Разработка и расчет системы агроосвещения на базе LED: новые возможности для сельского хозяйства

Разработка и расчет системы агроосвещения на базе LED: новые возможности для сельского хозяйства

Наша компания первой в России создала и в промышленных масштабах приступила к выпуску светодиодных систем освещения для сельского хозяйства. В частности, об этом свидетельствует полученный совместно со специалистами ВНИТИП г. Сергиев Посад приоритет на изобретение способа содержания сельскохозяйственной птицы. Благодаря особенностям применения светодиодные источники света, как показывают научные исследования, проводимые во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте птицеводства г. Сергиев Посад, позволяют существенно повысить продуктивные показатели в птицеводстве. В частности, по результатам исследований можно заключить, что при содержании яичных кур промышленного стада в клеточных батареях новый способ локального освещения светодиодными светильниками белого теплого спектра (2700–3500 К), по сравнению с традиционным способом, позволяет повысить: сохранность поголовья на 2,8–4,6%; яйценоскость на начальную и среднюю несушку — на 9,8–16 и 9,1–12,6%; массу яиц — на 1,9–2,9%; выход яиц категории «высшая», «отборная» и «первая» — на 1,1–1,2; 2,1–6,0 и 5,4–7,3%; выход яичной массы на начальную и среднюю несушку на 12,8–17,8 и 12,4–14,2% при снижении затрат корма на десяток яиц; 1 кг яичной массы — на 8,6–11,7 и 10,9–12,7%. Эффективность локального освещения светодиодными светильниками белого теплого спектра освещения (2700–3500 К) подтвердилась и при выращивании цыплят-бройлеров.

Связанные вопросы и ответы:

Что такое система агроосвещения на базе LED

Благодаря физическим свойствам светодиодов (СД) светильники на их основе позволяют выращивать различные растения и собирать урожай в местах, где мало солнечного света . Также их можно применять в садах с экзотическими растениями, которые требуют особого освещения. Они дают возможность заниматься разведением растений даже в самых не подходящих для этого местах.

СД дают возможность подобрать спектр света с той длиной волны, которая оказывает самое благоприятное действие на рост и плодоношение растений. Создаются самые благоприятные условия для фотосинтеза, агрокультуры растут быстрее и при этом становятся более здоровыми . Применять такие светильники можно на любой стадии вегетации — цветении, плодоношении. Таким образом, выращивание растений и плодов становится доступным и менее затратным, да и вообще, применение светодиодов в сельском хозяйстве способно принести значительную выгоду, в первую очередь благодаря цветным СД .

Современные СД перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра: от красного до фиолетового цвета. Диапазон длин волн излучения СД в красной области спектра составляет от 620 до 635 нм, в оранжевой — от 610 до 620 нм, в желтой — от 585 до 595 нм, в зеленой — от 520 до 535 нм, в голубой — от 465 до 475 нм и в синей — от 450 до 465 нм. Таким образом, составляя комбинации из СД разных цветовых групп, можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне . Это обеспечивает особые преимущества для растениеводства, поскольку, в отличие от традиционных источников света, таких как лампы накаливания (ЛН) и газоразрядные лампы (ГРЛ), СД можно подобрать по спектру излучения под полосы поглощения хлорофилла в растениях. Благодаря определенной длине волны, линейной (до определенных значений) зависимости выхода излучения от протекающего тока, меньшей мощности и, как следствие, снижению потребляемой электроэнергии и выделению меньшего количества тепла, светодиоды содействуют здоровому развитию растений. Они не только являются экономически эффективным решением, но и повышают возможность сельхозпроизводителей контролировать этот процесс.

Какие преимущества имеет система агроосвещения на базе LED по сравнению с другими типами освещения

Ньюмен рассказал, что он приветствовал следующий этап своей карьеры как возможность узнать больше о работе со светодиодными светильниками и приступил к изучению темы «Что мы можем оптимизировать в цветоводстве, чтобы ускорить его производство?» Ньюмен подчеркнул, что он уже изучил ряд установок тепличных культур, и описал один комплект тестов, в частности, который напрямую сравнивал светодиодное освещение мощностью 600 Вт с освещением HPS мощностью 1000 Вт. Он уточнил, что освещение HPS обеспечивает PAR (фотосинтетически активное излучение) -полосное PPFD (плотность фотосинтетического фотона) 65 мкмоль / м2 / сек по сравнению с 84 мкмоль / м2 / сек для светодиодного освещения - с такими переменными, как высота скамьи, температура, и включение / выключения постоянного освещения. Ньюмен проводил измерения ночью, чтобы гарантировать, что уровни PPFD были бы точными, только с защитным светом, обеспечивающим диапазон 0,47 мкмоль / м2 / сек при рассеянном свете.

Изученный сорт растения был разновидностью бегонии Bada Bing Scarlet. Ньюмен выставил рядом фотографии растений, выращенных без дополнительного освещения, с дополнительным освещением HPS и со светодиодным дополнительным освещением. Растение, которое выращивалось при свете HPS, было значительно меньше, чем два других. Ньюмен классифицировал это как страдание от «задержки роста». Он сказал, что не может точно объяснить негативное влияние осветителя, но предположил, что оно могло быть связано с спектральным распределением мощности (SPD) освещения HPS.

Растения, выращенные без дополнительного освещения и под светодиодами, оказались примерно одинаковыми по высоте. Но растения, выращенные под светодиодным освещением, оказались более плотными.

РИС. 2. Питер Барбер из SETi объяснил, как УФ-освещение может влиять на производство вторичных метаболитов в растениях, изменяя вкус и другие качества.

Затем Ньюмен показал похожие фотографии петунии TriTunia Pink Veined petunias (рис.1). В этом случае растение, выращенное без дополнительного освещения, было явно выше, чем у росшего под светодиодным освещением, но Ньюмен предостерег, что требуется более пристальный взгляд на данные растения. Ньюмен показал, что компактность растения, выращенного под светодиодным освещением, по сравнению с недостаточной жесткостью растения, выращенного без дополнительного освещения, означает, что более компактное растение с большей вероятностью переживет перемещение через все перипетии крупной розничной торговли, чтобы быть успешно пересаженным в сад потребителя. Между тем, растение, выращенное под HPS, не имело явного цветения, тогда как у двух других было хорошее цветение.

Какие факторы необходимо учитывать при разработке системы агроосвещения на базе LED

Наша компания производит системы освещения с учетом современных технологий в области светодиодов и является узкоспециализированным предприятием. Мы занимаемся только светодиодным освещением, что позволяет нам постоянно вести научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по совершенствованию выпускаемого оборудования. Как и в любой совершенно новой области человеческой деятельности, связанной с инновационными технологиями, в начале нашей деятельности были и неудачи, но накопленный богатейший опыт и знания позволяют нам проектировать и производить надежное и качественное светодиодное оборудование, которое достаточно быстро окупается и может служить более пяти-шести лет.

Некоторые считают, что использовать светодиоды в сельском хозяйстве и производить осветительное оборудование на их основе достаточно легко и не представляет никакой сложности. Достаточно взять готовую плату какого-нибудь производителя, на которой установлены любые светодиоды и драйверы питания на 220 В, и освещение готово. На самом деле все не так просто.

Система светодиодного освещения представляет собой сложный комплекс технических средств, при создании и производстве которого требуется учитывать большое количество зачастую взаимоисключающих факторов. Рассмотрим, например, светодиодные светильники. При их проектировании и производстве необходимо соблюдать определенные электрические и температурные требования к эксплуатации светодиодов. Срок службы источников света на основе светодиодов напрямую зависит от температуры на кристалле и рабочего тока: чем меньше температура и/или рабочий ток, тем дольше будет работать светодиод. Для примера на рис. 4 представлена информация на основе данных по светодиодам компании Seoul Semiconductor.

Рис. 4. Зависимость срока службы светодиодов до уменьшения светового потока на 50% в зависимости от температуры на кристалле светодиода

Если сравнивать продолжительность работы для температур на кристалле светодиода +70 °С (точка 2) и +80 °С (точка 3), мы увидим, что возрастание температуры всего лишь на 10° приведет к сокращению срока службы светодиода примерно на 20 000 ч (более двух лет непрерывной эксплуатации). В данном случае важно то, что даже достаточно небольшое снижение температуры приводит к существенному увеличению времени жизни светодиода при фиксированном рабочем токе. Соблюдение температурного режима работы светодиода обеспечивается применением специальных технических решений, направленных на максимальное снижение разницы температур окружающей среды и светодиода. Для помещений, где содержится птица, это очень важно, так как температура в птичнике может доходить до +40…+45 °С. Наиболее экономически и технически целесообразным способом в данном случае является применение алюминиевого радиатора в конструкции корпуса светильника, на котором крепится плата со светодиодами, имеющего непосредственный контакт с окружающей средой. Таким образом здесь «отвоевывается» каждый градус температуры кристалла светодиода, что позволяет максимально продлить срок его службы. Если проанализировать конструкции светодиодных светильников ведущих мировых производителей светодиодного оборудования, видно, что при мощности светильника 5–10 Вт и выше в конструктив корпуса светильника обязательно входит алюминиевый теплоотвод (рис. 5). Алюминиевая часть корпуса позволяет соблюдать оптимальный тепловой режим работы светодиодов, а крышки из полимерных материалов обеспечивают герметичность по классу защиты IP-66.

Как рассчитать оптимальное количество и типы светодиодов для системы агроосвещения на базе LED

Как высчитать общую мощность светодиодов? Какое количество диодов должно быть в лампе? Ответ на эти вопросы зависит от конкретной ситуации. Самое важное в выборе – соотношение между диодом и радиатором (об этом в пункте 6).

Формула для расчета количества диодов довольно проста: М = К × М1 , где М – общая мощность лампы (Вт), К – количество диодов, а М1 – мощность одного диода. Однако далеко не все производители предельно честны с покупателями. Чтобы не попасться на удочку, ликвидируем пробел в знаниях.

Допустим, вы выбрали лампу мощностью 54 Вт и на 18 диодов c Алиэкспресс, где производитель заявляет, что мощность каждого диода 3 Вт. Если же измерить ваттметром (прибор для измерения мощности подключенных приборов), то получается, что она выдает 11 Вт.

Нужно учитывать, что диод не может работать на максимуме долго! Итак, посчитаем: 54 Вт делим на 18 диодов, получаем 3 Вт на каждый диод, которые работают на полную! Но такого не может быть! Однако вы платите за 54 Вт номинальной мощности и за 27 Вт реальной мощности (см. информацию выше.) Но по факту замера она выдает 11,6 Вт. Это далеко от 27 Вт.

Реальная выдача диода – половина мощности. Тогда если взять 1,5 Вт мощности каждого диода и умножить на 18 диодов, то получим, что эта лампа должна состоять как минимум из 27 диодов, а не из 18, как есть по факту. Обман? Нет, просто там стоят диоды меньшей мощности, то есть мощностью в 1 Вт, которые работают наполовину от своей мощности. Об этом производители, конечно, не пишут.

Но как это получилось? Берем 11,6 Вт реальной мощности из розетки, делим на 18 диодов. И получаем 0,64 Вт! То есть 0,64 Вт – это как раз почти половина от 1 Вт.

Теперь берем лампу Минифермер.ру. На упаковке написано, что лампа состоит из 12 диодов мощностью 3 Вт – в сумме это 36 Вт, то есть реальная мощность из розетки должна быть 15-18 Вт. Так и есть!

 

Это означает, что в лампе стоят точно 3-ваттные диоды! Они будут долго работать, и при этом вы получите хороший результат. Так что в информации к лампе должны быть указаны и номинальная мощность, и реальная.

Как определить оптимальную температуру и интенсивность света для растений при использовании системы агроосвещения на базе LED

В освещении растений цветовая температура света важна, поскольку она может влиять на рост и развитие растений. Свет с низкой цветовой температурой (от 2700 К до 3500 К) считается более подходящим для цветения растений, так как он содержит больше красных и оранжевых лучей. Свет с высокой цветовой температурой (от 5000 К до 6500 К) более подходит для роста растений, так как он содержит больше синих лучей.
Однако следует иметь в виду, что растения могут реагировать на свет разными способами и нет определенной цветовой температуры, которая будет оптимальна для всех растений. Важно также учитывать интенсивность, длительность и спектральный состав света.
Для получения более точных рекомендаций следует обратиться к специалисту или изучить требования к освещению указанные в инструкциях к растению.

В общем следует стремиться к тому, чтобы свет, используемый для освещения растений, соответствовал свету, который растения получают в естественных условиях. Это обычно свет с цветовой температурой около 5000-6500 К и высокой интенсивностью.

Как создать программное обеспечение для управления системой агроосвещения на базе LED

Работа призёров открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» по направлению «Инженеры» в секции «Приборостроение, микроэлектроника и схемотехника» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Системы управления Авторы работы: ГБОУ Школа № 1576 Предметы: Физика, Информатика Классы: 10 класс Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» по направлению «Инженеры» 2022 года

Актуальность

Наверное, нет такого человека, у которого дома не было бы домашних растений. У нас они тоже есть. Их нужно регулярно поливать (даже находясь вдали от дома). В настоящее время многие стали интересоваться системой «Умный дом». Поэтому наш проект будет актуален.

Цель

Создать прибор для автополива растений на основе Arduino с управлением через мобильное приложение.

Задачи

1. Определить программные, аппаратные, механические компоненты, из которых будет состоять система автополива.
2. Разработать сценарий использования системы от более простого к более сложному.
3. Изучить AT-команды для управления ESP-01S.
4. Написать скетч для работы Arduino.
5. Написать приложение для управления автополивом.
6. Собрать конструкцию автополива и проверить работу электроники.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Держатель капельной линии
• Кашпо
• Микротрубки
• Уплотнительное кольцо
• Измерительные приборы
• Два больших горшка для цветов
• Датчик влажности
• Arduino UNO r3 CH340G
• Реле SRD-05VDC-SL-C
• Насос 12V
• Wi-Fi модуль ESP-01S
• Блок питания 12V 5A
• Software: Android Studio, Arduino IDE

Описание

Для создания конструкции были использованы два горшка: в большем – вода для полива, внутри него – горшок с цветком. Вокруг цветка расположены микротрубки для подачи воды, внизу большего горшка (кашпо) – насос. Для создания прибора используется Arduino UNO, к нему подключены реле, Wi-Fi модуль и датчик влажности, реле и насос для прокачки воды. Схема устройства представлена на рисунке.

Авторы в среде Arduino IDE создали программу автополива. Во время работы Arduino посимвольно посылает специальные AT-команды Wi-Fi-модулю, через которые происходят отправка данных и подключение к Wi-Fi-сети. Пользователь выбирает в мобильном приложении нужную сеть (домашнюю или рабочую), вводит пароль и подключается к выбранной сети, далее он подключается к главному окну программы автополива.

В главном окне можно включить насос на выбранное время, установить таймер для полива или задать необходимую влажность, которая будет поддерживаться через датчик влажности. Если пользователь хочет включить насос на некоторое время, то ему нужно сначала выбрать, сколько секунд будет работать насос. После чего нужно нажать на большую круглую кнопку, и насос включится.

Если пользователь хочет установить частоту полива, то выбирается частота в часах и время работы в секундах. Если же пользователь хочет, чтобы цветок «поливал» себя сам, то это можно сделать, выбрав порог влажности почвы в процентах, при которой включается насос, частоту проверки влажности в минутах, а также время работы насоса в секундах.

Также можно открыть меню настроек, перезапустить программу «автополив для растений», а также сбросить все настройки, если, например, нужно подключиться к другой сети.

Результаты работы/выводы

С помощью полученных в школе знаний по физике и информатике, а также интернет-ресурсов, удалось создать прибор и программу для автополива растений на основе Arduino и управлением процессом с телефона.

При эксплуатации мы рассматриваем модернизацию нашего устройства,

а именно: более презентабельный вид, облегчение конструкции, расширение функционала приложения, например, установка частоты полива.

В данной ситуации авторы были ограничены бюджетом, но благодаря этому было доказано, что школьник 10 класса сможет создать такое устройство.

Перспективы использования результатов работы

Усовершенствовать схемы прибора, заменив Arduino на NodeMCU ESP 8266, расширить функционал мобильного приложения, адаптировать приложение к приложению «Умный дом» на iOS, улучшить дизайн и компактность конструкции.

Рассмотреть вариант коммерциализации проекта.

Какие растения наиболее подходят для использования системы агроосвещения на базе LED

Некоторые растения садоводы высаживают очень рано для того, чтобы они успели зацвести и начали вовремя плодоносить. А для этого им нужно обеспечить определенный температурный и световой режим, питание и поливы.

В зимние дни световой день небольшой, солнце встает поздно, а заходит рано и растением не хватает того света, что может дать им природа. Дневной свет необходим растениям для того, чтобы у них происходил сложный биологический процесс фотосинтеза, необходимый для их питания, развития и роста.

Для растений наиболее важны и полезны синие и красные диапазоны солнечного излучения, поэтому в фитосветильниках используются именно они.

• Синий свет стимулирует рост растения (утолщение их стеблей, рост новых побегов), помогает наращиванию зеленой массы.
• Красный помогает развитию корневой системы, растения начинают расти вверх, цвести и плодоносить.

Самые эффективные при выращивании растений длины волн излучения для синего спектра считаются 440-460 нм, для красного – 640-660 нм.

В фитолампах используется светодиодная система. Свет, излучаемый от этих светильников совершенно безопасен для здоровья человека, а растениям он подходит лучше всего. Еще одним плюсом фитоламп является то, что они не нагреваются, не обжигают растения, а электроэнергии потребляют намного меньше. Долговечность – еще один плюс фитосветильников, ведь срок службы у них может достигать 30 лет.

Но, следует отметить, что есть еще одни лампы, вполне подходящие для домашнего использования, – это люминицентные. Создаваемый ими широкий и равномерный световой поток также подходит растениям, они не выделяют тепло. Они также долговечны и надежны. Однако у них есть очень существенный недостаток, это использование ртутных паров, которые находятся внутри их стеклянной колбы.

И все же, более надежными и практичными считаются именно фитосветильники на светодиодах. Используя их, можно выращивать растения при полном отсутствии солнечного света. Можно смело сказать, что за этими светильниками будущее.

А в настоящее время, пользуясь фитосветильниками, садоводы прекрасно выращивают овощи в горшках не только летом, но даже в осенне-зимний период, что раньше было практически невозможно. Рассада, выращенная с использованием фитосветильниками, вырастает более крепкой и здоровой, да и посадить семена на рассаду садоводы теперь могут намного раньше, а значит намного раньше получить урожай.

Как оценить эффективность системы агроосвещения на базе LED

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

Каримов Ильшат Ильгизович. Повышение эффективности облучения растений с использованием светодиодных светильников в сооружениях закрытого грунта (на примере семенного картофеля): диссертация … кандидата Технических наук: 05.20.02 / Каримов Ильшат Ильгизович;, 2017

Введение

ГЛАВА 1. Анализ современных технологий и оборудований для облучения растений в сооружениях закрытого грунта 12

1.1 Искусственное облучение растений и эффективный спектральный состав излучения 12

1.2 Требования к режиму искусственного облучения растений 17

1.3 Существующие облучательные установки и светильники для сооружений закрытого грунта 20

1.4 Энергоэффективность облучения растений разноспектральными источниками света 28

1.5 Способы регуляции и моделирования физиологических процессов растений с учетом различных факторов среды 32

1.6 Воздействие светодиодного облучения различного спектрального состава на семенной картофель в условиях аэропоники 36

1.7 Выводы и задачи исследований 39

ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса облучения растений светодиодным светльником с регулируемым спектром излучения 41

2.1 Математическая модель роста растений 41

2.2 Способ управления ростом растений и система для ее реализации 49

2.3 Оптимизация процесса облучения растений светодиодными светильниками с регулируемым спектром излучения 58

2.4 Выводы по главе 70

ГЛАВА 3. Разработка экспериментальной светодиодной облучательной установки и методика проведенияисследований 72

3.1 Экспериментальная установка для облучения растений на базе светодиодного

светильника с регулируемым спектром излучения 72

3.2 Методика определения оптимальных спектральных характеристик светодиодного светильника 81

3.3 Выводы по главе 84

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования светодиодного светильника с регулируемым спектром излучения 85

4.1 Сравнительная оценка спектральных характеристик излучения экспериментального СДС с существующим светильником на базе НЛВД 85

4.2 Исследование влияния облучения на культуру семенного картофеля с использованием экспериментальной светодиодной облучательной установки 87

4.3 Разработка алгоритма управления светодиодными светильниками 101

4.3.1 Основные положения разработки алгоритма управления СДС 101

4.3.2 Принципы и постановка задачи при разработке алгоритма управления СДС 103

4.3.3 Алгоритм управления СДС и его структурная схема 105

4.4 Выводы по главе 113

ГЛАВА 5. Технико-экономическая оценка эффективности использования светодиодных светильников в тепличных хозяйствах Республики Башкортостан 114

Заключение 124

Литература 126

Введение к работе

Актуальность темы. Многолетняя практика выращивания растений в условиях закрытого грунта показала, что одним из основных факторов, определяющих рост и развитие растений, является свет.

В последние годы подавляющее число теплиц оборудуются светильниками на базе натриевых ламп высокого давления (НЛВД). При этом наблюдается тенденция увеличения их мощности от 250 до 600 Вт и выше в связи с недостатком интенсивности излучения в красной области спектра. Отлажен выпуск ламп с зеркальным отражателем типа ДНаЗ, имеющих преимущество по световому потоку. Однако, данному типу ламп присущи серьезные недостатки -относительно не большой срок службы, который зависит от числа коммутаций, сильный нагрев при работе, глубина пульсаций излучения до 70%. Всех этих недостатков лишены современные светодиоды.

Разработка и производство в промышленных масштабах с начала 2000-х годов мощных светодиодов (СД) обеспечило появление конкурента для НЛВД. Светоотдача некоторых типов мощных светодиодов составляет 100…120 лм/Вт, что сравнимо с НЛВД - 100…115 лм/Вт.

Динамика снижения стоимости мощных СД, большой срок службы, подстройка спектральных характеристик под любые виды и сорта плодоовощных растений и зелени, возможность управления мощностью излучения обеспечивают преимущества облучательным установкам на основе светодиодов.

Степень разработанности темы. Учеными в области электрификации
сельскохозяйственного производства Л.К. Алферовой, А.М. Башиловым, И.Ф.
Бородиным, Р.Г. Бутенко, И.Р. Владыкиным, Ф.Я. Изаковым, В.Н. Карповым,
А.П. Коломийцем, Н.Ф. Кожевниковой, В.А. Козинским, О.А. Косицыным, Н.П.
Кондратьевой, В.М. Леманом, А.К. Лямцовым, В.В. Малышевым, С.А.

Овчуковой, С.А. Поповой, А.П. Примаком, Л.Г. Прищепом, Н.Н. Протасовой, С.А. Растимешиным, С.А. Ракутько, Г.С. Сарычевым, И.И. Свентицким, Д.С. Стребковым, К.А. Тимирязевым, А.А. Тихомировым, В.П. Шарупичем, С.М. Яковлевым, R. McCree, B. Singh, P. Mekkel, J. Bonnet, P. Harris, M. Fischer и другими доказана эффективность применения искусственного облучения (досвечивания) в управлении процессом формирования урожая и повышении урожайности растений.