Светодиодный фитосветильник

Полезная модель относится к светодиодным источникам света для растениеводства и может быть использована для стимулирования роста растений путем регулировки и поддержания на необходимом уровне излучения светодиодов разного цвета свечения.
Известен линейный светодиодный фитосветильник (патент РФ №2709465, МПК F21S 4/24, A01G 7/04, опубл. 18.12.2019, бюл. № 35), содержащий алюминиевый корпус, светодиодную ленту, установленную в нижней части алюминиевого корпуса, и канал для принудительного водяного охлаждения, причем светодиодная лента содержит светодиоды красного, синего, желтого и УФ-спектра свечения, при этом на каждом светодиоде устанавливается линза, создающая световой луч с углом 60°.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности регулирования интенсивности свечения светодиодов каждого спектра.
Известно светоизлучающее устройство, источник света на основе СИДа (светоизлучающего диода) для растениеводства и промышленное предприятие по выращиванию растений (патент РФ № 2580325, МПК F21S 8/04, H01L 33/50, А01G 7/00, опубл. 10.04.2016, бюл. № 10), содержащее источник света на основе СИДа (светоизлучающего диода) для растениеводства, в который входят светодиоды красного и синего спектра и герметизирующая смола, содержащая люминофор, которая покрывает кристаллы светодиодов.
Недостатком данного светоизлучающего устройства является отсутствие возможности регулирования интенсивности свечения светодиодов каждого спектра.
Известна управляемая осветительная система (патент РФ №2579746, МПК H05B 33/08, опубл. 27.08.2013, бюл. № 24), содержащая множество управляемых светодиодов, рассеивающий оптический элемент, определяющий доступный угловой диапазон излучения света, контроллер, запрограммированный с возможностью реализации множества различных схем светового излучения посредством применения набора предварительно запрограммированных управляющих параметров управляемых светодиодов, датчик света, информация с которого подается на контроллер и используется для создания различных схем светового излучения.
Недостатком данной системы является повышенная сложность и стоимость.
Известен фитосветодиодный модуль (патент РФ №186764, МПК А01G 7/04, опубл. 31.01.2019, бюл. № 4), содержащий группу светодиодов для растений с диапазоном излучения от 400 до 700 нм, варистор и самовосстанавливающийся предохранитель, блок питания, включающий в себя диодный мост, конденсатор, микросхему стабилизатора тока, токозадающий резистор, причем фитосветодиодный модуль выполнен в виде печатной платы с алюминиевым основанием, на которой методом автоматического поверхностного монтажа установлены светодиоды, варистор, самовосстанавливающийся предохранитель и все элементы блока питания.
Недостаток фитосветодиодного модуля заключается в повышенной сложности и отсутствии возможности раздельного регулирования интенсивности излучения в отдельных диапазонах спектра.
Известно устройство для осуществления энергосберегающего импульсного облучения растений (патент РФ №2554982, МПК А01G 7/04, А01G 9/26, опубл. 10.07.2015, бюл. № 19), состоящее из преобразователя напряжения, трех групп светодиодов (красного, зеленого и синего спектра излучения), размещенных в корпусе, формирователей импульсов, блока управления, регуляторов параметров импульсов, задатчиков периодичности импульсов, задатчиков амплитуды импульсов, задатчиков продолжительности импульсов, задатчиков фазового угла импульсов, включенных в каждую группу светодиодов, вычислителя и датчика продуктивности растений.
Однако, пульсации света для высших растений не имеют смысла, они адаптированы к непрерывному световому потоку Солнца. Таким образом, преобразование непрерывного излучения в импульсное сопряжено с потерями энергии, и не имеет смысла для высших растений. Кроме этого, присутствие зеленых лучей способствует повышению температуры воздуха в помещении. При этом увеличивается интенсивность дыхания у растений и падает интенсивность фотосинтеза. Избыточное освещение, сопровождающееся нагреванием воздуха и поверхности листа, будет способствовать снижению урожая.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является светодиодное осветительное устройство для теплицы на базе управления ПЛК (патент № CN205567191, МПК A01G 7/04, опубл. 21.04.2016), состоящее из мостовой рамы, программируемого логического контроллера (ПЛК), программатора, источника питания, блока светодиодов синего света, блока светодиодов красного света и блока светодиодов дальнего красного света, светодиодных датчиков синего, красного и дальнего красного света, драйверов светодиодов синего, красного и дальнего красного света, аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, соединенных с ПЛК сигнальными линиями RS485.
Недостатком данной системы является повышенная сложность из-за отсутствия возможности моделировать природные условия освещения растений в разных природно-климатических зонах, в частности, в высокогорье, отсутствие возможности дополнительной стимуляции роста, развития, продуктивности растений.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в разработке светодиодного фитосветильника, обеспечивающего возможность раздельного регулирования излучения светодиодов разного спектра свечения, и не влияющего на климатические факторы помещения.
Технический результат - повышение продуктивности фотосинтеза, увеличение биомассы и урожая.
Технический результат достигается за счет того, что в светодиодном фитосветильнике, содержащем корпус, источник питания, драйвер группы красных светодиодов, группу красных светодиодов, драйвер группы синих светодиодов и группу синих светодиодов, датчик освещенности группы синих светодиодов и датчик освещенности группы красных светодиодов, дополнительно введены драйвер группы ультрафиолетовых светодиодов и группа ультрафиолетовых светодиодов, датчик освещенности группы ультрафиолетовых светодиодов, микроконтроллер, соединенный с драйверами групп красных, синих и ультрафиолетовых светодиодов, и с датчиками освещенности групп красных, синих и ультрафиолетовых светодиодов.
Поглощение света осуществляют специфические пигменты. Самый многочисленный пигмент - хлорофилл - наиболее эффективно поглощает красный (≥630 нм) и синий (450-480 нм) свет. Вспомогательные пигменты, такие как каротиноиды и ксантофиллы, поглощают некоторое количество синего и фиолетового (≤450 нм) света и передают его в реакционный центр фотосинтеза. В основном растения поглощают синий и красный цвет, а зеленый (от 510 до 550 нм) отражают или пропускают. Именно поэтому листья растений, в основном, зеленого цвета.
Известно, что спектры поглощения экстрактов из листьев растений подразделяются на три группы по расположению максимумом в средневолновом, длинноволновом ультрафиолете и в видимой части оптического диапазона [Колдаев В.М. Модификации спектров поглощения экстрактов из зеленых листьев. Бюллетень Ботанического сада-института ДВО РАН. 2014. № 11. С. 48-52; Колдаев В.М. Разновидности абсорбционных спектров этанольных извлечений из листьев растений. Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. № 5-5. С. 1793-1795.].
Свет является источником энергии для фотосинтеза, причем максимум поглощения энергии хлорофиллами у листьев высших растений находится в синей и красной областях спектра. Кроме того, синий и красный свет играют ключевую роль в процессах фотоморфогенеза и фотопериодизма. Система рецепции синего и красного света включается в процессе прорастания и регулирует рост гипокотиля, распрямление гипокотильного крючка, рост семядолей, синтез антоцианов в проростке, синтез этилена. Интенсивность реакций прямо пропорциональна мощности светового потока.
Помимо фотосинтетически активной радиации (400-700 нанометров) растения подвергаются воздействию ультрафиолетового облучения. Ультрафиолет А может улучшить питательные качества культур, не оказывая вредного влияния на рост растений. При определенных дозах ультрафиолетовой радиации можно получить необходимые качества и свойства растений [Соколов А.В. Анализ эффективности облучения растений ультрафиолетовой радиацией в условиях защищенного грунта. Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2020. Т. 67. № 2 (39). С. 37-43.]
Рецепция ультрафиолета также вносит вклад в развертывание фотоморфогенетических программ. За обработку световых сигналов в ультрафиолетовом спектре отвечают фоторецепторы [Войцеховская О.В.Фитохромы и другие (фото)рецепторы информации у растений. Физиология растений. 2019. Т. 66. № 3. С. 163-177.]. Умеренные дозы ультрафиолетового излучения стимулируют производство хлорофиллов. Ультрафиолет увеличивает синтез фенольных и флавоноидных соединений с антиоксидантной активностью, что способствует увеличению адаптивного потенциала растений и устойчивости к неблагоприятным факторам.
Ультрафиолетовое облучение, применяемое в заявляемой модели, позволяет создавать условия высокогорья, что важно для исследования процессов адаптации растений и оценки их толерантности к этому излучению, а также стимулировать рост и продукционный процесс [Акназаров О.А. Действие ультрафиолетовой радиации на рост, морфогенез и уровень гормонов высокогорных растений. - автореф. докт. дисс./ О.А. Акназаров. - Душанбе. - 1991. - 47 с.].
Сущность конструкции состоит в использовании групп эффективных светодиодов красного, синего и ультрафиолетового цвета, где каждая группа светодиодов последовательно соединена с соответствующими драйверами, обеспечивающими возможность плавного регулирования тока групп светодиодов по сигналам от датчиков освещенности каждой группы светодиодов, что позволяет осуществлять управление фотоморфогенезом растений в помещении. Устройство изменяет соотношение красного, синего и ультрафиолетового участков спектра, в результате чего у растений активируются рецепторы синего, красного и ультрафиолетового света, и запускаются соответствующие реакции. Устройство позволяет моделировать в помещении условия освещения для светолюбивых и теневыносливых растений, условия освещения в горах и долинах, в различных географических широтах, а также в утренние, дневные и вечерние часы. При этом устройство не нагревает помещение и поверхность листьев, то есть не нарушает требуемый микроклимат в помещении, в результате чего обеспечиваются оптимальные условия для фотосинтеза и накопления биомассы растений.
На фигуре приведена структурная схема светодиодного фитосветильника.
Светодиодный фитосветильник содержит корпус 1, источник питания 2, вход которого подключен к электросети 220(230) В, к выходу источника питания 2 присоединены драйвер (регулируемый стабилизатор тока) группы красных светодиодов 3, драйвер (регулируемый стабилизатор тока) группы синих светодиодов 4 и драйвер (регулируемый стабилизатор тока) группы ультрафиолетовых светодиодов 5, группа красных светодиодов 6, соединенная последовательно с драйвером группы красных светодиодов 3, группа синих светодиодов 7, соединенная последовательно с драйвером группы синих светодиодов 4, группа ультрафиолетовых светодиодов 8, соединенная последовательно с драйвером группы синих светодиодов 5, датчик освещенности группы красных светодиодов 9, датчик освещенности группы синих светодиодов 10 и датчик освещенности группы ультрафиолетовых светодиодов 11, соединенные с микроконтроллером 12, который соединен с драйвером группы красных светодиодов 3, драйвером группы синих светодиодов 4 и драйвером группы ультрафиолетовых светодиодов 5.
Светодиодный фитосветильник работает следующим образом.
При подключении источника питания 2 к электросети переменного тока 220(230) В на его выходе появляется стабилизированное постоянное напряжение, которое поступает на драйвер группы красных светодиодов 3, работающих в диапазоне 650-660 нм, драйвер группы синих светодиодов 4, работающих в диапазоне 440-450 нм, и драйвер группы ультрафиолетовых светодиодов 5, работающих в диапазоне 365-395 нм, значение выходного тока которых определяет интенсивность свечения группы красных светодиодов 6, группы синих светодиодов 7, группы ультрафиолетовых светодиодов 8, интенсивность свечения групп светодиодов устанавливается автоматически по программе, заложенной в микроконтроллер 12 в зависимости от вида растений и в зависимости от времени суток, датчик освещенности красных светодиодов 9, датчик освещенности синих светодиодов 10 и датчик освещенности группы ультрафиолетовых светодиодов 11, соединенные с микроконтроллером 12. Применение датчика освещенности группы красных светодиодов 9, датчика освещенности группы синих светодиодов 10 и датчика освещенности группы ультрафиолетовых светодиодов 11 дает возможность плавно и точно регулировать интенсивность свечения групп светодиодов по программе, заложенной в микроконтроллер 12, что позволяет добиться максимальной интенсивности роста растений.
В частности, при выращивании рассады используют изменение соотношения ультрафиолетовых, синих и красных лучей следующим образом. В начале прорастания желательно, чтобы красных лучей было больше, чем синих и ультрафиолетовых, поэтому используют соотношение синие:красные лучи 1:3.
После появления первых настоящих листьев желательно увеличить долю синего света: соотношение синие:красные лучи 3:1. Это позволяет нарастить хорошую корневую систему. Максимальный стимулирующий эффект при кратковременном УФ-облучении растений наблюдается на ранних этапах органогенеза [Гончарова Л.И. Влияние ультрафиолетового излучения на рост, развитие и продуктивность яровой пшеницы. Автореф. дисс. … кандид. биол наук. Обнинск, Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии, 1995].
Когда начинается набор зеленой массы, уменьшают долю синего: соотношение синие:красные лучи 1:3, это становится сигналом к ускоренному росту и развитию. Избыток синего спектра может привести к огромным размерам листьев и коротким междоузлиям.
Ультрафиолетовые лучи способствуют более раннему цветению растений. Имеет смысл увеличивать долю ультрафиолета при наборе зеленой массы до перехода к цветению. При ультрафиолетовом облучении может закладываться больше цветовых почек, особенно у короткодневных растений. Влияние ультрафиолета на репродуктивную систему растения выражается в фотоиндуцирующем воздействии через ускорение зацветания и дифференциации гаметофитов [Кравец Е.А., Гродзинский Д.М., Гуща Н.И. Влияние УФ-Б облучения на репродуктивную функцию растений HORDEUM VULGARE L Цитология и генетика. 2008. Т. 42. № 5. С. 9-16].
2
Кратковременное облучение ультрафиолетом (10-30 минут в день) способствует усилению роста различных видов сельскохозяйственных культур. Растения огурца, выращенные под УФА-светом, обладают более высоким фотосинтетическим потенциалом и повышенной транскрипцией генов, необходимых для фиксации углерода, по сравнению с растениями, выращенными при красном, зеленом или желтом свете [Ван Г., М. Гу, Дж. Цуй, К. Ши, Ю. Чжоу и Дж. Ю. 2009. Влияние качества света на ассимиляцию CO, тушение флуоресценции хлорофилла, экспрессию генов цикла Кальвина и накопление углеводов у Cucumis sativus / J. Photochem. Photobiol., B 96: 30-37].
УФ-А увеличивает массу корней в условиях засухи [М. Бернал, Л. Льоренс, Дж. Бадоса, Д. Вердагер, Взаимодействие УФ-излучения и доступности воды на сеянцы шести древесных средиземноморских видов, Physiol. Plant. 147 (2013) 234-247].
Ультрафиолет способствует увеличению размера листьев и сухой массы растения [Чанг, Чун-Лян и Куанг-Пи Чанг. Реакция роста листового салата на разных стадиях на светоизлучающие диоды с несколькими диапазонами длин волн. Scientia Horticulturae 179 (2014): 78-84].
В период цветения следует увеличить долю красных лучей: соотношение синие:красные лучи 1:5 и досветку ультрафиолетом для увеличения урожая.
2
Чистая продуктивность фотосинтеза (ЧПФ) определяется как накоплением вещества при фотосинтезе, так и его расходом в процессе дыхания. Она характеризует интенсивность фотосинтеза посева и измеряется количеством сухой массы растений (г), которое синтезирует 1 м листовой поверхности за 1 сут. ЧПФ определяется за какой-либо период или в среднем за вегетацию:
2
1
ЧПФ = (В - В)/ФП,
1
2
где В и В - сухая масса растений с единицы площади в конце и в начале периода, ФП - фотосинтетический потенциал.
ФП= S × Т,
2
где S - средняя за период площадь листьев (полусумма площадей листьев за два последующих определения), тыс. м/га; Т - продолжительность периода, сут.
В таблице приведены результаты сравнительных исследований по воздействию светодиодных фитосветильников - заявленного и по прототипу, а также результаты по освещению полным спектром.
Интенсивность освещения фитосветильниками была одинаковой в трех вариантах. У растений огурца ЧПФ не определяли в связи с повторяющимися сборами зеленцов.
Таблица
Показатель
Полный спектр
Красные, дальние красные и синие лучи (по прототипу)
Красные, синие и УФ лучи
Пшеница Льговская 4, кущение - BBCH 23-29
ФП, тыс. м<sup>2</sup>/га сутки
179,5
198,7
331,0
ЧПФ, г/м<sup>2</sup> сутки
3,4
3,8
5,2
Огурец Машенька, защищенный грунт
Площадь листьев, см<sup>2</sup>
397,8
421,2
463,7
ФП, млн. м<sup>2</sup>/га сутки
3,7
3,9
5,4
Урожайность, кг/м<sup>2</sup>
16,1
16,3
18,8
Картофель Удача
Площадь листьев, тыс. м<sup>2</sup>/га
34,7
34,0
35,9
ФП, тыс. м<sup>2</sup>/га сутки
1356
1375
1525
ЧПФ, г/м<sup>2</sup> сутки
25,6
25,7
34,6
Урожайность, кг/м<sup>2</sup>
29,1
29,3
42,7
Как видно из таблицы 1, при освещении светом одинаковой интенсивности, включающим полный спектр и набор красных, дальних красных и синих лучей, ФП и ЧПФ почти не изменялись у растений пшеницы, огурца и картофеля. Добавление ультрафиолетовых лучей привело к увеличению ФП, ЧПФ и урожая растений.
Таким образом, светодиодный фитосветильник, содержащий корпус, источник питания, группу красных светодиодов, группу синих светодиодов и группу ультрафиолетовых светодиодов, в котором каждая группа светодиодов снабжена драйвером, подключенным к выходу источника питания, и датчиком освещенности, соединенным с микроконтроллером, управляющим драйверами каждой группы светодиодов, что обеспечивает повышение продуктивности фотосинтеза, увеличение биомассы и урожая.