СВЕТИЛЬНИК

Изобретение относится к осветительным устройствам, обеспечивающим освещение светом максимально соответствующим спектру солнечного света за счет использования светоизлучающих диодов.

Известен светильник, содержащий набор светодиодов с разными спектрами излучения, снабженных драйверами, при этом, в составе светильника использованы двенадцать красных светодиодов с длиной волны 660 нм, шесть оранжевых светодиодов с длиной волны 612 нм и один синий светодиод с длиной волны 470 нм (см. US № 6921182).

Известен также светильник, содержащий набор известных светодиодов с разными спектрами излучения, лежащими в диапазоне порядка 400-800 нм, снабженных драйверами (см. RU № 2504143, 2014). При этом в составе светильника использованы по меньшей мере, два типа светодиодов, причем, предпочтительно, чтобы светодиоды первого типа излучали в области синего цвета с длиной волны от 400 нм до 500 нм, а светодиоды второго типа излучали в области красного цвета с длиной волны от 600 до 700 нм, причем свет, излучаемый первой группой светодиодов, состоит приблизительно из 80%-90% красного света и 10-20% синего света.

Все перечисленные решения были направлены на получение оптимального сочетания длин волн для усиления темпов роста растений, а также снижение энергопотребления и увеличение срока службы светильников, при их технической реализации по сравнению с существующими свето-выращивательными технологиями, но не обеспечивают спектр излучения близкий к спектру солнца. Кроме того, сочетание длин волн, выбранных для усиления роста растений в существующих технических решениях непривлекательно для людей, наблюдающих освещенное растение, а иногда даже вредно для глаз.

Задача, на решение которой направлено изобретение - обеспечение в светильнике спектра излучения соответствующего спектру солнечного света в моделируемом диапазоне.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, заключается в обеспечении для светильника спектра излучения, близкого к спектру излучения солнечного света в моделируемом диапазоне, при минимизации общего количества используемых светодиодов.

Для решения поставленной задачи, светильник, содержащий набор известных светодиодов с разными спектрами излучения, лежащими в диапазоне частот фотосинтетически активной части солнечного спектра, снабженных драйверами питания, отличается тем, что в нем использованы светодиоды, спектры излучения которых находятся в диапазоне 430-660 нм, при этом спектры использованных светодиодов перекрывают друг друга в разных спектральных участках диапазона предпочтительно на уровне 0,4-0,6 от максимальной амплитуды на центральной частоте излучения, причем использованы шесть типов светодиодов разного спектра мощностью от 0,1 до 200 Вт и более, а излучаемый спектр включает спектры излучения таких светодиодов, как Теплый белый, Королевский синий, Синий, Голубой, Зеленый и Растительный свет, с возможным отклонением от центральной частоты на ± 15 нм, при этом, драйверы названных светодиодов, выполнены с возможностью подачи энергии питания такой величины, чтобы уровень светового потока от соответствующих светодиодов был равным 0,94; 0,22; 0,57; 0,81; 0,89 от уровня светового потока, излучаемого светодиодом Растительный свет, с возможным отклонением указанных значений энергии на ± 30%. Кроме того, тип спектра сформирован набором однотипных светодиодов, с возможностью генерирования мощности светового потока, одинаковой для каждого отдельного типа спектра. Кроме того, названные светодиоды имеют максимальное излучение на частотах соответственно, 587, 437, 460, 490, 524 и 650 нм.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом совокупность признаков отличительной части формулы изобретения обеспечивают светильнику спектр излучения соответствующего солнечному свету, причем отличительные признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение нижеследующего комплекса функциональных задач.

Признаки «использованы светодиоды, спектры излучения которых находятся в диапазоне 430-660 нм» обеспечивают максимально полное приближение к спектру солнечного света, при минимальном количестве используемых типов светодиодов.

Признаки «спектры использованных светодиодов перекрывают друг друга в разных спектральных участках диапазона» способствуют выравниванию (снижению волнистости) суммарного спектра светильника.

Признаки, указывающие что спектры, составляющие набор светодиодов перекрывают друг друга «предпочтительно на уровне 0,4-0,6 от максимальной амплитуды на центральной частоте излучения» также способствуют снижению волнистости суммарного спектра светильника.

Признаки, указывающие, что «использованы шесть типов светодиодов разного спектра мощностью от 0,1 до 200 Вт и более, а излучаемый спектр включает спектры излучения таких светодиодов, как Теплый белый, Королевский синий, Синий, Голубой, Зеленый и Растительный свет» обеспечивают формирование светильником спектра излучения близкого к солнечному свету.

Признаки, указывающие, что возможно отклонение излучаемого светодиодами спектра «от центральной частоты на ± 15 нм», задают параметры, обеспечивающие компоновку линейки или матрицы светодиодов.

Признаки, указывающие, что «драйверы названных светодиодов, выполнены с возможностью подачи энергии питания такой величины, чтобы уровень светового потока от соответствующих светодиодов был равным 0,94; 0,22; 0,57; 0,81; 0,89 от уровня светового потока, излучаемого светодиодом Растительный свет» обеспечивают необходимое выравнивание излучений светодиодов, снижающее волнистость суммарного спектра светильника.

Признаки, указывающие на возможность отклонения уровня энергии, подаваемой на светодиоды на ± 30%, задают параметры подачи энергии на светодиоды, обеспечивающие оптимальную компоновку линейки или матрицы светодиодов.

Признаки, указывающие, что «тип спектра сформирован набором однотипных светодиодов, с возможностью генерирования мощности светового потока, одинаковой для каждого отдельного типа спектра» обеспечивают возможность использования, как одиночного светодиода большой мощности, так и матрицы, сформированной из нескольких светодиодов малой мощности.

Признаки, указывающие, что «названные светодиоды имеют максимальное излучение на частотах соответственно 587, 437, 460, 490, 524 и 650 нм», конкретезируют технические характеристики светодиодов.

На фиг. 1 показаны спектры излучения шести типов использованных светодиодов, выровненных по мощности излучения; на фиг. 2 показан спектр суммарного излучения шести светодиодов соответствующий солнечному спектру (гладкая кривая (real SUN) – спектр солнца, а кривая (Sun 6 Реш) – спектр светильника; на фиг. 3 показан спектр излучения трех типов светодиодов (Cyan, Green, Warm White) и суммарного их спектра при различной ширине полосы излучения Green светодиода; на фиг. 4 показана матрица из шести светодиодов разного типа, формирующая суммарный спектр излучения, в диапазоне частот 430-660 нм, который соответствует солнечному спектру; на фиг. 5 показан реальный суммарный спектр излучения матрицы; на фиг. 6 показаны спектры ФАР облученности в боксе с заявленным светильником (БС) и в контроле в светокультуральной (СвКульт); на фиг. 7 показана динамика роста картофеля сорта Брянский в боксе БС (5 фото слева) и в контроле (5 фото справа); на фиг. 8 показана плотность мощности излучения светодиодов разного номинала мощности, составляющих матрицу и их суммарной мощности без применения регулирования драйверами.

В настоящее время промышленность выпускает различные светодиоды с узкой и широкой полосой излучения, с пиком излучения, приходящимся на одну или несколько определенных частот света. Охвачен широкий диапазон частот света от УФ излучения до красного и инфракрасного света. Кроме того, имеются светодиоды белого света с различной цветовой температурой.

Таким образом, если имеется набор светодиодов с различными спектрами (фиг. 1), то из них можно набрать линейку или матрицу светодиодов с перекрытием спектральных кривых на уровне примерно 0,4-0,6 и тогда они, суммируя свои энергетические параметры, будут формировать спектр излучения соответствующий солнечному свету (см. фиг. 2). Таким образом, если известен моделируемый диапазон спектра солнечного излучения, то подбирая различные светодиоды с разным спектром и задавая им разную интенсивность излучения, можно получить источник света очень похожий по своему спектру на солнечное излучение.

Трудность заключается в том, что светодиоды имеют очень узкий спектр генерирования излучения определенной частоты и непостоянный уровень мощности излучения при одних и тех же номиналах выпускаемой продукции у разных производителей и даже в пределах одной партии у одного и того же производителя. Поэтому для перекрытия всего диапазона фотосинтетически активной радиации солнечного спектра требуется большое количество разных типов светодиодов. Однако, чем больше количество используемых светодиодов, тем труднее подобрать их точные, мощность, частоту и режимы питания по току, чтобы синтезируемая полоса частот в точности соответствовала солнечному спектру.

Для того, чтобы спектр светового излучения получившегося светильника не имел волнообразный характер, а был бы равномерным, надо чтобы спектры отдельных светодиодов были бы примерно одинаковой формы (ширины) и пересекались друг с другом на уровне 0,4-0,6 от максимума. Если, например, есть два зеленых (Green) светодиода каждый из которых излучает максимум световой энергии на частоте 523 нм, а на уровне 0,5 ширина полосы излучения первого будет 37 нм («Green F»), а второго 70 нм («Green W»), то при суммировании с соседними светодиодами (Cyan и Warm White) появится неравномерность (волнообразный характер), что приводит к отличию полученного спектра от спектра солнца (в данном случае в диапазоне частот 480-580 нм), хотя в среднем энергия будет такая же. На (Фиг. 3) изображены спектры излучения трех типов светодиодов по отдельности (Cyan, Green, Warm White) и их суммарного спектра при различной ширине полосы излучения Green светодиода. Светло-зеленым сплошным цветом изображен спектр излучения светодиода Green с широкой полосой излучения на уровне 0,5 от максимума равной 70 нм (обозначение «Green W»). Светло-зеленым пунктирным цветом изображен спектр излучения светодиода Green с узкой полосой излучения на уровне 0,5 от максимума равной 37 нм (обозначение «Green F»). При суммировании энергии излучения двух светодиодов Cyan и Warm White с одним из «Green W» или «Green F» получается суммарный спектр, изображенный на фиг. 3 темно-зеленым цветом, причем сплошной цвет – суммарное излучение включает «Green W», а пунктирный темно-зеленый цвет - суммарное излучение включает «Green F». Хорошо видно, что широкие спектры отдельных светодиодов способствуют получению гладкого равномерного характера спектра суммарного излучения, в то время как узкие спектры отдельных светодиодов приводят к неравномерному (волнообразному характеру) суммарного спектра и увеличению ошибки воспроизведения заданного солнечного спектра.

По каждому типу светодиодов спектрофотометром «ТКА-Спектр» были сняты спектральные и энергетические параметры (фиг. 1), которые позволили сформировать излучение светильника близкое к солнечному спектру (фиг. 2).

Моделируемый диапазон 430-660 нм из диапазона фотосинтетически активной радиации солнечного спектра, составляющего 400-800 нм реализуется набором из шести типов светодиодов имеющих разную мощность. Например, из этого набора есть три светодиода мощностью 10 Вт следующего состава: WW - тёплый белый, GR – зеленый и FS – полный спектр, и трех светодиодов мощностью 3 Вт следующего состава: Royal Blue – королевский синий, Blue – синий, Cyan – голубой (см. фиг. 8). На фиг. 8 видно, что максимальные значения плотности мощности излучения, измеренные прибором спектрофотометром «ТКА-Спектр» на расстоянии 50 см от центра светодиодов, по их оси, имеют разную амплитуду и разные пики излучения. В данном случае на все 10 Вт светодиоды подавался один и тот же ток 900 мА, а на все 3 Вт светодиоды – ток 600 мА (Табл.1). Если просто просуммировать мощности всех спектров излучения указанных светодиодов, то суммарный спектр будет иметь форму далекую от спектра солнечного света (на фиг. 8 кривая «Сумма» красного цвета). Для того чтобы из этого набора светодиодов получить спектр солнца в диапазоне частот 430-660 нм необходимо привести все пики излучения к одной и той же величине, т.е. пронормировать. Для этого существует два способа: первый – регулировка осуществляется изменением тока питания с помощью токовых драйверов питания у каждого светодиода; второй – регулировка осуществляется подбором количества однотипных по частоте излучения светодиодов, работающих в номинальном рабочем режиме, но которые имеют разную мощность излучения, т.е. разный паспортный номинал мощности. После приведения уровня излучения всех типов светодиодов к одной и той же величине, спектр излучения всех светодиодов примет вид, изображенный на фиг. 1. При этом названные области спектров излучения светодиодов перекрывают друг друга в разных спектральных участках моделируемого диапазона излучения, где-то, на уровне 0,4 – 0,6 от максимальной амплитуды.

Таблица 1

Параметры питания и максимальные амплитуды излучения светодиодов

Желтым фоном на фиг. 2 выделена область моделирования солнечного спектра в диапазоне частот 430 - 660 нм. В таблице 2 приведены параметры шести типов светодиодов (или наборов светодиодов одного и того же типа) моделирующих диапазон 430 - 660 нм солнечного спектра после их приведения к одной и той же плотности излучения и нормирования.

Из табл. 2 видно, что у двух светодиодов имеется два спектральных пика мощности излучения: один из которых Warm White - на частоте 587 нм (максимальная амплитуда равна 1), а на частоте 447 нм – 0,44; другой светодиод Growing Light с максимальной амплитудой на частоте 650 нм – 1, а на частоте 447 нм – 0,47. Все остальные светодиоды имеют один пик излучения. Измерения проводились спектрофотометром «ТКА-Спектр», на расстоянии 500 мм от центра светодиодов по их оси.

Таблица 2

Параметры светодиодов моделирующих диапазон 430-660 нм солнечного спектра.

Если каждый светодиод будет излучать световую энергию измеренную в Вт/кв.м. в пропорциях соответствующих коэффициентам приведенными в табл. 3, то получится суммарный спектр мощности излучения светильника, показанный на фиг. 2. (кривая Sun 6 Реш), который хорошо совпадает со спектром мощности излучения Солнца в этом диапазоне.

В этом случае все светодиоды должны получать энергию от токовых драйверов питания таким образом, чтобы их излучение соответствовало коэффициентам таблицы 3. В результате будет сформирован суммарный спектр излучения светильника, практически полностью повторяющий спектр излучения солнечного света (фиг. 2, розовый цвет кривой). Спектр мощности солнечного света измерялся спектрофотометром марки «ТКА-Спектр» во Владивостоке 11.02.2017 в 10-38 местного времени.

В процессе работы была сформирована действующая матрица светодиодов (фиг. 4), в которой каждый светодиод был запитан током с помощью токового драйвера таким образом, чтобы мощность излучения каждого типа светодиода, измеренная на расстоянии 50 см от светодиодов, давала вклад в суммарное излучение в соответствии с режимами, указанными в таблице 3.

Таблица 3

Параметры коэффициентов мощности излучения светодиодов.

При включении всех светодиодов с указанными режимами спектр мощности излучения светильника характеризовался зависимостью, показанной на фиг. 5. Полученная плотность мощности излучения равная 20 мВт/м² в диапазоне частот 430-660 нм на расстоянии 50 см от светильника и имеет гладкий характер, практически полностью соответствует солнечному спектру со среднеквадратичной ошибкой отклонения не превышающей 10%.

Очень важно отметить, что коэффициенты в таблице 3 относятся к плотности мощности излучения света, или к спектральной облученности, измеренной на одном и том же расстоянии одним и тем же прибором спектрофотометром. При этом, приведенные в табл. 3 коэффициенты никак не характеризуют потребляемую светодиодами энергию или величину тока, протекающую через светодиоды. Это связано с тем, что к.п.д. у каждого светодиода разный и режимы питания тоже все разные. Если есть два светодиода одинакового типа, но с разными к.п.д., например 15% и 30%, то спектральная облученность, полученная на одном и том же расстоянии у первого светодиода будет в 2 раза меньше при одном и том же питании по току или потребляемой мощности чем у второго. И если их запитать по току в соответствии с табл. 3, то суммарный спектр всех светодиодов будет сильно отличаться от расчетного спектра, изображенного на фиг. 2. В случае, если имеются два светодиода с одинаковой частотой излучения, но разным номиналом мощности, например 1 Вт и 10 Вт, то первый тип светодиода можно запитать максимальным током 300 мА, а второй тип – 900 мА. Соответственно плотности мощности излучения световой энергии у них будут очень сильно отличаться. Кроме того, очень важно использовать такие режимы питания всех шести типов светодиодов (или групп однотипных по частоте излучения светодиодов в сборке), чтобы в каждой группе однотипные светодиоды (светодиоды излучающие свет одной и той же частоты) давали суммарный пик излучения одинаковой величины, которую удобно приравнять к относительной единице, как это изображено на фиг. 1.

Для проверки соответствия формируемого светильником искусственного солнечного света естественному был проведен биологический эксперимент на сорте картофеля «Брянский». Эксперимент проводился на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Федеральный научный центр биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии» ДВО РАН. Исходный безвирусный материал в виде ростков был помещен в одинаковую питательную среду в пробирках. Температура в помещении поддерживалась постоянной в течение всего эксперимента и равнялась 25⁰С. Режим светового дня и ночи поддерживался в соотношении 16:8. Далее пробирки разделили на две группы: одну поместили в полностью закрытый бокс (БС) внутри которого светильник из шести светодиодов излучал свет, спектр которого в диапазоне 430-660 нм соответствовал солнечному спектру (фиг. 5). Для увеличения плотности мощности излучения и уменьшения рассеяния света бокс изнутри был обшит светоотражающей алюминиевой пленкой. Вторую группу поместили в стандартные условия светокультуральной. Спектр и плотность мощности света в боксе и в светокультуральной при проведении эксперимента приведен на фиг. 6. Группа пробирок с картофелем в светокультуральной использовалась как контрольная. В момент размещения растений в боксе и светокультуральной, а также через каждые 7 суток, пробирки фотографировались для изучения динамики роста (фиг. 7), а в конце эксперимента проводились инструментальные замеры следующих параметров: длины стебля, количества ярусов листьев, сырого веса корней и надземной части растений. Анализ темпов роста и развития картофеля в пробирках (фиг. 7) показал, что в случае облучения растения искусственным солнечным светом оно развивается намного более гармоничным, чем в контрольной группе, что проявляется в толщине и длине стебля, величине площади листьев и массе растения. У растения в экспериментальном боксе эти показатели оказались намного больше контрольных значений полученных для растений, выращиваемых в светокультуральной. Кроме того, в боксе с искусственным солнечным светом корнеобразование началось на 2 недели раньше и количество корневых волосков и их масса были значительно больше контрольных.