CN111853717A - 一种植物叶背供光灯板 - Google Patents

Abstract

一种植物叶背供光灯板，涉及植物种植技术领域，所采用的技术方案包括基板，所述基板上设置有多个阵列排列的定植孔，每列定植孔设置有一组电源线，所述电源线包括第一走线、第二走线和第三走线。本发明每个定植孔对应一棵植株，多个LED元件在定植孔周围均匀分布，使每棵植株都可以得到均匀的底部给光，以开发叶片底面的光合作用能力，提高植株的整体光合作用效率，达到增产的目的；多个定植孔在基板上呈阵列状分布，并且优化了基板上第一走线、第二走线、第三走线等为LED元件供电的线路结构和线路宽度，避免交叉、绕线、跳线，尽量减小供电线路的长度、保证足够的宽度以减小电阻，确保载流能力。

Description

一种植物叶背供光灯板

技术领域

本发明涉及植物种植技术领域，尤其涉及一种植物叶背供光灯板。

背景技术

光照与作物的生长有密切的关系。最大限度的捕捉光能，充分挖掘植物光合作用的潜力，将直接关系到农业生产的效益。近年来由于市场需求的推动，普遍采用全人工光植物生产系统，如植物工厂，周年生产花卉、瓜果、蔬菜等。

当前的全人工光植物生产系统，一般只会从顶部供光，并采用栽培槽叠加构成多层立体高密度的种植模式，处于植株冠层下部的叶片由于受到顶部叶片和周围植株的遮挡，光照强度不足，导致出现光合速率降低、叶片发育不良等问题。现有的供光措施并不能完全发掘植物的光合能力。

发明内容

针对现有技术方案中顶部补光不能完全开发植株整体光合作用能力的问题，本发明提供了一种植物叶背供光灯板。

本发明提供如下的技术方案：一种植物叶背供光灯板，包括基板，所述基板上设置有多个阵列排列的定植孔，每列定植孔设置有一组电源线，所述电源线包括第一走线、第二走线和第三走线；所述第一走线包括第一电极连接点和连接在所述第一电极连接点上的第一对称线，所述第一对称线包括多组关于同一列多个定植孔的圆心连接线对称分布的第一半球线，每组所述第一半球线包围一个所述定植孔；所述第二走线包括第二电极连接点和连接在所述第二电极连接点上的第二对称线，所述第二对称线包括多组关于同一列多个定植孔的圆心连接线对称分布的第二半球线，每组所述第二半球线包围对应的所述第一半球线；所述第三走线包括第三电极连接点和连接在所述第三电极连接点上的一组第三对称线，所述第三对称线包括多组关于同一列多个定植孔的圆心连接线对称分布的第三半球线，每组所述第三半球线包围对应的所述第二半球线；所述第一电极连接点和第三电极连接点位于每列定植孔的同侧，所述第二电极连接点位于每列定植孔的另一侧；每个所述定植孔周围的第一半球线和第二半球线之间、第二半球线和第三半球线之间连接有多个并联的LED元件。

优选地，每个定植孔周围的多个所述LED元件分为内、外两个给光单元，且分别围绕所述定植孔呈环形均匀分布。

优选地，所述基板为双层PCB电路板，包括对应于所述LED元件一侧的正面和与所述正面相对的反面；所述反面设置有第一电源走线，所述第一电极连接点为和所述第一电源走线电连接的导通孔，所述第二电极连接点和第三电极连接点分别连接有第二电源走线、第三电源走线，所述第二、三电源走线设置在所述正面上。

优选地，所述基板为单层PCB电路板，所述第一电极连接点连接到所述第三电极连接点；所述第二电极连接点和第三电极连接点分别连接有第二电源走线、第三电源走线。

优选地，所述第一、第二、第三电源走线的宽度大于所述第一、第二、第三走线的宽度。

优选地，所述基板的表面均设置有绝缘防水层。

优选地，所述第一对称线远离所述第一电极连接点的两条支路的末端互相电连接。

优选地，所述基板还设置有保护外壳，所述保护外壳顶部还设置有散射装置，所述散射装置包括动力装置、主动齿轮、导光齿轮、传动齿轮；所述保护外壳在对应所述定植孔的位置上设置有套管，所述导光齿轮转动连接在所述套管上，同一列定植孔上相邻的导光齿轮互相啮合，相邻的两列定植孔上导光齿轮通过所述传动齿轮传动连接，所述动力装置设置在所述保护外壳上，所述动力装置的输出轴上设置有所述主动齿轮，所述主动齿轮和一个所述导光齿轮啮合；所述导光齿轮上设置有多个大小不等的用于散射光线的凹透镜。

优选地，所述保护外壳底部设置有散热翅片，所述散热翅片和保护外壳之间、所述保护外壳和LED元件之间均设置有导热胶。

优选地，所述基板设置有多个凹槽，所述定植孔设置在所述凹槽内，所述凹槽的侧壁为上大下小的喇叭状且设置有多个通气孔。

本发明的有益效果是：1、每个定植孔对应一棵植株，多个LED元件在定植孔周围均匀分布，使每棵植株叶背都可以均匀受光，以开发叶片背面的光合作用能力，同时解决了高密度种植中植株下部叶片光照强度不足的问题，提高植株的整体光合作用效率，达到增产的目的；2、多个定植孔在基板上呈阵列状分布，并且优化了基板上第一走线、第二走线、第三走线等为LED元件供电的线路结构和线路宽度，避免交叉、绕线、跳线，尽量减小供电线路的长度、保证足够的宽度以减小电阻，确保载流能力；3、根据对LED元件的不同控制方式，提供了不同的解决方案；4、还设置有散射装置，使LED元件发出的光线在近距离下散射程度、光照强度均匀性更高；5、基板在对应定植孔的位置上设置有凹槽，增大了基板底部散热空间，同时在栽培槽的高度不变的情况下，降低了植株整体相对于基板的高度，进而降低了每一层的层间距，提高了有限空间内可容纳的层数，最终提高了总体产量。

附图说明

图1为本发明一个实施例的走线示意图。

图2为本发明第二个实施例的走线示意图Ⅰ。

图3为本发明第二个实施例的走线示意图Ⅱ。

图4为本发明第三个实施例的走线示意图。

图5为本发明第二个实施例的电路示意图。

图6为本发明一个实施例的三维示意图。

图7为本发明散射装置的一个实施例的三维示意图。

图8为本发明导光齿轮的一个实施例的俯视图。

图9为本发明第四个实施例的剖面图。

附图标记：1-基板，11-定植孔，111-套管，12-正面，121-第二电源走线，122-第三电源走线，13-反面，131-第一电源走线，14-凹槽，2-第一走线，21-第一电极连接点，22-第一对称线，221-第一半球线，3-第二走线，31-第二电极连接点，32-第二对称线，321-第二半球线，4-第三走线，41-第三电极连接点，42-第三对称线，421-第三半球线，5-LED元件，6-散射装置，61-动力装置，62-主动齿轮，63-导光齿轮，631-凹透镜，64-传动齿轮。

具体实施方式

以下结合附图及附图标记对本发明的实施方式做更详细的说明，使熟悉本领域的技术人在研读本说明书后能据以实施。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种如图1所示的一种植物叶背供光灯板，包括基板1，所述基板1上设置有多个阵列排列的定植孔11，每列定植孔11设置有一组电源线，所述电源线包括第一走线2、第二走线3和第三走线4；所述第一走线2包括第一电极连接点21和连接在所述第一电极连接点21上的第一对称线22，所述第一对称线22包括多组关于同一列多个定植孔11的圆心连接线对称分布的第一半球线221，每组所述第一半球线221包围一个所述定植孔11；所述第二走线3包括第二电极连接点31和连接在所述第二电极连接点31上的第二对称线32，所述第二对称线32包括多组关于同一列多个定植孔11的圆心连接线对称分布的第二半球线321，每组所述第二半球线321包围对应的所述第一半球线221；所述第三走线4包括第三电极连接点41和连接在所述第三电极连接点41上的一组第三对称线42，所述第三对称线42包括多组关于同一列多个定植孔11的圆心连接线对称分布的第三半球线421，每组所述第三半球线421包围对应的所述第二半球线321；所述第一电极连接点21和第三电极连接点41位于每列定植孔11的同侧，所述第二电极连接点31位于每列定植孔11的另一侧；每个所述定植孔11周围的第一半球线221和第二半球线321之间、第二半球线321和第三半球线421之间连接有多个并联的LED元件5。

所述基板一般为PCB电路板，为LED元件和连接在LED元件上的各种线路提供支撑和保护。为了能够在植株的底部布设光源，基板设置在植株底部，还设置有多个定植孔，植株的下部茎干和根须可以从定植孔中穿过并接触到营养液，使植株在栽种或者收获时，本发明不会造成干扰。所述定植孔可以是直径为4~10cm的圆孔，每一个定植孔对应一株植株，多个定植孔在基板上呈阵列排列，保证植株的种植方式具有规律性，便于生产管理。定植孔周围设置有多个作为光源的LED元件，LED元件的照射方向从底部朝向植株叶片的背面，使每一株植株都可以得到充分而均匀的叶背受光，以开发植株叶背的光合作用能力，同时补充高密度种植中植株中下部的光照强度。通过本案申请人的研究发现，单位叶片的光合效率为叶片腹、背面光合效率之和，叶背具有叶腹最大光合速率的60-80%，在低光强下甚至具有相似的光合速率。假设同时充分利用叶片腹面和背面的光合能力，叶片整体光合能力理论上可达到叶腹的1.6～1.8倍。在后期重复实验中发现，相同光照强度的顶光加底光的供光模式比纯顶光供光模式的作物产量提高了30%以上。所述LED元件可采用LED贴片式全光谱灯珠。LED元件和基板的一个实施例如图6所示。

所述第一走线、第二走线和第三走线可采用厚度为35~70μm的铜箔制作，作为LED元件的供电线路设置在基板上。为了线路排布的规律性，以一列定植孔为单元布置线路。以同一列多个定植孔的圆心连接线为对称轴，第一、第二、第三对称线均可以被分为对称的两个支路。特别地，在每个定植孔周围依照定植孔的形状设置有半球线，尽量多的将一列定植孔两侧的LED元件覆盖在内，避免绕路，尽量缩短供电线路的长度，以减少电阻，降低发热量。

第一、二、三走线可围绕定植孔依次排列。具体地，在如图1所示的一个实施例中，在一列定植孔周围，按照第一走线在内、第二走线在中间、第三走线在外的方式，三条走线按一定距离依次排列，且第一、第三电极连接点设置在一列定植孔的同侧，第二电极连接点设置在另外一侧，使三条走线互相独立，互不交叉，保证供电线路的通畅性，同时正负极分别位于基板的两侧，便于连接电源。多个LED元件并联在第一半球线与第二半球线、第三半球线与第二半球线之间，分别构成内外两个回路，两个回路可以单独控制，单独控制的电路图如图5所示，也可以统一控制；而且两个回路共用一条第二走线，节省了材料成本。所述第一、第二、第三电极连接点可采用锡铜合金制作。

优选地，每个定植孔11周围的多个所述LED元件5分为内、外两个给光单元，且分别围绕所述定植孔11呈环形均匀分布。

植株的叶片伸展开之后，从俯视角度来看一般呈圆形，为了使叶片得到均匀的光照，一个定植孔周围的多个LED元件可分为内外两个给光单元围绕定植孔均匀分布，给光单元整体可为环形，且同一个给光单元中的每个LED元件与定植孔的距离相同；处于外部的给光单元中LED元件的数量稍微多一些，使光照强度更加均匀。从线路布局上来说，第一走线和第二走线将一列定植孔周围处于内部的多个给光单元连接组成一个回路，第三走线和第二走线将一列定植孔周围处于外部的多个给光单元连接组成一个回路。

优选地，所述基板1为双层PCB电路板，包括对应于所述LED元件5一侧的正面12和与所述正面12相对的反面13；所述反面13设置有第一电源走线131，所述第一电极连接点21为和所述第一电源走线131电连接的导通孔，所述第二电极连接点31和第三电极连接点41分别连接有第二电源走线121、第三电源走线122，所述第二、三电源走线设置在所述正面12上。

如图2和图3所示，在具有多列定植孔的基板中，如果要单独控制内部或者外部给光单元LED元件的开闭，则需要第一走线和第三走线连接到两个不同的支路上。具体地，所述基板可为双层PCB电路板，其对应于LED元件的一面为正面，另一面为反面；在基板的正面上，多个第二电极连接点连接到第二电源走线，多个第三电极连接点连接到第三电源走线，第二、第三电源走线分别位于基板的两侧；从线路布局的角度来说，所述第一电极连接点可为导通孔，使第一走线和设置在基板反面上的第一电源走线电连接，避免第一电源走线和第三走线、第三电源走线之间形成交叉和跳线。所述第一、第二、第三电源走线可采用厚度为70μm的铜箔制作。所述基板也可为多层PCB电路板。

优选地，所述基板1为单层PCB电路板，所述第一电极连接点21连接到所述第三电极连接点41；所述第二电极连接点31和第三电极连接点41分别连接有第二电源走线121、第三电源走线122。

如图4所示，如果要对一个基板上的多个内部和外部给光单元进行统一控制，则所述基板为单层PCB电路板，第一电极连接点电连接到第三电极连接点即可，多个第二电极连接点连接到第二电源走线，多个第三电极连接点连接到第三电源走线，第二、第三电源走线分别位于基板的两侧。

优选地，所述第一、第二、第三电源走线的宽度大于所述第一、第二、第三走线的宽度。

具体地，在具有多列定植孔的基板中，各列中的多个第一、第二、第三走线均并联在第一、第二、第三电源走线上，因此第一、第二、第三电源走线中的电流强度大于各列中的第一、第二、第三走线的电流强度。线路横截面积越大，载流能力越大，为保证线路的载流能力，第一、第二、第三电源走线的宽度必须大于第一、第二、第三走线的宽度。在如图2所示一个实施例中，用于底部给光的LED元件一般额定电流为20~60mA，厚度为70μm、宽度为2.5mm的铜箔的载流能力为6A，至少可承载并联的100个LED元件的电流，因此，所述第一、第二、第三电源走线的宽度可大于等于2.5mm，所述第一、第二、第三走线的宽度可小于2.5mm。

优选地，所述基板1的表面设置有绝缘防水层。

植物工厂中，底部给光灯板一般处于营养液的上方，为了避免水汽侵蚀基板和各种走线，基板的表面，包括顶面、底面和侧面，均需涂刷绝缘防水层，所述绝缘防水层可采用PCB纳米防水涂层。更进一步地，在LED元件表面及其与各个线路的连接处也需涂刷绝缘防水层。

优选地，所述第一对称线22远离所述第一电极连接点21的两条支路的末端互相电连接。

所述第一对称线远离所述第一电极连接点的两条支路的末端互相电连接，能够避免第一对称线上某处断路影响其他正常部分的电连接，而且不影响线路布局。

优选地，所述基板1还设置有保护外壳，所述保护外壳顶部还设置有散射装置6，所述散射装置6包括动力装置61、主动齿轮62、导光齿轮63、传动齿轮64；所述保护外壳在对应所述定植孔11的位置上设置有套管111，所述导光齿轮63转动连接在所述套管111上，同一列定植孔11上相邻的导光齿轮63互相啮合，相邻的两列定植孔11上导光齿轮63通过所述传动齿轮64传动连接，所述动力装置61设置在所述保护外壳上，所述动力装置61的输出轴上设置有所述主动齿轮62，所述主动齿轮62和一个所述导光齿轮63啮合；所述导光齿轮63上设置有多个大小不等的用于散射光线的凹透镜631。

所述基板还设置有保护外壳，用于保护基板不受外界灰尘、水汽等侵蚀，所述保护外壳对应LED元件和定植孔的位置均设置有开口，开口处的缝隙可采用UV胶填补。所述基板设置在植株底部，LED元件与植株之间的距离非常接近，LED一般为点光源，近距离下LED元件发出的光线散射不够彻底，而且在长时间的定点照射过程中，由于底部LED距离植物叶片距离较近，LED发出的光线可能固定在植物单一部位，植株底部各处的光照强度不够均匀；LED元件持续工作会产生热量，存在灼伤植物的风险。为此，在保护外壳顶部还设置有散射装置，散射装置的一个实施例如图7所示。其中主要起到光线散射作用的是导光齿轮。每个定植孔上均通过套管转动连接有一个导光齿轮，导光齿轮的面积完全覆盖了基板上的LED元件。导光齿轮可采用透明的亚克力板制作，上面还设置有多个大小不等的凹透镜，可以通过直接在透光亚克力板上切削出大小不等的凹坑实现。如图8所示，各个凹透镜的曲率也各不相同。导光齿轮不仅增加了光线散射的效率，还阻挡了LED元件发出的热量的直接扩散，防止LED元件灼伤植株。导光齿轮转动连接在套管上，通过动力装置和设置在动力装置输出轴上的主动齿轮为导光齿轮提供转动的动力，使导光装置能够围绕套管旋转，进一步加强光线散射的均匀性，使LED的照射位置随时间缓慢变化，消除定点照射现象。所述动力装置可采用变频减速电机，所述主动齿轮可采用PP材料制作。同一列定植孔上的相邻的导光齿轮互相啮合，相邻的两列定植孔上的导光齿轮通过传动齿轮进行传动连接，使一个动力装置就能带动所有导光齿轮旋转，减少设备投入，简化设备结构。所述传动齿轮可采用PP材料制作，通过设置在保护外壳上的转动轴进行定位并与转动轴转动连接。

在一个实施例中，所述保护外壳可采用铝合金制作，铝合金质量轻，导热性能优良，也可以采用其他导热性能好的材料，比如铜合金、散热塑料等，可利用保护外壳的外表面进行散热，扩大热辐射面积，防止LED元件因温度过高影响使用寿命。

优选地，所述保护外壳底部设置有散热翅片，所述散热翅片和保护外壳之间、所述保护外壳和LED元件之间均设置有导热胶。

为了进一步提高散热效率，所述保护外壳底部还设置有散热翅片，所述散热翅片可采用铜合金或者铝合金制作；所述散热翅片和保护外壳之间、所述保护外壳和LED元件之间均设置有导热胶，提高各部件之间的热传导能力，使热量均匀散发。所述导热胶可采用导热硅脂。更进一步地，散热翅片应远离定植孔，避免热量散发时对植株造成影响。

优选地，所述基板1设置有多个凹槽14，所述定植孔11设置在所述凹槽14底面，所述凹槽14的侧壁为上大下小的喇叭状且设置有多个通气孔。

如图9所示，基板放置在栽培槽的顶部，设置有多个凹槽，栽培槽中盛装有营养液，营养液的高度必须浸没植株的根部，每一个定植孔设置在一个凹槽的底面。凹槽降低了定植孔的高度，扩大了基板和营养液面之间的距离，不仅使安装有LED元件的基板其底面的可供散热的空间更大，可容纳的散热翅片的体积也越大，而且降低了植株相对于基板的整体高度。当下全人工光植物生产系统中，比如植物工厂，在有限的空间中采用多层栽培槽叠加的高密度种植以增加产量，植株的高度是每一层的层间距的主要影响因素；在栽培槽高度不变的情况下，降低植株相对于基板的高度也就降低了每一层的层间距，从而增加了总层数，提高了总体产量。凹槽的侧壁还设置有多个通气孔，加强了气体的流通，既增加了散热效率，又改善了植株根部周围的通气环境，降低烂根的几率。凹槽侧壁为上大下小的喇叭状，适宜于植株整体体积上大下小的形态；凹槽侧壁的斜度可根据植株体积最大时的具体形态来决定。更进一步地，凹槽侧壁的表面也可以设置LED元件及相关走线作为补充。

以上为本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种植物叶背供光灯板，包括基板（1），其特征在于：所述基板（1）上设置有多个阵列排列的定植孔（11），每列定植孔（11）设置有一组电源线，所述电源线包括第一走线（2）、第二走线（3）和第三走线（4）；

所述第一走线（2）包括第一电极连接点（21）和连接在所述第一电极连接点（21）上的第一对称线（22），所述第一对称线（22）包括多组关于同一列多个定植孔（11）的圆心连接线对称分布的第一半球线（221），每组所述第一半球线（221）包围一个所述定植孔（11）；

所述第二走线（3）包括第二电极连接点（31）和连接在所述第二电极连接点（31）上的第二对称线（32），所述第二对称线（32）包括多组关于同一列多个定植孔（11）的圆心连接线对称分布的第二半球线（321），每组所述第二半球线（321）包围对应的所述第一半球线（221）；

所述第三走线（4）包括第三电极连接点（41）和连接在所述第三电极连接点（41）上的一组第三对称线（42），所述第三对称线（42）包括多组关于同一列多个定植孔（11）的圆心连接线对称分布的第三半球线（421），每组所述第三半球线（421）包围对应的所述第二半球线（321）；

所述第一电极连接点（21）和第三电极连接点（41）位于每列定植孔（11）的同侧，所述第二电极连接点（31）位于每列定植孔（11）的另一侧；

每个所述定植孔（11）周围的第一半球线（221）和第二半球线（321）之间、第二半球线（321）和第三半球线（421）之间连接有多个并联的LED元件（5）。

2.根据权利要求1所述的一种植物叶背供光灯板，其特征在于：每个定植孔（11）周围的多个所述LED元件（5）分为内、外两个给光单元，且分别围绕所述定植孔（11）呈环形均匀分布。

3.根据权利要求1所述的一种植物叶背供光灯板，其特征在于：所述基板（1）为双层PCB电路板，包括对应于所述LED元件（5）一侧的正面（12）和与所述正面（12）相对的反面（13）；所述反面（13）设置有第一电源走线（131），所述第一电极连接点（21）为和所述第一电源走线（131）电连接的导通孔，所述第二电极连接点（31）和第三电极连接点（41）分别连接有第二电源走线（121）、第三电源走线（122），所述第二、三电源走线设置在所述正面（12）上。

4.根据权利要求1所述的一种植物叶背供光灯板，其特征在于：所述基板（1）为单层PCB电路板，所述第一电极连接点（21）连接到所述第三电极连接点（41）；所述第二电极连接点（31）和第三电极连接点（41）分别连接有第二电源走线（121）、第三电源走线（122）。

5.根据权利要求3~4所述的任意一种植物叶背供光灯板，其特征在于：所述第一、第二、第三电源走线的宽度大于所述第一、第二、第三走线的宽度。

6.根据权利要求3~4所述的任意一种植物叶背供光灯板，其特征在于：所述基板（1）的表面设置有绝缘防水层。

7.根据权利要求1所述的一种植物叶背供光灯板，其特征在于：所述第一对称线（22）远离所述第一电极连接点（21）的两条支路的末端互相电连接。

8.根据权利要求1所述的一种植物叶背供光灯板，其特征在于：所述基板（1）还设置有保护外壳，所述保护外壳顶部还设置有散射装置（6），所述散射装置（6）包括动力装置（61）、主动齿轮（62）、导光齿轮（63）、传动齿轮（64）；所述保护外壳在对应所述定植孔（11）的位置上设置有套管（111），所述导光齿轮（63）转动连接在所述套管（111）上，同一列定植孔（11）上相邻的导光齿轮（63）互相啮合，相邻的两列定植孔（11）上导光齿轮（63）通过所述传动齿轮（64）传动连接，所述动力装置（61）设置在所述保护外壳上，所述动力装置（61）的输出轴上设置有所述主动齿轮（62），所述主动齿轮（62）和一个所述导光齿轮（63）啮合；所述导光齿轮（63）上设置有多个大小不等的用于散射光线的凹透镜（631）。

9.根据权利要求8所述的一种植物叶背供光灯板，其特征在于：所述保护外壳底部设置有散热翅片，所述散热翅片和保护外壳之间、所述保护外壳和LED元件之间均设置有导热胶。

10.根据权利要求1所述的一种植物叶背供光灯板，其特征在于：所述基板（1）设置有多个凹槽（14），所述定植孔（11）设置在所述凹槽（14）底面，所述凹槽（14）的侧壁为上大下小的喇叭状且设置有多个通气孔。

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