ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ МЕЖЛИСТОВОГО ПОЛОГА РАСТЕНИЙ
OPTICAL DEVICE, LIGHTING DEVICE AND SYSTEM FOR LIGHTING CROWN COVER OF PLANTS

Область техники
Настоящее изобретение относится к оптическому устройству, соответствующему осветительному устройству и к системе освещения межлистового полога растений, более конкретно к системе освещения межлистового полога растений, обеспечивающей равномерное вертикальное и горизонтальное распределение освещенности в заранее определенной целевой области растения.
Предшествующий уровень
Для повышения урожайности в теплицах применяют поглощение дополнительного света наряду с естественным солнечным светом. В частности, применяют разрядные лампы высокой интенсивности (HID-лампы), такие как SON-T, с электрической мощностью 600-1000 Вт. В результате уровень освещенности в теплице повышается, что повышает урожайность на квадратный метр площади теплицы по сравнению с теплицами, работающими только на солнечном свете. Однако, такие растения как томаты или огурцы растут до высоты несколько метров. В таком случае верхние листья, расположенные ближе к источнику света, поглощают большую часть падающего света. Образованная таким образом зона тени приводит к менее эффективному фотосинтезу в нижних листьях и, следовательно, к меньшей продуктивности. Для дополнительного повышения урожайности на квадратный метр теплицы дополнительные источники света освещают растения в зоне тени. Такая концепция освещения известна как освещение межлистового полога (intercanopy lighting).
Эффективное освещение межлистового полога обычно реализуют, освещая растения в вертикальной зоне, которая начинается в самой нижней части растения, где развиваются листья, и заканчивается приблизительно на 0,5 м ниже вершины растения. Свет, достигающий частей растения вне этой вертикальной зоны, либо теряется в направлении грунта или потолка, либо достигает тех частей растения, которые уже достаточно освещены светильниками, расположенными над растением.
Типично, освещение межлистового полога осуществляют, располагая HID-лампы между рядами растений, таких как томаты или огурцы, на заранее определенном расстоянии от ряда растений, типично составляющем от 04 до 1,0 м, а расстояние между соседними лампами составляет 1,9 м. Такие геометрические условия в комбинации с ламбертовским распределением света таких ламп дает сильно изменяющееся горизонтальное и вертикальное облучение поверхности растения. Далее размещение ламп между рядами растений для освещения межлистового полога блокирует рабочую зону, к которой должен иметься доступ для работников теплицы.
Известны выдвижные системы HID-ламп, в которых лампы временно отводятся для освобождения рабочей зоны для доступа рабочих. Следовательно, лампы необходимо вернуть на место для освещения межлистового полога растений.
Краткое описание изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение проблем предшествующего уровня техники, как описано выше, и создание альтернативного и усовершенствованного оптического устройства, осветительного устройства и системы для освещения межлистового полога растений в теплице. Другой задачей настоящего изобретения является создание вертикального и горизонтального равномерного распределения освещения в заранее определенной целевой зоне, когда целевая зона освещается под углом.
Согласно настоящему изобретению предлагаются оптическое устройство, осветительное устройство и система освещения межлистового полога растений, которая создает асимметричную картину освещения относительно вертикального и горизонтального направлений.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения эти и другие задачи достигаются с помощью оптического устройства для освещения межлистового полога, содержащего область входа света для приема света от источника света, первую поверхность, имеющую первую кривую Безье, и вторую поверхность, имеющую вторую поверхность Безье. Первая и вторая кривые Безье выбраны независимо друг от друга и расположены так, что оптическое устройство не является осесимметричным относительно центральной оси. Принятый свет, который отражается первой поверхностью, отражается в направлении к центральной оси, а принятый свет, который отражается второй поверхностью, отражается в направлении от центральной оси, тем самым обеспечивая вертикальное и горизонтальное равномерное распределение освещения в заранее определенной области, которая освещается под углом.
Таким образом, предлагается оптическое устройство для создания коллимации и асимметричного распределения света, которое дает преимущества и расположено так, чтобы создать асимметричное распределение интенсивности света в двух направлениях. Во-первых, оптическое устройство расположено так, чтобы ширина вертикального и горизонтального распределения света, выходящего из оптического устройства, была существенно разной. Вертикальное распределение интенсивности излучения можно выбрать так, чтобы оно было узким и, одновременно, горизонтальную интенсивность излучения можно выбрать так, чтобы она была широкой, что дает преимущества для освещения межлистового полога растений в требуемой и определенной зоне, заранее определенной области, которая именуется целевой зоной. В частности, целевая зона определяется общей шириной растения и частью его высоты, начиная от конкретного минимального расстояния от грунта. Во-вторых, и одновременно, вертикальное распределение интенсивности излучения является асимметричным, т.е. вниз можно направить больше света, чем вверх. Таким образом, преимущественно достигается горизонтальное равномерное распределение интенсивности излучения в заранее определенной целевой зоне при освещении под углом. Это дает преимущества при создании освещения, которое должно соответствовать критерию равномерности освещения растений.
Согласно варианту оптического устройства первая и вторая поверхности отражают свет путем полного внутреннего отражения. За счет этого оптическое устройство преимущественно является компактным.
Согласно варианту оптического устройства оптическое устройство содержит оптический элемент, расположенный в области входа света. Этот оптический элемент является линзой в форме усеченного конуса, основание которого расположено в области входа света. Усеченная вершина этого конуса является вогнутой. Тем самым, оптический элемент расположен так, что свет, входящий в оптический элемент и движущийся в направлении к выходной поверхности, коллимируется, а свет, движущийся в направлении к сторонам оптического элемента, направляется к первой и второй поверхностям. За счет этого эффективность оптического устройства повышается, поскольку свет, входящий через область входа, коллимируется для более эффективного распределения в сторону выходной грани оптического устройства. Это гарантирует отсутствие попадания света на первую и вторую поверхность после линзы. Тем самым свет, который в ином случае был бы рассеян в вертикальном направлении, попадает в целевую зону.
Согласно варианту оптического устройства оно содержит оптический элемент, расположенный в зоне входа света и предназначенный для асимметричного перенаправления принятого света за счет того, что элемент содержит асимметричный участок свободной формы, или смещенный участок цилиндрической формы, или участок эллиптической формы, или наклоненный участок эллиптической формы.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается осветительное устройство для освещения межлистового полога растений, содержащее по меньшей мере один источник света, расположенный на подложке, и оптическое устройство согласно настоящему изобретению. Оптическое устройство выполнено с возможностью принимать свет от по меньшей мере одного источника света. Заранее определенной областью является заранее определенная целевая зона растения. Тем самым обеспечивается вертикальное и горизонтальное равномерное распределение освещения в целевой зоне растения. Благодаря асимметричному распределению интенсивности света в двух направлениях, как описано выше для оптического устройства, первая и вторая поверхности могут быть выбраны так, что целевая зона получает равномерное освещение, даже при освещении под углом.
Согласно варианту осветительного устройства высота заранее определенной целевой зоны для молодых растений выбирается так, чтобы покрыть 100% высоты растения. Для полностью выросших растений высоту заранее определенной целевой зоны выбирают так, чтобы она покрывала 10-50% высоты растения, что является предпочтительным для повышения урожайности.
Согласно варианту осветительного устройства подложка выполнена зеркально отражающей. Это позволяет эффективно перенаправлять рециркулирующий свет обратно на растение.
Согласно варианту осветительного устройства подложка содержит отражающий слой металла, который повышает оптический кпд. Металлический слой может быть выполнен из любого подходящего металла, например алюминия, серебра и пр.
Согласно варианту осветительного устройства подложка имеет плоскую или параболическую или коническую форму, комбинированную плоскую форму с плоскими наклонными стенками, комбинированную плоскую форму с параболическими стенками или комбинированную плоскую форму с стенками в форме поверхности Безье. Придание соответствующей формы подложке повышает оптический кпд, что является преимуществом.
Согласно варианту осветительного устройства источником света является светоизлучающий диод. Осветительное устройство преимущественно используют для ограничения света, излучаемого светоизлучающими диодами узкой зоной, которая именуется целевой зоной. Для создания света, пригодного для освещения межлистового полога растений, предпочтительно используют светоизлучающие диоды средней или высокой мощности.
Согласно варианту осветительного устройства в устройстве применяется множество источников света. Источники света расположены так, чтобы излучать комбинацию красного и синего света или комбинацию красного и белого света. В зависимости от типа растений 5-20% оптической мощности, которая достигает растения, должна быть синей. В частности, источники света распределяются в осветительном устройстве так, что при достижении растения множество цветов полностью смешаны.
0
0
Согласно третьему аспекту изобретения предлагается система для освещения межлистового полога растений. Система содержит множество осветительных устройств согласно настоящему изобретению, средство для установки осветительных устройств на определенной высоте h и на заранее определенном горизонтальном расстоянии d относительно заранее определенной целевой зоны растения так, чтобы осветительные устройства были расположены так, чтобы создавать равномерный и направленный луч для освещения заранее определенной целевой зоны растений.
Согласно варианту системы высоту заранее определенной целевой зоны выбирают в диапазоне 10-50% от высоты полностью выросшего растения и 100% для молодых растений.
0
Согласно варианту системы горизонтальное расстояние d преимущественно выбирают в диапазоне 1,0-3,0 м, поскольку такое расстояние дает достаточную рабочую область для персонала теплицы.
Согласно варианту системы система установлена подвижно так, чтобы ее высоту можно было менять.
Следует отметить, что изобретение относится ко всем возможным комбинациям признаков, приведенным в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты настоящего изобретения более подробно описаны ниже со ссылками на приложенные чертежи, иллюстрирующие варианты изобретения, на которых:
Фиг.1 - схематическое изображение варианта оптического устройства в разрезе согласно изобретению;
Фиг.2а - схематический вид сбоку в сечении варианта осветительного устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг.2b - схематический вид сверху в сечении варианта осветительного устройства по фиг.2а;
Фиг.3а - схематический вид сбоку в сечении варианта осветительного устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг.3b - схематический вид сверху варианта осветительного устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг. 4а-4с - схематические виды сбоку, иллюстрирующие осветительную систему согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Далее следует более полное описание вариантов настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых показаны некоторые варианты изобретения. Изобретение, однако, может быть реализовано в множестве различных форм и не должно толковаться как ограниченное вариантами, описанными в настоящем документе. Эти варианты приведены в качестве примера для полноты и точности описания и полностью определяют для специалистов объем настоящего изобретения. На всех чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.
В нижеследующем описании оптический кпд определен как количество света, достигающее растения относительно количества света, излученного источником света, используемым для освещения целевой зоны растения. Шириной (т.е. горизонтальной протяженностью) целевой зоны является любая типичная ширина ряда растений в теплице, т.е. она может быть от 5 м до 70 м. Далее любой из источников света, упоминаемых ниже, представлен светоизлучающими диодами. Однако в рамках настоящего изобретения применим и любой другой из источников света.
min
max
min
max
Равномерность в настоящей заявке определяется следующим образом. В целевой зоне можно найти минимальную освещенность E и максимальную освещенность E как для вертикального сечения, так и для горизонтального сечения. Для обоих сечений равномерность соответствует отношению (E/E)_v, h≥0,7 (v - по вертикали, h - по горизонтали).
0
2
1
0
2
0
2
1
На фиг.1 показано оптическое устройство 100 с областью 109 входа света и областью 111 выхода света. Оптическое устройство 100 сцентрировано вдоль оптической оси о.а. Оптическое устройство 100 имеет первую поверхность 120, проходящую от области 109 входа света до области 111 выхода света. Первая поверхность 120 имеет форму, определенную первой кривой Безье. Оптическое устройство 100 имеет вторую поверхность 110, проходящую от области 109 входа света до области 111 выхода света. Вторая поверхность 110 определена второй кривой Безье. Первая и вторая кривые Безье выбраны независимо друг от друга. Первая поверхность 120 и вторая поверхность 110 являются поверхностями, которые описаны рациональными квадратичными кривыми Безье. Это значит, что каждая кривая описывается начальной точкой Р, конечной точкой Р и управляющей меткой-манипулятором Р, которая лежит не на прямой, соединяющей точки Р и Р. Для оптического устройства 100 Р определяет начальный радиус, а Р - конечный радиус. Точка Р определяет кривизну. Кроме того, в используемой рациональной кривой Безье применяются два весовых параметра, которые лежат в диапазоне от 0 до 1. Таким образом, возникает большая свобода выбора возможной кривизны. Первая поверхность 120 и вторая поверхность 110 расположены так, что оптическое устройство 100 не является осесимметричным относительно центральной оси.
Область 109 входа света расположена для приема света от источника света, который предпочтительно расположен рядом с областью входа света. Как показано световым пучком В на фиг.1, кривая Безье первой поверхности 120 выбрана так, чтобы принятый свет, отражаемый первой поверхностью 120, отражался в направлении центральной оси. Далее кривая Безье второй поверхности 110 выбрана так, чтобы принятый свет отражался второй поверхностью 110 в направлении от центральной оси, как показано на фиг. 1 световым пучком А.
На фиг. 2а и 2b показано осветительное устройство 200, имеющее небольшой источник света, например светоизлучающий диод 101, который установлен на подложке 103 и расположен рядом с областью 109 входа света оптического устройства 100'. Светоизлучающий диод 101 излучает расходящийся пучок света в направлении области 109 входа света и свет, полученный в оптическом устройстве 100', коллимируется оптическим элементом, который установлен в оптическом устройстве. Оптическим элементом является коллиматор 102, расположенный в области 109 входа света. Коллиматор 102 расположен как линза в форме усеченного конуса, основание которой расположено в области 109 входа света или, альтернативно, является областью входа света. Усеченная вершина линзы выполнена вогнутой.
Первая часть света, выходящая из коллиматора 1-2 на стороне конуса, падает на первую поверхность 120 (ср. с пучком А на фиг.1) и отражается за счет полного внутреннего отражения в направлении от центральной оси, и после этого выходит через область 111 выхода света. Свет, движущийся в переднем направлении, по существу вдоль оптической оси устройства, то есть к области 111 выхода света или к выходной грани устройства, коллимируется коллиматором 102. Свет, выходящий в сторону первой поверхности 110 и второй поверхности 120, не коллимируется. Поэтому в итоге коллиматор 102 уменьшает угловое расхождение света, направленного вперед, который не отражается первой и второй поверхностями 110, 120 и который, в противном случае, был бы не коллимирован, тогда как он на влияет на угловое расхождение вбок.
Первый световой пучок и второй световой пучок имеют разное распределение интенсивности света (ср. с А и В на фиг. 1) и общее распределение интенсивности света, выходящего из области 111 выхода света, является наложением первой и второй части света (и, кроме того, любого света, выходящего из оптического устройства 100' не отразившись от первой или второй поверхности). Свет выводится в форме равномерного и направленного пучка, который может, например, покрывать заранее определенную целевую зону растений. Полученное распределение интенсивности излучения (лм/ср) в вертикальном направлении существенно отличается от распределения интенсивности излучения в горизонтальном направлении. Дополнительно такая конструкция позволяет создать такое распределение интенсивности излучения по вертикали, которое само по себе является асимметричным в том смысле, что на нижнюю часть целевой зоны направляется больше света, чем на верхнюю часть, или наоборот, в зависимости от выбранной ориентации оптического устройства.
В альтернативных вариантах оптический элемент расположен для асимметричного перенаправления света от источника света. Это можно сделать с помощью асферической линзы (не показана) в усеченной части коллиматора.
Подложка 103 в вариантах осветительного устройства 200 изготовлена путем нанесения на подложку зеркально отражающего материала или отражающего слоя, например слоя металла. Таким образом, свет, который в противном случае был бы потерян, например, в результате рассеяния назад, отражается подложкой и вновь используется, поскольку перенаправляется к поверхности растения, когда осветительное устройство используется для освещения межлистового полога растения. Расчеты показывают, что используя алюминиевый (Al) слой с 85% отражением можно получить оптический кпд 90% для системы, описанной ниже со ссылками на фиг. 4а-4с. Далее форма подложки преимущественно такова, чтобы повысить оптический кпд. На фиг.3а показано осветительное устройство 300, имеющее подложку параболической формы 104, которая в некоторой степени осуществляет коллимацию. Расчеты показывают, что при использовании такой подложки 104 с небольшой коллимацией оптический кпд может превысить 90% для системы, описанной ниже со ссылками на фиг. 4а-4с. На фиг.3b показано другое осветительное устройство 400, в котором подложка имеет плоское основание 105 с плоскими наклонными стенками 106, предназначенными для отражения света к целевой зоне. Другими возможными формами подложки могут быть коническая форма в комбинации с параболическими стенками и плоская форма в комбинации со стенками, имеющими форму кривой Безье (не показаны).
Одно или более осветительных устройств согласно настоящему изобретению могут быть объединены в осветительный прибор (не показан). Можно использовать источники света разных цветов, что является предпочтительным для освещения межлистового полога растений. Типично используют красные и синие или красные и белые светоизлучающие диоды. Осветительные устройства расширяют поток света в горизонтальном направлении так, чтобы свет, излучаемый синими и красными или белыми и красными светоизлучающими диодами, распределенными по подложке, смешивался на растении. Типично, от 5% до 20% излучаемого на растение света должно быть синим.
0
0
2
1
1
2
0
1
В теплице происходит управляемая культивация или защита растений. Как показано на фиг.4а, в теплице традиционно имеется два источника освещения, солнечное и верхнее освещение 60, которое обычно представлено установленными на потолке HID-лампами. Далее для иллюстрации концепции настоящего изобретения на фиг. 4а-4с показан общий принцип варианта системы для освещения межлистового полога растений с возможными положениями осветительного устройства (или осветительного прибора, как описано выше) в теплице. Система типично содержит множество осветительных устройств или осветительных приборов 600, которые расположены в положении, обусловленном заранее определенной высотой h, для освещения целевой зоны растений 50, которые типично расположены рядами на грядках 20. Здесь один осветительный прибор 600 содержит множество осветительных устройств, в каждом из которых имеется один светоизлучающий диод приемлемого цвета, обычно так, чтобы на поверхности растения получить смесь красного и синего или белого и красного цвета. Заранее определенную высоту h рассчитывают по направлению света от осветительного устройства. На фиг.4а осветительный прибор 600 распределяет свет приблизительно под углом 28 градусов вниз, что обусловливает необходимость установить осветительное устройство выше целевой зоны, которая определяется нижним пределом h высоты и верхним пределом h высоты. Здесь угол освещения выбран как 28 градусов вниз, однако выбранный угол освещения типично основан на конкретном виде растений и стадии роста растения. Высоту целевой зоны, т.е. h-h обычно выбирают в диапазоне 10-50% от высоты полностью выросшего растения и 100% для молодых растений. В первом случае заранее определенная высота составляет h>h.
0
1
2
Осветительное устройство расположено на горизонтальном расстоянии d от целевой зоны, которое выбирается так, чтобы осветительный прибор 600 был расположен вне рабочей зоны WA для персонала теплицы. Из-за асимметричной формы осветительных устройств в осветительном приборе 600 свет эффективно направляется на целевую зону, начинающуюся с высоты h над землей и заканчивающуюся на высоте h. Таким образом, целевая зона растения облучается под вертикальным углом, который в данном случае составляет около 28 градусов вниз. Другой пример показан на фиг. 4b, где целевая зона облучается под вертикальным углом около 45 градусов вверх. Вертикальный угол сможет быть равен или превышать 0 градусов (0 градусов означает, что направление облучения параллельно нормали к целевой зоне, как показано на фиг.4с).
1
2
В случае томатов h составляет порядка 1,5-2,9 м, а h составляет около 1 м, вследствие этого целевая зона в вертикальном направлении имеет размер 0,5-1,0 м. В этих условиях система, в которой используются осветительные устройства, не имеющие отражающей подложки и расположенные как показано на фиг.4, может освещать целевую зону с оптическим кпд около 70%. Как описано выше, кпд освещения целевой зоны можно существенно повысить, используя отражающую подложку, которой факультативно может быть придана соответствующая форма.
Типичное расстояние между осветительным устройством и целевой зоной составляет 0,5-1,5 м (в горизонтальном направлении). Типичная высота установки осветительного устройства составляет около 2,0 м, однако могут использоваться и другие положения установки осветительных устройств для получения разных вертикальных углов облучения осветительными устройствами/приборами, как описано выше. Во избежание потерь света в других частях растения в вертикальном направлении требуется сильная коллимация. С учетом приведенных параметров для вышеописанной системы типичная целевая зона соответствует ширине пучка в вертикальном направлении от осветительного устройства/прибора, равной около 20 градусов.
Выше были описаны варианты оптического устройства, осветительного устройства и системы по настоящему изобретению, определенные в приложенной формуле изобретения, которые являются лишь неограничивающими примерами. Специалистам понятно, что в объем изобретения входят различные изменения и альтернативные варианты.
Следует отметить, что для целей настоящей заявки и, в частности, приложенной формулы, слово "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, а форма единственного числа не исключает множественного числа, как очевидно специалистам.