選擇LED園藝照明系統(tǒng)時需考慮哪些因素？如何實現(xiàn)能源效率？

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2017-08-28

瀏覽次數(shù):次

　

企業(yè)在評估園藝照明的光源時，會面臨多個考慮，包括：光強度、光譜、光分布均勻性、能源效率和燈具壽命。園藝照明系統(tǒng)可以將電能轉(zhuǎn)換為用于植物生長發(fā)育、促進光合作用的光，而基于LED的光源可以為應用提供調(diào)諧頻譜。然而，確定這種固態(tài)照明（SSL）系統(tǒng)的效率或效能是一個挑戰(zhàn)。影響照明系統(tǒng)整體效率的因素有幾個。本文討論照明設備的設計將如何影響能源效率，以及能源效率如何反過來影響受控植物生長環(huán)境的整體盈利能力。

事實上，園藝燈具將電能轉(zhuǎn)換成可用光供植物生長的效力對受控環(huán)境農(nóng)業(yè)（CEA）能否成功至關重要。圖1為受控環(huán)境農(nóng)業(yè)（CEA）的一個垂直農(nóng)場范例。

圖1. 將照明解決方案安裝在離農(nóng)作物冠層幾英寸以內(nèi)是垂直農(nóng)業(yè)應用的突破。 與設計不佳的LED解決方案和其他照明技術（如HPS和熒光燈）相比，正確設計的LED解決方案可實現(xiàn)每平方英尺更高的產(chǎn)量。

園藝的相關指標

植物主要利用波長在400-700nm的可見光進行光合作用（圖2），因此，此區(qū)段通常也被稱為光合成有效輻射(PAR)。光合光子通量（PPF）測量照明系統(tǒng)每秒產(chǎn)生的PAR總量。測量時，使用積分球，用于捕獲并測量照明系統(tǒng)發(fā)射的幾乎所有光子。PPF的單位為每秒每平方米光子的摩爾數(shù)(μmol/s)。

圖2. 植物對光合有效輻射（PAR）的平均響應

光合光子通量密度（PPFD）測量到達植物冠層的PAR量。PPFD表示單位時間面積上在可見光波長范圍的光量子數(shù),單位為μmol/m2/s。 PPFD 也表示光量子的數(shù)量與光合作用間的相關性。

最后，我們討論光子功效。光子功效指園藝照明系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為PAR光子的效率。如果光的PPF與輸入功率都已知的情況，就可以輕松計算園藝照明系統(tǒng)的光子功效。給定PPF的單位為μmol/ s，測量瓦特的單位是每秒焦耳（J/s），分子和分母中的秒數(shù)消除，恒光電器,照亮您的生活，得到的單位為μmol/ J，這個單位就用于表示功效。這個數(shù)字越高，就表示照明系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換成PAR光子就越有效。

園藝照明的常見方法

接下來，我們要了解燈具設計的細微差別，以及園藝照明系統(tǒng)節(jié)能的原因。世界上最常用的園藝照明系統(tǒng)是基于高強度放電（HID）照明和高壓鈉燈（HPS）。高壓鈉燈本來不是專門設計用于種植植物的，行業(yè)資訊，CE認證，是設計給輕軌和停車庫。但是，現(xiàn)成可用性和高輸出水平導致被廣泛應用于園藝，原因是它們提供非常高的光強度，行業(yè)資訊，大部分發(fā)射的光在565-700 nm范圍內(nèi)，這一有效的波段可以加速光合作用。

使用高壓鈉燈進行園藝照明的一個缺點是產(chǎn)生大量的輻射熱。高壓鈉燈的表面溫度可以達到高于800°F的溫度（約430 ℃），照明資質(zhì)，因此植物冠層和高壓鈉燈之間必須有足夠的距離，以避免損壞植物組織。增加燈具的安裝高度時，反平方定律開始起作用，這可以降低照明率。隨著時間的推移，高壓鈉燈的能量效率增加，而雙端HPS燈具的出現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)1.7μmol/J的光子效能。

轉(zhuǎn)向LED

我們回顧一下LED在園藝照明使用的過程。在2014年，效率最高的LED園藝照明系統(tǒng)與雙端高壓鈉燈效率一樣。與高壓鈉燈相比，LED的使用壽命長（L70≥50,000小時）令許多種植者轉(zhuǎn)而使用LED。然而，道路照明，與高壓鈉燈相比，LED園藝照明系統(tǒng)的成本相對較高，限制了向LED燈的過渡。

LED芯片制造商在過去幾年中已經(jīng)提高了目前已有組件的功效，建筑照明，使得他們能夠顯著提高光子效能，并且每年都會持續(xù)改進。事實上，基于LED的園藝照明系統(tǒng)現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)比雙端高壓鈉燈大45％的光子效率。雖然單個組件的效率提高了LED園藝照明的效率，但它也只是LED超過高壓鈉燈技術的一個變量。

LED系統(tǒng)熱量

談到LED照明產(chǎn)生的熱量時，ROSH認證，有一個常見的誤解。許多種植者認為LED比高壓鈉燈產(chǎn)生的熱量更少，LED-T5一體化燈管，這在LED燈具以較低瓦數(shù)驅(qū)動時才是真的。如果有一個600W LED燈具和一個600W雙端高壓鈉燈，從宏觀角度來看，它們產(chǎn)生的熱量在相同的大致范圍內(nèi)。

LED和高壓鈉燈的主要區(qū)別在于這兩個600W產(chǎn)生的PAR能量有多少，熱量如何從燈具中散發(fā)的。來自高壓納氣燈的大多數(shù)熱量向下輻射到作物冠層，而LED的大部分熱量是在部件與印刷電路板（PCB）的連接部位產(chǎn)生的，熱量通常被傳導到PCB，店鋪照明，也可能是散熱片，并通過向上對流去除。

因此，辦公照明，LED作為園藝照明系統(tǒng)的主要優(yōu)點之一是可以放置在植物附近而又可以讓植物免于熱輻射的損害。但是，假如熱量沒有通過適當?shù)臒峁芾硐到y(tǒng)從PCB中有效去除的話，則LED組件的壽命將明顯縮減。

在商業(yè)園藝環(huán)境中冷卻照明系統(tǒng)有兩種方法。被動冷卻的燈具利用散熱片從電路板散發(fā)熱量，技術資訊，而主動冷卻的燈具依靠風扇或水來散熱。用于冷卻燈具的風扇會消耗能量，并會降低燈具的整體光子效能。另外，如果在燈具運行期間風扇出現(xiàn)故障，PCB上的LED可能會過熱并燒壞。即使它們沒有發(fā)生災難性的故障，降低的功率輸出將大大降低LED燈具的使用壽命。這是種植者在比較園藝照明系統(tǒng)時需要考慮的一個非常重要的因素。

頻譜和功效

影響園藝照明系統(tǒng)光子功效的另一個重要因素是發(fā)光的光譜。用于園藝照明系統(tǒng)的最有效波長是紅色（660nm）和藍色（450nm）。傳統(tǒng)的LED園藝照明技術主要使用紅色帶較小比例的藍色LED來實現(xiàn)最高的光子效能。

雖然紅色LED具有最高的光子效能，但是植物在窄帶波長下本身并沒有生長。因此，在優(yōu)化植物生長和發(fā)育方面，單一的紅色LED不會產(chǎn)生最有效的光譜。與補充溫室照明（圖3）相比，在垂直農(nóng)場中使用單一源照明的情況尤其如此。

圖3. 惡劣和骯臟的環(huán)境（如溫室）可能會迅速導致主動冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而導致整個照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障。除了提高能源效率之外，被動冷卻系統(tǒng)不需要容易斷裂和堵塞的運動部件。