УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ БЛОКОМ СВЕТОДИОДОВ

Заявляемое техническое решение (полезная модель) относится к области сельского хозяйства и, в частности, к искусственному светодиодному освещению растений в закрытых помещениях.
Известны светодиодные светильники для теплиц, в которых регулируется направление угла засветки растения в зависимости от стадии роста (возраста) растения [1, 2].
Недостатком известных светильников для теплиц является неучет спектра излучения, которым обеспечивается повышение урожайности растений, а также неучет вклада естественного освещения растений в теплице.
Известно устройство на основе светодиодов для освещения растений, включающее светодиоды белого и ультрафиолетового участков спектра и блок управления с отдельными выходами регулирования уровня излучения светодиодов каждого участков спектра отдельно в зависимости от этапа развития и вида растений, при этом интенсивность излучения ультрафиолетовых и белых светодиодов находятся в заданном соотношении [3].
В известном устройстве решается задача оптимизации спектра излучения при освещении растений в теплицах, но естественное освещение при этом не учитывается, что приводит к неоптимальным энергозатратам и созданию неоптимальных условий для выращивания растений в закрытом грунте. Полезная модель по патенту РФ №107020 выбирается в качестве ближайшего аналога.
Техническим результатом, на достижение которого направлено создание заявленной полезной модели, является создание условий по длительности освещения, его интенсивности и спектру, приближенных к местам естественного произрастания выращиваемого в закрытом помещении растения на каждой стадии его роста и оптимизация энергозатрат за счет учета интенсивности и продолжительности естественного освещения в закрытом помещении.
Сущность заявленной полезной модели поясняется фигурами 1-3, на которых представлены:
фиг. 1 - график изменения высоты Солнца на разных широтах; фиг.2 - зависимость суммарного среднемесячного излучения Солнца от широты местности;
фиг. 3 - функциональная схема заявленного устройства, где приняты следующие обозначения:
1 - блок измерения текущих значений параметров освещенности в закрытом помещении;
2 - блок задания значений интенсивности освещенности и ее спектра на заданной стадии развития растения, характерных для места естественного произрастания растения;
3 - блок формирования управляющего сигнала на включение светодиодов;
4 - блок светодиодов.
Заявленная полезная модель работает следующим образом.
Значения интенсивности освещенности и ее спектра на заданной стадии роста растения для места его естественного произрастания рассчитываются исходя из следующих параметров.
Продолжительность дня в течение года меняется по периодическому закону и в зависимости от географической широты местности. Часовой угол Δλ, восхода и захода Солнца вычисляется по формуле
где ϕ - географическая широта местности, а δ - склонение Солнца, которое равномерно меняется в течение года.
Интенсивность освещения Солнцем поверхности Земли также меняется по определенному закону. Интенсивность освещения какой-либо поверхности определяется как количество световой энергии, падающей на единицу площади этой поверхности в одну секунду.
Освещенность единицы площади поверхности ΔS Земли лучами Солнца в пределах видимого диапазона длин волн от 0,38 мкм до 0,76 мкм с учетом наклона освещаемой площадки относительно горизонта, определяется по закону:
0C
где γ - угол наклона облучаемой поверхности относительно горизонта, ,  - единичный вектор направления на Солнце и единичный вектор нормали к освещаемой площадке ΔS, для горизонтальной поверхности ; E=13300 лк - освещенность плоскости, перпендикулярной к лучам Солнца на границе атмосферы; Р, С - коэффициенты, характеризующие прозрачность и рассеяние в атмосфере, соответственно. Для средних значений параметров стандартной атмосферы P=0,734, С=0,48.
Высота Солнца h0 в каждый момент времени определяется по формуле:
0
0
0
где Δλ=λ-λ - разность долгот Солнца λ и наблюдателя λ (часовой угол). Разность долгот Δλ (градус) связана с местным временем τ, соотношением Δλ=180-15τ, где τ - время в часах и его долях. Значения τ и ϕ могут быть определены с помощью GPS, а δ - склонение Солнца, которое равномерно меняется в течение года, вычисляется по формуле (1). Подставляя эти значения в уравнение (3) находим высоту Солнца в данный момент времени. Затем подставляются значения h, γ и параметров Р и С, характерных для места произрастания данного вида растения, в уравнение (2) и рассчитывается освещенность единицы поверхности Земли.
Изменение высоты Солнца на разных широтах представлено на фиг. 1. Зависимость суммарного среднемесячного излучения Солнца от широты местности представлена на фиг.2.
Приведенные зависимости и графики, связывающие широту места естественного произрастания растения, выращиваемого в закрытом грунте, с интенсивностью солнечного освещения, а также известные средние значения интенсивности солнечного излучения по месяцам, позволяют задать расчетные значения интенсивности солнечного излучения, характерные для каждого растения в местности его естественного произрастания для каждой стадии его роста. Блок 2 задания значений интенсивности освещенности, ее спектра на заданной стадии роста растения, характерных для места естественного произрастания растения (блок 2) может быть выполнен на основе запоминающего устройства, в котором записаны для каждой стадии роста растения значения интенсивности и спектры освещенности с привязкой к диапазону широт, на которых выращиваемое растение произрастает в естественных условиях.
Если для данной сельскохозяйственной культуры исходя из агротехнических условий известны значения интенсивности освещенности, ее спектра и периодичности суточного освещения на весь период выращивания, они вводятся в блок управления. При неизвестности таких значений необходимая освещенность для данного вида растения рассчитывается по уравнению (2), с учетом широты и природно-климатических условий местности естественного произрастания растения.
Спектры освещенности также могут задаваться применительно к каждой стадии роста, исходя из следующего.
Спектральные области света имеют следующие физиологические значения для растений:
- 320-400 нм (ультрафиолетовый) - регуляторная роль, необходимо несколько процентов;
- 400-500 нм (синий) - необходим для фотосинтеза и регуляции;
- 500-600 нм (зеленый) - полезен для фотосинтеза оптически плотных листьев, листьев нижних ярусов, густых посевов растений благодаря высокой проникающей способности;
- 600-700 нм (красный) - ярко выраженное действие на фотосинтез, развитие и регуляцию процессов;
- 700-750 нм (дальний красный) - ярко выраженное регуляторное действие, достаточно несколько процентов в общем спектре.
Для простоты рассмотрения достаточно свести многообразие спектра к трем основным составляющим - красный, синий и зеленый с тем, чтобы обеспечивать условия необходимые для формирования растения на каждой стадии его роста.
На величину естественной освещенности большое влияние оказывает характер облачности. Наличие облачности вызывает значительное увеличение рассеянного излучения.
В связи с этим при конструировании устройства управления блоком светодиодного освещения учитывается закономерность освещения поверхности земли на данной широте. Например, широта местности, на которой располагаются города Москва, Нальчик и Тель-Авив составляет 55,5°, 43,5° и 32,0°, соответственно. С учетом этого в блоке 2 заданные значения формируются на основе изменения длительности дневного и ночного времени суток и интенсивности освещения растения на данной широте в течение года. С учетом этих зависимостей автоматически корректируется интенсивность облучения данного вида растения от стадии рассады до полного созревания растения или плода независимо от времени года, то есть можно выращивать любой вид растения в любое время года.
Текущие значения параметров освещенности в блоке измерения текущих значений параметров освещенности в закрытом помещении (блок 1) определяются при помощи известных средств. Это, в частности, может быть многозональный датчик освещенности [4, 5], фоторезистор и т.п..
В блоке формирования управляющего сигнала (блок 3) формируется сигнал на подключение определенного количества светодиодов, дающих излучение определенного спектра, с тем, чтобы приблизить реальные параметры освещенности в закрытом помещении к тем, которые задаются блоком 2 и поддержание которых обеспечивает оптимальные условия для развития растения. Доведение текущих значений интенсивности освещенности и его спектрального состава в закрытом помещении до требуемых обеспечивает оптимальный режим расхода электроэнергии за счет формирования управляющего сигнала в блоке 3 на основании разности значений на выходе блока 2 задания значений интенсивности освещенности и ее спектра на заданной стадии развития растения, характерных для места естественного произрастания растения, и текущих значений параметров освещенности в закрытом помещении, измеряемых блоком 1.
Светодиоды различной мощности работающие в диапазоне от 400 до 840 нм выпускаются отечественными и зарубежными производителями.
Список источников, использованных при составлении описания
1. Патент РФ №123114 на полезную модель «Светодиодный светильник для теплиц с автоматческим изменением угла засветки», МКИ F21V 7/00, опубл. 20.12.2012.
2. Патент РФ №123902 на полезную модель «Светодиодный светильник для теплиц с ручным изменением угла засветки», МКИ F21V 7/00, опубл. 20.12.2012.
3. Патент РФ №107020 на полезную модель «Светодиодная система освещения растений (варианты)», МКИ А01G 9/00, F21S 2/00 опубл. 10.08.2011.
4. Малогабаритные оптоволоконные спектрометры, со спектральным диапазоном 200-1100 нм. https://oceanoptics.ru/spectrometers/223-usb4000.html
5. Патент РФ №162921 на полезную модель «Измеритель уровня освещенности», МКИ А01G01J 1/42, F21S 2/00, опубл. 27.06.2016.
6. Патент РФ №153425 на полезную модель «Светильник для теплиц», МКИ А01G 9/00, F21S 2/00, опубл. 20.07.2015.