選擇LED園藝照明系統時需考慮哪些因素？如何實現能源效率？

文章來源:恒光電器

發布時間:2017-08-28

瀏覽次數:次

　

企業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。園藝照明系統可以將電能轉換為用于植物生長發育、促進光合作用的光，而基于LED的光源可以為應用提供調諧頻譜。然而，確定這種固態照明（SSL）系統的效率或效能是一個挑戰。影響照明系統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境的整體盈利能力。

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

圖1. 將照明解決方案安裝在離農作物冠層幾英寸以內是垂直農業應用的突破。 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解決方案可實現每平方英尺更高的產量。

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）測量照明系統每秒產生的PAR總量。測量時，使用積分球，用于捕獲并測量照明系統發射的幾乎所有光子。PPF的單位為每秒每平方米光子的摩爾數(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,單位為μmol/m2/s。 PPFD 也表示光量子的數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將電能轉換為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。這個數字越高，就表示照明系統將電能轉換成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，以及園藝照明系統節能的原因。世界上最常用的園藝照明系統是基于高強度放電（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，行業資訊，CE認證，是設計給輕軌和停車庫。但是，現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，行業資訊，大部分發射的光在565-700 nm范圍內，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，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，能夠實現1.7μmol/J的光子效能。

轉向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）令許多種植者轉而使用LED。然而，道路照明，與高壓鈉燈相比，LED園藝照明系統的成本相對較高，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，并且每年都會持續改進。事實上，基于LED的園藝照明系統現在能夠實現比雙端高壓鈉燈大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系統熱量

談到LED照明產生的熱量時，ROSH認證，有一個常見的誤解。許多種植者認為LED比高壓鈉燈產生的熱量更少，LED-T5一體化燈管，這在LED燈具以較低瓦數驅動時才是真的。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，它們產生的熱量在相同的大致范圍內。

LED和高壓鈉燈的主要區別在于這兩個600W產生的PAR能量有多少，熱量如何從燈具中散發的。來自高壓納氣燈的大多數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作為園藝照明系統的主要優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的熱管理系統從PCB中有效去除的話，則LED組件的壽命將明顯縮減。

在商業園藝環境中冷卻照明系統有兩種方法。被動冷卻的燈具利用散熱片從電路板散發熱量，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故障，PCB上的LED可能會過熱并燒壞。即使它們沒有發生災難性的故障，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

影響園藝照明系統光子功效的另一個重要因素是發光的光譜。用于園藝照明系統的最有效波長是紅色（660nm）和藍色（450nm）。傳統的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，在優化植物生長和發育方面，單一的紅色LED不會產生最有效的光譜。與補充溫室照明（圖3）相比，在垂直農場中使用單一源照明的情況尤其如此。

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