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LED与太阳能光伏结合在人工光植物工厂的应用


LED 与太阳能光伏结合在人工光植物工厂的应用 人工光植物工厂是在密闭环境下以人工光和营养液栽培为核心, 采用在线检测和 智能控制技术, 进行作物高效生产的系统。 植物工厂环境稳定性强, 可以实现光、 温、 水、气、肥的精确控制,不占用农用耕地,产品安全无污染,单位面积产 量可达露地栽培的几十倍甚至上百倍,因此被认为是 21 世纪解决人口、资源、 环境问题的 重要途径,也是未来航

天工程、月球和其他星际探索过程中实现食 物自给的重要手段。但是,能耗问题一直制约着植物工厂的大规模推广应用。人 工光植物工厂中的 电能消耗成本通常约占总体运行成本的 50%~60%,主要包 括人工光源、空调、风机、加湿器、控制装置等设备的耗能用电,其中人工光源 是密闭式植物工厂耗 能的重点。日本学者研究表明,在密闭式植物苗工厂中, 人工光源(荧光灯)耗电量约占总耗电量的 82%,空调制冷耗电量约占 15%,其 他占 3%(Kozal Tetal.,2004)。降低人工光源耗电量不仅可以有效降低密闭 式植物工厂的运行成本,而且还能加速植物工程的普及应用。 近年来,国内外学者都将人工光源的节能降耗作为植物工厂的研究热点,主 要有两个解决途径:一是选用耗能低、效率高的新型节能光源:二是寻求常规电 能的替代能源。节能光源 LED 与太阳能光伏发电技术结合,将成为密闭式植物工 厂研究与发展的一个重要方向。 1 LED 对电源的需求及其-9 太阳能光伏结合的可行性。 1.1LED 对电源的需求 LED 光 源是一个电光转换系统,其电光转换过程从供电部分开始,依次包 括原始电源、电源管理与变换、传感与控制、驱动器等部分。原始电源是 LEDT 作的必要条件。 LED 是一种电流驱动的低电压单向导电器件,为保证 LED 正常 工作,必须满足 LED 的基本工作条件:低压直流电、单个 LED 灯珠的门限电 E1 5 V~3 5 V、正向电流 20 mA。单个 LED 不能满足植物对光照度的要求,需要对多 个 LED 进行串、并联,并将供电电压控制在 6 V~24 V 之间。为避免 LED 的驱动 电流超过最大允许电流,影Ⅱ自 其可靠性,同时也为了获得预期的光照度,保 证各个 LED 亮度和色度的一致性,需要采用恒定电流驱动方式。驱动 LED 需要低 压直流电,而目前的市政供电均为 200 V 或 380 v 交流电源。因此,LED 供电需 先将交流电通过逆变器转换成直流电, 再通过降压器将电压降到适宜的低压才能 使用。 目 前,LED 光源系统的原始电源均为市政 220 V 交流电,通过逆变器和降 压器将原始电源转换成 24 V 直流电。在逆变过程中,电能的损失率为 10%~ 20%,如果再加上线路本身的损失,电能利用率将大大降低。为最大限度地提高 LED 的节能效率,寻求与 LED 匹配的驱动电能也日益受到广泛关注。 1.2 太阳能光伏发电 独 立太阳能光伏发电系统(PhotovoItaic Powe r Gene ratmq System,简 称 PV 系统)主要由太阳能电池组件、蓄电池组、控制器和直流负载等部件组成, 如图 1。太阳能光伏发电的核心部件是太阳能电池,太阳能电池 单体的工作电 压为 0 45 V~0 5 V,工作电流为 20 mA/cm2 一 25 mA/cm2,一般不能单独作 为电源使用。经过电池单体的串、并联而成的太阳能电池组件就足以满足负载所 要求的输入功率。太阳能电池输出的直流电能,一部 分可以直接供给对应的负 载,另一部分则可储存在蓄电池组里,以备阴雨天或其他特殊情况下使用,控制 器使整个系统的能量传输始终处于最佳匹配状态。 1.3LED 与太阳能光伏结合的可行性

太 阳能光伏发电通过半导体材料将光能转换为电能,LED 照明则通过半导 体材料将电能转换为可见光来实现照明, 二者都通过半导体材料来实现能量的转 换。太阳能 电池输出直流电,而 LED 需要直流驱动,光伏输出的直流电无需经 过逆变,直接供给 LED,不会产生逆变过程中的能耗损失。蓄电池和控制器使得 光伏系统的直 流电输出更具有稳定性,能更好地满足 LED 的需求。这些特性使 太阳能光伏发电和半导体照明可以更好地结合,尤其在无动力能源地区,有望实 现无需架设电缆的 电能自给。节能和清洁能源的利用是世界各国的发展趋势, 太阳能是取之不尽的清洁能源,LED 作为新型节能光源,与太阳能光伏的结合是 可行的,也是今后 LED 发展的重点趋势和方向之一。 2 LED 与太阳能光伏结合的设计思路 太 阳能光伏发电系统(PV 系统)的设计思路:先根据负载所需电量并结合当 地的气候条件计算出太阳能电池容量,然后确定蓄电池容量,并选取当地太阳能 电池方阵 的最佳倾角,最后根据系统性能要求选配控制器。在设计太阳能光伏 发电系统的过程中,涉及的因素很多,如太阳能辐射强度、气候、安装地点等, 系统的相关技术 条件又涉及到负载性质、蓄电池的容量、太阳辐射强度、太阳 能方阵倾角和强度因子等。 太 阳能电池的选择要符合负载的电压和功率需求,太阳能电池的输出电压 可以通过串联得以实现,功率要求可以通过电池阵列的并联满足。另外,对太阳 能电池板的安 装也有一定要求,应保证尽可能多地接收到太阳辐射,从而确定 电池方阵的最佳倾角。不仅如此,蓄电池的输出电压必须与光源系统的电压和电 流相匹配。在日照不 足或者连续阴雨天的情况下,蓄电池还必须能保证系统的 正常运行。 整套光伏发电系统为 LED 光源提供驱动电源,各项输出指标必须与 LED 的工 作条件相匹配。与普通照明用灯不同,植物工厂栽培植物所需的 LED 光源都需每 天连续运行数小时,具体时数根据栽培植物而定,这些对蓄电池也提出了更高的 要求。 3 LED 与光伏发电系统结合在植物工厂的应用 以 栽培架单元为试验对象,配置 200 W 的 LED 光源。太阳能光伏系统需要 为人工光植物工厂 200 W 的 LED 光源供电,且光源输入电压为 24 V,恒定电流 控制在 20 mA,保证 LED 每天运行 1 2 h,通过对太阳能电池组件的串、并联和 24V 蓄电池稳定电压电流给 LED 光源供电。在满足负载用电量需要的前提下,系 统设计应结合植物生长生产的需求,合 理配置系统额定功率和蓄电池容量。 LED 光 源的功率和电压要求确定后,结合北京地区的太阳辐射条件,即可 确定太阳能电池功率。北京地区的年日照时数为 3000 h~3200 h,辐射量为 586 kJ/(cm2·a)~670 KJ/(cm2·a),平均每日峰值日照时数(方阵能够接收的) 为 5 h,属我国太阳能资源较丰富的地区。因此,选用 STl60 24/AC 型单晶硅 太阳能电池组件, 每块电池组件峰值功率为 160 W, 接受太阳辐射的面积约为 1. 2 m2。单晶硅电池板与 LED 光源功率的匹配系数为 27.8 W/m2,电池的平均转换 效率在 14.5%以上,能保证 25 年使用寿命。经过计算,6 块太阳能电池板即可 满足植物工厂 200 W 的 LED 光源每天照射 1 2 h。 植物工厂 LED 光源的全年负载稳定,可采用固定式光伏方阵。倾斜角的大小 对能接受到的太阳辐射量影响很大。因此,电池方阵的最佳倾角设计为 45。, 电池方阵朝南放置安装在植物工厂西侧。

蓄 电池采用阀控式密封免维护铅酸蓄电池 6-GFM200,蓄电池衰减率为 80%,最大放电深度为 80%,可保证 200 w 的 LED 光源装置在阴天或者雨天缺 乏足够阳光照射的情况下正常运行 2 天,且每天运行 1 2 h。通过串并联使得输 出电压为 24 V,符合 LED 的要求。选用太阳能光伏电源专用 EPIP-40 智能通用 型控制器,控制器具有过压、过流、短路、反接等全保护功能,具有 TVS 防雷保 护,并 且过压、过流、短路保护均在 LCD 上具有告警指示。 LED 光 源选用中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所自主研发的 LED 平面板光源系统。 该光源系统由波长 660 nm 的红光 LED 和 450 nm 的蓝光 LED 交叉均匀分布组成,可以根据试验需要调节不同红蓝光比、光强、光周期以及灯 板距离作物的高度。试验中将其置于作物顶部 20 cm 处,使其尽量近距离照射植 物,减少不必要的光能损失,如图 3。植物工厂通过计算机对植物生育过程的温 度、湿度、CO,浓度以及营养液循环等环境条件进 行自动调节和监控。试验采 用 DFT(深液流水培技术)水耕栽培方式培育叶用莴苣,试验过程中各项环境指标 为: ◎昼温(25±1)℃、夜温(15±1)℃: ◎湿度 60%一 80%: ◎C02 浓度(1500±30)u mol/mol; ◎营养液 pH 为 6 5±0 1、EC 为(1 3±0 1)mS/cm,每小时循 环供液 1 0 mln。 4 结论与讨论 LED 节 能光源需要直流电驱动,太阳能光伏系统能够提供与 LED 需求相适 应的直流电,LED 与太阳能光伏结合在人工光植物工厂的应用是完全可行的。将 节能光源 LED 与太阳能光伏发电系统相结合,有望减少植物工厂对常规能源的 依附,实现人工光植物工厂在非可耕地和非动力源区的高效生产。随着植物工厂 的逐渐普 及,LED 与太阳能光伏结合在植物工厂的应用必将是个重要的发展方 向。 太 阳能光伏发电系统的寿命为 20 年~30 年,使用过程中无需投入。随着 半导体技术的日渐成熟,太阳能电池和 LED 成本的降低,以及系统选型和匹配的 进一步完 善,系统成本必然会逐渐降低。国家大力提倡使用太阳能等清洁能源 也会是太阳能光伏发展的巨大推动力,LED 与太阳能光伏结合在植物工厂的应用 具有十分广阔 的前景。 胡永逵,鲍顺淑,杨其长 (中国农业科学院农业环境与可持续发晨研究所, 农业部农业环境与气候变化重点开放试验室 100081) 温室园艺 农业工程技术 2009.28


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