Способ энергосберегающего импульсного облучения растений и устройство для его осуществления

Способ энергосберегающего импульсного облучения растений и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к растениеводству в условиях защищенного грунта, в частности к светокультуре растений, и может быть использовано в селекционных климатических сооружениях, где требования к параметрам режима облучения наиболее высокие.

Важнейшим параметром режима облучения является спектральный состав потока оптического излучения (ОИ) и его динамика на протяжении всего срока выращивания растений.

Известен способ импульсного облучения растений, при котором энергию потока ОИ периодически подают на растения, применяя для этого концентраторы и обтюраторы [Шахов А.А. Теоретические аспекты преобразования световой энергии в импульсном режиме / В сб. Светоимпульсная стимуляция растений. Под. ред. Шахова А.А. - М.: Наука, 1971 г. - 368 с.].

Такое техническое решение не приводит к снижению затрат энергии и не обеспечивает регулирование спектрального состава потока ОИ.

Наиболее близким техническим решением является способ, заключающийся в следующем: воздействуют на растения потоком ОИ, поток ОИ необходимого спектрального состава получают включением групп светодиодов с различным спектром излучения, регулируют параметры импульсов: периодичность, амплитуду и продолжительность, импульсы потока ОИ с заданным спектром и заданными параметрами формируют общими для всех групп светодиодов коммутацией выключателя, расположенного в общей части цепи питания групп светодиодов.

Устройство для реализации данного способа содержит корпус, группы светодиодов с различным спектром излучения, преобразователь напряжения, блок управления, формирователи импульсов, регулятор параметров импульсов, в состав которого включены задатчики периодичности, амплитуды и продолжительности, причем регулятор параметров импульсов выполнен общим для всех групп светодиодов, формирователь импульсов выполнен в виде выключателя, установленного в цепи питания светодиодов между общим минусовым выходом и блоком управления [Пат. РФ №2326525. Светоимпульсный осветитель (варианты) и способ светоимпульсного освещения растений / Марков В.Н. - Заявка №2006117847/11. Опубл. 20.06.2008].

Недостатками известного технического решения являются отсутствие возможности обеспечения максимального энергосбережения при облучении растений и недостаточно широкие возможности регулирования параметров импульсного облучения.

Задача изобретения заключается в обеспечении энергосбережения при импульсном облучении растений и расширении возможностей регулирования параметров импульсного облучения.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе энергосберегающего импульсного облучения растений воздействуют на растения потоком ОИ, поток ОИ необходимого спектрального состава получают включением групп светодиодов с различным спектром излучения, регулируют параметры импульсов: периодичность, амплитуду и продолжительность, дополнительно регулируют фазовый угол импульсов в каждой группе светодиодов, импульсы потока ОИ с заданными параметрами формируют независимо для различных групп светодиодов, измеряют потребляемую светодиодами электрическую энергию, измеряют показатель продуктивности облучаемых растений, определяют величину энергоемкости процесса облучения как отношение измеренной мощности к продуктивности, регулируют параметры импульсов таким образом, что бы величина энергоемкости принимала минимальное значение. В качестве показателя продуктивности облучаемых растений принимают интенсивность фотосинтеза.

Устройство для реализации данного способа содержит корпус, группы светодиодов с различным спектром излучения, преобразователь напряжения, блок управления, формирователи импульсов, регуляторы параметров импульсов, в состав которых включены задатчики периодичности, амплитуды и продолжительности, датчик продуктивности облучаемых растений и вычислитель, причем формирователи импульсов и регуляторы параметров импульсов, в составе которых дополнительно содержатся задатчики фазового угла, включены в каждую группу светодиодов, выход датчика продуктивности облучаемых растений соединен с входом вычислителя, выходы вычислителя соединены с входами регуляторов параметров импульсов, выходы которых через блок управления соединены с формирователями импульсов.

При этом используют три группы светодиодов, излучающих соответственно в синем (400…500 нм), зеленом (500…600 нм) и красном (600…700 нм) спектральных интервалах диапазона ОИ.

Новые существенные признаки способа: дополнительно регулируют фазовый угол импульсов в каждой группе светодиодов, импульсы потока ОИ с заданными параметрами формируют независимо для различных групп светодиодов, измеряют потребляемую светодиодами электрическую энергию, измеряют показатель продуктивности облучаемых растений, определяют величину энергоемкости процесса облучения как отношение измеренной мощности к продуктивности, регулируют параметры импульсов таким образом, чтобы величина энергоемкости принимала минимальное значение. В качестве показателя продуктивности облучаемых растений принимают интенсивность фотосинтеза.

Новые существенные признаки устройства: наличие датчика продуктивности облучаемых растений и вычислителя, причем формирователи импульсов и регуляторы параметров импульсов, в составе которых дополнительно содержатся задатчики фазового угла, включены в каждую группу светодиодов, выход датчика продуктивности облучаемых растений соединен с входом вычислителя, выходы вычислителя соединены с входами регуляторов параметров импульсов, выходы которых через блок управления соединены с формирователями импульсов. При этом используют три группы светодиодов, излучающих соответственно в синем (400…500 нм), зеленом (500…600 нм) и красном (600…700 нм) спектральных интервалах диапазона ОИ.

Перечисленные новые существенные признаки способа и устройства для его реализации в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления образуют единый изобретательский замысел, суть которого заключается в дополнительно введенном управлении режимом импульсного облучения и достижения энергосбережения на этой основе. Устройство отличается от известных наличием дополнительно введенных блоков и соответствующих функциональных связей, обеспечивающих энергосбережение при облучении растений и расширении возможностей регулирования параметров режима облучения.

Возможность использования предлагаемого способа и устройства в сельском хозяйстве, известность средств и методов, с помощью которых возможно осуществление изобретения в описанном виде, позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «промышленная применимость».

Анализ уровня техники не выявил техническое решение, которому присущи все признаки изобретения, выраженного формулой, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».

Влияние импульсного облучения на продуктивность растений известно. Оно сводится к следующему эффекту: вместо непрерывного облучения растений достаточен импульс потока, чтобы запустить в растении механизмы и реакции, ответственные за продукционный процесс. Зависимость потребляемой энергии от параметров импульсов также известна. Энергия потока импульсов определяется интегралом под осциллограммой импульсов. В изобретении используется новый эффект: регулирование фазового угла импульсов для групп светодиодов (совместно с изменением их других параметров) приводит к дополнительным пульсациям потока с периодом, определяемым соотношением периодов импульсов в отдельных группах, что влияет на продуктивность растений и оказывает влияние на достижение основного технического результата. Использование этого эффекта не известно из уровня техники.

Предлагаемое изобретение соответствует условию изобретательского уровня, т.к. основано на дополнении известного способа импульсного облучения регулировкой известного параметра импульсов - фазового угла, при этом достигается неожиданный технический результат, обусловленный взаимосвязью дополнительных и известных действий, производимых над материальными объектами в способе и совокупностью дополнительно введенных блоков и соответствующих функциональных связей в устройстве.

В основе изобретения лежат следующие положения.

В настоящее время в соответствии с действующими в отрасли методиками спектральный состав излучения характеризуется соотношением интенсивности излучения трех спектральных диапазонов k_i, % : синего k_син (400…500 нм), зеленого k_зел (500…600 нм) и красного k_кр (600…700 нм). Для некоторых светокультур найдены спектральные соотношения , обеспечивающие наилучшие результаты. Например: для огурца - , для томата - [Прикупец, Л.Б. Оптимизация спектра излучения при выращивании овощей в условиях интенсивной светокультуры / Л.Б. Прикупец, А.А. Тихомиров // Светотехника. - 1992. - No 3. - С.5-7.]. Энергосбережние обеспечивается при приближении спектрального состава потока излучения к указанным спектральным долям.

Дополнительной возможностью повышения энергоэффективности процесса облучения является применение импульсного режима облучения.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для импульсного облучения растений: 1 - преобразователь напряжения, 2 - группы светодиодов с различным спектром излучения (2с - синим Ф_с, 2з - зеленым Ф_з, 2к - красным Ф_к), 3 - формирователи импульсов (3с - синего, 3з - зеленого, 3к - красного), 4 - блок управления, 5 - регуляторы параметров импульсов (5с - синего, 5з - зеленого, 5к - красного), 6 - задатчики периодичности импульсов Т (6с - синего, 6з - зеленого, 6к - красного), 7 - задатчики амплитуды импульсов А (7с - синего, 7з - зеленого, 7к - красного), 8 - задатчики продолжительности импульсов t (8с - синего, 8з - зеленого, 8к - красного), 9 - задатчики фазового угла импульсов α (9с - синего, 9з - зеленого, 9к - красного), 10 - вычислитель, 11 - датчик продуктивности растений, 12 - облучаемые растения.

На фиг.2 на трех верхних осциллограммах показаны параметры импульсов: зависимости периода импульсов синего Т_с, зеленого Т_з и красного Т_к, амплитуды импульсов синего А_с, зеленого А_з и красного А_к спектра, продолжительности импульсов синего t_с, зеленого t_з и красного t_к спектра, фазового угла импульсов синего α_с, зеленого α_з и красного α_к спектральных интервалов от времени τ. На нижней осциллограмме показан вид импульсов суммарного потока Ф_Σ от трех групп светодиодов.

На фиг.3 показаны зависимость Q=ƒ(X) потребляемой светодиодами электрической энергии Q от параметра импульсов X (в качестве которого могут выступать как указанные параметры импульсов отдельно, так и их комбинации), зависимость Р=ƒ(X) продуктивности облучаемых растений P от параметра импульсов X, зависимость ε=ƒ(X) энергоемкости ε процесса облучения растений от параметра импульсов Х. Точка «B» соответствует режиму облучения, характеризуемому величиной параметра X_опт, при котором энергоемкость процесса облучения минимальна, т.е. обеспечивается энергосберегающий режим импульсного облучения.

Способ ведут следующим образом. Воздействуют на растения потоком ОИ, поток ОИ необходимого спектрального состава получают включением групп светодиодов с различным спектром излучения, регулируют параметры импульсов: периодичность, амплитуду, продолжительность и фазовый угол импульсов в каждой группе светодиодов, импульсы потока ОИ с заданными параметрами формируют независимо для различных групп светодиодов, измеряют потребляемую светодиодами электрическую энергию Q, измеряют показатель продуктивности облучаемых растений P, определяют величину энергоемкости процесса облучения по формуле ε=P/Q, регулируют параметры импульсов таким образом, чтобы величина энергоемкости принимала минимальное значение. В качестве показателя продуктивности облучаемых растений принимают интенсивность фотосинтеза.

Устройство состоит из преобразователя напряжения 1, групп светодиодов с различным спектром излучения (2с - синим, 2з - зеленым, 2к - красным), размещенных в корпусе (на фиг.1 корпус не показан), формирователей импульсов (3с - синего, 3з - зеленого, 3к - красного), блока управления 4, регуляторов параметров импульсов (5с - синего, 5з - зеленого, 5к - красного), задатчиков периодичности импульсов (6с - синего, 6з - зеленого, 6к - красного), задатчиков амплитуды импульсов (7с - синего, 7з - зеленого, 7к - красного), задатчиков продолжительности импульсов (8с - синего, 8з - зеленого, 8к - красного), задатчиков фазового угла импульсов (9с - синего, 9з - зеленого, 9к - красного), вычислителя 10, датчика продуктивности растений 11.

Формирователи импульсов 3, регуляторы параметров импульсов 5 включены в каждую группу светодиодов 2, выход датчика продуктивности 11 облучаемых растений соединен с входом вычислителя 10, выходы которого соединены с входами регуляторов параметров импульсов 5, выходы которых через блок управления 4 соединены с формирователями импульсов 3.

Устройство работает следующим образом. Преобразователь напряжения 1 обеспечивает условия электрического питания групп светодиодов 2 и других блоков устройства. С помощью задатчиков 6, 7, 8 и 9 устанавливают значения параметров импульсов - соответственно их периодичность, амплитуду, продолжительность и фазовый угол. В общем случае значения параметров устанавливают различными для трех групп светодиодов 2с, 2з и 2к. Блок управления 4 через формирователи 3 подает импульсы питающего напряжения на группы светодиодов с различным спектром, которые генерируют импульсы потока излучения в синем Ф_с, зеленом Ф_з и красном Ф_к спектральных интервалах. Суммарный поток излучения Ф_Σ, действующий на растения, вызывает в них фотореакции, формирующие процесс фотосинтеза, идет анаболический процесс, приводящий к росту растений с выделением кислорода. Во время темновых пауз имеет место биологический отдых растения с выделением углекислого газа. Для получения оптимального уровня метаболических процессов (характеризуемого продуктивностью P) на разной стадии развития растений необходимо изменять параметры импульсов - их периодичность, амплитуду, продолжительность и фазовый угол. Эту регулировку производят вручную соответственно задатчиками 6, 7, 8 и 9 или по определенной программе через вычислитель 10. Блок управления 4 изменяет величину тока, потребляемого светодиодами 2, что приводит к изменению затрачиваемой на облучение растений электрической энергии Q. Индивидуальный спектральный состав излучения изменяют путем воздействия отдельных регуляторов 5 на те или иные группы светодиодов 2. Таким образом, можно опытным путем определить, а затем и формировать оптимальные значения параметров импульсов, времени облучения, спектрального состава для обеспечения максимального энергосбережения при облучении данного вида растений.

Пример 1. Способ ведут при сочетаниях отдельных параметров импульсов, показанных на трех верхних осциллограммах фиг.2 для каждой группы светодиодов. На нижней осциллограмме показан суммарный поток от трех групп светодиодов. Возникающая последовательность импульсов потока Ф_Σ с периодом, кратным Т_c, Т_з и Т_к, имеет в своем составе импульсы с амплитудой А_max, что дополнительно влияет на продуктивность растений. Форма импульсов суммарного потока определяется параметрами импульсов в отдельных группах светодиодов, в том числе и величинами фазовых углов.

Пример 2. В результате предварительных экспериментов или непосредственно в процессе выращивания растений получена зависимость потребляемой светодиодами электрической энергии Q от параметра импульсов X, в качестве которого принята комбинация параметров импульсов, вычисляемая как произведение продолжительности совпадающей по времени части импульсов синего и зеленого спектральных интервалов на их суммарную амплитуду, т.е. X=(α_з-α_с+t_з)(A_с+A_з). Увеличение значения данного параметра требует увеличения потребляемой энергии. В общем случае данная зависимость нелинейна и отображена кривой Q=f(X) на фиг.3.

Для отдельных значений параметра Х получены значения продуктивности облучаемых растений Р с помощью датчика фотосинтеза в виде кривой Р=f(X) на фиг.3. Данная зависимость в общем случае нелинейна и отражает общие закономерности энергетического воздействия на биологические объекты, каковыми являются облучаемые растения.

Для тех же значений параметра Х определены величины энергоемкости ε процесса облучения по формуле ε=P/Q, которые отображены в виде кривой ε=f(X) на фиг.3. На данной кривой определяют точку, соответствующую режиму импульсного облучения, при котором энергоемкость процесса облучения минимальна, т.е. обеспечивается энергосберегающий режим импульсного облучения. На фиг.3 это точка «В». Определяют соответствующее ей значение параметра Х_опт, задают соответствующие значения параметров импульсов для облучения, обеспечивая тем самым наибольшее энергосбережение.

Применение данного изобретения в селекционных климатических сооружениях позволит выявить влияние периода, амплитуды, продолжительности и фазового угла импульсов отдельных спектральных интервалов на продуктивность растений. Применение изобретения в практике растениеводства защищенного грунта позволит задавать наиболее оптимальное сочетание параметров импульсного облучения растений, обеспечивающее наибольшее энергосбережение.

1. Способ энергосберегающего импульсного облучения растений, заключающийся в том, что воздействуют на растения потоком оптического излучения, поток необходимого спектрального состава получают включением групп светодиодов с различным спектром излучения, регулируют параметры импульсов: периодичность, амплитуду и продолжительность, отличающийся тем, что дополнительно регулируют фазовый угол импульсов в каждой группе светодиодов, импульсы потока оптического излучения с заданными параметрами формируют независимо для различных групп светодиодов, измеряют потребляемую светодиодами электрическую энергию, измеряют показатель продуктивности облучаемых растений, определяют величину энергоемкости процесса облучения как отношение измеренной мощности к продуктивности, регулируют параметры импульсов таким образом, чтобы величина энергоемкости принимала минимальное значение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве показателя продуктивности облучаемых растений принимают интенсивность фотосинтеза.

3. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее корпус, группы светодиодов с различным спектром излучения, преобразователь напряжения, блок управления, формирователи импульсов, регуляторы параметров импульсов, в состав которых включены задатчики периодичности, амплитуды и продолжительности, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик продуктивности облучаемых растений и вычислитель, причем формирователи импульсов и регуляторы параметров импульсов, в составе которых дополнительно содержатся задатчики фазового угла, включены в каждую группу светодиодов, выход датчика продуктивности облучаемых растений соединен с входом вычислителя, выходы вычислителя соединены с входами регуляторов параметров импульсов, выходы которых через блок управления соединены с формирователями импульсов.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что используют три группы светодиодов, излучающих соответственно в синем 400…500 нм, зеленом 500…600 нм и красном 600…700 нм спектральных интервалах диапазона оптического излучения.