JP5269071B2 - 園芸用アプリケーションのための照明システム - Google Patents

Description

本発明は、園芸用照明システム、パルス化された光を植物に当てるための斯様な照明システムの使用、及び、パルス化された光で温室内の植物を照射する方法に関する。

一般に、植物の成長を支援するために、温室内、又は、生物が光、例えばフォトバイオリアクタ（photo- bioreactor）で照射される他の環境における園芸用アプリケーションに対する照明システムが用いられる。新たな園芸用システムを開発する場合に、最も重要な目標の一つは、総所有コスト（ＴＣＯ；total cost of ownership）の削減である。

従来において、種々異なる文献、例えば米国特許公開第２００４／０１０９３０２号明細書は、植物の成長に対するパルス化された光の影響について報告している。述べられた研究では、パルス化された光（周波数、デューティサイクル）が、連続光に比べて、エネルギ消費に対してプラスの効果をもち、植物の成長に対してマイナスの効果がないことを示している。植物の色素は、第一光子の吸収後に第二光子を直接的に吸収することができないことが考えられる。従って、パルス化された光は、削減された電力消費によりＴＣＯを減少させ、これにより、システムの全体効率を増大させる。容易にパルス化され得る光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。（マイクロモル／Ｊで測定された）今日のＬＥＤの効率は、最新式の高圧ナトリウムランプのものに近づいているか、又は、既に上回っている。加えて、放射スペクトルは、色素の吸収スペクトルに変えられ得る。しかしながら、問題は、ＬＥＤ用のドライバが、高効率、高電力密度、高信頼性及びガルバニック絶縁（galvanic isolation）を同時に提供しないことである。

園芸用アプリケーションのための高圧ナトリウムランプに関連する他の問題は、典型的に、緑／黄色のスペクトルの光を生成することである。しかしながら、最も共通の色素の吸収スペクトルは、異なる周波数範囲にある。

上記を考慮すると、本発明の目的は、従来の照明システム、特に高圧ナトリウムランプを用いたシステムの不足を克服する照明システムを提供することにある。他の目的は、照明システムの総所有コストを削減することにある。

これらの目的は、好ましくは、温室、又は、生物がフォトバイオリアクタのような光で照射される他の環境のための園芸用照明システムであって、双方の列が互いに並列に電気的に接続される、少なくとも１つの照明要素の第１の列と、少なくとも１つの照明要素の第２の列とを有し、前記列の並列回路にＡＣ電流／電圧を供給する電力供給ユニットと、各列がパルス化された光を照射するように、ＡＣ電圧の第１の半期間の間、第１の列を活性化させ、ＡＣ電圧の第２の半期間の間、第２の列を活性化させるための手段とを有し、前記第１の列及び前記第２の列は、異なるエリアが照射されるように設けられる、園芸用照明システムにより達成される。

色素は第一光子の吸収後に第二光子を直接的に吸収することができないことが文献から知られている。これは、２つの提供された光子間の断絶がシステムの効率を増大させることを意味する。本発明の園芸用照明システムは、同一の電力供給ユニットにより交互に活性化される２列の照明要素であって双方の列の照明要素が温室又は前述した環境の異なるエリアを照射するように設けられる２列の照明要素を提供することにより、この効果を利用する。好ましくは、電力供給ユニットの出力は、２列のうちの１列を通る発生電流が正弦波の半周期であるような正弦波である。それ故、各列は、電力供給ユニットのＡＣ電流／電圧の周波数に依存する周波数のパルス化された光を生成する。双方の列が同一のエリアを照射しないので、パルス化された照射は、温室の照射されたエリアに対して調和又は均一にされない。

本発明の場合には、電力供給ユニットは、要求されたＡＣ電流／電圧を供給することができるいずれかの部品又は回路を意味する。最も簡素な場合において、電力供給ユニットは、メイン又はいずれかの他のＡＣグリッドと接続される電路及び入力端子だけを有する。典型的には、電力供給ユニットは、メイン周波数とは異なる予め決められた周波数を伴うＡＣ電圧を提供するための駆動回路を有する。

本発明の場合には、活性化させるための手段は、２つの方向の電流の流れをブロックし得るスイッチ、又は、一方向の電流をブロックし得るダイオードのような、少なくとも１つの方向の電流の流れを有効又は無効にし得るいずれかのデバイス又は部品である。

本発明の照明システムの利点の１つは、ＡＣ電流／電圧の双方の半期間が２つの異なるエリアを照射する光を生成するために用いられるので、エネルギ消費に関して非常に効率的である点である。それ故、総所有コストが削減され得る。換言すれば、本発明の照明システムは、非常にエネルギ効率の良いシステムを実現するための最新のドライバ技術で植物又は任意の他の生物を照射するために、パルス化された光を組み合わせる。

好ましい実施形態において、前記活性化させるための手段は、前記第１の列に割り当てられた第１のダイオードと、前記第２の列に割り当てられた第２のダイオードとを有し、双方のダイオードが、互いに逆並列で設けられる。

換言すれば、各列は、列の少なくとも１つの照明要素と直列に接続されたダイオードを有し、双方のダイオードは、前記電力供給ユニットの電流が双方の列に対して交互に異なる方向に流れるように、互いに逆並列で設けられる。電流の流れを制御するための手段としてのダイオードの使用は、電子スイッチ等のような、電流の流れを制御するための他の解決策と比較して、安価であり、より単純である。

他の好ましい実施形態において、前記照明要素は、発光ダイオード（ＬＥＤ）及び／又は有機発光ダイオードを有する。

この手段は、園芸用アプリケーションに概ね用いられる高圧ナトリウムランプと比較して、発光ダイオードが非常にエネルギ効率の良い要素であるという利点をもつ。本発明の場合における"発光ダイオード"が有機発光ダイオードをも意味することに留意されるべきである。

発光ダイオードの他の利点は、電圧を印加する手段の機能も引き継ぐことである。ＬＥＤを双方の列に互いに逆並列に設けることだけを必要とする。

更に好ましい実施形態は、電球を有する。

照明要素は、発光ダイオード及びランプのいずれかの組み合わせをも有し得ることに留意されたい。更に、前記列は、非対称であってもよく、これは、照明要素の数及び／又は照明要素のタイプが列で異なることを意味する。

好ましくは、各列は、直列、並列又は並列及び直列接続の任意の組み合わせで互いに接続される複数の照明要素、好ましくはＬＥＤを有する。

前述した手段は、非常に費用効率が良くエネルギ効率が良い照明システムの実装が達成可能であるという利点をもつ。

更に好ましい実施形態において、前記電力ユニットは、ＤＣ−ＡＣコンバータを有する。より好ましくは、前記コンバータは、共振ハーフブリッジコンバータ又は共振フルブリッジコンバータを有する。

共振コンバータの供給は、複数の利点、例えば、電力供給ユニットがメイン電圧により供給される場合に頻繁に必要とされるガルバニック絶縁を提供する。更に、電力供給ユニットは、ソフトスイッチングに起因して高効率をもつ。更に、非常に高いスイッチング周波数が用いられ得るので、高電力密度が達成可能である。それ故、受動素子が小さく設計され得る。更に、部品の削減されたストレスにより信頼性が非常に高くなる。

他の好ましい実施形態において、前記照明要素は、放射スペクトルが、温室内に照射されるべき植物の吸収スペクトルと適合するように選択される。好ましくは、一部の照明要素は、異なる波長をもつ。より好ましくは、前記ＡＣ電圧の周波数は、前記照明要素のパルス期間が、２マイクロ秒と２０ミリ秒との間、好ましくは１０マイクロ秒と１ミリ秒との間、好ましくは１００マイクロ秒であるように選択される。

前述した手段は、照明システムにより照射された植物の成長が追加的にサポート及び促進されるという利点をもつ。

前述した本発明の目的は、生物が光で照射され得る環境、又は、パルス化された光を植物に当てるための温室において本発明の照明システムを用いることによっても達成される。

前述された目的は、温室内の植物、又は、特別な環境内の他の生物を、双方の列が前記温室又は前記環境の異なるエリアに光を照射するように適合された２つの並列に接続された列に設けられた照明要素からのパルス化された光で照射する方法であって、ＡＣ電流／電圧を供給するステップと、第１のエリアに光を照射するために、前記ＡＣ電圧の第１の半期間の間、一方の列に電圧を印加するステップと、前記第１のエリアとは異なる第２のエリアに光を照射するために、前記ＡＣ電圧の第２の半期間の間、他方の列に電圧を印加するステップとを有する、方法によっても達成される。

この方法は、前述したものと同一の利点を達成し、従ってこれらを参照する。

前記ＡＣ電圧は、パルス期間が、２マイクロ秒と２０ミリ秒との間、好ましくは１０マイクロ秒と１ミリ秒との間、好ましくは１００マイクロ秒であるように選択されることが更に好ましい。

このパルス期間が有利であることが証明された。

更なる特徴及び利点は、以下の説明及び開示された図面から得られる。

前述された特徴及び以下で説明されるべき特徴は、示されたそれぞれの組み合わせについてだけでなく、本発明の範囲を逸脱することなく他の組み合わせ又は分離についても用いられ得ることが理解されるべきである。

本発明の実施形態は、図面に示され、図面を参照して以下の説明でより詳細に説明されるだろう。

温室のための本発明の園芸用照明システムの概略的なブロック図である。 電力供給ユニットの出力を示す電圧図である。 異なるエリアをもつ温室の概略的な上面図である。 園芸用照明システムの好ましい実施形態である。 共振ハーフブリッジコンバータを用いた図２の実施形態の概略的なブロック図である。 電圧を印加する手段としてダイオードを用いた他の実施形態の概略的なブロック図である。 互いに直列及び並列に設けられた照明要素を用いた他の実施形態の概略的なブロック図である。 共振フルブリッジコンバータをもつ本発明の照明システムの他の実施形態の概略的なブロック図である。 別に設けられたキャパシタをもつ図６に示された実施形態の概略的なブロック図である。 図６及び図７に示されたものと僅かに異なるフルブリッジコンバータをもつ本発明の照明システムの他の実施形態の概略的なブロック図である。 他のキャパシタをもつ図７に示された実施形態の概略的なブロック図である。 他のキャパシタをもつ図８に示された実施形態の概略的なブロック図である。

図１において、園芸用照明システムは、概略的に示され、参照符号１０で示される。電気回路の全ての詳細を示さない単なるブロック図であることに留意されたい。照明システム１０は、パルス化された光で温室内の植物を照射するために、温室内の園芸用アプリケーションに対して用いられる。既に前述したように、パルス化された光は、照射された植物の成長を促進する。

照明システム１０は、出力端子１４にＡＣ電圧を供給する電力供給ユニット１２を有する。電力供給ユニット１２の性能は、電力が供給される照明要素のタイプ及び数に適合される。照明要素は、図１ａ中の参照符号１６で示される。照明要素１６は、第１の列２２及び第２の列２４を形成する２つのグループ内に設けられ、双方の列は、互いに並列に、電力供給ユニット１２の出力１４と接続される。各列２２，２４は、図１ａに示されるように直列に接続される１又はそれ以上の照明要素１６を有し得る。しかしながら、各列２２，２４は、照明要素１６の並列接続、又は、直列及び並列に接続された照明要素１６の組み合わせも有してもよい。

更に、各列２２，２４は、列の各照明要素１６を通る電流の流れを制御する電流制御手段２６を有する。特に、電流制御手段２６は、第１の期間の間に第１の列２２の照明要素１６を通って、第２の期間の間に第２の列２４の照明要素１６を通って、電流が流れるように適合される。図１ｂに概略的に示されるように、第１の期間は、電力供給ユニット１２により供給されたＡＣ電圧の期間の第１の半期間に対応し、第２の期間は、ＡＣ電圧の第２の半期間に対応する。

双方の電流制御手段２６は、第１の列及び第２の列２２，２４の光パルスが交互に生ずるように、照明要素１６に、パルス化された光を生成させる。

図１ｃにおいて、温室の上面図が概略的に示され、参照符号３０で示される。温室３０は、概して、図１ｃに示されるような複数のサブエリアに分割され得る表面エリアをもつ。表面エリア及びサブエリアの矩形形状は、例示の目的のためだけであることに留意されたい。この例において、表面エリアは、サブエリア１及びサブエリア２が参照符号３２及び３４でそれぞれ示される、９個のサブエリアに分割される。パルス化された光が植物の成長のために有利であるという事実により、列２２，２４の照明要素１６は、サブエリア３２，３４を照射するために用いられる。換言すれば、例えば、第１の列２２の照明要素１６がサブエリア３２を照射し、第２の列２４の照明要素１６がサブエリア３４を照射する。双方の列２２，２４の照明要素１６は、植物の成長に対するパルス化された光のプラス効果が損なわれるので、同一のサブエリアを照射すべきではない。

隣接するサブエリア３２，３４への列２２，２４の割り当ては、一例に過ぎず、唯一の解決策ではないことに留意されたい。双方の列２２，２４の照明要素１６の配置及び向きは、列２２，２４が、温室３０の異なるエリア、それ故に異なる植物を照射することだけを保証すべきである。

図２において、園芸用照明システム１０の１つの好ましい実施形態が、ブロック図の形式で示される。電力供給ユニット１２は、ＤＣ−ＡＣコンバータ５０及びＤＣソース５２を有する。ＤＣ−ＡＣコンバータ５０は、ＤＣ電圧を、列２２，２４に供給されるＡＣ電圧に変換するように適合される。

更に、この実施形態において、照明要素１６は、発光ダイオード４０であり、第１の列２２のＬＥＤ４０は、第２の列２４のＬＥＤ４０と逆並列である。

発光ダイオード４０が電流制御手段の機能をももつという事実により、即ち、一方向にのみの電流の流れを可能にするために、ＬＥＤ４０は、図１ａに示される電流制御手段２６と取り替える。

互いに逆並列になるように列２２，２４内にＬＥＤ４０を設けることにより、電流Ｉ１，Ｉ２は、電流／電圧供給の正弦波の半期間の間だけＬＥＤ４０を通過することが保証される。

供給されたＡＣ電圧の周波数は、ＬＥＤ４０により生成された光パルスの期間が２マイクロ秒と１ミリ秒との間になるように選択される。好ましくは、この期間は１００マイクロ秒である。それ故、ＡＣ周波数は、５００Ｈｚと２５０ｋＨｚとの間にある。

ＬＥＤ４０は、好ましくは、スペクトルが植物の色素の吸収スペクトルに適合するＬＥＤである。植物の吸収スペクトルに対するＬＥＤスペクトルの適合は、照明システムの効率を更に促進させる。

図２において、列２２，２４に対するＡＣ供給電圧は、ＤＣ−ＡＣコンバータにより生成される。従来において、斯様なコンバータ５０をどのように実装するかについて複数の解決策が存在する。図３〜８において、２つの考えられる回路が示される。しかしながら、他のタイプのＤＣ−ＡＣコンバータも、列２２，２４の照明要素に電圧を印加することを可能にすることに留意されたい。

１つの好ましいコンバータ５０は、図３中の参照符号６０で示された、いわゆる共振ハーフブリッジコンバータである。斯様なハーフブリッジコンバータの構造及び機能は従来において既知であり、従って、詳細な説明を控える。概して、ハーフブリッジコンバータ６０は、直列に結合された２つのスイッチング要素６２（トランジスタ）を有する。スイッチング要素６２の直列接続と並列に、２つのキャパシタ６４の直列接続が備えられる。更に、ハーフブリッジコンバータは、変圧器６６を有し、その二次側がキャパシタ６４を介して列２２，２４にエネルギを供給する。

変圧器６６の一次側は、キャパシタを介してトランジスタ直列接続の中心タップと接続されるとともに、キャパシタ直列接続の中心タップと接続される。トランジスタ６２は、ＡＣ電流が変圧器６６の一次側を通るように交互に導通するように駆動される。

ハーフブリッジコンバータ６０のような共振コンバータの利点は、例えば、非常に高いスイッチング周波数が用いられ得ることから、ガルバニック絶縁、高電流密度であり、部品の削減されたストレスによる高信頼性である。更に、高効率は、ソフトスイッチングにより実現可能であり、その効率は、出力整流器が照射されるので、標準的な場合よりも高くなる。

図４及び図５に示された実施形態も、共振ハーフブリッジコンバータ６０を用いるが、列２２，２４の実装については異なる。

図４に示された実施形態において、第１の列２２は、複数の照明要素１６、及び、電流制御手段２６としての第１のダイオード４２を有する。第２の列２４も、複数の照明要素１６、及び、電流制御手段としての第２のダイオード４２を有する。双方のダイオード４２は、ＡＣ電流が同時に１つの列を介してのみ流れるように、互いに逆並列に設けられる。特に、第１の列２２の照明要素１６は、（理想的環境下で）ＡＣ電力供給の正弦波の第１の半分の間、光を生成し、これに対し、第２の列２４の照明要素１６は、正弦波の第２の半分の間、光を生成する。

図５において、他の実施形態が示され、これは、双方の列２２，２４が互いに並列に結合された照明要素１６を有することを除いて、図４に示されたものと同様である。しかしながら、この照明システムの機能は、前述された照明システムのものと同一である。

図６〜８において、照明システム１０の３つの他の実施形態が概略的に示され、これらは、図３〜５について示されたハーフブリッジコンバータの代わりに、いわゆる共振フルブリッジコンバータを用いる。図６〜８において、フルブリッジコンバータは、参照符号７０で示される。

概して、フルブリッジコンバータの構造及び機能は従来において既知であり、従って、詳細な説明を控える。ハーフブリッジコンバータとは異なり、フルブリッジコンバータは、ハーフブリッジコンバータ内のキャパシタ６４の直列接続を置き換える２つの他のスイッチング要素（トランジスタ）６２を有する。変圧器６６の一次側での電流反転を実現するために、対向する斜めの一対（diagonal pair）のトランジスタ６２が交互に切り替えられ、それ故交互に導通する。

図６の実施形態において、変圧器６６の一次側は、トランジスタ６２の第１の直列接続中心タップとキャパシタ６４を介して結合され、トランジスタ６２の第２の直列接続の中心タップと直接的に結合される。更に、二次側では、キャパシタ６４が、双方の列２２，２４の並列接続と直列に設けられる。

図７に示された実施形態は、二次側でのキャパシタ６４の接続が図６に示されたものとは異なる。ここで、このキャパシタは、列２２，２４と並列に設けられる。

図８に示された実施形態は、トランジスタ６２の第１の直列接続の中心タップとの変圧器６６の一次側の直接接続が図７に示されたものと異なる。それ故、変圧器６６の一次側と直列のキャパシタが存在しない。

図９及び１０に示された実施形態は、図７及び８に示された実施形態とそれぞれ同様であり、他のキャパシタ６８が双方の列２２，２４の並列接続と直列に接続されるという差異をもつ。

既に前述されたように、図３〜８に示された種々の実施形態は、特に、電力供給ユニット１２、即ちＡＣ−ＤＣコンバータの設計に関して、考えられる解決策の単なる一例であり、本発明の範囲を限定するものとして考慮されるべきではない。勿論、所望の周波数を伴うＡＣ電圧を並列に接続された列２２，２４に供給するための他の可能性が存在する。更に、本発明のシステム及び方法は、多相性（multi-phase）システムにも適用され得る。

本発明の主要な態様は、互いに並列に接続され、双方の列が交互に電圧が印加されるように適合される、２つの列の照明要素の提供である。それ故、列の照明要素はパルス化された光を生成し、列の光パルスは、交互に生成され、それ故、同時には生成されない。更に、列の照明要素は、温室の異なるエリアを照射するように設けられる。従って、植物は、１つの列のみから光を受ける。それ故、植物で受けられた連続する光パルスの間に"ダーク"フェーズが常に存在する。

Claims (11)

1. 双方の列が互いに並列に電気的に接続される、少なくとも１つの照明要素の第１の列と、少なくとも１つの照明要素の第２の列とを有し、
   前記列の並列回路にＡＣ電流／電圧を供給する電力供給ユニットと、
   各列がパルス化された光を照射するように、ＡＣ電圧の第１の半期間の間、第１の列を活性化させ、ＡＣ電圧の第２の半期間の間、第２の列を活性化させるための手段とを有し、
   前記第１の列及び前記第２の列は、異なるエリアが照射されるように設けられる、園芸用照明システム。
2. 前記活性化させるための手段は、前記第１の列に割り当てられた第１のダイオードと、前記第２の列に割り当てられた第２のダイオードとを有し、
   双方のダイオードが、互いに逆並列に設けられる、請求項１に記載の園芸用照明システム。
3. 前記照明要素は、発光ダイオード（ＬＥＤ）及び／又は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を有する、請求項１又は請求項２に記載の園芸用照明システム。
4. 前記第１及び第２のダイオードは、発光ダイオード及び／又は有機発光ダイオードである、請求項２又は請求項３に記載の園芸用照明システム。
5. 前記電力供給ユニットは、ＤＣ−ＡＣコンバータを有する、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の園芸用照明システム。
6. 前記照明要素は、放射スペクトルが照射されるべき植物の吸収スペクトルに適合するように選択される、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の園芸用照明システム。
7. 前記照明要素の一部が種々異なる波長をもつ、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の園芸用照明システム。
8. 前記ＡＣ電圧の周波数は、前記照明要素のパルス期間が２μｓと２０ｍｓとの間となるように選択される、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の園芸用照明システム。
9. 生物が光で照射される環境、又は、パルス化された光を植物に当てるための温室における、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の園芸用照明システムの使用。
10. 双方が異なるエリアに光を照射する２つの並列に接続された列に設けられた照明要素からのパルス化された光で、温室内の植物、又は、予め決められた環境内の他の生物を照射する方法であって、
    ＡＣ電流／電圧を供給するステップと、
    第１のエリアに光を照射するために、前記ＡＣ電圧の第１の半期間の間、一方の列を活性化させるステップと、
    前記第１のエリアとは異なる第２のエリアに光を照射するために、前記ＡＣ電圧の第２の半期間の間、他方の列を活性化させるステップとを有する、方法。
11. 前記ＡＣ電圧は、パルス化期間が２μｓと２０ｍｓとの間である、請求項１０に記載の方法。
    
    
    
    

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