УСТРОЙСТВО ОСВЕЩЕНИЯ ВЫРАЩИВАЕМЫХ РАСТЕНИЙ

Заявляемая полезная модель относится к сельскому хозяйству, а именно к выращиванию растений (цветы, овощи, зелень и т.д.) в сооружениях защищенного грунта (парниках, теплицах), точнее к системам их искусственного освещения.
Для качественного роста и созревания растений их освещенность должна составлять ~10-12 (8-15) тыс. люкс при предпочтительной длительности освещения растений от 10-12 до 16-18 часов в день в зависимости от конкретной выращиваемой культуры и стадии ее вегетационного периода (стадии жизненного цикла растения от посева семян до созревания и сбора урожая). Поскольку естественное освещение не позволяет выращивать растения круглогодично, то при их тепличном выращивании необходимо искусственное освещение не только зимой, но и весной-осенью.
При выборе источника освещения растений более корректно сравнивать не создаваемые световые потоки в люменах, которые представляют собой фотометрические единицы, то есть характеризуют специфику и спектральную чувствительность человеческого зрения, а генерируемую фотосинтетически активную радиацию (ФАР), еще более адекватным параметром является усваиваемый растением поток фотонов (Yield Photon Flux, YPF, представляющий собой ФАР с учетом зависимости эффективности фотосинтеза от длины волны. Эффективность фотосинтеза имеет два выраженных максимума - в синей 400-510 нм (420-490 нм) области спектра, которая особенно важна на этапе роста растений, и в красной 620-700 нм (630-690 нм), которая является основной на этапе созревания и плодоношения. Излучение в указанных спектральных областях считается наиболее важным при выращивании растений. Однако исследования выращивания растений с помощью различного искусственного освещения, включая различные по спектру излучения наборы светодиодных источников, продемонстрировали важность других участков видимого спектра (прежде всего, «зеленой»), выполняющих важные для развития растений регуляторные функции, а также ближнего УФ и особенно ИК диапазонов, включая область поглощения фитохромов ~700-750 нм.
Известна система освещения выращиваемых растений, включающая в качестве источника освещения металлогалогенные лампы с источниками питания, а также осветители для концентрации света на растениях, в том числе металлогалогенные лампы с добавками, корректирующими спектр излучения лампы - например, с галогенидами лития; металлическим литием, галогенидами олова ([1]: патент RU 2040828). Однако и со специальными добавками светоотдача металлогалогенных ламп не слишком высока, что приводит к значительным затратам на электроэнергию при их использовании и, как следствие, к существенному росту себестоимости производства растений в теплицах при таком освещении. Кроме того, спектральный состав излучения такого источника освещения может быть оптимальным для одной стадии роста/созревания/плодоношения растения, но существенно не оптимальным для других стадий.
Известно значительное число систем освещения выращиваемых растений, включающих наряду с источниками питания и осветителями в качестве источника света набор светодиодных излучателей разной длины волны, причем спектр излучения светодиодов выбирают, как правило «сине-красным», например ([2]: патент на полезную модель RU 102178). В различных вариантах реализации известного технического решения используются те или иные варианты фиксации светодиодов и их охлаждения, а также форма осветителей ([2], [3]: патент на полезную модель RU 107 449, [4]: патент RU 2468571, [5]: патент на полезную модель RU 127286, [6]: патент RU 2369086) и т.д. Известна также входящая в систему освещения система управления светодиодными излучателями с датчиком освещенности, которая за счет управления блоками питания светодиодов оптимизируют спектр и интенсивность освещения растений в зависимости от внешнего освещения и, в том числе, с учетом конкретного вида растения и стадии его развития ([7]: патент RU 2278408).
Возможность оптимизации и оперативного управления спектром (соотношением мощности светодиодов, излучающих в разных участках спектра) освещения растений, достаточно высокая эффективность преобразования электрической энергии источников питания светодиодов в свет соответствующего спектрального диапазона является важным достоинством известных светодиодных фитооблучателей. Однако высокая стоимость светодиодов (в расчете на мощность генерируемого ими света), масштаб которой в зависимости от спектрального диапазона составляет $1 и более за ватт, приводит к высоким начальным затратам на освещение теплиц и, кроме того, реальный КПД светодиодов 25-35% не настолько высок, чтобы компенсировать значительные начальные затраты более низкими эксплуатационными расходами по сравнению с использованием других эффективных источников света.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является система освещения выращиваемых растений, содержащая натриевые лампы высокого давления (НЛВД) с источниками питания и осветителями. НЛВД многих производителей широко применяются для искусственного освещения при выращивании растений, например НЛВД компании ООО «Рефлакс» (Россия) ([8]: http://www.reflux.ru/usage/plants/greenhouse/). К достоинствам применения НЛВД в теплицах относится достаточно высокая световая эффективность таких ламп при спектре, который не оптимален для восприятия человеком, но при этом лучше соответствует спектральной эффективности фотосинтеза, особенно на стадии созревания и плодоношения. С современной пускорегулирующей аппаратурой лампы имеют высокий ресурс свыше 20-25 тыс. часов при достаточном для такого ресурса количестве включений-выключений (как правило, нескольких тысяч, что " хорошо коррелирует с ресурсом при однократном включении лампы на ~10 часов в день). Кроме стандартных внешних зеркальных осветителей (отражателей), которые обычно изготавливаются из алюминиевого листа (коэффициент отражения 86-89% в видимом диапазоне спектра 400-700 нм), разработаны и имеются на рынке НЛВД с серебряным напылением (коэффициент отражения 87-95% в видимом диапазоне спектра), причем напыление может наноситься на внутреннюю поверхность лампы со специальной формой колбы, что исключает загрязнение поверхности осветителя, попадание отраженного света на горелку лампы и в целом увеличивает световой поток на 5-10% по сравнению со случаем внешнего алюминиевого осветителя при значительном, однако, росте стоимости таких ламп.
Стандартные НЛВД с внешним осветителем имеют низкую крупнооптовую стоимость менее $4 за лампу с потребляемой мощностью 250-400 Вт, то есть ~$0,05 за ватт световой мощности и при сопоставимых эксплуатационных расходах на сегодня имеют значительные преимущества по сравнению со светодиодными фитооблучателями. Однако эксплуатационные расходы и, следовательно, затраты в целом на освещение выращиваемых в теплицах растений остаются достаточно высокими. Укажем, что НЛВД имеют недостаточную мощность излучения в «синей» части видимой области спектра (400÷520 нм), а это излучение существенно, особенно на начальных стадиях развития растений и для компенсации этого недостатка известно использование комбинации из НЛВД с «синими» светодиодами. Кроме того, как правило, мощность излучения НЛВД не регулируется и лампы работают в режиме «включено-выключено» (возможен также переход в так называемый «ночной режим» с пониженным энергопотреблением и существенно меньшей светоотдачей), что не позволяет обеспечить оптимальный режим облучения растений при изменении естественного освещения, в том числе в течение светового дня и в течение вегетационного периода, поскольку естественная освещенность, например, в январе и марте отличается не просто существенно, а кратно.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является значительное увеличение светоотдачи применяемых для освещения натриевых ламп высокого давления, возможность изменения в широких пределах мощности излучения НЛВД при сохранении высокой светоотдачи и, как следствие, значительное снижение эксплуатационных расходов на освещение выращиваемых в теплицах растений.
Технический результат достигается тем, что в системе освещения выращиваемых растений, содержащей натриевые лампы высокого давления с источниками их питания и осветителями, система освещения включает систему управления, которая содержит блок регулировки потребляемой по меньшей мере частью ламп мощности источника питания в интервале от 50% до 250% номинального значения потребляемой мощности, предпочтительно от 70% до 160% номинального значения, и/или блок независимого выключения лампы и/или группы ламп.
В рамках заявляемого технического решения номинальное значение потребляемой мощности («номинал») для коммерческих (серийно выпускаемых) натриевых ламп высокого давления - это указываемая производителем потребляемая НЛВД мощность при стандартном ресурсе лампы не менее (12-15)÷(20-25) тыс. часов, некоторое различие в приводимом производителями значении ресурса связано не только с конструктивными особенностями ламп и технологий их изготовления, но и с тем, что различные производители определяют и указывают ресурс рассматриваемых источников света несколько по-разному (см. ниже). Производитель в спецификации (паспорте) НЛВД указывает следующие основные параметры: потребляемая мощность (Вт), световое излучение (люмены) и ресурс (часы), номинальная потребляемая мощность часто включается в название лампы.
Например, для лампы ДНаТ Super 250 производства ГУП «ЛИСМА» (Саранск, Россия) в спецификации указаны: потребляемая мощность (номинальная) - 250 Вт, световой поток - около 33.000 люменов, ресурс - 48 тыс. часов (наряду с указанными основными параметрами приводятся напряжение питания, тип цоколя, размеры и т.д.).
Для натриевой лампы высокого давления NAV-T 400 SUPER 4Y производства компании OSRAM (Германия) производитель приводит: номинальная потребляемая мощность - 400 Вт, световой поток - 55.000 люменов, относительно ресурса указывается следующее: по истечении 16 тыс. часов работы 95% ламп NAV 4Y мощностью 150, 250 и 400 Вт продолжают оставаться работоспособными (4Y означает 4 года).
Для натриевой лампы высокого давления SON-T 400W Е Е40 SL/12 производства компании Philips (Нидерланды) производитель приводит: номинальная потребляемая мощность - 392 Вт, номинальный световой поток - 48.000 люменов (минимальный - 43.200 люменов), относительно ресурса указывается следующее: срок службы до 20% отказов составляет 20 тыс. часов, срок службы до 50% отказов - 28 тыс. часов.
Аналогичные данные для НЛВД с ресурсом масштаба 15÷20 тыс. часов и более приводят и другие производители, потребляемая лампой при указанной величине ресурса ее работы мощность принята за номинальную.
Отметим также, что потребляемая от сети мощность источника питания лампы несколько превосходит потребляемую лампой, поскольку КПД источников питания ниже 100%. Например, для лампы SON-T 400W Е Е40 SL/12 с номинальной потребляемой мощностью 392 Вт производителем указывается потребляемая от сети мощность 431 Вт (КПД источника питания около 91%).
Заявляемое техническое решение основано на нескольких связанных обстоятельствах.
Авторы заявляемой полезной модели обнаружили, что при увеличении мощности питания НЛВД выше номинального значения светоотдача лампы быстро увеличивается, причем в наиболее важных для фотосинтеза областях спектра («синей» и «красной») рост светоотдачи существенно выше, чем в среднем по видимому спектру, то есть YPF в основных для фотосинтеза областях спектра увеличивается сильнее, чем обычно определяемый световой поток от лампы в люменах.
Например, для НЛВД ДНаЗ/Reflux 250-2 с номинальной потребляемой мощностью 250 Вт и сроком службы >20 тыс. часов ([8]) увеличение мощности питания до 400 Вт (в 1,6 раза) привело к росту мощности излучения в спектральном интервале 420-510 нм в 2,14 раза, мощность излучения в диапазоне 630-690 нм выросла в 3,45 раза, то есть светоотдача лампы увеличилась на 34% в синей области спектра и на 116% в красной области.
Более того, мощность излучения указанного НЛВД с номинальной потребляемой мощностью 250 Вт при увеличении мощности питания до 400 Вт превосходит мощность излучения НЛВД ДНаЗ с номинальной мощностью 400 Вт и штатным блоком питания 400 Вт: в 1.4 раза в спектральном диапазоне 420-510 нм и в 2.5 раз в спектральном диапазоне 630-690 нм.
Для НЛВД ДНаТ 150-1М с номинальной мощностью 150 Вт (производитель ГУП «ЛИСМА», указываемый ресурс 20 тыс. часов, световой поток 15.000 люменов) при увеличении потребляемой мощности до 255 Вт (в 1,7 раза) мощность излучения увеличилась:
в 2,45 раз в спектральном диапазоне 420-510 нм (рост светоотдачи в 1,44 раза),
в 3,95 раз в спектральном диапазоне 630-690 нм (рост светоотдачи в 2,32 раза),
при этом мощность излучения лампы в видимом диапазоне в целом возросла в 2,13 раза (рост светоотдачи в 1,25 раз), а создаваемая лампой освещенность (с учетом кривой видности) - всего в 1,81 раза (отнесенный к мощности питания рост светового потока составил 6,3% раза).
Некоторый рост светоотдачи НЛВД при увеличении потребляемой мощности известен ([9]: Рохлин Г.Н. «Разрядные источники света», 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1991), например при увеличении потребляемой мощности с 400 до 600 Вт (в 1,5 раза) доля мощности видимого излучения увеличилась в 1,15 раза (на 15%), при этом по измерениям авторов световой поток от лампы в люменах возрастает еще меньше и такой незначительный рост светоотдачи не может быть скомпенсирован снижением ресурса НЛВД (см. ниже). Однако авторами заявляемого изобретения обнаружен непропорционально больший (в красной области спектра даже кратно больший) рост мощности излучения НЛВД с повышенной потребляемой мощностью именно в важнейших для роста и развития растений спектральных диапазонах, что принципиально важно именно для выращивания растений.
Аналогичные результаты с резким ростом светоотдачи в основных для фотосинтеза и развития растений спектральных диапазонах при увеличении потребляемой мощности были получены авторами для НЛВД различных производителей, включая ООО «Лисма» (Россия), Osram (Германия), Philips (Нидерланды) и др., с номинальной потребляемой мощностью 150÷600 Вт, которые являются самыми распространенными в тепличных хозяйствах. Отметим, что существенный во всех случаях рост светоотдачи в «сине-зеленой» и красной областях спектра, тем не менее, отличался для ламп разных производителей и выбор НЛВД для работы в режиме повышенной потребляемой мощности может отличаться от выбора лампы для работы при номинальной потребляемой мощности. 2. Авторы заявляемой полезной модели обнаружили, что ресурс работы стандартных коммерческих НЛВД при значительно увеличенной мощности питания снижается существенно, но, тем не менее, позволяет обеспечить высокую световую эффективность работы лампы по меньшей мере в течение одного-двух вегетационных периодов выращивания растений (один вегетационный период требует до 800-И ООО часов искусственного освещения).
Например, через 1000 часов работы НЛВД ДНаЗ/Reflux 250-2 с номинальной мощностью питания 250 Вт при увеличенной до ~400 Вт мощности питания:
мощность излучения этой лампы в спектральном диапазоне 420-510 нм превосходит мощность излучения НЛВД со штатной мощностью 400 Вт того же производителя (ДНаЗ/Reflux 400) в 1.21 раза;
мощность излучения этой лампы в спектральном диапазоне 630-690 нм превосходит мощность излучения НЛВД со штатной мощностью 400 Вт того же производителя (ДНаЗ/Reflux 400) в 2.05 раза.
Таким образом, несмотря на некоторое снижение эффективности НЛВД со штатной мощностью 250 Вт при увеличенной до 400 Вт мощности блока питания, ее светоотдача в таком режиме работы существенно выше, чем у НЛВД со штатной мощностью 400 Вт. Отметим также, что с течением времени выигрыш в эффективности для красной области спектра становится относительно больше, чем для синего (светоотдача в красной области спектра снижается медленнее), что является предпочтительным для растений в течение второй половины вегетативного цикла.
Необходимо также отметить, что при реальном освещении теплиц с учетом естественного освещения лампы НЛВД далеко не все время должны работать в режиме с мощностью питания, которая столь существенно превышает номинальную. Например, в ситуации, когда естественное освещение создает 50% необходимой освещенности растений, НЛВД может эксплуатироваться фактически в штатном режиме, что существенно увеличивает фактический ресурс НЛВД при освещении теплиц в заявляемой авторами системе освещения. Для эффективного использования естественного освещения и необходима заявляемая авторами соответствующая регулировка потребляемой НЛВД мощности питания. При этом формуле заявляемого технического решения не противоречит вариант, когда только часть источников питания выполнена с регулировкой мощности, а часть источников питания имеет постоянную мощность и, соответственно, питаемые ими НЛВД после включения работают с постоянной потребляемой мощностью, которая в предпочтительном варианте существенно превосходит номинальную и составляет 130-180% от номинальной.
Аналогичные результаты по ресурсу и временному поведению светоотдачи были получены для НЛВД разных производителей с номинальной потребляемой мощностью 150-600(1000) Вт.
Авторы заявляемого изобретения учли то обстоятельство, что эксплуатационные расходы (стоимость электроэнергии) для натриевых ламп высокого давления за время их работы многократно выше стоимости ламп самих по себе. В результате даже при существенном снижении ресурса лампы экономия в оплате электроэнергии за счет роста светоотдачи лампы может существенно превысить затраты на покупку новых ламп.
В самом деле, из приведенных выше данных легко видеть, что одна НЛВД ДНаЗ/Reflux 250-2 с номинальной мощностью 250 Вт при работе от блока питания мощностью 400 Вт, что соответствует заявляемому техническому решению, в течение вегетационного периода (примем, что за вегетационный период лампа работает в указанном режиме 800 часов) заменит 2,5 лампы той же мощности, работающие в номинальном режиме при потребляемой мощности 250 Вт. Не учитывая КПД блоков питания (он составляет обычно 91-95%), находим, что за 800 часов одна лампа, работающая при повышенной мощности питания, потребит 320 кВтч электроэнергии, что при цене $0,1 за 1 кВтч соответствует затратам $32. В то же время 2,5 лампы, работающие в номинальном режиме, потребляют 625 Вт и за 800 часов общие затраты электроэнергии составят 500 кВтч или, в стоимостном выражении, $50. Предполагая даже, что через 800 часов лампа, работающая согласно заявляемому техническому решению, будет заменена, а ресурс ламп, работающих в номинальном режиме очень большой («бесконечен»), получим, что общие затраты на освещение выращиваемых растений согласно заявляемому техническому решению составят $36 (для цены лампы $4, при оптовых закупках ламп стоимость еще ниже), а согласно прототипу - $50 или в 1,39 раз больше.
Аналогично, для приведенного выше примера и ресурса НЛВД в заявляемом режиме работы 1600 часов (два цикла выращивания растений), а даже больший ресурс (около 2.000 часов) был получен авторами при повышении потребляемой лампой мощности в 1,6 раза, сравнение затрат на освещение за два вегетационных цикла показывает, что общие затраты на освещение согласно заявляемому техническому решению в 1,47 раза меньше, чем по прототипу.
Таким образом, экономия электроэнергии при использовании заявляемого технического решения составляет около 40% и более, существенно снижается потребляемая тепличным хозяйством электрическая мощность в целом. Кроме того, при использовании заявляемого технического решения существенно снижаются и начальные затраты на организацию искусственного освещения выращиваемых растений, поскольку при указанном выше соотношении световых потоков вместо 5 источников питания на мощность 250 Вт (ориентировочная стоимость $150-$180) возможно использовать 2 источника питания на мощность 400 Вт (ориентировочная стоимость $90-$110).
Следует указать, что предлагаемый авторами заявляемого технического решения подход к системе освещения выращиваемых растений, а именно: получение максимальной светоотдачи, прежде всего в основных для фотосинтеза диапазонах, даже за счет резкого снижения ресурса для относительно дешевых (в расчете на ватт излучаемой световой мощности) источников света, позволяет реализовать дополнительный выигрыш в эффективности использования искусственного освещения за счет неоднократного (при необходимости) включения-выключения НЛВД в течение светового дня, а также за счет эффективного использования внешнего естественного освещения. Такой выигрыш связан с тем, что при меньшем ресурсе НЛВД возможно включать-выключать несколько раз в день (поскольку количество циклов включения-выключения, как установлено авторами, изменяется незначительно) и что при повышенной потребляемой мощности КПД натриевых ламп высокого давления остается высоким при кратном изменении светового потока, именно оба этих обстоятельства позволяют со значительно большей эффективностью использовать естественное освещение.
1. В известных системах освещения выращиваемых растений с помощью НЛВД регулировка мощности источников питания и, соответственно, потребляемой лампами мощности практически не используется. Основная причина в том, что светоотдача лампы быстро снижается с уменьшением потребляемой мощности питания - при уменьшении мощности питания вдвое по сравнению с номиналом светоотдача лампы снижается, ориентировочно, в 2-2,5 раза (а световой поток в 4-5 раз) и электрическая энергия используется неэффективно.
Именно этим обстоятельством (падением светоотдачи) объясняется минимальная потребляемая НЛВД мощность согласно изобретению - 50% от номинала, при этом предпочтительная минимальная мощность регулируемого источника питания составляет 75-80% от номинала.
Максимальная потребляемая мощность питания НЛВД согласно заявляемому изобретению составляет 250% от номинала, поскольку при таком режиме работы, как установлено авторами, рост светоотдачи замедляется и даже исчерпывается (в ряде случаев лампа начинает работать нестабильно и быстро выходит из строя), а ресурс лампы падает до ~250 часов и менее: в такой ситуации выигрыш в светоотдаче уже практически не компенсирует низкий ресурс лампы, когда нужно учитывать не только стоимость лампы самой по себе, но и стоимость замены ламп во время выращивания растений. Предпочтительная максимальная регулируемая мощность источника питания составляет 160-180% от номинальной - в этом случае светоотдача кратно выше по сравнению с прототипом, а ресурс ее работы еще достаточен.
Таким образом, регулировка потребляемой лампой мощности питания в интервале 70-80%÷140-180% номинальной потребляемой мощности для представленных на рынке НЛВД позволяет при сохранении высокой светоотдачи изменять в несколько раз световой поток и эффективно использовать естественное освещение даже при малой длительности светового дня или при значительном изменении естественной освещенности в течение дня
Специально отметим, что указанный диапазон предпочтительной потребляемой мощности питания относится к использованию при выращивании растений стандартных коммерческих НЛВД, например: работе лампы с номинальной потребляемой мощностью 150 Вт с источником питания мощностью до 250÷280 Вт, лампы с номинальной потребляемой мощностью 250 Вт с источником питания мощностью до 420÷540 Вт и т.д. (во многих случаях приемлемо использование источников питания от ламп с уровнем мощности «на разряд выше»).
Однако вполне возможна ситуация, когда в рамках предлагаемого авторами подхода (использование ламп с повышенной светоотдачей при существенно меньшем ресурсе) могут быть специально разработаны лампы (например, со скорректированным давлением наполняющего газа и т.д.), для которых повышенная мощность источника питания будет принята штатной (номинальной). Аналогично, стандартная коммерческая лампа может быть «перемаркирована» на большую потребляемую мощность питания специально для работы в теплицах с целью выращивания растений, например стандартной НЛВД с потребляемой при ресурсе ~20 тыс. часов мощностью 250 Вт может быть присвоен шифр, например 400Т (потребляемая мощность 400 Вт, «Т» - теплица) и т.д. В этом случае предпочтительный диапазон регулирования потребляемой мощности источника питания согласно заявляемому техническому решению составит 60-70%÷100-110% от такой «новой» номинальной мощности лампы. Здесь регулировка потребляемой мощности в указанном предпочтительном интервале также позволяет эффективно использовать естественное освещение при высокой светоотдаче источника искусственного освещения (НЛВД).
В то же время даже для таких специально подготовленных или «перемаркированных» натриевых ламп высокого давления возможно «переопределить» номинальную потребляемую мощность как такую, при которой ресурс указанной лампы составляет не менее 15÷20 тыс. часов, то есть является стандартным для современных НЛВД. В этом случае заявляемое техническое решение состоит в том, что значительная часть времени работы такой лампы проходит при потребляемой мощности 140-180% от номинальной потребляемой мощности, соответствующей достаточно высокому ресурсу работы лампы (15÷20 тыс. часов и более). То есть НЛВД для выращивания растений значительную часть времени работает при такой потребляемой мощности, для которой ресурс работы лампы кратно ниже стандартной для современных ламп величины ~ 20 тыс. часов и составляет в предпочтительном варианте не более (1-2)÷(3-4) тыс. часов - время, за которое экономия потребляемой электроэнергии существенно превосходит стоимость самой лампы, например не менее чем в 1,5-2 раза.
2. Смысл регулирования мощности искусственных источников света (НЛВД) состоит в том, чтобы эффективно использовать естественную освещенность, которая даже зимним днем составляет ~15-25% от оптимальной для выращивания растений и значительно большую долю уже в ноябре и феврале (для северного полушария).
Для контроля естественной и/или общей освещенности растений авторами предлагается включить в состав заявляемой системы освещения по крайней мере один датчик освещенности (фотодатчик), по сигналу которого система управления регулирует потребляемую НЛВД мощность источника питания и/или отключает лампу от источника питания. Регулировка потребляемой мощности источника питания обеспечивает регулировку (управление) мощности излучения НЛВД, вариант отключения лампы будет рассмотрен ниже. Источники питания с регулируемой потребляемой мощностью известны и представлены на рынке.
Поскольку эффективность фотосинтеза разная в разных спектральных интервалах видимого диапазона, то в предпочтительном варианте реализации заявляемого технического решения ориентированный на НЛВД фотодатчик измеряет освещенность в спектральном интервале 620-700 нм или участке спектра внутри указанного спектрального интервала, причем выход датчика соединен с входом системы управления источниками питания НЛВД. Регулирование мощности питания и светового потока лампы в «красной» области спектра осуществляется по сигналу указанного датчика.
В рамках заявляемого технического решения возможно использование нескольких датчиков, в том числе измеряющих освещенность в разных спектральных интервалах (см. также ниже). Датчики могут быть расположены на разной высоте и в различных участках теплицы, в том числе и для того, чтобы при необходимости отдельно измерять не только суммарную, но и только естественную освещенность. Управляющий сигнал в системе регулирования мощности НЛВД может формироваться с учетом сигналов от многих датчиков и, кроме того, этот сигнал может учитывать специфику конкретного выращиваемого растения и стадию его вегетационного периода - вся соответствующая информация может быть заранее внесена в программу, управляющую системой регулирования потребляемой лампами мощности и отключения ламп от источников питания.
Заявляемая система освещения при получении сигнала от фотодатчиков о величине текущей освещенности позволяет оперативно управлять создаваемой НЛВД освещенностью в режиме реального времени за счет регулировки потребляемой лампами мощности с характерным временем отклика до 1-1,5 минуты при том, что время разогрева (выхода на стационарный режим работы) ламп после включения составляет ~7 и более минут. Таким образом, за счет обратной связи с фотодатчиками заявляемая система освещения позволяет оперативно поддерживать оптимальную освещенность выращиваемых растений, как в течение отдельного дня, так и всего вегетационного цикла. 3. При освещении выращиваемых растений согласно прототипу НЛВД, как правило, включаются и выключаются один раз в день. В таком режиме работы при десятичасовой в среднем длительности искусственного освещения ресурс работы ламп составляет ~2500 дней, и такой ресурс хорошо соответствует числу допустимых циклов включения-выключения лампы. Это означает (вместе с отсутствием регулировки светового потока) невозможность эффективно и оперативно реагировать на изменение естественной освещенности в течение светового дня, например включать лампы утром и вечером, выключая их в середине дня, и, тем более, включать-выключать по меньшей мере часть ламп несколько раз в день в зависимости от интенсивности внешнего освещения.
В заявляемом техническом решении при характерной длительности работы НЛВД ~100-300 дней (суток) использование в составе источников питания и системы управления известной пускорегулирующей аппаратуры (аналогичной прототипу) позволяет и при более высоком энергопотреблении, как установлено авторами, обеспечить не менее 1000 циклов включения-выключения НЛВД, то есть гарантирует возможность несколько раз за рабочий день включать и отключать лампы.
Возможность неоднократного отключения ламп в течение дня в зависимости от внешнего освещения позволяет дополнительно повысить экономичность заявляемой системы освещения. Эта возможность обусловлена тем, что генерируемый НЛВД световой поток зависит от потребляемой мощности нелинейно: в типичной ситуации, как обнаружено авторами, для уменьшения светового потока вдвое необходимо снизить потребляемую мощность от 160% номинальной до 125-130% номинальной. То есть при уменьшении светового потока от НЛВД вдвое потребляемая мощность снижается только в ~1,3 раза - светоотдача снижается. Далее, при уменьшении светового потока втрое потребляемая НЛВД мощность питания снижается только в ~1,6 раза и светоотдача падает практически в два раза (в то же время резко увеличивается ресурс работы лампы).
Рассмотрим ситуацию, когда вначале оптимальная для выращивания растений освещенность полностью формируется светом ламп НЛВД - например, ранним утром. Пусть через несколько часов после этого естественная освещенность составляет половину оптимальной и, следовательно, освещенность растений от НЛВД целесообразно уменьшить вдвое. Это возможно реализовать двумя способами:
а) уменьшить световой поток от каждой лампы вдвое, что позволяет снизить за счет внешнего освещения энергопотребления на освещение в ~1,3 раза;
б) выключить соответствующую часть (половину) ламп, в этом случае энергопотребление на освещение снизится вдвое и выигрыш по сравнению с вариантом (а) составит ~1,5 раза.
Аналогично, в случае, когда освещенность выращиваемых растений от НЛВД необходимо снизить втрое, вариант работающих на номинальной мощности всех ламп по сравнению с работой Уз ламп с потребляемой мощностью ~160% от номинальной соответствует примерно вдвое большим энергозатратам и т.д.
Вариант отключения соответствующей части ламп, очевидно, предпочтительнее, с точки зрения числа циклов включения-выключения он для заявляемого изобретения возможен. Однако для его реализации необходимо также, чтобы любое место в теплице освещалось многими лампами и освещенность в данной точке представляла собой результат суммирования излучения от достаточно большого количества источников света (ламп НЛВД) - только в таком случае отключение, например половины ламп, приведет к уменьшению вдвое освещенности каждого участка теплицы, а не к ситуации, когда половина площади теплицы будет освещаться так же, как и до выключения половины ламп, а вторая половина площади теплицы будет в темноте. Последний (неприемлемый) вариант возможен в той ситуации, когда каждая лампа с соответствующим осветителем освещает отдельный участок теплицы.
2
Таким образом, предпочтительным по экономичности вариантом является тот, когда осветитель НЛВД с разумной степенью однородности освещает участок теплицы, который значительно больше площади теплицы, приходящейся в среднем на одну лампу. Последнюю величину легко оценить, исходя из сравнения генерируемого отдельной лампой светового потока и потребной для выращивания растений освещенности. Например, если отдельная лампа генерирует мощность излучения 50 тыс. люменов, а потребная для выращивания освещенность составляет 12,5 тыс. люкс, то одна лампа должна приходиться на 4 м (квадрат со стороной 2 метра) теплицы и этот результат не зависит, например, от высоты, на которой располагаются лампы.
Для того чтобы любой участок теплицы освещался многими лампами с сопоставимой величиной освещенности следует, согласно заявляемой полезной модели, чтобы осветитель НЛВД обеспечивал освещение участка с выращиваемыми растениями, размер которого превосходит расстояние между соседними натриевыми лампами высокого давления не менее, чем в 2,5 раза. Для описанного выше примера расположения ламп в вершинах квадратной решетки со стороной 2 метра с осветителем, обеспечивающим освещение участка размером 5 метров - например, круга диаметром 5 метров (в 2,5 раза больше расстояния между соседними лампами), в освещении конкретного места поверхности теплицы в среднем будет принимать участие не меньше 5 ламп. При осветителе, обеспечивающем достаточно равномерное освещение участка размером 7 метров - например, круга диаметром 7 метров (в 3,5 раза больше расстояния между соседними лампами), в освещении конкретного места поверхности теплицы будет принимать участие в среднем около 10 ламп и т.д. Указанное условие не является трудновыполнимым, поскольку при высоте размещения ламп всего 2,5 метра для освещения круга диаметром 7 метров достаточен полный угол засветки ~110°, что вполне реализуемо. Укажем, что при вполне достижимом для осветителя угле засветки 120° радиус освещаемого круга на поверхности теплицы составит 4,3 метра и в освещении конкретной точки будет принимать участие в среднем ~15 ламп.
Для такого количества участвующих в освещении конкретного участка поверхности теплицы ламп отключение половины НЛВД сохраняет достаточную однородность освещения как раз на уровне половины исходной освещенности. Конечно, при условии, что система управления отключает лампы в заданной последовательности, например, через одну, а соответствующие программы отключения ламп и снижения потребляемой мощности включенных ламп заранее подготовлены для системы управления, применяемой в заявляемой системе освещения, в зависимости от того, во сколько раз следует снизить создаваемую НЛВД освещенность. В предпочтительном варианте реализации настоящего технического решения информация о ранее отключавшихся лампах и времени их фактической работы сохраняется в системе управления, которая поочередно отключает разные НЛВД, что дополнительно увеличивает ресурс работы системы освещения в целом.
Таким образом, уменьшение освещенности в несколько раз предпочтительно (с точки зрения минимизации энергозатрат) проводить следующим образом: отключить соответствующую долю ламп (например, через одну, если освещенность следует снизить вдвое), а работающие НЛВД поддерживать при максимально допустимой (с точки зрения ресурса) потребляемой мощности, что соответствует максимальной светоотдаче работающих ламп. Такой алгоритм управления освещенностью предпочтительно применять до тех пор, пока число работающих ламп, обеспечивающих освещенность любого конкретного участка теплицы, достаточно велико (>3÷4, предпочтительно >5÷6), а в случае меньшего количества ламп, освещающих заданный участок теплицы, необходимо снижать потребляемую каждой из работающих ламп мощность питания.
Как указывалось выше, в качестве внешнего осветителя НЛВД в теплицах чаще всего используется соответствующим образом (для реализации достаточно большого угла засветки) сформованный алюминиевый лист с полированной (зеркальной) поверхностью, усредненный по видимому диапазону коэффициент отражения от которого составляет 87-88%. Аналогичный коэффициент отражения можно получить для слоя алюминия, нанесенного на поверхность необходимой формы из другого материала, например пластика. Такого рода осветители могут использоваться и в заявляемом техническом решении, однако в предпочтительном варианте авторы предлагают использовать в осветителе не зеркально отражающую поверхность, а диффузно отражающую поверхность, эффективный коэффициент отражения от которой в видимом диапазоне может составить 95-96% и более.
В предпочтительном варианте реализации предлагаемого варианта осветителя для системы освещения выращиваемых растений на стандартный, например алюминиевый, осветитель дополнительно наносится диффузно-отражающее покрытие. В качестве такого покрытия может использоваться пленка (лист, лента) на основе политетрафторэтилена (фторопласта) и аналогичных материалов, обладающих высоким коэффициентом диффузного отражения, химической стойкостью и высокой устойчивостью к излучению НЛВД.
2
2
3
2
2
Другой вариант диффузно отражающего покрытия возможно реализовать за счет многократного перерассеяния света на вариациях показателя преломления в прозрачной для излучения (то есть, в не поглощающей излучение) среде. Такую среду можно получить, например в диффузно-отражающем покрытии, представляющем собой прозрачное для излучения видимого диапазона связующее (матрицу) с распределенными в нем также прозрачными для излучения НЛВД частицами с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления связующего. Указанные частицы могут представлять собой, например, оксиды кремния SiO и/или оксиды алюминия AlO и/или оксида магния MgO и/или заполненные воздухом полые микросферы, например алюмосиликатные микросферы. В качестве связующего может использоваться, например силицированное жидкое стекло NaO⋅nSiO, а нанесение такого покрытия аналогично процедуре окраски. При толщине такого покрытия 1 мм на алюминиевой основе удается реализовать эффективный коэффициент отражения около 96%, что позволяет повысить светоотдачу НЛВД на 7-9% и при прочих равных условиях превысить характеристики ламп с известным напылением серебром внутренней поверхности колбы, которые были описаны в прототипе.
Предлагаемый вариант осветителя не только имеет высокую эффективность с точки зрения доли собираемого света НЛВД, но и обеспечивают достаточно однородную засветку значительных участков теплицы, что, как описано выше, также является полезным.
Укажем, что в предпочтительном варианте реализации заявляемого технического решения геометрия осветителя для НЛВД, размещенных в центральной части теплицы, отличается от геометрии осветителя для ламп, расположенных у внешних границ теплицы. Это связано с тем обстоятельством, что растения вблизи края теплицы освещается лампами только с одной стороны и, если все осветители и все лампы одинаковы, то освещенность вблизи края теплицы приблизительно вдвое меньше, чем в центральной части теплицы. С целью компенсации этой разницы для размещенных вблизи стен теплицы НЛВД целесообразно использовать осветители, которые в большей степени концентрируют свет или же обеспечивают несимметричную диаграмму направленности во внешнюю и внутреннюю части теплицы. Это обстоятельство необходимо также учитывать при отключении части ламп и управлении мощностью работающих ламп, при управлении создаваемой ими освещенностью.
Как отмечалось, особенностью спектра излучения НЛВД является недостаточная доля «синего света», особенно для начального этапа вегетационного периода. Использование заявляемого технического решения значительно увеличивает светоотдачу НЛВД как в «синей», так и в «красной» областях спектра, однако соотношение мощности излучения между этими участками спектра в пользу коротковолнового («синего») диапазона не меняется и даже наоборот - доля мощности «красной» области спектра возрастает. С целью увеличения до необходимого уровня излучения в диапазоне 400-510 нм авторами заявляемого технического решения предлагается в комбинации с НЛВД использовать «синие» светодиодные излучатели (светодиоды) с излучением в диапазоне 400-510 нм, предпочтительно 420-490 нм, причем система управления потребляемой светодиодным излучателем мощности блока питания регулирует ее в интервале от 0% до 100%) от номинального значения.
Другой по сравнению с НЛВД диапазон регулирования потребляемой светодиодами мощности источника питания обусловлен тем, что в широком диапазоне потребляемой мощности эффективность светодиода остается приблизительно постоянной, то есть при уменьшении потребляемой мощности в 2-3 раза (и более) мощность излучения изменяется в приблизительно той же пропорции, то есть светоотдача изменяется незначительно. Соответственно, если необходимо снизить освещенность от светодиодов, например, в три раза, то нет необходимости отключать два светодиода из трех (хотя такой вариант и возможен), а можно втрое уменьшить потребляемую каждым светодиодом мощность питания. В обоих случаях при трехкратном снижении освещенности приблизительно втрое снижается и потребляемая светодиодами электроэнергия; в случае НЛВД, как показано выше, ситуация существенно отличается.
С целью выбора и поддержания оптимальной величины освещенности в «синем» спектральном диапазоне с учетом как естественной освещенности, так и освещенности от НЛВД в «синей» области спектра система освещения в предпочтительном варианте дополнительно содержит по меньшей мере один датчик освещенности, измеряющий освещенность в спектральном интервале 400-510 нм или участке спектра внутри указанного спектрального интервала, соответствующем спектру излучения светодиодных излучателей. Согласно сигналу такого датчика (датчиков) система управления регулирует потребляемую светодиодными излучателями мощность источника питания вплоть до отключения от источника питания (что эквивалентно потреблению 0% номинальной мощности).
Область спектральной чувствительности фотодатчика согласно заявляемому техническому решению должна разумно соответствовать спектру излучения используемых светодиодов. То есть, при характерной полосе излучения светодиодов, например 450-470 нм (соответствует эффективному поглощению не только хлорофиллом, но и каротиноидами) фотодатчик на область спектра 400-440 нм или 490-510 нм не является приемлемым, а фотодатчик на область спектра 440-500 нм или 430-460 нм может использоваться, причем первый фотодатчик предпочтителен.
Аналогично применению фотодатчиков для управления НЛВД, и для управления мощностью «синих» светодиодов возможно использование нескольких датчиков, расположенных на разной высоте и в различных участках теплицы, в том числе и для того, чтобы при необходимости отдельно измерять не только суммарную, но и только естественную освещенность. Управляющий сигнал в системе регулирования потребляемой светодиодами мощности может формироваться с учетом сигналов от многих датчиков и, кроме того, этот сигнал может учитывать специфику конкретного выращиваемого растения и стадию его вегетационного периода - вся соответствующая информация может быть заранее внесена в программу, управляющую системой регулирования потребляемой светодиодами мощности.
Со светодиодами заявляемая система освещения позволяет управлять освещенностью в синей области спектра по сигналу соответствующих фотодатчиков практически мгновенно, поскольку светодиоды являются малоинерционными источниками света, то есть скорость реакции системы освещения на изменение освещенности будет определяться временем реакции фотодатчика, скоростью обработки сигналов обратной связи от фотодатчиков и временем изменения мощности, потребляемой от блоков питания. Характерное время отклика здесь может составлять от доли секунды до нескольких секунд, что вполне приемлемо при характерном времени освещения 10 часов в день и типичном времени изменения освещенности минуты и часы. Таким образом, за счет обратной связи с фотодатчиками заявляемая система освещения позволяет и в «синей» области спектра поддерживать оптимальную освещенность выращиваемых растений как в течение отдельного дня, так и всего вегетационного периода.
Укажем, что, поскольку мощность излучения светодиодов регулируется в широких пределах без заметного изменения светоотдачи, то осветители светодиодов или системы фокусировки их излучения могут быть выполнены так, чтобы освещать в основном только грядки и в минимальной степени освещать проходы в теплице. Здесь, в отличие от НЛВД, равномерное снижение освещенности выращиваемых растений без уменьшения энергоэффективности освещения может быть реализовано без выключения части светодиодов и равномерное освещение участка теплицы одновременно многими светодиодами не требуется.
Оперативное управление мощностью излучения светодиодов позволяет также при необходимости реализовать элементы светоимпульсной обработки без применения движущихся осветительных элементов, с подвижными осветительными элементами (отражателями) светоимпульсная обработка предложена в ([9]: патент RU 2493694), причем в «синей области» спектра может быть реализован режим работы с короткими световыми импульсами от светодиодов ~1 с и менее. В «красной» области спектра с помощью НЛВД при регулировании потребляемой от блоков питания мощности также возможно достаточно быстрое и в том числе периодическое изменение освещенности в несколько раз при сохранении высокой светоотдачи, однако характерное время изменения освещенности для НЛВД составляет 1-1,5 минуты.
Таким образом, техническим результатом, обеспечиваемым приведенной в заявляемой полезной модели совокупностью признаков, является, как было показано на приведенных примерах и экспериментально установлено авторами, сокращение на 30-40% и более затрат на освещение выращиваемых растений. Обеспечение оперативного поддержания их оптимальной освещенности на всех стадиях вегетационного периода позволяет дополнительно повысить урожайность теплиц. Отметим, что экономия электроэнергии дает еще и экологический эффект в виде уменьшения выбросов углекислого газа в том самом распространенном случае, когда электроэнергия вырабатывается при сжигании органического топлива.
Сопоставительный анализ предлагаемой полезной модели и известных аналогов выявляет наличие существенных отличительных признаков по сравнению с аналогами и прототипом, что обеспечивает ей соответствие критерию «новизна».
Возможность создания заявляемой системы освещения выращиваемых растений на базе известных комплектующих (НЛВД, светодиоды) и технологий (например, технологии формирования диффузно-отражающего покрытия с коэффициентом отражения ~95%, технологии регулирования мощности источников питания НЛВД и.т.д.), а также целесообразность практического использования обеспечивает заявляемому техническому решению и соответствие критерию «промышленная применимость».
Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены очевидные для квалифицированных специалистов в этой отрасли изменения описанных выше вариантов выполнения системы освещения выращиваемых растений, а также его переделка без отклонения от защищаемых формулой полезной модели положений. Например, в рамках заявляемого технического решения могут использоваться НЛВД, светодиоды, источники питания и фотодатчики различных производителей, управление (регулирование) потребляемой лампами и светодиодами мощностью по сигналам фотодатчиков, а также блок отключения НЛВД могут выполняться различными способами как дискретно (несколько заданных уровней мощности в определяемом формулой полезной модели интервале), так и непрерывно, геометрия осветителей, расположение источников света (НЛВД, светодиодов), а также размер и форма засвечиваемого отдельным источником света участка теплицы могут различаться, источники питания НЛВД могут работать при разном питающем напряжении и на разной частоте, а также генерировать разрядный ток в лампе, который отличается от синусоидального, и т.д. и т.п., все указанные изменения описываются положениями заявляемой формулы полезной модели и его описанием.