LED与太阳能光伏结合在人工光植物工厂p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50％～60％，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。 1．1LED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 V～3 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 V～24 V之间。为避免LED的驱动电流超过最大允许电流，影Ⅱ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10％～20％，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。 1．2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 V～0 5 V，工作电流为20 mA／cm2一25 mA／cm2，一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。 1．3LED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