СВЕТОДИОДНЫЙ ФИТОИНКУБАТОР (УСТРОЙСТВО)

Полезная модель относиться к сельскому хозяйству, в частности к минитеплицам для выращивания рассады, овощей или цветов, в домашних или промышленных условиях и может быть использована в других областях народного хозяйства, где требуется индивидуальная подсветка, например, для биологически активных объектов.
Известна минитеплица, содержащая каркас, выполненный в виде стеллажа с размещенными в нем растениями и защитное покрытие, внутри которого установлены и искусственные источники света. См., например, патент РФ №201655, МПК А 01 G 9/14 «Комнатная теплица», опубл. 15.07.1994 г., в Б.И. №13.
Недостаток известной минитеплицы заключается в том, что размещение рассады в пространстве, защищенном покрытием, представляет неудобства. Минитеплица имеет сложную конструкцию, трудоемкую в изготовлении. В процессе выращивания растений необходимо постоянно открывать, либо закрывать защитное покрытие, сообразуясь с освещенностью, создаваемой внешними источниками света, что является существенным неудобством. Большая часть светового потока рассеивается в промежутках между рассадой и не попадает на растения, поэтому потребление электроэнергии завышено. Кроме того, спектральный состав используемых источников света (люминесцентные лампы) не соответствует потребностям растений. К тому же срок службы, расположенных под защитным покрытием, известных ламп невелик и составляет, в среднем, 7000-10000 часов. Формировать с их помощью импульсный режим освещения невозможно.
Более близкой по технической сущности и, принятой за прототип, является минитеплица, содержащая прозрачное защитное покрытие, в основание которого, выполненное в виде прямоугольника, установлен стеллаж с высаженной рассадой, источники света установлены в верхней части защитного покрытия и по двум поверхностям, расположенным вдоль оси симметрии покрытия так, чтобы центральные оси световых потоков источников света были направлены вниз и с двух сторон на растения, блок электропитания и блок управления. (См., например, патент РФ №2105462 МПК А 01 G 9/14 "Стол для выращивания растений" опубл. 27.02.1998 г. Б.И. №6).
В известном техническом решении световой поток от источников света используется более полно. Высадка растений и их выемка из минитеплицы упрощена.
В известной минитеплице, так же как и в аналоге, в качестве источников света предлагается использовать люминесцентные лампы (ЛЛ). Между тем практика показывает, что растения весьма чувствительны к спектральному составу светового потока и источники света должны быть способны формировать спектральный состав излучения наиболее благоприятный для процессов фотосинтеза. Источники света должны быть достаточно прочными, обладать высоким сроком службы, низким нагревом корпуса и быть
влагостойкими. Кроме того, в последнее время получает развитие импульсный режим освещения растений. При этом, важно соотношение между продолжительностью световых вспышек и темновых пауз, для того, чтобы обеспечить оптимальный физиологический процесс развития растений. Большую часть требований, предъявляемых к источникам света, ЛЛ выполнить не могут.
В настоящее время для агрокультур все большее распространение получает тепличное разведение различной растительной продукции. В теплицах можно обеспечить наиболее благоприятные для растений условия для роста и созревания. При этом продуктивность использования площадей оказывается во много раз больше, чем при возделывании тех же растений в открытом грунте. Выращивать растения в теплицах можно круглый год. Однако, себестоимость тепличной продукции пока оказывается значительно выше, чем при разведении ее в обычных условиях. Поэтому при разработке теплиц необходимо стараться обеспечить ее максимальную простоту, удобство использования при одновременном повышении продуктивности и снижении энергопотребления.
Техническим результатом данного изобретения является создание светодиодного фитоинкубатора простого и удобного для высадки рассады, выращивания растений в нем с последующей пересадкой их в грунт, повышение эффективности использования источников света под защитным покрытием и, как следствие, снижение потребления электроэнергии. Одновременно решается задача по повышению всхожести и снижению сроков выращивания растительной продукции путем обеспечения более рационального распределения освещения, подбора оптимального спектра, освещения и режима включения источников света.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в светодиодном фитоинкубаторе (минитеплице), для выращивания рассады в защищенном от внешней среды пространстве, содержащем защитное покрытие, корпус которого выполнен из прозрачного материала и в основание которого, выполненном в виде прямоугольника, установлен стеллаж с высаженной рассадой, источники света, установленные в верхней части защитного покрытия и по двум прилежащим боковым поверхностям, расположенным так, чтобы центральные оси световых потоков источников света были направлены вниз на растения и с двух его сторон, блок электропитания и блок управления, согласно полезной модели, в качестве источников света применены светодиоды, преимущественно с синим и красным спектрами излучения, причем светодиоды размещены в один ряд на печатных платах, выполненных в виде узких полос, и расположенных в несколько рядов.
В варианте технического решения защитное покрытие выполнено в виде прямоугольного параллелепипеда.
В варианте технического решения верхняя часть покрытия при виде сбоку выполнена в виде трапеции, а другие две боковые поверхности перпендикулярны основанию.
В варианте технического решения защитное покрытие выполнено в виде арочного свода, а платы со светодиодами установлены вдоль свода параллельно продольной его оси симметрии.
В варианте технического решения светодиоды расположены снаружи защитного покрытия.
В варианте технического решения светодиоды расположены внутри защитного покрытия.
В варианте технического решения в поверхностях защитного покрытия напротив, расположенных снаружи светодиодов, выполнены сквозные отверстия, в которые свободно входят светящие поверхности светодиодов, печатные платы светодиодов по краям с двух сторон сочленены с планками, планки по краям имеют сквозные отверстия, в которые свободно входят шпильки, жестко сочлененные с соответствующими поверхностями, на шпильки установлены пружины сжатия, поверх пружин установлены планки, а сверху на шпильки навинчены барашки, прижимающие планки к поверхностям покрытия.
В варианте технического решения верхняя поверхностях поверхность покрытия выполнена в виде крышки, открывающейся наружу и шарнирно сочлененной с корпусом защитного покрытия.
В варианте технического решения боковая поверхность защитного покрытия выполнена открывающейся наружу и имеет по нижней кромке шарнирное сочленение с защитным покрытием.
В варианте технического решения рассада расположена в горшках.
В варианте технического решения боковые поверхности защитного покрытия, не имеющие источников света, покрыты светоотражающим слоем, отражающим световой поток в сторону растений.
В варианте технического решения поверхность, между растениями покрыта светоотражающей пленкой.
В варианте технического решения в боковых поверхностях защитного покрытия, не содержащих светодиоды, выполнены сквозные отверстия.
В варианте технического решения блок управления источниками света содержит импульсный выключатель с регулятором частоты световых импульсов, продолжительности темновых пауз и силы света.
В варианте технического решения платы со светодиодами на прилежащих боковых поверхностях, расположены параллельно плоскости основания и каждая пара плат обеих поверхностей, расположенных на определенном уровне, снабжена выключателем.
Применение в, качестве источников света светодиодов способствует снижению потребления электроэнергии и многократному повышению сроков службы всей системы (срок службы современных светодиодов составляет 100 тыс. часов (11 лет) непрерывного свечения). Светодиоды имеют низкий нагрев корпуса, не превышающий 45°С, высокую механическую прочность и не бояться попадания на них влаги. Кроме того, светодиоды имеют небольшие размеры и вес и обладают в несколько раз большей световой отдачей с единицы
светящей поверхности, чем, например, ЛЛ. Благодаря указанным свойствам защитное покрытие может быть выполнено из легкого материала, например, акрилового стекла, растения не будут страдать от перегрева. При этом на плоскости покрытия, не занятом источниками света остается свободная поверхность, не препятствующая проникновению излучения от внешних источников света. Использование светодиодов с преимущественно синим и красным спектрами излучения дает возможность значительно ускорить процесс произрастания рассады и сократить потребление электроэнергии. Кроме того, светодиоды можно включать с высокой частотой, что может способствовать ускоренному росту рассады.
Прямоугольное покрытие просто в изготовлении и удобно в работе. Под него удобно высаживать рассаду и доставать из под него готовые к пересадке растения.
Трапециидальное покрытие позволяет более эффективно использовать внешний источник света, например, солнце при определенной ориентации фитоинкубатора.
Защитное покрытие, выполненное в виде арочного свода, широко используется в области растениеводства, а наличие на поверхности свода светодиодов расширяет возможности специалистов, занимающихся тепличным разведение растительной продукции.
Расположение источников света снаружи защитного покрытия дает возможность уменьшить нагрев растений, при этом источники света оказываются изолированными от конденсата влаги. Одновременно улучшается вентиляция корпусов светодиодов.
При расположении светодиодов внутри защитного покрытия снижаются потери светового потока, и обеспечивается подогрев растений, что может быть необходимо при низкой температуре окружающего воздуха.
Сквозные отверстия, выполненные в защитном покрытии напротив светодиодов, дают возможность вставлять светодиоды во внутреннюю полость защитного покрытия или выдвигать их наружу. Это открывает перед потребителем широкие возможности по терморегуляции внутреннего пространства под защитным покрытием.
Наличие верхней поверхности покрытия, выполненной в виде крышки, открывающейся наружу и шарнирно сочлененной с корпусом защитного покрытия, обеспечивает удобства при посадке рассады и выгрузке готовой к пересадке продукции. Аналогичные задачи решает и расположение рассады в горшках.
Наличие боковой поверхности защитного покрытия, открывающейся наружу, также упрощает манипуляции с рассадой при ее посадке и выгрузке.
Светоотражающий слой на боковых поверхностях защитного покрытия, не имеющих источников света, позволяет более рационально распределять световой поток внутри покрытия и, тем самым ускорять процесс роста рассады.
Наличие сквозных отверстий в боковых поверхностях защитного покрытия облегчает режим вентиляции и поддержания определенной температуры внутри покрытия.
Расположение платы со светодиодами на прилежащих боковых поверхностях параллельно плоскости основания позволяет управлять суммарным распределением светового потока, включая светодиоды той или иной пары плат по мере роста рассады, что позволяет рационализировать потребление электроэнергии.
Импульсное освещение рассады с регулированием частоты световых импульсов, продолжительности, темновых пауз и силы света ускоряет процесс роста растений и сокращает потребление электроэнергии.
Заявленный светодиодный фитоинкубатор иллюстрируется 11-ю фигурами.
На фиг.1 представлена конструкция защитного покрытия в виде прямоугольного параллелепипеда с источниками света.
На фиг.2 показано расположение светодиодов на плате, вид сбоку.
На фиг.3 видна фронтальная проекция платы со светодиодами.
На фиг.4 нарисован фитоинкубатор с источниками света, установленными внутри защитного покрытия.
Фиг.5 изображает фитоинкубатор, который при виде сбоку выполнен в виде равнобочной трапеции.
На фиг.6 изображена конструкция фитоинкубатора с источниками света, установленным над поверхностями покрытия.
На фиг.7 представлен в изометрии фитоинкубатор, в котором платы со светодиоды на прилежащих боковых поверхностях расположены параллельно плоскости основания.
На фиг.8 показано защитное покрытие, выполненное в виде арочного свода.
На фиг.9 представлен фрагмент конструкции защитного покрытия с выдвижными светодиодами.
На фиг.10 начерчена принципиальная электрическая схема светодиодного фитоинкубатора.
На фиг.11 дан фрагмент принципиальной электрической схемы включения плат, расположенных параллельно плоскости основания.
Общие для всех фигур элементы обозначены одинаково.
Светодиодный фитоинкубатор устроен следующим образом. Над рассадой растений 1 (фиг.1), высаженной на стеллаже 2 установлено защитное покрытие 3, корпус которого выполнен из прозрачного материала, изготовленное в виде прямоугольного параллелепипеда. Источники света, выполненные на светодиодах, располагают на плоских печатных платах 4 в верхней части внутри покрытия 3 и по двум прилегающим параллельным боковым поверхностям, так, чтобы центральные оси световых потоков светодиодов были направлены вниз на растения и с двух его сторон. В фитоинкубаторе применены светодиоды преимущественно с  синим и красным спектрами излучения. Светодиоды 5 располагают в один ряд на плоских печатных платах (фиг.2, 3), выполненные в виде полос. В свою очередь платы 4 со светодиодами 5 крепят к
внутренним поверхностям прозрачного защитного покрытия, например, с помощью клея или крепежных элементов (фиг.4). Верхняя поверхность покрытия выполнена в виде крышки 6, открывающейся наружу и сочлененной с корпусом защитного покрытия 3 с помощью петлевого шарнира 7.
Одна боковая поверхность защитного покрытия, не несущая источники света, выполнена открывающейся наружу и имеет по нижней кромке петлевое шарнирно сочленение с нижней кромкой корпуса защитного покрытия (на фиг. не показано).
В варианте технического решения защитное покрытие 3 при виде сбоку выполнено в виде трапеции (фиг.5), а другие две боковые поверхности перпендикулярны основанию. Основание фитоинкубатора выполнено в виде прямоугольника. Платы 4 со светодиодами 5 крепят к внешней поверхности прозрачного покрытия 3 на бобышках 8 с крепежными элементами (на фиг. не показаны).
Платы 4 со светодиодами 5 могут крепиться к внешним поверхностям защитного покрытия 3, выполненного и в виде прямоугольного параллелепипеда, как это показано на фиг.6.
В варианте технического решения платы 4 со светодиодами 5 на прилежащих поверхностях (гранях) расположены параллельно плоскости основания (фиг.7).
В варианте технического решения защитное покрытие 3 выполнено в виде арочного свода (фиг.8). В продольном разрезе покрытие имеет вид прямоугольника. Плоскости обеих боковых поверхностей (на фиг. не обозначены) перпендикулярны основанию. Платы 4 со светодиодами 5 установлены вдоль свода параллельно продольной оси симметрии свода.
В варианте технического решения в поверхностях защитного покрытия 3 и крышки 6, напротив, расположенных снаружи светодиодов 5, выполнены сквозные отверстия (или прорези) 9 (фиг.9), в которые свободно входят светящие поверхности светодиодов 5. Печатные платы 4 светодиодов по краям с двух сторон сочленены с поперечными планками 10. Планки 10, в свою очередь, по краям имеют сквозные отверстия 11, в которые свободно входят шпильки 12. Шпильки 12 расположены снаружи по краям поверхностей и жестко сочленены с соответствующими поверхностями защитного покрытия. На шпильки установлены пружины сжатия 13. Планки 10 своими отверстиями 11 свободно посажены на шпильки 12 поверх пружин 13. Сверху на шпильки навинчены барашки 14, прижимающие планки 10 к поверхности защитного покрытия 3. На каждой плоскости защитного покрытия или крышки имеется по четыре таких шпильки с барашками.
В варианте технического решения поверхности защитного покрытия, не имеющие источников света, покрыты светоотражающим слоем, отражающим световой поток в сторону растений (на фиг. не показан).
В варианте технического решения в поверхностях защитного покрытия, не содержащих светодиоды, выполнены сквозные отверстия (на фиг. не показаны).
В варианте технического решения рассада высаживается в горшках, а защитное покрытие установлено над горшком с рассадой (на фиг. не показано).
В варианте технического решения поверхность, между растениями покрыта светоотражающей пленкой (на фигурах не показана).
с
к
ж
о
уи
Электрическая схема (фиг.10) состоит из блока электропитания и преобразования напряжения 15 и блока управления 16. Вход блока управления 16 связан с регулятором частоты импульсов 17 и регулятором продолжительности темновых пауз 18. На вход блока управления подаются также сигналы от регулятора амплитуды (силы света) 19 световых импульсов. Светодиоды 5 включены на выход блока управления по последовательно - параллельной схеме и имеют различный спектр излучения, например, синий 5, красный 5, желтый 5, оранжевый 5 и т.д., а также ультрафиолетовый и инфракрасный спектры излучения 5. Светодиоды каждого спектра излучения распределены по группам. Большая часть светодиодов имеет преимущественно красный и синий спектр излучения. Светодиоды различного спектра излучения распределены на платах равномерно. В цепи питания светодиодов имеется общий выключатель 20.
1
2
3
4
6
1
2
3
4
5
6
В варианте технического решения платы со светодиодами 5 на прилежащих поверхностях расположены параллельно плоскости основания. Светодиоды каждой пары плат обеих поверхностей, расположенных по высоте на одном уровне, объединены в группу, которая на электрической схеме (фиг.11) представлена в виде цепей, обозначенных на схеме соответственно 5, 5, 5, 5, 5 и т.д. Каждая такая цепь снабжена выключателем, соответственно 21. 21, 21, 21, 21, 21 и т.д.
Светодиодный фитоинкубатор действует следующим образом.
Растения 1, высаженные в стеллаже 2 закрывают покрытием 3 и освещают искусственными источниками света, выполненными на светодиодах. Рассада может располагаться в горшках.
Светодиоды 5 могут быть установлены как внутри покрытия 3 (фиг.4), так и снаружи (фиг.5, 6). Выбор места расположения светодиодов определяется особенностями, в которых помещают фитоинкубаторы и зависит от вида растений, температуры окружающей среды, времени года и т.д. Так, например, если фитоинкубатор в зимнее время установлен в прохладном помещении, а в нем выращивают орхидеи, то следует отдавать предпочтение внутреннему расположению светодиодов, поскольку при этом светодиоды обеспечивают дополнительный мягкий обогрев внутреннего пространства фитоинкубатора.
При необходимости, для снижения внутренней температуры под защитным покрытием крышка 6 может быть слегка приоткрыта. Под открытую крышку удобно высаживать рассаду и доставать готовые к пересадке растения. Наличие боковой поверхности защитного покрытия, открывающейся наружу, упрощает манипуляции с рассадой при ее посадке и выгрузке.
При чрезмерном нагреве внутренней полости покрытия может понадобиться дополнительная вентиляция растений, которая обеспечивается через сквозные отверстия в боковых поверхностях защитного покрытия.
Прямоугольное покрытие просто в изготовлении и удобно в работе. Под него удобно высаживать рассаду и доставать из под него готовые к пересадке
растения. Если фитоинкубатор размещают на подоконнике или около прозрачной стены, которая освещается солнцем, то выгодно применять защитное покрытие в форме трапеции (фиг.5), располагая ее таким образом, чтобы внешний источник света проникал внутрь через скошенную плоскость одной из боковых поверхностей.
Защитное покрытие, выполненное в виде арочного свода (фиг.8), широко используется в области растениеводства, а наличие на поверхности свода светодиодов 5 расширяет возможности специалистов, занимающихся тепличным разведение растительной продукции. Так же как и для защитных покрытий, имеющих вид прямоугольного параллелепипеда или трапеции, боковые поверхности могут быть покрыты светоотражающим слоем и содержать сквозные отверстия для вентиляции. Одна или обе боковые поверхности сочленены с основанием петлевым шарниром и открываются наружу.
Светоотражающий слой на внутренних поверхностях защитного покрытия, не имеющих источников света, позволяет более рационально распределять световой поток внутри покрытия и, тем самым, ускорять процесс роста рассады.
Светоотражающая пленка, покрывающая поверхность, не занятую рассадой увеличивает суммарный световой поток, обеспечивая бестеневое освещение с высокой насыщенностью светом, что способствует лучшему росту рассады.
Применение в качестве источников света светодиодов способствует снижению потребления электроэнергии, многократному повышению сроков службы системы в целом, они имеют низкий нагрев корпуса, с температурой, не превышающей 45°С, высокую механическую прочность и не боятся попадания на них влаги. Срок службы современных светодиодов достигает не менее 100 тысяч часов (11 лет) непрерывного свечения. Кроме того, светодиоды имеют небольшие размеры и вес и обладают в несколько раз большей световой отдачей с единицы светящейся поверхности, чем, например, ЛЛ. Благодаря указанным свойствам верхняя часть защитного покрытия может быть выполнена из легкого материала, например, акрилового стекла, а растения не будут страдать от перегрева. При этом в части покрытия, лишенной светодиодов остается свободная поверхность, не препятствующая проникновению излучения от внешнего источника света. Использование светодиодов с преимущественно синим и красным спектрами излучения дает возможность значительно ускорить процесс произрастания рассады и сократить потребление электроэнергии.
Конструкции представленных осветителя предельно проста, выполняется из легких, относительно дешевых материалов, легко монтируется, рассчитана на многократное длительное использование. Защитное покрытие можно устанавливать над рассадой, посаженной в открытый грунт. После того как растения окрепли и появились возможности для его дальнейшего развития при естественных условиях окружающей среды, покрытие снимают, а рассаду не надо пересаживать, что позволяет снизить эксплуатационные расходы. Таким образом, предложенный светодиодный фитоинкубатор для растений позволяет потребителю получить комплексное осветительное устройство с широкими возможностями по выращиванию различной сельскохозяйственной продукции
круглосуточно и в любое время года. При этом могут быть применены самые современные методы выращивания, например, с использование гидропонного или аэропонного орошения.
Высокие функциональные свойства и разнообразие конструктивных решений открывает перед потребителем широкие возможности по использованию предложенного светодиодного фитоинкубатора и для разведения разного рода живности. Так, на его основе можно, например, выращивать молодняк птиц, разводить кроликов, а также выводить насекомых или колонии бактерий, необходимых для разного рода научных исследований.
Процесс фотосинтеза и другие фотобиологические процессы, которые проистекают в растениях, избирательны к различным длинам волн излучения. Различными опытами показано, что синий свет способствует разрастанию зеленой массы растений, а красный световой поток необходим для полноценного развития и созревания. Наличие светодиодов с другими спектрами излучения может позволить приблизить искусственный свет светодиодов к естественному освещению и может оказаться продуктивным при ускоренном созревании плодов. Светодиоды с ультрафиолетовым и инфракрасным спектром могут быть необходимы для защиты растений от вредителей и профилактики болезней.
Расположение платы со светодиодами на прилежащих боковых поверхностях параллельно плоскости основания позволяет управлять суммарным распределением светового потока, включая светодиоды той или иной платы по мере роста рассады.
Более универсальной является конструкция с выдвижными светодиодами (фиг.7). При этом перед потребителем открываются широкие возможности по терморегуляции для растений за счет изменения положения светодиодов, которое осуществляется путем простого изменения высоты положения барашков 14.
В электрической схеме (фиг.8) блок 15 преобразует переменное напряжение сети в постоянное с соответствующим напряжением для питания светодиодов 5 и обеспечивает его стабилизацию. С помощью регулятора частоты импульсов 17 устанавливают частоту "f" включения светодиодов, которая может варьироваться в широком диапазоне от f=0-150 кГц. Регулятором продолжительности темновых пауз 18 изменяют время включенного состояния светодиодов в пределах периода Т=1/f. При этом растения получают порции светового потока, который возбуждает в растениях фотоактивные молекулы, формирующие процесс фотосинтеза, идет анаболический процесс вызывающий рост растений с выделением кислорода. Во время темновых пауз имеет место биологический отдых растения с выделением углекислого газа. Этот процесс можно сравнивать с дыханием живых организмов. Светодиодный осветитель позволяет в широком диапазоне изменять амплитуду световых вспышек регулятором 19.
Импульсное освещение рассады с регулированием частоты световых импульсов, продолжительности темновых пауз позволяет ускорить процесс роста растений и многократно сократить потребление электроэнергии.
Предложенное устройство импульсного включения источников света позволяет опытным путем определять, а затем и формировать оптимальный коэффициент скважности, время экспозиции, спектральный состав и амплитуду светового потока для обеспечения максимального урожая данного вида растений. При этом выращивание растений в светоимпульсном режиме освещения может производиться круглосуточно, а потребление электроэнергии сократиться в сотни раз.
1
1
2
2
Наличие в системе управления выключателей, включающих светодиоды каждой платы в отдельности, дает возможность регулировать суммарный световой поток в зависимости от внешней освещенности и высоты растений, как это показано на фиг.11. В начальной стадии, когда рост растений невелик, включен выключатель 21 и светят только светодиоды цепи 5,. По мере роста растений, включается следующий выключатель 21, и получают питание группа светодиодов 5, и т.д. Таким образом, удается оптимизировать освещение на разных стадиях развития рассады и снизить интегральное энергопотребление.