Повышение эффективности схем светодиодного освещения теплицы

Вертикальные фермы и теплицы вносят всё более важный вклад в глобальную продовольственную цепочку. Энергия, необходимая для поддержания роста растений, является важнейшим фактором, не в последнюю очередь с точки зрения требований к мощности для освещения. В последние годы это привело к быстрому росту систем освещения на основе светодиодов, которые обладают большей эффективностью по сравнению с обычными лампами накаливания или люминесцентными лампами. Однако многие производители не пользуются всеми преимуществами светодиодов из-за потерь энергии, возникающих в схемах, обеспечивающих питание светодиодов.

В этой статье мы рассмотрим, как комбинация централизованного и удалённого подхода к питанию светодиодов и новейших инноваций в технологии электроснабжения может снизить стоимость оптовых схем светодиодного освещения для теплиц, а также упростить их внедрение и обслуживание. Такой подход может помочь гарантировать, что производители получат максимальную отдачу от своих инвестиций в LED освещение.

Выращивание в помещении, или сельское хозяйство с контролируемой средой (CEA), обеспечивает повышенную урожайность и более предсказуемые условия выращивания независимо от погоды. Поскольку экологические проблемы выходят на первый план, производители продуктов питания стремятся сократить потребление энергии за счёт повышения эффективности. Осведомлённость потребителей о преимуществах свежих продуктов местного производства также быстро возросла. Благодаря эффективному использованию CEA продукты питания, которые ранее импортировались издалека, теперь можно выращивать ближе к месту потребления, снижая стоимость транспортировки и связанные с этим экологические последствия.

В течение многих лет лампы накаливания или люминесцентные лампы были основой выращивания в помещении. Ситуация меняется с ростом популярности светодиодов, которые обеспечивают более длительный срок службы, низкое энергопотребление и меньшие затраты на техническое обслуживание по сравнению с обычными источниками. Эффективность светодиодных ламп также выше, что означает, что светильники работают при более низких температурах, чем натриевые лампы высокого давления (HPS). В результате их можно разместить ближе к растениям и увеличить плотность выращивания. Меньшее количество тепла также означает меньшее потребление воды и более низкие затраты.

На сегодняшний день традиционные теплицы в основном используют светодиодное освещение для садоводства, которое используется в дополнение к естественному освещению. Однако в более крупных теплицах светодиодное освещение может улучшить контроль баланса питательных веществ и цикла роста широкого спектра сельскохозяйственных культур.

Соответствие стандартам

В развивающихся отраслях тепличного производства стандарты имеют решающее значение для обеспечения того, чтобы продукты, доступные на рынке, соответствовали поставленной задаче. Консорциум DesignLights (DLC) играет ведущую роль в определении технических требований к освещению для садоводства, чтобы гарантировать, что решения способны повышать урожайность при одновременном снижении энергопотребления.

DLC опубликовал технические требования и первый квалифицированный список продуктов (QPL) для энергоэффективного освещения. Технические требования охватывают такие параметры, как длины волн и интенсивности, а также параметры светодиодного драйвера и источника питания. Последнее включает в себя коэффициент мощности, общий срок службы светодиодного драйвера и источника питания, гарантию и срок службы любого охлаждающего вентилятора, если он установлен. Первоначальные технические требования DLC были направлены конкретно на встроенные светильники, в то время как его последняя версия, 2.1, также охватывает освещение в садах на основе дистанционного питания, область, в которой производители источников питания сыграли ключевую роль.

QPL помогает гарантировать производителям, что выбранное ими решение для освещения будет соответствовать заявленным производителем требованиям к производительности. Стандарты подвергаются серьёзному пересмотру каждые 24 месяца, а промежуточные обзоры проводятся ежегодно.

Светодиодное освещение в теплице

Теплицы обычно освещаются с потолка. Как правило, это хорошее решение, но распределение света часто неравномерно, что означает, что некоторые растения получают больше света, чем другие. В вертикальной ферме свет находится гораздо ближе к растениям, что может привести к проблемам с теплом, и некоторые растения затеняют другие по мере их роста. При междурядном освещении светильники находятся сбоку или между растениями — стратегия, ранее непрактичная при нагревании от обычных источников, но теперь выполняемая с помощью светодиодных источников с более низким нагревом, хотя равномерность освещения может оставаться проблемой.

Несмотря на то, что светодиоды намного более эффективны, чем устаревшие решения, сам масштаб сельскохозяйственных работ означает, что потребление электроэнергии остаётся значительной затратой. Как правило, на квадратный метр требуется около 100 Вт светодиодного света в течение 18 часов каждый день.

Способ использования энергии также может повлиять на затраты. Если ток и напряжение не совпадают по фазе, то создаётся дополнительная нагрузка, которая не выполняет никакой полезной работы, но приносит затраты энергии. Инженеры называют это коэффициент мощности (PF), который, наряду с искажением формы сигнала или полным гармоническим искажением (THD), должен быть сведен к минимуму для контроля затрат.

Многие светодиодные установки состоят из светильников, которые питаются от электросети с локальным преобразованием напряжения в постоянный ток. В дополнение к необходимому количеству сетевой проводки проблема заключается в том, что такая конфигурация может привести к плохому PF и высокому THD. Поскольку эти схемы часто являются однофазными, они также могут создавать дисбаланс в трёхфазной электросети.

Любое преобразование энергии генерирует определённое количество тепла. Перенастроив способ подачи энергии на светодиоды, операторы могут добиться экономии энергии более чем на 10% по сравнению с обычными установками, которые размещают преобразование энергии в зоне выращивания и используют вентиляторы или кондиционеры для регулирования температуры в зоне выращивания, что влечёт за собой дополнительные капитальные и эксплуатационные расходы.

При централизованном подходе преобразование энергии из переменного тока в постоянный осуществляется за пределами зоны выращивания. Избыточное тепло может отводиться во внешнюю среду летом или направляться в зону выращивания зимой. Кроме того, распределение постоянного тока на светодиодные светильники обеспечивает сетевое и бюджетное решение с высоким PF и низким THD. При использовании высокого напряжения провода могут быть тоньше, что снижает затраты и вес конструкции. А когда токи ниже, потери в проводке значительно снижаются.

Настраиваемое внешнее силовое решение может обеспечить до 24 кВт мощности постоянного тока в трёхблочной стойке. В этом типе модульного источника питания выходы конфигурируются с помощью подключаемых модулей, которые являются гибкими и могут быть быстро перенастроены в случае изменения потребностей приложения. Как правило, управление силовым решением может быть цифровым или аналоговым, а настройка и мониторинг осуществляются через прилагаемый программный графический пользовательский интерфейс (GUI). Некоторые поставщики предлагают дополнительное программное обеспечение для планирования и управления, специально разработанное для садоводческих приложений.

Другим приемлемым подходом является использование решения для монтажа в стойку и монтажной полки для обеспечения основного питания светодиодного освещения. Такие системы были разработаны специально для применения в садоводстве в соответствии с техническими требованиями DLC к освещению в садоводстве (версия 2.1), поскольку они применяются к удалённым источникам питания.

В идеале выбранное решение допускало бы все стандартные входы переменного тока (от 208 В переменного тока до 600 В переменного тока) от однофазных или трёхфазных источников и обеспечивало бы ток без мерцания при выходном напряжении от 100 В постоянного тока до 300 В постоянного тока. Для больших систем, обычно мощностью более 25 кВт, укладка нескольких полок в относительно небольшом шкафу — скажем, высотой 3 фута — обеспечит 120 кВт, что является типичной потребностью в электроэнергии для зоны выращивания.

Одно из преимуществ использования 19-дюймового источника питания, устанавливаемого в стойку является простота обслуживания. Замена потолочного светильника в обычной установке требует, чтобы технические специалисты входили в зону выращивания с лестницами и инструментами, работая вокруг и над посадочными площадками. Однако в маловероятном случае возникновения проблем с данной системой работники могут вытащить устройство, часто без использования инструментов, и вставить новое. Во многих случаях им не нужно было бы отключать питание всего объекта, чтобы выполнить эту замену. По сложности это похоже на открытие и закрытие ящика.

Подводя итоги

Светодиодные технологии открыли целый мир возможностей в области освещения теплиц. Во времена растущих затрат на электроэнергию эффективность светодиодной технологии значительно снижает эксплуатационные расходы и обеспечивает большую гибкость при размещении ламп.

Централизованное и удалённое энергоснабжение может ещё больше повысить эффективность работы и устранить необходимость в дополнительном охлаждении в зоне выращивания. Эти преимущества могут в совокупности снизить затраты и создать простую и более надёжную систему освещения теплицы.