СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ КУЛЬТУРЫ
LED LAMP (EMBODIMENTS) FOR LIGHTING OF AGRICULTURAL CROPS

Группа изобретений относится к светотехнике, а именно, к светодиодным светильникам и может быть использована в тепличном растениеводстве для освещения сельскохозяйственной культуры.
Как известно из уровня техники, основными факторами, сдерживающими широкое использование известных горизонтально расположенных светодиодных осветительных устройств для боковой досветки растений в теплицах, при условии комфортной для растений температуре корпуса светильника, являются:
- недостаточная величина светового потока бокового освещения, составляющая у лучших известных аналогов 80-100 мкмоль/сек на 100 см длины светильника, что, в большинстве случаев, не обеспечивает экономическую целесообразность их использования;
- большая масса устройства, и значит осветительной установки в целом, что увеличивает нагрузку на несущие конструкции теплицы;
- высокая доля суммарной площади осветительной установки от площади теплицы, которая экранирует естественное солнечное освещение;
- высокая начальная стоимость светодиодной осветительной установки, что приводит к большому сроку ее окупаемости.
Эти факторы являются следствием, в том числе, недостаточной эффективности теплоотдачи корпуса-радиатора светильника в окружающую среду.
Аналогом предлагаемого устройства по первому варианту является известный по RU 149101 U1, 28.08.2014 г. "Модуль светоизлучающего устройства (устройство в целом), корпус радиатора модуля светоизлучающего устройства (часть целого)" [1], состоящий из корпуса-радиатора и, по меньшей мере, одного светодиодного модуля, причем корпус-радиатор выполнен в форме продольного профиля из теплопроводного материала с постоянным поперечным сечением по длине, отличающийся тем, что корпус-радиатор имеет основание радиатора на котором выполнено утолщение в месте крепления светодиодного модуля для быстрого и равномерного распределения и отвода тепла, а светодиодные модули крепятся на утолщенной площадке; верхняя часть корпуса-радиатора выполнена в виде вертикально ориентированных ребер разной формы.
Конструкция корпуса-радиатора светодиодного светильника обладает хорошим конвекционным охлаждением. Это достигается путем создания развитой поверхности боковых стенок и ребер охлаждения корпуса-радиатора, но одновременно приводит к большой массе светильника. И, если для целей освещения производственных и других помещений, этот параметр не является определяющим то, при использовании известного аналога для целей освещения растений в теплице, большая масса светильника будет являться его серьезным недостатком.
Наиболее близким по достигаемому техническому результату аналогом, принятым за прототип предлагаемого устройства по первому варианту, является "Светодиодное осветительное устройство" (Патент CN 200982551 (Y) 2007.11.28, МПК F21K 9/00, F21S 4/00, F21V 17/00, F21Y 115/10)[2], содержащее корпус-радиатор, выполненный из теплопроводного материала в форме продольного V- образного профиля постоянного поперечного сечения по длине, с углом «α» наклона к горизонтали двух граней профиля, на каждой из которых размещен как минимум один светодиодный модуль, выполненный в виде светодиодной матрицы. Указанный профиль имеет горизонтальный центральный участок, два средних участка с углом «α» наклона к горизонтали и два внешних участка. На верхней стороне каждого участка профиля имеются вертикально ориентированные ребра охлаждения.
Достоинство корпуса-радиатора в форме продольного V- образного профиля (в сравнении с профилем, имеющем плоское горизонтальное основание) является повышение эффективности конвективного теплоотвода от поверхностей граней профиля, которая достигается, в том числе путем расположение граней профиля под углом «α» наклона к горизонтали.
Известный прототип при использовании для освещения сельскохозяйственной культуры в теплице, в том числе для бокового освещения внутри куста растений, будет иметь следующие недостатки:
- недостаточная эффективность теплоотдачи корпуса-радиатора в окружающую среду. Это является следствием большой разницы в температурах поверхности различных участков профиля радиатора, так как величина коэффициента теплоотдачи пропорциональна разности между температурой окружающей среды и температурой поверхности этих участков. Иными словами, не все поверхности различных участков профиля одинаково эффективно участвуют в отводе тепла в окружающую среду. При этом, наибольшую температуру (равную допустимой комфортной для растений температуре корпуса светильника), и наибольший коэффициент теплоотдачи будут иметь поверхности внешних участков профиля. Температура поверхности двух других участках профиля и коэффициент их теплоотдачи, соответственно, будет ниже;
- следствием стремления увеличить теплоотдачу будет излишняя масса оребрения радиатора и светильника в целом;
- наличие горизонтальной части на центральном участке профиля увеличивает ширину светильника и, соответственно, увеличивает площадь осветительной установки экранирующей естественное солнечное освещение.
Общим недостатком для аналога и прототипа является:
- наличие ребер на верхней поверхности корпуса. Это создает сложности в очистке светильника. Такая чистка диктуется необходимостью продлить срок службы светильника в теплице с повышенной влажностью, испарениями и загрязнениями от процессов жизнедеятельности растений и насекомых.
Известен аналог предлагаемого устройства по второму варианту, светильник того же назначения модели Phillips Green Power Interlighting (http://www.lighting.philips.ru/b-dam/b2b-li/en_AA/products/Horticulture/Horticulture-products/cl-g-led_interlighting-ul-csa-en.pdf, 24.07.2017 г.) [3], содержащий профилированный корпус, в виде трубы прямоугольного сечения, служащий также в качестве радиатора, установленные на нем две линейные платы с точечными светодиодными источниками, излучающими свет в две противоположные стороны, торцевые крышки.
Известен также аналог - светильник того же назначения модели Hortiled Inter (http://www.hortilux.com/products/hortiledr-inter, 24.07.2017 г.) [4], в котором предусмотрен специальный отражатель, обеспечивающий освещение листьев растения сверху.
Достоинствами известных аналогов [3, 4] при длине светильника 2,5 м являются малая масса устройства - 2,5/3,6 кг и малые габаритные размеры (диаметр) 6,5/5,6 см (соответственно).
Их общим недостатком является недостаточная величина светового потока бокового освещения, составляющая 80/100 мкмоль/сек на 100 см длины светильника при мощности 79/95 ватт соответственно. При этом ресурс работы светильника модели Phillips Green Power Interlighting по данным производителя составляет 25000 часов (или 6-7 лет), что не так уж много. Причиной низкой величины светового потока и небольшого ресурса работы аналогов является малая площадь поверхности теплоотдачи (только внешняя поверхность) корпуса светильника, не позволяющая увеличить электрическую мощность (световой поток) светильника, в условиях таких ограничивающих факторов, как комфортная для растений температура корпуса светильника, его масса и габаритные размеры.
Другим аналогом того же назначения, является светодиодный светильник модели Union Power Star-160W-M (http://union-ps.com /fitolampa-fitosvetilnik-dlya-teplic.php, http://vegmosreg.ru/upload/medialibrary/34f/Миллер.рdf, 24.07.2017 г.) [5], содержащий корпус-радиатор, выполненный из теплопроводящего материала в форме продольного полого 6-тигранного профиля с постоянным поперечным сечением, с углом 60 градусов наклона к горизонтали двух граней профиля, на каждой из которых размещен как минимум один светодиодный модуль в виде линейной платы с точечными светодиодными источниками, торцевые крышки закрывающие профиль. Мощность светильника 173 ватта, масса 7,5 кг, габаритные размеры 250×11,4×7,1 см.
Недостатками известного аналога являются:
- недостаточно эффективная теплоотдача корпуса-радиатора, вследствие того, что верхние грани профиля находятся на значительном удалении от тепловыделяющих светодиодных модулей и все грани профиля имеют одинаковую толщину стенки. В результате температура поверхностей и, соответственно, эффективность теплоотдачи различных граней профиля будут сильно отличаться между собой.
- большая масса этого устройства, обусловленная тем, что в теплоотдаче в окружающую среду участвует только внешняя сторона профиля.
Раскрытие сущности изобретения.
Группа изобретений, относящихся к устройству, направлена на устранение вышеуказанных недостатков аналогов и прототипа, связанных с недостаточной теплоотдачей от различных участков поверхности корпуса-радиатора.
Техническая задача, решаемая группой изобретений, состоит в создании светодиодного светильника мощностью в несколько сотен ватт для бокового освещения сельскохозяйственной культуры.
Техническим результатом каждого из заявляемых изобретений группы является максимальная эффективность теплоотвода корпуса-радиатора.
Технический результат в предлагаемом устройстве по первому варианту достигается благодаря тому, что в отличие от известного светодиодного светильника, который содержит корпус-радиатор, выполненный из теплопроводного материала в форме продольного V- образного профиля постоянного поперечного сечения по длине, с углом «α» наклона к горизонтали двух граней профиля, на каждой из которых размещен как минимум один светодиодный модуль, выполненный в виде светодиодной матрицы и матрицы размещены на гранях профиля равномерно вдоль его длины в шахматном порядке, в заявленном изобретении имеются следующие отличия:
толщина стенок профиля на каждом из участков его поперечного сечения подчиняется зависимости а<b<с, где:
а - толщина стенки внешнего участка профиля,
b - толщина стенки среднего участка профиля в месте крепления светодиодной матрицы,
с - толщина стенки центрального участка профиля.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства по первому варианту и достигаемым техническим результатом (максимальная эффективность теплоотвода корпуса-радиатора), существует причинно-следственная связь, а именно:
Выполнение толщины стенок профиля на каждом из участков его поперечного сечения подчиняющейся зависимости а<b<с обеспечит:
- перераспределение величины теплового потока передаваемого профилю светодиодной матрицей примерно пропорционально толщине соответствующих участков профиля,
- примерно равные температуры поверхностей всех участков профиля и, значит, примерно равный коэффициент теплоотдачи на всех его участках,
-  величину конвективного теплообмена корпуса-радиатора в целом.
Таким образом, существенные признаки заявляемого устройства по первому варианту непосредственно положительно влияют на получение технического результата (максимальная эффективность теплоотвода корпуса-радиатора).
Технический результат в предлагаемом устройстве по второму варианту достигается благодаря тому, что в отличие от известного светодиодного светильника, который содержит корпус-радиатор, выполненный из теплопроводного материала в форме продольного V- образного профиля постоянного поперечного сечения по длине, с углом «α» наклона к горизонтали двух граней профиля, на каждой из которых размещен как минимум один светодиодный модуль, выполненный в виде линейные платы с множеством точечных светодиодных источников света, в заявленном изобретении имеются следующие отличия:
толщина стенок профиля на каждом из участков его поперечного сечения подчиняется зависимости а<b>с, при а<с, где:
а - толщина стенки внешнего участка профиля,
b - толщина стенки среднего участка профиля в месте крепления светодиодной линейной платы,
с - толщина стенки центрального участка профиля.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства по второму варианту и достигаемым техническим результатом (максимальная эффективность теплоотвода корпуса-радиатора), существует причинно-следственная связь, а именно:
Выполнение толщины стенок профиля на каждом из участков его поперечного сечения подчиняющейся зависимости а<b>с, при а<с обеспечит:
- перераспределение величины теплового потока, передаваемого профилю линейной платой, с множеством точечных светодиодных источников света, примерно пропорционально толщине соответствующих участков профиля,
- примерно равные температуры поверхностей всех участков профиля и, значит, примерно равный коэффициент теплоотдачи на всех его участках,
-  величину конвективного теплообмена корпуса-радиатора в целом.
Таким образом, существенные признаки заявляемого устройства по второму варианту непосредственно положительно влияют на получение технического результата (максимальная эффективность теплоотвода корпуса-радиатора).
Сущность группы изобретений поясняется графическими материалами, представленными на фиг. 1-4:
Фиг. 1. Схема тепловых потоков в поперечном сечении профиля корпуса-радиатора по 1 варианту светильника.
Фиг. 2. Схема тепловых потоков на развертке нижней поверхности профиля по 1 варианту светильника.
Фиг. 3. Схема тепловых потоков в поперечном сечении профиля корпуса-радиатора по 2 варианту светильника.
Фиг. 4. Схема тепловых потоков на развертке нижней поверхности профиля по 2 варианту светильника.
Предлагаемый группой изобретений светодиодный светильник по первому варианту (Фиг. 1) содержит корпус-радиатор, выполненный в форме продольного V-образного профиля 1, с углом «α» наклона к горизонтали двух граней профиля, на каждой из которых размещен как минимум один светодиодный модуль, выполненный в виде светодиодных матриц 2, рассеиватель 3, центральный участок 6 сечения профиля с толщиной «с» стенки, средний участок 5 сечения профиля в месте крепления светодиодного модуля с толщиной «b» стенки, внешний участок 4 сечения профиля с толщиной «а» стенки.
Предлагаемое изобретением устройство по первому варианту, работает следующим образом: Светодиодный модуль является источником света и одновременно источником тепла. Тепловой поток от светодиодной матрицы путем теплопередачи разделяется в профиле на отдельные потоки по четырем направлениям: в две стороны от матрицы по среднему участку 5 вдоль длины профиля и в две стороны поперек длины профиля - один поток 7 по ближайшему внешнему участку 4 и другой - поток 9 по центральному участку 6, затем поток 8 по среднему участку 5 и далее поток 7 по внешнему участку 4. Величина тепловых потоков 9, 8, 7, в первом приближении, пропорциональна соответственно толщине «с», «b», «а» стенок этих участков.
На Фиг. 2, показано, что размещение светодиодных матриц 2, на гранях профиля равномерно вдоль его длины в шахматном порядке, создает для каждой светодиодной матрицы свою зону 10 теплоотдающей поверхности профиля.
По второму варианту устройство (Фиг. 3) содержит корпус-радиатор, выполненный в форме продольного V- образного профиля 1, с углом «α» наклона к горизонтали двух граней профиля, на каждой из которых размещен как минимум один светодиодный модуль выполненный в виде линейной платы 12 с множеством распределенных точечных светодиодных источников света, рассеиватель 3, центральный участок 6 сечения профиля с толщиной «с» стенки, средний участок 5 сечения профиля с толщиной «b» стенки в месте крепления светодиодной платы, внешний участок 4 сечения профиля с толщиной «а» стенки.
Светодиодная линейная плата 12 одновременно является распределенным вдоль длины профиля источником выделяемого тепла. Тепловой поток от светодиодной линейной платы 12 путем теплопередачи разделяется на два потока 13 и 14 по отдельным участкам 4, 6 поперечного сечения профиля. Величина тепловых потоков 13, 14, в первом приближении, пропорциональна соответственно толщине «с» и «а» стенок этих участков.
На схеме тепловых потоков (Фиг. 4) показано, что  долю потока теплопередачи от светодиодной платы 12 составляет поток 14 по центральному участку 4 профиля.
Далее в устройствах (по первому и второму вариантам) происходит теплоотдача от внешней и внутренней поверхностей корпуса-радиатора в окружающую среду путем конвекции. Предлагаемое группой изобретений перераспределение тепловых потоков в поперечном сечении профиля корпуса-радиатора создает более равномерное температурное поле поверхности различных участков профиля и, как следствие, обеспечивается максимальная эффективность теплоотвода корпуса-радиатора.
С целью улучшения конвективного теплообмена от внутренней поверхности корпуса-радиатора в центральном участке 6 сечения профиля предусмотрены сквозные отверстия 11, через которые холодный воздух окружающей среды дополнительно поступает во внутренний объем корпуса-радиатора.
Предлагаемый группой изобретений светильник по любому из вариантов может использоваться для освещения сельскохозяйственной культуры:
1) для верхнего освещения растений - светильник с углом «α» наклона к горизонтали двух граней профиля в диапазоне 10-30°;
2) для бокового освещения внутри куста растений - светильник с углом «α» наклона к горизонтали двух граней профиля в диапазоне 30-50°.
Предлагаемый светодиодный светильник может быть изготовлен в широком диапазоне мощностей от 20 до 320 ватт и длиной от 350 до 2500 мм.