Результат интеллектуальной деятельности: Светодиодный фитооблучатель для выращивания томата

Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано для освещения при выращивании культуры томата на всех стадиях его роста в фитотронах и промышленных теплицах.

Известна установка для облучения растений, спектр излучения которого включает диапазоны: синий (С) 400-500 нм, зеленый (3) 500-600 нм и красный (К) 600-700 нм при соотношениях С/З/К (20%)/(20%)/(60%) (патент РФ №2040829, МПК A01G 9/26, опубл. 27.07.1995 г., Бюл. №21). В установке освещение осуществляется с помощью металлогалогенной лампы (МГЛ) высокого давления с добавками ряда элементов.

Недостатками известной установки являются отсутствие полосы излучения в дальней крайней области и несбалансированность относительно спектра поглощения растением интенсивностей полос излучения, вследствие чего облучатель потребляет избыточную электроэнергию и его корпус сильно нагревается.

Известны универсальные светодиодные светильники для облучения томата, томатов, кабачков и других овощей при выращивании их в теплицах, имеющие следующее распределение интенсивности в спектре излучения по длинам волн: 450 нм - 25%, 660 нм - 62%, 730 нм - 13% (http://ledoxi.ru/svetodiodnyye-svetilniki-dlya-teplits). Светильник не требует дополнительного охлаждения, так как его конструкция содержит мощный радиатор. Суммарный фотонный поток светильника может меняться от 100 до 400 ммоль/с и мощность от 45 до 180 Вт за счет изменения числа светодиодов в устройстве от 24 до 96 шт. и его габаритов от 220×170×130 до 820×170×130, соответственно.

Недостатками данного светильника являются: отсутствие зеленой полосы в спектре его излучения, несбалансированность интенсивности его излучения в синей, красной и дальней красной областях спектра относительно спектра поглощения растением томата. Светильник имеет также громоздкую конструкцию, особенно при высоких мощностях облучения, что создает сильный экранирующий эффект при облучении растений солнечным светом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является осветительный прибор (патент РФ №2543979, МПК F21K 99/00, опубл. 10.03.2015, Бюл. №7). Осветительный прибор и светоизлучающий элемент предназначен для ускорения роста растений. Прибор содержит один или несколько синих светодиодов, имеющих собственное излучение в области 400-500 и 440-500 нм с максимумами при 450 и 470 нм, соответственно. Излучение данных светодиодов частично преобразуется с помощью люминофоров в излучение в диапазонах 500-800 и 600-800 нм. Предпочтительная доля преобразования излучения синих светодиодов составляет 35-65%. При этом используют один или более материалов (люминофоров), обеспечивающих преобразование излучения светодиодов и помещенных вблизи излучающих светодиодов. В качестве люминофоров используют органический и/или неорганический материал, технология изготовления и нанесения на светодиод достаточно сложна и трудоемка.

К недостаткам известного осветительного прибора относится следующее:

- грубое распределение интенсивности излучения прибора - 65-35% в синей области и 35-65%) в красной области без должной корреляции интенсивностей полос в спектре излучения с интенсивностью полос поглощения пигментами фотосинтетического аппарата растения и спектральными предпочтениями томата;

- низкий поток фотонов разной энергии вследствие использования одного светодиода для генерации излучения во всех областях спектра;

- с учетом того, что в зеленой области расположен максимум спектра видимого излучения солнца, ошибочным является заключение о незначительной роли излучения 500-600 нм в механизме фотосинтеза и не включение этой области в спектр излучения прибора;

- сложная и трудоемкая технология изготовления и нанесения материала люминофоров на кристалл светодиода, ограничивающая промышленное применение прибора.

Ключевая роль в кинетике фотохимических реакций растений принадлежит хлорофиллу, имеющему две формы а и b, функциональный синергизм которых играет большую роль на всех этапах фотосинтеза. Максимумы полос поглощение в этиловом эфире хлорофилла а в синей части спектра расположены в пределах 428-430 нм, в красной 660-663 нм, хлорофилла b - соответственно в пределах 452-455 и 642-644 нм и их коэффициенты экстинкции имеют порядок 10⁵ 1/(М⋅см). В механизмах передачи энергии электронного возбуждения и переноса электрона и протона в реакциях фотосинтеза зеленых растений участвуют каротиноиды, имеющие полосы поглощения в пределах 480-530 нм, причем их коэффициенты экстинкции на два порядка меньше коэффициентов экстинкции хлорофиллов. Регуляторные функции в процессе фотосинтеза выполняют криптохромы, поглощающие в синей 320-390 и зеленой 390-500 нм областях спектра и фитохромы, имеющие полосы поглощения при 660 и 730 нм. На определенных стадиях роста и развития растений могут доминировать в активности фотосинтеза те или иные области фотосинтетически активного излучения из диапазона 400-800 нм. В период цветения томата может оказаться продуктивным добавление желтого и красного излучения. На стадии плодоношения и созревания для томата возрастает роль зеленого излучения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание комбинированного светодиодного фитооблучателя с повышенной фотосинтетической активностью, низким энергопотреблением и несложным в эксплуатации при выращивании культуры томата.

В результате использования предлагаемого изобретения для облучения томата при выращивании в теплицах достигается высокая эффективность фотосинтеза, повышаются пищевые качества томата и снижается энергопотребление фитооблучателя за счет того, что светодиодный фитооблучатель снабжен комбинацией светодиодов спектр излучения и мощность которых сбалансированы и согласованы с интенсивностью поглощения и ролью в фотосинтезе ключевых пигментов фотосинтетического аппарата растения хлорофиллов, каротиноидов, криптохромов, фитохромов.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом светодиодном фитооблучателе для выращивания томата, содержащем корпус со светоизлучающими элементами, согласно изобретению, светоизлучающие элементы состоят из комбинации светодиодов спектр излучения и мощность которых сбалансированы и согласованы с интенсивностью поглощения и ролью в фотосинтезе ключевых пигментов фотосинтетического аппарата растения хлорофиллов, каротиноидов, криптохромов, фитохромов, при этом комбинация включает пять типов светодиодов с максимумами полос излучения в пределах диапазонов синий 434-450 нм, красный 630-632 нм и 660-670 нм, и дальний красный 730-735 нм, причем часть синих светодиодов сочетается с люминофором с максимумом переизлучения в зеленой области спектра 500-600 нм, а распределение мощности излучения по областям спектра составляет синий 15-20%, зеленый 15-20%, красный 50-55%:дальний красный 10-15%.

Конструкция, электро- и теплофизика фитооблучателя оптимизированы по параметрам, определяющим тепловые режимы и эффективность излучения на единицу электроэнергии.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1 представлена общая схема светодиодного облучателя, на фиг. 2 представлен спектр излучения фитоблучателя и обозначены полосы излучения светодиодов - синего (С), красных (К), дальнего красного (ДК) и полоса люминесценции люминофора в зеленой области (3).

Светодиодный фитооблучатель для выращивания томата, содержит корпус 1, в котором распложены синие светодиоды 2 с длиной волны 434-450 нм, красные светодиоды 3 с длиной волны 630-632 нм и красные светодиоды 4 с длиной волны 660-670 нм, дальние красные светодиоды 5 с длиной волны 730-735 нм, синие светодиоды с люминофором 6 с максимумом переизлучения в зеленой области спектра 500-600 нм и источник питания 7.

Работает светодиодный фитооблучатель следующим образом.

Фитооблучатель, состоящий из корпуса 1 со светоизлучающими элементами, которые содержат группы светодиодов 2, 3, 4, 5 и 6 питается стабилизированным током от источника питания 7. Светоизлучающие элементы создают четыре характерных пика излучения с длинами волн 434-450 нм, 630-632 нм 660-670 нм и 730-735 нм. Пики излучения и соответствующие им интенсивности подобраны так, чтобы они были сбалансированы и согласованы с интенсивностью поглощения и ролью в фотосинтезе ключевых пигментов фотосинтетического аппарата растения хлорофиллов, каротиноидов, криптохромов, фитохромов.

Предлагаемым светодиодным фитооблучателем (LED) облучали два сорта томата «Императрица» и «Т-34», предназначенные для выращивания в теплицах в осенне-зимний период. Для сравнения использовали промышленно выпускаемый облучатель для теплиц с натриевой лампой высокого давления (HPS). LED и HPS облучатели размещали в одинаковых фитотронах. Облученность в обоих фитотронах была установлена 45-50 Вт/м² при 16-ти часовом световом периоде и температуре воздуха 22/17°С (день/ночь). Потребляемая мощность облучателей LED и HPS составляла 220 и 440 Вт. Для измерения ФАР облученности и анализа спектра излучения применяли спектрофотометр ТКА-Спектр. Спектральный состав излучения LED представлен на фиг. 2, а в спектре HPS были слабые полосы при 460, 500 нм и интенсивная полоса при 600 нм.

Результаты анализов плодов томата

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что при сравнимой продуктивности и пищевых качествах плодов томата обоих гибридов, выращенных под HPS- и LED-облучателями энергозатраты на килограмм продукции в случае LED-облучателей в 2 раза ниже.