой с углом рассеивания 90 градусов. Сверху радиатора на проставках крепится блок питания типа HBG-100-24.
С учетом спектрального состава и интенсивности излучения натриевой лампы ДНаЗ-400 был рассчитан необходимый спектральный состав матрицы, который гарантирует исправление несоответствия спектра натриевой лампы под требования светокультуры.
На фиг. 1 показан спектр натриевых ламп системы облучения (кривая 1), спектр дополнительных источников (кривая 2), спектр суммарного действия (кривая 3).
Испытания проводили для рассады томата сорта Благовест F1. В таблице 2 показаны биометрические показатели рассада на 39 день после появления всходов под контрольной и экспериментальной установкой.
Лабораторное использование фрагмента системы облучения показало улучшение биометрических параметров рассады томата: увеличение количества листьев (на 7,1%), рассада получается более крепкой и коренастой (ее высота меньше на 20%), значительное увеличение содержание хлорофилла в листьях, сырой массы листьев (на 2,8%) и содержания сухого вещества (на 10,5%).
Пример 3.
Промышленный образец системы облучения испытывали в блоке теплиц Межвиди (Латвия). Контролем являлась традиционная система облучения, выполненная на натриевых лампах. Испытываемая система облучения (фиг. 2) размещалась в секции теплицы 4, состояла из рядов основных источников света 5 и дополнительных источников света 6, подключенных к электрическим линиям 7.
Результаты промышленной эксплуатации показали большую стабильность развития и продуктивность растений томата, выращиваемой под экспериментальной установкой по сравнению с традиционной системой облучения.