СИСТЕМА ИСКУССТВЕННОГО ФИТООСВЕЩЕНИЯ
ARTIFICIAL PHYTO-LIGHTING SYSTEM

Настоящее изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к выращиванию растений и рассады в условиях парников или теплиц, в частности к способам и устройства для изменения условий выращивания растений и рассады с использованием светового воздействия на них и досветки для стимулирования роста.
Известна интеллектуальная система производства бытовых растений. Бытовая производственная система интеллектуального типа включает шкаф, оснащенный гидропонным устройством, автоматической системой циркуляции питательного раствора, системой кондиционирования воздуха, системой дополнительного искусственного освещения и интеллектуальной системой управления. Шкаф включает светлую комнату, темную комнату, нижний слой и заднюю прослойку. Система дополнения искусственного света включает пластину источника света для установки, состоящую из красного светодиода, синего светодиода и зеленого светодиода. Система подходит для широких сортов растений и значительно увеличивает урожайность (Заявка № WO2012100482 (A1) ― 2012-08-02).
Однако известная интеллектуальная система, не смотря на наличие дополнительного искусственного света, не предназначена для её использования в более открытом пространстве без наличия шкафа со светлой и темной комнатами.
Известен метод фруктового и овощного культивирования с использованием системы освещения зеленым светом во время периода роста до опыления от образования цветочных почек до вегетационного периода, в котором указана интенсивность, частота, длительность облучения (Патент № JP5364163. Опубл. 2013-12-11).
Однако в известном изобретении используют интенсивность облучения зеленым цветом, без оптимального баланса цветов: синего, красного, дальнего красного, светодиодов, кроме того метод не предусматривает использование вторичной оптики для точной концентрации светового потока на зону облучения.
Известна система выращивания растений, которая включает в себя: первый источник света для облучения растения красным светом; второй источник света для излучения дальнего красного света на растение; часть управления, которая управляет операциями облучения первого источника света и второго источника света; и часть установки времени, которая устанавливает часовой пояс, в котором часть управления управляет излучением первого источника света и второго источника света. Часть установки времени разработана таким образом, что первый источник света начинает излучение красного света перед закатом; и второй источник света начинает излучение дальнего красного света после облучения красным светом (Заявка публ. № US 2012/0075848. Опубл.  03-29-2012).
Однако известное изобретение не позволяет выработать оптимальный баланса цветов светодиодов и точной концентрации светового поток на зону облучения.
Известна система для межрядковой досветки тепличных растений, включающая линейный облучатель, снабженный набором из, по меньшей мере, двух сменных светопреобразующих элементов, средствами крепления облучателя над тепличными растениями и средствами изменения положения облучателя по высоте и углу наклона; при этом облучатель включает несущий корпус, выполненный в виде протяженной профилированной детали из теплопроводящего материала, имеющий боковые стенки, сопряженные с основанием, и снабженный торцевыми крышками; по крайней мере, одну печатную плату с, по крайней мере, одним светоизлучающим диодом с максимумом излучения в диапазоне 430-470 нм, размещенную на основании корпуса и снабженную выводом для подключения к питающему напряжению, при этом корпус снабжен отверстием для упомянутых выводов; отражатель, представляющий собой протяженную деталь с боковыми стенками и основанием, при этом отражатель и торцевые крышки выполнены из материала или покрыты материалом, имеющим коэффициент диффузного отражения 0,95-0,99, имеющий в поперечном сечении форму трапеции и установленный в корпусе своим основанием на печатной плате со светодиодами, при этом основание отражателя снабжено прорезями для размещения светодиодов; средства герметизации внутреннего пространства облучателя, и средства крепления в корпусе светопреобразующего элемента, торцевой крышки, платы со светодиодами, отражателя; а светопреобразующие элементы закреплены в корпусе на расстоянии от диодов и выполнены из оптически прозрачного материала с нанесенным на его внутреннюю и/или внешнюю поверхности слоем, содержащим диспергированные частицы с максимумами пиков флуоресценции в диапазоне длин волн 600-680 нм и полушириной в диапазоне 50-180 нм, при этом светопреобразующие элементы выполнены с разными максимумами пиков флуоресценции (Патент № 2565724. Опубл. 20.10.2015)
Однако известная система не позволяет выработать оптимальный баланса цветов светодиодов в светильниках для повышения урожайности и точной концентрировать световой поток на зону облучения, с учетом комфортности работы персонала.
Известна светодиодная система для облучения меристемных растений содержащая светодиоды белого, красного и синего спектра излучения, соединенные с управляющим блоком питания, а также отражающие экраны, расположенные вдоль ряда выращиваемых растений, с возможностью изменения их угла наклона. Система облучения также содержит датчик температуры, установленный в зоне выращивания растений, соединенный с регулятором температуры, выход которого связан с нагревательными элементами, расположенными на отражающих экранах (Патент RU127286. Опубл. 27.04.2013).
Однако известная система не позволяет выработать оптимальный баланса цветов светодиодов и точной концентрации светового поток на зону облучения.
Техническим результатом является выработка оптимального баланса цветов светодиодов в светильниках для повышения урожайности, путем использования в светодиодных светильниках асимметричных линз, точно концентрирующих световой поток на зону облучения, с учетом комфортности работы персонала.
Поставленный технический результат достигается тем, что в системе искусственного фитоосвещения, содержащей светодиодные светильники, размещение под ними растений, воздействие светоизлучения на них, растения размещают рядами, которые располагают со смещением друг относительно друга, линейный светодиодный фитосветильник, подвешивают по вертикали над  первым рядом, при этом  линейный светодиодный фитосветильник выполняют в виде протяженного светодиодного модуля, в котором смонтированы светодиоды на алюминиевой плате основных трех спектров излучения: синего, красного и дальнего красного в соотношении 1:3:1, поверх каждого из упомянутых светодиодов установлена вторичная оптика в виде линзы, создающая асимметричное распределение светового потока, алюминиевую плату размещают внутри алюминиевого корпуса, оснащенного ребрами, в котором располагают источник питания.
Целесообразно, для влияния времени наступления и длительности фазы цветения, использовать светодиоды длиной волн: синего - 460 - 480 нм, красного 650 - 670 нм и дальнего красного – 710 - 740 нм.
Целесообразно для создания, ориентации и концентрации асимметричного светового потока над зоной интереса в качестве вторичной оптики использовать асимметричные линзы, которые, монтируют на светодиоды.
В варианте выполнения изобретения типы светодиодов и их соотношение обуславливают пиками поглощения светового излучения.
Настоящее изобретение поясняют подробным описанием, схемами, на которых:
Фиг. 1 - показывает главный вид и вид сверху расположения рядов грядок, светодиода, световой поток, ограниченный вторичной оптикой (показа крестом), и прохода между рядами с иллюстрацией асимметричного распределения светового потока;
Фиг. 2 - показывает фотометрические данные асимметричного распределение светового потока светодиода со вторичной оптикой;
Фиг. 3 - характеризует главный вид и вид сверху расположения рядов грядок, светодиода, без вторичной оптики, и прохода между рядами с иллюстрацией кругового распределения светового потока;
Фиг. 4 - показывает фотометрические данные распределение светового потока светодиода без вторичной оптики;
Фиг. 5 - показаны светодиоды, смонтированные на алюминиевой плате;
Фиг. 6 - показывает линзованный светодиод, при использовании, которого не требуется вторичной оптики;
Фиг. 7 – показывает внешний вид асимметричной вторичной оптики (линзы), устанавливаемой над каждым светодиодом;
Фиг. 8 - показывает аксонометрию светильника, рекомендуемого к применению;
Фиг. 9 - характеризует структурную схему светильника оптимального спектра свечения светодиодов для растений и расположение цветов светодиодов;
Фиг. 10 - показывает цвета свечения диодов;
Фиг. 11 - показывает спектр поглощения хролофилла А и Б,в поглощении солнечного света в естественных условиях, составляющих зеленый пигмент. Соотношение хлорофиллов соответствует пропорции 3(хлорофилл-А):1 (хлорофилл Б).
Система искусственного фитоосвещения (далее система) осуществляется следующим образом.
Растения выращивают в емкостях в почвенной культуре. Емкости размещают на подставках в виде грядок или грядках (далее грядки), которые располагают  рядами 1, 2 со смещением друг относительно друга по высоте и ширине (Фиг. 1, 3). Грядки 2 (показана одна) размещают аналогично грядкам 1. Между грядками 1 и 2 оставляют проход 3 для обслуживающего персонала. Над грядками 1 и 2 аналогично, подвешивают линейный светодиодный фитосветильник по вертикали над первым рядом, который расположен на горизонтальной поверхности (земля, пол). Светодиодный фитосветильник оснащен светодиодами 4. Поверх каждого из упомянутых светодиодов 4 устанавливают вторичную оптику 6 в виде линз, создающую ассиметричное распределение светового потока 7. Линзы с ассимметричным распределением светового потока, устанавливают над каждым светодиодом 4 и ориентируют соответствующим образом. На фигуре 2 представлен график, иллюстрирующий фотометрические данные, характеризующий области концентрации и увеличения светового потока 7 над грядками и его уменьшение в проходе 3. В вертикальной плоскости (красная кривая 7а на графике) распределение светового потока равномерное с углом раскрытия 75 град. относительно светодиода. В горизонтальной плоскости (синяя кривая 7б на графике) распределение светового потока асимметричное с максимумом по одной стороне под углом 40 град. и мощным световым потоком в диапазоне 5 – 50 град. относительно светодиода. Ненужное излучение с другой относительно центральной оптической оси линзы стороны подавляется и перенаправляется линзой в нужном направлении.
Светодиод 4 (для сравнения) без вторичной оптики 6 изображен на фигуре 3. Световой поток 7 в таком случае распределяется по кругу равномерно в виде круга, захватывая и проход 3 (Фиг. 4). Обе кривые 7а и 7б наложены друг на друга.
В системе линейный светодиодный фитосветильник выполняют в виде протяженного светодиодного модуля, в котором смонтированы светодиоды 4 на алюминиевой плате 8 трех спектров излучения, а именно: синего 9, красного 10 и дальнего красного 11 (Фиг. 5). Основными являются три спектра излучения: синий 9, красный 10 и дальний красный 11. Соотношение трех спектров излучения в системе составляет 1:3:1. Светодиоды 4 могут быть линзованными (Фиг.6). При этом вторичная оптика 6 имеет корпус 13, на котором смонтирована линза 14. Кроме того над каждым светодиодом может быть смонтирована вторичная оптика 6 с асимметричной линзой (фиг. 7). Светодиод 4 с установленной на него линзой и представляет собой систему с вторичной оптикой.
Алюминиевую плату 8 размещают внутри алюминиевого корпуса 15, оснащенного ребрами (Фиг. 8). Для крепления (подвешивания) алюминиевого корпуса 15, его оснащают элементами крепления 16 и 17. В алюминиевом корпусе кроме светодиодного модуля располагают источник питания 18, который включают в сеть с напряжением ~ 220В (Фиг. 9).
Для влияния времени наступления и длительности фазы цветения в системе используют три спектра излучений длиной волн: синего - 460 - 480 нм, красного 650 - 670 нм и дальнего красного – 710 - 740 нм. (Фиг. 10).
При выполнении изобретения типы светодиодов 4 и их соотношение обуславливаются пиками поглощения светового излучения (Фиг.11).  Растения поглощают красный и синий спектр и отражают зеленый. Хлорофилл - красящее вещество листьев и др. органов растений, обусловливающее усвоение растениями углекислоты воздуха (фотосинтез). Вариантов хлорофилла два – А и В. Оба варианта хлорофилла (А и В) - эффективные фоторецепторы, позволяют растению активно поглощать энергию от солнечного света. Различие между вариантами хлорофилла – длина поглощаемых волн. Оба хлорофилла дополняют друг друга в поглощении солнечного света. В естественных условиях соотношение хлорофиллов соответствует пропорции 3 (хлорофилл-А) : 1 (хлорофилл-В). Вместе они составляют зеленый пигмент. Для получения оптимального для растений спектра облучаемого света предлагается схема светильника, показанного на фигуре 10.
Пример использования системы искусственного фитоосвещения.
Для апробации системы искусственного освещения использовались экспериментальные облучатели (светодиодные светильники) 15 как: PW (CLU04H-40/85-РW-01), PRB (CLU04H-40/85-PRB-01) на основе светодиодов 4, а именно: Citizen CLU04H-40/85-PW-01 и CLU04H-40/85-PRB-01 (система chip-on-board). В экспериментальных светильниках использовались асимметричные линзы LEDIL серии STELLA модели FN14976_STELLA-DWC2.
Светодиоды 4 подбирали таким образом, чтобы обеспечить оптимальный спектр для роста и развития растений.
При апробации использовали цветность излучения светодиодов 4 (применяли светодиоды Citizen):
синий 9  - 450 нм,
красный 10 - 660 нм,
дальний красный 11 - 730 нм.
Максимальная облученность (PPFD) на оптической оси светодиодного светильника 15 на расстоянии 50 см была:
синий 9 - 100 мкмоль/c/м²,
красный 10 - 300 мкмоль/c/м²,
дальний красный 11 - 23 мкмоль/c/м²
0
0
2
Растения выращивали в условиях вегетационного опыта в сосудах в почвенной культуре. В качестве почвенной культуры использовали субстрат «Агробалт-С».  Субстрат «Агробалт-С» - почвенная смесь на основе нейтрализованного верхового торфа, заправленного макро- и микроудобрениями. Влажность субстрата поддерживали на уровне 70% ПВ (полив сосудов по весу). Температура воздуха поддерживалась в пределах: 22-23С днем и 18-19С ночью. Длительность фотопериод составляла 18 ч, плотность потока фотонов на уровне верхушек растений 70 – 80 мкмоль / мс. В качестве референсного варианта использовали облучатель с натриевой лампой высокого давления (НЛВД - контроль) Plantastar (производство Osram).
В экспериментах использовали следующие культуры:
1. Огурец Эстафета (на рассаду)
2. Огурец Кассандра (на рассаду)
3. Томат Славянка (на рассаду)
4. Салат «Корн Экспромт» (Уральскитй дачник)
5. Горчица листовая салатная «Красный гигант» (Аэлита)
6. Горчица листовая салатная «Прима» (Гавриш)
7. Руккола «Изумрудная»
8. Салат «Татсой» (Евро Семена)
9. Горчица «8 линия»
10. Салат «Корн Колосок» (Аэлита)
11. Горчица листовая салатная «Аппетитная» (Гавриш)
Повторность опыта была четырехкратная (4 сосуда на вариант светового режима). Продолжительность вегетации составляла 30-35 дней от всходов до уборки.
Проводили соответствующие учеты и наблюдения.
Фенотипирование растений, включало учет площади листьев. Уборка урожая – учет сырой и сухой биомассы, учет площади листьев.
В процессе исследований были использованы следующие общепринятые приборы и оборудование:
2
Весы электронные OHAUS AR5120; до 510 г. (0,01 г) (Китай), весы электронные OHAUS DV214C; до 210 г (0,1 мг) (Швейцария), Фотопланиметр Li-Cor LI-3100C (определение площади листьев) до 0,01 см(США), спектрорадиометр Li-Cor LI-189 (измерение плотности потока фотонов в области ФАР, США), сушильный шкаф Binder (Германия).
Экспериментальный материал был подвергнут статистической обработке (Excel) по салатным зеленым растениям и выращиванию рассады. В таблицах приведены средние и стандартные ошибки.
Пример 1. Салатные зеленые растения.
Выращивание листовых зеленных растений в условиях светокультуры с использованием светодиодных облучателей (СД) позволило обнаружить их преимущества по сравнению с НЛВД (Таблица 1). В первую очередь это относится к реакции растений листовой салатной горчицы. Биомасса урожая у сортов «Красный гигант» и «Прима», была существенно выше при выращивании под СД-облучателями, чем с использованием НЛВД. У сортообразца «8 линия» эта реакция была выражена немного слабее. У растений горчицы сорта «Аппетитная (Гавриш)» существенная разница по сравнению с контролем была только в варианте с PRB. Важно отметить, что и площадь листьев растений в вариантах с СД была больше, чем с НЛВД. При сравнении урожайности растений в вариантах с PRB и PW существенных различий не обнаружено, за исключением сорта «Аппетитная» (Гавриш)», положительно прореагировавшего на последний вариант. Следует отметить, что в вариантах с PRB у растений была несколько меньше толщина листовых пластинок по сравнению с PW. В таблице 1 представлена продуктивность зеленных культур при выращивании в светокультуре с использованием разных облучателей, оснащенных вторичной оптикой. Вторичная оптика позволила сконцентрировать основную долю светового потока на лотки с растениями, что обеспечило в итоге дополнительное увеличение биомассы и площади листьев растений.
Таблица 1
Культура, сорт
Вариант светового режима (облучатель)
Биомасса растений, г на горшок
Сырая
Сухая
Горчица "Красный Гигант" (Аэлита)
PRB
25,63 ± 0,98
2,89 ± 0,18
423,5 ± 50,91
PW
23,58 ± 1,28
2,47 ± 0,20
365,75 ± 17,06
HЛВД
17,7 ± 1,91
1,46 ± 0,28
304,75 ± 52,01
Горчица "Прима" (Гавриш)
PRB
21,63 ± 2,43
3,06 ± 0,23
563,25 ± 70,25
PW
20,4 ± 1,02
2,31 ± 0,24
447 ± 17,01
HЛВД
11,58 ± 1,14
1,39 ± 0,15
327 ± 21,08
Руккола "Изумрудная"
PRB
18,33 ± 0,88
1,6 ± 0,08
349,5 ± 11,44
PW
15,46 ± 1,01
1,43 ± 0,09
308,25 ± 18,32
HЛВД
13,49 ± 0,59
1,3 ± 0,11
271,5 ± 12,79
Татсой "Евро Семена"
PRB
22,01 ± 0,82
2,17 ± 0,055
346,25 ± 19,21
PW
20,45 ± 2,01
1,62 ± 0,07
342,5 ± 33,32
HЛВД
17,49 ± 0,36
1,36 ± 0,08
330,75 ± 9,88
Горчица "8 линия"
PRB
22,53 ± 1,87
3,035 ± 0,29
575,75 ± 69,59
PW
22,85 ± 1,41
2,41 ± 0,12
530,5 ± 40,09
HЛВД
19,88 ± 2,09
1,81 ± 0,19
390,5 ± 25,72
Горчица "Аппетитная" (Гавриш)
PRB
16,625 ± 0,83
1,91 ± 0,09
354 ± 16,95
PW
19,525 ± 0,83
1,79 ± 0,04
366,5 ± 13,51
HЛВД
15,85 ± 1,03
1,07 ± 0,10
232 ± 14,94
Салат "Корн Колосок" (Аэлита)
PRB
5,44 ± 0,51
0,6 ± 0,07
245±15,13
PW
5,31 ±  0,42
0,65 ± 0,07
243±14,98
HЛВД
2,44 ± 0,36
0,3 ± 0,03
114±10,19
Салат "Корн Экспромт" (Уральский дачник)
PRB
5,33 ± 0,46
0,515 ± 0,06
221,75 ± 16,82
PW
6,53 ± 0,21
0,54 ± 0,03
264,75 ± 12,09
HЛВД
1,85 ± 0,22
0,26 ± 0,03
98,5 ± 9,54
У растений Татсой «Евро Семена» также было отмечено существенной повышение урожайности в вариантах с СД по сравнению с НЛВД. То же относится к салату руккола «Изумрудная». У этой культуры было также отмечено более интенсивное накопление биомассы в варианте с PRВ имеющим вторичную оптику светильниками. В спектре PRB светильников присутствовало излучение не только синего и красного частей спектра, а еще и дальнего красного (710 – 740 нм), что экспериментально подтвердило правильность выбора светодиодов для предлагаемого светильника.
У растений салата «Корн Экспромт» всех исследованных сортов урожайность при выращивании с СД облучателями была существенно выше, чем с НЛВД. Здесь была отмечена наиболее сильная реакция растений по сравнению с другими культурами. Вероятно, это связано с угнетающим действием спектрального состава НЛВД на процессы роста и развития растений; облучатели PW и PRB не оказывали на растения такого негативного (ингибирующего накопление биомассы) действия, что связано c тем, что в спектр излучения НЛВД не является оптимальным для освещения этой культуры. Напротив, спектр СД облучателей с пиками в синей, красной и дальней красной областях спектра подтвердил свою эффективность.
В примере 1 применялись СД облучатели единой конструкции (на основе технологии COB, при которой множество миниатюрных светодиодов монтируется рядом на одной подложке) с максимальным излучением в синей 450 – 460 нм, красной 630 – 650 нм. У облучателей PRB в спектре присутствовал и дальний красный (до 740 нм). Мощности излучения в этих диапазонах спектров относились друг к другу как 1:3:1, что подтверждает правильность выбора соотношения светодиодов для монтажа светильников.
Пример 2. Выращивание рассады
При выращивании рассадных растений огурца и томата разница в реакции растений на спектральный состав света от разных облучателей не были столь существенными, как при выращивании зеленых растений. Это может объясняться тем фактом, уровень плотности потока фотонов (синий 9, красный 10 и дальний красный 11), получаемый от используемых облучателей со вторичной оптикой в опыте значительно ниже того, который требуется при выращивании рассады. Тем не менее, полученные данные представляют несомненный интерес. Биометрические показатели растений, выращенных при использовании PW и PRB не ниже таковых у растений, выращенных с использованием НЛВД (за исключением гибрида Эстафета в варианте PRB).
Недостаток уровня плотности фотонов, получаемый от СД облучателей в этом случае, возможно компенсировать использованием более мощных светодиодов 4 или использованием других типов асимметричных линз 6, дающих более направленное и концентрированное излучение в сторону растений.
В таблице 2 представлены биометрические показатели рассадных растений при выращивании в светокультуре с использованием разных облучателей, имеющих вторичную оптику 6.
Таблица 2
Культура, сорт
Вариант светового режима
Биомасса растения, г
Площадь листьев растения, см<sup>2</sup>
Сырая
Сухая
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
ОгурецЭстафета
PRB
10,42
1,06
46,84
PW
9,5
0,66
70.32
HЛВД
11,5
1,52
78,41
Огурец Кассандра
PRB
9,43
0,8
45,5
PW
13,21
1,36
40,7
HЛВД
9,58
1,36
31,38
1
2
3
4
5
Томат Славянка
PRB
2,64
0,12
24,18
PW
2,84
0,11
22,12
HЛВД
2,27
0,14
26,7
Предлагаемая система искусственного фитоосвещения позволяет выработать оптимальный баланса цветов спектра светоизлучения светодиодов в светильниках, который повышает урожайность растений и рассады.
Кроме того, в предлагаемой системе для повышения урожайности используются асимметричные линзы, которые точно концентрируют световой поток на зону облучения.
Кроме того предлагаемая система позволяет повысить биомассу листьев растений, создать комфортные условия работы для персонала.