垂直农业和室内园艺对全球食物链做出越来越重要的贡献. 然而, 支持植物生长所需的能量是巨大的, 尤其是在照明的电力要求方面. 最近几年, 这导致了基于 LED 的照明系统的快速增长, 其固有效率优于传统白炽灯或荧光灯生长灯. 然而, 由于为 LED 供电的方案会产生能量损失，许多种植者并未获得 LED 效率的全部好处.

在本文中, 我们研究如何将集中式（而非分布式）LED 电源方法与电源技术的最新创新相结合，降低大型园艺 LED 照明方案的成本, 以及简化其实施和维护. 这种方法可以帮助确保种植者从 LED 照明投资中获得最大回报.

由LED照明驱动, 室内园艺日益受到重视

室内园艺, 或 受控环境农业 (欧洲原子能委员会), 能够提高产量和更可预测的生长条件，不受天气影响. 随着环境问题日益凸显, 食品生产商希望通过提高效率来减少能源消耗. 消费者对生鲜益处的认识, 当地生产的粮食也迅速增加. 通过有效利用 CEA, 以前从很远的地方进口的食物现在可以在更靠近消费点的地方种植, 降低运输成本及其相关的环境影响.

多年来, 白炽灯泡或荧光灯管是室内园艺的支柱. 随着 LED 的日益普及，这种情况正在发生变化 , 使用寿命更长, 降低能源消耗, 与传统来源相比，维护成本更低. LED灯的光效也更优越, 这也意味着 装置在比高压钠灯更低的温度下运行 (高压钠灯) 灯. 因此, 它们可以放置在靠近植物的地方并增加耕作密度. 更少的热量也意味着更少的水消耗和更低的成本.

迄今为止, 传统温室已成为园艺 LED 照明的主要采用者, 用于补充自然光. 然而, 在较大的温室——“生长仓库”——LED 照明可以改善对多种作物的养分平衡和生长周期的控制.

符合标准

在园艺照明等新兴产业, 标准对于确保市场上的产品适合该任务至关重要. 的 设计之光联盟 (DLC)领先定义园艺照明的技术要求，以确保解决方案能够提高产量，同时降低能耗.

它的方法是双重的: It has published technical requirements and the first qualified product list (QPL) for energy-efficient horticultural lighting. The technical requirements cover parameters such as wavelengths and intensities, as well as parameters for the LED driver and power supply. The latter includes power factor, overall lifetime of the LED driver and power supply, warranty, and lifetime of any cooling fan, if fitted. The original DLC technical requirements were aimed specifically at integrated luminaires while its latest version, 2.1, also encompasses horticultural lighting based on remote power, an area in which power supply manufacturers played a key part.

The QPL helps assure growers that the lighting solution they select will meet the stated manufacturer’s performance claims. The standards undergo a major revision every 24 months, with interim reviews annually.

LED Lighting in horticulture

Greenhouses are typically illuminated from the ceiling. 一般来说, this is a good solution, but light distribution is often not uniform, meaning some plants receive more light than others. In vertical farming, the light is much closer to the plants, which can lead to heat issues and some plants shading others as they grow. Intracanopy lighting places the lights to the side or in between plants — a strategy previously impractical with the heat of conventional sources but now feasible with lower-heat LED sources, although light uniformity can remain a challenge.

Even though LEDs are far more efficient than legacy solutions, 农业经营规模庞大意味着电力消耗仍然是一项重要成本. 每个安装方式都不同, 往往是因为不同的作物, 但根据经验, 每平方米需要约 100W 的 LED 灯，最多可达 18 每天几个小时.

 

FIG. 2. Centralizing power conversion can improve horticultural lighting efficiency by reducing power losses.
如图. 2. 集中电力转换可以通过减少电力损耗来提高园艺照明效率.

能源使用方式也会影响成本. 如果电流和电压不同相, 然后会产生一个额外的负载，该负载不会做任何有用的工作，但会向能源供应商收取费用. 工程师们知道这是 功率因数 (PF), 哪个, 以及波形失真或总谐波失真 (总谐波失真), 应尽量减少以控制成本.

许多 LED 装置由由市电供电的灯具组成，电压在本地转换为直流电. 除了所需的电源接线数量之外, 挑战在于这种配置可能会导致较差的 PF 和较高的 THD. 由于这些方案通常是单相的, 它们还会造成三相供电网不平衡.

任何电源转换都会产生一定量的热量。通过重新配置将能量传输到 LED 的方式, 运营商可以实现超过 10% 超过传统设置, 将电源转换装置置于种植区域，并部署风扇或空调来调节种植区域温度, 从而产生额外的资本和运营成本.

采用集中式方法, 从交流到直流的电力转换位于种植区域之外. 多余的热量可以在夏季排放到外界，或在冬季输送到生长区域. 此外, 将直流电分配给 LED 灯具可提供电网- 具有高 PF 和低 THD 的经济型解决方案. 使用高电压时, 电线可以更细, 降低成本和结构重量. 当电流较低时, 布线损耗显着降低.

可配置的前端电源解决方案可以提供高达 24 三单元机架中的 kW 直流电源. 在这种类型的模块化供应中, 输出使用灵活的插件模块进行配置，如果应用程序的需求发生变化，可以快速重新配置. 一般来说, 电源解决方案的控制可以是数字或模拟的, 配置和监控是通过提供的软件图形用户界面完成的 (图形用户界面). 一些供应商提供专为园艺应用量身定制的附加调度和控制软件.

另一种有效的方法是使用机架式电源解决方案和安装架为 LED 照明提供大容量电源. 此类系统专为园艺应用而设计，符合园艺照明的 DLC 技术要求 (版本 2.1) 因为它们适用于远程电源.

FIG. 3. Schematic of a centralized lighting scheme.
如图. 3. 集中照明方案示意图.

理想情况下, 所选择的解决方案将允许所有标准交流输入 (208 VAC 至 600 交流电) 来自单相或三相电源，并在输出电压之间提供无闪变电流 100 直流电压和 300 直流电压. 对于大型系统, 一般大于 25 千瓦, 将多个单元架堆叠在一个相对较小的柜子中 – 说, 3 英尺高 - 将提供 120 千瓦, 种植区域的典型电力需求.

使用 19 英寸的好处之一. 机架式电源易于维护. 更换传统设置中的天花板灯具需要技术人员携带梯子和工具进入种植区域, 在种植区周围和上方工作. 然而, 万一机架式电源解决方案出现问题, 工人可以将设备拉出, 通常不需要工具, 并推入一个新的. 在很多情况下, 他们不需要切断整个设施的电源来执行此交换. 的确, 这与打开和关闭抽屉非常相似.

概括

LED 技术为园艺照明开辟了充满机遇的世界. 在能源成本不断上涨的时期, LED 技术的效率极大地降低了运营成本，并为灯的放置提供了更大的灵活性.

集中式远程电源解决方案可以进一步提高运营效率，并消除种植区域内额外冷却的需要. 这些优势相加可以降低成本并创建简单且更可靠的 CEA 系统.