CN104519733B - 适用于植物光谱敏感性的光源 - Google Patents

Abstract

一种在受控环境中刺激植物生长的方法，该方法包括：提供一个照明组件，该照明组件具有诸如发光二极管(LED)的一个照明元件网络，这些照明元件以为单株植物定制的颜色来提供光。该照明组件被定位在一株植物附近，这样使得所产生的光被该植物接收。该照明组件另外具有一个包括驱动电路的控制组件，该驱动电路对这些照明元件进行调制以便可控地提供多个预定的亮和暗周期从而刺激该植物的持续生长。

Description

适用于植物光谱敏感性的光源

交叉引用

本发明要求于2012年7月10日提交的标题为“适用于植物光谱敏感性的光源(Light Sources Adapted to Spectral Sensitivity of Plant)”的美国临时专利申请序列号61/669,825的权益并基于该申请，并且该申请的全部内容通过引用结合在此。

背景

本发明涉及植物生长。具体地，本发明涉及一种对植物进行辐射以增强光合作用的方法和组件。

本领域熟知的是在光合作用的过程中植物吸收不同频率的光从而发生光合作用。

在光合作用期间，植物中的叶绿素色素吸收光子，以便驱动新陈代谢过程并消耗光子中的其他能量。与此同时，是红光/远红外光以及蓝光/紫外线A、紫外线B的光传感器或光感受器的其他色素发生化学反应来调节植物的行为和发育。因此，通过提供红色和蓝色光谱的光，植物表现出高速度的生长。

此外，本领域中同样已知的是植物需要转动或在暗处一段时间。具体地，当一种色素已经接受一个光子并正处在新陈代谢过程中时，该色素不能接受额外的光子。另外，当额外光子冲击该植物时，这些色素将继续尝试进行新陈代谢，因而使植物受到压力或疲劳。因此，需要暗时间以使得这些色素完成此次新陈代谢过程并重新开始该过程。因此，正如人类需要睡眠，植物同样需要休整时间以优化新陈代谢过程。

由于此种现象，利用脉宽调制(PWM)控制的直流照明来增强植物的生长特性。本领域中的技术人员通过使用人眼无法察觉的突发式或闪烁式PWM照明尝试优化光合作用。

然而，由于使用直流照明，仍然存在问题。特别地，DC(直流)照明昂贵、不可靠并且难以使用。此外，尽管已经对这些效果进行了研究，仍然需要易用并且有意义的工业适用产品。因此，本领域需要稳健的、制造和操作成本低廉的并且能够增强植物生长特性的AC(交流)照明光源。

因此，本发明的主要目的是利用交流电源来增强植物的生长特性。

本发明的另一个目的是提供能增强植物生长的高性价比的照明。

本发明的再一个目的是提供一种用于多株植物的照明组件。

本发明的另一个目的是对直流电源的使用提供对提供给植物的光进行调制的替代方法。

这些目的与其他目的、特征以及优点将会在说明书的剩余部分变得明显。

发明内容

一种用于包括花在内的植物生长的园艺组件。该组件包括靠近植物并且适配于植物的光谱敏感性的多个交流电光源组件。提供了一种光引擎组件，该组件是可调光的，并且通过相位切割可以阻止电流流向该组件中的LED，从而提供该组件不发射光的多个周期。进一步地，该光引擎组件包括一个芯片元件，该元件提供串联的红色和蓝色发光二极管(LED)，这样使得可以通过相位切割控制红光和蓝光的发射。

具体地，光合有效辐射(PAR)是在从大约400纳米(nm)到700nm的光谱范围内的辐射。叶绿素(最丰富并且负责植物新陈代谢的植物色素)可最高效地捕捉红光和蓝光。

具体地，取决于植物的类型，植物每24毫秒(ms)需要大致3.5ms到14.5ms的转动时间，以使由光造成的疲劳或压力降到最低。

附图简要说明

图1是在受控环境中用于生长植物生命的照明组件的侧视图；

图2是用于生长植物生命的照明组件的示意图；

图3是用于生长植物生命的照明组件中的电路的示意图；

图4A是在受控环境中用于生长植物生命的筒体的侧视图；

图4B是在受控环境中用于生长植物生命的筒体的侧视图；

图5是显示在一段时间内用于生长植物生命的照明组件的电压和电流的图表；以及

图6是显示在一段时间内用于生长植物生命的照明组件的电压和电流的图表。

优选实施方案详细描述

如图1所示，园艺组件10可以在任何位置，包含室外、在温室内、室内等。组件10包括典型地并排关系种植的植物14位于其中的一个容器或空间12。尽管描述为并排关系种植，单株植物或相互以任何关系种植的多株植物均被考虑到并且不在本披露的范围之外。还提供了一个水系统15，其优选地包括一系列水管道16，该水管道传送水至植物14以辅助生长过程。

将多个由一个交流电源供电的光源组件18定位在这些植物邻近。可以把这些组件18安装或固定到水系统15的水管道16上，或替代地放置于一个次级管道系统，或以其他方式临近植物14放置或安装，这样使得至少一株植物接收组件18发射的辐射。

组件18是可调光的，并且如在授予格雷佳(Grajcar)的美国专利申请号12/824,215和/或授予Grajcar的美国专利申请号12/914,575中所描述的那样进行构造，这两个专利均结合在此。图2仅示出了这种组件的示例，该组件具有一对输入端子20，该对输入端子被配置成用于接收一个周期性的激励电压，这样使得这些端子能接收交流电流或者大小相等和极性相反的电流，所述电流响应于该激励电压流动以提供交流输入。然后该交流电流由驱动电路22调节，该驱动电路任选地包括一个金属氧化物压变电阻(MOV)24以及一个整流装置25，在一个优选实施例中，该整流装置是一个由多个发光二极管(LED)26组成的桥式整流器。

将多个照明元件27(例如发光二极管(LED)26)安排在一个第一网络28中，其中，第一网络28被安排成响应于该激励电压导通电流，该激励电压超过了与第一网络28相关联的至少一个正向阈值电压。任选地，取决于驱动电路22，可以使用一个电阻器30或多个电阻器以在该电流到达第一网络28前调节该电流。第一网络28的LED 26可以具有任何类型或颜色。在一个实施例中，第一网络28的LED 26是红色LED，其产生的光的波长为大约600-750纳米(nm)。在另一个实施例中，第一网络的LED是蓝色LED，其产生的光的波长为大约350-500nm。可替代地，可以一起提供红色和蓝色LED，或者可以类似地使用其他颜色的LED，诸如绿色，而不落在本发明的范围之外。

另外还提供了一个与第一网络28成串联关系的第二网络32，该第二网络具有多个照明元件27，例如多个LED 26。第二网络32的LED 26可以具有任何类型或颜色。在一个实施例中，第二网络32的LED 26是红色LED，其产生的光的波长为大约600-750nm。在另一个实施例中，第二网络的LED是蓝色LED，其产生的光的波长为大约350-500nm。可替代地，可以一起提供红色和蓝色LED，或者可以类似地使用其他颜色的LED，如绿色，而不落在本发明的范围之外。

在组件18中具有一个旁路通路34，该旁路通路与第一网络28成串联关系并且与第二网络32成并联关系。在旁路通路34中也有提供受控阻抗的多个元件，这些元件可以是例如在一个实施例中是耗尽型MOSFET的晶体管36。可以在旁路通路34中使用额外的晶体管、电阻器等，这些都调节电流以从旁路通路34平滑和连续地转换至第二网络32。

相应地，从本文披露可以认识到根据输入激励波形，色温偏移可以基于如下实现或设计：适当地选择多个LED组或网络28和32，以及安排一个或多个选择性电流分流调节电路，从而调制围绕所选的LED网络28和32的旁路电流。可以操控选择每组中二极管的数量、激励电压、相控范围、二极管颜色以及峰值强度参数以针对一系列照明应用产生改进的电气和/或光输出性能。

图3、图4A和图4B示出了提供光的调制的方式，该方式无需利用直流电源。在如图3所示的一个实施例中，提供了一个控制组件38。控制组件38可以是一个调光装置，该装置利用功率上升沿和下降沿对元件进行相位切割。仅作示例，三端双向可控硅开关元件调光器在上升沿进行相位切割，IGBT调光器在后沿进行相位切割。在本实施例中，同时具有前沿和后沿相位切割的调光装置与驱动电路22电气通信。以此方式，通过在控制组件38中利用两者，提供了一个预定的无电流周期。因此，可以使用与控制组件38相关联的控制装置40以确定该无电流周期，并且进而确定暗周期。

在另一个实施例中，控制组件38包括至少一个SCR(可控硅整流器)，并且在一个实施例中包括第一和第二SCR，其被用以切割用于预定时间段的电流。该切割可以发生在0相位角或者可代替地发生在某个角度。因此，通过利用SCR，控制组件38再次起到这些照明组件18的可控开/关开关的作用。具体来说，在一个实施例中，控制装置40(如控制旋钮)与第一和第二SCR连接，这样使得预定的亮和暗周期可以设定在0-30分钟内的任何预定时间段中。

在如图4A和图4B所提供的一个可替代实施例中，光的调制不是电气控制的。相反的，照明组件18本身或者植物14彼此相对移动，从而产生亮和暗周期。在一个实施例中，在一个旋转的筒体44中放置多株植物14，该筒体在一个实施例中是一个圆筒，多个照明元件27弧形地环绕临近植物14的筒体44的外围。在一个实施例中，大约180°的照明元件27弧形地环绕该筒体。在另一个实施例中，仅提供90°的照明元件27。以此方式，筒体44可以旋转，照明元件27可以旋转，或者二者都旋转以产生亮和暗周期。具体的，照明元件可以具有很低的散射率，从而只提供直射光，保证暗周期的发生。因此，通过照明元件27和筒体44内植物14之间的相对旋转速度，可以控制亮和暗周期的长度。可替代地，可以引入一个护罩46以阻挡光，同样导致暗周期的发生。

图5和图6示出了在一个可能的实施例中的电压和电流的图表，其中利用红色和蓝色照明元件27以及一个用于控制光的调制的控制组件38。在本实施例中，驱动电路22响应于输入电压48调节整体电流50。以此方式，蓝色照明元件电流52稳步增大，然后减小，而红色照明元件电流54增大，然后在再次增大之前减小。根据用户的要求，可以选择性地在前沿56和后沿58上按照需求切割电流50，从而将电流减小到0，并且产生一个如上面详细描述的暗周期。因此，取决于驱动电路22和照明元件27的选择，如结合使用照明元件27，可以控制照明组件18的颜色输出，这样使得一旦确定给定植物的最优照明时，可以控制照明组件18提供此最优结果。以此方式，可以同时提供最优光谱和光的调制。

在操作中，可以研究并确定某一特定植物的亮和暗预定周期，以及优化植物的特性如生长、产量等的预定的光的波长或颜色。然后，制造照明组件18，以呈现预定光波长，并且可以调整控制组件38以提供最优生长所需的最优的预定亮和暗周期。

构造照明组件18以提供具有预定持续时间的相位，该持续时间取决于提供给照明元件27的经调节的电流的调制。在一个优选实施例中，该相位为24ms。在此相位期间，由于相位切割，无论是在前沿被三端双向可控硅开关元件还是其他构件和/或在后沿被如IGBT等等的晶体管切割，在一段预定时间或周期内，不向LED提供电流，优选地该时间或周期是在每个24ms相位内、在3.5ms到14.5ms之间，从而产生一个3.5ms到14.5ms的暗周期或转动周期。在此3.5ms到14.5ms期间，植物14经历转动时间，从而优化光合作用过程。具体地，提供多个预定的亮和暗周期，从而刺激该植物的持续生长。当在本申请的上下文中使用时，预定的亮和暗周期是由植物14所能感知的东西来测量或确定的，并且产生照明元件27不发射光的周期，即使亮或暗都不能被人类察觉。因此，认为在本发明的上下文中，闪烁和不被人类察觉的不可察觉闪烁提供了预定的亮和暗周期。

在利用第一和第二SCR的实施例中，SCR起到照明组件18的可控开/关开关的作用。这样的功能允许预定的亮周期和预定的暗周期。在一个实施例中，亮周期和暗周期都是大约30分钟。具体地，控制装置38与第一和第二SCR连接，这样使得预定的亮和暗周期可以设定在0-30分钟内的任何预定时间段中。以此方式，可以控制亮和暗的预定持续时间，从而匹配特定植物的最优需求。

因此，提供一种照亮多株植物14的方法和组件10。组件10包括交流供电的照明组件18，该组件通过相位切割提供一个照明循环或相位，该循环或相位包括预定量的植物的暗周期或转动时间。因此，在完成新陈代谢的过程中，植物14得到所需的休息，缓解了植物的紧张和压力。此时，接下来植物14准备好吸收更多光来继续在光合作用中进行新陈代谢。

同时，通过使用红色和蓝色二极管，新陈代谢和光合作用的效用被最大化。具体地，红色LED和蓝色LED可以包括不同的LED网络28和32，以产生间歇的蓝光和红光，从而根据那株特定植物14的理想PAR来优化植物14所接收的光。因此，不仅可以拥有24小时持续光生长循环，此外植物的生长也被最大化了。结果是植物成熟地更快并且产量更高。

此外，控制组件38允许个人控制特定植物14的光的调制。因此，如果该最佳生长条件是提供3.5ms的亮周期和3.5ms的暗周期，可以调整控制组件38以提供该调制。如果相反，最大植物生长和增强光合作用所需的时长是30分钟，可以调整控制装置42并且组件18可以提供所需的调制。以此方式，组件18可以用于植物14的许多品种，而无需制造不同的组件，从而改进了现有技术。

此外，照明组件易于制造，并且容易通过将其安装或附接到水管道16或将其靠近植物14安装而结合到新的和现有的园艺组件中。最后，因为利用了经交流输入调节的电流，并且消除了脉宽调制，大大降低了与照明组件18相关联的成本。因此，至少所有陈述的目的已经实现。

Claims (9)

1.一种在受控环境中刺激植物生长的方法，该方法包括以下步骤：

提供一对输入端子，该对输入端子被适配成用于接收一个周期性的激励电压，这样使得该对输入端子接收一个大小相等和极性相反的电流，所述电流响应于该激励电压而流动以提供一个交流输入；

提供一个具有驱动电路的照明组件，该驱动电路接收该交流输入并调节该电流；

提供一个第一照明元件网络，这些照明元件响应于经调节的电流而以一预定的波长产生光；

将该照明组件定位在一株植物邻近，这样使得所产生的光被该植物接收；

借助一个控制组件对流向该第一照明元件网络的电流进行相位切割来调制这些照明元件的经调节的电流以便可控地提供多个预定的亮和暗周期，从而刺激该植物的持续生长；

其中，该第一照明元件网络的预定波长是在包括600nm和750nm并在600和750nm之间的范围内；以及

其中，这些预定的亮和暗周期是在3.5ms与14.5ms之间的范围内。

2.如权利要求1所述的方法，其中，该第一照明元件网络为多个发光二极管LED。

3.如权利要求1所述的方法，其中，该照明组件具有产生预定波长的光的一个第二照明元件网络，这些照明元件是与该第一照明元件网络串联的多个发光二极管LED。

4.如权利要求3所述的方法，其中，该第二照明元件网络的预定波长是在350-500nm之间的范围内。

5.如权利要求2所述的方法，其中，该控制组件包括一个与该驱动电路电连接的调光装置，该驱动电路对来自一个交流输入的电流进行调节。

6.如权利要求5所述的方法，其中，该控制组件包括至少一个可控硅整流器SCR。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括以下步骤：借助该至少一个SCR对流向这些LED的电流进行相位切割，以便可控地确定这些预定的亮和暗周期的持续时间。

8.如权利要求7所述的方法，其中，该调光装置中具有一个三端双向可控硅开关元件。

9.如权利要求7所述的方法，其中，该调光装置中具有一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

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