Светодиодная фитоустановка
LED PHYTOINSTALLATION

Изобретение относится к области светотехники и нацелено на решение задачи выращивания овощных и зеленых культур, увеличение хозяйственного урожая в условиях промышленных сооружений защищенного грунта, снижение сроков подготовки рассады, проведение экспериментов с растениями в условиях фитотронов и снижение затрат электрической энергии.
Известна светодиодная осветительная установка с изменяемой светоцветовой средой, включающая, по крайней мере, один светильник, состоящий из корпуса, на задней стенке которого расположены основные светодиодные модули, излучающие белый свет и объединенные в группы, а также драйвера питания и блок управления. В корпусе светильника размещены дополнительные светодиодные модули, излучающие свет с длинами волн соответствующими красному, зеленому, синему, желтому, фиолетовому цветам, а также ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, объединенные в группы по цветам и излучениям и соединенные с многоканальным управляемым драйвером питания (RU 159034, МПК F21K 99/00, опубл. 27.01.2016).
Недостатками известного устройства являются:
- наличие светодиодов, излучающих в ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра могут отрицательно влиять на биохимические процессы светокультур;
- в описании указано в качестве одного из назначений установки - облучение растений, но цель и сущность этого назначения не раскрыта;
- осветительная установка включает диффузный (или призматический) рассеиватель, что ограничивает эффективность использования светодиодных модулей и требует корректирующих настроек для получения требуемых спектров;
- в светодиодной осветительной установке используется датчик цветовой температуры, который не позволяет измерять спектр излучения светильника.
Известен светильник, содержащий набор светодиодов с различными спектрами и различной мощности. Использованы светодиоды 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 светодиодов отдельных типов (RU 2692648, МПК A01G 9/20, A01G 7/04, H05B 33/00, опубл. 25.06.2019).
Недостатками известного устройства являются:
- отсутствует возможность регулирования плотности потока излучения светодиодов как отдельно, так и в группе;
- отсутствует возможность получения обратной связи от источника питания;
- указанный диапазон мощности используемых светодиодов, не позволяет оценить энергетическую эффективность установки
- спектр излучения светодиодов в светильнике не позволяет сформировать эффективный фотосинтетический поток излучения, поскольку отсутствуют светодиоды в дальне красной области спектра.
Известен светодиодный фитооблучатель для выращивания томата, предназначенный для выращивания томата, выполненный из светильников, содержащих набор светодиодов с различными спектрами излучения. Использованы светодиоды типов синий 434…450 нм, красный 630…632 нм и 660…670 нм, дальний красный 730…735 нм и белый (максимум переизлучения в диапазоне 500…600 нм). Распределение мощности излучения по областям спектра составляет синий 15-20%, зеленый 15-20%, красный 50-55%, дальний красный 10-15% (RU 2695812, МПК F21K 99/00, опубл. 30.07.2019).
Недостатками известного устройства являются:
- ограниченность назначения установки лишь для выращивания сортов томата;
- не представлена эффективность облучения отдельных светодиодов;
- не представлена мощность установки, хотя говорится о низком энергопотреблении;
- ток, а соответственно световой поток светодиодов не может изменяться, что не позволяет оптимизировать спектр излучения в процессе роста растений.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является светодиодный универсальный фитооблучатель, включающий группы светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой группы и блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения, имеющий компьютер, датчик, имеет корпус, на котором закреплен блок из четырех групп светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой их линейки, защитный экран от пыли и влаги, выполненный из полупрозрачного тонкостенного поликарбоната или стекла и герметично закрепленного на корпусе над светодиодными группами, закрепленный на корпусе датчик температуры, связанным с контроллером, отслеживающим его температурный режим, и систему теплоотвода, выполненную в виде канала-змеевика, проточенного на внутренней стенке корпуса, герметично закрытого крышкой и связанного трубками с системой жидкостного охлаждения. Фитооблучатель снабжен линейками светодиодов белого диапазона цветовой температуры излучения 4000 К, выполненными на основе кристаллов синего 440-460 нм, покрытых люминофором с максимумом переизлучения, происходит добавление зеленой области спектра 535-570 нм (RU 2744302, МПК A01G 9/24, опубл. 05.03.2021).
Недостатками известного устройства являются:
- наличие сложной системы теплоотвода с применением жидкостного охлаждения;
- ограниченность спектрального диапазона облучения использованием белых светодиодов с цветовой температурой 4000 К;
- отсутствие контроля уровня облученности и спектрального состава излучения;
- невозможность регулировать условия облучения без использования ПК, планшета или телефона.
Проведенные в последние годы исследования по влиянию спектрального состава излучения на растения говорят о том, что квазимонохроматический спектральный состав излучения не полностью раскрывает заложенный в растения потенциал. Также отмечается негативное влияние на орган зрения работающего персонала источников, имеющих монохроматическое излучение только в синей и красной областях спектра. Указанный недостаток устранен в предлагаемом изобретении применением светодиодов полного спектра.
Техническим результатом является создание светодиодной фитоустановки, предназначенной для выращивания овощных и зеленых культур в сооружениях защищенного грунта с возможностью адаптации режима облучения под потребности выращиваемой культуры и обеспечение естественный системы теплоотвода от светодиодных модулей без применения жидкостного охлаждения, увеличение спектрального диапазона облучения путем использования белых светодиодов с цветовой температурой 5000 К, наличие средств контроля уровня облученности и спектрального состава излучения, возможность регулировки условий облучения в ручном и автоматическом режимах.
Сущность изобретения заключается в том, что светодиодная фитоустановка включает фитооблучатель с группой светодиодов с регулируемым спектром излучения, имеющий корпус, источник питания, защитный экран, блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения, блок контроля облученности, компьютер. На корпусе фитооблучателя закреплены модули светодиодов с регулируемым спектром излучения каждого из них, имеющих линзы на каждом светодиоде для перераспределения светового потока, блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения, включающий интерфейсный модуль DALI, блок питания DALI и панель управления DALI, блок контроля облученности в виде спектрорадиометра, и корпус, имеющий внутреннее оребрение. Также в корпусе выполнены каналы для отвода тепла конвекционными потоками от внутреннего оребрения, расположенные сверху и снизу корпуса в шахматном порядке.
На фиг.1 представлен фитооблучатель (вид снизу); на фиг.2 представлен фитооблучатель (главный вид с поперечным разрезом А-А); на фиг.3 представлена блок-схема светодиодной фитоустановки; на фиг.4 представлен пример сценариев облучения выращиваемой культуры.
Светодиодная фитоустановка включает фитооблучатель 1 (фиг.1, 2) с группой светодиодов 2 с регулируемым спектром излучения, имеющий корпус 3, источник питания 4, защитный экран 5 из прозрачного темперированного стекла, предохраняющий внутреннюю часть фитооблучателя от проникновения пыли и влаги, блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения 6, блок контроля облученности 7, компьютер 8. На корпусе 3 фитооблучателя 1 закреплены модули 9 светодиодов 2 с регулируемым спектром излучения каждого из них, имеющих линзы 10 на каждом светодиоде 2 для перераспределения светового потока. Светодиодная фитоустановка включает блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения 6 (фиг.3), состоящий из интерфейсного модуля DALI 11, блока питания DALI 12 и панели управления DALI 13. Блок контроля облученности в виде спектрорадиометра 7. Корпус 3, выполняющий одновременно функции радиатора, имеет внутреннее оребрение 14 и каналы 15 для отвода тепла конвекционными потоками от внутреннего оребрения 14, расположенные сверху и снизу корпуса 3 в шахматном порядке.
Светодиодная фитоустановка работает следующим образом.
В фитооблучателе 1 используются мощные светодиоды 2 с мощностью до 5,5 Вт, работающие в оптимальном для них режиме мощности до 2,1 Вт. Данный режим работы обеспечивает высокий эффективный поток единичного светодиода при высокой эффективности и достаточно низкой температуре на кристалле, что обеспечивает высокую надежность и высокий срок службы.
Светодиоды 2 комплектуется линзами 10 для формирования различных видов кривой силы излучения.
Используются светодиоды 2, излучающие в областях спектра, наиболее эффективно обеспечивающих протекание как фотосинтеза (так называемые «синее» - 400-500 нм и «красное» излучение - 600-700 нм), так и оказывающие морфогенетическое действие («дальне красное» - 700-800 нм). Соответственно, первый канал составляют светодиоды с доминирующей длиной волны 450 нм и эффективностью 2,2 мкмоль/Дж, второй - 660 нм и   2,9 мкмоль/Дж, третий - 730 нм и 2,17 мкмоль/Дж, четвертый - белые светодиоды с цветовой температурой 5000°К и индексом цветопередачи - 70. Максимальная мощность одного фитооблучателя - 150 Вт.
Каждый тип светодиодов 2 смонтирован на модуле 9, который запитан от источника питания 4 постоянного тока.
В качестве источника питания 4 используется источник стабилизированного тока с возможностью настройки величины выходного тока, функцией поддержания постоянного светового потока и с возможностью диммирования.
Блок управления интенсивностью и спектральным составом   излучения 6, включающий интерфейсный модуль DALI 11, блок питания DALI 12 и панель управления DALI 13, обеспечивает плавное регулирование плотности потока излучения каждого модуля 9 светодиодов 2 от 0 до 100%, позволяет изменять спектральный состав, а также возможность получения обратной связи от источника питания 4. Блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения 6подключается к компьютеру 7 для управления и гибкой настройки, лучшей визуализации и сохранения результатов.
Блок контроля облученности в виде спектрорадиометра 7 контролирует уровень естественной освещенности и автоматически регулирует уровень искусственной освещенности (облученности) с целью поддержания заданного значения. Тем самым обеспечивается максимальное использование энергии солнечного излучения и экономия электрической энергии. Также блок контроля облученности в виде спектрорадиометра 7 позволяет регистрировать уровень облученности в эффективных единицах и единицах световой системы, спектральную плотность потока излучения, облученность в отдельных областях спектра, сохранять результаты на жесткий диск компьютера 8.
Специально спроектированный корпус 3 фитооблучателя имеет внутреннее оребрение 14 и каналы 15, расположенные сверху и снизу корпуса 3 в шахматном порядке, служащие для отвода тепла конвекционными потоками от внутреннего оребрения 14.
2
Пример. Возможна подготовка различных сценариев облучения, которые могут активироваться как в ручном, так и в автоматическом режимах. Сценарий облучения готовится с учетом видовых особенностей выращиваемой культуры и с учетом ее потребностей на конкретном этапе развития. На фиг.4 представлены 3 возможных сценария облучения для огуречной культуры облученностью 200±10 мкмоль/с⋅м при соотношениях долей синего, зеленого и красного излучений в спектрах 20:30:50 (%) с разным содержанием уровня «дальне красного» излучения (линия 730 нм) - 30% (серая кривая), 50% (оранжевая кривая) и 70% (синяя кривая).
По сравнению с известным решением заявленное изобретение позволяет создать светодиодную фитоустановку, предназначенную для выращивания овощных и зеленых культур в сооружениях защищенного грунта с возможностью адаптации режима облучения под потребности выращиваемой культуры, а также позволяет обеспечить естественную систему теплоотвода от светодиодных модулей без применения жидкостного охлаждения, увеличение спектрального диапазона облучения путем использования белых светодиодов с цветовой температурой 5000 К, наличие средств контроля уровня облученности и спектрального состава излучения, возможность регулировки условий облучения в ручном и автоматическом режимах.