LED与太阳能光伏结合在人工光植物工厂的应用.doc

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5060，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。11LED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 V3 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 V24 V之间。为避免LED的驱动电流超过最大允许电流，影自 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1020，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。12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 V0 5 V，工作电流为20 mAcm2一25 mAcm2，一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。13LED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 h3200 h，辐射量为586 kJ(cm2a)670 KJ(cm2a)，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 24AC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12 m2。单晶硅电池板与LED光源功率的匹配系数为278 Wm2，电池的平均转换效率在145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(251）、夜温（151）： 湿度60一80： C02浓度(150030)u molmol； 营养液pH为6 50 1、EC为(1 30 1)mScm，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