ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ СВЕТОДИОДНЫЙ ФИТООБЛУЧАТЕЛЬ

Полезная модель относится к сельскому хозяйству, к выращиванию растений в условиях защищенного грунта, в частности к светокультуре, и может быть использована в области средоулучшающих фитотехнологий для формирования световой среды растений, в светодизайне.
При использовании оптического излучения (ОИ) в светокультуре необходимым условием является обеспечение энергосбережения. Это связано с большими потерями, происходящими на различных этапах преобразования энергии, в частности, при пространственном распределении потока ОИ. Потери на данном этапе связаны с неравномерностью создаваемой облученности.
Известно устройство для облучения растений, состоящее из групп отдельных светодиодов (СД) с различным спектром излучения, расположенных на одной из сторон плоских плат, при этом платы размещены в прозрачном цилиндрическом плафоне таким образом, что максимум светового потока групп светодиодов направлен в одну сторону [Пат. РФ №2369086 «Светодиодный фитопрожектор» / Марков В.Н. Заявка 2008100312/12, 15.01.2008].
Недостатками известного технического решения являются следующие. Неравномерное пространственное распределение потока излучения фитопрожектора приводит к неравномерному распределению потока по облучаемой поверхности. Для обеспечения необходимого уровня облученности в наименее облученной точки необходимо повышать установленную мощность, что приводит к дополнительным энергетическим затратам и не позволяет обеспечить энергоэффективность применения СД источников.
Наиболее близким техническим решением является светодиодный фитооблучатель, состоящий из групп отдельных светодиодов с различным спектром излучения, расположенных на наружной стороне гибких полуцилиндрических плат, при этом платы соединены попарно навесами и размещены в прозрачном цилиндрическом плафоне [Пат. РФ №2454066 «Светодиодный фитооблучатель» / Попова С.А., Супрун М.А. Заявка 2010109963/13, 16.03.2010].
В известном техническом решении размещение плоских световых элементов на полу цилиндрических платах не позволяет обеспечить требуемый теплоотвод, что ведет к перегреву СД источников и снижению срока их службы. Применение для этих целей вентилятора снижает надежность и энергоэффективность устройства в целом.
Задачей заявляемой полезной модели является создание облучателя на СД источниках, обеспечивающего энергосбережение при его применении в светокультуре.
Технический результат заключается в повышении энергоэффективности фитооблучателя путем формирования равномерного пространственного распределения потока ОИ.
Технический результат достигается за счет того, что энергосберегающий светодиодный фитооблучатель содержит световые элементы, состоящие из групп светодиодов с различными спектрами излучения, прозрачный цилиндрический плафон, при этом световые элементы закреплены на наружных плоских гранях полого теплоотводящего профиля, представляющего в сечении правильный многоугольник, соосно размещенного в прозрачном цилиндрическом плафоне и закрепленного в нем протяженными пружинящими светоотражающими элементами, расположенными между ребрами теплоотводящего профиля и внутренней поверхностью прозрачного цилиндрического плафона, при этом форма сечения каждого пружинящего светоотражающего элемента в зависимости от формы сечения используемого теплопроводящего профиля выбирается из условия обеспечения максимальной равномерности распределения светового потока от световых элементов через прозрачный цилиндрический плафон в окружающее пространство, а зазоры между теплопроводящим профилем и цилиндрическим плафоном у их концов защищены торцевыми крышками от попадания в область световых элементов влаги.
Новые существенные признаки: световые элементы закреплены на наружных плоских гранях полого теплоотводящего профиля, представляющего в сечении правильный многоугольник, соосно размещенного в прозрачном цилиндрическом плафоне и закрепленного в нем протяженными пружинящими светоотражающими элементами, расположенными между ребрами теплоотводящего профиля и внутренней поверхностью прозрачного цилиндрического плафона, при этом форма сечения каждого пружинящего светоотражающего элемента в зависимости от формы сечения используемого теплопроводящего профиля выбирается из условия обеспечения максимальной равномерности распределения светового потока от световых элементов через прозрачный цилиндрический плафон в окружающее пространство, а зазоры между теплопроводящим профилем и цилиндрическим плафоном у их концов защищены торцевыми крышками от попадания в область световых элементов влаги.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Признаки, характеризующие полезную модель в конкретных формах выполнения:
- поперечным сечением полого теплоотводящего профиля является квадрат;
- световые элементы выполнены из трехцветной светодиодной RGB-ленты, максимумы излучения светодиодов которой лежат в синей (400…500 нм), зеленой (500…600 нм) и красной (600…700 нм) спектральных областях.
Таким образом, предлагаемый фитооблучатель отличается от известных наличием дополнительно введенных узлов и соответствующих функциональных связей, обеспечивающих повышение энергоэффективности при его применении в светокультуре, что достигается за счет обеспечения равномерного пространственного распределения потока ОИ при его заданном спектральном составе и законе изменения во времени.
Возможность использования предлагаемого устройства в сельском хозяйстве, известность средств и методов, с помощью которых возможно осуществление полезной модели в описанном виде, возможность реализация указанного назначения в случае осуществления полезной модели по любому из пунктов формулы позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «промышленная применимость».
Анализ уровня техники не выявил средство того же назначения, что и полезная модель, которому присущи все приведенные в независимом пункте формулы полезной модели существенные признаки, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
На фиг.1 показана конструкция энергосберегающего светодиодного фитооблучателя: 1 - световые элементы, 2 - полый теплоотводящий профиль, 3 - прозрачный цилиндрический плафон, 4 - пружинящие светоотражающие элементы, 5 - верхняя и нижняя крышки. Стрелками показано направление естественной циркуляции воздуха, проходящего сквозь светильник вдоль внутренней поверхности полого теплоотводящего профиля.
х
y
0
х
γ
На фиг.2 показаны величины, характеризующие процесс излучения потока ОИ световыми элементами: О - центр излучения светового элемента 1, О - направление, перпендикулярное плоскости светового элемента 1, О - направление, касательное плоскости светового элемента 1, n - нормаль к поверхности светоотражающего элемента 4 в направлении угла γ, I - сила света в направлении О, I - сила света в направлении угла γ без светоотражающего элемента 4,  - сила света, отраженного светоотражающим элементом 4.
0
макс
равн
На фиг.3 в полярных координатах показано светораспределение энергосберегающего светодиодного фитооблучателя в плоскости, перпендикулярной его осевой линии: СЦ - световой центр, I - минимальное значение силы света, I - максимальное значение силы света, I - значение силы света при равномерном светораспределении, А - кривая светораспределения от совокупности световых элементов без светоотражающих элементов, В - то же, при наличии светоотражающих элементов.
На фиг.4 в двух проекциях показано размещение фитооблучателя в посеве: Ф - фитооблучатель, а - расстояние между растениями.
Основой фитооблучателя (фиг.1) является прозрачный цилиндрический плафон 3, выполненный, например, из стекла или акрила. Внутри плафона располагается полый профиль 2, представляющий в сечении правильный многоугольник (для примера на фиг.1 показан профиль квадратного сечения), на наружных плоских гранях которого расположены световые элементы 1, состоящие из групп светодиодов с различными спектрами излучения, например, из трехцветной светодиодной RGB-ленты, максимумы излучения светодиодов которой лежат в синей (400…500 нм), зеленой (500…600 нм) и красной (600…700 нм) спектральных областях. Крепление световых элементов на профиле обеспечивает отвод тепла от световых элементов 1 восходящим потоком воздуха, проходящего сквозь светильник вдоль внутренней поверхности полого теплоотводящего профиля 2 через отверстия в верхней и нижней крышках 5. Светоотражающие элементы 4 выполнены пружинящими и, помимо коррекции светораспределения, служат для фиксации профиля 2 соосно в плафоне 3.
х
y
Рабочее напряжение с определенным законом его изменения во времени от источника питания через внешнюю систему управления подают к отдельным группам световых элементов. В качестве системы управления могут выступать RGB-диммер, DMX-контроллер или управляющий компьютер. Поток ОИ излучается из т. О (фиг.2). Сила излучения световых элементов 1, расположенных на одной грани профиля 2 в направлении О максимальна, в направлении О - минимальна. При совместном излучении потока от световых элементов 1, расположенных на соседних гранях профиля 2 вектора сил излучения относят к единому световому центру СЦ. При этом формируется неравномерное пространственное светораспределение (кривая A на фиг.3). Благодаря наличию дополнительно введенных протяженных светоотражающих элементов 4 производится корректировка суммарного пространственного светораспредения до равномерного (кривая B на фиг.3).
Фитооблучатель размещают вертикально внутри посадок растений с возможностью изменения его положения по высоте (фиг.4). При этом все ярусы растений получают равномерное облучение и поток ОИ используется более рационально. Система управления (на фиг.4 не показана) вынесена за пределы корпуса фитооблучателя и может являться общей для нескольких фитооблучателей.
Пример. При косинусном светораспределении отдельного светового элемента, расположенного на профиле прямоугольного сечения, без использования дополнительных светоотражающих элементов, зависимость силы от угла (кривая A на фиг.3) описывается уравнением в полярных координатах
γ
0
I=I(cosγ+sinγ).
Функция имеет максимальное значение при γ=45°, в направлении ребра профиля
макс
0
0
I=I(cos45°+sin45°)=1,41I
кр
При допустимой неравномерности создаваемой освещенности, а значит и допустимом снижение силы света на 15%, можно определить критический угол γ, при котором обеспечивается допустимая сила света, из выражения
0
кр
кр
0
I(cosγ+sinγ)=(1,41-0,15)I.
кр
γ=18°.
кр
кр
Это означает, что требования по освещенности не обеспечиваются в направлениях, соответствующих углам ±γ от нормали к плоскости профиля. В долях от всех направлений пространства эти направления составляют 8 γ/360°=8·18/360°=0,4 или 40%. Для обеспечения недостающей освещенности необходимо увеличить установленную мощность на эту величину, либо обеспечить равномерность светораспределения при сохранении прежней мощности. Таким образом, обеспечение равномерности светораспределения, достигаемое выбором формы светоотражающего элемента, повышает энергоэффективность фитооблучателя на 40%.
Определение формы профиля, обеспечивающего нужную коррекцию исходного светораспределения до равномерного, производится известными аналитическими или численными методами.
Опытный образец энергосберегающего светодиодного фитооблучателя изготовлен в лаборатории энергоэффективных электротехнологий ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии и используется в экспериментах по светокультуре.
Дополнительными преимуществами предлагаемого фитооблучателя являются его повышенная надежность и меньшая материалоемкость.
Применение предлагаемой полезной модели в светокультуре позволит максимально реализовать энергосберегающий потенциал современных СД источников.