ES2894833T3 - Dispositivo y método de iluminación de plantas para cámaras de crecimiento oscuras - Google Patents

Dispositivo y método de iluminación de plantas para cámaras de crecimiento oscuras Download PDF

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Abstract

Un accesorio (100, 321) de iluminación hortícola configurado para proporcionar iluminación hortícola a una cámara (360) de crecimiento que no recibe luz solar durante su uso, en donde el accesorio de iluminación hortícola comprende una primera fuente de emisión que comprende un LED y/o un punto cuántico configurado para emitir las principales características espectrales en la radiación fotosintéticamente activa, PAR, área espectral, en donde a) las principales características espectrales tienen primeras características espectrales que incluyen un pico en el rango de longitud de onda de 600 nm a 700 nm y están dispuestas para exhibir un ancho completo de la mitad del máximo de al menos 50 nm o más; b) las características espectrales principales tienen características espectrales secundarias con un máximo de 50 nm de ancho completo a la mitad del máximo y están dispuestas para exhibir una longitud de onda pico en el rango de 440 nm a 500 nm; c) al menos parte de la emisión en un rango de longitud de onda de 600 nm a 800 nm se genera mediante amplificación de longitud de onda de la luz emitida por el LED o punto cuántico que tiene una longitud de onda entre 300 nm y 500 nm, donde por amplificación de longitud de onda se entiende el cambio de luz absorbida entrante a luz emitida de longitudes de onda más largas; y d) al menos una parte o la totalidad de la emisión del espectro principal en longitudes de onda de 500 nm a 600 nm está dispuesta para minimizarse y/u omitirse y/o para reducirse por debajo de la intensidad en la banda de 400 nm a 500 nm y por debajo de la intensidad en la banda de 600 nm a 700 nm, y una segunda fuente de emisión que comprende al menos un segundo LED y/o punto cuántico, caracterizada porque la segunda fuente de emisión está configurada para emitir al menos una característica espectral lateral seleccionada entre las primeras características espectrales en un área de 700 nm a 800 nm y segundas características espectrales en un área de 300 nm a 400 nm, y en que las intensidades de las respectivas emisiones de la primera fuente de emisión y la segunda fuente de emisión son ajustables independientemente.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo y método de iluminación de plantas para cámaras de crecimiento oscuras
Campo técnico de la invención
La invención se refiere a un método mejorado para producir luz artificial para el cultivo de plantas. Más en particular, la invención se refiere a un dispositivo de iluminación con una solución de emisión de luz semiconductiva adecuada para el cultivo de plantas en un entorno de invernadero.
Antecedentes
Sólo aproximadamente el 50% de la radiación que llega a la superficie es radiación fotosintéticamente activa (PAR). Se considera que PAR comprende la región de longitud de onda entre 300 nm y 800 nm del espectro electromagnético. La fotosíntesis junto con el fotoperiodismo, el fototropismo y la fotomorfogénesis son los cuatro procesos representativos relacionados con la interacción entre la radiación y las plantas. La siguiente expresión muestra la ecuación química simplificada de la fotosíntesis:
6 H2O 6 CO2 (+ energía de fotones) ^ C6H12O6 + 6 O2
Los espectros de absorción típicos de los fotorreceptores fotosintéticos y fotomorfogenéticos más comunes, tales como clorofila a, clorofila b y betacaroteno, y las dos formas interconvertibles de fitocromos (Pfr y Pr) se presentan en la Figura 1A.
Las respuestas fotomorfogenéticas, contrarias a la fotosíntesis, se pueden lograr con cantidades de luz extremadamente bajas. Los diferentes tipos de fotorreceptores fotosintéticos y fotomorfogenéticos se pueden agrupar en al menos tres fotosistemas conocidos: fotosintéticos, fitocromo y criptocromo o azul/UV-A (ultravioleta-A).
En el fotosistema fotosintético, los pigmentos existentes son clorofilas y carotenoides. Las clorofilas se encuentran en los tilacoides de los cloroplastos ubicados en las células del mesófilo de las hojas de las plantas. La cantidad o la energía de la radiación es el aspecto más significativo, ya que la actividad de esos pigmentos está íntimamente relacionada con la captación de luz. Los dos picos de absorción más importantes de la clorofila se encuentran en las regiones roja y azul de 625 a 675 nm y de 425 a 475 nm, respectivamente. Además, también hay otros picos localizados en UV cercano (300 - 400 nm) y en la región roja lejana (700 - 800 nm). Los carotenoides, tal como las xantofilas y los carotenos, se encuentran en los orgánulos plástidos del cromoplasto de las células vegetales y se absorben principalmente en la región azul.
El fotosistema de fitocromo incluye las dos formas interconvertibles de fitocromos, Pr y Pfr, que tienen sus picos de sensibilidad en rojo a 660 nm y en rojo lejano a 730 nm, respectivamente. Las respuestas fotomorfogenéticas mediadas por fitocromos usualmente están relacionadas con la detección de la calidad de la luz a través de la relación (R/FR) de rojo (R) a rojo lejano (FR). La importancia de los fitocromos puede evaluarse mediante las diferentes respuestas fisiológicas en donde están involucrados, tal como la expansión de las hojas, la percepción del vecino, la evitación de la sombra, el alargamiento del tallo, la germinación de las semillas y la inducción de la floración. Aunque la respuesta de evitación de la sombra en general está controlada por fitocromos a través de la detección de la relación R/FR, el nivel de luz azul y PAR también está involucrado en las respuestas morfológicas adaptativas relacionadas.
En el fotosistema de criptocromo se encuentran fotorreceptores sensibles al azul y UV-A (ultravioleta A). Los pigmentos que absorben la luz azul incluyen tanto el criptocromo como las fototropinas. Estos están involucrados en diversas tareas diferentes, tales como monitorizar la calidad, cantidad, dirección y periodicidad de la luz. Los diferentes grupos de fotorreceptores sensibles al azul y a los rayos UV-A median importantes respuestas morfológicas tales como los ritmos endógenos, la orientación de los órganos, el alargamiento del tallo y la apertura de los estomas, la germinación, la expansión de las hojas, el crecimiento de las raíces y el fototropismo. Las fototropinas regulan el contenido de pigmento y la posición de los órganos y orgánulos fotosintéticos con el fin de optimizar la captación de luz y la fotoinhibición. Al igual que con la exposición a la radiación roja lejana continua, la luz azul también promueve la floración a través de la mediación de fotorreceptores de criptocromos. Además, los fotorreceptores sensibles a la luz azul (por ejemplo, flavinas y carotenoides) también son sensibles a la radiación casi ultravioleta, donde se puede encontrar un pico de sensibilidad localizado alrededor de 370 nm.
Los criptocromos no solo son comunes a todas las especies de plantas. Los criptocromos median una diversidad de respuestas a la luz, que incluyen el arrastre de los ritmos circadianos en plantas con flores tales como la Arabidopsis. Aunque la radiación de longitudes de onda inferiores a 300 nm puede ser muy dañina para los enlaces químicos de las moléculas y la estructura del ADN, las plantas también absorben la radiación en esta región. La calidad de la radiación dentro de la región PAR puede ser importante para reducir los efectos destructivos de la radiación UV. Estos fotorreceptores son los más investigados y, por lo tanto, su papel en el control de la fotosíntesis y el crecimiento se conoce razonablemente bien. Sin embargo, existe evidencia de la existencia de otros fotorreceptores, cuya actividad puede tener un papel importante en la mediación de importantes respuestas fisiológicas en las plantas. Además, no se comprenden bien la interacción y la naturaleza de la interdependencia entre ciertos grupos de receptores.
Se pueden cultivar diversas plantas en una ubicación geográfica diferente a su hábitat natural mediante el cultivo en invernadero utilizando luz artificial. Se conoce por el documento WO 2010/053341 A1 de Zukauskas et al. y del documento US 2010/0259190 A1 de Aikala que los diodos emisores de luz (LEDs) se pueden usar con conversión de fósforo para satisfacer algunas de las necesidades fotomorfogenéticas de las plantas. La conversión de fósforo funciona de tal manera que hay una luz como un LED que emite en una longitud de onda corta adyacente a un componente de fósforo que absorbe y reemite la radiación en una longitud de onda más larga. De esta manera se puede ajustar el espectro de emisión agregada del dispositivo de iluminación, de modo que los fotones proporcionados a la planta permitan que la planta crezca de cierta manera, por ejemplo, para cumplir con algunos objetivos morfológicos como la altura del tallo. Este documento se cita aquí como referencia.
Los diodos emisores de luz (LEDs) son cada día más populares. Una nueva estructura peculiar utilizada para los LEDs es el punto cuántico que es un semiconductivo cuyos excitones están confinados en las tres dimensiones espaciales. Se ha sugerido el uso de puntos cuánticos para eliminar el fósforo en el documento WO 2009/048425 que discute una estructura de pozos cuánticos múltiples (MQW) que comprende puntos cuánticos. De acuerdo con esta publicación, la estructura MQW se puede utilizar para producir un LED a base de nitruro rojo y blanco sin fósforo. Este documento también se cita aquí como referencia.
La técnica anterior tiene considerables desventajas. Los tubos de fluorescencia, los LEDs y las disposiciones de fósforo de la técnica anterior no permiten una sintonización de los espectros de emisión con una resolución suficientemente alta. Además, los tubos de fluorescencia de la técnica anterior, los LEDs y las disposiciones de fósforo son muy deficientes como fuente principal de luz para las plantas, lo que produce cosechas de mala calidad en cavidades de crecimiento oscuras, tales como sótanos de edificios, etc.
Los dispositivos de iluminación de puntos cuánticos y MQW de la técnica anterior se centran principalmente en la sustitución de características arquitectónicas desventajosas (tales como el fósforo), lo que es de poca ayuda para un horticultor.
Es evidente que se necesitan tecnologías de cultivo de plantas más sofisticadas para combatir el hambre global en los países en desarrollo, así como para reducir el impacto ambiental de la producción de alimentos y plantas en el mundo desarrollado.
La solicitud de patente japonesa JP2006280252A divulga un sistema de fábrica agrícola subterráneo.
Resumen
La invención en estudio está dirigida hacia un sistema y un método para realizar eficazmente un dispositivo de iluminación semiconductivo confinado cuántico que aborde las necesidades fotomorfogenéticas de las plantas con mayor precisión que nunca.
La invención proporciona un dispositivo de iluminación hortícola de acuerdo con la reivindicación 1 y un método de cultivo de acuerdo con la reivindicación 4. Se divulgan realizaciones adicionales en las reivindicaciones dependientes.
En un aspecto de la invención, el confinamiento cuántico se realiza como un punto cuántico, es decir, el confinamiento en las 3 dimensiones espaciales, o de hecho como una pluralidad de puntos cuánticos. Además de usar puntos cuánticos, se pueden usar cables cuánticos (confinamiento espacial 2-D) y pozos cuánticos (confinamiento espacial 1-D) para implementar la invención en algunas realizaciones.
De acuerdo con un aspecto de la invención, un diodo emisor de luz de puntos cuánticos presenta puntos cuánticos de diferentes tamaños. En los puntos cuánticos, el tamaño se correlaciona inversamente con la energía de emisión, es decir, los puntos cuánticos más pequeños emiten energías más altas. En un aspecto de la invención, la distribución de tamaño de los puntos cuánticos se selecciona para que produzca un espectro de emisión agregado con efectos fotomorfogenéticos favorables para las plantas que se cultivan con la luz artificial emitida por dicho diodo emisor de luz de puntos cuánticos de la invención.
Es un objetivo de la presente invención eliminar al menos una parte de los problemas relacionados con la técnica y proporcionar una nueva forma de facilitar el crecimiento de las plantas utilizando LEDs y/o puntos cuánticos.
Es un primer objetivo de la invención proporcionar un dispositivo de punto cuántico y/o LED con base en una fuente de emisión de luz única a la cual el proceso de fotosíntesis responde bien.
Es un segundo objetivo de la invención proporcionar un dispositivo de iluminación para cultivo en invernadero y/o cultivo en cámara de crecimiento oscuro con base en un LED optimizado para el flujo de fotones de fotosíntesis (PPF) y/o un dispositivo de puntos cuánticos.
Es un tercer objetivo de la invención lograr un LED y/o dispositivo de punto cuántico que proporcione al menos dos picos de emisión en el rango de longitud de onda de 300 a 800 nm y que al menos uno de los picos de emisión tenga Ancho Completo a Mitad del Máximo (FWHM) de al menos 50 nm o más.
Es un cuarto objetivo de la invención proporcionar un LED y/o un dispositivo de iluminación de cultivo de invernadero y/o cámara de crecimiento oscuro con base en puntos cuánticos en donde la relación de intensidad de emisión de dos frecuencias de emisión, 300-500 nm y 600-800 nm, se reducen en menos del 20% durante las 10,000 horas de operación.
Es un quinto objetivo de la invención proporcionar una solución técnica que proporcione un mejor valor de PPF por vatio (es decir, PPFs frente a la potencia en vatios usada) que el obtenido por una lámpara convencional de sodio o LED de alta presión utilizada normalmente en cultivos de invernadero o de cultivo en cámara de crecimiento oscuro y, por lo tanto, proporciona una fuente de luz energéticamente eficiente para el proceso de cultivo en invernadero y/o cámara de crecimiento y la iluminación artificial utilizada en el mismo.
Es un sexto objetivo de la invención proporcionar una sola fuente de emisión de luz en donde la emisión a una frecuencia de 300-500 nm es generada por el LED semiconductivo o chip de puntos cuánticos y la emisión a una frecuencia de 600-800 nm es generada utilizando otro LED o chip de punto cuántico. El inventor ha descubierto que, por ejemplo, las plantas de pepino y lechuga alcanzan una mayor longitud y/o masa cuando se iluminan con la luz hortícola inventiva que incluye luz roja lejana (700-800 nm).
Es un séptimo objetivo de la invención proporcionar una sola fuente de emisión de luz donde la emisión a una frecuencia de 300-500 nm es generada por el LED semiconductivo o chip de puntos cuánticos y se genera la emisión a una frecuencia de 600-800 nm utilizando un segundo LED o chip de punto cuántico, el cual es impulsado por corriente eléctrica para la emisión de luz, o funciona como un amplificador de longitud de onda del LED o punto cuántico anterior. La amplificación de longitud de onda para producir radiación de 600-800 nm se logra utilizando uno o más puntos cuánticos de amplificación de longitud de onda en las proximidades del primer punto cuántico o fuente de emisión LED.
En esta aplicación, la “amplificación” se interpreta como el cambio de la longitud de onda de la luz absorbida entrante a la luz emitida de longitudes de onda más largas.
Es un octavo objetivo de la invención proporcionar 400-500 nm, 600-800 nm o ambos rangos de frecuencia, amplificación de longitud de onda parcial o completa de LED semiconductivo y/o radiación de chip de punto cuántico, teniendo el chip una emisión en el rango de emisión del rango de 300-500 nm. La amplificación de longitud de onda se realiza mediante el uso de materiales orgánicos, inorgánicos o una combinación de ambos tipos de materiales.
Es un noveno objetivo de la invención proporcionar la amplificación de longitud de onda utilizando material de partículas de tamaño nanométrico para la amplificación.
Es un décimo objetivo de la invención proporcionar la amplificación de longitud de onda utilizando material de tipo molecular para la amplificación.
Es un decimoprimer objetivo de la invención proporcionar la amplificación de longitud de onda utilizando un material polimérico en donde el material de amplificación se une de manera covalente a la matriz polimérica que proporciona la amplificación de longitud de onda.
Es un decimosegundo objetivo de la invención presentar un dispositivo de iluminación con base en puntos cuánticos en donde se elimina la banda espectral 500-600 nm. En esta banda eliminada hay apenas emisión o ninguna emisión, o en cualquier caso menos emisión que en cualquiera de las bandas adyacentes 400-500 nm, 600-700 nm. La eliminación se puede lograr de acuerdo con la invención al no tener ninguna o solo una pequeña cantidad de emisión primaria en la banda 400-500 nm, y asegurándose de que cualquier amplificación cause un cambio de longitud de onda que cambie la longitud de onda más allí de 600 nm. En general, se sabe que las plantas verdes no pueden utilizar la radiación de luz verde (500-600 nm) así como la radiación en las bandas adyacentes, ya que esta radiación simplemente se refleja en la planta en lugar de ser absorbida para la conversión fotosintética.
Es un decimotercer objetivo de la invención presentar un dispositivo de iluminación con base en LED y/o puntos cuánticos que maximiza el crecimiento anabólico de las plantas al proporcionar la luz roja lejana deseada, a la vez que minimiza la luz verde la cual a partir de la perspectiva del cultivo de plantas es radiación que desperdicia energía en una cámara de crecimiento que puede ser oscura, es decir, dicha fuente de luz artificial puede ser la única fuente de luz. Este objetivo se realiza en un aspecto de la invención mediante un LED azul o un emisor de luz de punto cuántico con un dispositivo de amplificación de longitud de onda el cual convierte parte de la luz azul emitida (300-500) nm en un componente de espectro rojo amplio (600-800nm) el cual tiene un componente rojo lejano, pero omite y/o minimiza el componente verde (500-600nm).
La presente invención proporciona un LED y/o un punto cuántico y un dispositivo de iluminación relacionado adecuado para el cultivo en invernadero y en cámara de crecimiento. De acuerdo con la invención, el LED y/o el punto cuántico tienen un patrón de frecuencia de emisión específico, es decir, tiene al menos dos características espectrales; un pico de emisión con un ancho completo a la mitad del máximo de al menos 50 nm o más y que tiene una longitud de onda pico en el rango de 600 a 700 nm, y una segunda característica espectral que tiene una longitud de onda máxima por debajo del rango de 500 nm. Los picos de emisión de al menos un LED y/o punto cuántico corresponden bien con el espectro de respuesta de la fotosíntesis de una planta y, por lo tanto, el espectro es particularmente adecuado para iluminación artificial de alta eficiencia.
Algunas o todas las ventajas de la invención mencionadas anteriormente se acumulan con una distribución de tamaño de punto cuántico que optimiza el espectro de emisión para dicha variable fotomorfogenética afectada, la cual puede ser cualquiera de los siguientes parámetros biológicos: peso, número de hojas, masa de raíz, altura del tallo, composición química (tal como vitaminas, mineral, y/o contenido y/o concentración de nutrientes) que tiene la planta en diferentes momentos o en la madurez de la cosecha.
Un dispositivo de iluminación para el cultivo de plantas está de acuerdo con la invención y se caracteriza porque dicho dispositivo de iluminación comprende una pluralidad de puntos cuánticos de diferente tamaño.
Un método de iluminación para el cultivo de plantas está de acuerdo con la invención y se caracteriza porque la luz es producida por una pluralidad de puntos cuánticos de diferente tamaño y dicha luz ilumina al menos una planta.
Un dispositivo de luz de invernadero y/o cámara de crecimiento está de acuerdo con la invención y se caracteriza porque dicho dispositivo de luz comprende al menos un punto cuántico.
Un accesorio de iluminación hortícola de acuerdo con la invención comprende al menos un punto cuántico que tiene
a) primeras características espectrales que incluyen un pico en el rango de longitud de onda de 600 a 700 nm y dispuestas para exhibir un ancho completo a mitad del máximo de al menos 50 nm o más;
b) segundas características espectrales con un máximo de 50 nm de ancho completo a mitad del máximo y dispuestas para exhibir una longitud de onda máxima en el rango de 440 a 500 nm, y opcionalmente
c) toda o parte de la emisión a una frecuencia de 600-800 nm se genera usando una amplificación de longitud de onda total o parcial de la potencia de radiación del chip de puntos cuánticos y/o mediante otro punto cuántico alimentado eléctricamente.
Un dispositivo de iluminación hortícola de acuerdo con la invención comprende al menos un punto cuántico que tiene
a) primeras características espectrales que incluyen un pico en el rango de longitud de onda de 600 a 700 nm y dispuestas para exhibir un ancho completo a mitad del máximo de al menos 50 nm o más;
b) segundas características espectrales con un máximo de 50 nm de ancho completo a mitad del máximo y dispuestas para exhibir una longitud de onda máxima en el rango de 440 a 500 nm, y
c) al menos una parte o la totalidad de la emisión en longitudes de onda de 500-600 nm está dispuesta para ser minimizada y/u omitida y/o para reducirse por debajo de la intensidad en la banda de 400-500 nm y por debajo de la intensidad en la banda de 600-700 nm.
El uso del dispositivo o accesorio de iluminación de cualquiera de los cinco párrafos anteriores está de acuerdo con la invención al proporcionar luz para al menos una planta con dicha al menos una planta en luz ambiental o en una cavidad oscura con dicho dispositivo o accesorio de iluminación como la única fuente de luz. De manera similar, un método para mejorar el crecimiento de las plantas de los cinco párrafos anteriores está de acuerdo con la invención en donde al menos un dispositivo o accesorio de iluminación emite luz a al menos una planta con dicha al menos una planta en luz ambiental o en una cavidad oscura con dicho dispositivo o accesorio de iluminación como la única fuente de luz.
Un componente emisor de luz de una luz hortícola está de acuerdo con la invención y comprende;
- un chip semiconductivo de punto cuántico emisor de luz; y
- un punto cuántico de amplificación de longitud de onda de luz el cual se deposita en la proximidad directa del chip de punto cuántico;
siendo dicho componente capaz de emitir dos picos de emisión de luz característicos, y al menos una parte o la totalidad de la emisión a longitudes de onda de 500-600 nm está dispuesta para ser minimizada y/o omitida y/o para reducirse por debajo de la intensidad en la banda de 400-500 nm y por debajo de la intensidad en la banda de 600­ 700 nm.
El uso del componente emisor de luz del párrafo anterior, está de acuerdo con la invención, al proporcionar luz para al menos una planta con dicha al menos una planta en luz ambiental o en una cavidad oscura con dicho dispositivo o accesorio de iluminación como la única fuente de luz. De manera similar, un método para mejorar el crecimiento de las plantas está de acuerdo con la invención, en donde al menos un componente emisor de luz del párrafo anterior emite luz a al menos una planta con dicha al menos una planta en luz ambiental o en una cavidad oscura con dicho dispositivo o accesorio de iluminación como la única fuente de luz.
Un dispositivo de iluminación hortícola en una cavidad oscura o sombreada está de acuerdo con la invención y comprende al menos un LED que tiene
a) primeras características espectrales que incluyen un pico en el rango de longitud de onda de 600 a 700 nm y dispuestas para exhibir un ancho completo a mitad del máximo de al menos 50 nm o más;
b) segundas características espectrales con un máximo de 50 nm de ancho completo a mitad del máximo y dispuestas para exhibir una longitud de onda máxima en el rango de 440 a 500 nm, y opcionalmente
c) toda o parte de la emisión a una frecuencia de 600-800 nm se genera usando una amplificación de longitud de onda total o parcial de la potencia de radiación del chip LED.
Un dispositivo de iluminación hortícola en una cavidad oscura o sombreada está de acuerdo con la invención y comprende al menos un LED que tiene
a) primeras características espectrales que incluyen un pico en el rango de longitud de onda de 600 a 700 nm y dispuestas para exhibir un ancho completo a mitad del máximo de al menos 50 nm o más;
b) segundas características espectrales con un máximo de 50 nm de ancho completo a mitad del máximo y dispuestas para exhibir una longitud de onda máxima en el rango de 440 a 500 nm, y
c) al menos una parte o la totalidad de la emisión en longitudes de onda de 500-600 nm está dispuesta para ser minimizada y/u omitida y/o para reducirse por debajo de la intensidad en la banda de 400-500 nm y por debajo de la intensidad en la banda de 600-700 nm.
Las implementaciones con base en puntos cuánticos y/o LED de la invención permiten un ajuste espectral muy fino del espectro de emisión y, por lo tanto, una muy buena eficiencia energética y un control fotomorfogenético mejorado en el cultivo de plantas que dependen de la luz artificial. Esta ventaja es aún más pronunciada cuando se utilizan únicamente puntos cuánticos, ya que la sintonización espectral proporcionada por ellos es superior a los LEDs convencionales. Además, la calidad de las cosechas se mejora considerablemente con los dispositivos de iluminación de la invención y esto trae una multitud de ventajas relacionadas con el cultivo en cámaras de crecimiento oscuras o cámaras con luz ambiental muy limitada: En primer lugar, las plantas pueden cultivarse más cerca del lugar de consumo, por ejemplo, en sótanos residenciales en las grandes ciudades, eliminando así los costes de transporte. En segundo lugar, las plantas pueden cultivarse en geografías donde la agricultura no es tradicionalmente posible, por ejemplo, condiciones cálidas del desierto en el verano. En tercer lugar, a medida que se mejora la calidad de las plantas, también se mejora la consistencia entre plantas individuales, lo cual facilita la cosecha. Esto se debe a que hay menos individuos rechazados y el equipo de recolección con base en visión artificial puede reconocer mejor las plantas cuando tienen una calidad, tamaño y color consistentes. En cuarto lugar, las propiedades de las plantas se pueden variar de forma controlada porque casi todos los parámetros de crecimiento están bajo control, lo cual es especialmente ventajoso cuando se cultivan flores y plantas ornamentales. En quinto lugar, una dosis constante de fotones todos los días para las plantas ayuda en la administración de nutrientes, ya que la dosis de nutrientes se puede mantener durante todo el año. En sexto lugar, en geografías muy cálidas y soleadas, las plantas pueden cultivarse en cámaras de crecimiento oscuras y opacas que reflejan la luz solar. La energía gastada en la iluminación artificial de la invención es considerablemente menor que la que se habría gastado en aire acondicionado o refrigeración de la planta bajo la luz del sol.
Se debe tener en cuenta que una cavidad oscura se interpreta como un espacio de luz restringida que tiene niveles bajos o nulos de luz solar y/o luz ambiental sin que la fuente de luz artificial de la invención emita fotones, pero dicha cavidad puede ser de cualquier tamaño, microscópicamente pequeño, el tamaño de una maceta, un sótano residencial/comercial de 10m2, un contenedor de carga de envío, el tamaño de un campo de fútbol, por ejemplo, sótano de un estadio de fútbol, y/o un rascacielos con 20 pisos donde se cultivan suficientes verduras para toda una ciudad en uno o más pisos.
Además y con referencia a las realizaciones de acumulación de ventajas mencionadas anteriormente, se considera que el mejor modo de la invención es un dispositivo de iluminación con LEDs que producen un espectro de emisión similar al espectro de radiación fotosintéticamente activa (PAR) excepto que el espectro de emisión omite o proporciona una intensidad muy baja en el verde amarillo (500-600) nm y comprende una característica espectral de alta intensidad en la banda roja lejana de 700-800 nm que se ilumina en las plantas en una cámara de crecimiento oscura.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se describirá la invención con mayor detalle con referencia a ejemplos de realización de acuerdo con los dibujos adjuntos, en los cuales
La Figura 1A muestra los espectros de absorción relativa de los fotorreceptores fotosintéticos y fotomorfogenéticos más comunes en las plantas verdes.
La Figura 1B muestra una realización del dispositivo 10 de iluminación inventivo como diagrama de bloques.
La Figura 2 muestra una realización 20 del método de iluminación de acuerdo con la invención como diagrama de flujo.
La Figura 3 muestra una realización 30 del uso del dispositivo de iluminación inventivo como diagrama de bloques.
La Figura 4 muestra la realización 40 con picos de emisión de un primer LED de fuente de emisión de luz única y/o dispositivo de puntos cuánticos de acuerdo con la invención.
La Figura 5 muestra la realización 50 con los picos de emisión de una segunda fuente de emisión de luz única LED y/o dispositivo de puntos cuánticos de acuerdo con la invención.
La Figura 6 muestra la realización 60 con los picos de emisión de una tercera fuente de emisión de luz única LED y/o dispositivo de puntos cuánticos de acuerdo con la invención.
La Figura 7 muestra la realización 70 con los picos de emisión de un cuarto LED de fuente de emisión de luz única y/o dispositivo de puntos cuánticos de acuerdo con la invención.
La Figura 8 muestra la realización 80 con el espectro que se ha descubierto para maximizar la biomasa de las plantas de acuerdo con la invención.
Algunas de las realizaciones se describen en las reivindicaciones dependientes.
Descripción detallada de realizaciones
La Figura 1B muestra un dispositivo 100 de iluminación que comprende una pluralidad de puntos 110, 120, 130, 140, 150 y 160 cuánticos de diferentes tamaños. La distribución de tamaño de los puntos cuánticos comprende puntos cuánticos de diferentes tamaños dentro del rango de 2 nm - 200 nm, es decir, el punto 110 cuántico tiene típicamente un diámetro de 200 nm y el punto 160 cuántico tiene un diámetro de aproximadamente 2 nm.
El dispositivo de iluminación comprende típicamente también un LED 101, el cual es preferiblemente azul o tiene alguna otra longitud de onda más corta.
A medida que el LED 101 emite luz, algunos de los fotones emitidos son absorbidos por los puntos 110, 120, 130, 140, 150 y 160 cuánticos. A medida que se absorben los fotones, los electrones de los puntos 110, 120, 130, 140, 150 y 160 cuánticos están excitados con estados de mayor energía. Estos electrones posteriormente se relajan a partir de los estados de energía más alta a los estados de energía más baja emitiendo uno o más fotones de energía igual a la diferencia entre dichos estados de energía más alta y más baja.
En algunas realizaciones, se usa energía eléctrica y electrodos (no se muestran) para producir un campo eléctrico para excitar un electrón en un punto cuántico de la forma habitual en algunas realizaciones. A medida que el electrón se relaja a un estado de menor energía, emite un fotón con una longitud de onda dictada por la diferencia de energía entre el estado excitado y relajado. Estos fotones emitidos producen el espectro de emisión del dispositivo 100 de iluminación.
En algunas realizaciones, los puntos 150, 160 cuánticos están dispuestos para transmitir luz UV/azul en el rango de 250-400 nm, los puntos 140 y 130 cuánticos están dispuestos para transmitir luz verde y/o amarilla 400-600 nm, y el punto 120 cuántico está dispuesto para transmitir luz roja a 600-700 nm, y el punto 110 cuántico está dispuesto para transmitir luz roja lejana en la banda de 700-800 nm.
La intensidad de emisión relativa y el número de puntos 110, 120, 130, 140, 150 y 160 cuánticos de cierto tamaño se varían para producir un espectro de emisión agregado similar y/o idéntico al espectro de radiación fotosintéticamente activa (PAR) en algunas realizaciones. Incluso más preferiblemente, el espectro de emisión omite o proporciona una intensidad muy baja en el verde amarillo (500-600) nm y comprende una característica espectral de alta intensidad en la banda roja lejana de 700-800 nm que brilla sobre las plantas en una cámara de crecimiento oscura.
Todos o algunos de los puntos 110, 120, 130, 140, 150 y 160 cuánticos se fabrican típicamente a partir de cualquiera de las siguientes aleaciones: seleniuro de cadmio, sulfuro de cadmio, arseniuro de indio, fosfuro de indio y/o sulfuro de seleniuro de cadmio en algunas reivindicaciones.
Cabe señalar que en realizaciones más elaboradas el LED y/o el tamaño de al menos uno de dichos puntos 110, 120, 130, 140, 150 y/o 160 cuánticos se elige de modo que dicho punto cuántico produzca emisión de fotones en una banda del espectro de fotones con cierto efecto fotomorfogenético en plantas. Dicha variable fotomorfogenética afectada podría ser cualquiera de los siguientes parámetros biológicos: peso, número de hojas, masa de raíz, altura del tallo, composición química (tal como vitaminas, mineral, y/o contenido y/o concentración de nutrientes) que tiene la planta en diferentes momentos o en la madurez de la cosecha en algunas realizaciones de la invención.
En algunas realizaciones, al menos uno de dichos puntos 110, 120, 130, 140, 150 y/o 160 cuánticos se produce mediante síntesis coloidal. En la síntesis coloidal, los nanocristales semiconductivos coloidales se sintetizan a partir de compuestos precursores disueltos en soluciones, al igual que los procesos químicos tradicionales. Normalmente, la síntesis de puntos cuánticos coloidales se basa en un sistema de tres componentes compuesto por: precursores, tensioactivos orgánicos, y disolventes. El medio de reacción se calienta a una temperatura suficientemente alta, y los precursores se transforman químicamente en monómeros. Una vez que los monómeros alcanzan un nivel de sobresaturación suficientemente alto, el crecimiento de nanocristales comienza con un proceso de nucleación. La temperatura durante el proceso de crecimiento es uno de los factores críticos para determinar las condiciones óptimas para el crecimiento de nanocristales en algunas realizaciones. La temperatura suele ser lo suficientemente alta como para permitir la reordenación y el recocido de los átomos durante el proceso de síntesis, a la vez que es lo suficientemente baja como para promover el crecimiento de cristales. Otro factor crítico que se controla durante el crecimiento de nanocristales es la concentración de monómero en algunas realizaciones.
El proceso de crecimiento de los nanocristales puede ocurrir en dos regímenes diferentes, normalmente descritos como “enfoque” y “desenfoque”. A altas concentraciones de monómeros, el tamaño crítico (el tamaño en donde los nanocristales no crecen ni se encogen) es relativamente pequeño, lo que da como resultado el crecimiento de casi todas las partículas. En este régimen, las partículas más pequeñas crecen más rápido que las grandes, ya que los cristales más grandes necesitan más átomos para crecer que los cristales pequeños, y esto da como resultado un “enfoque” de la distribución de tamaño para producir partículas casi mono dispersas. El enfoque por tamaño es típicamente óptimo cuando la concentración de monómero se mantiene de tal manera que el tamaño medio de nanocristales presente es siempre ligeramente mayor que el tamaño crítico. Cuando la concentración de monómero se agota durante el crecimiento, el tamaño crítico se vuelve más grande que el tamaño promedio presente y la distribución se “desenfoca” como resultado de la maduración de Ostwald.
Existen métodos coloidales para producir diversos semiconductivos diferentes. Los puntos típicos de la invención están hechos de aleaciones binarias tales como seleniuro de cadmio, sulfuro de cadmio, arseniuro de indio, y fosfuro de indio. Aunque, los puntos también pueden estar hechos de aleaciones ternarias tales como sulfuro de seleniuro de cadmio en algunas realizaciones. Estos puntos cuánticos pueden contener de 100 a 100,000 átomos dentro del volumen del punto cuántico, con un diámetro de 10 a 50 átomos. Esto corresponde a alrededor de 2 a 10 nanómetros.
Es de acuerdo con la invención producir diferentes poblaciones de puntos cuánticos mediante diferentes métodos de síntesis coloidal, u otros métodos, y luego combinar dichas poblaciones para producir una distribución de tamaño que proporcione el espectro de emisión deseado para el cultivo de plantas.
Debe observarse que la realización 10 se puede utilizar junto con LEDs convencionales de acuerdo con la invención. La realización 10 también es adecuada para usarse como fuente de iluminación para al menos una planta en una cavidad de crecimiento oscura, o una cavidad con bajos niveles de luz ambiental.
También debe observarse que la realización 10 puede permutarse y/o combinarse fácilmente con cualquiera de las realizaciones 20, 30, 31,40, 50, 60, 70 y/u 80.
La Figura 2 muestra el funcionamiento del dispositivo de iluminación utilizando puntos cuánticos de la invención, por ejemplo, en un invernadero o en un entorno de cámara de crecimiento. En la fase 200, la emisión de luz se dirige a partir del dispositivo de iluminación hacia al menos una planta.
En la fase 210 se proporciona energía eléctrica al dispositivo de iluminación y al menos un punto cuántico en dicho dispositivo de iluminación, el cual produce un campo eléctrico. El campo eléctrico excita un electrón en un punto cuántico a un estado de mayor energía en la fase 220.
A medida que el electrón se relaja a un estado de energía más bajo, este emite un fotón con una longitud de onda dictada por la diferencia de energía entre el estado excitado y relajado en las fases 230 y 240. Estos fotones emitidos producen el espectro de emisión que se transmite a partir del dispositivo de iluminación. Los LEDs de la invención funcionan de la forma habitual.
En algunas realizaciones, luz UV/azul en el rango de 250-400 nm, luz verde y/o amarilla en el rango de 400-600 nm, luz roja de 600-700 nm, y/o luz roja lejana en la banda de 700-800 nm son emitidas por LEDs y/o puntos cuánticos de diferentes tamaños en el método de la invención. Normalmente, los puntos cuánticos más grandes emiten luz roja de longitud de onda más larga y los puntos cuánticos más pequeños y/o luz azul de LEDs de longitudes de onda más cortas en algunas realizaciones de la invención.
Debe observarse que la realización 20 se puede utilizar junto con LEDs convencionales de acuerdo con la invención. La realización 20 también es adecuada para usarse como método de iluminación para al menos una planta en una cavidad de crecimiento oscura, o una cavidad con bajos niveles de luz ambiental.
También debería observarse que la realización 20 se puede permutar y/o combinar fácilmente con cualquiera de las realizaciones 10, 30, 31,40, 50, 60, 70 y/u 80.
La Figura 3 muestra diferentes realizaciones 30, 31 de configuración de uso del dispositivo y método de iluminación artificial de invernadero de la invención. En una realización 30, las plantas 311 se cultivan en el suelo de un invernadero con paredes 301 transparentes. Un dispositivo 322 de iluminación con al menos un LED y/o punto cuántico se ubica en una posición a partir de donde los fotones emitidos por este pueden alcanzar tantas plantas 311 como sea posible con el máximo flujo de emisión. En algunas realizaciones, el espectro 350 de emisión del dispositivo de iluminación se ajusta para complementar el espectro de luz natural que es la luz solar que se transmite a través de la pared 301. En algunas realizaciones, el dispositivo 322 de iluminación puede comprender puntos cuánticos dispuestos para transmitir aquellas longitudes de onda que se filtran y/o atenúan por las paredes del invernadero de acuerdo con la invención.
En la realización 31, las plantas a cultivar se apilan en cámaras 360 de crecimiento en el invernadero 300. En algunas realizaciones, cada cámara de crecimiento tiene un dispositivo 321 de iluminación. Incluso si las plantas se apilan en cámaras de crecimiento transparentes, hay una mayor reducción y/o atenuación de la luz solar que en la realización 30, ya que algunos de los fotones necesitan transmitirse a través de más de una pared transparente. Por lo tanto, el dispositivo 321 de iluminación con puntos cuánticos típicamente complementa el espectro de luz natural de múltiples transmisiones como arriba, o en el caso de una cámara opaca proporciona toda la radiación de luz a las plantas 310. En algunas realizaciones, hay dispositivos de iluminación dedicados para cámaras de crecimiento y al menos un dispositivo 320 de iluminación compartido por más de una planta 310 en una o más cámaras 360 de crecimiento.
En algunas realizaciones, el al menos un LED y/o punto cuántico están dispuestos para producir un espectro de emisión que cuando se combina con el espectro 340 transmitido es similar al espectro de radiación fotosintéticamente activa (PAR). Incluso más preferiblemente, dicho espectro de emisión omite o proporciona una intensidad muy baja en el verde amarillo (500-600) nm y comprende una característica espectral de alta intensidad en la banda roja lejana de 700-800 nm que brilla en las plantas en una cámara de crecimiento oscuro. Este espectro es especialmente útil como la única fuente de luz para plantas cultivadas en cámaras de crecimiento oscuras de acuerdo con la invención.
En algunas realizaciones, se elige al menos un LED y/o un punto cuántico en el dispositivo de iluminación para emitir en una banda en el espectro de fotones, cuya banda tiene un cierto efecto fotomorfogenético en las plantas. Dicha variable fotomorfogenética afectada podría ser cualquiera de los siguientes parámetros biológicos: peso, número de hojas, masa de raíz, altura del tallo, composición química (tal como vitaminas, mineral, y/o contenido y/o concentración de nutrientes) de la planta 310, 311 en diferentes momentos o en la madurez de la cosecha.
Debe observarse que la realización 30 se puede utilizar junto con LEDs convencionales de acuerdo con la invención. Las realizaciones 30, 31 también son adecuadas para implementarse con cámaras 360 de crecimiento de cualquier nivel de opacidad o transparencia.
También debe observarse que las realizaciones 30 y 31 pueden permutarse y/o combinarse fácilmente entre sí y/o con cualquiera de las realizaciones 10, 20, 40, 50, 60, 70 y/u 80.
En la Figura 4, el LED semiconductivo y/o la frecuencia de emisión del chip de puntos cuánticos alcanza un pico a una longitud de onda de 457 nm con un pico de emisión de Ancho Completo a Mitad del Máximo (FWHM) de 25 nm. En este caso, la amplificación de longitud de onda se realiza utilizando dos materiales de amplificación. Estos dos materiales de amplificación de longitud de onda tienen picos de emisión individuales a 660 nm y 604 nm. Estos materiales pueden ser puntos cuánticos u otros materiales en algunas realizaciones. La Figura 4 muestra el pico de emisión combinado de estos dos materiales de amplificación de longitud de onda con un pico a una longitud de onda de 651 nm con un pico de emisión FWHM de 101 nm. En este caso, aproximadamente el 40% (calculado a partir de las intensidades de pico) del LED semiconductivo y/o la emisión del chip de puntos cuánticos se amplifica en una emisión de 651 nm mediante dos materiales de amplificación individuales.
En algunas realizaciones no se usa amplificación, y la característica espectral de longitud de onda más larga es emitida por al menos un LED y/o punto cuántico que es impulsado por potencia eléctrica.
Cabe señalar que el espectro 40 se puede utilizar e implementar con LEDs convencionales. El espectro 40 se puede implementar mediante al menos un punto cuántico y al menos un LED en combinación o al menos un punto cuántico solo de acuerdo con la invención. El espectro 40 es especialmente adecuado para ser utilizado para iluminar al menos una planta en una cavidad de crecimiento oscura, o una cavidad con bajos niveles de luz ambiental.
También debe observarse que la realización 40 se puede permutar y/o combinar fácilmente con cualquiera de las realizaciones 10, 20, 30, 31, 50, 60, 70 y/u 80.
En la Figura 5, el LED semiconductivo y/o la frecuencia de emisión del chip de puntos cuánticos alcanza un pico a una longitud de onda de 470 nm con un pico de emisión de ancho completo a mitad del máximo (FWHM) de 30 nm. En este caso, la amplificación de longitud de onda se realiza utilizando dos materiales de amplificación. Estos dos materiales de amplificación de longitud de onda tienen picos de emisión individuales a 660 nm y 604 nm. Estos materiales pueden ser puntos cuánticos u otros materiales en algunas realizaciones. La Figura 5 muestra el pico de emisión combinado de estos dos materiales de amplificación de longitud de onda con un pico a una longitud de onda de 660 nm con un pico de emisión FWHM de 105 nm. En este caso, aproximadamente el 60% (calculado a partir de las intensidades de pico) de la emisión del chip LED semiconductivo, se amplifica en una emisión de 660 nm mediante dos materiales de “amplificación” individuales.
En algunas realizaciones no se usa amplificación, y la característica espectral de longitud de onda más larga es emitida por al menos un LED y/o punto cuántico que es impulsado por potencia eléctrica.
Cabe señalar que el espectro 50 se puede utilizar e implementar con LEDs convencionales. El espectro 50 también se puede implementar mediante al menos un punto cuántico y al menos un LED en combinación o al menos un punto cuántico solo de acuerdo con la invención. El espectro 50 es especialmente adecuado para usarse para iluminar al menos una planta en una cavidad de crecimiento oscura, o una cavidad con bajos niveles de luz ambiental.
También debería observarse que la realización 50 puede permutarse y/o combinarse fácilmente con cualquiera de las realizaciones 10, 20, 30, 31, 40, 60, 70 y/u 80.
En la Figura 6, el LED semiconductivo y/o la frecuencia de emisión del chip de puntos cuánticos alcanza un pico a una longitud de onda de 452 nm con un pico de emisión de Ancho Completo a Mitad del Máximo (FWHM) de 25 nm (no se muestra en la Figura 6). En este caso, la amplificación de longitud de onda se realiza utilizando un material de amplificación. Este material puede ser un punto cuántico u otro material en algunas realizaciones. La Figura 6 muestra el pico de emisión de este material de amplificación con un pico de longitud de onda de 658 nm con un pico de emisión FWHM de 80 nm. En este caso, aproximadamente el 100% (calculado a partir de las intensidades de pico) del LED semiconductivo y/o la emisión del chip de puntos cuánticos, se amplifica en una emisión de 658 nm mediante el material de amplificación. Esto se puede observar en la Figura 6, ya que no hay una emisión de 452 nm que salga del LED y/o del dispositivo de puntos cuánticos.
En algunas realizaciones no se usa amplificación, y la característica espectral de longitud de onda más larga es emitida por al menos un LED y/o punto cuántico que es impulsado por potencia eléctrica.
Cabe señalar que el espectro 60 se puede utilizar e implementar con LEDs convencionales. El espectro 60 se puede implementar también mediante al menos un punto cuántico y al menos un LED en combinación o al menos un punto cuántico solo de acuerdo con la invención. El espectro 60 es especialmente adecuado para ser utilizado para iluminar al menos una planta en una cavidad de crecimiento oscura, o una cavidad con bajos niveles de luz ambiental.
También debería observarse que la realización 60 puede permutarse y/o combinarse fácilmente con cualquiera de las realizaciones 10, 20, 30, 31, 50, 70 y/u 80.
En la Figura 7, el LED semiconductivo y/o la frecuencia de emisión del chip de puntos cuánticos alcanza un pico a una longitud de onda de 452 nm de longitud de onda con un pico de emisión de Ancho Completo a Mitad del Máximo (FWHM) de 25 nm. En este caso, la amplificación de longitud de onda se realiza utilizando un material de amplificación. Este material puede ser un punto cuántico u otro material en algunas realizaciones. La Figura 7 muestra el pico de emisión de este material de amplificación con un pico de longitud de onda de 602 nm con un pico de emisión FWHM de 78 nm. En este caso, aproximadamente el 95% (calculado a partir de las intensidades de pico) del LED semiconductivo y/o la emisión del chip de puntos cuánticos se amplifica en una emisión de 602 nm mediante el material de amplificación de longitud de onda.
En algunas realizaciones no se usa amplificación, y la característica espectral de longitud de onda más larga es emitida por al menos un LED y/o punto cuántico que es impulsado por potencia eléctrica.
Cabe señalar que el espectro 70 se puede utilizar e implementar con LEDs convencionales. El espectro 70 se puede implementar también mediante al menos un punto cuántico y al menos un LED en combinación o al menos un punto cuántico solo de acuerdo con la invención. El espectro 70 es especialmente adecuado para ser utilizado para iluminar al menos una planta en una cavidad de crecimiento oscura, o una cavidad con bajos niveles de luz ambiental.
También debería observarse que la realización 70 puede permutarse y/o combinarse fácilmente con cualquiera de las realizaciones 10, 20, 30, 31, 40, 50, 60 y/u 80.
La Figura 8 muestra un espectro 80 optimizado que maximiza la producción de biomasa en las plantas. El espectro optimizado se produce preferiblemente con los dispositivos de iluminación de la invención descritos en esta solicitud. El espectro 80 tiene ventajas especiales en el cultivo de la cámara de crecimiento, donde la cámara de crecimiento es una cámara oscura, es decir, tiene niveles bajos o nulos de luz solar y/o luz ambiental. El dispositivo de luz de la invención que produce el espectro 80 se puede colocar en dicha cámara y maximizar la producción de biomasa de acuerdo con la invención. El inventor ha descubierto experimentalmente la característica de maximización de la biomasa del espectro 80.
También debería observarse que la realización 80 se puede permutar y/o combinar fácilmente con cualquiera de las realizaciones 10, 20, 30, 31, 40, 50, 60 y/o 70.
Los materiales y tamaños de LED y/o puntos cuánticos usados deben seleccionarse de manera que se logre un espectro de emisión deseado del LED y/o dispositivo de puntos cuánticos.
Para resumir, al ajustar el LED, las especies de puntos cuánticos y/o la distribución del tamaño, es posible sintonizar los espectros de emisión deseados a partir del LED y/o dispositivo de puntos cuánticos y ajustando el número de puntos cuánticos y/o LED, es posible ajustar la cantidad/número de emisión de chip deseados para el dispositivo de emisión de luz.
La presente invención también se refiere a un dispositivo de iluminación para facilitar el crecimiento de plantas que comprende al menos un LED y/o un punto cuántico que tiene características espectrales que incluyen un pico en el rango de longitud de onda de 600 a 700 nm.
Mediante el uso de este enfoque, las fuentes de luz pueden diseñarse para alcanzar una eficiencia y un rendimiento superiores de PPF y PPF por vatio y un consumo de potencia muy bajo y una vida útil de funcionamiento muy larga en comparación con las tecnologías existentes, lo cual las hace muy útiles en cámaras de crecimiento oscuro.
En algunas realizaciones, la emisión a una frecuencia de 300-500 nm se genera por el chip LED semiconductivo y la emisión a una frecuencia de 400-800 nm se genera usando una amplificación de longitud de onda completa o parcial de la potencia de radiación del chip LED. La amplificación de longitud de onda parcial se puede seleccionar para que esté en el intervalo del 5-95%, preferiblemente del 35-65%, de la radiación del chip LED semiconductivo. La amplificación de longitud de onda para producir la radiación de 400-800 nm se logra utilizando uno o más materiales de amplificación en las proximidades de la fuente de emisión de LED en algunas realizaciones.
En esta aplicación, la longitud de onda máxima “ajustable” como en el anterior se interpreta como una longitud de onda pico que se puede ajustar durante el montaje del dispositivo de iluminación en la fábrica, y/o también “ajustable” como en un dial ajustable en el accesorio de iluminación para el ajuste de la longitud de onda máxima en el sitio. Además, el ajuste de las longitudes de onda máximas de los LEDs y/o puntos cuánticos durante el proceso de fabricación del dispositivo también está de acuerdo con la invención, y se debe interpretar que “ajustable” también incluye los ajustes realizados durante el proceso de fabricación del LED y/o punto cuántico. Todas las realizaciones mencionadas anteriormente de una longitud de onda de pico ajustable, o cualquier otra fuente de luz ajustable, LED y/o variable de punto cuántico están dentro del alcance de esta solicitud de patente.
En una realización de ejemplo especial de la invención, se mezclaron nanopartículas de punto cuántico de CdSe-ZnS (núcleo-caparazón) con un tamaño de partícula medio de 6.6 nm con una distribución de tamaño de partícula de aproximadamente /- 0.5 nm con una resina encapsulante de silicona de dos componentes. La proporción de mezcla fue del 0.2% en peso de nanopartículas en la resina de silicona. La resina que contenía nanopartículas se dispensó como encapsulante en un portador de chips con plomo de plástico (PLCC) que constaba de un diodo emisor de luz InGaN en la cavidad del PLCC. Se determinó que los diodos emisores de luz tenían una emisión electroluminiscente en un rango de longitud de onda de 450 nm.
El paquete de PLCC que contenía InGaN con nanopartículas que contenían material encapsulante se conectó a una fuente de alimentación de voltaje CC con voltaje directo de 3.2 V y corriente de 350 mA. El espectro de emisión óptica del dispositivo se caracterizó para dar como resultado dos picos de emisión, uno en el rango de longitud de onda de 450 nm y el segundo en el rango de longitud de onda de 660 nm. Se observó que la amplitud total del pico de emisión del rango de longitud de onda a mitad del máximo de 660 nm estaba por encima de aproximadamente 60 nm. Las relaciones de intensidad de los picos de 450 nm y 660 nm fueron 0.5:1. El experimento antes mencionado ha sido realizado por el solicitante.
Es de acuerdo con la invención incluir al menos un LED y/o punto cuántico con diferentes picos de emisión en un accesorio y controlarlos con el fin de proporcionar una emisión espectral deseable para lograr un determinado resultado de crecimiento o respuesta fisiológica. De esta forma, el sistema de iluminación permitiría un control versátil de la intensidad y el espectro de la iluminación. En definitiva, el control de otros parámetros abióticos tales como la concentración de CO2, la temperatura, la disponibilidad de luz diurna y la humedad podrían integrarse dentro de un mismo sistema de control junto con la iluminación, optimizando la productividad del cultivo y la gestión global del invernadero.
La invención se ha explicado anteriormente con referencia a las realizaciones mencionadas anteriormente y se han demostrado diversas ventajas comerciales e industriales. Los métodos y disposiciones de la invención permiten una sintonización espectral más precisa del espectro de emisión para las luces utilizadas en el cultivo de plantas. Por lo tanto, la invención realiza mejoras inesperadas en el control fotomorfogenético del crecimiento de las plantas, y mejoras adicionales en la producción de plantas, especialmente en cámaras de crecimiento oscuras, tales como los sótanos. La invención también mejora considerablemente la eficiencia energética del cultivo de plantas que depende de la luz artificial. Además, la calidad de las cosechas se mejora considerablemente con los dispositivos de iluminación de la invención y esto trae una multitud de ventajas relacionadas con el cultivo en cámaras de crecimiento oscuras o cámaras con luz ambiental muy limitada: En primer lugar, las plantas pueden cultivarse más cerca del lugar de consumo, por ejemplo, en sótanos residenciales en las grandes ciudades, eliminando así los costes de transporte. En segundo lugar, las plantas pueden cultivarse en geografías donde la agricultura no es tradicionalmente posible, por ejemplo, condiciones cálidas del desierto en el verano. En tercer lugar, a medida que se mejora la calidad de las plantas, también se mejora la consistencia entre plantas individuales, lo cual facilita la cosecha. Esto se debe a que hay menos individuos rechazados y el equipo de recolección con base en visión artificial puede reconocer mejor las plantas cuando tienen una calidad, tamaño y color consistentes. En cuarto lugar, las propiedades de las plantas se pueden variar de forma controlada porque casi todos los parámetros de crecimiento están bajo control, lo cual es especialmente ventajoso cuando se cultivan flores y plantas ornamentales. En quinto lugar, una dosis constante de fotones todos los días para las plantas ayuda en la administración de nutrientes, la dosis de nutrientes se puede mantener durante todo el año. En sexto lugar, en geografías muy cálidas y soleadas, las plantas pueden cultivarse en cámaras de crecimiento oscuras y opacas que reflejan la luz solar. La energía gastada en la iluminación artificial de la invención es considerablemente menor que la que se habría gastado en aire acondicionado o refrigeración de la planta bajo la luz del sol.
En el siguiente párrafo, se describen algunos ejemplos de dispositivos de iluminación hortícolas, dispositivos de iluminación, componentes emisores de luz, dispositivos emisores de luz, y métodos de acuerdo con la presente divulgación.
Ejemplo 1
Un accesorio de iluminación hortícola en una cavidad oscura o sombreada que comprende al menos un LED y/o un punto cuántico que tiene
a) primeras características espectrales que incluyen un pico en el rango de longitud de onda de 600 a 700 nm y dispuestas para exhibir un ancho completo a mitad del máximo de al menos 50 nm o más;
b) segundas características espectrales con un máximo de 50 nm de ancho completo a mitad del máximo y dispuestas para exhibir una longitud de onda máxima en el rango de 440 a 500 nm.
Ejemplo 2
Un accesorio de iluminación hortícola en una cavidad oscura o sombreada que comprende al menos un LED y/o un punto cuántico que tiene
a) primeras características espectrales que incluyen un pico en el rango de longitud de onda de 600 a 700 nm y dispuestas para exhibir un ancho completo a mitad del máximo de al menos 50 nm o más;
b) segundas características espectrales con un máximo de 50 nm de ancho completo a mitad del máximo y dispuestas para exhibir una longitud de onda máxima en el rango de 440 a 500 nm, y
c) al menos una parte o la totalidad de la emisión en longitudes de onda de 500-600 nm está dispuesta para ser minimizada y/u omitida y/o para reducirse por debajo de la intensidad en la banda de 400-500 nm y por debajo de la intensidad en la banda de 600-700 nm.
Ejemplo 3
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con el Ejemplo 1, en donde al menos una parte o la totalidad de la emisión a longitudes de onda de 500-600 nm está dispuesta para ser minimizada y/o omitida y/o para reducirse por debajo de la intensidad en la banda de 400-500 nm y por debajo de la intensidad en la banda de 600-700 nm.
Ejemplo 4
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con el Ejemplo 1, 2, o 3, en donde el LED y/o el punto cuántico tienen características espectrales con un pico libremente ajustable en el rango de longitud de onda de 500 a 800 nm y dispuesto para exhibir al menos 30 nm de ancho completo a mitad del máximo.
Ejemplo 5
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con cualquiera de los Ejemplos 1 a 4, en donde las intensidades de emisión de la primera, segunda y tercera características espectrales opcionales del LED y/o punto cuántico están dispuestas para ser ajustables.
Ejemplo 6
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con cualquiera de los Ejemplos 1 a 5, que comprende un segundo LED y/o punto cuántico con al menos una característica espectral con un máximo de 50 nm de ancho completo a mitad del máximo y una longitud de onda máxima en el rango de 400 a 500 nm y, opcionalmente, segunda y tercera características espectrales dispuestas para tener longitudes de onda máximas libremente ajustables en el intervalo de 450 nm a 800 nm.
Ejemplo 7
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con cualquiera de los Ejemplos 1 a 6, en donde el valor PPF del dispositivo por vatio es 0.35 o superior.
Ejemplo 8
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con cualquiera de los Ejemplos 1 a 7, en donde las características de emisión espectral; la intensidad, la longitud de onda máxima y el ancho completo a mitad del máximo se controlan con el tamaño, el número y la especie de puntos cuánticos.
Ejemplo 9
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con cualquiera de los Ejemplos 1 a 8, en donde
a) el primer LED y/o punto cuántico tiene primeras características espectrales que comprenden una longitud de onda máxima en el rango de longitud de onda de 600 a 700 nm y está dispuesto para exhibir al menos un ancho completo a mitad del máximo de al menos 50 nm;
b) el primer LED y/o punto cuántico tiene además segundas características espectrales que comprenden un pico en el rango de longitud de onda de 440 a 500 nm; y
c) el primer LED y/o punto cuántico que tiene opcionalmente una tercera característica espectral de una longitud de onda máxima libremente ajustable en el rango de 500 nm a 800 nm, dispuesto para exhibir al menos 30 nm de ancho completo a la mitad del máximo;
d) que las intensidades de emisión de la primera, segunda y tercera características espectrales opcionales sean ajustables en cualquier relación.
Ejemplo 10
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con el Ejemplo 9, que comprende un segundo LED y/o punto cuántico con al menos una característica espectral con un máximo de 50 nm de ancho completo a la mitad del máximo y una longitud de onda máxima en el rango de 400 a 500 nm y características espectrales segunda y tercera opcionales que tienen longitudes de onda de pico libremente ajustables en el rango de 450 nm a 800 nm.
Ejemplo 11
Un dispositivo de iluminación para el cultivo de plantas de acuerdo con el Ejemplo 1 o 2, en donde dicho dispositivo (100) de iluminación comprende una pluralidad de puntos cuánticos (110, 120, 130, 140, 150, 160) de diferente tamaño.
Ejemplo 12
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con el Ejemplo 1, 2 u 11, en donde al menos un LED y/o la distribución de tamaño de dicha pluralidad de puntos cuánticos (110, 120, 130, 140, 150, 160) está dispuesto para producir un espectro de emisión agregada similar al espectro de radiación fotosintéticamente activa (PAR) excepto que el espectro de emisión omite o proporciona una intensidad muy baja en el verde amarillo (500-600) nm y comprende una característica espectral de alta intensidad en la banda roja lejana de 700-800 nm.
Ejemplo 13
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con el Ejemplo 11, en donde el tamaño de al menos uno de dichos puntos cuánticos se elige para que emita fotones en una banda o en diversas bandas con intensidades relativas preestablecidas en el espectro de fotones con un cierto efecto fotomorfogenético en plantas.
Ejemplo 14
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con el Ejemplo 13, en donde dicha variable fotomorfogenética afectada es cualquiera de los siguientes parámetros biológicos: peso, número de hojas, masa de raíz, altura del tallo, composición química (tal como vitaminas, mineral, y/o contenido y/o concentración de nutrientes) de la planta en diferentes momentos o en la madurez de la cosecha.
Ejemplo 15
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con el Ejemplo 11, en donde al menos uno de dichos puntos (110, 120, 130, 140, 150, 160) cuánticos está hecho de cualquiera de las siguientes aleaciones: seleniuro de cadmio, sulfuro de cadmio, arseniuro de indio, fosfuro de indio y/o sulfuro de seleniuro de cadmio.
Ejemplo 16
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con el Ejemplo 11, en donde dicha distribución de tamaño de puntos (110, 120, 130, 140, 150, 160) cuánticos comprende puntos cuánticos de diferentes tamaños dentro del rango de 2 nm -200 nm.
Ejemplo 17
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con el Ejemplo 11, en donde al menos uno de dichos puntos (110, 120, 130, 140, 150, 160) cuánticos se produce mediante síntesis coloidal.
Ejemplo 18
Un dispositivo de iluminación de acuerdo con el Ejemplo 1, 2 y/u 11, en donde el LED y/o el tamaño de al menos un punto (110, 120, 130, 140, 150, 160) cuántico está dispuesto de modo que emite en la banda roja lejana de 700-800 nm.
Ejemplo 19
Un dispositivo de luz de invernadero y/o cámara de crecimiento de acuerdo con el Ejemplo 1 o 2, en donde dicho dispositivo de luz comprende al menos un punto (110, 120, 130, 140, 150, 160) cuántico.
Ejemplo 20
Un componente emisor de luz de una luz hortícola en una cavidad oscura o sombreada, que comprende;
- un chip semiconductivo de diodo emisor de luz (LED); y
- un punto cuántico de amplificación de longitud de onda de luz o fósforo el cual se deposita en las proximidades directas del chip de punto cuántico;
siendo dicho componente capaz de emitir dos picos de emisión de luz característicos, y al menos una parte o la totalidad de la emisión a longitudes de onda de 500-600 nm está dispuesta para ser minimizada y/u omitida y/o para reducirse por debajo de la intensidad en la banda de 400-500 nm y por debajo de la intensidad en la banda de 600­ 700 nm.
Ejemplo 21
El componente emisor de luz de acuerdo con el Ejemplo 20, en donde el punto cuántico de amplificación de longitud de onda de luz o fósforo se deposita directamente sobre la superficie del chip LED o se separa con otro material óptico. Ejemplo 22
El componente emisor de luz de acuerdo con el Ejemplo 20 o 21, en donde el chip LED semiconductivo de diodo emisor de luz tiene un intervalo de emisión máxima de 440 a 500 nm.
Ejemplo 23
El componente emisor de luz de acuerdo con uno cualquiera de los Ejemplos 20 a 22, en donde el punto cuántico de amplificación de longitud de onda o fósforo está dispuesto para convertir parte de la energía de emisión de luz emitida por el chip LED semiconductivo a la longitud de onda alta de 600 a 700 nm.
Ejemplo 24
El componente emisor de luz de acuerdo con cualquiera de los Ejemplos 20 a 23, en donde los dos picos de emisión de luz característicos están a 440 nm-500 nm y 600-700 nm, respectivamente.
Ejemplo 25
El componente emisor de luz de acuerdo con cualquiera de los Ejemplos 20 a 24, en donde los dos picos de emisión de luz característicos omiten las características espectrales, una de al menos 50 nm de ancho completo a la mitad del máximo y otra máxima de 50 nm de ancho completo a la mitad del máximo y ambas en diferentes rangos de longitud de onda.
Ejemplo 26
El uso del dispositivo o accesorio de iluminación de acuerdo con el Ejemplo 1 o 2 para proporcionar luz para al menos una planta con la dicha al menos una planta en luz ambiental o en una cavidad oscura con dicho dispositivo o accesorio de iluminación como la única fuente de luz.
Ejemplo 27
El uso del componente emisor de luz de acuerdo con el Ejemplo 20 para proporcionar luz para al menos una planta con la dicha al menos una planta en luz ambiental o en una cavidad oscura con dicho dispositivo o accesorio de iluminación como la única fuente de luz.
Ejemplo 28
Un método para mejorar el crecimiento de plantas en donde al menos un dispositivo o accesorio de iluminación de acuerdo con el Ejemplo 1 o 2 emite luz a al menos una planta con la dicha al menos una planta en luz ambiental o en una cavidad oscura con dicho dispositivo o accesorio de iluminación como la única fuente de luz.
Ejemplo 29
Un método para mejorar el crecimiento de plantas en donde al menos un componente emisor de luz de acuerdo con el Ejemplo 20 emite luz a al menos una planta con dicha al menos una planta en luz ambiental o en una cavidad oscura con dicho dispositivo o accesorio de iluminación como la única fuente de luz.
Ejemplo 30
Un dispositivo, accesorio y/o componente emisor de luz de acuerdo con cualquiera de los Ejemplos 1, 18, 19 y/o 20 en donde dicho dispositivo, accesorio y/o componente emisor de luz está rodeado por una cavidad sombreada la cual opcionalmente puede estar cerrada con una tapa.
Ejemplo 31
Un dispositivo, accesorio y/o componente emisor de luz de acuerdo con cualquiera de los Ejemplos 1, 18, 19 y/o 20 en donde toda o parte de la emisión a una frecuencia de 600-800 nm se genera usando un amplificación de longitud de onda del LED y/o potencia de radiación del chip de punto cuántico y/o por otro punto cuántico alimentado de manera eléctrica.
La invención se ha explicado anteriormente con referencia a las realizaciones y ejemplos mencionados anteriormente. Sin embargo, está claro que la invención no solo está restringida a estas realizaciones, sino que comprende todas las posibles realizaciones dentro del alcance de la invención tal como se define en las siguientes reivindicaciones de patente.
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Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Un accesorio (100, 321) de iluminación hortícola configurado para proporcionar iluminación hortícola a una cámara (360) de crecimiento que no recibe luz solar durante su uso, en donde el accesorio de iluminación hortícola comprende una primera fuente de emisión que comprende un LED y/o un punto cuántico configurado para emitir las principales características espectrales en la radiación fotosintéticamente activa, PAR, área espectral, en donde
a) las principales características espectrales tienen primeras características espectrales que incluyen un pico en el rango de longitud de onda de 600 nm a 700 nm y están dispuestas para exhibir un ancho completo de la mitad del máximo de al menos 50 nm o más;
b) las características espectrales principales tienen características espectrales secundarias con un máximo de 50 nm de ancho completo a la mitad del máximo y están dispuestas para exhibir una longitud de onda pico en el rango de 440 nm a 500 nm;
c) al menos parte de la emisión en un rango de longitud de onda de 600 nm a 800 nm se genera mediante amplificación de longitud de onda de la luz emitida por el LED o punto cuántico que tiene una longitud de onda entre 300 nm y 500 nm, donde por amplificación de longitud de onda se entiende el cambio de luz absorbida entrante a luz emitida de longitudes de onda más largas; y
d) al menos una parte o la totalidad de la emisión del espectro principal en longitudes de onda de 500 nm a 600 nm está dispuesta para minimizarse y/u omitirse y/o para reducirse por debajo de la intensidad en la banda de 400 nm a 500 nm y por debajo de la intensidad en la banda de 600 nm a 700 nm, y una segunda fuente de emisión que comprende al menos un segundo LED y/o punto cuántico, caracterizada porque la segunda fuente de emisión está configurada para emitir al menos una característica espectral lateral seleccionada entre las primeras características espectrales en un área de 700 nm a 800 nm y segundas características espectrales en un área de 300 nm a 400 nm, y en que las intensidades de las respectivas emisiones de la primera fuente de emisión y la segunda fuente de emisión son ajustables independientemente.
2. Un accesorio de iluminación hortícola de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las características espectrales laterales comprenden un pico en la región de la longitud de onda del rojo lejano.
3. Un accesorio de iluminación hortícola de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la amplificación de longitud de onda se genera con al menos dos materiales de amplificación.
4. Un método de cultivo para una cámara (360) de crecimiento con luz solar cero, en donde el método comprende iluminar al menos una planta en la cámara (360) de crecimiento con un accesorio (100, 321) de iluminación hortícola, en donde el accesorio de iluminación hortícola comprende una primera fuente de emisión que comprende un LED y/o un punto cuántico que emite características espectrales principales en el área de radiación fotosintéticamente activa, PAR, en donde
a) las principales características espectrales tienen primeras características espectrales que incluyen un pico en el rango de longitud de onda de 600 nm a 700 nm y están dispuestas para exhibir un ancho completo de la mitad del máximo de al menos 50 nm o más;
b) las características espectrales principales tienen características espectrales secundarias con un máximo de 50 nm de ancho completo a mitad del máximo y están dispuestas para exhibir una longitud de onda máxima en el rango de 440 nm a 500 nm;
c) al menos parte de la emisión a una frecuencia de 600 nm a 800 nm se genera mediante amplificación de longitud de onda de la luz emitida por el LED o punto cuántico que tiene una longitud de onda entre 300 nm y 500 nm, donde la amplificación de longitud de onda significa el cambio de luz absorbida entrante a luz emitida de longitudes de onda más largas; y
d) al menos una parte o la totalidad de la emisión del espectro principal en longitudes de onda de 500 nm a 600 nm está dispuesta para minimizarse y/u omitirse y/o para reducirse por debajo de la intensidad en la banda de 400 nm a 500 nm y por debajo de la intensidad en la banda de 600 nm a 700 nm, y una segunda fuente de emisión que comprende al menos un LED y/o punto cuántico caracterizada porque la segunda fuente de emisión está configurada para emitir al menos una característica espectral lateral seleccionadas de las primeras características espectrales en 700 nm a 800 nm de área espectral y segundas características espectrales en 300 nm a 400 nm de área y porque el método comprende además: ajustar la intensidad de emisión de al menos una de las características espectrales laterales con el fin de lograr un efecto fotomorfogenético en al menos una planta, en donde las intensidades de las respectivas emisiones de la primera fuente de emisión y la segunda fuente de emisión son ajustables de forma independiente.
5. Un método de cultivo de acuerdo con la reivindicación 4, en donde las características espectrales laterales comprenden un pico en la región de longitud de onda del rojo lejano.
6. Un sistema de iluminación hortícola que comprende
un dispositivo de iluminación hortícola de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, y medios de control configurados para controlar un efecto fotomorfogenético en la al menos una planta ajustando la intensidad de la emisión de la segunda fuente de emisión.
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