Đèn LED công suất cao cho môi trường canh tác trong nhà hoàn toàn kín

High Power LED Grow Lights for Sole-source Indoor Farms là loại đèn LED công suất cao được thiết kế để cung cấp ánh sáng duy nhất cho cây trồng trong môi trường canh tác trong nhà hoàn toàn kín (sole-source indoor farms). Những đèn này đóng vai trò thay thế hoàn toàn ánh sáng tự nhiên, tạo điều kiện tối ưu cho cây trồng phát triển trong không gian không có ánh sáng mặt trời.

Đèn LED trồng trọt công suất cao được sử dụng để trồng cây trong các trang trại thương mại trong nhà, nơi cây thường được trồng thành một lớp duy nhất trên sàn dưới ánh sáng trên cường độ cao mà không có ánh sáng mặt trời. Cùng với sự quan tâm ngày càng tăng của ngành công nghiệp đối với việc trồng các loại cây trồng có giá trị cao cũng như nhu cầu của người tiêu dùng về thực phẩm tươi hơn, lành mạnh hơn, ngon hơn và bền vững hơn, canh tác trong nhà đã đạt được sức hút nghiêm trọng và đang chứng kiến sự chấp nhận đáng kể trên toàn cầu. Các trang trại trong nhà có nguồn duy nhất cung cấp một môi trường tăng trưởng hoàn toàn được kiểm soát, nơi ánh sáng nhân tạo là nguồn chiếu xạ duy nhất và người trồng có thể kiểm soát tốt hơn nhiệt độ, độ ẩm, CO2, nước, chất dinh dưỡng, độ pH và các yếu tố khác ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng. Các trang trại trong nhà cũng bao gồm các trang trại thẳng đứng. Các cơ sở trồng trọt trong nhà này được thiết kế để sản xuất cây trồng nhiều lớp. Các trang trại duy nhất cường độ cao được sử dụng để trồng các loại cây trồng cao hơn với chiều cao cây vượt quá khả năng của hệ thống giá đỡ. Những loại cây này bao gồm cà chua, ớt, dưa chuột và hoa hồng. Tuy nhiên, ở Bắc Mỹ, loại cây trồng nhiều nhất được tìm thấy trong các trang trại có nguồn duy nhất cường độ cao là cần sa.

 

Các trang trại trong nhà có nguồn duy nhất cường độ cao tách biệt ảnh hưởng của ánh sáng ban ngày tự nhiên đối với sự phát triển của cây trồng và chỉ dựa vào ánh sáng điện để điều phối và điều khiển các giai đoạn sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Hệ thống chiếu sáng làm vườn trong nhà phải cung cấp một lượng bức xạ thích hợp ở các bước sóng hữu ích cho các loài thực vật cụ thể đang được trồng. Là một trong những yếu tố môi trường quan trọng, ánh sáng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của cây trong suốt cuộc đời của chúng từ khi nảy mầm, sinh trưởng sinh dưỡng, cho đến khi ra hoa và năng suất. Ảnh hưởng của ánh sáng đối với thực vật là một hàm của chất lượng (quang phổ), số lượng (cường độ) và thời gian (chu kỳ ánh sáng). Chất lượng ánh sáng đề cập đến hiệu quả của phân phối công suất quang phổ (SPD) của nó trong việc kích thích chất diệp lục để thúc đẩy quá trình quang hợp và định hướng sự phát triển và hình thái của thực vật. Sự phát triển của cây được xác định mạnh mẽ bởi tổng số photon trong phạm vi bước sóng hoạt động quang hợp (400 nm đến 700 nm). Lượng bức xạ hoạt động quang hợp (PAR) thực sự đến nhà máy được đánh giá bằng cách sử dụng hai biến: mật độ thông lượng photon quang hợp (PPFD) và tích phân ánh sáng hàng ngày (DLI). PPFD định lượng bức xạ photon (micromol photon rơi trên một mét vuông mỗi giây). DLI định lượng tổng số photon hoạt động quang hợp mà một cây nhận được trong một ngày. Sinh khối và tốc độ tăng trưởng của thực vật được xác định mạnh mẽ bởi tổng số photon mà nó hấp thụ trong vùng PAR. Cây trồng trong các trang trại trong nhà có cường độ cao có nguồn duy nhất có thể yêu cầu PPFD lên đến 1100 μmol / m2 / s hoặc hơn trong quá trình ra hoa. Quang chu đề cập đến thời gian ánh sáng mà cây nhận được trong một ngày. Nó là một tín hiệu quan trọng được sử dụng bởi một số loài thực vật trong việc bắt đầu chuyển đổi từ tăng trưởng sinh dưỡng sang sinh sản.

 

Công nghệ chiếu sáng đã phát triển vượt bậc trong thập kỷ qua. Trong khi các thiết bị phóng điện cường độ cao (HID), bao gồm natri áp suất cao (HPS) và halogen kim loại gốm (MH), vẫn có sự hiện diện mạnh mẽ trong các trang trại nguồn duy nhất cường độ cao, công nghệ LED hiện đã đạt đến điểm mà các sản phẩm chiếu sáng LED cung cấp chi phí sở hữu thấp hơn đáng kể trong suốt vòng đời của chúng. Hiệu suất photon quang hợp (PPE) của đèn LED đã vượt qua đèn HID tốt nhất trong phân khúc (1,70 μmol / j đối với HPS hai đầu) hơn một lần và vẫn còn nhiều chỗ để cải thiện. Ngoài ra còn có tổn thất quang học cao với các nguồn sáng đa hướng khi chúng được lắp đặt trong bộ đèn. Mặt khác, kích thước nhỏ và hướng quang học của đèn LED cho phép cải thiện khả năng kiểm soát quang học để giảm thiểu tổn thất quang học và phân bố ánh sáng đồng đều cao trên tán cây. SPD của đèn LED có thể được thiết kế chính xác để đảm bảo rằng hiệu quả quang phổ của SPD được phân phối hoàn toàn phù hợp với quang phổ tối ưu cho chức năng của ánh sáng. Hiệu quả phân phối quang học và hiệu quả quang phổ được cải thiện giúp tiết kiệm năng lượng bổ sung đáng kể mà đèn HID. Mặc dù tiết kiệm năng lượng là động lực chính đằng sau việc thúc đẩy chuyển sang chiếu sáng LED, nhưng khả năng kiểm soát quang phổ của đèn LED mở ra tiềm năng sâu rộng để nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng. Thao tác quang phổ cho phép các thụ thể quang khác nhau được kích hoạt có chọn lọc và các phản ứng cụ thể của thực vật được tham gia vào bất kỳ giai đoạn sinh trưởng nào từ hạt giống đến thu hoạch. Kiểm soát động cường độ và thành phần quang phổ cho phép ánh sáng thích ứng với động lực học của các quá trình sinh học ở thực vật.

 

Đèn LED phát triển được sử dụng trong các trang trại thương mại trong nhà một lớp, nguồn duy nhất là các hệ thống công suất cao tiêu thụ từ 400 đến 1000 watt năng lượng điện và cung cấp thông lượng photon quang hợp (PPF) lên đến 3000 μmol / s. Đèn LED phát triển có vô số yếu tố hình thức được tạo ra cho các ứng dụng khác nhau và sự đổi mới thiết kế dường như không có giới hạn. Thiết kế của hệ thống chiếu sáng LED có rất ít điểm chung với các sản phẩm chiếu sáng thông thường vì đèn LED là thiết bị phức tạp có hiệu quả và tuổi thọ phụ thuộc vào thiết kế hoặc hiệu suất của thiết bị điện tử trình điều khiển, hệ thống quản lý nhiệt, hệ thống cơ khí và quang học. Đèn LED phát triển công suất cao có thể là một hệ thống lắp ráp đơn hoặc có thiết kế mô-đun. Bộ đèn lắp ráp đơn lẻ có cấu trúc tích hợp ít nhất là mô-đun LED, tản nhiệt và quang học. Mạch điều khiển / điều khiển được tích hợp vào vỏ đèn hoặc gắn bên ngoài vỏ để cách nhiệt với động cơ ánh sáng và / hoặc dễ bảo trì. Đèn LED phát triển mô-đun bao gồm nhiều cụm đèn với quản lý nhiệt tích hợp và điều khiển quang học. Khả năng mô-đun và có thể mở rộng của nó cung cấp một lượng đáng kể các tùy chọn và tùy chỉnh trong các gói thông lượng photon và phân phối ánh sáng có thể được thực hiện mà không gặp nhiều rắc rối. Vỏ của đèn điện hoặc động cơ LED mô-đun được bảo vệ chống ăn mòn và bịt kín để chịu được các tia nước trực tiếp, bắn tung tóe, độ ẩm cao và hỗ trợ các quy trình vệ sinh quan trọng.

 

Các ứng dụng chiếu sáng nguồn duy nhất (không có ánh sáng mặt trời) đòi hỏi thiết kế quang phổ chu đáo của hệ thống chiếu sáng. Thành phần quang phổ của hệ thống chiếu sáng làm vườn phải ưu tiên cao hiệu quả hấp thụ của các tế bào quang hợp khác nhau có trong các bào quan được gọi là lục lạp, nhưng nó làm như vậy trong bối cảnh giải quyết nhu cầu sinh trưởng và phát triển của toàn bộ cây ở tất cả các giai đoạn sinh trưởng. Đèn LED phát triển công suất cao thường được thiết kế để cung cấp toàn bộ quang phổ để bắt chước ánh sáng mặt trời tự nhiên đồng thời tối ưu hóa thành phần quang phổ để đạt hiệu quả tối đa và loại trừ các photon có hại. Quang phổ sẽ hỗ trợ sự phát triển của cây bằng cách tạo ra các photon có thể được hấp thụ bởi chất diệp lục. Các dải hấp thụ của chất diệp lục A, chiếm khoảng 75% hoạt tính quang hợp của thực vật, đạt đỉnh ở 430 nm và 680 nm. Chất diệp lục B sắc tố phụ mở rộng phạm vi bước sóng có thể được sử dụng để quang hợp có đỉnh hấp thụ ở 460 nm và 640 nm. Sự pha trộn của ánh sáng đỏ và xanh lam nhắm vào vùng PAR nên được trộn theo tỷ lệ thích hợp sao cho nó có lợi nhất cho sự phát triển của cây trồng. Ngoài ra, thực vật có nhiều loại cảm quang làm trung gian cho sự phát triển của thực vật nhưng có bước sóng hấp thụ chồng chéo với bước sóng của chất diệp lục hoặc kéo dài ra bên ngoài vùng PAR. Phản ứng quang hình được trung gian bởi hai dạng phytochrome có thể chuyển đổi lẫn nhau, Pr và Pfr, có đỉnh hấp thụ ở màu đỏ ở độ cao 660 nm và màu đỏ xa ở độ cao 730 nm. Phytochromes đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của cây trồng. Chúng có thể kích thích nhiều quá trình sinh học như thời gian ra hoa, nảy mầm hạt (photoblasty), mở rộng lá, duỗi thẳng móc đỉnh, kéo theo nhịp sinh học, sinh tổng hợp chất diệp lục và hội chứng tránh bóng râm. Tỷ lệ đỏ: đỏ xa (tỷ lệ R: FR) của ánh sáng xác định tỷ lệ giữa phytochrome hoạt động (Pfr) và phytochrome không hoạt động (Pr), từ đó thay đổi quá trình quang hợp ở quy mô của toàn bộ cây. Cryptochromes, điều chỉnh biểu hiện gen và kéo theo nhịp sinh học, hấp thụ bước sóng UVA, xanh lam và xanh lá cây. Phototropin cũng là các thụ thể quang nhạy cảm với màu xanh lam và UVA, kiểm soát một loạt các phản ứng của thực vật bao gồm chuyển động lục lạp, khẩu độ khí khổng (mở và đóng), làm phẳng lá, quang hướng (quá trình thực vật di chuyển để phản ứng với ánh sáng) và ức chế độ giãn dài hypocotyl. Trong môi trường được kiểm soát, cần xem xét tăng cường sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp (flavonoid, terpene, cannabinoid và các chất khác) có thể tăng cường cơ chế bảo vệ hoặc tăng chất lượng cây trồng khi thiết kế các công thức nấu ăn nhẹ.

 

Đèn LED phát triển công suất cao cho các ứng dụng chiếu sáng nguồn duy nhất thường là một hệ thống đa kênh sử dụng đèn LED với các thành phần quang phổ khác nhau. Mỗi kênh LED được điều khiển độc lập hoặc hoạt động với các kênh LED khác để tạo thành một mô-đun có thể điều chỉnh quang phổ. Bức xạ hoạt động quang hợp và ánh sáng nhìn thấy nhắm mục tiêu vào phổ hoạt động của các phản ứng quang sinh học khác được cung cấp bởi đèn LED chuyển đổi phốt pho phổ rộng, đèn LED đơn sắc (đèn LED đỏ, xanh lá cây, xanh lam) hoặc kết hợp cả hai. Đèn điện phải có khả năng tạo ra quang phổ rộng, có thể chấp nhận được về mặt thị giác cho phép đánh giá chính xác chất lượng của cây trồng. Các đèn LED được chế tạo bằng kiến trúc gốm công suất cao hoặc nền tảng gói quy mô chip (CSP). Công nghệ LED công suất cao bằng gốm cho phép tạo ra một đường dẫn nhiệt hiệu quả cao để hút nhiệt từ vùng hoạt động của đèn LED bằng cách gắn chip LED vào chất nền gốm kim loại. Công nghệ CSP loại bỏ việc sử dụng liên kết dây và loại bỏ nhu cầu về khung dây dẫn hoặc chất nền gốm, giúp rút ngắn hơn nữa đường dẫn nhiệt và cải thiện độ tin cậy của thiết bị. Điện trở nhiệt thấp cho phép đèn LED CSP công suất cao được điều khiển ở dòng điện cao hơn nhiều so với các gói thông thường, mà không có nguy cơ mất giá lumen đáng kể hoặc hỏng hóc sớm do quá nhiệt.

 

Với tính mạnh mẽ của thiết kế gói, khả năng của đèn LED hoạt động theo các thông số kỹ thuật liên quan đến độ ổn định màu sắc và duy trì thông lượng photon trong hệ thống đèn LED công suất cao phụ thuộc rất nhiều vào khả năng hút nhiệt ra khỏi mối nối LED của hệ thống và do đó giữ nhiệt độ tiếp giáp dưới giới hạn tối đa có thể chấp nhận được. Năng lượng lãng phí trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành công suất quang được tản trực tiếp dưới dạng nhiệt trong gói LED. Năng lượng nhiệt phải được chiết xuất ra khỏi chip LED thông qua dẫn điện trái ngược với bức xạ như được thấy trong các nguồn HID. Đèn LED hoạt động mà không có thiết kế nhiệt thích hợp có thể làm các gói LED quá nóng và cuối cùng dẫn đến giảm hiệu suất, tuổi thọ ngắn hoặc hỏng thiết bị. Quản lý nhiệt của đèn LED là phần quan trọng nhất của thiết kế hệ thống cho đèn LED phát triển công suất cao có thể tạo ra tải nhiệt hàng trăm watt. Lượng nhiệt có thể được loại bỏ khỏi đèn điện phần lớn phụ thuộc vào thiết kế của đường dẫn nhiệt từ mối nối bán dẫn đến môi trường xung quanh. Để đáp ứng yêu cầu quản lý nhiệt, tất cả các thành phần dọc theo đường dẫn nhiệt phải có độ dẫn nhiệt vật liệu cao và diện tích bề mặt hiệu quả của đường dẫn nhiệt phải được tối đa hóa trong khi chiều dài của đường dẫn nhiệt phải được giảm thiểu. Các đèn LED thường được gắn trên bảng mạch in lõi kim loại (MCPCB) sẽ cung cấp khả năng chịu nhiệt thấp, cho phép tải nhiệt được truyền đến tản nhiệt thông qua đường dẫn nhiệt ngắn nhất có thể. Thiết kế nhiệt cũng nên xem xét việc giảm điện trở nhiệt của các kết nối giữa bo mạch và giao diện giữa bo mạch với tản nhiệt. Tản nhiệt thường được chế tạo từ vật liệu dẫn nhiệt như nhôm đúc, ép đùn hoặc rèn nguội. Nó có diện tích bề mặt lớn cho phép tiếp xúc vật lý đầy đủ với nguồn nhiệt và đồng thời tối đa hóa khả năng tản nhiệt bằng cách đối lưu. Ống dẫn nhiệt cũng có thể được thêm vào tản nhiệt bằng nhôm để tăng tốc độ truyền nhiệt. Làm mát thụ động rõ ràng là lựa chọn đầu tiên hợp lý khi có thể tạo điều kiện trao đổi nhiệt đầy đủ mà không cần làm mát chủ động. Tuy nhiên, khi đường dẫn nhiệt hoạt động đến các giới hạn do đặc tính nhiệt của vật liệu và thiết kế tản nhiệt thụ động, nên sử dụng đối lưu cưỡng bức dựa vào chuyển động của không khí được tạo ra từ nguồn bên ngoài như quạt, quạt gió hoặc máy bay phản lực tổng hợp.

 

Trình điều khiển LED vận hành động cơ LED công suất cao phải mang lại hiệu quả cao với các thông số kỹ thuật mạnh mẽ để bảo vệ chống quá áp, đoản mạch, quá tải, quá nhiệt và các điều kiện hoạt động bất thường khác. Trình điều khiển LED cấp nguồn đường dây được thiết kế cho các ứng dụng nguồn điện AC thường kết hợp các bộ điều chỉnh chuyển mạch để chuyển đổi hiệu quả nguồn điện từ nguồn AC sang tải DC được điều chỉnh hoặc sang một số tải khác nhau, với mỗi tải tương ứng với một đầu ra khác nhau, bất kể bất kỳ biến động nào có thể xảy ra với nguồn AC. Các kiến trúc mạch và cấu trúc liên kết trình điều khiển đa dạng sẽ quyết định hiệu suất và độ tin cậy của trình điều khiển LED. Trình điều khiển LED dựa trên cấu trúc liên kết hai giai đoạn được ưa chuộng nhiều cho các ứng dụng công suất cao do khả năng hoạt động với dải điện áp đầu vào rộng, hiệu suất mạch cao, phạm vi làm mờ rộng và khả năng chống sét lan truyền vốn có. Các mạch trình điều khiển này thực hiện hiệu chỉnh hệ số công suất hoạt động (PFC) để đạt được hệ số công suất cao (PF) và biến dạng hài toàn phần thấp (THD) trên các biến thể rộng của điện áp đường dây. Các ứng dụng chiếu sáng làm vườn toàn phổ thường yêu cầu trình điều khiển cung cấp đầu ra đa kênh, cho phép vận hành song song các kênh LED riêng biệt để linh hoạt trong việc phân phối quang phổ và kiểm soát cường độ. Mạch làm mờ CCR hoặc PWM thường được tích hợp vào trình điều khiển như một phần của chiến lược điều khiển. Thêm khả năng thông minh, cảm biến và giao tiếp vào trình điều khiển LED giúp đèn LED phát triển bối cảnh ánh sáng nhận thức được môi trường trồng trọt và tạo điều kiện tương tác giữa các bộ đèn và các thiết bị được kết nối thông qua mạng có dây hoặc không dây.

Nguồn: Internet