ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР
LIGHTING INSTRUMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к применению светодиодов в задачах освещения при выращивании плодоовощных культур. Точнее, настоящее изобретение относится к светильнику для обеспечения роста растений, содержащему по меньшей мере один светодиод, спектральная характеристика излучения которого содержит пик в интервале длин волн 600-700 нм. Настоящее изобретение также относится к новым светоизлучающим элементам, которые особенно подходят для содействия росту растений, и содержат светоизлучающий кристалл полупроводникового соединения.
Уровень техники
23
20
На Земле Солнце является основным источником видимого (т.е. светового) и невидимого электромагнитного излучения и главным фактором, обеспечивающим существование жизни. Суммарное среднее значение солнечной энергии, ежедневно достигающей Земли, составляет приблизительно 28*10 Дж. Эта величина в 5500 раз превышает ежегодное мировое потребление энергии, которое по оценкам в 2007 году составило 5,05*10 Дж. Спектральное распределение солнечного излучения, измеренное на поверхности Земли, характеризуется широкой полосой в интервале длин волн, приблизительно, 300-1000 нм.
Однако, только 50% излучения, достигающего поверхности, является фотосинтетически активным излучением (PAR, Photosynthetically Active Radiation). Согласно рекомендациям международной комиссии по освещению (CIE), PAR представляет электромагнитный спектр в диапазоне длин волн 400-700 нм. Законы фотохимии в общем выражают то, как растения поглощают излучение. Двойственная природа излучения заставляет его вести себя, как электромагнитная волна, когда излучение распространяется в пространстве, или как частицы (т.е. фотоны или кванты энергии излучения), когда излучение взаимодействует с веществом. Фоторецепторы представляют собой активные элементы, которые присутствуют главным образом на листьях растения, и отвечают за захват фотона и преобразование энергии фотона в химическую энергию.
2
2
2
В силу фотохимической природы фотосинтеза, скорость фотосинтеза, которая представляет собой количество O, выделяемого в единицу времени, или количество CO, усвояемого в единицу времени, хорошо коррелирует с числом фотонов, падающих в секунду на единицу площади поверхности листа. Поэтому рекомендуемые величины для PAR основываются на квантовой природе и выражаются числом молей (моль) или микромолей (мкмоль) фотонов. Рекомендуемой величиной для описания и количественного выражения измерений мгновенного значения PAR является плотность фотосинтетического фотонного потока (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) и обычно выражается в мкмоль/м/с. Эта величина дает число молей фотонов, падающих на единицу площади поверхности за единицу времени. Для описания указанного количества часто также используют термин фотосинтетический фотонный поток (PPF, Photosynthetic Photon Flux).
Фоторецепторы, присутствующие в живых организмах, таких как растения, используют энергию излучения, которая захватывается в целях содействия важным биологическим процессам. Такое содействие или взаимодействие может происходить рядом способов. Фотосинтез вместе с фотопериодизмом, фототропизмом и фотоморфогенезом представляют четыре характерных процесса, связанных с взаимодействием излучения с растением. Следующее выражение в упрощенной форме представляет химическое уравнение фотосинтеза:
2
2
6
12
6
2
6HO+6СО(+ энергия фотона)→СНО+6O.
6
12
6
2
2
2
Из уравнения видно, что основными продуктами процесса фотосинтеза являются углеводороды, такие как глюкоза (СНО), а также кислород (O). Указанные продукты синтезируются из двуокиси углерода (CO) и воды (НО) с использованием энергии фотонов, которая связывается специализированными фоторецепторами, такими как хлорофиллы, и превращается в химическую энергию. За счет фотосинтеза энергия излучения также используется в качестве первичного источника химической энергии, что важно для роста и развития растений. Естественно, что баланс химической реакции согласно указанному уравнению также зависит от количества (т.е. числа фотонов) и «качества» энергии излучения (т.е. энергии фотонов), и, как следствие, от этого зависит получаемая биомасса растения. «Фотопериодизм» касается способности растений воспринимать и измерять периодичность поступления излучения, «фототропизм» касается движения роста растения в направлении излучения или от излучения, а «фотоморфогенез» - изменения формы в ответ на качество и количество излучения.
Типичные спектры поглощения самых распространенных фоторецепторов, отвечающих за фотосинтез и фотоморфогенез, таких как хлорофилл а, хлорофилл b и бетакаротин, а также двух взаимопревращаемых форм фитохромов (Pfr и Pr), приведены на фиг.1.
Фотоморфогенетические реакции, в отличие от фотосинтеза, могут быть получены при крайне низких интенсивностях излучения. Различные типы фотосинтетических и фотоморфогенетических фоторецепторов могут быть сгруппированы по меньшей мере в три известные фотосистемы: фотосинтетическую, фитохромную и криптохромную систему или систему синего/УФ-А (ультрафиолет-А) спектра.
В фотосинтетической фотосистеме имеющиеся пигменты представляют собой хлорофиллы и каротиноиды. Хлорофиллы находятся в тилакоидах хлоропластов мезофильных клеток листьев растений. Количество энергии излучения является самым значимым фактором, поскольку активность указанных пигментов тесно связана со сбором света. Два самых важных пика поглощения хлорофилла располагаются в красной и синей областях спектра 625-675 нм и 425-475 нм соответственно. Кроме того, имеются также и другие пики в ближней УФ области (300-400 нм) и в дальней красной области спектра (700-800 нм). Каротиноиды, такие как ксантофиллы и каротины, находятся в органеллах пластидов хромопластов клеток растений и поглощают главным образом в синей области.
Фитохромная фотосистема включает две взаимопревращаемые формы фитохромов Pr и Pfr, пики чувствительности которых лежат в красной области на 660 нм и, соответственно, в дальней красной области спектра на 730 нм. Фотоморфогенетические реакции, которым способствуют фитохромы, обычно связаны с восприятием качественной характеристики света, выражаемой отношением R/FR, т.е. составляющей красной (R) области к составляющей дальней красной (FR) области. Важность фитохромов можно оценить по различным физиологическим реакциям, в которых они участвуют, например развертыванию листьев, восприятию соседних растений, уклонению от тени, выходу в трубку, прорастанию семян и индукции цветения. Хотя реакция уклонения от тени обычно управляется фитохромами через восприятие отношения R/FR, синий свет и уровень PAR также участвуют в соответствующих адаптивных морфологических реакциях.
Фоторецепторы, чувствительные к синему свету и свету УФ-А области, обнаружены в криптохромной фотосистеме. Пигменты, поглощающие синий свет, включают и криптохром и фототропины. Они участвуют в нескольких различных задачах, таких как контроль качества, количества, направления и периодичности света. Различные группы фоторецепторов, чувствительных к синему свету и свету УФ-А области, содействуют важным морфологическим реакциям, таким как эндогенные ритмы, ориентация органов, выход в трубку, открывание устьиц, прорастание, развертывание листьев, рост корней и фототропизм. Фототропины регулируют концентрацию пигмента и положение фотосинтетических органов и органелл с целью оптимизации сбора света и фотоингибирования. Как и непрерывное облучение светом дальней красной области спектра, синий свет также способствует цветению посредством фоторецепторов - криптохромов. Кроме того, фоторецепторы, чувствительные к синей области спектра (например, флавины и каротиноиды), также обладают чувствительностью и к ближней УФ-области спектра, где локальный пик чувствительности можно обнаружить на длине волны около 370 нм. Криптохромы не только присущи всем видам растений. Криптохромы выступают посредниками в различных световых реакциях, включая смещение суточных ритмов цветковых растений, таких как Arabidopsis. Хотя излучение с длинами волн менее 300 нм может быть очень вредным для химических связей молекул и для структуры ДНК, растения также поглощают излучение и в этой области. Качество спектра излучения в области PAR может быть важным для снижения деструктивных эффектов УФ-излучения. Указанные фоторецепторы являются наиболее изученными и поэтому их роль в управлении фотосинтезом и ростом известна сравнительно хорошо. Однако имеются свидетельства существования других фоторецепторов, активность которых может играть важную роль в содействии важным физиологическим реакциям в растении. Кроме того, еще нет хорошего понимания природы взаимодействия между определенными группами рецепторов и их взаимной независимости.
Фотосинтез, по-видимому, является одним из старейших и самых важных биохимических процессов на планете. Использование искусственного освещения для замены или компенсации малой доступности дневного света является общепринятой практикой, особенно, в северных странах в зимний сезон для производства овощных и декоративных культур.
Эпоха искусственного электрического освещения началась с изобретения в 1879 году Томасом Эдисоном лампы, которая в наши дни повсеместно известна как лампа накаливания. Благодаря своим тепловым характеристикам, лампа накаливания характеризуется большой долей излучения в дальней красной области спектра, которая может достигать приблизительно 60% общего PAR. Несмотря на эволюцию, которая происходила в течение более чем ста лет, электрическая эффективность ламп накаливания, которая выражается кпд преобразования потребляемой электрической энергии (входная величина) в оптическую энергию излучения (выходная величина) в видимой области спектра, по-прежнему является очень низкой. В типичном случае, она составляет около 10%. Источники света на лампах накаливания также отличаются очень низкой долговечностью - типичный срок службы не более 1000 ч. В задачах выращивания растений их применимость ограничена. Выращивание декоративных растений является одной из областей, где лампы накаливания еще могут быть применимы. Инициация цветения может быть получена у растений длинного дня с ночным досвечиванием при низкой плотности потока фотонов с использованием ламп накаливания. Большая доля излучения в дальней красной области спектра используется для управления фотоморфогенетическими реакциями опосредованно через фитохромы.
При выращивании растений флуоресцентные лампы более широко применяются, чем лампы накаливания. Электрооптическое превращение энергии в них идет с большей эффективностью, чем в лампах накаливания. Флуоресцентные лампы трубчатого типа могут достигать величин кпд от типичного значения около 20-30% до более чем 90% по фотонам, излучаемым в области PAR, и при типичном сроке службы около 10000 ч. Однако флуоресцентные лампы специальной долговечной конструкции могут иметь срок службы, доходящий до 30000 ч. Помимо подходящего энергетического кпд и срока службы, другим преимуществом при использовании флуоресцентных ламп для выращивания растений является доля их излучения в синей области спектра. Эта доля может достигать более 10% общего фотонного излучения в области PAR в зависимости от коррелированной цветовой температуры (ССТ, Correlates Color Temperature) лампы. По этой причине флуоресцентные лампы часто используют для полной замены естественного дневного освещения в закрытых теплицах и камерах. Излучение в синей области спектра является незаменимым для получения сбалансированной морфологии большинства сельскохозяйственных культур за счет опосредованного действия фоторецепторов семейства криптохромов.
Металлогалогенная лампа относится к группе ламп газового разряда высокой интенсивности. Излучение в видимой области спектра основано на эффекте люминесценции. Включение галоидных соединений металлов при изготовлении лампы позволяет в определенной степени оптимизировать качество спектра излучаемого света. Металлогалогенные лампы можно использовать при выращивании растений с целью полной замены дневного света или частичного дополнения дневного света в периоды пониженной доступности. Высокий выход PAR, приходящегося на лампу, сравнительно высокий процент синего излучения около 20% и электрический кпд порядка 25% позволяют выбирать металлогалогенные лампы для круглогодичного ухода за культурами. Срок службы таких ламп обычно составляет 5000-6000 ч. В качестве источника света для круглогодичного ухода за культурами в теплицах предпочитают использовать натриевые лампы высокого давления (HPS, High-Pressure Sodium). Основными причинами для этого является высокая интенсивность излучения, низкая цена, долговечность, высокая доля PAR и большой электрический кпд. Указанные факторы позволяют использовать натриевые лампы высокого давления в качестве источников дополнительного освещения, обеспечивая вегетативный рост экономически эффективным способом в северных широтах в зимнее время года.
Однако, качество спектра ламп HPS не является оптимальным для содействия фотосинтезу и фотоморфогенезу, что приводит к чрезмерному удлинению стеблей и листьев. Это происходит из-за дисбаланса спектра излучения относительно пиков поглощения важных фотосинтетических пигментов, таких как хлорофилл а, хлорофилл b и бетакаротин. Низкое отношение R/FR и низкое излучение в синей области по сравнению с другими источниками вызывает чрезмерное остеблевание большинства культур, выращиваемых при освещении от HPS. Электрический кпд натриевых ламп высокого давления обычно лежит в интервале 30-40%, что делает их самыми эффективными источниками освещения из тех, что сейчас используются при выращивании растений. Приблизительно 40% поступающей энергии преобразуется в фотоны области PAR и почти 25-30% - в излучение дальней красной и инфракрасной области. Срок службы натриевых ламп высокого давления лежит в интервале 10000-24000 ч.
2
Недостаточное количество дневного света в северных широтах и запрос со стороны потребителей на качественную плодоовощную продукцию, круглогодично и по доступным ценам, формирует запрос на новые технологии освещения и биологические технологии. Кроме того, количество произведенного продукта в мировом масштабе может быть значительно увеличено, если дневной свет будет доступен в течение 20-24 часов в сутки. Следовательно, необходимы подходы, которые смогут сократить производственные затраты, увеличить урожайность и качество собираемых культур. Освещение это лишь один из факторов, который может быть оптимизирован. Однако его важность нельзя недооценивать. Увеличение цен на электроэнергию и необходимость сокращения выбросов CO - это дополнительные причины эффективного использования энергии. При круглогодичном выращивании сельскохозяйственных культур в теплицах вклад стоимости электроэнергии в накладные расходы может достигать для некоторых культур приблизительно 30%.
Хотя существующие источники освещения, которые повсеместно используются для выращивания растений, могут иметь электрический кпд, близкий к 40%, общий кпд системы (т.е. с учетом потерь в преобразовательных устройствах, рефлекторах и оптике) может быть существенно более низким. Качество спектра излучения играет важную роль в здоровом росте культуры. Спектральным составом излучения традиционных источников освещения невозможно управлять при их использовании, не применяя при этом дополнительных фильтров, которые неэффективны и ограниченны. Кроме того, управление интенсивностью излучения также ограниченно, что сокращает возможность реализации универсальных режимов освещения, например работу в импульсном режиме.
По этим причинам, а также по причинам, связанным с ранее рассмотренными аспектами, светоизлучающие диоды (СИД) и соответственно полупроводниковые осветители (SSL, Solid-State Lighting) оказываются потенциально конкурентоспособными и многообещающими приборами для освещения тепличных хозяйств. Внутренний квантовый выход светодиодов является мерой процентного количества фотонов, сгенерированных каждым электроном, инжектированным в активную область. В действительности, самые лучшие красные светодиоды на AllnGaP, зеленые - на AllnGaN, и синие НВ светодиоды могут иметь внутренний квантовый выход лучше 50%, но при этом все равно остается задача - вывести весь сгенерированный свет из полупроводникового прибора и осветительного устройства.
При освещении теплиц основные практические преимущества светодиодных источников по сравнению с традиционными источниками освещения - это направленность и полная управляемость в отношении формируемого излучения. Светодиоды не обязательно снабжать рефлекторами, поскольку по своей природе они являются полуизотропными излучателями. Светодиоды, как направленные излучатели, позволяют избежать большинства потерь, связанных с оптикой. Кроме того, узкая спектральная полоса излучения цветных светодиодов является другим важным преимуществом по сравнению с традиционными широкополосными источниками света. Основное преимущество применения светодиодов в качестве источников фотосинтетического излучения вытекает из возможности выбора пика излучения, близко совпадающего с пиком поглощения выбранного фоторецептора. Действительно, такая возможность приносит дополнительные полезные качества. Эффективное использование энергии излучения фоторецептором, содействующим физиологической реакции растения, - это одно из таких полезных качеств. Другое полезное качество - это возможность управлять реакцией за счет полного контроля интенсивности излучения.
Указанные выше преимущества могут быть далее распространены на уровень осветительного устройства. Рассматривается возможность осуществления осветителя с синим светодиодом и красным светодиодом. По спектру излучения современные цветные светодиоды на основе AllnGaN доступны в интервале от УФ до зеленой видимой области. Эти устройства могут излучать в синей и УФ-А области, где располагаются пики поглощения криптохромов и каротиноидов.
Хлорофилл а и красная изомерная форма фитохромов (Pr) имеют сильный пик поглощения в районе 660 нм. Светодиоды на основе AIGaAs излучают в той же области, но, частично из-за низкого спроса на рынке и устаревшей технологии изготовления, они являются дорогими устройствами по сравнению со светодиодами на основе фосфидов или даже нитридов. Светодиоды на основе AIGaAs могут также быть использованы для управления дальней красной формой фитохромов (Pfr), которая имеет важный пик поглощения на 730 нм.
Светодиоды AllnGaP основаны на хорошо отработанной технологии материалов и имеют сравнительно высокие оптические и электрические показатели. Типично, характеристическая спектральная область излучения красных светодиодов на основе AllnGaP захватывает область, в которой у хлорофилла b имеется пик поглощения вблизи 640 нм. Поэтому светодиоды AllnGaP также полезны для стимуляции фотосинтеза.
Новые промышленно выпускаемые светодиоды высокой яркости не пригодны для выращивания растений в теплицах, поскольку их основной пик излучения лежит в зеленой области спектра 500-600 нм, и таким образом не влияет на процесс фотосинтеза. Однако, в принципе, в соответствии с технологией светодиодов, светодиодный осветитель, который влияет на фотосинтез, может быть построен путем сочетания светодиодов на различных типах полупроводников, таких как AllnGaP и AllnGaN для красной и синей областей спектра.
Существует ряд проблем, связанных с комбинированием отдельных цветных светодиодов. Так, различные типы полупроводниковых приборов будут стареть с различной скоростью, и по этой причине со временем будет меняться соотношение красного и синего цветов, что далее приведет к нарушению процесса роста растений. Вторая важная проблема заключается в том, что индивидуальные одноцветные светодиоды охватывают сравнительно узкую спектральную область, обычно менее 25 нм, что недостаточно для обеспечения хорошей эффективности фотосинтеза без использования очень большого числа разных цветов и индивидуальных светодиодов, что приводит к высокой стоимости осуществления.
Из европейского патента 2056364 А1 и заявки США 2009/0231832 известно, что увеличения числа цветов от светодиодов можно добиться применением материалов, преобразующих длины волн, таких как люминофоры, с целью переизлучения различных цветов. Предположительно, согласно заявке США 2009/0231832, различные цвета, повторяющие солнечное излучение, можно использовать для лечения депрессии или сезонных заболеваний. Данные документы включены в настоящее изобретение посредством ссылки.
Указанные светильники обладают множеством недостатков, даже если ориентироваться на их применение для освещения теплиц, например, по той простой причине, что спектр солнечного света лишь частично оптимален для роста растений. Осветитель из заявки США 2009/0231832, цель которого воспроизвести солнечный свет, содержит много избыточных длин волн, которые не используются эффективно растениями при их росте. Например, полоса 500-600 нм (зеленый свет) плохо используется растениями, поскольку зеленые растения отражают эти длины волн. Это приводит к напрасному расходу энергии в теплицах.
Помимо этого, в существующих светильниках также опущены важные длины волн, которые были бы очень полезными для роста растений. Например, такие светильники не достигают дальней красной области спектра между 700 нм и 800 нм, которая важна для роста культур.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить по меньшей мере часть проблем, свойственных существующим конструкциям, и создать новый способ ускорения роста растений с использованием светодиодов.
Первая задача изобретения заключается в создании одиночного светодиодного источника излучения, хорошо влияющего на процесс фотосинтеза.
Вторая задача изобретения заключается в создании осветительного прибора для выращивания культур в теплицах на основе светодиодного устройства, оптимизированного в отношении фотосинтетического фотонного потока (PPF).
Третья задача изобретения заключается в получении светодиодного устройства, которое создавало бы по меньшей мере два пика излучения в интервале длин волн 300-800 нм и чтобы при этом один из указанных пиков имел ширину на полувысоте, равную по меньшей мере 50 нм или более.
Четвертая задача изобретения заключается в создании светодиодного осветительного прибора для выращивания культур в теплицах, у которого разность степени снижения интенсивности излучения в двух спектральных областях 300-500 нм и 600-800 нм составляла бы менее 20% за 10000 ч эксплуатации.
Пятая задача изобретения заключается в получении технического решения, обеспечивающего соотношение PPF/Вт (т.е. отношение создаваемого фотосинтетического фотонного потока к потребляемой мощности) лучшее, чем достигается при помощи традиционных натриевых ламп высокого давления, обычно используемых в теплицах, и, таким образом, в создании энергетически эффективного источника света для процесса выращивания растений в теплицах и искусственного освещения в теплицах.
Шестая задача изобретения заключается в создании одиночного источника светового излучения, в котором излучение в области длин волн 300-500 нм формируется полупроводниковым светодиодным кристаллом, а излучение в области длин волн 600-800 нм формируется за счет частичного преобразования длин волн излучения светодиодного кристалла. Установлено, что, например, растения огурцов и салата достигают большей длины и/или массы, если их освещать соответствующим настоящему изобретению светильником для теплиц, в излучении которого представлена дальняя красная область спектра (700-800 нм).
Седьмая задача изобретения заключается в создании одиночного источника светового излучения, в котором излучение в области длин волн 300-500 нм формируется полупроводниковым светодиодным кристаллом, а излучение в области длин волн 600-800 нм формируется за счет частичного преобразования длин волн излучения светодиодного кристалла. При этом преобразование длин волн для формирования излучения в области 600-800 нм осуществляется за счет использования одного или более материалов, обеспечивающих преобразования длин волн, помещенных вблизи светодиодного источника излучения.
В настоящем изобретении под «преобразованием длин волн» понимается изменение длины волны падающего и поглощаемого света и испускание света с большей длиной волны.
Восьмая задача изобретения заключается в формировании излучения в спектральном интервале 400-500 нм, 600-800 нм или в обоих указанных интервалах за счет частичного или полного преобразования длин волн излучения светодиодного кристалла, при этом излучение кристалла происходит в области 300-500 нм. Преобразование длин волн осуществляется путем использования органического материала, неорганического материала или сочетания материалов обоих типов.
Девятая задача изобретения заключается в обеспечении преобразования длин волн за счет использования для этой цели материала в виде наночастиц.
Десятая задача изобретения заключается в обеспечении преобразования длин волн за счет использования для этой цели материала молекулярного типа.
Одиннадцатая задача изобретения заключается в обеспечении преобразования длин волн за счет использования для этой цели полимерного материала, при этом материал, обеспечивающий преобразование длин волн, должен иметь ковалентную связь с полимерной матрицей.
Двенадцатая задача изобретения заключается в создании светодиодного осветительного прибора, у которого подавлено излучение в области спектра 500-600 нм. В указанной полосе подавления не должно быть никакого или почти никакого излучения или во всяком случае это излучение должно быть меньше, чем в любой из соседних областей спектра 400-500 нм и 600-700 нм. Такого подавления согласно настоящему изобретению можно добиться, если не иметь вообще или иметь очень мало первичного излучения в полосе 400-500 нм, и если обеспечить, чтобы преобразование длин волн всегда приводило к сдвигу за пределы границы 600 нм. Известно, что зеленые растения не могут использовать зеленый свет (500-600 нм), а также излучение соседних областей, поскольку такое излучение попросту отражается от растения, а не поглощается для последующего фотосинтеза.
Тринадцатая задача изобретения заключается в создании светодиодного осветительного прибора, который увеличивает анаболический рост растений за счет излучения света требуемой дальней красной области спектра и одновременно минимизирует излучение в зеленой области спектра, которое с точки зрения выращивания растений связано с напрасным расходом энергии. В соответствии с одним аспектом изобретения, данная задача решается при помощи синего светодиода и преобразователя длин волн, который часть синего излучения (300-500 нм) преобразует в излучение красной области с широким спектром (600-800 нм), которое содержит и компоненту дальней красной области, но исключает и/или минимизирует зеленую компоненту (500-600 нм).
Настоящее изобретение предлагает светоизлучающий диод и соответствующий осветительный прибор, пригодный для выращивания растений в теплицах. Согласно изобретению, светоизлучающий диод имеет определенную спектральную характеристику излучения, а именно содержит по меньшей мере два пика - один пик излучения с шириной на полувысоте, равной по меньшей мере 50 нм или более, и положением максимума в интервале 600-700 нм, и второй пик с положением максимума в области ниже 500 нм. Пики излучения светодиода хорошо совпадают со спектром реакции фотосинтеза растений и поэтому особенным образом подходят для высокоэффективного искусственного освещения.
Светоизлучающий элемент, пригодный для стимуляции роста растений, содержит светоизлучающий кристалл полупроводникового соединения, и люминофор, обеспечивающий преобразование длин волн, который помещен в непосредственной близости к светодиодному кристаллу. Такой элемент способен создавать два характеристических пика излучения.
Точнее, соответствующий изобретению осветительный прибор отличается признаками отличительных частей п.1 и/или 2 формулы изобретения.
В соответствии с изобретением, осветительный прибор для стимуляции роста растений содержит по меньшей мере один светоизлучающий диод, обладающий
a) первой спектральной характеристикой, содержащей пик в интервале длин волн 600-700 нм, форма которого обеспечивает ширину на полувысоте, равную по меньшей мере 50 нм или более; и
b) второй спектральной характеристикой с пиком в интервале длин волн 440-500 нм, форма которого обеспечивает ширину на полувысоте, равную максимум 50 нм.
В соответствии с изобретением, осветительный прибор для теплиц содержит по меньшей мере один светоизлучающий диод, обладающий
a) первой спектральной характеристикой, содержащей пик в интервале длин волн 600-700 нм, форма которого обеспечивает ширину на полувысоте, равную по меньшей мере 50 нм или более;
b) второй спектральной характеристикой с пиком в интервале длин волн 440-500 нм, форма которого обеспечивает ширину на полувысоте, равную максимум 50 нм; при этом
c) все излучение или часть излучения в интервале длин волн 600-800 нм сформирована путем полного или частичного преобразования длин волн излучения светодиодного кристалла.
В соответствии с изобретением, осветительный прибор для теплиц содержит по меньшей мере один светоизлучающий диод, обладающий
а) первой спектральной характеристикой, содержащей пик в интервале длин волн 600-700 нм, форма которого обеспечивает ширину на полувысоте, равную по меньшей мере 50 нм или более;
b) второй спектральной характеристикой с пиком в интервале длин волн 440-500 нм, форма которого обеспечивает ширину на полувысоте, равную максимум 50 нм; при этом
c) приняты меры, чтобы по меньшей мере часть излучения или все излучение в интервале длин волн 500-600 нм было минимизировано, и/или исключено, и/или уменьшено ниже уровня интенсивности в полосе 400-500 нм и ниже уровня интенсивности в полосе 600-700 нм.
В соответствии с изобретением, осветительный прибор для стимуляции роста растений содержит УФ-светодиод, и реализованы дополнительные спектральные характеристики излучения, при этом указанный светодиод обладает:
a) первой спектральной характеристикой излучения с пиком в интервале длин волн 350-550 нм;
b) второй дополнительной спектральной характеристикой излучения с пиком в интервале длин волн 600-800 нм;
c) третьей дополнительной спектральной характеристикой излучения с пиком, свободно перестраиваемым в интервале длин волн 350-800 нм; при этом
а) предусмотрена возможность регулирования интенсивностей излучения по первой, дополнительной второй и дополнительной третьей спектральным характеристикам в любых взаимных соотношениях.
В соответствии с изобретением, светоизлучающий элемент для стимуляции роста растений содержит:
- светоизлучающий кристалл полупроводникового соединения; и
- люминофор для преобразования длин волн, помещенный в непосредственной близости к светодиодному кристаллу;
при этом указанный элемент выполнен с возможностью излучения двух характеристических пиков.
В соответствии с изобретением, светоизлучающий элемент осветительного прибора для теплиц содержит:
- светоизлучающий кристалл полупроводникового соединения; и
- люминофор для преобразования длин волн, помещенный в непосредственной близости к светодиодному кристаллу;
при этом указанный элемент выполнен с возможностью излучения двух характеристических пиков, причем все излучение или часть излучения в полосе 600-800 нм формируется за счет полного или частичного преобразования длин волн излучения светодиодного кристалла.
В соответствии с изобретением, светоизлучающий элемент осветительного прибора для теплиц содержит:
- светоизлучающий кристалл полупроводникового соединения; и
- люминофор для преобразования длин волн, помещенный в непосредственной близости к светодиодному кристаллу;
при этом указанный элемент выполнен с возможностью излучения двух характеристических пиков, причем приняты меры, чтобы по меньшей мере часть излучения или все излучение в полосе длин волн 500-600 нм было минимизировано, и/или исключено, и/или уменьшено ниже уровня интенсивности в полосе 400-500 нм и ниже уровня интенсивности в полосе 600-700 нм.
Предполагается, что в наилучшем варианте осуществления изобретения осветительный прибор должен включать в себя множество светодиодов, которые работают в спектральном диапазоне 380-850 нм, при этом спектры их излучения подобраны так, что совпадают с фотосинтетической реакцией растения, выращиваемого с помощью освещения от указанных светодиодов. Наилучший вариант осуществления предусматривает преобразование длин волн люминофором из излучения синего светодиода.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображены спектры поглощения самых распространенных фотосинтетических и фотоморфогенетических фоторецепторов зеленых растений.
На фиг.2 изображены пики излучения первого источника освещения на одиночном светодиоде, отвечающего настоящему изобретению.
На фиг.3 изображены пики излучения второго источника освещения на одиночном светодиоде, отвечающего настоящему изобретению.
На фиг.4 изображены пики излучения третьего источника освещения на одиночном светодиоде, отвечающего настоящему изобретению.
На фиг.5 изображены пики излучения четвертого источника освещения на одиночном светодиоде, отвечающего настоящему изобретению.
На фиг.6а-6с схематически изображены различные этапы осуществления способа изготовления модифицированного светодиодного устройства в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Как уже говорилось выше, настоящее изобретение относится в целом к одиночному осветительному прибору на основе светоизлучающего диода, который имеет оптимальные свойства для использования в качестве источника освещения в теплицах для выращивания растений. Точнее, данный подход к конструированию источников освещения является оптимальным и обладает гибкостью для сопряжения с частотами фотосинтеза при выращивании растений. Благодаря такому подходу можно конструировать источники освещения и достигать более высоких значений фотосинтетического фотонного потока PPF и соотношения PPF/Вт, при очень низком потреблении энергии и очень большом сроке службы источника по сравнению с существующими технологиями.
В частности, предусматривают одиночный источник светового излучения на основе светодиода, который обеспечивает по меньшей мере два пика излучения в интервале длин волн 300-800 нм, при этом по меньшей мере один из пиков излучения имеет ширину на полувысоте по меньшей мере 50 нм или шире. Пики излучения и соответствующие интенсивности выбирают так, чтобы они были согласованы с частотами (длинами волн) фотосинтеза у растений. Также требуемый фотонный поток PPF источника освещения оптимизируют, чтобы он удовлетворял требованиям растений.
Излучение в интервале длин волн 300-500 нм формируют светодиодным кристаллом, а излучение в интервале 400-800 нм формируют путем полного или частичного преобразования коротковолнового излучения светодиодного кристалла в более длинноволновое излучение. При частичном преобразовании коротковолнового излучения в длинноволновое, долю излучения светодиодного кристалла, подлежащую преобразованию, выбирают в интервале 5-95%, а предпочтительно 35-65%. Преобразование длин волн с целью формирования излучения в интервале 400-800 нм получают используя один или более материалов для преобразования длин волн, и располагая его вблизи светодиодного источника излучения. Преобразование длин волн реализуют путем использования органического материала, неорганического материала или сочетания обоих типов материалов. Указанные материалы могут быть в форме частиц (наночастиц или частиц других размеров) или могут быть молекулярными или полимерными материалами. Кроме того, указанные материалы могут иметь структуру, которая производит преобразование длин волн источника излучения.
В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления изобретения, осветительный прибор для обеспечения роста растений содержит УФ-светодиод, и в нем реализованы дополнительные спектральные характеристики излучения. Такой светодиодный осветительный прибор типично обладает:
a) первой спектральной характеристикой свечения с пиком в интервале длин волн 350-550 нм;
b) второй дополнительной спектральной характеристикой свечения с пиком в интервале длин волн 600-800 нм; и
c) третьей дополнительной спектральной характеристикой свечения с пиком, свободно перестраиваемым по длине волны в интервале 350-800 нм.
В настоящем описании, вышеупомянутый термин пик, «перестраиваемый» по длине волны следует понимать как пик, длину волны которого можно изменять при сборке осветительного прибора на заводе-изготовителе, и/или также изменять при помощи регулятора осветительного прибора, предназначенного для регулировки длины волны на месте эксплуатации прибора. Кроме того, коррекция пиков длин волн излучения светодиода в процессе изготовления светодиода также предусмотрена изобретением и поэтому термин пик, «перестраиваемый» по длине волн, может также включать в себя и коррекцию, которая выполняется в процессе изготовления светодиода. Все вышеупомянутые варианты перестройки длины волны пика, а также перестройка любых других переменных источника освещения или светодиода - все укладывается в объем данной патентной заявки.
Предпочтительно, чтобы интенсивности свечения при излучении в соответствии с первой, дополнительной второй и дополнительной третьей спектральными характеристиками можно было регулировать в любых взаимных пропорциях.
На фиг.2-5 показаны несколько примеров пиков излучения осветительных приборов на одиночном светодиоде.
На фиг.2 пик излучения светодиодного полупроводникового кристалла находится на длине волны 457 нм, при этом ширина пика на полувысоте составляет 25 нм. В данном случае преобразование коротковолнового излучения в длинноволновое выполнено за счет двух материалов для преобразования длин волн. Эти два материала для преобразования длин волн имеют индивидуальные пики излучения на 660 нм и 604 нм. На фиг.2 показан комбинированный пик излучения от указанных двух материалов с максимумом на 651 нм, при этом ширина данного пика на полувысоте составляет 101 нм. В данном случае 40% (вычислено по интенсивностям пиков) излучения светодиодного полупроводникового кристалла преобразовано в излучение на более длинной волне 651 нм при помощи двух отдельных материалов для преобразования длин волн.
На фиг.3 пик излучения светодиодного полупроводникового кристалла находится на длине волны 470 нм, при этом ширина пика на полувысоте составляет 30 нм. В данном случае преобразование коротковолнового излучения в длинноволновое выполнено за счет двух материалов для преобразования длин волн. Эти два материала для преобразования длин волн имеют индивидуальные пики излучения на 660 нм и 604 нм. На фиг.3 показан комбинированный пик излучения от указанных двух материалов с максимумом на 660 нм, при этом ширина данного пика на полувысоте составляет 105 нм. В данном случае около 60% (вычислено по интенсивностям пиков) излучения светодиодного полупроводникового кристалла преобразовано в излучение на более длинной волне 660 нм при помощи двух отдельных материалов для преобразования длин волн.
На фиг.4 пик излучения светодиодного полупроводникового кристалла находится на длине волны 452 нм, при этом ширина пика на полувысоте составляет 25 нм (не показано). В данном случае преобразование коротковолнового излучения в длинноволновое выполнено за счет одного материала для преобразования длин волн. На фиг.4 показан пик излучения от указанного материала с максимумом на 658 нм, при этом ширина данного пика на полувысоте составляет 80 нм. В данном случае около 100% (вычислено по интенсивностям пиков) излучения светодиодного полупроводникового кристалла преобразовано в излучение на более длинной волне 658 нм при помощи материала для преобразования длин волн. Это можно видеть из фиг.4, поскольку из светодиодного устройства не выходит излучение с длиной волны 452 нм.
На фиг.5 пик излучения светодиодного полупроводникового кристалла находится на длине волны 452 нм, при этом ширина пика на полувысоте составляет 25 нм. В данном случае преобразование коротковолнового излучения в длинноволновое выполнено за счет одного материала для преобразования длин волн. На фиг.5 показан пик излучения от указанного материала с максимумом на 602 нм, при этом ширина данного пика на полувысоте составляет 78 нм. В данном случае около 95% (вычислено по интенсивностям пиков) излучения светодиодного полупроводникового кристалла преобразовано в излучение на более длинной волне 602 нм при помощи материала для преобразования длин волн.
Ниже подробнее описана конструкция устройства, которая может быть реализована для получения вышеуказанного спектра. Длину волны излучения светодиодного полупроводникового кристалла следует выбирать так, чтобы она была подходящей для возбуждения молекул люминофора в устройстве. Излучение, исходящее из светодиодного кристалла, может иметь длину волны в интервале 400-470 нм.
Молекулу или молекулы применяемого люминофора следует выбирать так, чтобы получить требуемые спектры излучения светодиодного устройства.
В последующем описании будет рассмотрена процедура использования двух люминофоров (материалов для преобразования длин волн) в светодиодном устройстве с целью получения желаемых спектров излучения (см. фиг.6а-6с).
Люминофор А и люминофор В смешивают в заданной пропорции для получения требуемого спектра излучения люминофоров из светодиодного устройства (см. фиг.6а). Пропорция люминофоров может быть, например, от 99:1 (А:В) до 1:99. Данную смесь люминофоров (А+В) смешивают с материалом С (например, полимером в заданной концентрации для формирования «инкапсулянта». Концентрация люминофоров в материале С может быть, например, от 99:1 (смесь люминофоров: материал С) до 1:99. Смесь «материал С+ люминофоры (А и В)» затем помещают в непосредственной близости к светодиодному кристаллу (фиг.6b и 6с). Термин «близость» подразумевает, что смесь может быть помещена прямо на поверхность светодиодного кристалла или отделена от кристалла другим оптическим материалом. Концентрация смеси люминофоров в материале С определяет эффективность преобразования длин волн излучения светодиодного кристалла, т.е. какая доля излучения исходных длин волн светодиода наблюдается в спектре конечного излучения светодиодного устройства и какая доля преобразуется в излучение люминофоров светодиодного устройства.
Толщина инкапсулянта (в который подмешаны люминофоры) типично варьирует от 0,1 мкм до 20 мм, в частности от 1 мкм до 10 мм, а предпочтительно от 5 мкм до 10 мм, например от 10 мкм до 5 мм в зависимости от концентрации люминофоров.
Типичная концентрация люминофоров (от полного веса инкапсулянта) составляет около 0,1-20%, предпочтительно около 1-10%.
Преобразование длин волн может быть 100%, т.е. из светодиодного устройства может выходить только излучение люминофоров, или менее 100%, когда из светодиодного устройства может передаваться какая-то часть излучения светодиодного кристалла.
Итак, путем изменения пропорции люминофоров А:В можно задавать желаемый спектр излучения люминофоров светодиодного устройства, а путем изменения концентрации люминофоров в материале С можно задавать желаемую интенсивность/величину излучения светодиодного кристалла для светодиодного устройства.
Количество (физическая толщина) материала С (с определенной концентрацией люминофоров) на светодиодном кристалле также влияет на величину излучения светодиодного кристалла, исходящего из светодиодного устройства.
Материал С может представлять собой растворитель, неорганический или органический полимер, кремниевый полимер, силоксановый полимер или иной полимер, с которым может быть смешан люминофор. Материал С может состоять из одного или более компонентов, которые необходимо смешать, прежде чем использовать вместе с люминофором. Материал С может быть термически- или УФ-отверждаемым материалом.
Смесь люминофора (-ов) с растворяющим материалом С (твердым или жидким) может быть полупрозрачной или прозрачной; предпочтительно, чтобы была прозрачной, чтобы через нее мог проходить свет, излучаемый светодиодом.
Согласно одному варианту осуществления, который является особенно предпочтительным, излучение в дальней красной области (700-800 нм) создается, например, люминофорами Ва_х Sr_y ZnS_3, легированными европием-церием, и/или оксид сульфидами лантаноидов, легированными церием. Данные люминофоры и типы сульфидов имеют максимумы пиков излучения между длинами волн 650-700 нм, а также дают большую ширину (50-200 нм) спектра на полувысоте пика, и поэтому также излучают свет на более длинных волнах, т.е. выше длины волны 700 нм.
В дополнение к применению люминофоров или других аналогичных материалов, или в качестве альтернативы им, реализовать преобразование длин волн также можно посредством по меньшей мере одной квантовой точки или аналогичной полупроводниковой структуры, помещенной вблизи светодиода.
Пример
В целях сравнительных испытаний был построен осветительный прибор на основе одиночных светодиодов, спектр излучения которых идентичен фиг.3. Осветительный прибор состоял из 60 отдельных светодиодных узлов, при этом потребление энергии составило 69 Вт, которое включало в себя потребление энергии преобразователем AC/DC с постоянной величиной тока на выходе.
В качестве устройств, с которыми производилось сравнение, был взят промышленно выпускаемый осветительный прибор для теплиц на натриевой лампе высокого давления (HPS), общая потребляемая мощность которого составляла 420 Вт, и промышленно выпускаемый осветительный прибор для теплиц на светодиодах. Указанный промышленно выпускаемый осветительный прибор на светодиодах был построен на отдельных синих и красных светодиодах, и его общее потребление энергии составляло 24 Вт.
Осветительный прибор на светодиодах, соответствующий настоящему изобретению, подвергли испытанию на сравнение с вышеупомянутыми промышленно выпускаемыми светодиодными устройствами с использованием нижеследующей методики измерения PPF и установки для измерения.
2
2
Интенсивность излучения PAR (плотность потока в интервале длин волн 400-700 нм) и значения PPF были рассчитаны путем измерения спектра излучения осветительного прибора в интервале длин волн 300-800 нм и абсолютной величины потока излучения в полосе от 385 нм до 715 нм. Спектр каждой лампы измеряли с одного расстояния при помощи спектрорадиометра ILT700A. Абсолютные величины потока излучения измеряли при помощи прецизионного пиранометра на определенных расстояниях, и в дальнейшем полученные величины использовали для вычисления абсолютных спектров для данных расстояний. Указанные абсолютные спектры использовали для расчета PAR и вычислений PPF. Плотность потока излучения PAR (Вт/м) рассчитывали путем интегрирования абсолютного спектра на интервале от 400 нм до 700 нм. Значения PPF рассчитывали, вначале переводя плотность потока излучения каждого «канала» спектра из Вт/м в микроэйнштейны, а затем интегрируя спектр в требуемой полосе длин волн.
Ниже в таблице представлены результаты сравнения двух промышленно выпускаемых осветителей для теплиц с осветительным прибором на светодиодах, соответствующим настоящему изобретению.
Тип
HPS
Референтный светодиодный осветитель
Светодиодный осветитель, отвечающий изобретению
Мощность (Вт)
420
24
69
Общий поток PPF
164
26
88
Соотношение PPF/Вт
0,39
1,08
1,28
Эффективность PPF, нормированная к референтному HPS
1
2,77
3,27
Эффективность PPF, нормированная к референтному HPS (%)
100%
277%
327%
Как видно из представленных результатов испытаний, светодиодный осветительный прибор, соответствующий настоящему изобретению, имеет эффективность по PPF в 3,27 раза большую, чем эффективность HPS, и в 1,18 раза большую, чем эффективность по PPF промышленно выпускаемого светодиодного осветителя для теплиц, построенного на отдельных синих и красных светодиодах. Естественно, что во многих вариантах осуществления изобретения все светодиоды и осветительный прибор имеют конструкцию, специально рассчитанную на применение в теплицах для выращивания растений в качестве осветителей теплиц.
В вышеприведенных примерах описаны варианты осуществления, в которых имеется один светоизлучающий диод, обладающий указанными спектральными характеристиками. Естественно, рассматриваемый осветительный прибор может содержать множество светодиодов, при этом по меньшей мере некоторые из них (например, 10% или более), а предпочтительно - большинство из них (более 50%) должны иметь указанные свойства и характеристики. Следовательно, можно иметь приборы, содержащие сочетание традиционных светодиодов и светодиодов, отвечающих настоящему изобретению. Никакого верхнего предела в отношении числа светодиодов не существует. Таким образом, соответствующие изобретению осветительные приборы могут содержать грубо от 1 до 10000 светодиодов, в типичном случае от 1 до 1000, и в частности от 1 до 100 светодиодов.
2
Итак, идея настоящего изобретения состоит в том, чтобы объединять светодиоды, максимумы излучения которых лежат на различных длинах волн, в один светильник и управлять светодиодами с целью получения желаемого спектра излучения для достижения определенных результатов роста и физиологических реакций. Таким образом, система освещения позволит осуществлять универсальное управление интенсивностью освещения и спектром. В конечном счете, в ту же самую систему управления вместе с освещением может быть интегрировано управление другими абиотическими параметрами, такими как концентрация CO, температура, доступ дневного света и влажность, чтобы оптимизировать урожайность и общее управление теплицей.