Optimering av LED-belysningsdesign för inomhusodling

Inomhusodlingsbranschen utnyttjar allt mer de många fördelarna med LED-belysning och av god anledning. LED-lampor är små och lätta och håller minst 10 gånger längre än någon annan ljuskälla, har minimal strömförbrukning, är mycket effektiva, kan producera olika spektrumvåglängder och är kompatibla med digitala styrsystem. Dock är det en komplex aktivitet att designa och optimera prestanda hos LED-belysningssystem och kräver många fler mätmetoder än de relativt enkla föregångarna som högtrycksnatriumlampor (HPS).

Den här artikeln beskriver LED-lampornas roll för inomhusodling, diskuterar de utmatningar de för med sig och ger rekommendationer för deras användning. Längs vägen ges exempel på LED-lampor och förknippade komponenter för inomhusodlingstillämpningar från företag som OSRAM, Luminous Devices, Würth Elektronik, ams, RayVio och Microchip Technology. Den avslutas med en genomgång av de senaste utvecklingarna i användningen av UV-spektrumet samt andra krav för att optimera LED-belysningssystem.

Det växande LED-odlingsekosystemet

Övergången från HPS och andra ljuskällor till LED-lampor för inomhusodling har möjliggjorts genom den stora skalan hos konsumentbelysningsmarknaden som har givit incitament att utveckla branschen snabbare. Det har fått till följd att variationen, prestandan, tillförlitligheten och kostnaden för LED-lampor har förbättrats dramatiskt på senare år. Till exempel är OSRAM modell GH CS8PM1.24-4T2U-1 centrerad på spektrumet från 646 till 666 nanometer (nm) (röd), har en strålningseffekt på 425 milliwatt (mW) med en effektivitet på 59 % och en strålningsvinkel på 80˚.

Luminous Devices modell SST-10-B centreras på en våglängd på 450 nm (blå) och levererar en minimal strålningseffekt på 510 mW med en effektivitet på 57 %. Strålningsvinkeln kan specificeras som antingen 90° eller 130°. Würth Elektroniks odlings-LED-lampor inkluderar modell 150353GS74500 525 nm (grön) enhet som har en betraktningsvinkel på 125˚. Dessa tillverkare och andra erbjuder även LED-lampor med andra våglängder för inomhusodlingar som täcker hela spektrumet som krävs för odling (figur 1).

Figur 1: absorptionsspektra för pigment som används för fotosyntes sprids brett i det synliga spektrumet från cirka 400 till 700 nm. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Odlingsanläggningar inomhus täcker flera vetenskapliga områden, från botanik till växt- och marklära, växtodling och nu elektroniska övervaknings- och reglersystem. Att införa en ny ljuskälla i den här miljön är både utmanande och belönande eftersom nya upptäckter görs i hög takt. Under de optimala förhållanden som kan uppnås inomhus med LED-belysning kan verkligen otroliga resultat uppnås.

Ett ofta citerat exempel är Mirais vertikala salladsodling i den japanska staden Tagajo (figur 2). Den här anläggningen på 25 000 ft² som finns i renrummen i en tidigare Sony-tillverkningsanläggning, har skördat tusentals salladshuvuden och andra växter per dag sedan 2015. Den uppnår detta med 17 500 LED-lampor utan att använda bekämpningsmedel, med 1/50 av vattenförbrukningen och 40 % mindre livsmedelsspill, i en bakteriefri miljö.

Figur 2: Mirais vertikala odling är den näst största i världen och en av de första som kunde tas i drift. (Bildkälla: National Geographic)

Med mångsidighet kommer utmaningar

LED-lampornas mångsidighet, en av deras unika och största fördelar vid inomhusodling, gör det ironiskt nog samtidigt mer komplicerat att implementera en LED-baserad inomhusodling. Till exempel är de dimbara, så deras drivkretsar måste ha den här kapaciteten. At uppnå planspecifika våglängder kräver dessutom kunskap om LED-lampornas mer komplexa specifikationer.

Som solid-state-enheter kräver LED-lampor uppmärksamhet för faktorer som inte krävs med en glödlampa som tillförlitligt och snabbverkande överbelastningsskydd och precis matchning av dioden med reglerkretsen bland annat. Som tur är har den snabba ökningen av odlingen, särskilt vertikal odling, har givit tillverkarna av belysningskomponenter incitament att utveckla hela ekosystem för den här tillämpningen, inklusive referensdesigner, utvärderingskort och teknisk litteratur från grundläggande till avancerad nivå som underlättar konstruktörernas arbete.

En vanlig missuppfattning bland odlare är att LED-lampor avger mindre värme än HPS-armaturer, men det stämmer bara om LED-armaturen drivs med lägre effekt. Det innebär att en LED-armatur på 600 watt och en HPS-armatur på 600 watt avger i stort sett samma mängd värme. Skillnaden mellan de båda är hur mycket ljusenergi som avges och hur värmen strålar ut från armaturen.

Värme från HPS-ljuskällorna kan nå 800 °F och strålar mot grödan, medan värmen i LED-lamporna befinner sig där dioden och dess elektronik monteras på kretskortet och inte fokuseras på plantan. Det är en av de viktigare anledningarna till att LED-lampor är överlägsna HPS för vertikal odling eftersom de kan placeras mycket nära plantorna utan att orsaka skador på dem.

Det logiska valet utifrån diskussionen ovan är att välja LED-lampor med lägre effekt och för flerlagertillämpningar på nära håll är det normalt fallet. Dock har de flesta lågeffekt-LED-lampor en fast strålningsvinkel medan högeffekt-LED-lampor finns med strålningsvinklar i steg från 80 till 150 grader. Dessutom krävs många fler lågeffekt-LED-lampor för att matcha prestandan hos en högeffekt-LED. Högeffekt-LED-lampor passar ofta bäst för tillämpningar i trädkronor där deras större uteffekt kan ge större täckning på avstånd.

Dock finns värmen som genereras av LED-armaturen kvar och måste avlägsnas snabbt från kortet genom ett värmehanteringssystem, annars sjunker LED-lampornas livslängd betydligt och fullständiga haverier är inte ovanloga. De huvudsakliga kylmetoderna är passiva armaturer med kylare och aktivt kylda armaturer med fläktar eller vatten. De senare typerna förbrukar energi och som mekaniska enheter kan de gå sönder, vilket leder till LED-överhettning.

Optimering av driftlivslängd

LED-lampor har normalt en tillverkarspecificerad livslängd på minst 20 000 timmar och ofta upp till 50 000 timmar med slutet på livslängden definierat som en minskning på 70 % av ljusstyrkan från ursprungsvärdet. Målet för LED-belysningssystemets konstruktör är att säkerställa att LED-lamporna uppnår sin specificerade samtidigt som de behåller högsta möjliga uteffekt över tid genom att stabilisera deras ingångsspänning och ström. Det är strömförsörjningens uppgift, i synnerhet LED-drivkretsen som kontinuerligt hämtar data från temperaturgivare och utför korrigeringar för att hålla optimal prestanda. För att komplettera dessa funktioner är det önskvärt att mäta ljuskällornas ljusstyrka i realtid och återigen skicka informationen till drivkretsen. Spektralsensorer är det mest kostnadseffektiva och minst komplexa sättet att uppnå detta.

Till exempel har ams en familj av spektralsensorer som mäter den verkliga spektralprofilen för LED-lampor i realtid och direkt styr en LED-drivkrets för att justera utdata tills de matchar de specificerade målvärdena för kromaticitet och intensitet. Modell AS7263-BLGT har sex oberoende optiska filter vars spektrumsvar anpassas till ett intervall från 600 till 870 nm (figur 3) medan AS7262-BLGT täcker 450 till 650 nm. Tillsammans ger de förmågan att övervaka individuella LED-lampor exakt i en armatur eller direkt på anläggningsnivån. Kommunikation sker med textbaserade meddelanden via UART eller I²C. Sammantaget tillåter dessa sensorer tillsammans med andra funktioner optimering av LED-livslängder samtidigt som det är möjligt med trendanalyser och andra analysfunktioner.

Figur 3: Ljussensorn AS7263-BLGT är känslig för våglängder mellan 450 och 650 nm. Det är en i en familj av spektralsensorer som mäter den verkliga spektralprofilen för LED-lampor i realtid och direkt styr en LED-drivkrets för att justera utdata tills de matchar de specificerade målvärdena för kromaticitet och intensitet. (Bildkälla: ams)

Kretsskydd

De flesta tillämpningar kräver att LED-trådarna matas av en strömförsörjning med konstant ström och att konstruera detta i långa trådar kan vara utmanande. Kretsskyddet bygger på flera komponenter i reglersystemet eftersom hela reglerkretsen från LED-lampan till de passiva och aktiva komponenterna måste syddas mot transientspänningar. Den primära överspänningsskyddsenheten är en metalloxidvaristor (MOV) som sitter på AC-ingången som tillhandahåller en hög nivå av transientspänningshämning samt minskar belastning från ringvågeffekter. Den absorberar potentiellt skadlig energi och avleder den som värme, vilket hjälper till att skydda komponenterna. En LED-tråddrivkrets inkluderar generellt även ett motstånd med positiv temperaturkoefficient (PTC) som skyddar LED-lamporna mot överström och övertemperatur samt en parallell transientspänningshämmande (TVS) diod för överspänningsskydd. Ledningens likriktarkrets ska inkludera en högspännings-DC-säkring på utgången för sekundärt skydd. Det rekommenderas även att lägga till en återställbar säkring som seriekopplas med LED-lampan för att hindra termisk instabilitet.

En annan övervägning är att inomhusodlingen normalt kräver relativt höga omgivningstemperaturer och hög luftfuktighet för att bidra till att plantorna växer, så belysningssystemet måste kunna arbeta i den här miljön. Dessutom, till skillnad mot armaturer som används i andra tillämpningar som är på en plats under hela sin livslängd utformas de i vertikala odlingar för att höjas, sänkas eller omplaceras för att optimera tillväxt hos plantorna. Det påverkar deras kabelkrav vilket anges i UL 8000.

Drivkretsöverväganden

Det finns två huvudtyper av drivkretsar: sådana som använder lågspännings-DC-ingångskrav och sådana som använder högspännings-AC-effekt. Till exempel är Microchip Technology CL88030-E/MF utformad för att driva en lång tråd med lågström-LED-lampor direkt från 120, 230 eller 277 V_AC. En typisk tillämpning inkluderar drivkretsens kretskort, fyra ström-FET:er, fyra motstånd, två kondensatorer och en brygglikriktare. Övertemperaturskydd tillhandahålls för att gradvis minska ljusutmatningen med ökningar i temperatur tillsammans med ledningsreglering. Ytterligare övertemperaturskydd kan implementeras med en NTC-termistor (figur 4).

Figur 4: En tillämpningskrets för Microchip Technology modell CL88030-E/MF sekventiell linjär drivkrets visar enheten tillsammans med en skyddskrets som använder en MOV. (Bildkälla: Microchip Technology)

Antalet LED-lampor som kan seriekopplas beror på drivkretsen, ingångsspänning samt elektriska bestämmelser och säkerhetsstandarder. Att placera LED-lampor i en seriekrets utnyttjar behovet av att använda en enda drivkrets med jämnt strömflöde genom varje LED. Dock ger det hög utgångsspänning och därför större kretskomponenter samt möjligen behov av att ta hänsyn till ytterligare säkerhetsstandarder.

En serie-parallellmatris har lägre ingångsspänning och minskar risken för elstötar. Om en LED-krets går sönder fortsätter de andra kretsarna att fungera och en trasig LED-lampa får inte hela matrisen att sluta fingera. Dock är drivkretsen en konstant strömkälla, så den tvingar in mer ström i driftenheterna med möjlig överhettning som resultat. Serie-parallellmatrisen tillåter inte heller att LED-lamporna delar drivströmmen lika om inte LED-framspänningarna är mycket lika.

Ett svar på några av dessa problem är att använda drivkretsarna för varje LED-tråd vilket ger högst tillförlitlighet, men lägger till kostnad och ökar storlek. Den här metoden gör att viss ljusutmaning kan realiseras även om det blir fel i fler än en LED-tråd.

Frågan om UV-ljus

Diskussioner pågår fortfarande inom universitetsvärlden och industrin om möjligheten att använda LED-lampor i den osynliga ultravioletta B-delen (UV-B) av spektrumet mellan 280 och 385 nm för odling av växter. UV-ljus har normalt ansetts vara av mindre intresse för inomhusodling eftersom det ligger utanför fotosyntesaktiva våglängder. Därför utfördes minimal forskning på området fram till för 15 år sedan.

En annan faktor som begränsar intresset i den här delen av spektrumet är säkerhet: UV-B-fotoner är kända för att orsaka cellskador hos människor och växter. Belysningstillvekarna vidtar omfattande åtgärder för att dramatiskt minska UV-ljuset som deras enheter avger. Att använda UV i inomhusodling skulle kräva omfattande skyddsåtgärder för alla som arbetar inom avskärmningen.

Vad som har väckt intresset inom vertikalodlingsbranschen samt inom jordbruket i allmänhet är växternas reaktion på UV-B-ljus, som får växterna att aktivera sina försvarsmekanismer för att skydda sig mot dessa våglängder. Studier visar att vissa växter kan producera 15 olika skyddsproteiner när de utsätts för UV-B. Vissa av dessa proteiner påverkar en växts lukt, färg, smak och motståndskraft mot sjukdomar vilket andra våglängder inte kan.

Djupare insikter inom det här kontroversiella området kom när den UV-B-specifika fotoreceptorn (UVR8) upptäcktes under tidigt 2000-tal och beskrevs 2011. Mekanismerna för hur UVR8 reglerar genuttrycken är inte helt klara och inte heller hur UVR8-banan fungerar samt hur den interagerar med andra banor under andra fotoreceptorers kontroll.

Oavsett detta har potentiella fördelar med UV-B-ljus noterats i litteraturen, från minskad skottillväxt, ökad bladtjocklek och vaxighet, starkare bladfärg i röd bladsallad och några andra växter, hög motståndskraft mot patogener och insekter, fördubblad hållbarhet, ökad produktion av antioxidanter och flavonoider samt ökat näringsvärde hos frukt och grönsaker.

Omfattande forskning krävs för att avgöra om den stora mängden påstådda fördelar är verkliga och om användningen av UV-B-belysning för inomhusodling är värd den betydande investeringen i tid, utrustning och utbildning för att säkerställa att säkerheten hålls. Fram till dess finns UV LED-lampor för andra tillämpningar, som RayVio modell RVXR-280-SB-073105 UV LED-styrbord med spektrumvåglängd på 280 nm.

Slutsats

Den flexibilitet LED-lampor ger medför utmaningar som överträffar dem som anläggningar med relativt enkla ljuskällor som HPS ställs inför. Dock är möjligheten mycket attraktiv att kunna odla fler plantor utan behov av kemikalier och mycket mindre jord (eller ingen), samtidigt som grönsakers näringsvärde kan ökas och växters blomning förbättras. Som ett resultat förenklar belysnings- och halvledarkomponentbranschen tillämpningen av LED-belysning med välstödda lösningar samtidigt som tekniken förbättras.