Светодиодный универсальный фитооблучатель
LED UNIVERSAL PHYTO-IRRADIATOR

Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано для облучения овощных и зеленных сельскохозяйственных культур на разных стадий роста в условиях защищенного грунта, фитотронах и промышленных теплицах.
Известно устройство для освещения растений, содержащий безртутную металлогалогенную лампу, соединенную последовательно с балластным сопротивлением: индуктивным, емкостным, комбинированным, для зажигания ламп используется зажигающее устройство, для перераспределения излучения ламп на растениях - световой прибор. Спектр излучения устройства включает диапазоны: синий (С) 400-500 нм, зеленый (З) 500-600 нм и красный (К) 600-700 нм при соотношениях С/З/К (20%)/(20%)/(60%) /патент РФ №2040829, МПК A01G 9/26, 1995 г.
Недостатками известного устройства являются отсутствие полосы излучения в дальней красной области и несбалансированность относительно спектра поглощения растением интенсивностей полос излучения, вследствие чего облучатель потребляет избыточную электроэнергию и его корпус сильно нагревается.
Известен светодиодный фитооблучатель для выращивания томата, /Патент РФ № 2695812, МПК F21K 99/00, 2019/, содержащий корпус со светоизлучающими элементами, которые состоят из комбинации светодиодов, спектр излучения и мощность которых сбалансированы и согласованы с интенсивностью поглощения и ролью в фотосинтезе ключевых пигментов фотосинтетического аппарата растения хлорофиллов, каротиноидов, криптохромов, фитохромов, при этом комбинация включает пять типов светодиодов с максимумами полос излучения в пределах диапазонов синий 434-450 нм, красный 630-632 нм и 660-670 нм и дальний красный 730-735 нм.
Недостатками известного устройства является узко направленное выращивание сортов томата, и ограниченность регулировки интенсивного спектрального диапазона.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа система светодиодного освещения теплиц /Патент RU 2680590, МПК A01G 9/20,2019/, состоящая из светодиодного фитооблучателя и блока управления интенсивностью и спектральным составом излучения, фитооблучатель выполнен из двух групп светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой группы светодиодов, а блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения выполнен из компьютера, платформы сбора данных и управления, аналого-цифрового преобразователя, цифро-аналогового преобразователя, датчика освещенности и датчика спектра.
Недостатками известного устройства являются:
- узкий диапазон длины волн излучения фитооблучателя, выражающийся в отсутствии дальнего красного диапазона 730-740 нм, что в скором времени приводит к отмиранию ниже расположенных листьев биологической материи, тогда как дальний красный диапазон обладает проникающими свойствами внутрь листа - сквозное проникновение спектрально-волновым воздействием через несколько расположенных друг под другом листьев,
- отсутствие излучения в зеленой области спектра, что делает невозможным его применение в закрытых от солнечного света сооружениях, например, фабриках растений, фитотронах,
- отсутствие защиты от пыли и влаги светодиодов и фитооблучателя в целом, в том числе защиты при распылении мелкодисперсных жидких фракций химических реагентов (удобрений, пестицидов, гербицидов и др.) в виде аэрозоля, например, при поливных и обеззараживающих методах обработки растений,
- низкий теплоотвод радиатора от светодиодных модулей, что в свою очередь существенно ограничивает срок эксплуатации фитооблучателя,
- ограничение использования регулировки спектрального диапазона с использованием ПК,
- применение дорогостоящего датчика-спектрометра и датчика освещенности существенно повышает стоимость фитооблучателя,
- наличие только двух каналов управления спектральным составом, что снижает гибкость регулирования спектра,
- конвективное воздушное охлаждение, что повышает металлоемкость системы.
Техническая задача предполагаемого изобретения заключается в повышении энергоэффективности и надежности системы освещения, урожайности и качества продукции, сокращению сроков ее получения. Путем обеспечения плавного регулирования интенсивности и спектрального состава излучения фитооблучателя, формирования оптимальной световой среды для тепличных растений.
согласно изобретению,
Технический результат достигается тем, что 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.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема светодиодный универсальный фитооблучатель; на фиг. 2 - крышка фитооблучателя; на фиг. 3 - схема размещения светодиодных сегментов; на фиг. 4 - схема работы фитооблучателя; фиг. 5 - графики спектрального состава излучения фитооблучателя в разных режимах работы.
Универсальный светодиодный фитооблучатель состоит из корпуса 1 и съемной плоской крышки 2, изготовленных, например, из алюминия. На корпусе 1 закреплен блок из четырех групп светодиодов (светодиодных модулей) с регулируемым спектром излучения каждой их линейки. В крышке 2 просверлены отверстия 3 для крепления болтов, отверстие 4 для крепления многожильного кабеля, питающего светодиодные линейки. Резьбовые соединительные отверстия 5 для крепления болтов. Система теплоотвода, выполнена в виде канала-змеевика 6, проточенного в корпусе 1, герметично закрытого крышкой 2 и связанного трубками (на фиг. не показаны) с системой жидкостного охлаждения. Трубки соединены с корпусом 1 при помощи входного и выходного штуцеров 7. Такая система охлаждения, а не оказывает существенного влияния на параметры микроклимата внутри теплицы, фитотрона или фитокамеры. На корпусе 1 размещен экран 8 от пыли и влаги, защищающий светодиодные линейки и выполненный из полупрозрачного тонкостенного поликарбоната или стекла. Герметичность корпуса 1, крышки 2 и защитного экрана 8 обеспечивается силиконовым клеевым материалом. Светодиодные группы a, b, c, d закреплены на корпусе 1 посредству теплопроводного клеевого материала.
Суммарная максимальная мощность светодиодных групп a, b, c, d фитооблучателя составляет 300 Ватт.
Мощность излучения каждой группы светодиодных модулей может регулироваться в широких пределах:
- для группы - а - четыре линейки белого диапазона цветовой температуры излучения 4000К;
- для группы - b - две линейки синего диапазона с максимумом излучения 440-460 нм;
- для группы - с - три линейки дальнего красного диапазона с максимумом излучения 730-740нм;
- для группы - d - три линейки красного диапазона с максимумом излучения 632-660 нм.
Фитооблучатель снабжен линейками светодиодов белого диапазона цветовой температуры излучения 4000К, выполненными на основе кристаллов синего 440-460 нм, покрытых люминофором с максимумом переизлучения, происходит добавление зеленой области спектра 535-570 нм.
В рассадный период необходимо увеличивать долю синего излучения 440-460 нм для предотвращения вытягивания рассады.
В период цветения необходимо увеличивать долю красного излучения 632-660 нм.
На стадии плодоношения и созревания необходимо увеличивать долю зеленого излучения 535-570 нм.
Регулировка тока от источника питания 9 происходит посредством широтно-импульсной модуляции с частотой 500 Гц. Регулируемый источник питания 9 позволяет изменять процент интенсивности излучения каждой группы светодиодов в пределах 0÷100 по сигналу от контроллера 10.
С помощью контроллера 10 можно задавать различные режимы работы системы фитооблучения, контролировать параметры среды с возможностью записи в базу данных.
Светодиодный универсальный фитооблучатель содержит телефон 11, планшет 12 и персональный компьютер 13 (ПК). Все выше названные цифровые устройства подключены к роутеру 14 посредством Wi-Fi или кабельной связи. Роутер 14 соединен с глобальной сетью интернет 15, соединяющий интернет-кабелем контроллер 10 с выходными соединительными выводами кабеля для четырех электронных блоков питания 9. Блок питания 9 соединен с блоком фитооблучения своей группы спектрального нанометрового диапазона.
Фитооблучатель снабжен закрепленным на корпусе 1 защитным механизмом от перегрева в виде температурного датчика 16, связанным с контроллером 10, отслеживающим его температурный режим.
На фиг. 5 представлены графики интенсивности изменения спектральных диапазонов. По оси абсцисс отложена длина волны излучения в нанометровом диапазоне, по оси ординат относительная спектральная плотность облученности. При помощи заданного программного алгоритма, наделенного возможностью изменять параметры облучения путем изменения спектрального состава излучения, появляется возможность влияния на репродуктивную функцию и фазы роста сельскохозяйственных растений. От начального периода развития растения и до полного его созревания проходит несколько циклических этапов роста, в течение которых на них периодически воздействуют заданным спектральным диапазоном, создавая более благоприятные условия для развития зеленой массы, определяемые по фотосинтетической активности, синтезу хлорофилла и фотоморфогенезу. В зависимости от выбора сельскохозяйственной культур, например, томаты, огурцы, салаты, и т.д., необходим свой спектральный диапазон, с изменяемой интенсивностью в процессе каждого этапа роста.
Разработанный фитооблучатель с коммуникационной системой управления решает ряд задач, например, управление интенсивностью спектрального облучения посредством цифровой передачи данных с таких устройств, как ПК, 13 планшет, 12 телефон 11.
Фитооблучатель сохраняет работоспособность длительный период времени за счет использования жидкостной системы охлаждения. Так как пониженная температура полупроводниковых светодиодных матиц положительно сказывается на сроке службы полупроводниковых кристаллов. Защитный экран 8 предохраняет светодиодные модули от повреждений.
Фитооблучатель полностью защищен от попадания пыли, грязи, влаги и распыления искусственно созданного аэрозоля, например, при орошении овощных и зеленных культур.
Фитооблучатель работает следующим образом.
На одну или несколько цифровых машин устанавливается программное обеспечение. Производится настройка программного интерфейса под заданные параметры интенсивности спектрального диапазона необходимого для роста выращиваемой сельскохозяйственной овощной или зеленной культуры. Все цифровые устройства - телефон 11, планшет 12, ПК 13 подключены к роутеру 14 посредством Wi-Fi или кабельной связи. Цифровые сигналы от роутера 14 передаются в глобальную сеть интернет 15, далее по IP-адресу в контроллер 10, который преобразует их в широтно-импульсные модулированные сигналы и предает на электронно-управляемые блоки питания 9. В итоге заданная сила тока и напряжение поступают на фитооблучатель, от суммарной мощности светодиодных линеек зависит интенсивность излучения фитооблучателя.
В лабораторных условиях фитооблучатель успешно прошел испытания на базе агроинженерного института ФГБНУ ФНАЦ ВИМ.
В фитооблучателе использовали двенадцать светодиодных линеек на тонкой алюминиевой подложке.
При испытании фитооблучателя выявлено следующие:
- температура алюминиевого радиатора фитооблучателя охлаждаемого жидкостью держалась на отметке 26-28°С, при температуре окружающей среды 22-24°С, в таких температурных режимах светодиодные модули способны служить гораздо более продолжительное время без выхода из строя;
- отсутствуют шумовые эффекты;
- обеспечена полная герметичность фитооблучателя, так как все соединительные швы герметизированы на силиконовый клеевой материал;
- автоматическая защита от перегрева фитосветильника датчиком температуры 16 и разрыва цепи электроснабжения (в случае повреждения водяного насоса, или утечки жидкой среды из каналов теплообменника), как только температура снижается до оптимально разрешенной, система снова перезапускается;
- оттестирован алгоритм работы программного обеспечения ЭВМ на взаимодействие и отклика ПК 13, планшета 12, телефона 11, в тандемной связи с фитооблучателем (испытания проводились в климатической камере закрытого защищенного грунта).
Использование фитооблучателя позволяет повысить энергоэффективность и надежность системы, урожайность и качество продукции за счет плавного регулирования интенсивности и спектрального состава излучения фитооблучателя, сформировать оптимальную световую среду для тепличных растений.