Система светодиодного освещения теплиц
LED LIGHTING SYSTEM FOR GREENHOUSES

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано в тепличных хозяйствах для электрического досвечивания растений в процессе выращивания овощей, цветов, фруктов, зелени и другой сельскохозяйственной продукции.
Известна светодиодная система освещения растений на основе красных, синих, зеленых и ультрафиолетовых светодиодов, и блока управления с отдельными выходами регулирования уровня излучения светодиодов каждого спектра отдельно в зависимости от этапа развития и вида растений содержит светодиоды белого спектра. В другом варианте система освещения растений на основе светодиодов и блока управления уровнем освещенности и выдержки в зависимости от этапа развития и вида растений содержит светодиоды белого спектра и дополнительные ультрафиолетовые светодиоды, в котором мощность излучения ультрафиолетовых светодиодов составляет 5…15% от белых, при чем белые и ультрафиолетовые светодиоды работают или одновременно или поочередно, с разными промежутками времени. В другом варианте светодиодная система освещения растений на основе светодиодов и блока управления уровнем освещенности и выдержки в зависимости от этапа развития и вида растений система в качестве источника света содержит светодиоды белого спектра, [патент РФ №107020, МПК A01G 9/00, «Светодиодная система освещения растений (варианты)», опубл. 10.08.2011 г., Бюл. №22]
Известно устройство светодиодного облучателя для растений защищенного грунта [патент РФ №2454066, МПК A01G 9/20, «Светодиодный фитооблучатель», опубл. 27.06.2012 г., бюл. №18], выбранное в качестве прототипа, в котором светодиодный фитооблучатель содержит платы со световыми элементами, состоящими из групп светодиодов с различными спектрами излучения, вентилятор и систему управления с коммутатором групп светодиодов, датчиком освещенности и датчиком-спектрометром. Платы со световыми элементами имеют форму полуцилиндров и изготовлены из гибкого материала. Ряды светодиодов находятся с наружной стороны плат, монтажные провода располагаются с внутренней стороны. Платы размещены в прозрачном цилиндрическом плафоне, для их охлаждения применяется вентилятор, который находится в верхней части плафона и направляет воздушный поток вдоль плат. Фитооблучатель подвешивается с помощью троса, длина которого регулируется электроприводом.
Система управления фитооблучателем реализована на основе промышленного компьютера.
Принцип действия фитооблучателя заключается в следующем. В промышленный компьютер поступает информация от датчика освещенности и датчика-спектрометра. Промышленный компьютер на основе полученных данных в соответствии с рабочей программой формирует управляющее воздействие, поступающее на коммутатор групп светодиодов.
Недостатками известных систем светодиодного освещения теплиц являются:
1. Спектр излучения фитооблучателя формируется из соображений обеспечения только оптимального фотосинтеза. В растениях протекают и другие важные процессы жизнедеятельности, например, синтез хлорофилла и фотоморфогенез. Данные процессы также необходимо учитывать при формировании спектрального состава и интенсивности излучения фитооблучателя.
2. Регулирование интенсивности и спектрального состава излучения облучателя осуществляется путем включения и выключения групп светодиодов с помощью коммутатора, который является элементом ненадежности.
3. Применение коммутатора для переключения групп светодиодов позволяет регулировать интенсивность и спектральный состав излучения только ступенчато.
4. Вентилятор, применяемый для охлаждения светодиодов, является элементом ненадежности и существенно ограничивает срок эксплуатации фитооблучателя.
5. Необходимость применения вентилятора в облучателе обусловлена наличием неметаллического корпуса, выполненного из акрила, который затрудняет теплообмен между светодиодами и окружающей средой.
6. Применение дорогостоящего датчика-спектрометра для контроля спектра излучения существенно повышает стоимость фитооблучателя.
7. Вертикальное расположение фитооблучателя относительно грунта приводит к увеличению общего количества устройств, обеспечивающих освещение заданного участка площади теплицы.
Технический результат заключается в обеспечении плавного регулирования интенсивности и спектрального состава излучения фитооблучателя и формировании оптимальной световой среды для тепличных растений с учетом их видовых особенностей, фазы онтогенеза и условий естественного освещения, что способствует повышению энергоэффективности и надежности системы освещения, росту урожайности и качества продукции, сокращению сроков ее получения.
Технический результат достигается тем, что в системе светодиодного освещения теплиц, состоящей из светодиодного фитооблучателя и блока управления интенсивностью и спектральным составом излучения, фитооблучатель выполнен из двух групп светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой группы светодиодов, а блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения выполнен из компьютера, платформы сбора данных и управления, аналого-цифрового преобразователя, цифро-аналогового преобразователя, датчика освещенности и датчика спектра, при этом датчик освещенности, вход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, выход датчика спектра соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу платформы сбора данных и управления, соединенной первым выходом с входом компьютера, выход которого подключен ко второму входу платформы сбора данных и управления, соединенной вторым выходом с цифро-аналоговым преобразователем, первый выход которого соединен с входом первого управляемого драйвера, подключенного выходом к входу первой группы светодиодов, второй выход цифро-аналогового преобразователя соединен с входом второго управляемого драйвера, соединенного выходом со второй группой светодиодов, причем светодиодный фитооблучатель, выполненный из двух групп светодиодов, одна из которых выполнена из красных, синих и ультрафиолетовых светодиодов, другая - только из красных светодиодов, при этом каждая группа светодиодов фитооблучателя подключена, соответственно, к отдельному регулируемому драйверу, которые реализованы на базе управляемого источника тока.
В светодиодном фитооблучателе светодиоды расположены по боковым сторонам фитооблучателя с горизонтальной ориентацией относительно поверхности грунта для эффективного использования световой энергии при организации межрядного досвечивания растений, при этом корпус фитооблучателя выполнен в виде металлического радиатора.
В светодиодном фитооблучателе внутри отдельной группы светодиоды могут быть соединены как последовательно-параллельно, так и последовательно.
Отличительным признаком предлагаемой системы светодиодного освещения теплиц является выполнение фитооблучателя из двух групп светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой группы светодиодов, одна из которых выполнена из красных, синих и ультрафиолетовых светодиодов, другая - только из красных светодиодов, а также выполнение блока управления интенсивностью и спектральным составом излучения фитооблучателя.
Совокупность признаков заявляемой системы светодиодного освещения теплиц на основе светодиодных фитооблучателей с регулируемым спектром излучения 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 иллюстрируется чертежами, где на:
- фиг. 1 - блок - схема системы светодиодного освещения теплиц:
- фиг. 2 - спектры излучения, обеспечивающие протекание различных процессов жизнедеятельности растений;
- фиг. 3а) - последовательно - параллельное соединение светодиодов в фитооблучателе;
- фит. 3б) - последовательное соединение светодиодов в фитооблучателе;
- фиг. 4 - спектры излучения фитооблучателя на разных этапах развития растения;
- фиг. 5 -общий вид корпуса-радиатора фитооблучателя
Система светодиодного освещения теплиц представлена на фиг. 1, которая состоит из светодиодного фитооблучателя с регулируемым спектром излучения 1 и системы управления интенсивностью и спектральным составом излучения 2.
Светодиодный фитооблучатель содержит две группы светодиодов 3, 4, в группе 3 присутствуют красные, синие и ультрафиолетовые светодиоды, а в группе 4 - только красные светодиоды.
Каждая группа светодиодов 3, 4 фитооблучателя питается от отдельного регулируемого драйвера, соответственно, 5 и 6, реализованного на базе управляемого источника тока. Блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения 2 состоит из компьютера 7, платформы сбора данных и управления 8, цифро-аналогового преобразователя 9, аналого-цифрового преобразователя 10, датчика спектра 11 и датчика освещенности 12.
В блоке управления интенсивностью и спектральным составом излучения 2 вход датчика освещенности 11 соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя 10, выход датчика спектра 12 соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя 10, выход которого подключен к первому входу платформы сбора данных и управления 8, соединенной первым выходом с входом компьютера 7, выход которого подключен ко второму входу платформы сбора данных и управления 8, соединенной вторым выходом с цифро-аналоговым преобразователем 9, первый выход которого соединен с входом первого управляемого драйвера 5, подключенного выходом ко входу первой группы светодиодов 3, второй выход цифро-аналогового преобразователя 9 соединен с входом второго управляемого драйвера 6, соединенного выходом с второй группой светодиодов 4, причем фитооблучатель содержит две группы светодиодов, в одной группе 3 присутствуют красные, синие и ультрафиолетовые светодиоды, в другой группе 4 только красные светодиоды.
Регулируемые драйверы 5 и 6 питания светодиодов 3, 4 и блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения 2, в который входит компьютер 7, платформа сбора данных и управления 8, аналого-цифровой преобразователь 9, цифро-аналоговой преобразователь 10, датчик освещенности 11 и датчика спектра 12, в отличие от прототипа спектр излучения фитооблучателя формируется из соображений обеспечения оптимального протекания процессов фотосинтеза, синтеза хлорофилла и фотоморфогенеза.
Каждая группа светодиодов 3 и 4 питается от отдельного регулируемого драйвера 5 и 6, светодиоды расположены по боковым сторонам корпуса фитооблучателя, охлаждение светодиодов осуществляется с помощью металлического корпуса - радиатора (фиг. 5).
Блок управления может быть реализован как на базе промышленного компьютера, так и на базе персонального компьютера.
Для оценки соотношения интенсивности излучения в красной и синей областях спектра может быть применен как спектрометр, так и система двух фотодатчиков со светофильтрами, при этом фитооблучатель располагается горизонтально относительно поверхности грунта.
Обеспечение оптимального протекания процессов фотосинтеза, синтеза хлорофилла и фотоморфогенеза позволяет повысить урожайность и качество продукции, сократить срок ее получения.
Разделение светодиодов на две группы 3 и 4, в одной из которых присутствуют красные, синие и ультрафиолетовые светодиоды, в другой - только красные светодиоды, и применение управляемых драйверов 5 и 6 для питания групп светодиодов обеспечивает плавное регулирование спектрального состава и интенсивности излучения фитооблучателя в пределах от 0 до 100%, что позволило повысить энергоэффективность и надежность системы освещения и формирования оптимальной световой среды для растений с учетом их видовых особенностей, фазы онтогенеза и создать условия естественного освещения.
Расположение светодиодов по боковым сторонам корпуса фитооблучателя и его горизонтальная ориентация относительно поверхности грунта способствуют наиболее эффективному использованию световой энергии при организации межрядного досвечивания растений.
Охлаждение фитооблучателя осуществляется с помощью металлического корпуса-радиатора, что обеспечивает оптимальный тепловой режим работы светодиодов, необходимую степень защиты и повышает надежность системы освещения.
Применение персонального компьютера для управления процессом освещения позволяет сделать систему освещения более многофункциональной, универсальной и ориентированной на пользователя.
С целью обеспечения заданного соотношения интенсивности излучения в красной и синей областях спектра с учетом видовых особенностей растений, фазы онтогенеза и условий естественного освещения в блоке управления предусмотрен датчик спектра 12. Поскольку требуется получить только информацию о соотношении значений интенсивности излучения в красной и синей областях спектра, и не требуется знать полный спектр излучения облучателя. В случаях, когда для тепличного хозяйства важно контролировать полный спектр излучения в теплице может быть использован спектрометр.
Компьютер задает алгоритм управления и обеспечивает процесс взаимодействия с пользователем. Платформа сбора данных и управления предназначена для обеспечения взаимодействия компьютера и реальных физических объектов: фитосветильников и датчиков.
Поскольку компьютер может быть существенно удален от объекта управления, то платформа сбора данных и управления реализует организацию удаленной связи в соответствии с одной из применяемых в настоящее время технологий передачи данных (Ethernet, Wi-Fi и т.д.). Аналоговый сигнал с датчиков освещенности и спектра, содержащий информацию о величине освещенности в теплице, интенсивности и спектральном составе излучения, преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя в цифровую форму и поступает на платформу сбора данных и управления, откуда передается на компьютер. Компьютер в соответствии с рабочей программой, реализующей заданный алгоритм управления, принимает решение о формировании управляющих воздействий для каждой группы светодиодов, с целью поддержания заданных значений освещенности в теплице, интенсивности и спектрального состава излучения. Управляющие воздействия в цифровом виде передается от компьютера на платформу сбора данных и управления, с которой сигналы поступают на входы цифро-аналогового преобразователя, где преобразуется в аналоговую форму.
С выходов цифро-аналогового преобразователя аналоговые сигналы подается на управляющий вход регулируемых драйверов, которые изменяют значения тока, протекающего через светодиоды данной группы, что приводит к корректировке величин освещенности в теплице, интенсивности и спектрального состава излучения.
В фитооблучателе применяются красные, синие и ультрафиолетовые светодиоды, поскольку растения наиболее восприимчивы к синему, оранжевому и красному диапазонам светового спектра, так как при воздействии волн этой длины процессы фотосинтеза, синтеза хлорофилла и фотоморфогенеза происходят наиболее интенсивно (фиг. 2). Пики восприятия - 445 нм и 660 нм. Зеленую и желтую части спектра растения практически не поглощают.Подобные облучатели получили название «double реак», поскольку в спектре их излучения наблюдается два ярко выраженных пика спектральной плотности интенсивности излучения.
Внутри отдельной группы светодиоды могут быть соединены как последовательно-параллельно (фиг. 3а), так и последовательно (фиг. 3б).
Параллельное соединение используется для формирования режимов освещения отдельных видов растений, в которых требуется обеспечить высокие значения светового потока и интенсивности излучения фитооблучателя, поскольку в данном случае применяется более мощный драйвер питания и увеличивается количество светодиодов в группе.
Последовательное соединение светодиодов возможно в случаях досвечивания менее светолюбивых растений, когда к значениям светового потока и интенсивности излучения фитооблучателя не предъявляется высоких требований.
Применение управляемых драйверов для питания групп светодиодов обеспечивает плавное регулирование спектрального состава и интенсивности излучения фитооблучателя в пределах от 0 до 100%. Управление работой драйвера осуществляется с помощью аналогового сигнала, поступающего из блока управления.
Разделение светодиодов на две группы с раздельным питанием предложено с целью формирования оптимальной световой среды для тепличных растений, с учетом их видовых особенностей, фазы онтогенеза и условий естественного освещения, повышения энергоэффективности и надежности системы освещения. На фиг. 4 изображены спектры излучения, обеспечивающие наиболее благоприятные условия для развития растений на ювенильном этапе и этапе размножения. Из фиг. 4 видно, что на ювенильном этапе для полноценного развития растению требуется освещение, содержащее в своем составе излучение в красной и синей областях спектра с одинаковой интенсивностью.
На этапе размножения интенсивность излучения в красной области спектра существенно превышает интенсивность излучения в синей области. Количественное соотношение значений интенсивности в красной и синей областях спектра зависит от вида растения.
Таким образом, на ювенильном этапе будет задействована только первая группа светодиодов фитооблучателя, в которой присутствуют красные, синие и ультрафиолетовые светодиоды, а на этапе размножения будет включаться вторая группа светодиодов, содержащая только красные светодиоды, и далее две группы будут работать совместно.
Регулирование интенсивности излучения светодиодов каждой группы на ювенильном этапе и этапе размножения осуществляется с помощью изменения величины питающего тока регулируемого драйвера. Отключение второй группы светодиодов на ювенильном этапе онтогенеза растений позволяет повысить энергоэффективность и надежность системы освещения.
В качестве устройства, задающего алгоритм управления и обеспечивающего процесс взаимодействия с пользователем, может применяться как персональный, так и промышленный компьютер. При реализации упрощенных алгоритмов управления и отсутствии высоких требований к организации пользовательского интерфейса система управления реализуется на базе промышленного компьютера. В тех случаях, когда требуется реализовать сложный алгоритм регулирования интенсивности и спектрального состава излучения с визуализацией процессов, протекающих в объекте управления, и когда предъявляются высокие требования к организации пользовательского интерфейса, в основе системы управления предполагается применять персональный компьютер.
В качестве датчика спектра, предназначенного для получения информации о спектральном составе и интенсивности излучения в теплице, может быть применен как спектрометр, так и система двух фотодатчиков со светофильтрами. В случаях, когда реализуются сложные алгоритмы управления спектральным составом и интенсивностью излучения отдельных спектральных составляющих, и возникает необходимость постоянного контроля спектра излучения с целью периодической его корректировки в процессе функционирования системы освещения, датчиком спектра будет являться спектрометр. Основным преимуществом применения спектрометра следует считать его универсальность и расширенные функциональные возможности.
При осуществлении электрического досвечивания тепличных растений, когда алгоритм работы системы освещения задан строго, не требуется периодическая корректировка спектра излучения в процессе работы, и функции датчика спектра сводятся только к оценке соотношения интенсивности излучения в красной и синей областях спектра, предполагается использование системы двух фотодатчиков со светофильтрами. Поскольку оценивается интенсивность излучения в красной и синей областях спектра, применяются красный и синий светофильтры, соответственно. Датчики предварительно проходят калибровку с целью обеспечения необходимой точности измерения. Основным преимуществом данной системы оценки спектра излучения является ее простота и низкая себестоимость.
Светодиоды расположены с боковых сторон металлического корпуса-радиатора фитооблучателя для обеспечения наибольшей эффективности системы освещения при осуществлении межрядного электрического досвечивания растений (фиг. 5). Охлаждение светодиодов осуществляется с помощью металлического корпуса-радиатора, что позволяет поддерживать наиболее благоприятный тепловой режим их работы. Применение металлической конструкции позволяет существенно повысить надежность и прочность фитооблучателя.
Облучатель располагается горизонтально относительно поверхности грунта, поскольку в данном случае удается добиться оптимального количества осветительных приборов на единицу площади теплицы с учетом возможного межрядного расстояния и расстояния между растениями в одном ряду.
Высота подвеса фитооблучателя относительно грунта может изменяться на стадии проектирования или монтажа системы освещения теплицы с целью формирования наиболее благоприятной световой среды для растений и оптимизации работы технического оборудования.
Применение системы освещения для теплиц на основе светодиодных фитооблучателей с регулируемым спектром излучения позволит создать оптимальные условия освещения для тепличных растений с учетом их видовых особенностей, фазы онтогенеза и условий естественного освещения, что повысит энергоэффективность и надежность системы освещения, приведет к росту урожайности и качества продукции, сокращению сроков ее получения.