CN115768253A - 用于改善植物生长条件的照明***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种照明***(3)，用于向需要光合刺激性人造光的指定目标区域提供光合刺激性人造光，所述照明***(3)包括具有光源的至少一个照明器(1)。所述照明器(1)以小于等于20°的窄光束角(FWHM)发射光合刺激性光，所述照明***(3)包括用于将所述至少一个照明器定位在距所述指定目标区域沿光束方向测量最小为20m的距离处的装置，并且所述照明器(1)适于以最小为140μmol/s/m2的光合光子通量密度照射所述指定目标区域。还描述了一种用于改善植物生长条件的方法，通过将植物暴露于来自光源的光合人造光来改善在指定目标区域处需要光的植物的生长条件。

Description

用于改善植物生长条件的照明***和方法
本发明涉及一种照明***，该照明***包括用于照射植物以改善其生长条件的照明器。植物可覆盖诸如体育场的草坪的至少一个区域的区域。照明***可包括用于照射植物的一个或多个照明器。植物可覆盖诸如体育场的草坪、高尔夫球场或者草地的区域。照明***可以是独立的，不存在自然光或向阳光提供补充光。本发明还涉及一种用于改善植物生长条件的方法。
随着足球的普及和货币周转率的增加，用于足球的运动场的尺寸也在增大。观众容量为40,000至80,000的体育场是非常常见的。保证高质量的天然草坪可能是具有挑战性的，特别是在大型体育场中保证高质量的天然草坪。体育场的壁和屋顶阻挡阳光到达草坪。由于草本植物需要光来进行光合作用，因此缺乏阳光会导致草生长不良和质量差。
同样的问题也适用于其他体育场(例如，由高看台包围的具有草坪的网球场、具有高看台的足球场以及橄榄球场)。其他体育活动也在天然草坪上进行。甚至没有被高看台包围的训练场地也由于高度磨损而需要辅助照明。
使用人造光(artificial light)来改善温室中的植物生长是众所周知。
对于提供人造光来刺激体育场中的草坪的光合作用的需求是已知的。专利EP1164830B1公开了一种用于促进室内外体育运动和竞技运动的草坪(特别是来自看台的遮挡导致自然光照条件减少的草坪)中的草和其他植物的生长条件的***。该***包括承载用于照射草坪的照明器的可移动单元。该***被布置成用作移动温室，并且放置在草坪上。在过去的20年中已经开发了类似的可移动单元。照明器通常位于草坪上方1m至4m的高度处。
这些单元在定期进行的操作之间需要存储空间，这是一个缺点。体育场(特别是老式体育场)没有配备有用于可移动单元的存储空间。因此，可移动单元在不使用时被运出体育场。由于旧体育场通常位于城市中，因此体育场外的存储空间的可用性也可能受到限制。这些单元为了移动而安装了轮子，并且轮子在草坪上摩擦，这是一个缺点。专利US6874275和专利申请EP3192350中公开了可移动单元的替代方案。专利申请EP3192350公开了一种包括灯的提升/降低装置，该装置将灯降低到草坪上方0.05m至2.0m的工作距离，以提供足够的人造光来促进草的生长。灯可以是专门为光合作用开发的LED灯，并且在工作距离处的照明水平(illumination level)为100μmol/s/m2至200μmol/s/m2。
体育场还需要人造光以用于泛光照明式运动赛事，特别是在诸如深夜的几乎没有阳光的赛事期间。用于体育场的泛光照明在本领域中是公知的。已知目前先进的现代泛光照明***利用发光二极管(LED)形式的光源并且甚至被布置成提供灯光秀。通常，从场地或球场到光源的距离大于30米，并且该距离可超过50米。
众所周知，照度随着距离的平方而减小。这就是所谓的光的平方反比定律(Inverse Square Law of Light)。例如，将光源和照射区域之间的距离从1m增加到10m，该区域上的照度降低到1％。来自现代泛光照明***的光在发光强度(luminous intensity)方面不足以促进体育场上的草的生长。由于光的平方反比定律的含义，本领域技术人员已经相信，用于促进草生长的人造光应该靠近草坪定位，并且4米的距离似乎是当前实践中的上限。
本发明的目的在于弥补或减少现有技术的至少一个缺点，或者相对于现有技术至少提供有益的替代方案。
该目的通过在下面的描述和随后的权利要求中指定的特征来实现。
本发明由专利的独立权利要求限定。从属权利要求限定了本发明的有益
实施例。
在本文中，光束角(beam angle)被定义为：对于发光强度是最大发光强度的一半的光束轴线，彼此相对的两个方向之间的角度。这对应于所谓的半峰全宽(FWHM)光束角。
在第一方面，本发明涉及一种照明***，用于向需要光合刺激性人造光的指定目标区域提供光合刺激性人造光，所述照明***包括具有光源的至少一个照明器(1)。照明器(1)以小于等于20°的窄光束角(FWHM)发射光合刺激性光，所述照明***(3)包括用于将所述至少一个照明器定位在距指定目标区域沿光束方向测量最小为20m的距离处的装置，并且照明器(1)适于以最小为140μmol/s/m2的光合光子通量密度照射指定目标区域。
光合刺激性光也称为生长光。PPFD是每秒落在给定表面的一平方米上的光合活性光子(在PAR区域中：400nm-700nm)的数量(μmol/s/m2)。
照明器可以以大于等于3°(例如大于等于4°，例如大于等于5°)的窄光束角(FWHM)发射光合刺激性光。
窄光束角(FWHM)可以是从3°至15°(诸如，从4°至15°，从5°至15°，从6°至15°)。窄光束角(FWHM)可以是3°至10°(诸如，从4°至10°，从5°至10°，从6°至10°)。
照明器可在光束方向上测量距照明器最小为25m(如30m，例如35m，例如40m，例如45m，例如50m或更远)的距离处以最小为140μmol/s/m2(10,000lux)的光合光子通量密度(PPFD)照射指定目标区域。
照明器可在光束方向上测量距照明器最小为20m(例如25m，例如30m，例如35m，例如40m，例如45m，例如50m或更远)的距离处以最小为210μmol/s/m2(15,000lux)(例如280μmol/s/m2(20,000lux)，例如350μmol/s/m2(25,000lux))的光合光子通量密度(PPFD)照射指定目标区域。
可以以至少0.6的照明均匀性(例如0.8的照明均匀性，例如大于0.8的照明均匀性)照射目标区域。在本文中，照明均匀性(lighting uniformity)被定义为表面上的最小照度与平均照度的比。
照明器可包括发光二极管(LED)形式的光源。照明器还可包括激光二极管形式的光源。照明器可包括高压钠(HPS)灯。照明器可包括金属卤化物(MH)灯。
照明器可发射相关色温大于2700K的光。相关色温大于2700K的光可包括相关色温诸如2700-3500K(暖光)、3500-4500K(中性白)、4500-5500K(冷白)或5500-6500K(冷光/日光)的白光。照明器还可包括在较窄波长范围中发射光的光源(诸如，发射蓝光和红光的发光二极管)。
照明器可以以这样的方式安装：照明器指向固定方向，或者照明器可倾斜使得光可在几个方向上发射。照明器中的光源也可相对于照明器倾斜。照明器可包括可改变从照明器发射的光束的方向的可调节光学设备。
用于定位至少一个照明器的装置可包括体育场的屋顶的边缘部。照明器可以可移动地安装到体育场屋顶的边缘部。照明器可安装到布置在体育场屋顶的边缘部上的可移动物体。在替代实施例中，用于定位至少一个照明器的装置可包括安装照明器的至少一个灯杆。灯杆可位于体育场的草坪之外。灯杆可位于温室中。灯杆可位于高尔夫球场上。在高尔夫球场上，杆可以是伸缩式的并且布置成在不使用时隐藏。杆可以围绕其纵向轴线旋转。杆可安装在货车上。灯杆可位于农田。农田可以是草莓地。
照明***可包括多个杆，并且每个杆可以设置有至少一个照明器。
在替代实施例中，用于定位至少一个照明器的装置可包括塔。在另一替代实施例中，用于定位至少一个照明器的装置可包括体育场建筑物(诸如，墙壁，建筑物、平台或看台上方的屋顶)。在另一替代实施例中，该装置可包括跨越体育场处的草坪并位于其上方的结构。所述至少一个照明器可悬挂在跨越草坪并位于其上方的结构上。用于定位照明器的装置可包括体育场的屋顶的边缘部、杆、塔、体育场建筑物、壁、建筑物、平台或看台上方的屋顶以及跨越体育场处的草坪并位于其上方的结构中的两个或更多个的组合。
组成照明***的照明器均可发射圆形光束，当光被垂直向下引导时，圆形光束在草坪上提供圆形占位，并且当照明器以一定角度照射草坪时，圆形光束在草坪上提供椭圆形占位。圆形或椭圆形的占位的大小取决于照明器的光束轮廓和从照明器到草坪的距离。
照明***的目标区域可有益地被划分成规则网格图案(或者，可替代地，六边形图案)。网格中的点的数量可等于照明***中的照明器的数量。如果目标区域小于照明***的总容量，则照明***中激活的照明器的数量可等于目标区域内的点的数量。
组成照明***的照明器可按照使得每个照明器的中心轴线或中心光束指向目标区域上的对应于网格点的专用位置的方式安装。在这种情况下，照明***可按照使得来自各个照明器的圆形或椭圆形的占位部分重叠的方式布置。
获得均匀的照明水平的潜力对于能量消耗是非常重要的，并且对于草坪得到的视觉外观也可能是非常重要的。为了获得可接受的照明均匀性，与各个照明器的占位相关的布置是非常重要的。发明人已经通过模拟确定了，当来自各个照明器的占位以这样的方式重叠时，即，两个相邻占位的强度水平在两个占位的中心点的中间都下降到大约50％时，可获得可接受的照明均匀性。
由此得出的结论是，为了获得可接受的均匀性，照明***应该考虑：照明器的数量、照明器的光束轮廓以及从照明器到草坪上的对应网格点的距离和角度。通过组合优化这些因素，在常规情况下应该可获得大于0.80的均匀性。
照明***可包括监视***，该监视***用于监视和估算在目标区域的所有部分上对人工照明的需求，以获得草的可接受的生长条件。照明***可以包括监视***，该监视***用于监视草坪的至少一个区域中的光照条件(包括日照条件)。监视***可包括一个相机或多个相机。
照明***可适于为体育赛事分配泛光照明。通常，泛光照明不具有与用于草生长的人工照明(即，生长照明)相同的强度要求。每个照明器可向目标区域内的固定区域供应光，并且每个照明器可被调亮和调暗或者单独地接通或关断。
本发明还涉及一种泛光照明***，用于照亮体育场的草坪，其中，所述泛光照明***包括如上所述的照明***。体育场可以是旨在用于诸如英式足球、美式足球、橄榄球、棒球、板球、高尔夫、网球或类似体育活动的体育场。
在第二方面，本发明涉及一种用于改善植物生长条件的方法，通过将植物暴露于来自光源的光合人造光来改善在指定目标区域处需要光的植物的生长条件。该方法包括提供包括光源的照明器，所述照明器适于以小于等于20°的窄光束角(FWHM)发射光合人造光。光源位于距指定目标区域最小20m的距离处，并且用最小为140μmol/s/m2的光合光子通量密度照射所述指定目标区域中的植物。
该方法可包括提供一种照明器，所述照明器以大于等于3°(例如大于等于4°，例如大于等于5°)的窄光束角(FWHM)发射光合刺激性光。
该方法可包括提供一种照明器，该照明器以从3°至15°(例如从4°至15°，例如从5°至15°，例如从6°至15°)的窄光束角(FWHM)发射光合刺激性光。窄光束角(FWHM)可以是从3°至10°(例如从4°至10°，例如从5°至10°，例如从6°至10°)。
该方法可包括在光束方向上测量距光源最小为25m(例如30m，例如35m，例如40m，例如45m，例如50m或更远)的距离处以最小为10,000lux或140μmol/s/m2照射目标区域。该方法可包括在光束方向上测量距光源最小为20m(例如25m，例如30m，例如35m，例如40m，例如45m，例如50m或更远)的距离处以最小为210μmol/s/m2(15,000lux)(例如280μmol/s/m2(20,000lux)，例如350μmol/s/m2(25,000lux))来照射目标区域。
植物可以是诸如体育馆的体育场中的草。植物可以是诸如高尔夫球场的运动场中的草。
使促进植物生长且布置成安装到放置在体育场的草坪之外的固定结构的照明***作为用于为草坪提供人造光的***，具有若干优点。布置成定位在草坪上的已知移动照明***操作起来是耗时的。工作人员必须花费时间将一个或多个可移动钻机定位到场地上和离开场地以及将它们从场地的一个区域移动到另一个区域。此外，移动照明***至少在使用时的时段内占据场地的区域，这可能防止在该时段期间在场地的区域中开展其他活动。将照明***安装到远离场地的固定结构意味着它不占据场地的任何区域，并且***的激活或停用是快速且容易的。
与现有技术相比，根据本发明的照明***的另一积极效果在于现有技术的移动钻机在不使用时需要用于存储的存储空间。根据本发明的第一方面的照明***将通常被固定到离开场地的结构(诸如，屋顶或者一个或多个灯杆)，并且将不需要任何存储空间。
根据本发明的第一方面的照明***通常可被布置成投射被称为光合有效辐射(PAR)且波长范围在400纳米和700纳米之间的光谱范围内的光。由于研究表明草可更有效地使用某些光谱中的光(特别是波长范围在400纳米和500纳米之间的光(蓝光)以及波长范围在600纳米和700纳米之间的光(红光))，照明***可被布置成发射这些光谱中的一个或两个光谱中的光。照明***可被布置成在某个时间段期间发射某个光谱中的光，并且在另一时间段期间发射另一光谱中的光。发射对于植物生长特别有益的光谱的光可以是节能的并且是有利的，特别是在几乎不需要使用照明***来向草本植物提供来自光的热量的时候。
照明***可包括至少一个照明器，该照明器包括发光二极管(LED)形式的光源。照明***可包括多个照明器。多个照明器中的全部或一些可包括LED。由于以下几个原因，LED可以是非常有利的：
-可通过使用彩色LED来定制要发射的光谱；
-与其他光源相比，LED可以是节能的；
-LED可立即变暗或者打开和关闭；
-LED具有长的预期寿命；
-LED不提供闪烁；以及
-诸如LED的小光源使得获得具有窄光束角的照明器更可行。
与HPS灯(在关闭时需要相当长的时间来再次打开)相反，LED可立即变暗或者打开和关闭。
照明***的至少一个照明器可发射光束角(FWHM)大致为12°的光。照明***的照明器可发射光束角(FWHM)小于12°(例如11°，例如10°，例如9°，例如8°，例如7°，例如6°，例如5°，例如4°，例如3°)的光。窄光束对于将来自照明器的光供应到草坪的界定区域可能是非常有益的。因此，与具有更宽光束的光源相比，可更大程度地将能量花费在照射草坪的需要人造光的区域上，同时限制由于照射草坪的不需要补充光的区域而导致的能量损失。在一些情况下，使照明器发射具有更宽光束的光可能是有益的，使得照明器覆盖草坪的更大区域。这在诸如足球场的大目标区域的中央区域处可能是有益的，例如以增大均匀性。然而，更靠近这样的区域的边缘，使用具有窄光束角的光是非常有益的，以不在目标区域之外浪费光。因此，具有窄光束角的照明将节省能量。窄光束使得照明器能够将光分布在目标区域上并减少目标区域外的光量。目标区域的大小和位置可能由于自然光照条件的变化而快速改变。因此，照明***中的所有照明器具有窄光束角可能是有益的。通过打开或关闭这样的照明器，照射更受限的目标区域(诸如，被遮挡以免受直射阳光照射的足球场的区域)是快速且容易的。
照明***的光源或照明器可以是可倾斜的，使得可改变从照明器发射的光的方向。光源或照明器可在任何方向上倾斜。具有可倾斜的光源或照明器使得可移动草坪的暴露于来自光源或照明器的光的区域。这可以是有益的，例如减少向诸如足球场的大区域供应照明所需的照明器的数量。照明器还可包括可改变从照明器发射的光束的方向的可调节光学设备。这可以具有与可倾斜照明器相同的益处。
照明***可包括用于改变从照明器发射的光的光束角的装置。照明器可布置有这种光束改变装置。照明器内的光源可设置有光束改变装置，以改变照明器的光束角。光束改变装置可以是用于聚焦或分散从光源发射的光的光学装置。光束改变装置可以是可调节的。
生长照明***可包括用于改变来自照明器的光的光束轮廓的光束改变装置。由此，可增大或减小来自照明器的光占位的半径。
照明***可以包括大致安装在体育场的屋顶的高度处的至少一个照明器。当相同的照明器既用于刺激植物生长又用于体育场的泛光照明时，这可能是特别重要的。
为了节省成本，可能有益的是，照明器中的一些或者照明器中的光源中的一些可被适配为根据需要提供生长光以及泛光照明。泛光照明通常具有大于20°的光束角。将光束改变装置应用于照明***中的一些照明器可能是有用的，以将适于生长照明的窄光束改变为适于泛光照明的较宽光束。
通常，向体育场提供生长照明需要比向体育场提供泛光照明多几倍的光。因此，用于整个体育场的泛光照明***可适于将生长光供应到场地的界定部分，例如场地的1/5。为了进行这种适配，应用可倾斜的照明器或者包括可改变从照明器发射的光束的方向的可调节光学设备的照明器可能是有用的。另外，为了进行这种适配，应用具有光束改变装置的照明器可能是有用的。
在下文中描述了在附图所示的优选实施例的示例，在附图中：
图1示出了用于刺激植物生长的照明***的照明器的示意图；
图2示出了使用506个图1所示的照明器照射长为100米且宽为64米的目标区域的光照强度等值线的模拟等值线图；
图3示出了使用306个图1所示的照明器照射长为104米且宽为68米的目标区域的光照强度等值线(lux)的模拟等值线图；
图4至图6示意性地示出了根据本发明的照明***如何照射草坪；
图7示意性地示出了与图4至图6相同的视图，但具有部分重叠的光束；以及
图8示意性且未按比例地示出了来自一个照明器的一个光束在地面上的占位，并且示出了用于限定光束角的半峰全宽(FWHM)的曲线图。
在附图中，附图标记1表示照明器。照明器1包括多个LED(未示出)。照明器1包括框架13。如图4至图7所示，照明器1被示出为具有用于将照明器1紧固到支撑件2的固定铁器15。照明器1包括用于调节框架13相对于固定铁器15的角度的倾斜装置17。
以足够的功率(诸如约2500W)对照明器1进行供电。LED可发射相关色温为约4000K的白光。照明器1发射具有窄光束19的光。如图8所示，照明器1可以以5.5°的光束角10发射光。
图2示出了光照强度等值线的模拟等值线图。该计算基于长为100米且宽为64米的足球场。图1所示的照明器1位于地面上方32m，并且506个照明器1均匀地分布在场地上方，使得光束19垂直于地面。模拟图示出了以高于20,000lux的强度照射场地中央，并且大部分场地的照射强度接近或大于20,000lux。
图3示出了基于均匀地分布在长为104米且宽为68米的足球场上方使得光束19垂直于地面的306个照明器的模拟图。模拟图示出了以高于10,000lux的强度照射场地中央，并且大部分场地的照射强度接近或大于10,000lux。
图2和图3所示的模拟图示出了根据本发明的照明***3能够在一定距离处照射草以刺激草生长。
图4至图7示意性地示出了照明***3如何照射草坪4。在图4中，多个照明器1安装在支撑件2(被示意性地示出为体育场6的屋顶5)上。多个照明器1照射整个草坪4。在图5至图6中，多个照明器1照射草场的1/3。多个照明器1是可倾斜的。由此，可通过连续地调节照明器1的角度来照射整个草坪4。在图7中，小于1/3的草坪被照射。光束19重叠以增加由光束19产生的每个占位7的边缘部处的光照强度。
图8示出了来自一个照明器1的光束19在地面40上的占位7。光以5.5°的光束角10(从照明器1的框架13的边缘130测量)从照明器1发射。基于照明器1安装在地面40上方32m处且光束19垂直于地面40定向来计算占位7。尺寸仅用于说明本发明，并且尺寸将随着地面上方的高度、照明器1的尺寸、光束角10和光束相对于地面40的方向而改变。
示意性曲线8示出了光束19内的光照强度。光照强度在光束19的中心处为最大值M。光照强度随着距中心的距离增加而下降。该曲线示出了光照强度下降到最大值的的一半(1/2M)的情况。如图8所示，这定义了半峰全宽FWHM光束角。
应注意的是，上述实施例用于说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计许多替代实施例。在权利要求中，放置在括号之间的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。动词“包括”及其词形变化的使用不排除存在除了权利要求中所述的元件或步骤之外的元件或步骤。元件之前的单数冠词不排除存在多个这样的元件。
仅在相互不同的从属权利要求中记载某些方案的事实并不表示不能有利地使用这些方案的组合。

Claims (17)

1.一种照明***(3)，用于向需要光合刺激性人造光的指定目标区域提供光合刺激性人造光，所述照明***(3)包括具有光源的至少一个照明器(1)，其特征在于，所述照明器(1)以小于等于20°的窄光束角(FWHM)发射光合刺激性光，所述照明***(3)包括用于将所述至少一个照明器定位在距所述指定目标区域沿光束方向测量最小为20m的距离处的装置，并且所述照明器(1)适于以最小为140μmol/s/m2的光合光子通量密度照射所述指定目标区域。
2.根据权利要求1所述的照明***(3)，其中，所述照明器(1)以大于等于3°的窄光束角(FWHM)发射光合刺激性光。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的照明***(3)，其中，所述照明器(1)以最小为210μmol/s/m2照射所述指定目标区域。
4.根据前述权利要求中任一项所述的照明***(3)，其中，以至少0.6的照明均匀性照射所述目标区域。
5.根据前述权利要求中任一项所述的照明***(3)，其中，所述光源包括LED灯。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的照明***(3)，其中，所述光源包括激光二极管。
7.根据前述权利要求中任一项所述的照明***(3)，其中，所述照明器(1)可倾斜地安装。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的照明***(3)，其中，所述光源能够相对于所述照明器(1)倾斜。
9.根据前述权利要求中任一项所述的照明***(3)，其中，用于定位所述至少一个照明器的装置包括体育场(6)的屋顶(5)的边缘部。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的照明***(3)，其中，用于定位所述至少一个照明器的装置包括灯杆。
11.根据前述权利要求中任一项所述的照明***(3)，其中，所述照明***(3)包括监视***，所述监视***用于监视和估算在所述目标区域的所有部分上对人工照明的需求，以获得草的可接受的生长条件。
12.根据权利要求11所述的照明***(3)，其中，所述监视***包括至少一个相机。
13.根据前述权利要求中任一项所述的照明***(3)，其中，所述照明***包括泛光照明***。
14.一种泛光照明***，用于照亮体育场(6)的草坪(4)，其中，所述泛光照明***包括根据权利要求1至12中任一项所述的照明***(3)。
15.一种用于改善植物生长条件的方法，通过将植物暴露于来自光源的光合人造光来改善在指定目标区域处需要光的植物的生长条件，其特征在于，所述方法包括提供包括所述光源的照明器(1)，所述照明器(1)适于以小于等于20°的窄光束角(FWHM)发射所述光合人造光，所述光源位于距所述指定目标区域最小为20m的距离处，并且用最小为140μmol/s/m2的光合光子通量密度照射所述指定目标区域中的所述植物。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法包括以最小为210μmol/s/m2照射所述指定目标区域。
17.根据权利要求15和16中任一项所述的方法，其中，所述目标区域包括体育场(6)中的草。
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