Способ и устройство для использования светоизлучающих диодов в парнике
Группа изобретений относится к области сельского хозяйства и электричества. Модульная система включает корпус, который содержит: ряд светоизлучающих диодов (СИД), по меньшей мере, двух различных цветов для генерации света в пределах цветового спектра, при этом СИД смонтированы, предпочтительно с фиксацией при защелкивании, на пластине, предпочтительно теплопроводящей, или рядом с ней, которая оборудована средствами охлаждения СИД с помощью охладителя; процессор для регулирования величины тока, подаваемого на ряд СИД, так, чтобы величина подаваемого на них тока определяла цвет освещения, генерируемого рядом СИД, и плоский светопроницаемый элемент, содержащий связанные с СИД светопроницаемые линзы, для управления углом рассеяния света, излучаемого каждым СИД, для равномерного освещения поверхности; при этом корпус снабжен каналом для приема трубки для подачи питания и, как вариант, охладителя для системы СИД. Система включает закрытый фотобиореактор, освещаемый одной или несколькими модульными системами СИД по п.1. В способе экранирования для оптимального освещения растительный материал помещают в биореактор, освещаемый одной или несколькими модульными системами СИД по п.1, и измеряют скорость образования СО2 в растительном материале под действием света различной интенсивности. Система управления включает фотобиореактор, со средствами экранирования фотосинтетической активности, который освещается модульной системой СИД по п.1 в дополнение к поступающему солнечному свету; компьютер для обработки данных, полученных от средств экранирования фотосинтетической активности, который позволяет экранировать фотосинтетическую активность растительного материала фотобиореактора, освещенного светом различных длин волн и интенсивности; измерять поступающий солнечный свет и, если его интенсивность уменьшается, увеличивать интенсивность СИД; и управлять освещением растений в парнике путем освещения растений светом, имеющим состав длин волн и интенсивность, которые обеспечивают наивысшую фотосинтетическую активность в фотобиореакторе. В способе управления с помощью фотобиореактора экранируют фотосинтетическую активность растительного материала, помещенного в реактор, который освещают модульной системой СИД по п.1 в дополнение к поступающему солнечному свету; с помощью компьютера обрабатывают данные, полученные от средств экранирования фотосинтетической активности; причем фотобиореактор экранирует фотосинтетическую активность материала, освещенного светом различных длин волн и интенсивности, а компьютер управляет освещением растений в парнике, освещая растения светом, имеющим состав длин волн и интенсивность, которые обеспечивают наивысшую фотосинтетическую активность. Парниковая система включает: модульную систему СИД по любому из пп.1-11 внутри парника для роста растений; средства измерения для измерения одной или нескольких переменных величин, которые прямо или косвенно связаны с ростом, развитием растений; средства управления, выполненные с возможностью управления освещением в зависимости от выходных сигналов средств измерения. Реактор включает один или несколько отсеков для хранения жидкости, содержащей культуру фототрофных микроорганизмов; впускной патрубок для подачи потока газа, содержащего CO2, в один или несколько отсеков; выпускной патрубок для удаления газа из одного или нескольких отсеков; средства регулирования температуры культуры фототрофных микроорганизмов, и модульную систему СИД по любому из пп.1-11. Группа изобретений позволяет обеспечить равномерное освещение поверхности. 7 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.
Область техники, к которой относится избретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для использования светоизлучающих диодов в парнике. Более конкретно, оно относится к способу использования СИД в дополнение к дневному свету и опорной конструкции для использования СИД в парнике. Кроме того, настоящее изобретение относится к системам и способам управления углом рассеяния света СИД, обеспечивающим равномерное освещение поверхности.
Уровень техники
Солнечный свет состоит из волн различной длины. Энергия света обратно пропорциональна длине волны. Иными словами, чем длиннее длина волны, тем меньшей энергией обладает свет. Солнечный свет можно разделить на волны различной длины, или цвета, пропуская его через призму. Аналогичным образом, когда солнце располагается под углом к земной атмосфере, свет отражается и рассеивается атмосферой. Вот почему солнечные восходы и закаты так красочны. Другой, менее желательный результат этого явления состоит в том, что часть синего цвета не проходит сквозь атмосферу в зимний период.
Свет, видимый человеком, относится к видимой части спектра. Видимый свет находится в диапазоне приблизительно от 400 нм до 700 нм. Фиолетовый свет имеет самую короткую длину волны и наибольшую энергию в видимом спектре, тогда как красный свет имеет наибольшую длину волны и наименьшую энергию в видимом спектре. Чем длиннее волна видимого света, тем краснее ее цвет. Ультрафиолетовый свет обладает более короткой длиной волны и большей энергией, чем видимый цвет. Рентгеновское излучение представляет собой свет с наибольшей энергией и наименьшей длиной волны. Инфракрасный свет является светом низкой энергии с длиной волны большей, чем у красного света. Значительная часть солнечного света находится в инфракрасной области.
Фотосинтез представляет собой процесс, посредством которого энергия солнечного или другого света преобразуется в химические формы энергии, которые могут использоваться биологическими системами. Энергию для фотосинтеза обеспечивает свет, поглощаемый пигментами растений.
Цвет и интенсивность света используются в различных реакциях фотосинтеза. Чем ярче или интенсивнее свет, тем больше энергии получает растение. Красный свет способствует увеличению высоты, а синий цвет способствует приросту по диаметру. Таким образом, растения, выросшие при красном свете, будут высокими и тонкими, а растения, выросшие при синем цвете, будут иметь толстый, крепкий стебель, но не достигнут большой высоты.
В парниках часто бывает желательно контролировать рост растений. Например, в связи с условиями, покупательскими или сезонными требованиями, проблемами транспортировки и т.д., может оказаться желательным способствовать или препятствовать окулировке, способствовать или препятствовать цветению, способствовать прорастанию, способствовать облиствению растения, стимулировать рост крепкого и(или) длинного стебля, формировать более крепкое растение, получать больший урожай и(или) способствовать или препятствовать созреванию фруктов или овощей.
Обычно в парниках используют источники света, чтобы стимулировать или предотвращать рост растений. К числу распространенных типов освещения для садовых участков и парников относятся лампы накаливания, флуоресцентные лампы, натриевые лампы высокого давления, металлогалогенные лампы и ртутные лампы. Лампы накаливания испускают свет всех длин волн и являются самыми близкими к естественному солнечному свету. Поэтому их обычно используют для содействия вегетативному росту. Интенсивность конкретных длин волн света можно регулировать за счет типа источников света, используемых для управления режимом роста. В дополнение к управлению режимами роста с помощью света, режимами роста можно также управлять, регулируя или заменяя удобрения, создавая для растения стрессовые условия, например, с помощью холода, более коротких или длинных периодов освещенности, или добавляя период освещенности ночью.
Зимой солнце находится ниже над горизонтом. При прохождении солнечного света сквозь озоновый слой 50% синего света отражается озоновым слоем, не проникая через него. Лампы накаливания, имитируя естественный (дневной) свет, содержат, как правило, больший процент излучения с низкой энергией по сравнению с дневным светом. Таким образом, растение, выросшее под действием освещения лампами накаливания или естественного зимнего света, обычно получает количество синего света, меньшее оптимального. Имеется потребность в системе, которую можно использовать в дополнение к дневному свету в зимний период путем освещения растений волнами короткой длины, отражаемых озоновым слоем, при минимальном воздействии на количество дневного света.
Производители цветов могут стремиться выращивать густолиственные крепкие растения, предотвращая в то же время их цветение до начала сезона данного растения. Производитель парниковых овощей может пожелать способствовать прорастанию, окулировке и плодоношению растений, но затем воспрепятствовать созреванию овощной культуры, чтобы она не перезрела к моменту поступления на продовольственный рынок. Таким образом, имеется потребность в системе освещения растений, которая позволяет растениеводу дополнять дневной свет, регулируя режим роста растений и не влияя при этом на количество получаемого дневного света.
Светоизлучающие диоды (СИД) состоят из слоя с двумя различными типами полупроводников. Их можно использовать для создания источника света с конкретной длиной волны. В настоящее время светоизлучающие диоды (СИД) используются в парниках небольшого размера с низким уровнем освещенности. Существует потребность в системе освещения растений на основе СИД, позволяющей применять СИД в большом масштабе, например, в промышленных парниках.
Существует потребность в системе освещения растений, в которой применяются СИД для обеспечения требуемой интенсивности света и(или) длины волны с целью стимулирования или предотвращения конкретных режимов роста без воздействия на дневной свет. Существует также потребность в системе, которая может применяться с дневным светом, искусственным светом или комбинацией дневного и искусственного света без блокирования значительного количества света.
Осветительные системы для парников, относящиеся к известному уровню техники, имеют в ширину 18 см и, таким образом, блокируют часть дневного света. Существует потребность в системе, которая уменьшает количество блокируемого дневного света.
Осветительные системы, относящиеся к известному уровню техники, имеют большой вес. Одиночная натриевая лампа может весить 20 кг. Существует потребность в осветительной системе малого веса.
Лампы осветительных систем, относящиеся к известному уровню техники, необходимо размещать высоко над растениями. Существует потребность в осветительной системе которую, как вариант, можно размещать ближе к растениям.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение относится к системе освещения для растений, которая служит для дополнения дневного света, по существу не влияя на количество дневного света. В настоящем изобретении используются СИД, которые обеспечивают равномерное освещение. СИД уменьшают стоимость энергии и технического обслуживания. Система может быть установлена в промышленном парнике. Благодаря небольшой ширине систему целесообразно использовать в дополнение к дневному свету, поскольку она позволяет максимальному количеству дневного света достигать растений.
В соответствии с настоящим изобретением предусматривается модульная система СИД, включающая следующие компоненты:
корпус, который содержит:
ряд светоизлучающих диодов (СИД), по меньшей мере, двух различных цветов для генерации света в пределах цветового спектра, при этом СИД монтируются, предпочтительно с фиксацией при защелкивании, на пластине, предпочтительно теплопроводящей, или рядом с ней, которая оборудована средствами охлаждения для охлаждения СИД с помощью охлаждающего вещества (охладителя);
процессор для регулирования величины электрического тока, подаваемого на ряд СИД, так, чтобы конкретная величина подаваемого на них тока определяла цвет освещения, генерируемого рядом СИД; и
плоский светопроницаемый элемент, содержащий светопроницаемые линзы, связанные с СИД, для уменьшения или увеличения угла рассеяния света, излучаемого каждым СИД;
при этом корпус снабжен каналом для приема трубки для подачи питания и, как вариант, охладителя для системы СИД.
Канал для приема трубки передачи питания и, как вариант, охладителя определен в настоящем документе как отверстие в корпусе, в котором предусмотрены электрические штепсельные соединители, а также соединительные элементы для подачи охладителя. Формулировка «как вариант» в отношении охладителя для системы СИД используется, чтобы подчеркнуть, что охладитель может вводиться в корпус отдельно от трубки для подачи питания.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения СИД с конкретными длинами волн используются в системе для достижения специфического воздействия. Например, синие СИД используются в дополнение к зимнему солнечному свету.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения растения подвергаются воздействию солнечного света и(или) искусственных источников света, предпочтительно, дневного, или солнечного света и СИД, которые используются в дополнение к свету. Например, зимой свет высокой частоты отражается озоновым слоем. Синие СИД используются в дополнение к природному свету для компенсации света высокой частоты, который не пропускается озоновым слоем. Кроме того, когда для достижения желаемого воздействия необходимы конкретные длины волн, могут предусматриваться дополнительные СИД, которые излучают свет нужных длин волн.
Система СИД настоящего изобретения модифицирована для обеспечения по существу равномерного освещения поверхности. В одном варианте осуществления модульная система СИД включает ряд светоизлучающих диодов (СИД), по меньшей мере, двух различных цветов для генерации света в пределах цветового спектра, процессор для регулирования величины электрического тока, подаваемого на ряд СИД, так, чтобы конкретная величина подаваемого на них тока определяла цвет освещения, генерируемого рядом СИД, радиатор, светопроницаемый элемент, связанный с СИД для определения угла рассеяния света, излучаемого каждым СИД. Наличие прозрачного элемента позволяет осуществлять управление углом рассеяния света, излучаемого каждым СИД, для обеспечения по существу равномерного освещения поверхности. В предпочтительном варианте осуществления СИД могут защелкиваться с фиксацией в модуле.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения светопроницаемый элемент предусматривается с рядом линз Френеля, размещаемых на прозрачном слое или в нем. Прозрачный слой и линзы Френеля расположены на равном расстоянии относительно СИД, при этом каждая линза Френеля находится, по меньшей мере, над одним СИД, чтобы воздействовать на угол рассеяния излучаемого света. Чтобы обеспечить взаимодействие с СИД, в каждой линзе Френеля может быть углубление, пригодное для сопряжения, по меньшей мере, с одним СИД.
Модульная осветительная система СИД может, кроме того, включать процессор для регулирования величины электрического тока, подаваемого на ряд СИД, так, чтобы конкретная величина подаваемого на них тока определяла цвет освещения, генерируемого рядом СИД. В таких вариантах осуществления управление величиной электрического тока, подаваемого на ряд СИД, может воздействовать на цвет освещения, генерируемого рядом СИД. Модульная система СИД может также включать соединительное устройство для съемного последовательного подсоединения к светопроницаемому элементу и диодам СИД. Модульная система СИД может дополнительно быть снабжена силовым модулем для подачи электрического тока от источника питания к СИД и, как вариант, электрическим разъемом для съемного подсоединения системы СИД к силовому модулю. В некоторых вариантах осуществления модульная система СИД включает средства программирования процессора и(или) механизм для обеспечения связи между СИД и процессором.
Модульная осветительная система СИД, в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, может также обеспечивать цветовой градиент или цветовую сетку на поверхности. Для создания такого градиента или сетки свет, излучаемый каждым СИД или группой СИД, может иметь четко выраженный цвет и при этом быть обеспечен конкретным углом рассеяния, так, чтобы свет от такого СИД или группы СИД освещал конкретную область поверхности.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения предусматривается способ изготовления модульной системы СИД. Конкретно, сначала из ряда СИД группируют заданную матрицу. Далее, предусматривается элемент, включающий ряд пространственно регулируемых линз, сгруппированных в матрицу, аналогичную матрице СИД, при этом в каждой линзе имеется углубление для сопряжения с СИД. После этого ряд СИД стыкуется с рядом линз таким образом, что каждая линза сопрягается с одним СИД.
СИД (светоизлучающий диод) обладает преимуществом, которое заключается в том, что его спектр может быть рассчитан в точном соответствии с требованиями растений. Указанное преимущество распространяется также на все типы СИД, включая ОСИД (органический светоизлучающий диод), представляющий собой особый тип светоизлучающего диода, в котором излучающий слой может содержать тонкую пленку, состоящую из определенных органических компонентов. Предполагается, что термин СИД включает ОСИД. Преимущество ОСИД состоит в том, что он представляет собой источник однородного света большой площади с потенциально низкой стоимостью и высокой эффективностью, и, таким образом, ОСИД больше подходят для применения в растениеводстве, где важное значение имеет полная стоимость владения. В таких ОСИД используется ток, протекающий через тонкопленочный органический материал для генерации света. Цвет излучаемого света и эффективность преобразования энергии тока в энергию света определяются составом органического тонкопленочного материала. Однако ОСИД содержат материал подложки в качестве слоя-носителя, который может быть изготовлен из стекла или органического материала, или из неизлучающих материалов, таких как металлическая фольга. Кроме того, органические светоизлучающие диоды состоят, по меньшей мере, из одного очень тонкого слоя органических веществ толщиной приблизительно 5-500 нм на стеклянной подложке, покрытой электропроводящим и оптически прозрачным оксидом. Этот проводящий слой обычно выполнен из оксида индия и олова (ОИО). Как правило, слой ОИО образует анод, а слой алюминия образует катод, при этом слой алюминия обладает толщиной, составляющей приблизительно 100 нм, т.е. подобной толщине слоя ОИО. Алюминий такой толщины действует в качестве зеркала таким образом, что излучение проходит только через прозрачный анод ОИО и прозрачную подложку. Если металл катода достаточно тонок, чтобы быть частично прозрачным, часть света может также излучаться через катод. Используя другие подходящие материалы в качестве катода, ОСИД можно выполнить оптически прозрачным. В этом случае ОСИД может действовать в качестве разновидности зеркала, которое в дневное время пропускает солнечный свет в парник. Но в ночное время ОСИД может действовать в качестве осветительного средства, освещающего парник.
Согласно другому варианту осуществления изобретения осветительный элемент может состоять из матрицы ОСИД, включающей, по меньшей мере, две различные группы ОСИД, при этом первая группа ОСИД создает свет для обеспечения роста, а вторая группа ОСИД-управляющий свет для растения, причем для изменения цвета света используют первый ток и второй ток, подаваемые на диоды указанных первой и второй групп, соответственно. Известно, что сам рост растения зависит, главным образом, от количества света, которым обладает длина волны, поглощаемая хлорофиллом а или b. Для достижения интенсивного роста растения первая группа ОСИД светоизлучающего элемента должна состоять, по меньшей мере, из двух типов ОСИД, излучающих волны различной длины. Предпочтительно, чтобы ОСИД первого типа излучал в области синего цвета с длиной волны от 400 нм до 500 нм. Кроме того, ОСИД второго типа должен излучать в области красного цвета с длиной волны от 600 нм до 700 нм. В другом предпочтительном варианте осуществления свет для обеспечения роста, излучаемый первой группой ОСИД, может состоять приблизительно из 80%-90% красного света и 10%-20% синего света.
В дополнение к описанному свету для обеспечения роста следует использовать управляющий свет для управления ростом растения. Ростом растений, как больших, так и маленьких и плотных, можно управлять, освещая растение светом различных цветов. Известно, что использование большого количества синего цвета (от 400 нм до 500 нм) позволяет получить высокое растение, тогда как использование небольшого количества синего цвета приводит к появлению небольшого плотного растения. Кроме того, свет в зеленом спектре усиливает тенденцию растения к распространению. Помимо этого, за счет использования света с подходящей длиной волны можно управлять цветением растений. Таким образом, управляя типом длины волны, излучаемой для освещения растений, можно управлять типом роста растения.
Целью настоящего изобретения является содействие росту, развитию и здоровью растений. Другая цель изобретения состоит в существенной экономии энергии. Изобретение включает улучшенный мониторинг или распознавание роста, развития и(или) здоровья соответствующих растений и подходящую «точную настройку» свойств их освещения.
Для этого, в соответствии с настоящим изобретением, в парниковую систему, которая содержит модульную осветительную систему СИД для освещения растений и т.д. внутри парника для улучшения роста растений, предпочтительно включить средства измерения (датчики) для измерения одной или нескольких переменных величин, которые прямо или косвенно связаны с ростом, развитием или здоровьем этих растений или соответствующих групп растений, а также средства управления, выполненные с возможностью управления освещением в зависимости от выходных сигналов средств измерения.
Весьма предпочтительно, чтобы в такой парниковой системе освещение с помощью осветительной системы СИД и средства управления были выполнены с возможностью изменения интенсивности, а также спектрального распределения света, излучаемого модульной осветительной системой СИД.
Как известно из предшествующего уровня техники, излучаемый свет может быть импульсным, при этом, в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения, импульсные характеристики могут изменяться средствами управления в зависимости от выходных данных средств измерения.
Предпочтительно, чтобы средства управления были выполнены с возможностью интерпретирования соответствующих переменных величин, измеренных средствами измерения, и оценки фактического и(или) ожидаемого роста соответствующих растений, а также управления интенсивностью и(или) спектральным распределением света, излучаемого средствами освещения этих растений в соответствии с результатом оценки.
Например, в парниках, которые выполнены с возможностью использования падающего (солнечного) света, могут быть предусмотрены один или несколько датчиков для измерения интенсивности и(или) спектрального распределения фактического освещения в парнике, тем самым обеспечивая возможность, например, фильтрации, экранирования и т.д. падающего света с помощью фильтров, экранов и т.д., или дополнения падающего света искусственным, спектрально «точно настроенным» освещением.
Один или несколько датчиков могут предусматриваться для измерения одного или нескольких размеров растений, например, размера корней, листьев, стеблей, фруктов или цветов соответствующих растений или групп растений.
Наконец, следует отметить, что для еще большего повышения энергетической эффективности парниковой системы (что, в конечном счете, являлось одной из целей настоящего изобретения), модули СИД настоящего изобретения могут охлаждаться с помощью охладителя, например, жидкости или воздуха, который предпочтительно может быть подключен к системе отопления или кондиционирования воздуха парника, тем самым обеспечивая возможность рекуперации энергии, которая в модулях СИД преобразуется не в свет, а в тепло. Это дополнительная возможность, обеспечиваемая модулями СИД, так как в СИД, в силу их природы, тепло генерируется преимущественно на обратной стороне СИД (в отличие от натриевых ламп и т.д., которые излучают тепло со своей передней стороны, служащей для освещения) и, вследствие этого, может быть собрано на обратной стороне модулей, не препятствуя излучению света с передней стороны, и, с помощью охладителя и системы циркуляции, может подаваться в систему обогрева или кондиционирования воздуха парника, или любую другую систему обогрева или кондиционирования воздуха.
Настоящее изобретение также предусматривает систему для экранирования фотосинтетической активности растительного материала, причем указанная система включает закрытый фотобиореактор, освещаемый одной или несколькими модульными системами СИД настоящего изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением предусматривается также способ экранирования для оптимального освещения растительного материала, содержащий такие шаги, как помещение растительного материала в биореактор, освещаемый одной или несколькими модульными системами СИД настоящего изобретения, и измерение скорости образования CO2 в растительном материале под действием света различной интенсивности.
Задачей настоящего изобретения является также обеспечение усовершенствованного реактора для культивирования фототрофных микроорганизмов таким образом, чтобы более эффективно преобразовывать солнечный свет в биомассу. В другом аспекте изобретения задачей является обеспечение процесса культивирования фототрофных микроорганизмов, при котором солнечный свет более эффективно преобразуется в биомассу.
Согласно изобретению предусматривается реактор для культивирования фототрофных микроорганизмов, включающий следующие компоненты:
один или несколько отсеков для хранения жидкости, содержащей культуру фототрофных микроорганизмов;
впускной патрубок для подачи для подачи потока газа, содержащего CO2, в один или несколько отсеков;
выпускной патрубок для удаления газа из одного или нескольких отсеков;
средства регулирования температуры культуры фототрофных микроорганизмов; и
систему СИД настоящего изобретения для освещения фототрофных микроорганизмов.
Кроме того, настоящее изобретение относится к системе управления оптимальным освещением растений в парнике, причем указанная система включает следующие компоненты:
фотобиореактор, включающий средства для экранирования фотосинтетической активности, который освещается системой СИД настоящего изобретения в дополнение к поступающему солнечному свету, причем указанный фотобиореактор оборудован также одним или нескольким фотодиодами для измерения интенсивности поступающего солнечного света;
компьютер для обработки данных, полученных от средств экранирования фотосинтетической активности, который реализует программу, выполняющую следующие действия:
экранирует фотосинтетическую активность растительного материала фотобиореактора, освещенного светом различных длин волн и интенсивности;
измеряет поступающий солнечный свет и, если его интенсивность уменьшается, увеличивает интенсивность СИД; и
управляет освещением растений в парнике, освещая растения светом, имеющим состав длин волн и интенсивность, которые обуславливают наивысшую фотосинтетическую активность в фотобиореакторе.
Кроме того, настоящее изобретение предлагает способ управления оптимальным освещением растений в парнике, содержащий следующие шаги:
обеспечивают фотобиореактор для экранирования фотосинтетической активности растительного материала, помещенного в биореактор, который освещается системой СИД настоящего изобретения в дополнение к поступающему солнечному свету; и обеспечивают компьютер для обработки данных, полученных от средств экранирования фотосинтетической активности;
причем компьютер экранирует фотосинтетическую активность растительного материала фотобиореактора, освещенного светом различных длин волн и интенсивности, после чего управляет освещением растений в парнике, освещая растения светом, имеющим состав длин волн и интенсивность, которые обуславливают наивысшую фотосинтетическую активность в фотобиореакторе.
Как и во многих из обсуждавшихся выше вариантов осуществления, один или несколько фотодиодов могут использоваться для компенсации уменьшения или увеличения интенсивности поступающего солнечного света в связи с сезонными колебаниями (например, зимний период) или при облачной погоде.
В некоторых вариантах осуществления системы и способы, описанные в настоящем изобретении, используют для осветительного устройства регулирование тока, которое может представлять собой регулирование тока с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), или другую форму регулирования тока, при которой каждый управляемый током модуль имеет уникальный адрес и способен принимать информацию о цвете освещения по осветительной сети компьютера. Для целей настоящего изобретения термин «регулирование тока» означает регулирование тока способом ШИМ, аналоговое регулирование тока, цифровое регулирование тока или любой другой способ или систему для регулирования тока. В частности, возможно использование импульсно-модулированных сигналов, сигналов с импульсно-амплитудной модуляцией или сигналов с фазово-импульсной модуляцией.
Краткое описание графических материалов
На ФИГ.1 показаны три вида одного варианта осуществления настоящего изобретения с охлаждающими ребрами: (а) вид сверху, (b) вид снизу и (с) вид снизу со снятым концевым корпусом для демонстрации внутренней конструкции.
На ФИГ.2 показано объемное изображение варианта осуществления настоящего изобретения с пространственным разделением деталей, в котором используется система фиксации с защелкиванием для разъемного монтажа нижней части корпуса, содержащей СИД и матрицу линз.
Осуществление изобретения
Растения растут благодаря фотосинтезу. Растения используют воду, углекислый газ и свет для создания энергии и кислорода. Различные длины световых волн воздействуют на растения по-разному. Росту большинства растений лучше всего способствуют длины волн красного и синего цвета.
Максимальный коэффициент пропускания волн синего цвета наблюдается около полудня. Учитывая угол нахождения солнца, высокоэнергетический синий свет, как правило, отражается озоновым слоем утром и вечером. Таким образом, в свете присутствует меньше синего. Аналогичным образом, меньшего синего света поступает зимой, поскольку Земля расположена под углом к солнцу. Зимой около 50% высокоэнергетического синего света отражается озоновым слоем, а проходящий свет содержит преимущественно более низкоэнергетические составляющие. В результате растения могут не получать достаточное количество синего света.
Растения, растущие под искусственным светом, также могут испытывать недостаток синего света. Например, натриевые лампы высокой интенсивности, которые часто используют в парниках, максимально увеличивают количество света, видимого человеческим глазом. Лампы накаливания, которые часто используют для выращивания растений в домашних условиях, также обеспечивают меньшее количество синего света по сравнению с необходимым для оптимального роста растений. Растениеводу может потребоваться дополнительное количество синего цвета. В некоторых ситуациях растениевод может пожелать стимулировать или предотвратить определенные режимы роста растений с конкретными длинами световых волн. Таким образом, часто необходимо или желательно дополнить дневной или искусственный свет конкретными длинами световых волн.
Осветительные системы, относящееся к известному уровню техники, блокируют часть дневного света, поступающего в парник. В системах, относящихся к известному уровню техники, применяются массивные источники света, которые блокируют 10% или даже большую часть освещаемой площади в основании парника. Это нежелательный эффект может усугубляться тенями, отбрасываемыми рамой и(или) источниками света. В системе предшествующего уровня техники используется ряд источников света. Например, в типовой системе, использующей натриевые лампы высокого давления, отражатель лампы имеет размеры 35 см в ширину и 35 см в длину, источник питания лампы - около 18 см в ширину и 38 см в длину, а ширина дополнительных опор составляет около 4 см. Опорная рама парника имеет 3 см в ширину.
Другой недостаток систем предшествующего уровня техники заключается в неравномерном освещении. Некоторые растения освещаются двумя лампами, тогда как другие освещаются тремя. В результате растения не могут расти и созревать с одинаковой скоростью. Некоторые растения могут созревать медленно, или вырасти более мелкими, чем другие.
Осветительные системы, относящиеся к известному уровню техники, имеют большой вес, причем одиночная натриевая лампа может весить 20 кг. Таким образом, рама парника должна быть достаточно прочной, чтобы поддерживать осветительную систему. Кроме того, в осветительных системах, относящихся к известному уровню техники, используются лампы, которые необходимо держать на расстоянии от растений. Для этого требуется, чтобы конструкции парника были достаточной высоты для удержания ламп на расстоянии от растений.
Источник света включает плату, предпочтительно на металлической основе, со смонтированными на ней СИД. Плата имеет форму пластины, которую можно механически прикрепить к раме. СИД предпочтительно представляют собой СИД с силовым модулем. СИД предпочтительно размещены на равных расстояниях по длине пластины. СИД получают электропитание от источника питания. Плата предпочтительно подключена к источнику питания с помощью проводов, при этом источник питания расположен на некотором расстоянии от источника света. Источник питания может запитывать более одного источника света. Источник света предпочтительно присоединен к электропроводящему проводу, по которому на него подается питание. Альтернативно, источник света монтируется на трубке, которая, в дополнение к подаче питания на источник света, подает также поток газа для целей охлаждения.
Источники света относительно легкие. Таким образом, парник может быть выстроен таким образом, чтобы рама поддерживала только сам парник. При определении прочности и(или) конструкции рамы нет необходимости учитывать дополнительный вес ламп.
Кроме того, СИД могут располагаться как вблизи, так и на расстоянии от растений. Таким образом, источники света можно собрать на имеющейся раме парника. Помимо этого, поскольку СИД не нужно держать на расстоянии от растений, парник можно выстроить более низким. Это экономит материалы и позволяет использовать рамы меньшего веса. Это также позволяет сократить затраты на обогрев и(или) охлаждение, поскольку обогреваемое или охлаждаемое пространство может быть ниже, чем у традиционных парников.
На ФИГ.1 показаны три вида одного варианта осуществления настоящего изобретения с охлаждающими ребрами: (а) вид сверху, (b) вид снизу и (с) вид снизу со снятым концевым корпусом для демонстрации внутренней конструкции. Осветительная система СИД содержит модульный корпус 1, канал 2 для введения трубки/кабеля с целью подачи питания и, возможно, других соединений к системе СИД. Охлаждающие ребра 3 используются для эффективного отведения тепла от СИД. Каждый отдельный СИД (не показан) снабжен линзой 4 для равномерного освещения растений. Эти линзы выполнены в виде составной части литой матрицы светопроницаемых пластмассовых линз 5, позади которой монтируется печатная плата 6 с СИД. Электронная плата 7, содержащая управляющий процессор и обеспечивающая питание СИД монтируется в верхней части модульного корпуса.
На ФИГ.2 показано объемное изображение варианта осуществления настоящего изобретения с пространственным разделением деталей, в котором используется система фиксации с защелкиванием для разъемного монтажа нижней части корпуса, содержащей СИД и матрицу линз. На этом изображении углубления для приема СИД видны на матрице линз 5, а основания СИД 8 с перевернутым монтажом видны на печатной плате 6. Светоизлучающая часть каждого СИД помещена в отверстии на плате, чтобы обеспечить прохождение света через матрицу линз. Матрица линз и плата СИД, в свою очередь, монтируются на нижней части модуля корпуса 9, который фиксируется защелкиванием на остальной части модульного корпуса с помощью системы, состоящий из язычка 10 и паза 11.
Пример
Чтобы разъяснить цель настоящего изобретения, представлен анализ конкретного примера. Выращивание колокольчиков требует высокоинтенсивного искусственного света для обеспечения высокого качества растений на протяжении всего года. РКМ A/S - это датский парник/питомник, который, помимо других культур выращивает приблизительно 11 миллионов колокольчиков ежегодно. Счет за электроэнергию с связи с оплатой освещения составляет около 2/3 платы за коммунальные услуги, следовательно, существует большой интерес к экономии электроэнергии. Традиционная натриевая лампа высокого давления является эффективным устройством в отношении светового выхода, но неэффективна с точки зрения обеспечения подходящих длин волн для получения высокой фотосинтетической активности. Замена натриевой лампы высокого давления на систему СИД настоящего изобретения даст возможность владельцу питомника сэкономить 50% электроэнергии. Используемая система включает СИД двух цветов, снабженные средствами охлаждения, при этом перед СИД предусмотрен плоский светопроницаемый элемент. Охладитель поступает внутрь и наружу устройства по каналу. Энергия, отбираемая у устройств охладителем, повторно используется в парнике, например, для обогрева.
1. Модульная система светоизлучающих диодов (СИД) в парнике, включающая корпус, который содержит:
ряд светоизлучающих диодов (СИД), по меньшей мере, двух различных цветов для генерации света в пределах цветового спектра, при этом СИД смонтированы предпочтительно с фиксацией при защелкивании, на пластине, предпочтительно теплопроводящей, или рядом с ней, которая оборудована средствами охлаждения для охлаждения СИД с помощью охладителя; процессор для регулирования величины электрического тока, подаваемого на ряд СИД, так, чтобы конкретная величина подаваемого на них тока определяла цвет освещения, генерируемого рядом СИД, и плоский светопроницаемый элемент, содержащий связанные с СИД светопроницаемые линзы, для управления углом рассеяния света, излучаемого каждым СИД, с целью обеспечения, по существу, равномерного освещения поверхности;
при этом корпус снабжен каналом для приема трубки для подачи питания и, как вариант, охладителя для системы СИД.
2. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что светопроницаемый элемент включает матрицу линз Френеля, размещенных на этом элементе.
3. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что светопроницаемый элемент включает ряд отдельных линз Френеля.
4. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что светопроницаемый элемент имеет углубление для сопряжения, по меньшей мере, с одним СИД.
5. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что ряд СИД сгруппирован с образованием, по существу, линейной матрицы.
6. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что предусмотрены СИД в виде ОСИД.
7. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что включает силовой модуль для подачи электрического тока от источника питания на систему СИД.
8. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что процессор выполнен в качестве адресуемого процессора с возможностью приема данных от сети.
9. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что процессор выполнен с возможностью управления рядом СИД с помощью сигналов, выбираемых из группы, состоящей из импульсно-модулированных сигналов, сигналов с широтно-импульсной модуляцией, сигналов с импульсно-амплитудной модуляцией, сигналов с фазово-импульсной модуляцией, аналоговых сигналов и их комбинаций и/или модуляций.
10. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что управление СИД определяется интенсивностью поступающего солнечного света, и/или интенсивностью света от модульной системы СИД, тем самым компенсируя уменьшение или увеличение интенсивности солнечного света в зимний период или при облачной погоде, или интенсивность света от модульной системы СИД.
11. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что ряд СИД включает, по меньшей мере, первый цветной СИД и второй цветной СИД, а электрический ток включает первый ток, подаваемый на первый цветной СИД, и второй ток, подаваемый на второй цветной СИД, причем процессор регулирует величину первого и второго токов для изменения цвета света, генерируемого рядом СИД.
12. Система для экранирования фотосинтетической активности растительного материала, включающая закрытый фотобиореактор, освещаемый одной или несколькими модульными системами СИД по п.1.
13. Способ экранирования для оптимального освещения растительного материала, в котором помещают растительный материал в биореактор, освещаемый одной или несколькими модульными системами СИД по п.1, и измеряют скорость образования CO2 в растительном материале под действием света различной интенсивности.
14. Система управления оптимальным освещением растений в парнике, включающая следующие компоненты:
фотобиореактор, включающий средства для экранирования фотосинтетической активности, который освещается модульной системой СИД по п.1 в дополнение к поступающему солнечному свету;
компьютер для обработки данных, полученных от средств экранирования фотосинтетической активности, который реализует программу для выполнения следующих действий:
экранирование фотосинтетической активности растительного материала фотобиореактора, освещенного светом различных длин волн и интенсивности;
измерение поступающего солнечного света и, если его интенсивность уменьшается, увеличение интенсивности СИД; и
управление освещением растений в парнике путем освещения растений светом, имеющим состав длин волн и интенсивность, которые обеспечивают наивысшую фотосинтетическую активность в фотобиореакторе.
15. Способ управления оптимальным освещением растений в парнике, включающий следующие шаги:
экранируют с помощью фотобиореактора фотосинтетическую активность растительного материала, помещенного в указанный реактор, который освещают модульной системой СИД по п.1 в дополнение к поступающему солнечному свету; и
обрабатывают с помощью компьютера данные, полученные от средств экранирования фотосинтетической активности;
причем фотобиореактор экранирует фотосинтетическую активность растительного материала фотобиореактора, освещенного светом различных длин волн и интенсивности, а компьютер управляет освещением растений в парнике, освещая растения светом, имеющим состав длин волн и интенсивность, которые обуславливают наивысшую фотосинтетическую активность в фотобиореакторе.
16. Парниковая система, включающая следующие компоненты:
(i) модульную систему СИД по любому из пп.1-11 внутри парника для улучшения роста растений;
(ii) средства измерения для измерения одной или нескольких переменных величин, которые прямо или косвенно связаны с ростом, развитием или здоровьем этих растений или соответствующих групп растений;
(iii) средства управления, выполненные с возможностью управления освещением в зависимости от выходных сигналов средств измерения.
17. Парниковая система по п.16, отличающаяся тем, что модульная система СИД и средства управления выполнены с возможностью изменения интенсивности и спектрального распределения света, излучаемого средствами освещения.
18. Реактор для культивирования фототрофных микроорганизмов, включающий следующие компоненты:
i) один или несколько отсеков для хранения жидкости, содержащей культуру фототрофных микроорганизмов;
ii) впускной патрубок для подачи потока газа, содержащего СО2, в один или несколько отсеков;
iii) выпускной патрубок для удаления газа из одного или нескольких отсеков;
iv) средства регулирования температуры культуры фототрофных микроорганизмов и
v) модульную систему СИД по любому из пп.1-11.
