АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК ДЛЯ ГИДРОПОННЫХ УСТАНОВОК

Полезная модель относится к области сельского хозяйства, в частности к устройствам для выращивания растений в закрытой светокультуре с автоматическим блоком управления факторами среды (свет, температура, влажность воздуха).
Известен способ искусственного освещения растительных культур в теплицах (РФ №2397636 A01G 9/20, опубл. 27.08.2010), предусматривающий периодическое изменение интенсивности светового потока и спектрального состава источника света. Освещение растений в сооружениях защищенного грунта осуществляется на основе принципа удвоения естественного суточного ритма, то есть плавного перехода уровня освещенности от ночного к дневному и наоборот, происходящего два раза в сутки, с учетом изменения лунного и солнечного спектров облучения, причем пики максимальной суточной освещенности совпадают с моментами верхней, дневной, и нижней, ночной, кульминациями солнца, а соотношение продолжительности светлого и темного периодов зависит от степени вегетативной зрелости и вида выращиваемых растительных культур.
Недостатком данного способа освещения является избыточно сложная система изменения освещения, что приводит к нагрузке на осветительное оборудование и сокращает срок их службы.
Известен светодиодный облучатель для растениеводства (РФ №2468571, A01G 9/20, опубл. 10.12.2012.), выбранный за прототип. В указанном изобретении светодиодный облучатель содержит корпус из теплопроводного материала, по крайней мере, частично оребренный с тыльной стороны. Корпус имеет выходное отверстие, которое перекрыто оптически прозрачным защитным стеклом или рассеивателем. Внутри корпуса установлены линейные платы с собранными на них группами светодиодов с различным спектром излучения в диапазоне спектральной эффективности фотосинтеза (400-700 нм) с оптическими осями, обращенными на выходное отверстие корпуса, и подключенными к источнику питания. По меньшей мере, на двух внутренних боковых стенках вогнутого корпуса выполнен каскад образующих террасы продольных пластин из теплопроводного материала, создающих ребра внутреннего радиатора кондуктивного теплоотвода. Продольные пластины находятся в тепловом контакте со стенками корпуса и обращены плоской частью к выходному отверстию. На каждой пластине установлены в тепловом контакте линейные платы (линейки), преимущественно платы с алюминиевым основанием с мощными светодиодами или светодиодные модули, или отдельные светодиоды, которые подключены последовательно или параллельно-последовательными цепочками к источнику питания.
Недостатками устройства является то, что оно не обеспечивает изменения времени и спектра освещения по фазам развития растений и не способно подстраивать данные параметры под определенные виды культур при гидропонном выращивании растений.
Техническим результатом настоящей полезной модели является автоматизированное управление изменением спектров света и интенсивности освещения по фазам развития различных растительных культур, а также снижение энергопотребления.
2
Технический результат достигается тем, что автоматизированный светодиодный светильник для гидропонных установок, содержащий корпус с выходным отверстием, перекрытым оптически прозрачным защитным стеклом с установленными внутри линейной платой с собранными на ней группами светодиодов, согласно полезной модели, группы светодиодов состоят из синего, красного и зеленого спектров, обеспечивающих растения световым потоком в 10000 лм интенсивностью 150-220 Вт/м, светильник содержит блок управления группами светодиодов, выполненный в виде программируемого реле с установленными индивидуальными программами управления спектром света, его интенсивностью и продолжительностью по времени в зависимости от средней фазы развития выращиваемых растений в течение вегетационного периода от посева семян до наступления технической спелости, при этом каждая группа светодиодов с помощью проводов соединена с программируемым реле, программируемое реле соединено проводами с монитором, на экран которого выведена текстовая и графическая информация о заложенных программах управления факторами освещения по каждому виду культур, при этом блок управления соединен проводами с блоком питания с напряжением 12 вольт, обеспечивающим преобразование переменного тока сети в постоянный, монитор установлен на наружной стенке корпуса и обеспечивает управление факторами освещения при выращивании выбранной культуры на гидропонной установке.
Большинство современных систем искусственного освещения растений используют натриевые, газоразрядные или люминесцентные лампы, которые имеют четко заданный нерегулируемый спектр света. Однако современные светодиоды не только работают во всех спектрах видимого диапазона оптического спектра, но и позволяют выбирать отдельные спектры и индивидуально настраивать их интенсивность. Таким образом, путем составления комбинации из светодиодов разных групп можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне. Кроме того, светодиоды имеют низкое энергопотребление, более высокий срок службы, низкое теплоизлучение и направленное световое воздействие.
2
Из источника информации Бахарев И. «Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы» известно, что для искусственного выращивания растений оптимальным является световой поток интенсивностью 150-220 Вт/м, со следующим распределением света по спектру: 30% - в синей области (380-490 нм), 20% - в зеленой (490-590 нм) и 50% - в красной области (600-700 нм). Однако различные культуры по фазам развития требуют разное количество света каждого спектра. Таким образом, настроив освещение для каждой культуры в соответствие с ее запросами, мы можем повысить урожайность и сократить сроки вегетации растений.
На фиг.1 показана схема светодиодного светильника.
Устройство содержит:
металлический корпус 1, имеющий выходное отверстие, перекрытое оптически прозрачным защитным стеклом;
набор светодиодов трех спектров, разделенных на группы: синий, красный и зеленый;
линейную плату 2 с группами светодиодов, установленную внутри корпуса;
блок управления группами светодиодов 7, выполненный в виде программируемого реле (на чертеже не показано) с установленными индивидуальными программами управления спектром света, его интенсивностью и продолжительностью по времени в зависимости от средней фазы развития выращиваемых растений в течение вегетационного периода от посева семян до наступления технической спелости, при этом каждая группа светодиодов 3, 4, 5 с помощью проводов 6 соединена с программируемым реле;
программируемое реле соединено проводами с монитором 9, на экран которого выведена текстовая и графическая информация о заложенных программах управления факторами освещения по каждому виду культур;
блок управления 7 соединен проводами с блоком питания 8 с напряжением 12 вольт, обеспечивающим преобразование переменного тока сети в постоянный;
дисплей (монитор) 9 установлен на наружной стенке корпуса 1 и обеспечивает управление факторами освещения при выращивании выбранной культуры на гидропонной установке.
Работа автоматизированного светодиодного светильника осуществляется следующим образом.
Светильник 1, расположенный в корпусе, устанавливается внутри известного гидропонного устройства для выращивания растений на высоте 30-50 см, например, ПГС-1-3 ООО «Промгидропоника» либо является одним из элементов освещения конвейерной гидропонной установки (патент РФ №2592119). Устройство рассчитано на освещаемую площадь в 1 кв. м.
2
Автоматический светодиодный светильник 1 содержит набор светодиодов трех спектров (синий, красный, зеленый) 3, 4, 5, обеспечивающих растения световым потоком в 10000 лм интенсивностью 150-220 Вт/м.
Нами экспериментально установлено и обосновано количество светодиодов в группах для обеспечения требуемой интенсивности и светового потока, необходимых и достаточных для фотосинтетического потенциала растений.
2
2
Для освещения растений необходима интенсивность в 150-220 Вт/м, что соизмеримо с освещенностью для ламп накаливания или газоразрядных ламп. Эмпирически коэффициент перевода интенсивности для светодиодов составляет 8, что эквивалентно 19-28 Вт/м.
2
Исходя из этого произвели расчет количества светодиодов, необходимых для освещения 1 м, по следующей формуле по интенсивности:
s
где n - количество светодиодов определенного спектра;
2
W - интенсивность освещения, Вт/м;
n
w - номинальная мощность 1-го светодиода, Вт;
s
d - минимальная доля данного спектра по фазам развития различных культур.
2
Расчет производили для светодиодов LEDAm1W-A120 (таблица 1). Таким образом, минимальное необходимое число светодиодов при номинальной мощности освещения 1 Вт, интенсивности освещения 28 Вт/м, долях зеленого спектра - 1, красного - 0,6 и синего - 0,4 составило:
1. красный - 17;
2. синий - 11;
3. зеленый - 28.
Расчет количества светодиодов по световому потоку провели по следующей формуле:
s
где n - количество светодиодов, шт.;
Q - интенсивность светового потока в течение дня;
n
q - световой поток, излучаемый светодиодом, ли/ч;
t - минимальное время работы светодиода в течение дня, ч.
Расчет по световому потоку принимали исходя из следующих параметров: необходимый световой поток - 10000 лм. Время освещения - 14 ч. Уровень светового потока каждого светодиода из таблицы 1 принимали за минимально возможный. В результате необходимое число светодиодов составило:
1. красный - 17.
2. синий - 22.
3. зеленый - 18.
Финальное значение светодиодов брали по максимальному значению их расчета по интенсивности и световому потоку. Таким образом, освещение автоматизированной установки состоит из трех блоков светодиодов, объединенных по спектрам освещения:
1. 17 красных светодиодов LED625AmlW-A120.
2. 22 синих светодиодов LED470AmlW-A120.
3. 28 зеленых светодиодов LED515AmlW-A120.
Блок управления 7 содержит программируемое реле и монитор 9. Нами предлагается использование программируемого реле для дискретных локальных систем ОВЕН ПР110. Программы управления факторами освещения для различных видов растений, выращиваемых на гидропонных установках, разработаны нами по экспериментальным данным с учетом биологических особенностей вегетативных фаз развития. Факторами управления являются подаваемый спектр света, его интенсивность и продолжительность по времени средней фазы развития растений в течение вегетационного периода от посева семя до наступления технической спелости. Составленные программы написаны на языке совместимой с реле (например, среда OWEN Logic).
Управление выращиванием производится по программам, которые записаны в блок управления 7. Выбор программы осуществляется через связанный с блоком управления монитор 9. Реле блока управления обладает собственными логическими таймерами, которые «считают» продолжительность фазы развития растений по дням от начала выращивания до технической спелости выращиваемой растительной культуры и суточное изменение цикла и интенсивности освещения в каждую фазу роста. В соответствии с программой реле осуществляет подачу напряжения с блока питания 8 на светодиодные группы 3, 4 и 5, установленные на плате 2. Регулирование подаваемого напряжения на них по таймеру обеспечивает установленные изменения спектра и интенсивности освещения по фазам роста растений.
Пример 1. Произвели сравнительное выращивание в гидропонной установке салата листового с использованием автоматического светодиодного светильника по программе (таблица 1) и стандартных LED ламп для растений в течение 14 часов в сутки. Результаты исследования отображены в таблице 3.
В результате применения автоматизированного светодиодного светильника техническая спелость салата достигается на 5 дней раньше, урожайность повышается на 17%. Так же автоматизация процесса позволяет сократить годовое энергопотребление при выращивании растений на 44%.