УСТРОЙСТВО, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ В ВЫРАЩИВАНИИ РАСТЕНИЙ В СПЕЦИАЛЬНО ЗАЩИЩЕННОЙ СРЕДЕ
DEVICE PROVIDING POSITIVE EFFECT IN GROWING PLANTS IN SPECIALLY PROTECTED ENVIRONMENT

Область техники
В целом изобретение, являющееся предметом нашей разработки, относится к средствам освещения в сельском хозяйстве; в частности, речь идет об устройстве, основанном на светодиодной технологии, которое используется для улучшения выращивания растений в специально защищенной среде.
Согласно МПК, предмет нашего изобретения подпадает под основной классификационный индекс A01G 9/26, который используется для обозначения электрических устройств в теплицах, но при этом может быть также классифицирован дополнительным классом G05D 25/02, который используется для обозначения устройств управления светом с использованием электрических средств.
С учетом того обстоятельства, что в этом новом устройстве используется многоцветное освещение, предмет нашего изобретения может быть классифицирован такими дополнительными индексами, как F21S 10/02, обозначающим устройства и системы для создания освещения, меняющего цвет, и G05D 25/00, обозначающим управление светом (например, интенсивностью, цветом, фазой и т.д.).
Техническая проблема
Техническая проблема, которая может быть решена настоящим изобретением, связана с решением следующего вопроса: как добиться дополнительного регулируемого должным образом освещения и как спроектировать его применение для повышения качества и увеличения производительности выращивания растений в специально защищенной среде, где возможно применение классической гидропонной технологии, позволяющей воздействовать на динамику и фазы фотосинтетического процесса, делая возможной при этом стерилизацию гидропонного раствора, активно воздействуя на конечные свойства выращиваемых растений, обеспечивая профилактическую и активную защиту от всех видов болезней, нейтрализуя влияние вредного излучения на почву и грунтовые воды, посредством испускания, с предварительно запрограммированными интервалами, специально сгенерированного для этой цели света, обладающего специфическим спектром, который активно предотвращает болезни, вызываемые микроорганизмами и патогенными факторами, с учетом того обстоятельства, что такое устройство должно быть совместимо с общеизвестными традиционными средствами освещения, используемыми в теплицах, и принимая во внимание не только экологические параметры, излучение, мерцание, гудение и подобные, но и стоимость изготовления, установки и обслуживания и долговечность.
Предшествующий уровень техники
2
Чтобы обеспечить в процессе обмена веществ в растениях благоприятные условия для фотосинтеза, помимо достаточной влажности, наличия питания, соответствующей температуры и оптимальной концентрации CO, абсолютно необходимо обеспечить подходящую освещенность. При естественном освещении, то есть освещении солнечным светом, от 75% до 85% света поглощается и одна четверть является фотосинтетически активной, однако фактически используется от 0,5% до 7%, тогда как остальная часть отражается, превращается в тепло или остается в форме света. Такая ситуация наблюдается вследствие преобразований энергии света в течение определенного промежутка времени; при этом фотосинтетически активное излучение определяется следующими параметрами.
Освещенность (в зависимости от спектрального состава излучения; наиболее подходящим для овощей является уровень 1500-2000 лк, для цветов 4000-5000 лк и для лабораторных исследований 20000-30000 лк).
Выбранная ширина спектра (общепризнано, что видимый солнечный свет находится в пределах 400-700 нм, а наиболее подходящими для выращивания растений являются красный, в пределах 640-680 нм, и сине-фиолетовый, в пределах 400-450 нм, сегменты спектра).
Режим освещения должен быть совместим с потребностями пользователя и может быть непрерывным или импульсным.
В последние годы интерес к этой проблеме возрастает, и благодаря большому количеству экспериментов наши знания о свете и его влиянии на рост и урожайность растений углубились. Применение результатов последних изысканий в сельском хозяйстве дало фермерам новые преимущества, не только в виде увеличения производительности и роста качества, но и в виде возможности обеспечить непрерывный производственный процесс и предложить свои продукты на рынке в наиболее подходящий момент. Это означает, что фактор дневного света стал более или менее несущественным в растениеводстве, и производственный процесс теперь может осуществляться круглый год. Это означает также, что благодаря искусственному освещению производство разнообразных растений стало возможным почти в любом уголке мира. Применение искусственного освещения дало много преимуществ в плане продления светового дня и изменения потребностей в освещении. В настоящее время существуют металлогалогенные и натриевые лампы, мощностью 400-600 Вт и площадью освещения 6-10 квадратных метров.
Существуют два вида так называемой «специально защищенной среды»: речь идет о теплицах со стеклянным и пластиковым покрытием. Приведем некоторые факты, которые важны при выборе между этими двумя видами. В первую очередь важно учитывать следующее.
1. Листы стекла отражают свет, но в то же время они представляют собой своего рода барьер от теплового излучения, тогда как пластиковая пленка не отражает свет, но эффективно защищает от так называемого «выгорания растений».
2. Долговечность стекла не ограничена, тогда как долговечность пленки ограничена двумя или тремя годами.
3. Прозрачность стекла составляет 100%, тогда как прозрачность фольги составляет приблизительно 80%.
4. Пропускание видимого солнечного спектра через стекло почти не ограничено, тогда как пленка отражает не все компоненты солнечного спектра. Важно отметить также, что натриевое стекло не отражает ультрафиолетовый сегмент спектра.
5. Между двумя материалами имеется значительная разница в цене (пленку необходимо часто менять, и относительно высоки расходы на обогрев).
Независимо от окончательного решения об использовании теплицы со стеклянным или пластиковым покрытием известно, что при соответствующем контроле и тщательном регулировании параметров, которые влияют на выращивание растений в специально защищенных средах, и особенно при соответствующем научно обоснованном использовании освещения можно достичь многократного увеличения производительности (от двух до трех урожаев за тот же период времени).
Современные теплицы, какими бы большими они ни были, не предполагают работу без дополнительного искусственного освещения, играющего важнейшую роль в современном растениеводстве.
При этом, однако, следует отметить, что классические лампы накаливания, люминесцентные лампы и лампы, использующие разряд в парах натрия, имеют тенденцию к устареванию. Вместо них будут использоваться светодиодные средства освещения, отличающиеся практичностью, надежностью и долговечностью.
Среди проблем, связанных с реализацией искусственного освещения, чаще всего приходится решать следующие: выбор наиболее подходящей области спектра, возможность создания лампы со световым спектром, состав которого мог бы меняться для оптимизации условий выращивания растений, возможность подбора оптимальной величины светового потока, адекватный принцип действия, достижение высокой экономичности, позволяющей использовать природные энергетические ресурсы, создание оптимального способа охлаждения светодиода и работа в условиях наличия насекомых.
Стремление к решению этих проблем вдохновило автора предложить лампу, работающую на основе светодиодной технологии, которая позволит выращивать растения в специально защищенных средах, обеспечивая приближение к оптимальным условиям.
Ознакомившись со всеми отечественными и зарубежными источниками, находящимися в пределах доступа, мы пришли к выводу, что такое изобретение еще не было предложено.
Содержание изобретения
2
Описанная выше техническая проблема полностью решается с помощью данного конкретного изобретения, в котором предложено осветительное устройство, обеспечивающее положительный эффект для выращивания растений в защищенной среде, отличающееся тем, что содержит: компьютер с интерфейсом, управляющее устройство, блок энергоснабжения, по меньшей мере одну лампу, вентилятор для охлаждения светодиодных элементов и подачи CO или азота (N) из резервуара, присоединенного через соответствующую магистраль, причем лампа состоит из стойки с трубчатым соединителем и подставки с прикрепленным к ней плафоном, в центре верхней поверхности которого имеется отверстие, причем на боковых поверхностях симметрично расположены светодиодные элементы со светодиодами и теплообменниками, светодиодный драйвер, вентиляционные отверстия и соединительная панель, причем управляющее устройство состоит из: модуля для создания базовой последовательности прямоугольных импульсов с предварительно заданной частотой и регулирования их продолжительности, то есть соотношения сигнал/пауза; модуля для определения числа импульсов, соответствующих отдельным цветам, и их положения в промежутки времени Tfs и Tfp для фотосинтетического и фитопрофилактического спектров, а также базовой частоты fo излучения; и модуля для ручного выбора режима и ввода данных.
По замыслу автора спроектирована специальная лампа, работающая на основе светодиодной технологии и включающая: БЛОК СВЕТОДИОДНЫХ ДРАЙВЕРОВ, управляемый соответствующим устройством, который способен создавать изменяющийся по существу RGB-спектр и оборудован плафоном, размер и форма которого позволяют использовать его в теплицах и который состоит из светодиодных элементов и теплообменников, закрепленных по горизонтали и по вертикали на передвижной стойке, и предназначен для обеспечения оптимальных условий для интенсивной и качественной фотосинтетической деятельности растений в сочетании со значительной экономией энергии. Настоящее изобретение основано на использовании светодиодных ламп, что означает, что в нем применен ряд важных преимуществ этой технологии.
1. При одинаковой мощности светодиод испускает приблизительно такое же или даже большее количество света по сравнению с общеизвестными и традиционными средствами освещения.
2. Этот свет может иметь точно указанную длину волны.
3. Свет от светодиода может быть направлен в определенную точку.
4. Светодиоды обладают значительной долговечностью (50000 часов работы при снижении интенсивности свечения всего на 20%).
5. С точки зрения использования световой энергии светодиод отличается тем, что не выделяет тепло.
6. Светодиод может работать импульсами (так называемый импульсный режим работы) и более эффективно расходует энергию, приблизительно на 30%, а при определенных режимах работы - в 10-100 раз лучше.
7. Он не излучает вредные сегменты спектра, например ультрафиолетовый или инфракрасный.
8. Имеется возможность задавать спектральный состав излучаемого света.
9. Для стерилизации и уничтожения патогенных организмов могут быть установлены ультрафиолетовые светодиодные элементы определенной длины волны. Полный UV-A диапазон спектра оказывает в целом положительное воздействие на растения.
Светодиодные элементы состоят из светодиодов или светодиодных модулей, обладающих возможностью испускания цветного монохроматического или полихроматического света на основе модели RGB. Важно подчеркнуть, что светодиодная лампа, согласно известным результатам, позволяет лучше использовать искусственное освещение и при точном указании фотосинтетических параметров и тщательном планировании оказывает важное воздействие на развитие растений и на некоторые внутренние механизмы в их листьях, вызывающие положительные изменения в росте и урожайности растений.
По мнению многих авторов, в световой стадии фотосинтеза на определенных отрезках времени в химическом процессе синтеза органических веществ, который непосредственно зависит от температуры, растения не нуждаются в свете, однако другие авторы считают, что свет определенной силы все же требуется для активации некоторых ферментов, причем спектр этого света отличается от спектра света, поглощаемого хлорофиллом. В эти отрезки времени при отсутствии химической активности растения лампа не должна испустить свет, или же свет может быть меньшей силы и в определенном спектре, необходимом для деятельности ферментов, включая инфракрасное, фактически тепловое воздействие. Фотосинтетическое излучение происходит периодически, и вызывает интенсивные выбросы энергии, которые переводят электроны на более высокий уровень, порождая фотохимическую активность как физическую реакцию, независимую от температуры. При этом освещение и деятельность растения синхронизируются, и растение получает стимул отвечать фотосинтетическими реакциями на изменения светового ритма, что позволяет использовать свет на более высоком уровне, обеспечивая большую экономию энергии.
Новым фактом в результате этого изобретения является возможность профилактической и активной нейтрализации патогенных организмов с использованием программируемого воздействия светом в определенном спектре и вызываемой этим воздействием фотосинтетической деятельности. Эта возможность может быть реализована тремя способами.
1. Использование спектра, усиливающего синтез веществ, отвечающих за иммунитет растения.
2. Использование спектра, неблагоприятного для физиологии патогенных организмов.
3. Использование частот светового излучения, нейтрализующих патогенные организмы.
Нейтрализация патогенных организмов может проводиться путем воздействия на воздушную смесь, охлаждающую лампу, значительным потоком испускаемого света.
Кроме того, в качестве источника тепла, чередующегося с солнечным освещением, могут использоваться инфракрасные светодиодные элементы, если они будут подавать импульсы с определенными значениями энергии, соответствующими химическому аспекту фотосинтеза. Избирательное инфракрасное излучение будет передавать энергию непосредственно растению почти без потерь. В зависимости от имеющихся потребностей производится регулирование соотношения между фотосинтетическим, профилактическим и теплопередающим рабочими режимами, иначе говоря, регулирование наличия в спектре определенных сегментов.
Важно также отметить тот новый факт, являющийся результатом этого изобретения, что появляется возможность создания условий, положительных или отрицательных в биоэнергетическом аспекте, что имеет значение с точки зрения медицины и безопасности, поскольку позволяет нейтрализовать отрицательные воздействия излучения на почву и грунтовые воды, не изменяя силу и спектр испускаемого света.
2
Возможно также запрограммировать работу главного вентилятора, скорость вращения которого соотносится с мощностью, потребляемой в данный момент, так что возможно охлаждать лампу оптимальным количеством смеси воздуха, CO и азота. Благодаря тому, что воздушная смесь в системе охлаждения проходит непосредственно вдоль электрических проводов, которые, в свою очередь, проводят электромагнитную энергию, создается возможность для их ассимиляции в диапазоне температур от -25 до +35 градусов. Кроме того, при отключенном освещении вентилятор работает на минимальной скорости вращения, подавая в среду холодную или теплую воздушную смесь, которая может поступать не из защищенного пространства. Такой режим работы обеспечивает циркуляцию воздуха, а также защиту от насекомых, влаги и т.п.
Преимуществом этого изобретения является также хорошо продуманная конструкция плафона, который обеспечивает эффективную защиту от влажности, невелик по размерам и удобен в использовании.
Благодаря предусмотренному способу установки и форме плафона на нем можно установить еще одну стойку для лампы, и, в результате, использовать еще один источник света. Таким образом, в течение всего периода роста и созревания растение постоянно получает оптимальное количество света. Кроме того, важно отметить, что лампа может работать в трех различных режимах: ручном, полуавтоматическом и автоматическом.
Это возможно благодаря специальному программному обеспечению, которое дает возможность максимально экономить энергию и выбирать режимы работы. В сравнении с другими общеизвестными решениями в области освещения растений в специально защищенных средах данному конкретному изобретению присущ ряд преимуществ, среди которых наиболее очевидными являются следующие.
1. Изобретение отвечает всем необходимым экологическим стандартам и совершенно безвредно для здоровья человека. На основе экспериментов автор может доказать, что различные цвета и их комбинации испускают положительную или отрицательную энергию. Кроме того, возможны изменения режима работы, сохраняющие спектр и силу света, но изменяющие полярность передаваемой энергии; иначе говоря, можно создать такую полярность, которая будет безвредной для растений и сможет нейтрализовать возможное вредное воздействие излучения на почву и грунтовые воды.
2. В пространстве отдельно взятой среды возможно выбрать режим непрерывной работы с испусканием обычного белого света определенной силы.
3. С точки зрения температуры в таком режиме будет получен источник холодного света.
4. Имеется возможность менять все параметры света, в том числе: силу, преобладающие длины волн, спектральный состав, частоту дискретных и серийных вспышек.
5. Все изношенные и поврежденные элементы лампы и электрических устройств могут быть заменены по отдельности, то есть расходы на обслуживание невелики.
6. При необходимости можно менять предварительно запрограммированные режимы работы.
7. Устройство согласно изобретению бесцветно, имеет приятный запах и практически не создает испарений, что обеспечивает его долговечность. (Не используются светодиоды с легкоповреждаемыми никелиновыми элементами).
8. Изобретение обеспечивает профилактику развития патогенных организмов путем излучения специального спектра, который может сочетаться с фотосинтетическим спектром.
9. Может быть достигнуто не имеющее вредных побочных эффектов улучшение химического состава плода за счет определения соотношения силы красного и синего света на различных стадиях созревания растения.
10. Улучшение роста и урожайности растений.
11. Значительная экономия энергии.
12. Устройство удобно в хранении и надежно в работе.
13. Устройство портативно, его несложно установить, оно точно соответствует потребностям растения в освещении.
Краткое описание чертежей
Для демонстрации изобретения и с целью лучше в нем разобраться будет представлен ряд схем и чертежей, а именно:
Фиг.1 функциональная блок-схема отдельного устройства;
Фиг.2 схематическое изображение плафона лампы, включающего элементы для присоединения еще одной лампы;
Фиг.3 схема последовательного подключения светодиодных модулей к светодиодным драйверам;
Фиг.4 пример задания импульсов для фотосинтетического воздействия в светодиодных элементах, работающих по модели RGB;
Фиг.5 пример задания импульсов для фитопрофилактического воздействия в светодиодных элементах, работающих по модели RWB;
Фиг.6 изображение одного импульса из базовой группы прямоугольных импульсов с переменными параметрами;
Фиг.7 программный алгоритм, регулирующий работу устройства в автоматическом режиме;
Фиг.8 усовершенствованная лампа в вертикальном разрезе;
Фиг.9 верхняя поверхность усовершенствованной лампы;
Фиг.10 верхняя поверхность усовершенствованной лампы с вентиляторами;
Фиг.11 схематическое изображение усовершенствованной лампы для гидропонной технологии;
Фиг.12 вид сбоку усовершенствованной лампы, используемой для выращивания растений в питательном растворе (гидропонная технология);
Фиг.13 схематическое изображение светового воздействия лампы, установленной на двух стойках, и способа регулирования системы охлаждения и нагрева для гидропонной технологии;
Фиг.14 схематическое изображение ламп, установленных с обеих сторон опорной конструкции, которая используется в гидропонной технологии (вид сверху;
Фиг.15 схематическое изображение теплицы для гидропонной технологии выращивания растений с тремя уровнями, освещаемыми лампами;
Фиг.16 схематическое изображение стерилизационного устройства, включающего ультрафиолетовые светодиоды с управляющим устройством, циркуляционный насос и систему подачи питания для растений.
Предпочтительная реализация изобретения
2
2
Как показано на чертежах, отдельно взятое устройство включает; компьютер 1 с интерфейсом 2, управляющее устройство 3, блок 4 энергоснабжения, вентилятор 5 для охлаждения светодиодных элементов и подачи смеси воздуха с СО или N, которые соединены между собой соответствующей электрической цепью и вентиляционными клапанами, составляющими в целом магистральный канал 8 с ответвлениями. Управляющее устройство 3 включает модуль 9, предназначенный для подачи определенных сигналов, модуль 10, предназначенный для регулирования различных параметров сигналов: продолжительность импульса, соотношение сигнал-пауза и частота, взаимная локализация импульсов установленных цветов во времени, а также модуль 11, предназначенный для ручного выбора режима и ввода данных. Переключатель 26 для выбора режима работы может принимать два положения, 1-2 и 1″-2″, причем в положении 1-2 существует возможность выбрать только белый свет низкой интенсивности в целях создания благоприятных условий для работы в специально защищенной среде, тогда как в положении 1″-2″ устройство работает в пределах запрограммированных возможностей изменения спектральных и импульсных характеристик. Согласно изобретению Умнакса (Umnax) (40-50 В), при различных напряжениях, как повышенных, так и пониженных, выходная мощность зависит от количества установленных светодиодных элементов, которым определяется сила испускаемого света и мощность блока энергоснабжения, иначе говоря, задается предел мощности (обеспечивается защита устройства). Изменение напряжения, исходящего из источника энергоснабжения, возможно благодаря различным способам подключения светодиодных элементов или замене блока драйверов. Светодиодные элементы испускают свет, несущий значительную энергию с максимумами в красном и синем сегментах спектра. Возможно, например, использовать в одной лампе 6-18 светодиодных элементов, соединенных последовательно, для создания одного цвета спектра, как показано на Фиг.2 и 3. Необходимый спектр можно создать сочетанием цветов, то есть сочетанием спектров, составленных из двух, трех или большего количества различающихся элементов. Весь элементы одного цветового спектра могут включаться одновременно с одним RGB-импульсом или в разное время, когда каждый RGB-импульс начинаются отдельно. Режим работы устанавливается управляющим устройством 3. После установки ламп 7 спектр может быть задан вводом параметров (программно или вручную); в процессе работы сила света отдельных цветовых сегментов спектра и соответствующих им частот в интерактивном режиме ставится в соответствие случайным целым числам (например, для трех элементов, цветов или спектров отношения fa:fb:fc могут составлять 1:2:1, 1:3:5, 4:3:2 и т.д.). Общее число установленных элементов определяет максимум интенсивности освещения, который может быть увеличен присоединением одной или более ламп к уже имеющейся 7 с учетом высоты установки. Такое наращивание возможно, если присоединить к корпусу первой лампы 7 стойку второй лампы 7. Средством такого присоединения является соединитель 29. На крышке 21 первой лампы 7 имеется расположенное по центру круглое отверстие (выход), диаметр которого несколько больше, чем диаметр стойки 20. Чтобы защитить лампу 7 от влаги, при монтаже без стойки 20 следует вставить в отверстие 22 круглую пластиковую прокладку 23. В случае, когда соединяют вместе две лампы 7, воздушная смесь для охлаждения и CO проходят через полые трубчатые стойки 17 и 20, а энергоснабжение и сигналы от системы управления режимом работы подводятся к дополнительной лампе с помощью панели 25 и драйвера 27. Следует отметить, что каждая дополнительная лампа имеет аналогичный разъем, небольшую панель 25 и драйвер 27, позволяющие осуществлять энергоснабжение и передавать управляющие сигналы.
В целях охлаждения на плафоне 14 симметрично расположены маленькие отверстия 19, через которые постоянно выходит нагретый воздух. Вентилятор 5 препятствует проникновению влаги и насекомых, обычно имеющихся в теплицах.
Максимальная мощность на выходе, выражающаяся в силе испускаемого света, ограничивается лишь мощностью блока 4 энергоснабжения, однако она может быть увеличено при параллельном соединении нескольких блоков 4 энергоснабжения, если это позволяет электрическая сеть.
Благодаря низким потерям энергии в импульсном режиме возможно установить специальные лампы (обладающие специальными характеристиками), которые могут испускать короткие световые импульсы высокой интенсивности (приблизительно 33 кГц), допуская при этом возможность изменения частоты.
Выбор продолжительности импульсов в базовой импульсной последовательности основывается на результатах различных исследований, которые показали, что оптимальной будет продолжительность импульса в 10-15 мкс.
Плафон 14 светодиодной лампы имеет грушевидную форму или же, как показано на чертеже, форму округлой симметричной многогранной призмы или колокола. Этот плафон включает соответствующие охлаждающие приспособления, изготовленные из прочного пластика или аналогичного материала. Плафон 14 закрыт, так что светодиодные элементы (светодиоды и светодиодные модули) защищены от разного рода механических повреждений.
Режим работы лампы 7 определяется устройством 2 и реализуется следующими двумя способами.
1) Полностью автоматически, через программное обеспечение, задающее такие параметры, как:
продолжительность прямоугольного импульса Ti, отношение Ti/Tpi и частота fi в базовой последовательности импульсов - Фиг.6;
соотношение силы света для установленных цветов/спектров, которая пропорциональна числу соответствующих импульсов и определяется как отношение целых чисел (Фиг.4), то есть характеристика, определяющая спектр, а также сила света в фотосинтетическом и фитопрофилактическом, а при более точном описании и в теплопередающем рабочем режиме - Фиг.5;
выходная частота излучения fo для всего спектра;
программируемые временные интервалы работы лампы (см. алгоритм, Фиг.7), позволяющие выполнять более точную настройку параметров освещения (например, программируя короткие временные интервалы на каждый отдельный день).
2) Полуавтоматически, то есть путем прямого ввода параметров вручную с пульта устройства.
Характер сигналов определяется температурой и мощностными и импульсными характеристиками светодиодных элементов 13, а также соображениями дополнительной экономии. В обоих случаях упомянутыми выше сигналами управляют модули 9 и 10, которые также регулируют работу светодиодного драйвера 27. Алгоритм обоих режимов работы показан на Фиг.7.
Чтобы прокомментировать энергосберегающие свойства лампы (благодаря настоящему изобретению), рассмотрим несколько примеров потребления энергии при работе в фотосинтетическом режиме.
Tfs=100 мкс - продолжительность базовой последовательности прямоугольных импульсов,
Ti+Tpi=25-40 мкс - продолжительность одного периода импульса,
fi=25-40 кГц - частота базовых прямоугольных импульсов.
В этом случае можно рассмотреть пример потребления энергии и создания спектра для лампы, испускающей свет двух цветов, например, холодного-белого и красного. В оптимальном случае лампа будет испускать свет соответствующего спектра, расходуя 60%-80% энергии, что соответствует длинам волны в интервалах 620-650 нм и 420-450 нм и может быть достигнуто выбором светодиодных элементов. Спектр создается вводом определенного количества импульсов для обоих цветов за время Tfs, то есть заданием их соотношения. Если их количество одинаково, получим:
nR:nW=1:1⇔fiR=fiW
Такая лампа, в которой максимальная мощность установленных светодиодов равна, например, Pinst=135 Вт, имеет общий световой поток 135·60 лм=8100 лм, приблизительно соответствующий потоку солнечного света ≈11000-12000 лм. Учитывая то обстоятельство, что лампа находится на высоте =1 м и яркость, соответствующая солнечному освещению, ≈1000 лк, теоретическое минимальное потребление энергии (для nR=nW=1) будет вычислено следующим образом:
Uo=Uomax=60 В
Io=Iomax=2,25 A
Tfs=Timin=Tiw=Tir=12,5 мкс
fo=20 Гц, Ti+Tpi=50 мс
Pmin=(20·12,5) Pinst/1000000=0,00025·135 Вт=33,75 мВт
Максимальное потребление энергии в импульсном режиме при Ti=Tpi будет вычислено следующим образом:
Uo=Uomax=60 В
Io=Iomax=2,25 A
Tfs не имеет предела и fi=fiR=fiW
Pmax=Pinst/2=67,5 Вт
Максимальная мощность при тех же условиях, когда Ti>>Tpi, составит приблизительно:
Pmax=Pinst=135 Вт
Из-за своей инерционности человеческий глаз воспринимает свет с минимальной продолжительностью импульсов на частотах выше 25 Гц как непрерывный, создающий слабую освещенность (один базовый импульс длится 12,5 мкс, а человеческий глаз воспринимает ≈24-25 Гц, точнее =40 мс, что в 3000 раз медленнее). Но для растения этот вид света является фотосинтетически активным, с учетом его силы и, несмотря на короткую продолжительность, так что такие импульсы оказывают должное воздействие на хлорофилл и другие пигменты. Существующие режимы работы с низким потреблением энергии в точно определенных спектрах предназначены прежде всего для профилактики болезней и патогенных факторов, так что освещение может продолжаться практически постоянно (в том числе и тогда, когда не происходит фотосинтез).
Как известно, светодиоды не выделяют тепло в зоне их непосредственного воздействия, там, где они испускают свет (исключение составляет использование инфракрасных светодиодных элементов), однако с обратной стороны, в задней части устройства, имеется необходимость в охлаждении ламп в соответствии с характеристиками используемых элементов, рабочим током и выбранным режимом. Однако обычные лампы нагреваются несравнимо сильнее, чем светодиодные элементы. Например, металлогалогенные лампы нагреваются при свечении до 200-450°C, тогда как светодиоды, в зависимости от типа, могут иметь максимальную рабочую температуру 40-50°C. Максимальная температура кратковременного нагрева превышает 100°C.
2
2
2
2
2
С учетом температурных колебаний в защищенной среде, в целях профилактического обслуживания и обеспечения длительной и надежной работы ламп, светодиодные элементы охлаждаются циркуляцией смеси воздуха и CO/N через магистральный канал 8 и коаксиальные трубы в стойках 17 (PE-AI-PE), в которых установлено оборудование для энергоснабжения и передачи управляющих сигналов. Такой способ охлаждения был выбран благодаря возможности одновременно снабжать растения CO, что происходит и тогда, когда нет потребности в охлаждении. Воздушная смесь с CO или N подается под небольшим давлением (которое регулируется открытием клапана 28 на выходе из резервуара 6 или скоростью вентилятора 5). Смесь проходит через отверстия 19 в лампе 7, расположенные около растений, и, поскольку высота лампы 7 составляет 1 метр и СО тяжелее воздуха, удается обеспечить достаточное снабжение растений CO. Необходимо отметить, что на тот случай, когда потребуется увеличить силу испускаемого света, предусмотрены дополнительные охлаждающие вентиляторы меньшей мощности, встроенные в лампу.
2
2
В отличие от многих других осветительных устройств, светодиодные элементы испускают больше света при более низких температурах (нормальное значение Т=25°C). На интенсивных производствах по выращиванию растений с высоким коэффициентом «количество растений/м», где требуется дополнительное освещение, требуются также и значительные количества СО, концентрацию которого можно регулировать описанным образом.
При необходимости может быть также предусмотрена тепловая защита, работающая автоматически от термодатчиков, соединенных с управляющим устройством 3, которое может выравнивать параметры и разгружать светодиодные элементы, понижая их температуру, за счет уменьшения рабочего тока. Фактически эта функция является вторым уровнем защиты. Она гарантирует долгую и безопасную работу устройства.
На Фиг.8 показана лампа с улучшенными характеристиками для выращивания растений в защищенной среде, в которой применяется тот же способ управления, энергоснабжения и подачи воздуха для охлаждения через магистраль 8, что и для описанной лампы 7. Лампа, показанная на Фиг.8, отличается от лампы 7 своей конструкцией. У нее другая форма плафона 14 и встроенный охлаждающий дефлектор 35, который обеспечивает значительно большую устойчивость желаемой рабочей температуры. Улучшенная форма защитного плафона 14 представляет собой правильную шестиугольную пирамиду. На ее боковых поверхностях установлены теплообменники со светодиодами 12 и охлаждающие отверстия 31, равномерно распределенные вдоль стыков боковых поверхностей. Плафон 14 лампы закреплен на трубчатой стойке 20 с помощью резьбы 32 и полувтулки 33. Внутри него проходят кабели энергоснабжения и охлаждающая смесь. В конце основания плафона 14 имеется резьба 34, с помощью которой прикрепляется конический охлаждающий дефлектор 35. На его поверхности симметрично располагаются отверстия 36 для воздуха. На верхней стороне плафона 14 имеется крышка 37 с расположенным по центру круглым отверстием 38. В это отверстие вставляется круглая труба 39 опоры следующей лампы, если это требуется с учетом высоты уровня в теплице. Труба 39 крепится к крышке 37 (изготавливаемой в двух исполнениях) с помощью резьбы 41 и полувтулки 33 через патрон 40. В исполнении без вентиляторов 42 (Фиг.9) крышка 37 представляет собой плоскую шестиугольную панель, соответствующую верхнему отверстию в плафоне 14. С внутренней стороны к ней крепится драйвер 27, а с внешней стороны - соединитель 29. Их функции описаны в предыдущем примере лампы. На Фиг.9 хорошо видна звездообразная конфигурация отверстий 36 для воздуха. Во втором исполнении рассматриваемая лампа (Фиг.10) имеет крышку 37, на которой со смещением на 120 градусов расположены стандартные вентиляторы 42, вытягивающие воздух из лампы. Принцип действия этой лампы тот же, что и у ранее описанной лампы 7, но при этом добавлен охлаждающий дефлектор 35, улучшающий охлаждение светодиодных элементов 13. Это обстоятельство может быть весьма важным в некоторых режимах работы лампы.
Используя те же способы организации энергоснабжения, охлаждения и управления и ту же магистраль 8, как и в предыдущих примерах, в очередном примере реализации изобретения автор представил лампу для выращивания растений в защищенной среде с применением гидропонной технологии на нескольких уровнях. Как видно на Фиг.11 и 12, лампа имеет продолговатый плафон 43 с трапецеидальным поперечным сечением, прикрепленный к трубчатой стойке с полувтулкой 44. Через нее проходят каналы энергоснабжения, передачи управляющих сигналов и труба 45 подачи воздушной смеси для охлаждения. Светодиоды 73 с ребристыми теплообменниками равномерно распределены по боковым поверхностям плафона в два ряда, что позволяет эффективно охлаждать их воздухом от вентиляторов 47 с отдельным приводом, расположенных по концам плафона 43. С верхней стороны плафона 43 имеется узкая прямоугольная крышка 48, которая легко снимается для осмотров и обслуживания.
На Фиг.13 показана многоуровневая конструкция 49, построенная из наклонных и соединенных у вершины стоек 50 и горизонтальных поперечин 51 и 52. По боковым поверхностям на одинаковых расстояниях по высоте проходят трубы 53, в которых содержится гидропонный раствор 54. Трубы 53 крепятся по вертикали проходящими поперек их лентами 55, которые располагаются на наклонных стойках 50 многоуровневой конструкции 49 и закреплены винтами 56. На трубы 53 уложены покрытия 57, изготовленные из теплоизоляционного материала, например пенопласта, с отверстиями 58, которые расположены напротив отверстий 59 на трубах 53 с жидким субстратом 54. На Фиг.14, иллюстрирующей способ установки лампы, видно, что плафон 43 ориентирован параллельно трубам 53. Охлаждение ламп, как и в предыдущих примерах, осуществляется вентилятором 5 через магистраль 8, индивидуально для каждого уровня, выделяемого на вертикальных трубах 60. Через эти вертикальные трубы 60 проходят каналы с разводкой проводов и воздушными трубопроводами системы охлаждения, куда поступает воздух от главного вентилятора. В этом случае в середине уровня 49 имеется Т-образный распределитель 61. Вспомогательные каналы и трубопроводы системы охлаждения располагаются в трубах 62 и 63 симметрично по отношению к этому распределителю 61 с левой и правой стороны уровня 49.
На Фиг.15 показана стеклянная или пластиковая теплица с тремя параллельными уровнями 49. Этот пример иллюстрирует также возможность использования параллельных уровней 49 для более эффективного использования света, значительной экономии тепла, эффективного охлаждения ламп и высокого уровня освещенности при минимальном затенении растений на отдельном уровне 49.
На Фиг.16 показана дополнительная установка избирательной стерилизации, которая включает устройство 64, снабженное светодиодами 66, способными испускать волны в диапазонах UV-B и UV-C для стерилизации гидропонного раствора 54. В данном процессе растения используют для своего произрастания гидропонный раствор 54. С течением времени требуется обогащать этот раствор новыми питательными веществами и нейтрализовать в нем вредные микроорганизмы. Соответствующие добавки вносятся в контур циркуляции раствора 54 с помощью насоса 71. Когда клапаны 69 открыты, этот раствор проходит сначала через фильтр 70, заполняя трубы 53 так, чтобы обеспечить оптимальное питание растения. Эта установка может быть выполнена как цельная и стационарная внутри теплицы или же как дополнительная часть оборудования, которая при необходимости может присоединяться к трубе 53 через втулку 65. Процесс стерилизации основывается на действии ультрафиолетовых светодиодов 66, помещенных в герметичный плафон. Имеется трубчатая зеркальная зона 67, которая увеличивает воздействие излучения ультрафиолетовых светодиодов 66 на поток раствора 54.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение дает реальную возможность, опираясь на приведенные в этом описании характеристики, получить положительный эффект в промышленных и иных подходов к установке и применению светодиодных ламп в выращивании растений в защищенной среде.
Специалисты в соответствующей области техники могут без труда изготовить лампу, являющуюся предметом изобретения, пользуясь данным описанием и чертежами.
Благодаря возможности быстрой сборки конструкции лампы из готовых компонентов настоящее изобретение подходит для серийного производства, и испытания партий опытных образцов в защищенной среде продемонстрировали отличные результаты.
С точки зрения интенсивности освещения, освещаемой площади и уровня потребления электроэнергии данное изобретение может быть рекомендовано к применению, поскольку характеристики соответствующего устройства ограничиваются только электрическими параметрами (сопротивление, поперечное сечение проводников) электрооборудования. Увеличение уровня потребляемой энергии в электрической части устройства может быть достигнуто простым добавлением силовых установок, так что общая мощность на входе в устройство составляет: Pu=nPe.j, где n=1, 2, 3, 4, 5, 6, a Pe.j - мощность одной силовой установки. Это создает предпосылки для использования энергии солнца и ветра.