Светодиоды. Тернистый путь в теплицу.

Светодиодный светильник (СДС) общепромышленного освещения отвечает ряду требований, в том числе основным их них:

1. надежность;

2. соответствие светотехнических характеристик прямому назначению. Для тепличных СДС добавляется ещё целый ряд требований:

3. спектр освещения, включающий постоянную + переменную составляющие;

4. необходимая величина светового потока бокового освещения растений (должна обеспечивать экономическую целесообразность применения);

5. ограничение массы светильника;

6. ограничение габаритных размеров светильника, экранирующий естественный солнечный свет;

7. ограничение по температуре корпуса светильника при боковом освещении внутри куста растений (она не должна превышать температуру, комфортную для растений);

8. ограничение по начальной стоимости светильника.

Дополнительные требования во многом взаимозависимы, но их состав обусловлен необходимостью победы СДС в конкурентной борьбе с натриевыми светильниками.

Очевидно, что спектр для натуральных овощей — за белыми светодиодами, с небольшой «приправой для вкуса» из отдельных элементов спектра и системой суточного его регулирования.

Основная же проблема состоит в ограничениях по пунктам 4-7. С ними известные решения СДС справляются не лучшим образом, в результате тепличным СДС присущи недостатки, которые, по сути, сводят на нет их другие конкурентные преимущества.

По мнению авторов, в настоящее время не имеется технических решений тепличных СДС, в которых эти недостатки бы отсутствовали или были значимо снижены.

Дляумепыпения указанных недостатков авторы статьи предлагают свой путь, позволяющий устранить данную проблему, подав заявку на изобретение № 2017137707 (решение о выдаче патента от 16.07.2019 г.).

Как известно, основными факторами, сдерживающими широкое использование известных светодиодных осветительных устройств для освещения растений в промышленных сооружениях защищенного грунта (в частности, в теплицах), являются следующие недостатки LED-светильников:

• большая масса устройства, а значит, и всей осветительной установки, увеличивающая нагрузку на несущие конструкции теплицы;

• высокая начальная стоимость светодиодной осветительной установки, что приводит к большому сроку ее окупаемости;

• недостаточная величина светового потока при боковом освещении высокорослой сельскохозяйственной культуры внутри куста растений при использовании известных светодиодных светильников.
  

Указанные недостатки — следствие в том числе невысокой эффективности теплоотдачи от радиатора светильника в окружающую среду.

Известно устройство для бокового освещения растений «Светодиодный фитооблучатель», патент РФ 2454066, МП К A01G9/20, 16.03.2010 [1]. Облучатель содержит платы, выполненные из гибкого материала в виде полуцилиндров, установленные в прозрачный цилиндрический плафон, светодиоды, расположенные с наружной стороны плат в несколько рядов, и вентилятор. Устройство обеспечивает хорошую равномерность освещенности по высоте растения.

Наиболее серьезный недостаток данного решения — его низкая надежность при использовании в условиях теплиц (повышенная влажность, испарения питательных сред, загрязнения от процессов жизнедеятельности растений и насекомых), в первую очередь из-за наличия в его конструкции вентилятора.

Известный светодиодный светильник по заявке US20110019421 А1, 27.01.2011 [2] (рис. 1) содержит теплоотдающие пластины (121) с размещенными на них светоизлучающими модулями (13), которые установлены внутри замкнутого объема, то есть три камеры (111) образуют закрытую внутреннюю полость, сформированную внутренней поверхностью (112) трубчатой оболочки (11) из оптически прозрачного материала и двумя торцевыми крышками (14).

Недостаток осветительного устройства — большое тепловое сопротивление между светодиодами и окружающей светильник воздушной средой, равное сумме тепловых сопротивлений четырех участков: светоизлучающий модуль (13), теплоотдающая пластина (121), воздух в камере (111), оболочка (11), воздушная среда, окружающая светильник. Такое техническое решение осветительного устройства не обеспечивает достаточную эффективность теплоотдачи от светодиодов и, как следствие, требует увеличить его охлаждающие поверхности, что приводит к росту массы и стоимости светильника. При этом создание светильника мощностью в несколько сотен ватт становится экономически нецелесообразным.

Известный аналог — «Светодиодная лампа», патент РФ 2 525 458, МПК F21S4/00 24.09.2012 [3], содержит но крайней мере три продольных конструктивных элемента (печатные платы) с расположенными на них светодиодными модулями, причем печатные платы установлены в оптически прозрачную трубку и совмещены между собой так, что образуют в поперечном сечении лампы равносторонний многоугольник.

Недостаток этого аналога также заключается в том, что продольные печатные платы с размещенными на них светодиодами установлены внутри замкнутого объема, образованного корпусом в виде оптически прозрачной трубки, торцы которой закрыты цоколями. Результат подобного решения — также недостаточная эффективность теплоотдачи между светодиодами и окружающей средой. Как следствие, известное устройство имеет мощность не более 80 Вт.

Известен «Энергосберегающий светодиодный фитооблучатель» по RU142791 U1,10.07.2014 [4], (рис. 2), который содержит прозрачный цилиндрический плафон 3, при этом «световые элементы 1 закреплены на наружных плоских гранях полого теплоотводящего профиля 2, представляющего в сечении правильный многоугольник, соосно размещенного в прозрачном цилиндрическом плафоне», «а зазоры между теплопроводящим профилем и цилиндрическим плафоном у их концов защищены торцевыми крышками 5 от попадания в область световых элементов влаги».

Преимущество данного технического решения в сравнении с известными [2, 3] в том, что оно обеспечивает теплоотдачу от внутренней поверхности теплопроводящего профиля по кратчайшему пути непосредственно в окружающую среду путем естественной конвекции охлаждающего воздуха, проходящего внутри светильника вдоль внутренней поверхности полого теплоотводящего профиля.

Недостаток решения заключается в том, что внешняя поверхность полого теплоотводящего профиля обращена в сторону цилиндрического плафона, «а зазоры между теплопроводящим профилем и цилиндрическим плафоном у их концов защищены торцевыми крышками от попадания в область световых элементов влаги». При таком решении теплоотдача светодиодов через внешнюю поверхность полого теплопроводящего профиля происходит гораздо менее эффективно, так как осуществляется по цепочке с большим тепловым сопротивлением: теплопроводящий профиль —> воздух в плафоне —> цилиндрический плафон —> воздушная среда, окружающая светильник.

В целом, теплоотдача известного устройства недостаточно эффективна. Для обеспечения необходимой теплоотдачи потребуется увеличение поверхности охлаждения теплоотводящего профиля, вследствие чего возрастут габаритные размеры, масса и стоимость устройства.

Наиболее близким по достигаемому техническому результату решением, принятым за прототип, является известный «Светодиодный светильник с динамическим конвекционным охлаждением» RU124 361 U1,06.09.2012 [5]. Он (рис. 3) содержит по меньшей мере один пустотелый корпус из теплопроводящего материала, на наружной поверхности которого закреплен светодиодный источник света, подключенный к источнику питания, отличающийся тем, что корпус представляет собой отрезок полой трубы с открытыми концами. Корпус светильника выполнен из полой трубы с профилем в сечении в виде многоугольника: прямоугольника, квадрата или треугольника.

Достоинство данного решения в сравнении с перечисленными аналогами в том, что теплоотдача от теплопроводящего корпуса происходит по кратчайшему пути непосредственно в окружающую среду как от внутренней, так и от наружной поверхностей корпуса. И если теплоотдача от наружной поверхности корпуса происходит путем естественной конвекции в условиях неограниченного объема, то теплоотдача от внутренней поверхности происходит в условиях ограниченного объема, и это негативно влияет на интенсивность процесса теплоотдачи, протекающего непосредственно у данной поверхности.

   

Недостатки известного прототипа в следующем:

• при использовании светильника для бокового освещения высокорослых сельскохозяйственных растений внутри куста необходимая длина корпуса светильника составляет 2-2,5 м. При такой длине корпуса из полой трубы его гидравлическое сопротивление движению воздушного потока, охлаждающему внутреннюю поверхность профиля, возрастет пропорционально его длине и будет ограничивать количество охлаждающего воздуха, проходящего в единицу времени внутри корпуса светильника. Это приведет к снижению эффективности теплоотдачи от внутренней поверхности корпуса. По мнению самих авторов устройства, «предпочтительно, чтобы длина корпуса составляла диапазон 0,2—0,5 м»;

• в области внутренних углов поперечного сечения профиля в виде многоугольника течение охлаждающего воздушного потока имеет малую скорость и носит ламинарный характер, что дополнительно снижает эффективность теплоотдачи от этой части внутренней поверхности профиля. Такой недостаток в наибольшей степени проявляется для полой трубы треугольного профиля.

Обеспечение необходимой величины теплоотдачи потребует увеличения поверхности охлаждения корпуса, при этом возрастут габаритные размеры, масса и стоимость устройства.

В результате анализа достоинств и недостатков аналогов и прототипа авторы предложили'техническое решение по заявке на изобретение № 2017137707 [6], на которую получено положительное решение о выдаче патента от 16.07.2019 г.

Изобретение, относящееся к устройству, направлено на устранение вышеуказанных недостатков известных аналогов и прототипа, связанных с теплоотдачей от внутренней поверхности корпуса- радиатора. Техническая задача, решаемая изобретением, — создание светодиодного светильника мощностью в несколько сотен ватт.

Технический результат заявляемого изобретения — высокоэффективный теплоотвод от корпуса-радиатора достигается благодаря тому, что в отличие от известного светодиодного светильника, который содержит корпус, выполненный из полой трубы либо из нескольких теплоотдающих профилей сплошного сечения, скрепленных соединителями, плоскости наружных поверхностей корпуса, на котором закреплены светодиодные источники света, образуют в поперечном сечении равносторонний многоугольник; в заявленном изобретении имеются следующие отличия:

• предусмотрены воздушные зазоры между продольными краями близлежащих профилей, из которых выполнен корпус;

• ширина Б и В воздушных зазоров выполнена с соблюдением неравенства Б < В, где: Б — ширина воздушного зазора между продольными краями профилей у нижних торцов, В — ширина воздушного зазора между продольными краями профилей у верхних торцов.

Наличие боковых воздушных зазоров между продольными краями близлежащих профилей, при равной с прототипом охлаждающей поверхности корпуса, обеспечит:

• увеличение внутренней площади поперечного сечения корпуса в 1,5-3 раза в сравнении с корпусом прототипа как результат параллельного перемещения отдельных продольных профилей в направлении от продольной оси корпуса при образовании боковых воздушных зазоров. Вследствие этого снизится гидравлическое сопротивление движению воздушного потока, охлаждающего внутреннюю поверхность профилей корпуса;

• возникновение внутри корпуса светильника, в дополнение к основному продольному воздушному потоку, боковых воздушных потоков, проходящих из окружающей среды через боковые воздушные зазоры вдоль внутренней поверхности теплопроводящего профиля в направлении от его продольного края к его середине — в нижней части корпуса и в противоположном направлении — в верхней части корпуса;

• увеличение объема охлаждающего воздуха, проходящего в единицу времени через внутреннее поперечное сечение корпуса;

• турбулентный характер движения воздушного потока по всей площади внутреннего поперечного сечения корпуса как результат взаимодействия между продольным и боковыми воздушными потоками.

Совокупность существенных признаков оказывает положительное влияние на характер гидродинамики охлаждающего воздуха и, таким образом, обеспечивает увеличение теплоотдачи и повышение эффективности теплоотдачи корпуса-радиатора в окружающую среду.

Сущность группы изобретений поясняется графическими материалами, на которых приведена конструкция светильника с сечением корпуса в виде равностороннего треугольника — как частного случая многоугольника (рис. 5).

Светодиодный светильник (рис. 4) содержит теплопроводящий корпус, выполненный из отдельных продольных профилей (1) сплошного поперечного сечения, на наружной поверхности которого закреплены светодиодные источники света (2). Плоскости наружной поверхности продольных профилей (1) в поперечном сечении корпуса образуют равносторонний многоугольник (треугольник как частный случай). Профили (1) между собой скреплены соединителями (3) с образованием воздушных зазоров (5) между продольными краями (4) близлежащих профилей (1).

В различных исполнениях корпус светильника может иметь поперечное сечение в виде равностороннего многоугольника: треугольника, квадрата, шестиугольника, ромба. Для бокового облучения внутри куста растений предпочтительна конструкция корпуса с поперечным сечением в виде равностороннего треугольника.

На рис. 5 приведена схема, иллюстрирующая увеличение внутренней площади поперечного сечения корпуса при образовании воздушных зазоров (5) шириной Б или В между продольными краями (4) профилей (1). На схеме показаны:

• пунктиром — линии контура внутренней поверхности корпуса прототипа, выполненного в виде полой трубы треугольного сечения;

• сплошной линией — линии контура внутренней поверхности корпуса треугольного сечения по предлагаемому изобретению, выполненного из отдельных продольных профилей (1) сплошного поперечного сечения, скрепленных друг с другом соединителями (3);

• а_пи — расстояние, на которое параллельно перемещена каждая линия контура внутренней поверхности корпуса, выполненного по предлагаемому изобретению, от линии контура внутренней поверхности корпуса прототипа. При этом образуется воздушный зазор (5) шириной Б или В между продольными краями (4) профилей (1).

На интенсивность теплоотдачи при прочих равных условиях оказывают влияние скорость и режим течения охлаждающего воздуха, ограничиваемые в первую очередь величиной гидравлического сопротивления корпуса. При одинаковой длине корпуса величина его гидравлического сопротивления в нервом приближении обратно пропорциональна площади его внутреннего поперечного сечения (рис. 4). Сделав расчет, сравним внутренние площади поперечного сечения корпусов, равновеликих по величине поверхности охлаждения:

• корпуса в виде полой треугольной трубы у прототипа;

• треугольного корпуса из отдельных продольных профилей сплошного поперечного сечения с воздушными зазорами по предлагаемому изобретению.

Для расчета в качестве базового примем корпус прототипа в виде треугольной полой трубы с шириной внутренней стороны А_пр = 8 см. При одинаковой поверхности охлаждения обоих корпусов ширина отдельного продольного профиля по предлагаемому изобретению А_пп = А_пр = 8 см. Тогда внутренние площади поперечного сечения корпусов:

где: а_пи = Б/√3 — расстояние, на которое необходимо параллельно переместить плоскость каждого из отдельных продольных профилей (1) корпуса, выполненного по предлагаемому изобретению, от плоскости корпуса, выполненного из полой треугольной трубы, для образования воздушного зазора (5) шириной Б или В между продольными краями (4) близлежащих профилей (1).

Задавая различную ширину Б или В воздушного зазора (5), получаем:

для Б = 1 см, после упрощения формулы: S_nH= 42 см² (150%), 

для Б = 2 см, S_nn= 57,15 см² (200%), 

для В = 3,5 см, S_nn= 81,51 см² (294%).

Таким образом, предлагаемое изобретение снижает гидравлическое сопротивление корпуса, повышая эффективность теплоотвода, без расширения его теплоотдающей поверхности, путем увеличения внутренней площади поперечного сечения корпуса в 1,5-3 раза.

При изменении удельной мощности светильника на единицу длины корпуса при равной теплоотдающей поверхности технический результат (высокоэффективный теплоотвод) достигается изменением ширины Б и В воздушных зазоров с соблюдением неравенства Б ≤ В.

Предлагаемый светодиодный светильник при использовании для бокового освещения внутри куста высокорослых сельскохозяйственных растений, за счет высокоэффективной теплоотдачи от корпуса-радиатора, в сравнении с прототипом (при равной с ннм поверхности охлаждения) имеет следующие преимущества:

• большую мощность, составляющую несколько сотен ватт, что обеспечивает более высокую степень освещенности при боковом освещении растений;

• температура корпуса светильника превышает температуру окружающей среды в теплице не более чем на 15-18 °С, что обеспечивает растениям внутри куста комфортные условия роста при боковом освещении;

• светильник конструктивно прост и потому надежен при эксплуатации в условиях сооружений защищенного грунта.

Кроме того, предлагаемый светильник, при его использовании для бокового освещения внутри куста растений, помимо основной функции — освещения, реализует дополнительную функцию — снижает вертикальный градиент температуры воздуха в теплицы без дополнительных затрат энергии. Результат выполнения этой функции — сокращение энергозатрат на поддержание микроклимата в теплице. При этом экономия, возникающая от реализации дополнительной функции, соизмерима или может превышать экономический эффект от функции освещения растений. «Способ снижения вертикального градиента температуры в сооружениях защищенного грунта» защищен патентом № 2689063 [7].

В сумме реализация предлагаемым светильником двух функций повысит экономическую эффективность и снизит срок окупаемости светодиодных светильников в теплицах.

Предлагаемый светодиодный светильник может быть изготовлен в широком диапазоне мощностей 50-320 Вт, длиной 400-2500 мм.

Выводы

1.В тепличном СДС, при сохранении поверхности охлаждения, массы и температуры корпуса светильника, получаем значительное увеличение его мощности.

2.Результатом увеличения мощности светильника является рост светового потока бокового облучения растений. Это дает возможность перераспределить в пользу бокового облучения растений большую часть суммарной мощности всей осветительной установки.

3.Следствием перераспределения мощности осветительной установки по п. 2 станет большая эффективность использования досветки растений в теплице.

4.Перенос части тепловой мощности из верхней части теплицы в ее среднюю и нижнюю части значительно улучшает процесс конвекции воздуха в теплице.

5.Предлагаемый светильник, кроме основной функции — освещения, реализует дополнительную функцию — снижение вертикального градиента температуры воздуха в теплице.

6.Результат решений по ни. 4 и 5 — существенное снижение энергозатрат на поддержание микроклимата в теплице.

7.Необходима экспериментальная количественная оценка результатов, подтверждающая эффективность предлагаемого решения в условиях промышленной теплицы.

8.Итог всех решений — повышение конкурентоспособности тепличных СДС.

В заключение авторы обращаются к потенциальным инвесторам, владельцам и руководителям тепличных хозяйств, а также ко всем заинтересованным лицам с предложением оказать помощь в проведении такого эксперимента.

Литература     

1. Светодиодный фитооблучатель. Патент РФ 2454066, МПК A01G 9/20, 16.03.2010.

2. Трубчатое осветительное устройство 360 град. Патент US 20110019421 А1, 27.01.2011.

3. Светодиодная лампа. Патент РФ 2525458, МПК F21S 4/00, 24.09.2012.

4. Ракутько С.А. и др. «Энергосберегающий светодиодный фитооблучатель». Патент RU 142791 U1, 10.07.2014.

5. Смолин Д. А., Бибиков С. Ю. Светодиодный светильник с динамическим конвекционным охлаждением. Патент RU 124361 U1, 06.09.2012.

6. Дроздов Д. Г., Манатейкин Г. А. Решение о выдаче патента на изобретение от 16.07.2019 г. по заявке № 2017137707 «Светодиодный светильник и способ освещения сельскохозяйственной культуры», МПК F21S 4/00, заявлено 27.10.2017.

7. Дроздов Д. Г., Манатейкин Г. А. Способ снижения вертикального градиента температуры в сооружении защищенного грунта. Патент № 2689063, МПК A01G 9/24, заявлено 20.02.2018

Автор: Денис Дроздов | Геннадий Манатейкин

Источник: Полупроводниковая светотехника №4'2019