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 на полезную модель №186764, 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.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является способ энергосберегающего импульсного облучения растений и устройство для его осуществления (патент на изобретение №2554982, 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, включённых 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.
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 светодиодный фитосветильник, содержащий корпус, преобразователь напряжения, блок управления, группу красных светодиодов и группу синих светодиодов, при этом содержит три группы красных светодиодов и три группы синих светодиодов, каждая группа светодиодов снабжена стабилизатором тока и электронным ключом, соединенными последовательно с соответствующей группой светодиодов, а все группы светодиодов одного цвета снабжены общим датчиком освещенности, соединенным с блоком управления.
Поглощение света осуществляют специфические пигменты. При этом 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.
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.
Сущность конструкции состоит в использовании групп эффективных светодиодов красного и синего цвета, где каждая группа светодиодов последовательно соединена со стабилизатором тока и электронным ключом, что позволяет по сигналу от датчика освещенности включать и отключать группы светодиодов, изменяя соотношение синего и красного участков спектра, и таким образом осуществлять управление фотоморфогенезом растений в помещении. Устройство изменяет соотношение синего и красного участков спектра, в результате чего у растений активируются рецепторы синего и красного 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 листов, то есть не нарушает требуемый микроклимат в помещении, в результате чего обеспечиваются наиболее оптимальные условия для фотосинтеза и накопления биомассы растений.
На фигуре приведена структурная схема светодиодного фитосветильника.
Светодиодный фитосветильник содержит корпус 1, преобразователь напряжения 2, вход которого подключен к электросети 220 В, к выходу преобразователя напряжения 2 присоединены стабилизаторы тока 3, 4, 5 групп красных светодиодов, к выходу которых присоединены управляемые электронные ключи 6, 7, 8 групп красных светодиодов с последовательно присоединенными группами красных светодиодов 9, 10, 11 соответственно, к выходу преобразователя напряжения 2 также присоединены стабилизаторы тока 12, 13, 14 групп синих светодиодов, к выходу которых присоединены управляемые электронные ключи 15, 16, 17 групп синих светодиодов с последовательно присоединенными группами  синих светодиодов 18, 19, 20 соответственно, датчик освещенности 21 групп красных светодиодов, и датчик освещенности 22 групп синих светодиодов, соединенные с блоком управления 23. Входы управления управляемых ключей 6-8, 15-17 также подключены к блоку управления 23.
Светодиодный фитосветильник работает следующим образом.
При подключении преобразователя напряжения 2 к электросети переменного тока 220 В на его выходе появляется стабилизированное постоянное напряжение 12(24) В, которое поступает на стабилизаторы тока 3, 4, 5 групп красных светодиодов, работающих в диапазоне 440-450 нм, и стабилизаторы тока 12, 13, 14 групп синих светодиодов, работающих в диапазоне 650-660 нм. Управляемые электронные ключи 6, 7, 8 групп красных светодиодов представляют собой электронные коммутаторы тока, и коммутируют ток через группы красных светодиодов 9, 10, 11 соответственно, излучающих в диапазоне 440-450 нм, по команде из блока управления 23. Управляемые электронные ключи 15, 16, 17 групп синих светодиодов также представляют собой электронные коммутаторы тока, и коммутируют ток через группы синих светодиодов 18, 19, 20 соответственно, излучающих в диапазоне 650-660 нм, по команде из блока управления 23. Датчик освещенности 21 групп красных светодиодов и датчик освещенности 22 групп синих светодиодов дают информацию блоку управления 23 об уровне освещенности в красном и синем спектрах. Применение датчика освещенности 21 группы красных светодиодов и датчика освещенности 22 группы синих светодиодов дает возможность более точно автоматически или вручную регулировать интенсивность свечения светодиодов, что позволяет добиться максимальной интенсивности роста растений.
Блок управления 23 регулирует интенсивность светового потока групп красных и синих светодиодов в зависимости от вида растений, и в зависимости от времени суток путем управления электронными ключами, при этом количество включенных групп красных и синих светодиодов изменяется.
Для достижения технического результата (управления фотоморфогенезом растений) необходимо изменять соотношение синего и красного участков спектра, в результате чего у растений будут активироваться рецепторы синего и красного света, и запускаться соответствующие реакции. Кроме того, будет возможно моделировать 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.
В частности, при выращивании рассады используют изменение соотношения синих и красных лучей следующим образом. В начале прорастания желательно, чтобы красных лучей было больше, чем синих, 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.
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.
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.
Таблица 1
Показатель
Полный спектр
Красные, зеленые и синие лучи
Красные и синие лучи
Пшеница Льговская 8, кущение – BBCH 23-29
ФП, тыс. м<sup>2</sup> /га сутки
183,7
203,2
342,4
ЧПФ, г/м<sup>2</sup> сутки
3,42
3,90
5,38
Огурец Доломит, защищенный грунт
Площадь листьев, см<sup>2</sup>
407,3
427,4
478,2
ФП, млн. м<sup>2</sup> /га сутки
3,76
3,94
5,42
Урожайность, кг/м2
16,4
16,8
19,7
Картофель Гала
Площадь листьев, тыс. м<sup>2</sup> /га
36,5
35,5
37,9
ФП, тыс. м<sup>2</sup> /га сутки
1387
1396
1572
ЧПФ, г/м<sup>2</sup> сутки
26,2
26,4
37,6
Урожайность, кг/м<sup>2</sup>
29,7
30,1
42,0
В таблице 1 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.
Как видно из таблицы 1, при освещении светом одинаковой интенсивности, включающим полный спектр и набор красных, зеленых и синих лучей, ФП и ЧПФ почти не изменялись у растений пшеницы, огурца и картофеля. Исключение неэффективных квантов зеленой части спектра (красные и синие лучи) привело к увеличению ФП, ЧПФ и урожая растений.
Данные по длине и сухой массе побегов растений томатов (12 сут.), иллюстрирующие эффективность накопления биомассы освещении лампами красного и синего спектра приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, накопление и распределение биомассы растений зависит от соотношения синих и красных лучей.
Таблица 2
Показатель
Соотношение интенсивности освещения синими и красными лучами
3:1
1:3
Сухая масса листьев, мг
66
43
Сухая масса стебля, мг
16
15
Сухая масса корня, мг
40
32
Длина побега, мм
51
78
Синие лучи способствуют накоплению сухой массы и торможению роста в длину. Красные лучи, напротив, способствуют вытягиванию стебля. Изменяя соотношение синих и красных лучей, можно управлять морфогенезом растений.
Таким образом, светодиодный фитосветильник, содержащий корпус, преобразователь напряжения, блок управления, три группы красных светодиодов и три группы синих светодиодов, каждая из которых снабжена стабилизатором тока и электронным ключом, соединенными с соответствующей группой светодиодов, а все группы светодиодов одного цвета снабжены общим датчиком освещенности, соединенным с блоком управления, обеспечивает повышение продуктивности фотосинтеза, увеличение биомассы и урожая.