Millised on tehnoloogiatrendid, mis kujundavad kasvuhoonepõllumajanduses LED-tulesid?

Kui on üks suundumus, mis määrab kaubandusliku LED-taimede kasvuvalgustite paneeli arengu viimase kümnendi jooksul, siis see on PAR-i efektiivsuse pidev paranemine -, mis näitab, kui tõhusalt valgusti muundab elektrienergiat fotosünteetiliselt kasulikuks valguseks, väljendatuna footonite mikromoolides džauli kohta (µmol/J).

Trajektoor on olnud ühtlane ja järsk:

USA energeetikaministeeriumi SSL-i (Solid{0}}State Lighting) programm prognoosib, et kaubandusliku-kvaliteediga aianduse LED-i tõhusus saavutab 2030. aastaks 3,5–4,0 µmol/J, mis on tingitud peamiselt jätkuvast kiibitaseme täiustamisest ja teisesest optilise disaini edust.

Mis neid LED Plant Grow Light paneeli täiustusi tegelikult juhib? Kolm tegurit:

LED-kiibi edenemine. Kasvuvalgustites kasutatavad LED-kiibid on pooljuhtide tasemel oluliselt paranenud. Samsungi LM301H-seeria - üks enimkasutatud kasvavaid valguskiipe - on tootepõlvkondade lõikes järjest tõhusamalt paranenud. Osrami, Epistar ja teiste konkureerivad kiibiplatvormid järgivad sarnaseid trajektoore. Kiibi tasemel võimaliku füüsika ei ole veel lae lähedal.

Juhi tõhususe täiustused. Draiver teisendab võrgu vahelduvvoolu alalisvooluks, mida LED-kiibid vajavad, ja see muundamine toob kaasa loomulikud efektiivsuskadud. Kvaliteetsed kasvuvalgustid muundavad praegu 90–95% efektiivsusega; komponentide tasandi edasised parandused vähendavad neid kadusid järk-järgult.

Optilise disaini täiustamine. Sekundaarne optika - läätsed ja reflektorid, mis suunavad valgust kiibilt taime varikatuse poole -, on täiustatud, vähendades valgusti kaotsiminekut valgusti korpusesse ja parandades PPFD sihttsooni jõudva kiirgava valguse osakaalu.

Mida kõrgem efektiivsus praktiliselt tähendab: 200 W LED Plant Grow Light Panel kiirusega 2,2 µmol/J annab 440 µmol/s PAR-i. Sama 200 W valgusti kiirusel 2,8 µmol/J annab 560 µmol/s - 27% rohkem kasulikku valgust sama elektritarbimise juures ilma kasutuskulusid muutmata.

Kaubandusliku kasvuhoone puhul, mis töötab 7-kuulisel lisavalgustuse hooajal 16 tundi päevas, suurendab see tõhususe suurendamist märkimisväärset energiakulude erinevust kogu paigaldise tööea jooksul.

Varasemates kaubanduslikes LED-kasvuvalgustites kasutati fikseeritud spektriga koostisi -, mis tavaliselt määrati kindlaks punase ja sinise LED-ide vahekorras, mis määrati kindlaks valmistamisel, võib-olla väikese valge komponendiga. Need fikseeritud spektrid töötasid küllaldaselt paljude põllukultuuride puhul, kuid ei olnud optimaalsed ühegi neist konkreetselt ja nad ei suutnud kohaneda taime muutuvate vajadustega erinevatel kasvuetappidel.

Praegune trend on mitme{0}}kanaliga häälestatava spektri - valgustid, millel on sõltumatult juhitavad kanalid, mis katavad erinevaid lainepikkuse vahemikke, võimaldades valgusretsepti reguleerida tarkvara kaudu, mitte nõuda füüsilisi kinnitusseadmeid.

Kaasaegne häälestatav LED Plant Grow Light Panel pakub tavaliselt kolme kuni viit sõltumatut kanalit:

Sügavsinine (450 nm): soodustab kompaktset vegetatiivset kasvu, klorofülli sünteesi, stomati avanemist

Punane (660 nm): esmane fotosünteesi juht, enamiku põllukultuuride kõrgeim kvantitõhusus

Kauge{0}}punane (730 nm): käivitab varjude

Valge (lai spekter, 3000–5000K): toetab sekundaarset metaboliitide tootmist ja annab rohelised lainepikkused, mis tungivad sügavamale võrasse

UV-A (380–400 nm): stressireaktsiooni -käivitaja flavonoidide ja terpeenide tootmiseks erikultuurides

Wageningeni ülikooli uuringud (2022) näitasid, et punase ja kaugele{1}}punase suhte dünaamiline kohandamine tomatikasvatuse erinevatel kasvuetappidel suurendas turustatavate puuviljade kogusaaki 17,4% võrra, võrreldes samaväärsete fikseeritud spektriga -, ilma et kogu PPFD või fotoperiood muutuks. Parandus tulenes täielikult valgusretsepti paremast sobitamisest põllukultuuri füsioloogilise seisundiga kogu tootmistsükli jooksul.

Sega{0}}põllukultuuride kasvuhoonegaaside jaoks - lahendab varem lahendamatu probleemi lahendus, kus kasvatatakse salatit ja tomatit koos maitsetaimedega -. Erinevad tsoonid võivad käitada erinevaid retsepte samast inventari põlvkonnast, mida juhib tarkvara, ilma tsoonide vahel füüsiliste kinnituste erinevusteta. Üks LED Plant Grow Light Panel platvorm suudab teenindada rajatise iga tsooni, kohandades seda iga tsooni kohta.

Üleminek taimeripõhiselt-valgustuse juhtimiselt sensori-põhisele adaptiivsele juhtimisele on kasvuhoonegaaside LED-tehnoloogia - kaubanduslikult üks olulisemaid suundumusi ja riistvara vaatenurgast üks kõige vähem nähtavaid suundi, kuna see toimub pigem tarkvaras ja juhtimissüsteemides, mitte seadmes endas.

Loodusliku valguse integreerimine on põhirakendus. Kasvuhoone varikatuse alale paigaldatud PAR-andur mõõdab loomuliku päevavalguse{1}}panust reaalajas. Juhtsüsteem arvutab lünga praeguse loomuliku valguse ja põllukultuuri DLI sihtmärgi vahel ning hämardab või muudab kunstvalgustuse heledamaks, et täita täpselt see tühimik - ei rohkem ega vähem. Michigani osariigi ülikooli uuringus (2022) leiti, et sensor{6}}juhitav adaptiivne valgustus vähendas elektrienergia kogutarbimist 31–38% võrreldes taimeri{9}põhise juhtimisega samaväärse DLI-edastuse korral mitme põllukultuuri puhul. Sääst tuleb sellest, et kunstvalgustid ei tööta täisvõimsusel ajal, mil loomulikku valgust on palju.

IoT-ühenduvus on sisse ehitatud uude{0}}põlvkondaLED Plant Grow valguspaneelkujundused ja muud kinnitusvormid. Uue-põlvkonna LED Plant Grow valgustipaneelid koos sisseehitatud andurite ja traadita sidega edastavad keskhaldusplatvormile reaalajas-tööandmed - väljundtaseme, töötunnid, juhi temperatuuri, energiatarbimise -. See annab rajatise haldajatele nähtavuse iga seadme tegelikust toimivusest, võimaldades varakult avastada draiveriprobleeme, toodangu langust või tõhususe kõrvalekaldeid enne, kui need mõjutavad põllukultuuride jõudlust.

Juhtmeta juhtimisprotokollid on oluliselt paranenud. DALI-2 (digitaalne adresseeritav valgustusliides, teine ​​põlvkond) pakub kahesuunalist sidet – mitte ainult valgustitele käskude saatmist, vaid jõudlusandmete vastuvõtmist. Bluetooth-võrk võimaldab suuri paigaldusi juhtida ilma keerukate juhtmestiketa. Mõned tootjad on välja töötanud patenteeritud RF-protokollid, mis on optimeeritud kasvuhoonekeskkondadele, kus metallkonstruktsioonid ja kõrge õhuniiskus võivad häirida standardseid traadita signaale.

AI-abiga DLI-haldus on praeguse juurutamise esirinnas. Süsteemid, mis integreerivad ilmaprognooside andmeid, ajaloolisi põllukultuuride jõudluse mudeleid ja reaalajas anduri tagasisidet-valgustuse ajakava ennustamiseks, on kaubanduslikult kasutusel arenenud Euroopa kasvuhoonerajatistes. Hollandi kasvuhoonesektor -, mis on tehnoloogiliselt kõige arenenum maailmas -, on neid süsteeme katsetanud alates 2021. aastast ning esialgsed tulemused näitavad täiendavat 8–12% energiasäästu peale sensori-juhitava adaptiivse valgustuse.

Kokkupandavate LED-taimevalgustite ja muude LED-kasvuvalgustite vormingute füüsiline kujundus muutub, et kajastada kaasaegse kasvuhoonepõllumajanduse tegelikku tegelikkust - ja eelkõige vertikaalse põllumajanduse nõudeid, kus juurdepääs kasvutasandite vahel on tõeline igapäevane tegevus.

Traditsioonilised jäigad LED-paneelid - fikseeritud suurusega-üksus fikseeritud kinnituspunktidega - olid mõeldud ühe-tasandi kasvuhoone paigaldamiseks. Neid on tõhus valmistada, kuid neid on ebamugav hooldada, neid on võimatu ümber seadistada ilma märkimisväärse uuesti installimiseta ja need ei ühildu virnastatud -tasandi vertikaalsete kasvusüsteemide ruumipiirangutega.

Kaks vormifaktori uuendust - kokkupandavad LED taimevalgustid ja eemaldatavad LED taimevalgustid - on suunatud sellele:

Kokkupandavad LED taimevalgustid volditakse piki oma pikkustelge tasaseks, vähendades kasutatavat profiili töölaiuse murdosani. Armatuur, mis töötab 60 cm laiuselt, saab kokku voltida kuni 25 cm-ni, et eemaldada vertikaalse põlluriiuli 40 cm vahedest -, mis teeb rutiinse hoolduse ja kinnituse väljavahetamise võimalikuks ilma kasvustruktuuri lahti võtmata. Rahvusvahelise Aiandusteaduste Seltsi (ISHS, 2021) uuringud näitasid, et rajatised, mis kasutavadKokkupandavad LED taimevalgustidvõi modulaarsete kinnitusdetailide konstruktsioonid vähendavad-kinniti hooldusaega 34% võrreldes samaväärsete jäikade kinnitusdetailidega mitmetasandilistes konfiguratsioonides.

Eemaldatavad LED-taimevalgustid suurendavad modulaarsust - valgustid on kokku pandud sektsioonidest, mida saab kombineerida erineva kogupikkusega, transpordiks või hoolduseks lahti ühendada ja ümber konfigureerida vastavalt rajatise paigutuse muutumisele. Kasvuhoonetööde jaoks, mis muudavad põllukultuure hooajaliselt või laienevad faaside kaupa, võimaldavad eemaldatavad LED-taimevalgustite süsteemid paigaldusel kasvada ja kohaneda ilma asendamiseta.

Kaubandusloogika on arusaadav: eemaldatavate LED-taimevalgustite või muu modulaarse paindliku valgustussüsteemi omamise kogukulu on väiksem kui samaväärse jäiga süsteemi puhul, kui 5–10-aastase tööperioodi jooksul on arvesse võetud paigaldustööd, juurdepääs hooldusele ja ümberpaigaldamise kulud paigutuse muutmiseks.

Eemaldatavate LED-valgustite tootja vaatenurgast võimaldavad modulaarsed konstruktsioonid ka tooteplatvormi strateegiat -, sama draiverit, kiipi ja juhtimistehnoloogiat saab ühest inseneribaasist kasutada erinevates füüsilistes konfiguratsioonides (erinevad pikkused, erinevad paigaldussuunad), mis suurendab töökindlust komponentide suurema standardimise kaudu.

Suurema osa LED-valgustite kaubanduslikust ajaloost keskendusid valgustid 400–700 nm PAR-vahemikule. Tekkiv suundumus on sellest vahemikust väljapoole jäävate lainepikkuste - eriti kauge-punaste (700–800 nm) ja UV-A (320–400 nm) - tahtlik integreerimine tootmisseadmetesse, tuginedes kogutud teadusuuringute tõenditele nende põllukultuuride kasulikkuse kohta.

Kauge{0}}punane (700–800 nm) on kaubanduslikult kõige olulisem lisand. Kaks fotobioloogilist mehhanismi muudavad punaseks palju-praktiliselt väärtuslikuks:

Emersoni võimendusefekti - kirjeldati esmakordselt 1957. aastal, kuid seda rakendati alles hiljuti kaubanduslikus LED-disainis -, mis näitab, et samaaegne punase (660 nm) ja kaug-punase (730 nm) valgusega valgustamine annab suurema fotosünteesiväljundi kui kummagi lainepikkuse summa eraldi. aastal avaldatud uurimustööPLOS ÜKS(2020) leidsid, et 10–15% kaug-punase lisamine tavalisele punase/sinisele spektrile suurendas fotosünteesi kiirust 12–18% mitme põllukultuuritüübi puhul -, mis on märkimisväärne saagikasu tänu tagasihoidlikule spektrilisandile.

Thevarju{0}}vältimisreaktsioonvallandab kaug{0}}punane, soodustab varre pikenemist, kiirendab õitsemist ja suurendab viljade moodustumist viljasaagis. Michigani osariigi ülikooli uuringus (2021) leiti, et 15% tomatitoodangu kogutoodangust moodustav täiendav kaug{3}}lisand kiirendas -esimese-koristamiseni-aega 4 päeva võrra ja suurendas viljasaaki ühe sõrestiku kohta 18%.

Madala intensiivsusega UV-A (320–400 nm) käivitab taimede stressi-reageerimisrajad, mis suurendavad sekundaarsete metaboliitide - flavonoidide, terpeenide, antotsüaniinide ja muude ühendite tootmist, mis määravad maitse, aroomi ja toiteväärtuse erikultuurides, ürtides ja kanepis. Guelphi ülikooli uuringus (2022) leiti, et UV-lisand 5–10 µmol/m²/s basiiliku tootmisel suurendas eeterlike õlide sisaldust 31% -, mis on otseselt seotud esmaklassilistele toitlustusteenuste turgudele suunatud ürditootjate jaoks.

Armatuuri spetsifikatsiooni praktiline tähendus: kasvatajad ostavadKokkupandavad LED taimevalgustid, LED Plant Grow Light Panel süsteemid või muud kõrge{0}}väärtuslike erikultuuride vormingud peaksid nüüd selgesõnaliselt küsima kaug-punase ja UV-A kanalite saadavuse kohta ning taotlema spektraalset võimsusjaotuse diagrammi, et kontrollida lainepikkuse katvust ja intensiivsust.

Kaubanduslike LED Plant Grow valgustipaneelide ja kasvavate valgustite tööiga on pikenenud, kuna soojusjuhtimise tehnika on paranenud. Kolm kuni viis aastat tagasi oli kommertsklassi seadmete standardne tööiga -50 000 tundi (L70 - punkt, mil toodang on langenud 70%-ni esialgsest). Praegused juhtivad tooted nõuavad 60 000–80 000 tundi, kusjuures mõned tootjad ulatuvad kaugemale.

Mis teeb selle võimalikuks:

Metall-südamiku PCB-d (MCPCB-d) asendavad standardse FR4 klaaskiust substraadi alumiiniumist või vasest südamikuga, mis juhib soojust LED-ühendusest oluliselt tõhusamalt eemale. Ühenduse temperatuuri alandamine 10–15 kraadi võrra kahekordistab LED-komponendi nimiväärtust LED-i töökindluse inseneri Arrheniuse seose tõttu.

Täiustatud jahutusradiaatori geomeetria. Arvutuslikku vedeliku dünaamika modelleerimist rakendatakse kasvuvalgustite jahutusradiaatori kujundusele, mis loob uimede geomeetria, mis on optimeeritud kasvuhoonekeskkondade spetsiifiliste õhuvoolumustritega -, mitte ainult vaikses-õhulaboritingimustes. Tulemuseks on madalamad püsioleku-töötemperatuurid tegelikes paigaldustingimustes.

Eraldi juhi paigutus. Mõne täiustatud valgusti konstruktsiooni puhul on LED-draiver füüsiliselt eraldatud valgust -kiirgavast sektsioonist -, mis on paigaldatud jahedamasse kohta (LED-ide termilise tsooni kohale või täielikult eemale). Kuna draiveri eluiga on temperatuuritundlikum- kui LED-kiibi eluiga, võib draiveri jahedamaks hoidmine oluliselt pikendada seadme üldist eluiga.

Kõrgema{0}}reitinguga draiverikomponendid. Nagu on kirjeldatud meie juhi töökindlust käsitlevates kaasartiklites, on nihutamine 85-kraadise -reitinguga 105-kraadise -kraadise elektrolüütkondensaatorini juhi kriitilistes asendites üks olulisemaid töökindluse täiustusi praeguses kaubanduslikus LED-i kasvuvalgustis.

Praktiline tähendus kasvatajate jaoks: 80 000 tunni tööajaga seade, mis töötab 16 tundi päevas, kestab umbes 13,7 aastat - peaaegu kaks korda pikem kui 50 000 -tunnise seadme kasutusiga. Samaväärse ostuhinna korral on pikema elueaga seadmel oluliselt madalam omamise kogukulu, kui arvestada kapitali asendamise sagedust.

Meelelahutusteenuste ja tehnoloogia assotsiatsioon (ESTA) on tunnustanud LED-tehnoloogia kiiret arengut oma professionaalsete valgustusrakenduste tehnilistes juhendites, märkides oma 2023. aasta standardiuuenduses, et LED-i tõhususe täiustused toimuvad nüüd tihendatud ajateljel võrreldes varasema SSL-i arendusega - ja et enam kui 3 aastat tagasi kirjutatud ostuspetsifikatsioonid võivad praegu turul märkimisväärselt halveneda. ESTA juhistes soovitatakse professionaalsetel LED-valgustite ostjatel enne spetsifikatsioonide lõplikku vormistamist vaadata läbi tõhususe võrdlusnäitajad praeguste sõltumatult testitud toodetega, selle asemel et tugineda varasemate hanketsüklite standarditele või võrdlusalustele. Kuigi ESTA esmane kontekst on meelelahutus ja kohtade valgustus, kehtivad need juhised otseselt kasvuhoonegaaside LED-hangete kohta: täna saadaval olevad valgustid on sisuliselt paremad kui need, mis olid saadaval kolm aastat tagasi, ja hankeotsused peaksid seda kajastama.

Ühendkuningriigis Kentis asuv kaubanduslik kasvuhooneoperaator haldas 800 m² suurust klaasist rajatist, kus kasvatati tomateid ja maitsetaimi. Algne LED-installatsioon - valmis kolm aastat enne -, kasutas maineka tarnija 120 × 240 W bar-tüüpi paneele. Armatuurid toimisid vastavalt algsele spetsifikatsioonile, kuid kasvataja oli täheldanud, et uuema-põlvkonna tooted pakkusid oluliselt suuremat tõhusust ja funktsioone, mis tema paigaldusel puudusid: häälestatav spekter, juhtmevaba juhtimise integreerimine ja parem soojusjuhtimine.

Sunhingstones tegeles LED Plant Grow Light paneeli asendusprogrammi täpsustamisega. Olemasoleva paigalduse ja kavandatud uue{1}}põlvkonna LED Plant Grow Light Panel spetsifikatsiooni võrdlus:

Asendamine viidi läbi ühe{0}}hooaja jooksul. 12 kuu pärast mõõdetud tulemused:

Valgustuse elektritarbimine: vähenes 33% hoolimata identsetest DLI-eesmärkidest -, mis on täielikult tingitud tõhususe paranemisest ja anduri-põhisest adaptiivsest hämardamisest loomuliku valguse panuse perioodidel

Tomatite saagikus: suurenenud 19% ruutmeetri kohta -, mis on tingitud optimeeritud puuviljade-etapi kauge-punase ajakavast (730 nm 15% väljundiga tootmistsükli 4.–8. nädalal)

Maitsetaimede saagikus ja kvaliteet: basiiliku eeterlike õlide sisaldus suurenes mõõdetavalt (kasvataja kvaliteeditestid kinnitasid suuremat aroomiintensiivsust saagikoristuse ajal, mis on tingitud UV{0}}kanalist 8 µmol/m²/s iga tsükli viimase kahe nädala jooksul)

Hooldusaeg: vähendatud 28% tänu eemaldatavale modulaarsele vormingule, mis võimaldab puhastamiseks ja kontrollimiseks kiiremat juurdepääsu armatuurile

Kasvataja arvutas moderniseerimisinvesteeringu tasuvusajaks - 14 kuud, mis on esialgsest 20-kuulisest prognoosist lühem, kuna saagikuse paranemine ületas ootusi.

LED-kasvu valgustehnoloogia kasvuhoonepõllumajanduses ei ole küpses ja stabiilses faasis. Tõhusus paraneb aasta-aastalt mõõdetavalt. Spektri juhtimine on liikunud uurimislaboritest kommertstootmisse. Nutikad juhtseadised säästavad energiat, mida taimeril{3}}põhinevate süsteemide puhul ei olnud võimalik saavutada. Paindlikud, modulaarsed vormitegurid vähendavad hoolduskulusid ja parandavad paigalduse mitmekülgsust.

Kasvataja või hankemeeskond, kes hindas LED Plant Grow Light Panel tehnoloogiat kaks või kolm aastat tagasi, töötab vananenud pildi alusel. Tänapäeval saadaolevad seadmed on oluliselt paremad - ja vahe praeguse-põlvkonna LED Plant Grow Light paneeli ja 2021. aasta ajast pärit toote vahel on piisavalt suur, et tekitada saagikuse ja energia erinevusi, mida selle artikli alguses kasvataja oma naabri tegevuses märkas.

Sunhingstones toodab LED Plant Grow Light Panel tooteid ja paindlikke{0}}vormingus süsteeme, sealhulgas kokkupandavad LED taimevalgustid ja eemaldatavad LED taimevalgustid, kasutades praeguse-põlvkonna kiibi ja draiveri tehnoloogiat koos täieliku sõltumatu fotomeetrilise kontrolli ja häälestatavate spektrivalikutega kogu meie kaubanduslikul kasvuhoonete valikul.

Võtke kohe ühendust