СВЕТИЛЬНИК ДЛЯ ТЕПЛИЦ

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).
В случае зеленых растений к ФАР относят полосы поглощения в фиолетово-синей области спектра с максимумами при 420, 440 нм, перекрывающие область от 410 до 500 нм. Излучение в области 600-700 нм (полосы с максимумами при 612, 642, 660 и 700 нм) имеет значительно более ярко выраженное субстратное и регуляторное воздействием, чем в коротковолновой области спектра. Наконец, в области 700-750 нм свет имеет выраженное регуляторное и слабое субстратное действие. [Ракитин А.В. Действие красного света в смешанном светопотоке на продукционный процесс растений. Автореферат дисс. к.б.н., Томск. 2001; Минич И.Б. Влияние красного люминесцентного излучения на морфогенез и баланс эндогенных гормонов растений. Автореферат дисс. к.б.н., Томск. 2005].
Оптимум в распределении ФАР по длинам волн зависит от типа растения, но в случае зеленых растений доминирующую роль всегда играет излучение в красной области. По данным, приводимым авторами патента US 6921182, соотношение интенсивностей света в синей и красной областях спектра при искусственном освещении должно составлять для зеленых растений (0,06-0,08):1.
После изобретения светодиодных источников монохроматического света (синего, зеленого и красного) их стали использовать для создания новых систем искусственного освещения. Так, например, в патенте US 5278432 был предложен источник света с синими (400-450 нм) и красными (620 и 680 нм) светодиодами. Авторы US 6921182 нашли, что лучшими характеристиками обладает композиция, составленная из синего, оранжево-красного (612 нм) и красного (660 нм) светодиодов. Там же было рекомендовано использовать в источнике фитоактивного освещения растений 12 красных светодиодов (660 нм), 6 оранжевых (612 нм) и только одного синего. Известны также светильники с 5 светодиодами (430, 450, 470, 610 и 660 нм).
Светодиодные источники с 4 светодиодами выпускаются в настоящее время ведущими компаниями мира Osram, Philips, Hortilux и в своем рыночном сегменте занимают важное место.
Однако, 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 сплошным. Поэтому на растение воздействует излучение не только той длины волны, которая соответствует максимуму поглощения светодиода, но и всей совокупности длин волн, примыкающих к пику поглощения.
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, именно поэтому, замена металл-галогенных и натриевых ламп высокого давления, на светодиодные источники не приводит к кратному повышению эффективности светового воздействия.
По этой причине были предприняты попытки использовать в качестве фитосветильников модификации светодиодные источники белого света с широкой полосой излучения в области 500-680 нм [Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы / Современные технологии автоматизации. 2010, №2, с. 76-82].
Первые эксперименты были проведены с источниками RUSLED - СТ-220-10,5. Близкие к ним спектральными характеристиками обладают и другие светильники подобного типа [Современная светотехника, 2013 №4 (23), стр. 3-20]. Все эти устройства включают квадратный или прямоугольный корпус, дно и внутренние стенки которого изготовлены из материалов с высоким коэффициентом отражения. На дне корпуса смонтированы цепочки светодиодов белого цвета, размещенные на теплоотводящем носителе. В каждом из белых светодиодов в качестве источника первичного света используются синие светодиоды с нанесенным на их поверхность слоем желтого или желто-оранжевого люминофора, диспергированного в силиконе. Напротив белых светодиодов располагается матовый или рифленый рассеиватель света, изготовленный обычно из полимерного материала и выполняющий одновременно роль крышки светильника. Спектр излучения такого источника включает узкую синюю полосу остаточного первичного излучения с длиной волны 445-470 нм и широкую желто-оранжевую полосу, охватывающую интервал (500-680 нм), которая возникает при возбуждении люминофора первичным синим светом. Эта разновидность светильника была выбрана нами в качестве прототипа.
Несмотря на высокую световую эффективность таких источников они излучают свет, в котором доля фитоактивной, т.е. полезной для растений, радиации в красной области спектра) не превосходит 15-20% от общего светового потока [Козырева И.Н. «Формирование фитопотоков света светодиодных облучательных установок для выращивания сельскохозяйственных культур в условия защищенного грунта. Дисс. ктн: Томск, 2014 г.»].
Чтобы компенсировать дефицит красного света рядом авторов было предложено часть белых светодиодов заменить на 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 [Влияние спектральных характеристик источников излучения на растения. / Изв. ВУЗов, Физика. - 2013, т. 56, №7/2, с. 112-116].
Задача настоящей разработки состоит в создании светильника для теплиц со спектром излучения близким к спектру фитоактивной радиации.
Решение поставленной задачи достигается посредством светильника, включающего корпус, внутренние стенки и дно которого изготовлены из материала с высоким коэффициентом отражения, рассеиватель света, а также цепочки синих светодиодов, излучающих свет с длиной волны 445-470 нм и покрытых светопреобразующим люминофором, в качестве которого используют красный нитридный люминофор, диспергированный в прозрачном отверждаемом материале, при этом спектр излучения красного люминофора имеет максимум, располагающийся при 630-670 нм, а ширина спектра на половине высоты составляет 90-110 нм.
Светопреобразующий красный нитридный люминофор может быть размещен также:
- на внутренней стенке рассеивателя света в виде слоя, полученного при нанесении суспензии люминофора в прозрачном безводном полимерном лакокрасочном материале, отверждаемом на воздухе,
- либо в виде однородной дисперсии в объеме рассеивателя света из полимерного материала, полученного методом термоэкструзии.
Примеры практического выполнения
Пример №1.
На рис. 1 (а, б) показан вариант конструкции предлагаемого светильника для теплиц. Она включает квадратный или прямоугольный корпус (1), дно и стенки которого изготовлены из материалов с высоким коэффициентом отражения. На дне корпуса смонтированы цепочки светодиодов белого цвета (2), размещенные на теплоотводящем носителе. На рис. 1-6 приведено поперечное сечение корпуса и в увеличенном масштабе показан один из излучающих элементов. В отличие от прототипа вместо источников белого света в предлагаемом светильнике используют светоизлучающие элементы красного света (5), полученные при нанесении на поверхность синих светодиодов (4), излучающих в области 445-470 нм, красного нитридного люминофора, поглощающего первичное синее излучение и частично трансформирующего его в красное излучение, охватывающее световой диапазон от 560 до 780 нм. Напротив излучающих элементов располагается рассеиватель света (3), выполняющий одновременно функции крышки светильника. Остаточное первичное синее излучение, непоглощенное в слое красного люминофора, образует вместе с возникающим красным свечением световой поток, спектральный состав которого практически совпадает со спектром фитоактивной радиации.
На рис. 2 показано сравнение спектра фитоактивной радиации (рис. 2-а) и спектра излучения предлагаемого светильника (рис. 2-б). Линии с двумя максимумами в окрестностях 445 и 660 нм на рис. 2-а отвечают поглощению света, который расходуется на фотосинтез и синтез хлорофилла (более высокий максимум в синей области). Линия с одним максимумом около 670 нм соответствует процессу фотоморфогенеза.
Кривая линия, приведенная на рис. 2-6, характеризует спектральный состав излучения предлагаемого светильника. Как видно, в спектре присутствует полоса первичного синего возбуждающего излучения и широкая полоса в красной области, которая перекрывает все полосы фитоактивной радиации, находящиеся в диапазоне длин волн 560-780 нм.
Соотношение полос в синей и красной областях спектра предлагаемого светильника регулируется концентрацией люминофора в суспензии с силиконом, наносимой на поверхность синего светодиода. При этом положение максимума в красной области (от 630 до 670 нм) и ширина спектральной кривой задается составом красного люминофора или его смесей с желтым люминофором.
Пример №2
Второй вариант конструкции светильника иллюстрирует рис. 3. Он отличается от рассмотренного в примере №1 тем, что красный нитридный люминофор пространственно отделен от сине-излучающего светодиода и нанесен в виде тонкого слоя (4) на внутреннюю поверхность рассеивателя света (3), как это показано на рис. 3. С этой целью красный люминофор диспергируют в силиконе или в прозрачном безцветном полимерном лаке и затем наносят на внутреннюю поверхность матового или рифленого рассеивателя света с помощью распыления, кистью или посредством фотопечати. Сине-излучающий светодиод (2) при этом покрыт слоем силикона (5), который не содержит распределенного в нем красного люминофора.
Пример №3
В этом случае красный люминофор также пространственно отделен от синего светодиода, но в отличие от примера №2, он распределен в объеме рассеивателя света (3 на рис. 4), изготовленного из полимерного материала, полученного методом термоэкструзии. Сине-излучающий светодиод (2) при этом покрыт силиконом (5), который не содержит распределенного в нем красного люминофора.