用于园艺应用的照明系统的制作方法

专利名称：用于园艺应用的照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种园艺照明系统、将这种照明系统用于把植物暴露 于脉冲光以及一种利用脉沖光照射温室中的植物的方法。
背景技术：
一般来说，照明系统被用于温室或其他环境中的园艺应用，其中 利用灯(例如光生物反应器)来照射活有机体以便支持植物生长。在 开发新的园艺系统时，其中 一个最为重要的目标是降低总体拥有成本
(TC0)
在本领域内，例如US 20(M/0109302 Al的不同文献才艮告了脉冲光 对植物生长的影响。所述研究表明，与连续光相比，脉沖光(频率、 占空比)在能量消耗方面有正面影响，但对植物生长没有负面影响。 据信植物的色素在吸收了第一个光子之后无法直接吸收第二个光子。 因此，脉冲光由于降低了功率消耗而降低了 TCO，从而提高了系统的总 体效率。可以很容易地对其进行脉冲控制的一种光源是发光二极管 (LED)。当今的LED的效率(以微摩尔/J测量)正在接近或者已经高 于现有技术的高压钠灯。此外，可以把发射光谱调谐到所述色素的吸 收光谱。但是一个问题在于，用于LED的驱动器无法同时提供高效率、 高功率密度、高可靠性以及电隔离。
涉及用于园艺应用的高压钠灯的另一个问题在于，其通常在绿色/
黄色光谱内生成光。但是大多数常见色素的吸收光谱处在不同的频率 范围内。

发明内容
鉴于上述内容，本发明的一个目的是提供一种照明系统，其能够 克服现有技术照明系统、特别是利用高压钠灯的系统的缺陷。另一个 目的是降低所述照明系统的总体拥有成本。
上述目的是通过一种园艺照明系统而实现的，其优选地用于其中 利用诸如光生物反应器的灯来照射活有机体的温室或其他环境，所述系统包括第一串至少一个灯元件；第二串至少一个灯元件，所述两 串彼此电并联；为所述各串的并联电路提供AC电流/电压的电源单元； 以及用于在所述AC电压的笫一半周期期间为所述第一串通电并且在所 述AC电压的第二半周期期间为所述笫二串通电的装置，从而使得每一 串辐射脉沖光，所述第一串和所述第二串被设置成照射不同的区域。
从文献中可以获知，色素在吸收了第一个光子之后无法直接吸收 第二个光子。这意味着在所给出的两个光子之间的中断会提高所述系 统的效率。本发明的园艺照明系统通过提供由同一电源单元交替通电 的两串灯元件来利用这种效应，其中所述两串灯元件被设置成照射温 室或所提到的环境的不同区域。优选地，所述电源单元的输出具有正 弦形式，从而使得流经所述两串的其中之一的最终得到的电流是正弦 的半循环。因此，每一串产生脉沖光，其频率取决于所述电源单元的 AC电流/电压的频率。由于所述两串不照射相同的区域，因此所述脉冲 辐射关于所述温室的受照区域不平衡或不均衡。
在本发明的上下文中，电源单元意味着能够提供所需AC电流/电 压的任何组件或电路。在最简单的情况下，所述电源单元仅包括与市 电或任何其他AC电网相连的电线和输入端子。所述电源单元通常包括 驱动器电路，以便提供具有不同于市电频率的预定频率的AC电压。
在本发明的上下文中，用于通电的装置是可以允许或禁止电流在 至少一个方向上流动的任何设备或组件，比如可以在两个方向上阻断 电流流动的开关或者可以在一个方向上阻断电流的二极管。
本发明的照明系统的其中一个优点在于，由于所述AC电流/电压 的两个半周期都被用于生成照射两个不同区域的光，因此其在能量消 耗方面非常有效。从而可以降低总体拥有成本。换句话说，本发明的
i效率^常高的;统的现A驱:器技术相组合。 '一 、
在一个优选实施例中，所述用于通电的装置包括被分配给所述第 一串的第一二极管和被分配给所述笫二串的第二二极管，所述两个二 极管被提供为彼此反并联。
换句话说，每一串包括与该串的至少一个灯元件串联连接的二极 管，所述两个二极管被提供为彼此反并联，从而使得所述电源单元的 电流在不同方向上交替流向所述两串。与用来控制电流的其他解决方案(比如电子开关等等)相比，把二极管用作控制所述电流的装置的 做法又便宜又简单。
在另一个优选实施例中，所述灯元件包括发光二极管(LED)和/ 或有机发光二极管。
这种措施的优点在于，与通常被用在园艺应用中的高压钠灯相比， 发光二极管是能量效率非常高的元件。应当注意到，"发光二极管" 在本发明的上下文中还意味着有机发光二极管。
发光二极管的另一个优点在于，其还接管了所述通电装置的功能。 只需要把所述LED设置在彼此反并联的所述两串中。
另一个优选实施例包括电灯。
应当注意到，所述灯元件还可以包括发光二极管与灯的任意组合。 此外，所述各串可以是非对称的，这意味着灯元件的数目以及/或者灯 元件的类型在各串中是不同的。
优选地，每一串包括多个灯元件(优选地是LED)，所述多个灯元 件彼此串联连接、并联连接或者按照并联和串联的任意组合连接。
上面提到的措施的优点在于，可以获得一种成本效率和能量效率
都非常高的照明系统实现方式。
在另一个优选实施例中，所述电源单元包括DC-AC转换器。更为 优选的是，所述转换器包括谐振半桥转换器或谐振全桥转换器。
通过提供谐振转换器可以给出许多优点，比如可以获得电隔离， 如果所述电源单元由市电电压馈电的话常常需要所述电隔离。此外， 所述电源单元由于软开关而具有高效率。此外，由于可以使用非常高 的开关频率，因此可以获得高功率密度。因此，无源组件可以被设计 成非常小。此外，由于各组件的应力减小，因此可靠性非常高。
在另一个优选实施例中，所述灯元件被选择成使其发射光语与所 述温室中的将被照射的植物的吸收光谱相匹配。优选地，其中的一些 所述灯元件具有不同波长。更为优选的是，所述AC电压的频率被选择 成使得所述灯元件的脉冲周期处于2微秒到20毫秒之间，优选的是处 于10微秒到1毫秒之间，并且优选地是100微秒。
上面提到的措施的优点在于，可以附加地支持并增强由所述照明 系统所照射的植物的生长。
还可以通过以下措施来实现如上所述的本发明的一个目的把本
6发明的照明系统使用在其中可以利用灯来照射活有机体的环境中，或 者将其使用在用于把植物暴露于脉冲光的温室中。
还可以通过一种利用来自被设置在两个并联串中的灯元件的脉沖 光来照射温室中的植物或照射特殊环境中的其他活有机体的方法来实 现上面提到的目的，所述两串被适配成向所述温室或所述环境的不同
区域辐射光，所述方法包括以下步骤 -提供AC电流/电压；
-在所述AC电压的第一半周期期间为其中一串通电以便向第一区 域辐射光；以及
-在所述AC电压的第二半周期期间为另一串通电以便向不同于所 述第一区域的第二区域辐射光。
本方法可以实现与上面提到的相同的优点，因此可以参照上面的 内容。
另外优选的是，所述AC电压被选择成使得所述脉沖周期处于2微 秒到20毫秒之间，优选的是处于IO微秒到1毫秒之间，并且优选地 是10G微秒。
该脉沖周期被证明是有利的。
从下面的描述和附图中可以获知其他特征和优点。 应当理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，上面所提到的
特征以及将在下面解释的特征不仅可以被用在所指出的对应组合中，
而且还可以被用在其他组合中或者被单独使用。


在附图中示出了本发明的各实施例，并且将参照附图对其进行更 加详细的解释。在附图中
图la是用于温室的本发明的园艺照明系统的示意性方框图lb是示出了所述电源单元的输出的电压图lc是具有不同区域的温室的示意性顶视图2是所述园艺照明系统的一个优选实施例；
图3是使用了谐振半桥转换器的图2的实施例的示意性方框图4是使用二极管作为通电装置的另一个实施例的示意性方框图5是使用了彼此串联及并联设置的灯元件的另一个实施例的示
7意性方框图6是具有谐振全桥转换器的本发明的照明系统的另一个实施例 的示意性方框图7是具有按照不同方式设置的电容器的图6中所示的实施例的 示意性方框图8是具有略微不同于图6和7中所示的全桥转换器的本发明的 照明系统的另 一个实施例的示意性方框图9是具有另一个电容器的图7中所示的实施例的示意性方框以及
图10是具有另一个电容器的图8中所示的实施例的示意性方框图。
具体实施例方式
在图1中示意性地示出了一种园艺照明系统并且用附图标记10表 示。应当注意到，该图仅仅是一个方框图，其中没有示出所有电路细 节。所述照明系统IO被用于温室中的园艺应用，以便利用脉沖光来照 射温室中的植物。如上所述，脉冲光可以增强受照植物的生长。
所述照明系统10包括电源单元12，其在输出端子14处提供AC电 压。所述电源单元12的性能被适配于为之供电的灯元件的类型和数目。 所述灯元件在图la中由附图标记16表示。所迷灯元件16被设置在两 组中从而形成第一串22和第二串24，所述两串彼此并联连接并且与所 述电源单元12的输出端14相连。每一串22、 24可以包括如图la中 所示串联连接的一个或多个灯元件16。但是应当注意的是，每一串22、 24还可以包括灯元件16的并联连接或者串联及并联连接的灯元件16 的组合。
此外，每一串22、 24包括电流控制装置26，其控制流经该串的相 应的灯元件16的电流。具体来说，所述电流控制装置26被适配成使 得电流在第一时间段期间流经所述第一串22的灯元件16，并且在第二 时间段期间流经所述第二串24的灯元件。优选地，所述第一时间段对 应于由所述电源单元12提供的AC电压的第一半周期，所述第二时间 段对应于所述AC电压的笫二半周期，正如图lb中示意性地示出的那 样。全部两个电流控制装置26都使得所述灯元件16生成脉冲光，从 而使得第一串与第二串22、 24的光脉冲交替。
在图lc中示意性地示出了温室的顶视图并且用附图标记30表示。 所述温室30通常具有表面区域，其被划分成如图lc中所示的多个子 区域。应当注意的是，所述表面区域和各子区域的矩形形状仅仅是用 于说明的目的。在本例中，所述表面区域被划分成9个子区域，其中 子区域1和子区域2分别由附图标记32和34表示。由于脉冲光对于 植物生长是有利的这一事实，因此一串22、 24的各灯元件16被用来 照射子区域32、 34。换句话说，例如第一串22灯元件16照射子区域 32，第二串24照射子区域34。所述两串22、 24的灯元件16不应当照 射相同的子区域，因为这样将会失去脉冲光对植物生长的正面效果。
应当注意的是，把串22、 24分配给相邻的子区域32、 34仅仅是 一个实例，而不是唯一的解决方案。所述两串22、 24的灯元件16的 设置和指向应当仅仅确保各串22、 24照射所述温室30的不同区域， 从而照射不同植物。
在图2中以方框图的形式示出了园艺照明系统10的一个优选实施 例。所述电源单元12包括DC-AC转换器50和DC源52。所述DC-AC 转换器50被适配成把DC电压转换成被提供给所述各串22、 24的AC 电压。
此外，在该实施例中，所述灯元件16是发光二极管40,其中所述 第一串22的各LED 40与所述第二串24的各LED 40反并联。
由于所述发光二极管40还具有电流控制装置的功能这一事实，即 仅仅允许电流在一个方向上流动，因此所述LED40还可以取代如图la 中所示的电流控制装置26。
通过把所述各串22、 24中的LED 40提供为彼此反并联，可以确 保电流II、 12仅仅在所述电流/电压供应的正弦半周期期间流经所述 LED 40。
所提供的AC电压的频率被选择成使得由所述LED 40生成的光脉 沖的周期处于2微秒到1毫秒之间。优选地，所述周期是100微秒。 因此，所述AC频率处于500Hz到250kHz之间。
所述LED 40优选地是其光谱与所述植物色素的吸收光谱相匹配的 LED。所述LED光镨与植物吸收光谱的适配可以进一步提高所述照明系统的效率。
在图2中，用于所述各串22、 24的AC供电电压由DC-AC转换器 生成。在本领域内，关于如何实现这种转换器50存在多种解决方案。 在图3到8中示出了两种可设想的电路。但是应当注意的是，也有可 能使用其他类型的DC-AC转换器来给所述各串22、 24的灯元件通电。
一种优选的转换器50是所谓的谐振半桥转换器，其在图3中由附 图标记60表示。这种半桥转换器的结构和功能在本领域内是已知的， 因此可以省略其详细描述。 一般来说，所述半桥转换器60包括两个串 联耦合的开关元件62 (晶体管)。与所述开关元件62的串联连接并联 地提供两个电容器64的串联连接。此外，所述半桥转换器包括变压器 66，其次级侧通过电容器64为所迷各串22、 24提供能量。
所述变压器66的初级侧通过电容器与所述晶体管串联连接的中心 抽头和所述电容器串联连接的中心抽头相连。所述晶体管62被驱动成 交替导通，从而使得AC电流流经所述变压器66的初级侧。
谐振转换器(比如半桥转换器60)的优点例如包括电隔离、高功 率密度，这是因为可以使用非常高的开关频率，并且所述优点还包括 由于所述组件的应力降低而得到的高可靠性。此外，由于可以进行软 开关因此可以获得高效率，并且由于输出整流器被照射，因此所述效 率甚至高于标准情况。
图4和5中所示出的实施例也使用谐振半桥转换器60，但是在各 串22、 24的实现方式方面有所不同。
在图4中所示出的实施例中，所述第一串22包括多个灯元件16 以及作为电流控制装置26的笫一二极管42。所述第二串24也包括多 个灯元件16以及作为电流控制装置的第二二极管42,所述两个二极管 42被提供为彼此反并联，从而使得AC电流每次仅仅流经一串。具体来 说，第一串22的各灯元件16在所述AC电源的正弦的第一半期间生成 光(在理想情况下)，而第二串24的各灯元件16则在所述正弦的第 二半期间生成光。
在图5中示出了另一个实施例，其与图4中所示的实施例类似， 除了其中所述两串22、 24包括还彼此并联耦合的灯元件16之外。但 是该照明系统的功能与前面提到的照明系统的功能相同。
在图6到8中示意性地示出了照明系统IO的另外3个实施例，其
10使用所谓的谐振全桥转换器以替代关于图3到5所描述的半桥转换器。 在图6到8中，所述全桥转换器由附图标记70表示。
一般来说，全桥转换器的结构和功能在本领域内是已知的，因此 省略其详细描述。与所述半桥转换器不同，所述全桥转换器包括另外 两个开关元件(晶体管)62,其替代所述半桥转换器中的电容器64的 串联连接。为了在所述变压器66的初级侧实现电流反转，交替地开关 并且从而交替地导通对角线的晶体管62对。
在图6的实施例中，所述变压器66的初级侧通过电容器64与晶 体管62的第一串联连接的中心抽头耦合并且直接与晶体管62的第二 串联连接的中心抽头耦合。此外，在次级侧提供与所述两串22、 24的 并联连接串联的电容器64。
图7中所示的实施例与图6中所示的实施例的不同之处在于次级 侧的电容器64的连接。在图7中，该电容器被提供为与所述各串22、 24并联。
图8中所示的实施例与图7中所示的实施例的不同之处在于所述 变压器66的初级侧与晶体管62的第一串联连接的中心抽头的直接连 接。因此，没有电容器与所述变压器66的初级側串联。
图9和10中所示的实施例分别与图7和8中所示的实施例类似， 其不同之处在于有另一个电容器68与所述两串22、 24的并联连接串 联连接。
如上所述，在图3到8中特别关于所述电源单元12的设计(即所 述AC-DC转换器50)所示出的各实施例仅仅是可设想到的解决方案的 实例，而不应当被视为限制本发明的范围。在为所述并联连接的各串 22、 24提供具有所期望的频率的AC电压方面当然还存在其他的可能 性。此外，本发明的系统和方法还可以被应用于多相系统。
本发明的主要方面是提供两串灯元件，所述两串灯元件彼此并联 连接并且被适配成使得所述两串被交替地通电。因此， 一串的各灯元 件生成脉沖光，并且所述各串的光脉沖被交替地生成，因此不是同时 生成。此外，所述各串的灯元件被设置成照射温室的不同区域。因此， 植物仅仅接收来自 一 串的光。因此在由一林植物接收到的相继光脉冲 之间总有"暗"相。
权利要求
1、园艺照明系统，其包括第一串(22)至少一个灯元件(16，40)；第二串(24)至少一个灯元件(16，40)，所述两串彼此电并联；为所述各串的并联电路提供AC电流/电压的电源单元(12，50，60，70)；以及用于在所述AC电压的第一半周期期间为所述第一串通电并且在所述AC电压的第二半周期期间为所述第二串通电的装置(26，42)，从而使得每一串辐射脉冲光，所述第一串和所述第二串被设置成照射不同的区域(32，34)。
2、 权利要求l的照明系统，其中，所述用于通电的装置包括被分 配给所述第一串的第一二极管(42)和被分配给所述第二串的第二二 极管(42)，其中所迷两个二极管被提供为彼此反并联。
3、 权利要求1或2的照明系统，其中，所述灯元件(16)包括发 光二极管(40; LED)和/或有机发光二极管(0LED)。
4、 权利要求2或3的照明系统，其中，所述第一和第二二极管(42) 是发光二极管(40)和/或有机发光二极管。
5、 任一条在前权利要求的照明系统，其中，所述电源单元包括 DC-AC转换器(50)。
6、 任一条在前权利要求的照明系统，其中，所述灯元件(16， 40) 被选择成使其发射光谱与将被照射的植物的吸收光谱相匹配。
7、 任一条在前权利要求的照明系统，其中，所述灯元件(16, 40) 中的一些灯元件具有不同的波长。
8、 任一条在前权利要求的照明系统，其中，所述AC电压的频率 被选择成使得所述灯元件的脉冲周期处于2ps到20ms之间。
9、 将如权利要求1到8中任一条所限定的照明系统使用在其中利 用灯来照射活有机体的环境中，或者将其使用在用于把植物暴露于脉 冲光的温室中。
10、 利用来自被设置在两个并联串中的灯元件的脉冲光来照射温 室中的植物或照射预定环境中的其他活有机体的方法，其中所述串都 被适配成向不同区域辐射光，所述方法包括以下步骤提供AC电流/电压；在所述AC电压的第一半周期期间为其中一串通电以便向第一区域 辐射光；以及在所述AC电压的第二半周期期间为另一串通电以便向不同于所述 第一区域的第二区域辐射光。
11、权利要求10的方法，其中，所述AC电压被选择成使得所述 脉沖周期处于2ps到20ms之间，优选的是处于10 ms到lms之间， 优选地是100 m s。
全文摘要
本发明涉及园艺照明系统，其包括第一串(22)至少一个灯元件(16，40)；第二串(24)至少一个灯元件(16，40)，所述两串彼此电并联；为所述各串的并联电路提供AC电流/电压的电源单元(12，50，60，70)；以及用于在所述AC电压的第一半周期期间为所述第一串通电并且在所述AC电压的第二半周期期间为所述第二串通电的装置(26，42)，从而使得每一串辐射脉冲光，所述第一串和所述第二串被设置成照射不同的区域(32，34)。所述照明系统还可以被用在其中利用灯来照射活有机体的环境中，或者被用在把植物暴露于脉冲光的温室中。此外还要求保护一种相应的方法。
文档编号H05B33/08GK101682953SQ200880019086
公开日2010年3月24日 申请日期2008年6月3日 优先权日2007年6月5日
发明者H·W·范德布罗克, J·H·A·M·雅各布斯, M·温特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司