RU153425U1

RU153425U1 - LAMP FOR GREENHOUSES

Info

Publication number: RU153425U1
Application number: RU2015100253/13U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Васильевич Вишняков; Екатерина Анатольевна Вишнякова; Александр Степанович Скобельцын
Original assignee: Анатолий Васильевич Вишняков; Екатерина Анатольевна Вишнякова; Александр Степанович Скобельцын
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2015-07-20

Abstract

1. Светильник для теплиц, включающий корпус, внутренние стенки и дно которого изготовлены из материала с высоким коэффициентом отражения, рассеиватель света, а также цепочки синих светодиодов, излучающих свет с длиной волны 445-470 нм и покрытых светопреобразующим люминофором, отличающийся тем, что в качестве люминофора используют красный нитридный люминофор, диспергированный в прозрачном отверждаемом материале, при этом спектр излучения красного люминофора имеет максимум, располагающийся при 630-670 нм, а ширина спектра на половине высоты составляет 90-110 нм.2. Светильник для теплиц по п.1, отличающийся тем, что красный нитридный люминофор размещается на внутренней стенке рассеивателя света в виде слоя, полученного при нанесении суспензии люминофора в прозрачном безводном полимерном лакокрасочном материале, отверждаемом на воздухе.3. Светильник для теплиц по п.2, отличающийся тем, что красный нитридный люминофор распределен в виде однородной дисперсии в объеме рассеивателя света из полимерного материала, полученного методом термоэкструзии.1. A luminaire for greenhouses, comprising a housing, the inner walls and the bottom of which are made of a material with a high reflection coefficient, a light diffuser, as well as a chain of blue LEDs emitting light with a wavelength of 445-470 nm and coated with a light-converting phosphor, characterized in that The phosphor used is a red nitride phosphor dispersed in a transparent curable material, while the emission spectrum of the red phosphor has a maximum located at 630-670 nm, and the width of the spectrum at half height is sets 90-110 nm. 2. A greenhouse lamp according to claim 1, characterized in that the red nitride phosphor is placed on the inner wall of the light diffuser in the form of a layer obtained by applying a suspension of the phosphor in a transparent anhydrous polymer paint material cured in air. A greenhouse lamp according to claim 2, characterized in that the red nitride phosphor is distributed as a uniform dispersion in the volume of the light diffuser from a polymer material obtained by thermoextrusion.

Description

Полезная модель относится к области сельского хозяйства и, в частности, к системам искусственного светодиодного освещения растений в теплицах, а также подсветки посадочного материала в домашних условиях.The utility model relates to the field of agriculture and, in particular, to systems of artificial LED lighting of plants in greenhouses, as well as illumination of planting material at home.

В настоящее время достоверно установлено, что фито-активным действием обладает не весь спектр видимого излучения, а отдельные его участки, соответствующие полосам фотосинтетически активной радиации (ФАР).At present, it has been reliably established that the phyto-active effect is possessed not by the entire spectrum of visible radiation, but by its individual sections corresponding to the bands of photosynthetically active radiation (PAR).

В случае зеленых растений к ФАР относят полосы поглощения в фиолетово-синей области спектра с максимумами при 420, 440 нм, перекрывающие область от 410 до 500 нм. Излучение в области 600-700 нм (полосы с максимумами при 612, 642, 660 и 700 нм) имеет значительно более ярко выраженное субстратное и регуляторное воздействием, чем в коротковолновой области спектра. Наконец, в области 700-750 нм свет имеет выраженное регуляторное и слабое субстратное действие. [Ракитин А.В. Действие красного света в смешанном светопотоке на продукционный процесс растений. Автореферат дисс. к.б.н., Томск. 2001; Минич И.Б. Влияние красного люминесцентного излучения на морфогенез и баланс эндогенных гормонов растений. Автореферат дисс. к.б.н., Томск. 2005].In the case of green plants, the PHA includes absorption bands in the violet-blue region of the spectrum with peaks at 420, 440 nm, covering the region from 410 to 500 nm. Radiation in the region of 600–700 nm (bands with peaks at 612, 642, 660, and 700 nm) has a significantly more pronounced substrate and regulatory effect than in the short-wave region of the spectrum. Finally, in the region of 700–750 nm, light has a pronounced regulatory and weak substrate effect. [Rakitin A.V. The effect of red light in mixed light flow on the production process of plants. Abstract of diss. Ph.D., Tomsk. 2001; Minich I.B. The effect of red fluorescent radiation on the morphogenesis and balance of endogenous plant hormones. Abstract of diss. Ph.D., Tomsk. 2005].

Оптимум в распределении ФАР по длинам волн зависит от типа растения, но в случае зеленых растений доминирующую роль всегда играет излучение в красной области. По данным, приводимым авторами патента US 6921182, соотношение интенсивностей света в синей и красной областях спектра при искусственном освещении должно составлять для зеленых растений (0,06-0,08):1.The optimum in the distribution of PARs by wavelength depends on the type of plant, but in the case of green plants, the dominant role is always played by radiation in the red region. According to the data cited by the authors of the patent US 6921182, the ratio of light intensities in the blue and red spectral regions under artificial lighting should be for green plants (0.06-0.08): 1.

После изобретения светодиодных источников монохроматического света (синего, зеленого и красного) их стали использовать для создания новых систем искусственного освещения. Так, например, в патенте US 5278432 был предложен источник света с синими (400-450 нм) и красными (620 и 680 нм) светодиодами. Авторы US 6921182 нашли, что лучшими характеристиками обладает композиция, составленная из синего, оранжево-красного (612 нм) и красного (660 нм) светодиодов. Там же было рекомендовано использовать в источнике фитоактивного освещения растений 12 красных светодиодов (660 нм), 6 оранжевых (612 нм) и только одного синего. Известны также светильники с 5 светодиодами (430, 450, 470, 610 и 660 нм).After the invention of LED sources of monochromatic light (blue, green and red), they began to be used to create new artificial lighting systems. So, for example, in the patent US 5278432 a light source with blue (400-450 nm) and red (620 and 680 nm) LEDs was proposed. The authors of US 6921182 found that the best characteristics have a composition composed of blue, orange-red (612 nm) and red (660 nm) LEDs. In the same place, it was recommended to use 12 red LEDs (660 nm), 6 orange (612 nm) and only one blue in the phytoactive plant lighting source. Also known are luminaires with 5 LEDs (430, 450, 470, 610 and 660 nm).

Светодиодные источники с 4 светодиодами выпускаются в настоящее время ведущими компаниями мира Osram, Philips, Hortilux и в своем рыночном сегменте занимают важное место.LED sources with 4 LEDs are currently produced by the world's leading companies Osram, Philips, Hortilux and occupy an important place in their market segment.

Однако, несмотря на, казалось, вполне очевидные преимущества светодиодного освещения, обусловленные адресной доставкой красного и синего излучения к центрам поглощения в растении, нельзя игнорировать тот факт, что в обычных условиях растение контактирует с солнечным светом, спектр которого в видимой области является сплошным. Поэтому на растение воздействует излучение не только той длины волны, которая соответствует максимуму поглощения светодиода, но и всей совокупности длин волн, примыкающих к пику поглощения.However, despite the seemingly obvious advantages of LED lighting due to the targeted delivery of red and blue radiation to the absorption centers in the plant, one cannot ignore the fact that under normal conditions the plant comes into contact with sunlight, the spectrum of which is continuous in the visible region. Therefore, the plant is affected by radiation not only of that wavelength that corresponds to the maximum absorption of the LED, but also of the entire set of wavelengths adjacent to the absorption peak.

Ширина полос в спектрах поглощения растений, как правило, бывает значительно шире, чем полосы излучения светодиодов (20-30 нм), поэтому нет оснований считать, что монохроматическая накачка является комфортным воздействием для растения. Возможно, именно поэтому, замена металл-галогенных и натриевых ламп высокого давления, на светодиодные источники не приводит к кратному повышению эффективности светового воздействия.The width of the bands in the absorption spectra of plants, as a rule, is much wider than the emission bands of LEDs (20-30 nm), so there is no reason to believe that monochromatic pumping is a comfortable effect for the plant. Perhaps that is why the replacement of metal-halogen and sodium high-pressure lamps with LED sources does not lead to a multiple increase in the efficiency of light exposure.

По этой причине были предприняты попытки использовать в качестве фитосветильников модификации светодиодные источники белого света с широкой полосой излучения в области 500-680 нм [Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы / Современные технологии автоматизации. 2010, №2, с. 76-82].For this reason, attempts have been made to use LED white light sources with a wide emission band as 500–680 nm as phytolamps [Application of LED luminaires for lighting greenhouses: reality and prospects / Modern automation technologies. 2010, No. 2, p. 76-82].

Первые эксперименты были проведены с источниками RUSLED - СТ-220-10,5. Близкие к ним спектральными характеристиками обладают и другие светильники подобного типа [Современная светотехника, 2013 №4 (23), стр. 3-20]. Все эти устройства включают квадратный или прямоугольный корпус, дно и внутренние стенки которого изготовлены из материалов с высоким коэффициентом отражения. На дне корпуса смонтированы цепочки светодиодов белого цвета, размещенные на теплоотводящем носителе. В каждом из белых светодиодов в качестве источника первичного света используются синие светодиоды с нанесенным на их поверхность слоем желтого или желто-оранжевого люминофора, диспергированного в силиконе. Напротив белых светодиодов располагается матовый или рифленый рассеиватель света, изготовленный обычно из полимерного материала и выполняющий одновременно роль крышки светильника. Спектр излучения такого источника включает узкую синюю полосу остаточного первичного излучения с длиной волны 445-470 нм и широкую желто-оранжевую полосу, охватывающую интервал (500-680 нм), которая возникает при возбуждении люминофора первичным синим светом. Эта разновидность светильника была выбрана нами в качестве прототипа.The first experiments were conducted with RUSLED sources - ST-220-10.5. Other luminaires of a similar type possess spectral characteristics close to them [Modern Lighting Engineering, 2013 No. 4 (23), pp. 3-20]. All of these devices include a square or rectangular case, the bottom and inner walls of which are made of materials with high reflection coefficient. At the bottom of the case, chains of white LEDs are mounted on a heat sink. In each of the white LEDs, blue LEDs with a layer of yellow or yellow-orange phosphor dispersed in silicone are applied on their surface as a primary light source. Opposite the white LEDs is a matte or corrugated light diffuser, usually made of a polymeric material and simultaneously acting as a lamp cover. The emission spectrum of such a source includes a narrow blue band of residual primary radiation with a wavelength of 445-470 nm and a wide yellow-orange band spanning the interval (500-680 nm) that occurs when the phosphor is excited by primary blue light. This type of lamp was chosen by us as a prototype.

Несмотря на высокую световую эффективность таких источников они излучают свет, в котором доля фитоактивной, т.е. полезной для растений, радиации в красной области спектра) не превосходит 15-20% от общего светового потока [Козырева И.Н. «Формирование фитопотоков света светодиодных облучательных установок для выращивания сельскохозяйственных культур в условия защищенного грунта. Дисс. ктн: Томск, 2014 г.»].Despite the high luminous efficiency of such sources, they emit light in which the proportion of phytoactive, i.e. useful for plants, radiation in the red spectral region) does not exceed 15-20% of the total light flux [Kozyreva I.N. “The formation of light phyto-streams of LED irradiation plants for growing crops in a protected ground. Diss. ctn: Tomsk, 2014. ”].

Чтобы компенсировать дефицит красного света рядом авторов было предложено часть белых светодиодов заменить на узкополосные красные светодиоды. Данное решение усложняло конструкцию светильника и приводило к увеличению его стоимости. Существенно также, что и в этом случае не удается в полной мере компенсировать дефицит красного света из-за малой ширины полосы, излучаемой красным светодиодом [Влияние спектральных характеристик источников излучения на растения. / Изв. ВУЗов, Физика. - 2013, т. 56, №7/2, с. 112-116].To compensate for the deficit of red light, a number of authors have suggested replacing some of the white LEDs with narrow-band red LEDs. This decision complicated the design of the lamp and led to an increase in its cost. It is also significant that in this case it is not possible to fully compensate for the deficit of red light due to the small bandwidth emitted by the red LED [Effect of spectral characteristics of radiation sources on plants. / Izv. Universities, Physics. - 2013, t. 56, No. 7/2, p. 112-116].

Задача настоящей разработки состоит в создании светильника для теплиц со спектром излучения близким к спектру фитоактивной радиации.The objective of this development is to create a luminaire for greenhouses with a radiation spectrum close to the spectrum of phytoactive radiation.

Решение поставленной задачи достигается посредством светильника, включающего корпус, внутренние стенки и дно которого изготовлены из материала с высоким коэффициентом отражения, рассеиватель света, а также цепочки синих светодиодов, излучающих свет с длиной волны 445-470 нм и покрытых светопреобразующим люминофором, в качестве которого используют красный нитридный люминофор, диспергированный в прозрачном отверждаемом материале, при этом спектр излучения красного люминофора имеет максимум, располагающийся при 630-670 нм, а ширина спектра на половине высоты составляет 90-110 нм.The solution to this problem is achieved by means of a lamp, including a housing, the inner walls and the bottom of which are made of material with a high reflection coefficient, a light diffuser, as well as a chain of blue LEDs emitting light with a wavelength of 445-470 nm and coated with a light-converting phosphor, which is used as red nitride phosphor dispersed in a transparent curable material, while the emission spectrum of the red phosphor has a maximum located at 630-670 nm, and the width of the spectrum is n half height is 90-110 nm.

Светопреобразующий красный нитридный люминофор может быть размещен также:The light-converting red nitride phosphor can also be placed:

- на внутренней стенке рассеивателя света в виде слоя, полученного при нанесении суспензии люминофора в прозрачном безводном полимерном лакокрасочном материале, отверждаемом на воздухе,- on the inner wall of the light diffuser in the form of a layer obtained by applying a suspension of a phosphor in a transparent anhydrous polymer paint material cured in air,

- либо в виде однородной дисперсии в объеме рассеивателя света из полимерного материала, полученного методом термоэкструзии.- either in the form of a uniform dispersion in the volume of the light diffuser from a polymer material obtained by thermoextrusion.

Примеры практического выполненияPractical examples

Пример №1.Example No. 1.

На рис. 1 (а, б) показан вариант конструкции предлагаемого светильника для теплиц. Она включает квадратный или прямоугольный корпус (1), дно и стенки которого изготовлены из материалов с высоким коэффициентом отражения. На дне корпуса смонтированы цепочки светодиодов белого цвета (2), размещенные на теплоотводящем носителе. На рис. 1-6 приведено поперечное сечение корпуса и в увеличенном масштабе показан один из излучающих элементов. В отличие от прототипа вместо источников белого света в предлагаемом светильнике используют светоизлучающие элементы красного света (5), полученные при нанесении на поверхность синих светодиодов (4), излучающих в области 445-470 нм, красного нитридного люминофора, поглощающего первичное синее излучение и частично трансформирующего его в красное излучение, охватывающее световой диапазон от 560 до 780 нм. Напротив излучающих элементов располагается рассеиватель света (3), выполняющий одновременно функции крышки светильника. Остаточное первичное синее излучение, непоглощенное в слое красного люминофора, образует вместе с возникающим красным свечением световой поток, спектральный состав которого практически совпадает со спектром фитоактивной радиации.In fig. 1 (a, b) shows a design option of the proposed lamp for greenhouses. It includes a square or rectangular case (1), the bottom and walls of which are made of materials with a high reflection coefficient. At the bottom of the case, chains of white LEDs (2) mounted on a heat-transfer medium are mounted. In fig. 1-6 shows a cross-section of the housing and on an enlarged scale shows one of the radiating elements. In contrast to the prototype, instead of white light sources, the proposed lamp uses red light-emitting elements (5) obtained by applying to the surface of blue LEDs (4) emitting in the region of 445-470 nm a red nitride phosphor that absorbs primary blue radiation and partially transforms it into red radiation, covering the light range from 560 to 780 nm. Opposite the radiating elements there is a light diffuser (3), which simultaneously performs the functions of a lamp cover. The residual primary blue radiation, not absorbed in the red phosphor layer, forms, together with the red glow, a light flux whose spectral composition almost coincides with the spectrum of phytoactive radiation.

На рис. 2 показано сравнение спектра фитоактивной радиации (рис. 2-а) и спектра излучения предлагаемого светильника (рис. 2-б). Линии с двумя максимумами в окрестностях 445 и 660 нм на рис. 2-а отвечают поглощению света, который расходуется на фотосинтез и синтез хлорофилла (более высокий максимум в синей области). Линия с одним максимумом около 670 нм соответствует процессу фотоморфогенеза.In fig. 2 shows a comparison of the spectrum of phytoactive radiation (Fig. 2-a) and the radiation spectrum of the proposed lamp (Fig. 2-b). The lines with two maxima in the vicinity of 445 and 660 nm in Fig. 2-a correspond to the absorption of light, which is spent on photosynthesis and synthesis of chlorophyll (a higher maximum in the blue region). A line with one maximum at about 670 nm corresponds to the process of photomorphogenesis.

Кривая линия, приведенная на рис. 2-6, характеризует спектральный состав излучения предлагаемого светильника. Как видно, в спектре присутствует полоса первичного синего возбуждающего излучения и широкая полоса в красной области, которая перекрывает все полосы фитоактивной радиации, находящиеся в диапазоне длин волн 560-780 нм.The curve line shown in Fig. 2-6, characterizes the spectral composition of the radiation of the proposed lamp. As can be seen, the spectrum contains a band of primary blue exciting radiation and a wide band in the red region, which covers all phytoactive radiation bands in the wavelength range of 560-780 nm.

Соотношение полос в синей и красной областях спектра предлагаемого светильника регулируется концентрацией люминофора в суспензии с силиконом, наносимой на поверхность синего светодиода. При этом положение максимума в красной области (от 630 до 670 нм) и ширина спектральной кривой задается составом красного люминофора или его смесей с желтым люминофором.The ratio of the bands in the blue and red regions of the spectrum of the proposed lamp is controlled by the concentration of the phosphor in suspension with silicone applied to the surface of the blue LED. In this case, the position of the maximum in the red region (from 630 to 670 nm) and the width of the spectral curve are determined by the composition of the red phosphor or its mixtures with the yellow phosphor.

Пример №2Example No. 2

Второй вариант конструкции светильника иллюстрирует рис. 3. Он отличается от рассмотренного в примере №1 тем, что красный нитридный люминофор пространственно отделен от сине-излучающего светодиода и нанесен в виде тонкого слоя (4) на внутреннюю поверхность рассеивателя света (3), как это показано на рис. 3. С этой целью красный люминофор диспергируют в силиконе или в прозрачном безцветном полимерном лаке и затем наносят на внутреннюю поверхность матового или рифленого рассеивателя света с помощью распыления, кистью или посредством фотопечати. Сине-излучающий светодиод (2) при этом покрыт слоем силикона (5), который не содержит распределенного в нем красного люминофора.The second version of the design of the lamp is illustrated in Fig. 3. It differs from that considered in example No. 1 in that the red nitride phosphor is spatially separated from the blue-emitting LED and deposited in the form of a thin layer (4) on the inner surface of the light diffuser (3), as shown in Fig. 3. To this end, the red phosphor is dispersed in silicone or in a clear, colorless polymer varnish and then applied to the inner surface of a matte or corrugated light diffuser by spraying, brushing or photo printing. The blue-emitting LED (2) is covered with a layer of silicone (5), which does not contain the red phosphor distributed in it.

Пример №3Example No. 3

В этом случае красный люминофор также пространственно отделен от синего светодиода, но в отличие от примера №2, он распределен в объеме рассеивателя света (3 на рис. 4), изготовленного из полимерного материала, полученного методом термоэкструзии. Сине-излучающий светодиод (2) при этом покрыт силиконом (5), который не содержит распределенного в нем красного люминофора.In this case, the red phosphor is also spatially separated from the blue LED, but unlike example No. 2, it is distributed in the volume of the light diffuser (3 in Fig. 4) made of a polymer material obtained by thermoextrusion. The blue-emitting LED (2) is coated with silicone (5), which does not contain the red phosphor distributed in it.

Claims

1. A luminaire for greenhouses, comprising a housing, the inner walls and the bottom of which are made of a material with a high reflection coefficient, a light diffuser, as well as a chain of blue LEDs emitting light with a wavelength of 445-470 nm and coated with a light-converting phosphor, characterized in that The phosphor used is a red nitride phosphor dispersed in a transparent curable material, while the emission spectrum of the red phosphor has a maximum located at 630-670 nm, and the width of the spectrum at half height is puts 90-110 nm.

2. The greenhouse lamp according to claim 1, characterized in that the red nitride phosphor is placed on the inner wall of the light diffuser in the form of a layer obtained by applying a suspension of the phosphor in a transparent anhydrous polymer paint material that is cured in air.

3. The greenhouse lamp according to claim 2, characterized in that the red nitride phosphor is distributed as a uniform dispersion in the volume of the light diffuser from a polymer material obtained by thermoextrusion.