LED在設(shè)施園藝中的應(yīng)用系列_六_LED與太陽能光伏結(jié)合在人

1、溫室結(jié)構(gòu)與設(shè)備LED在設(shè)施園藝中的應(yīng)用系列（六）更多溫室技術(shù)，請(qǐng)進(jìn)入華科資源QQ群（82374837）在線交流和探討LED與太陽能光伏結(jié)合在人工光植物工廠的應(yīng)用 胡永逵，鮑順淑，楊其長（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化重點(diǎn)開放試驗(yàn)室 100081）人工光植物工廠是在密閉環(huán)境下以人工光和營養(yǎng)液栽培為核心，采用在線檢測和智能控制技術(shù)，進(jìn)行作物高效生產(chǎn)的系統(tǒng)。植物工廠環(huán)境穩(wěn)定性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)光、溫、水、氣、肥的精確控制，不占用農(nóng)用耕地，產(chǎn)品安全無污染，單位面積產(chǎn)量可達(dá)露地栽培的幾十倍甚至上百倍，因此被認(rèn)為是21世紀(jì)解決人口、資源、環(huán)境問題的重要途徑，也是未來航天工程、

2、月球和其他星際探索過程中實(shí)現(xiàn)食物自給的重要手段。但是，能耗問題一直制約著植物工廠的大規(guī)模推廣應(yīng)用。人工光植物工廠中的電能消耗成本通常約占總體運(yùn)行成本的50%60%，主要包括人工光源、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、加濕器、控制裝置等設(shè)備的耗能用電，其中人工光源是密閉式植物工廠耗能的重點(diǎn)。日本學(xué)者研究表明，在密閉式植物苗工廠中，人工光源（熒光燈）耗電量約占總耗電量的82%，空調(diào)制冷耗電量約占15% ，其他占3%（Kozai Tetal.，2004）。降低人工光源耗電量不僅可以有效降低密閉式植物工廠的運(yùn)行成本，而且還能加速植物工廠的普及應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外學(xué)者都將人工光源的節(jié)能降耗作為植物工廠的研究熱點(diǎn)，主要有兩個(gè)解

3、決途徑：一是選用耗能低、效率高的新型節(jié)能光源；二是尋求常規(guī)電能的替代能源。節(jié)能光源LED與太陽能光伏發(fā)電技術(shù)結(jié)合，將成為密閉式植物工廠研究與發(fā)展的一個(gè)重要方向。1.2 太陽能光伏發(fā)電獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)（Photovoltaic Power Generating System，簡稱PV系統(tǒng)）主要由太陽能電池組件、蓄電池組、控制器和直流負(fù)載等部件組成，如圖1。太陽能光伏發(fā)電的核心部件是太陽能電池，太陽能電池單體的工作電壓為0.45 V0.5 V，工作電流為20 mA/cm225 mA/cm2，一般不能單獨(dú)作為電源使用。經(jīng)過電池單體的串、并聯(lián)而成的太陽能電池組件就足以滿足負(fù)載所要求的輸入功率。太

4、陽能電池輸出的直流電能，一部分可以直接供給對(duì)應(yīng)的負(fù)載，另一部分則可儲(chǔ)存在蓄電池組里，以備陰雨天或其他特殊情況下使用，控制器使整個(gè)系統(tǒng)的能量傳輸始終處于最佳匹配狀態(tài)。1.3 LED與太陽能光伏結(jié)合的可行性太陽能光伏發(fā)電通過半導(dǎo)體材料將光能轉(zhuǎn)換為電能，LED照明則通過半導(dǎo)體材料將電能轉(zhuǎn)換為可見光來實(shí)現(xiàn)照明，二者都通過半導(dǎo)體材料來實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。太陽能電池輸出直流電，而LED需要直流驅(qū)動(dòng)，光伏輸出的直流電無需經(jīng)過逆變，直接供給LED，不會(huì)產(chǎn)生逆變過程中的能耗損失。蓄電池和控制器使得光伏系統(tǒng)的直流電輸出更具有穩(wěn)定性，能更好地滿足LED的需求。這些特性使太陽能光伏發(fā)電和半導(dǎo)體照明可以更好地結(jié)合，尤其在無

5、動(dòng)力能源地區(qū)，有望實(shí)現(xiàn)無需架設(shè)電纜的電能自給。節(jié)能和清潔能源的利用是世界各國的發(fā)展趨勢，太陽能是取之不盡的清潔1 LED對(duì)電源的需求及其與太陽能光伏結(jié)合的可行性1.1 LED對(duì)電源的需求LED光源是一個(gè)電光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其電光轉(zhuǎn)換過程從供電部分開始，依次包括原始電源、電源管理與變換、傳感與控制、驅(qū)動(dòng)器等部分。原始電源是LED工作的必要條件。LED是一種電流驅(qū)動(dòng)的低電壓單向?qū)щ娖骷?，為保證LED正常工作，必須滿足LED的基本工作條件：低壓直流電、單個(gè)LED燈珠的門限電壓1.5 V3.5 V、正向電流20 mA。單個(gè)LED不能滿足植物對(duì)光照度的要求，需要對(duì)多個(gè)LED進(jìn)行串、并聯(lián)，并將供電電壓控制在6

6、V24 V之間。為避免LED的驅(qū)動(dòng)電流超過最大允許電流，影響其可靠性，同時(shí)也為了獲得預(yù)期的光照度，保證各個(gè)LED亮度和色度的一致性，需要采用恒定電流驅(qū)動(dòng)方式。驅(qū)動(dòng)LED需要低壓直流電，而目前的市政供電均為200 V或380 V交流電源。因此，LED供電需先將交流電通過逆變器轉(zhuǎn)換成直流電，再通過降壓器將電壓降到適宜的低壓才能使用。目前，LED光源系統(tǒng)的原始電源均為市政220 V交流電，通過逆變器和降壓器將原始電源轉(zhuǎn)換成24 V直流電。在逆變過程中，電能的損失率為10%20%，如果再加上線路本身的損失，電能利用率將大大降低。為最大限度地提高LED的節(jié)能效率，尋求與LED匹配的驅(qū)動(dòng)電能也日益受到廣泛

7、關(guān)注。能源，LED作為新型節(jié)能光源，與太陽能光伏的結(jié)合是可行的，也是今后LED發(fā)展的重要趨勢和方向之一?？刂破魈栯姵胤疥囆铍姵亟M直流負(fù)載圖1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成2 LED與太陽能光伏結(jié)合的設(shè)計(jì)思路太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)（PV系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)思路：先根據(jù)負(fù)載所需電量并結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件計(jì)算出太陽能電池容量，然后確定蓄電池容量，并選取當(dāng)?shù)靥柲茈姵胤疥嚨淖罴褍A角，最后根據(jù)系統(tǒng)性能要求選配控制器。在設(shè)計(jì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的過程中，涉及的因素很多，如太陽能輻射強(qiáng)度、氣候、安裝地點(diǎn)等，系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)條件又涉及到負(fù)載性質(zhì)、蓄電池的容量、太陽輻射強(qiáng)度、太陽能方陣傾角和強(qiáng)度因子等。 太陽能電池的選擇要符合負(fù)載的

8、電壓和功率需求，太陽能電池的GREENHOUSE & HORTICULTURE溫室園藝15輸出電壓可以通過串聯(lián)得以實(shí)現(xiàn)，功率要求可以通過電池陣列的并聯(lián)滿足。另外，對(duì)太陽能電池板的安裝也有一定要求，應(yīng)保證盡可能多地接收到太陽輻射，從而確定電池方陣的最佳傾角。不僅如此，蓄電池的輸出電壓必須與光源系統(tǒng)的電壓和電流相匹配。在日照不足或者連續(xù)陰雨天的情況下，蓄電池還必須能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。整套光伏發(fā)電系統(tǒng)為LED光源提供驅(qū)動(dòng)電源，各項(xiàng)輸出指標(biāo)必須與LED的工作條件相匹配。與普通照明用燈不同，植物工廠栽培植物所需的LED光源都需每天連續(xù)運(yùn)行數(shù)小時(shí)，具體時(shí)數(shù)根據(jù)栽培植物而定，這些對(duì)蓄電池也提出了更

9、高的要求。 濕度60%80%； CO2濃度(1500±30)mol/mol； 營養(yǎng)液pH為6.5±0.1、EC為（1.3±0.1） mS/cm，每小時(shí)循環(huán)供液10 min。3 LED與光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合在植物工廠的應(yīng)用以栽培架單元為試驗(yàn)對(duì)象，配置200 W的LED光源。太陽能光伏系統(tǒng)需要為人工光植物工廠200 W的LED光源供電，且光源輸入電壓為24 V，恒定電流控制在20 mA，保證LED每天運(yùn)行12 h，通過對(duì)太陽能電池組件的串、并聯(lián)和24 V蓄電池穩(wěn)定電壓電流給LED光源供電。在滿足負(fù)載用電量需要的前提下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合植物生長生產(chǎn)的需求，合理配置系統(tǒng)額定功率

10、和蓄電池容量。LED光源的功率和電壓要求確定后，結(jié)合北京地區(qū)的太陽輻射條件，即可確定太陽能電池功率。北京地區(qū)的年日照時(shí)數(shù)為3000 h3200 h，輻射量為586 kJ/（cm2a）670 kJ/（cm2a），平均每日峰值日照時(shí)數(shù)（方陣能夠接收的）為5 h，屬我國太陽能資源較豐富的地區(qū)。因此，選用ST160-24/AC型單晶硅太陽能電池組件，每塊電池組件峰值功率為160W，接受太陽輻射的面積約為1.2 m2。單晶硅電池板與LED光源功率的匹配系數(shù)為27.8 W/m2，電池的平均轉(zhuǎn)換效率在14.5%以上，能保證25 年使用壽命。經(jīng)過計(jì)算，6 塊太陽能電池板即可滿足植物工廠200 W的LED光源每

11、天照射12 h。植物工廠LED光源的全年負(fù)載穩(wěn)定，可采用固定式光伏方陣。傾斜角的大小對(duì)能接受到的太陽輻射量影響很大。因此，電池方陣的最佳傾角設(shè)計(jì)為45°，電池方陣朝南放置安裝在植物工廠西側(cè)。蓄電池采用閥控式密封免維護(hù)鉛酸蓄電池6-GFM200，蓄電池衰減率為80%，最大放電深度為80%，可保證200 W的LED光源裝置在陰天或者雨天缺乏足夠陽光照射的情況下正常運(yùn)行2 天，且每天運(yùn)行12 h。通過串并聯(lián)使得輸出電壓為24 V，符合LED的要求。選用太陽能光伏電源專用EPIP-40智能通用型控制器，控制器具有過壓、過流、短路、反接等全保護(hù)功能，具有TVS防雷保護(hù)，并且過壓、過流、短路保護(hù)

12、均在LCD上具有告警指示。LED光源選用中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所自主研發(fā)的LED平面板光源系統(tǒng)。該光源系統(tǒng)由波長660 nm的紅光LED和450 nm的藍(lán)光LED交叉均勻分布組成，可以根據(jù)試驗(yàn)需要調(diào)節(jié)不同紅藍(lán)光比、光強(qiáng)、光周期以及燈板距離作物的高度。試驗(yàn)中將其置于作物頂部20 cm處，使其盡量近距離照射植物，減少不必要的光能損失，如圖3。植物工廠通過計(jì)算機(jī)對(duì)植物生育過程的溫度、濕度、CO2濃度以及營養(yǎng)液循環(huán)等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和監(jiān)控。試驗(yàn)采用DFT（深液流水培技術(shù)）水耕栽培方式培育葉用萵苣，試驗(yàn)過程中各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)為： 晝溫（25±1） 、夜溫（15±1） ；圖3 光伏驅(qū)動(dòng)LED的栽培試驗(yàn)圖2 LED與太陽能光伏系統(tǒng)結(jié)合的植物工廠 4 結(jié)論與討論 LED節(jié)能光源需要直流電驅(qū)動(dòng)，太陽能光伏系統(tǒng)能夠提供與LED需求相適應(yīng)的直流電，LED與太陽能光伏結(jié)合在人工光植物工廠的應(yīng)用是完全可行的。將節(jié)能光源LED與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，有望減少植物工廠對(duì)常規(guī)能源的依附，實(shí)現(xiàn)人工光植物工廠在非可耕地和非動(dòng)力源區(qū)的高效生產(chǎn)。隨著植物工廠的逐漸普及，LED與太陽能光伏結(jié)合在植物工廠的應(yīng)