آیا مزیت چراغ های LED گیاهی با افزایش اندازه گلخانه آشکارتر است؟

1. چراغ‌های رشد سنتی در مقابل

قبل از بحث در مورد اثرات مقیاس، درک تفاوت های اساسی بین فناوری LED و نورپردازی سنتی ضروری است.
لامپ‌های سدیم پرفشار (HPS) برای دهه‌ها به دلیل بازده نور بالا و هزینه اولیه نسبتا کم، بر روشنایی گلخانه‌های تجاری غالب بوده‌اند. با این حال، اشکالات آنها به خوبی-شناخته است. یک دستگاه HPS دو سر{6}1000 وات تنها حدود 30 تا 38 درصد انرژی الکتریکی را به تشعشع فعال فتوسنتزی (PAR) تبدیل می‌کند. بقیه به عنوان گرما و اشعه مادون قرمز از دست می رود. این یک بار هزینه مضاعف ایجاد می کند: انرژی هدر رفته در تولید گرما و نیاز به سیستم های HVAC اضافی برای حذف گرمای اضافی از محیط در حال رشد.
در مقابل، -چراغ‌های رشد کارآمد (مخصوصاً LED) 40% تا 60% انرژی ورودی را به PAR قابل استفاده تبدیل می‌کنند، در حالی که محصولات رده بالا اکنون بیش از 3.0 میکرومول در ژول هستند. طبق گزارش‌های روشنایی باغبانی وزارت انرژی ایالات متحده، کارایی چراغ‌های رشد LED تجاری در پنج سال گذشته بیش از 40 درصد بهبود یافته است - جهشی که فناوری‌های سنتی نمی‌توانند با آن مطابقت داشته باشند.
برای پرورش دهندگان کوچکی که فقط از ده دستگاه استفاده می کنند، این تفاوت ها اهمیت دارد. برای اپراتورهایی که هزاران دستگاه را در مناطق مختلف تولید می‌کنند، این تفاوت‌ها مستقیماً سودآوری را تعیین می‌کنند.

2. سه مکانیسم اصلی که مزایای LED را در مقیاس تقویت می کند

1 صرفه جویی در هزینه انرژی به صورت خطی رشد می کند - اما پس انداز زیرساخت سریعتر رشد می کند

برای جایگزینی 500 1000لامپ‌های W HPS با لامپ‌های LED معادل 650 وات، یک عملیات تجاری با اندازه متوسط-در نظر بگیرید. هر لامپ مستقیماً 350 وات صرفه جویی می کند. با استفاده از 16 ساعت در روز با قیمت 0.10 دلار در هر کیلووات ساعت، صرفه جویی سالانه برق به تنهایی می تواند بیش از 102000 دلار باشد.
مزیت واقعی کامپوزیت ناشی از کاهش تولید گرما است. تأسیسات HPS در مقیاس بزرگ به سیستم‌های HVAC نسبتاً بزرگ - کولرها، سیستم‌های لوله‌کشی و دستگاه‌های کنترلی - نیاز دارند که هزینه‌های سرمایه و عملیات آنها با گسترش مقیاس تأسیسات افزایش می‌یابد. مطالعه ای که در Biosystems Engineering (2021) در یک گلخانه گوجه فرنگی 10000 متر مربعی در هلند منتشر شد، نشان داد که تغییر به LED می تواند بار سیستم های HVAC را تا 22٪ کاهش دهد و علاوه بر روشنایی مستقیم، سالانه 38000 یورو صرفه جویی می کند. در مقیاس کوچک، صرفه جویی از HVAC قابل توجه نیست. در مقیاس تجاری بزرگ، آنها می توانند معادل یا حتی بیشتر از صرفه جویی در نورپردازی باشند.

2 مدیریت گرما در مقیاس: از خطر مفید تا بحرانی

در گلخانه های کوچک، گرمای اضافی ناشی از روشنایی گاهی اوقات می تواند به صورت غیر فعال مدیریت شود و حتی ممکن است در آب و هوای سرد به نفع محصولات باشد. با این حال، در مزارع عمودی چند لایه بزرگ یا تأسیسات کشاورزی محیط کنترل‌شده (CEA)، ایجاد گرما از لامپ‌های سنتی به یک خطر جدی تولید تبدیل می‌شود. دمای تاج پوشش بالاتر از 28 تا 30 درجه باعث سرکوب فتوسنتز و تسریع گلدهی در بسیاری از محصولات می شود و باعث کاهش عملکرد و کیفیت می شود. در مقیاس بزرگ، این بدان معناست که سیستم‌های خنک‌کننده کوچک‌تر و ساده‌تر، خرابی‌های آب و هوایی کمتر در طول موج‌های گرما، و توانایی قرار دادن وسایل بسیار نزدیک‌تر به سایبان گیاه (معمولاً 20 تا 40 سانتی‌متر) بدون ایجاد سوختگی سبک. قرارگیری نزدیک تر به طور قابل توجهی کارایی PPFD (تراکم شار فوتون فتوسنتزی) را بهبود می بخشد و تعداد وسایل مورد نیاز در هر متر مربع را کاهش می دهد.

3 توزیع یکنواخت نور و ادغام چند{1}}

هندسه فیزیکی دستگاه به اندازه فناوری اهمیت دارد. تجهیزات خطی مانند لوله‌های نور دو ردیفه T8 LED رشد در-سیستم‌های قفسه‌بندی چند لایه - پیکربندی غالب در مزارع عمودی بزرگ و تأسیسات نهال‌کاری برتری دارند. پروفیل باریک آنها توزیع یکنواخت نور را در بین نیمکت های در حال رشد گسترده امکان پذیر می کند و نقاط داغ و مناطق تاریک را که در غیر این صورت نیاز به چرخش مکرر گیاه دارند به حداقل می رساند.
در تأسیسات بزرگ، این یکنواختی مستقیماً به کیفیت محصول ثابت در هزاران فوت مربع سایبان تبدیل می شود. آزمایشی در سال 2020 توسط دانشگاه و تحقیقات Wageningen نشان داد که تغییر به آرایه‌های نوار LED یکنواخت در تأسیسات نهال کاهو، قوام وزن سر را تا 11٪ در مقایسه با چراغ‌های نقطه{3}}HPS بهبود می‌بخشد. این بهبود به طور قابل توجهی هنگام برداشت ده ها هزار گیاه در هر چرخه ترکیب می شود.
3. داده ها: چگونه اعداد مقیاس و ROI را آشکار می کنند

داده های زیر از مطالعات و گزارش های معتبر صنعت به دست آمده است:
دوره بازگشت سرمایه بر اساس مقیاس: مرکز تحقیقات روشنایی (LRC) در موسسه پلی تکنیک Rensselaer دوره بازگشت روشنایی LED را برای گلخانه های کوچک 4 تا 6 سال تخمین می زند.<500 m²), 2.5–4 years for mid-sized facilities (500–2,000 m²), and 1.5–2.5 years for large commercial operations (>2000 متر مربع). مقیاس بزرگ‌تر به دلیل صرفه‌جویی مطلق بالاتر و دسترسی بهتر به مشوق‌های ابزار، بازگشت سرمایه سریع‌تری را ارائه می‌کند.
· اعتبار سنجی رشد بازار: ارزش بازار جهانی سبک رشد تجاری تقریباً 6.26 میلیارد دلار در سال 2024 بود و پیش بینی می شود تا سال 2033 به 29.12 میلیارد دلار برسد و با رشد CAGR 18.9 درصدی رشد کند. راه حل های LED بر این گسترش غالب هستند، به ویژه در تأسیسات بزرگتر از 1000 متر مربع.
· معیارهای کارایی: بر اساس فهرست محصولات واجد شرایط باغبانی کنسرسیوم DesignLights (DLC)، حداقل کارایی برای تخفیف های مفید در آمریکای شمالی 2.1 میکرومول بر ژول است. اکنون بسیاری از وسایل تجاری LED درجه تجاری از 3.0 میکرومول در ژول - سطح عملکردی غیرقابل دستیابی با فناوری HPS فراتر رفته است.
· تأثیر کنترل طیف: یک متا آنالیز در سال 2022 توسط «سرویس تحقیقات کشاورزی USDA» در 34 مطالعه نشان داد که محلول‌های نوری با طیف کامل قابل تنظیم قرمز/آبی/فرار{3}قرمز قابل تنظیم، عملکرد سبزی‌های برگدار، گیاهان و توت‌فرنگی را به طور متوسط ​​18 درصد{5} در مقایسه با مقدار ثابت افزایش می‌دهند. این مزیت تنها در مقیاس تجاری از نظر اقتصادی معنادار می شود.
4. نحوه انتخاب سیستم روشنایی LED مناسب برای گلخانه های بزرگ

انتخاب کردنچراغ های رشد LED طیف کامل T8شامل چندین پارامتر به هم پیوسته است:
·برداشت-PPFD هدف خاص: سبزی های برگدار معمولاً به 150-250 میکرومول در متر مربع در ثانیه نیاز دارند. محصولات بارده مانند گوجه فرنگی و فلفل به 400-700 میکرومول در متر مربع در ثانیه نیاز دارند. تأسیسات بزرگ باید طرح‌های روشنایی را به‌منظور جلوگیری از نور بیش از- یا کمتر{7}}منطقه کنند.
·فاصله فیکسچر و ارتفاع نصب: وسایل خطی (شامل پیکربندی‌های دو ردیفه T8) معمولاً 30 تا 60 سانتی‌متر بالای سایبان در سیستم‌های چند لایه نصب می‌شوند. محاسبات فاصله باید حداقل 50 درصد نسبت یکنواختی را تضمین کند (حداقل PPFD در مقابل متوسط ​​PPFD در سطح رشد).
· یکپارچه سازی کنترل هوشمند: برنامه ریزی دستی در مقیاس غیر عملی است. سیستم‌های روشنایی گلخانه‌ای هوشمند که حسگرهای برداشت نور روز، پروتکل‌های کاهش نور مرحله محصول و قابلیت‌های پاسخگویی تقاضا را ادغام می‌کنند، ضروری هستند. مطالعات نشان می دهد که کم نور خودکار به تنهایی می تواند مصرف انرژی سالانه روشنایی را بین 12 تا 18 درصد کاهش دهد.
·مدیریت حرارتی: برای محیط‌های CEA مهر و موم شده، وسایلی را انتخاب کنید که دارای هیت سینک آلومینیومی و خنک‌کننده غیرفعال یا فعال هستند که برای کارکرد مداوم تا 40 درجه برای 18+ ساعت رتبه‌بندی شده‌اند.
5. مقایسه ROI با مقیاس گلخانه

منابع: LRC، گزارش های روشنایی باغبانی وزارت انرژی ایالات متحده، مطالعات موردی دانشگاه واگنینگن. روند روشن است: هر چه تسهیلات بزرگتر باشد، بازگشت سرمایه در روشنایی LED گلخانه سریعتر خواهد بود و مزایای عملیاتی بیشتری نسبت به فناوری سنتی دارد.

6. سوالات متداول

آیا چراغ های رشد LED برای همه انواع محصولات تجاری مناسب هستند؟
بله، به خصوصچراغ های رشد طیف کاملکه می تواند نور طبیعی خورشید را شبیه سازی کند. با این حال، برخی از محصولات ویژه با نیازهای انتگرال نور روزانه (DLI) بسیار بالا ممکن است همچنان به استراتژی های مکمل نیاز داشته باشند.

چند ساعت در روز باید چراغ های LED در یک گلخانه بزرگ روشن شوند؟
اکثر گلخانه های تجاری بسته به محصول، DLI 17-30 mol/m²/day را هدف قرار می دهند. با یک دوره نوری 16 ساعته، آرایه فیکسچر معمولاً باید 300-520 میکرومول در متر مربع بر ثانیه PPFD ارائه دهد.

آیا می توان چراغ های LED و HPS را در تاسیسات بزرگ با هم ترکیب کرد؟
انتقال مرحله‌ای از نظر فنی امکان‌پذیر است، اما اختلاط طولانی مدت توصیه نمی‌شود. سیستم های مختلط کنترل دما را پیچیده می کند و بهینه سازی طیف یکنواخت را دشوار می کند.

شواهد قطعی است: با افزایش مساحت گلخانه، مزایای چراغ های گیاهی LED ضعیف نمی شود، بلکه شتاب می گیرد. اثر صرفه جویی در انرژی با تعداد لامپ ها به صورت خطی افزایش می یابد، هزینه مدیریت حرارتی به میزان قابل توجهی نسبت به عملکرد کاهش می یابد، روشنایی یکنواخت ثبات محصول را بهبود می بخشد، و سیستم روشنایی هوشمند گلخانه کارایی عملیاتی را آزاد می کند که در مقیاس کوچک قابل دستیابی نیست.

برای تولیدکنندگانی که قصد دارند-تاسیسات صرفه جویی در انرژی تجاری-در مقیاس بزرگ بسازند یا گلخانه های موجود را گسترش دهند، مزیت سرمایه گذاری LED دقیقاً در مناطقی که بیشترین سرمایه گذاری را دارند منعکس می شود. داده ها از اقدام قاطع پشتیبانی می کنند.

اگر سیستم‌های LED را برای پروژه‌های گلخانه‌ای تجاری یا در مقیاس بزرگ ارزیابی می‌کنید، توصیه می‌شود با یک متخصص خبره روشنایی باغبانی مشورت کنید و شبیه‌سازی فتومتریک را برای طرح‌بندی‌های خاص درخواست کنید. برای ایجاد ارزش بالاتر برای هر متر مربع، چراغ های گیاهی تجاری مناسب را انتخاب کنید.

منابع و منابع مرجع
تحقیقات Grand View - گزارش تحلیل اندازه بازار، سهم و روندهای روشنایی باغبانی (2024–2033)

گزارش https://www.grandviewresearch.com/industry-تجزیه و تحلیل/بازار باغبانی-روشنایی{4}}بازار-

مرکز تحقیقات روشنایی موسسه پلی تکنیک Rensselaer - تجزیه و تحلیل دوره بازگشت LED برای تأسیسات باغبانی

https://www.lrc.rpi.edu/

مجله مهندسی بیوسیستم - صرفه جویی در انرژی روشنایی LED در گلخانه های بزرگ هلندی (2021)

DOI: https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2021.04.002