Светильник для растений

Полезная модель относится к области сельского хозяйства и, в частности, к системам искусственного светодиодного освещения растений в теплицах, а также подсветки посадочного материала в домашних условиях.
В настоящее время достоверно установлено, что фито-активным действием обладает не весь спектр видимого излучения, а отдельные его участки, соответствующие полосам фотосинтетически активной радиации (ФАР) [Raven Р.Н., Evert R.F., Eichorn S.E. Handbook of plant science., J. Wiley, 2007]. На фиг. 1 показаны три спектральные кривые, характеризующие поглощение видимого света зелеными растениями. Кривая «а» относится к поглощению света, который расходуется на синтез хлорофилла (и каратиноидов), кривые «b» и «с» отвечают процессам фотосинтеза и фотоморфогенеза.
В случае зеленых растений к полосам ФАР относят полосы поглощения в фиолетово-синей области, перекрывающие область длин волн от 420 до 500 нм. Поглощение в области 600-700 нм (полосы с максимумами при 612, 642, 660 и 700 нм) обладает более сильным субстратным и регуляторным воздействием, чем полосы в коротковолновой области спектра. Наконец, в области 700-750 нм свет имеет выраженное регуляторное и слабое субстратное действие.
Оптимум в распределении ФАР по длинам волн зависит от типа растения, но в случае зеленых растений доминирующую роль играет излучение в красной области.
Свет в диапазоне длин волн 500-600 нм не обладает значимым фитоактивным действием. Одни авторы относят его к категории бесполезной энергии (wasted energy), другие - полагают, что имеющиеся в листьях вспомогательные пигменты могут передавать энергию из одной спектральной области в другую.
Разработка систем искусственного освещения и досветки растений прошла через стадию использования обычных ламп накаливания, на смену которым пришли ртутные, газоразрядные люминесцентные, металл-галогенные и натриевые лампы, широко используемые и в настоящее время. Однако спектры излучения этих светильников плохо согласованы с полосами поглощения зеленых растений.
После разработки технологии промышленного производства светодиодных источников монохроматического света (синего, зеленого и красного) их стали использовать для создания новых систем искусственного освещения растений, которые обеспечивали адресную световую накачку в тех спектральных областях, которые соответствовали полосам поглощения зеленых растений. Так, например, в патенте US 5278432 был предложен источник света с синими (400-450 нм) и красными (620 и 680 нм) светодиодами.
По данным, приводимым в патенте US 6921182, соотношение интенсивностей света в синей и красной областях спектра при искусственном освещении должно составлять для зеленых растений (0,06-0,08):1. При этом наилучшими характеристиками обладала композиция, составленная из синего, оранжево-красного (612 нм) и красного (660 нм) светодиодов. Авторами было рекомендовано использовать в источнике освещения растений 12 красных светодиодов (660 нм), 6 оранжевых (612 нм) и только один синий светодиод.
В настоящее время ведущие компаниями мира Osram, Philips, Hortilux выпускают главным образом источники с 4 светодиодами. Известны также светильники с 5 и более светодиодами (430, 450, 470, 610, 660 и 740 нм) [Iethai Lighting Guangzhou China].
Несмотря на, казалось, вполне очевидные преимущества светодиодного освещения, обусловленные адресной доставкой красного и синего излучения к центрам поглощения в растении, нельзя игнорировать тот факт, что в обычных условиях растение контактирует с солнечным светом, спектр которого в видимой области является достаточно широким и сплошным. Поэтому на растение воздействует излучение не только той длины волны, которая соответствует максимуму излучения светодиода, но и всей совокупности длин волн, примыкающих к спектральному максимуму.
Ширина полос в спектрах поглощения растений, как правило, бывает значительно шире, чем полосы излучения светодиодов (20-30 нм), поэтому нет оснований считать, что монохроматическая накачка является комфортным воздействием для растения. Возможно поэтому, замена металл-галогенных и натриевых ламп высокого давления, на светодиодные источники не приводит к кратному повышению эффективности светового воздействия.
Альтернативным направлением в фито-светотехнике являются светильники с синими светодиодами и нанесенными на их поверхность свето-преобразующими желто-оранжевыми люминофорами [Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы / Современные технологии автоматизации. 2010, №2, с. 76-82]. Спектр излучения таких источников включает узкую синюю полосу остаточного первичного излучения с длиной волны 445-470 нм и широкую желто-оранжевую полосу, охватывающую интервал (500-680 нм) и возникающую при возбуждении люминофора первичным синим светом.
Несмотря на высокую световую эффективность таких источников, доля фито-активного, т.е. полезного для растений, излучения в красной области спектра не превосходит 15-20% от общего светового потока. Чтобы компенсировать дефицит красного света было предложено наряду с синими светодиодами использовать также узкополосные красные светодиоды. Данное решение усложняло конструкцию светильника и приводило к увеличению его стоимости. Существенно, также, что и в этом случае не удается в полной мере компенсировать дефицит красного света из-за малой ширины полосы, излучаемой красным светодиодом.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является техническое решение, данное в патенте [RU 153425]. Авторами были предложены два варианта светильников для теплиц, в которых были использованы синие светодиоды, совмещенные с широкополосным красным люминофором. В первом конструктивном варианте светильник включал корпус, внутренние стенки и дно которого были изготовлены из материала с высоким коэффициентом отражения. Крышка светильника выполняла функции рассеивателя света, излучаемого цепочками синих светодиодов, каждый из которых был покрыт слоем широкополосного красного люминофора. Излучаемый синий свет с длиной волны 445-470 нм проходил сквозь слой красного люминофора и возбуждал красную люминесценцию с максимумом в спектре излучения при 630-670 нм и шириной спектра на половине высоты равной 90-110 нм.
Второй вариант конструкции светильника отличался тем, что красный нитридный люминофор был пространственно отделен от сине-излучающего светодиода и нанесен в виде тонкого слоя (4) на внутреннюю поверхность рассеивателя света или же был диспергирован в объеме материала рассеивателя.
Техническое решение, предложенное в патенте [RU 153425] было выбрано нами в качестве прототипа. Основное преимущество предложенного ранее светильника заключалось в том, что первичное синее излучение, прошедшее сквозь слой красного люминофора, образовывало вместе с возникающим красно-оранжевым свечением световой поток, согласованный с полосами поглощения зеленых растений.
Главный недостаток прототипа состоит в том, что предложенный светильник для теплиц обладает сравнительно низкой эффективностью, которая не превосходит 25 Люмен/Ватт. Это связано с тем, что полупроводниковый чип, являющийся источником первичного синего света, располагается на плоском, непрозрачном носителе (chip on board «СОВ») вследствие чего, независимо от модификации светильника весь синий свет, излученный светодиодом в сторону непрозрачного носителя, рассеивается в виде теплоты.
Преодолеть данный недостаток представляется возможным при размещении синих чипов (светодиодов) на прозрачном носителе (chip-on-glass «COG»). В этом случае синий свет излучается в направлении полного телесного угла (4π стерадиан), в результате чего эффективность светодиодного источника света при той же подводимой мощности должна значительно возрасти, что является важным для практики техническим результатом.
Источники света со светодиодами, нанесенными на прозрачные носители, нашли практическое применение в новом поколении осветительных ламп комфортного белого света с цветовой температурой 2700-2900К, индексом цветопередачи более 80 при эффективности 90-110 Лм/Ватт [USPatent Application: 20090184618, 20140362586, USPatent: 9491813, 8894252, 9502622,]. Эти лампы, выполняемые чаще всего в конфигурации традиционных ламп накаливания или родственных им формах, получили название светодиодных филаментных ламп по той причине, что источники света в них имитировали светящиеся нити в лампах накаливании. Типичная конструкция таких ламп показана на фиг. 2, где стрелкой обозначен один из четырех филаментных источников излучения.
Филаментом является совокупность:
- прозрачного носителя, изготовленного из лейкосапфира или прозрачной керамики;
- системы синих чипов [US 9491813], размещенных по длине на лицевой поверхности носителя, вместе с соответствующей электрической разводкой;
- люминофорного покрытия, нанесенного из суспензии люминофора в прозрачном полимерном материале (силиконе или эпоксидной смоле) поверх чипов с электрической разводки на лицевой поверхности носителя, а также покрытия, нанесенного на нижнюю поверхности носителя.
Таким образом, филамент представляет собой излучающий элемент лампы (люминофор - носитель с чипами и электрической разводкой - люминофор), осевое сечение которого имеет линзообразный вид.
Прозрачный носитель чипов имеет обычно форму стерженька [US Patent Application 20140369036] с размерами длина (5 мм - 200 мм), ширина (0,5 мм - 10 мм) и толщина (0,1 мм - 5,0 мм). В настоящее время чаще всего используют носители длиной 38-39 мм, шириной 1,5 мм и толщиной менее 1 мм, по длине которого размещены 28 (или иное число) чипов небольшой мощности (например, 0,02-0,04 Ватт). Как правило, все чипы в филаменте излучают синий свет [USPatent 9491813, US Patent Application 20140362586], спектральный диапазон которого может в зависимости от соотношения между нитридами индия и галлия в материале чипа изменяться от 420 до 480 нм. В коммерческих продуктах этот диапазон сужается до 445-460 нм.
В настоящее время филаменты стали предметом продажи в качестве конструктивного элемента ламп самой различной конфигурации. Стоимость стандартного филамента на основе лейкосапфирового носителя составляет всего 0,14 US$ за штуку при закупке 5000 штук (Epistar chips sapphire Led Filament, model EGL-L01LN28AN-A).
3
5-x
x
12
3
5
12
3
5
12
1-x
x
3
1-x
x
2
5
8
Главной и пока единственной сферой практического применения филаментных светодиодных ламп являются высокоэффективные источники комфортного белого света. При изготовлении их, как и в случае обычных светодиодных ламп с синими чипами на непрозрачном носителе, для преобразования синего света используют смеси зеленого и желтого YAG:Ce люминофоров [(YAlGaO):Ce, LuAlO (YAlO):Ce] с одним из известных типов красного нитридного люминофора, например, состава CaSrAlSiN:Eu или состава (CaSr)SiN:Eu [USP 9491813, US 20140362586].
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создания нового функционального устройства - а именно светильника для растений, обладающего повышенной эффективностью и имеющего спектр излучения, согласованный со спектром поглощения растений. Этот технический результат достигается использованием светодиодов, размещенных на поверхности прозрачного носителя, а также изменением состава люминофора, наносимого на поверхность носителя синих чипов. Преобразование синего света в предлагаемом светильнике для растений осуществляется с помощью широкополосных красных нитридных люминофоров или смешанных композиций на основе красных нитридных и желто-оранжевых оксидных люминофоров со структурой граната.
Таким образом, решение поставленной задачи достигается созданием светильника для растений на основе филаментных источников света, включающих прозрачную керамическую или лейкосапфировую подложку, на лицевой поверхности которой размещена линейка синих светодиодов, излучающих свет в диапазоне 445-470 нм, а также слой широкополосного красного нитридного люминофора, диспергированного в прозрачном отверждаемом материале, или слой, составленный из смеси красных нитридных люминофоров, или смеси красного нитридного люминофора и желто-оранжевых оксидных люминофоров, со структурой граната, нанесенный после монтажа светодиодов на обе поверхности носителя, в результате чего синий свет светодиодов, проходящий через слой люминофорного покрытия, частично трансформируется в красно-оранжевое излучение, максимум которого располагается в интервале 615-670 нм, при этом ширина спектра на половине высоты ординаты максимума изменяется в зависимости от состава люминофорной композиции в диапазоне 95-165 нм, а соотношение ординат максимумов в спектре излучения светильника в синей (445-470) и красной (615-670 нм) областях спектра может изменяться от 1,5:1 до 1:10.
Примеры практического выполнения
Пример №1
493
0,493
0,014
3
Для приготовления филаментного источника света были взяты, произведенные компанией Shenzhen Lianshang Optical Со, Ltd. лейкосапфировые подложки с линейкой нанесенных синих светодиодов и смонтированной электрической разводкой, но несодержащие люминофорного покрытия. Светодиоды излучали свет с длиной волны 455 нм. На поверхность подложки, с нанесенными чипами, а также на поверхность, свободную от чипов, была нанесена суспензия широкополосного красного люминофора (SrCaEu)AlSiN в силиконе. Аналогичным образом для люминофора данного состава изготавливали еще 3 филамента, которые после отверждения силикона монтировали в лампу, имеющую конфигурацию обычных ламп накаливания и включающие 4 филамента (см. фиг. 2).
Результаты измерения спектральных характеристик полученного светильника, приведены на фиг. 3-а и в таблице №1. Как видно, максимум излучения в красной области располагался при 650 нм, ширина спектра на половине высоты ординаты в максимуме излучения была равна 121 нм. Соотношение пиков полос синего и красного излучения лампы составляло 1:1,34.
Пример №2
493
0,493
0,014
3
3
5
12
В данном случае в отличие от примера №1 в качестве люминофора при приготовлении филаментов была взята смесь широкополосного красного нитридного люминофора (SrCaEu)AlSiN с желто-оранжевым люминофором состава (Y-Gd)AlO:Ce при массовым соотношением компонентов, равным 1:1
Как и в примере №1, была изготовлена лампа, имеющая конфигурацию обычных ламп накаливания и включающая 4 филамента. Для этой композиции (см. фиг. 3-b и табл. 1) максимум излучения в красной области спектра располагался при 631 нм, полуширина спектра составляла 111 нм, а соотношение пиков полос в синей и красной области спектра было равно 1:5,9.
Пример №3
Смесь люминофоров, взятых для приготовления филаментов в примере №3, содержала те же компоненты, что и в примере №2, но соотношение между ними составляло 1:3. В данном случае (см. фиг. 3-с и табл. 1) максимум излучения красной области спектра располагался при 631 нм, полуширина спектра составляла 119 нм, а соотношение пиков полос в синей и красной области спектра было равно 1:2.
Пример №4
Данный пример отличается от образца №3 составом смеси люминофоров, которая в данном случае отвечала соотношению компонентов 1:6. Как и в предыдущих примерах, монтаж филаментов осуществлялся в светильник конфигурацией обычных ламп накаливания. В данном случае (см. фиг. 3-d и табл. 1) максимум излучения в красной области спектра располагался при 625 нм, полуширина спектра составляла 130 нм, а соотношение пиков полос в синей и красной области спектра было равно 1:1.05.
Пример №5
0,95
0,05
3
5
12
В этом примере была использована смесь красного нитридного люминофора с желтым гранатным люминофором состава (YCe)AlO. В этом случае свечение имело теплый белый свет с цветовой температурой 2750K. В сравнении с образцами №№1-4 спектр излучения светильника имел наибольшую ширину, составляющую 165 нм и при этом максимум в красной области спектра (616 нм) был наиболее сильно сдвинут в коротковолновую область. Однако это не привело к снижению интенсивности излучения на длине волны 700 нм.
Обобщение информации, полученной в иллюстрирующих примерах, дано в табл. №1.
Как видно из приведенных данных, в спектре светодиодного светильника для растений всегда присутствует полоса первичного синего возбуждающего излучения и широкая полоса в красной области, которая перекрывает все полосы фито-активной радиации, находящиеся в диапазоне длин волн 560-780 нм.
Соотношение полос в синей и красной областях спектра зависит от от толщины нанесенного слоя и концентрации люминофора в суспензии с силиконом, которую наносят на поверхность синего светодиода. При этом положение максимума в красной области (от 616 до 670 нм) и ширина спектральной кривой задается составом красного люминофора и его смесей с с желто-оранжевыми люминофорами.
Свет, излучаемый светильником, в примерах №1-4 имел пурпурную окраску с градациями фуксия (#FF00FF), маджента (#FF008F), пурпурный (#С400АВ) в зависимости от соотношения синей и красной составляющей в спектре.
Смешивание красного люминофора с желто-оранжевым приводит к сдвигу длинноволновой ветви спектральной кривой в коротковолновую область, но интенсивность люминесценции на длине волны 700 нм всегда оставалась на уровне 50% от максимальной. При этом световой поток светильников, изготовленных с использование смесей люминофоров почти в 1,5-2 раза превосходил тот, который имели светильники с красным люминофором. В результате удалось повысить эффективность полученных светодиодных филаментных светильников более, чем на 70% в сравнении с эффективностью прототипа при одновременном снижении стоимости светильников. Последнее достигалось за счет уменьшения смесей красного и желто-оранжевых люминофоров вместо дорогостоящего красного люминофора.