Инновационный LED-светодиодный фитосветильник с утилизацией тепла

Введение . Введение. Рынок светотехники растет за счет LED-технологий в сельском хозяйстве. Глобальные тренды энергосбережения стимулируют их внедрение. LED-светильники превосходят газоразрядные по эффективности (светоотдача >120 лм/Вт) и сроку службы (до 50 тыс. ч), но требуют инвестиций в 3–5 раз выше [1].

В России теплицы занимают 2,5 тыс. га. Освещение критично для урожайности: закрытый грунт дает на 20–30% больше продукции благодаря автоматизации и спектральному контролю. Комплексы 2010–2020 гг. используют натриевые лампы (низкая цена, высокая светоотдача ~100–120 лм/Вт), но они энергозатратны. LED-фитосветильники повышают урожай на 30–50%, снижают энергопотребление на 30–50%, но имеют недостатки: высокая цена, вес (конвекционное охлаждение) [2,3].

Материалы и методы . Ключ предлагаемой технологии — жидкостное охлаждение светильника с утилизацией тепла для подогрева грунта в средней полосе и на севере (9 мес. отопления). Принципиальным отличием данной технологии является использование светильников с жидкостным охлаждение и системой утилизации тепла [7, 8] направляемой на подогрев грунта, что очень актуально для средней полосы и северных регионов, где 9 месяцев в году требуется подогрев. Будет актуальным применение в южных регионах где повышенная солнечная радиация приводит к нагреву корпуса светильника, что также негативно воздействует как на электронные компоненты так и конструктивные элементы светильника- герметики пластики

Светодиодный фитосветильник [7, 8] с системой охлаждения и утилизацией тепла, характеризующийся тем, что состоит из светодиодов с радиатором охлаждения и корпуса, циркуляционного насоса для движения теплоносителя по замкнутой циркуляционной системе с патрубком подачи и возвратным патрубком, крепежа, отличающийся тем, что для съема тепла предусмотрен радиатор, соединенный через слой термопасты со светодиодами, тепло от радиатора отводиться через патрубки с теплоносителем, между радиатором и крышкой предусмотрен теплоизоляционный наполнитель, для теплоносителя предусмотрено два контура с переключением трехходовым краном с приводом, первый контур для нагрева рабочего стола и второй контур для нагрева аккумулятора тепла, аккумулятор тепла выполнен с возможностью накопления тепла от теплоносителя через циркуляционные каналы аккумулятора тепла и последующего возврата для обогрева рабочего стола, управление работой светодиодами, циркуляционным насосом, трехходовым краном с приводом, прием данных от датчиков температуры радиатора, датчика температуры рабочего стола, датчика температуры аккумулятора тепла выполняет автоматизированная система диспетчерского управления с возможностью удаленного контроля и управления через модуль беспроводной связи (рис.1, рис. 2).

Рисунок 1 - Схема работы системы фитосветильника с жидкостным охлаждением

Рисунок 2 - Схема конструкции светильника

Рис. 1, 2. Общий вид светодиодного фитосветильника с системой охлаждения и утилизацией тепла, состоит: 1 -светодиоды; 2-радиатор; 3-термопаста; 4-патрубок подачи; 5-возвратный патрубок; 6-датчик температуры; 7-корпус светильника; 8-теплоизоляционный наполнитель ; 9-крепеж; 10-циркуляционный насос; 11-трехходовой кран с приводом; 12-рабочий стол; 13-аккумулятора тепла; 14-циркуляционные каналы рабочего стола, 15-циркуляционные каналы аккумулятора тепла; 16-датчик температуры рабочего стола; 17-датчик температуры аккумулятора тепла; 18-блок интеллектуального диспетчерского управления; 19-модуль беспроводной связи.

Предлагаемый светодиодный фитосветильник с системой охлаждения и утилизацией тепла обеспечивает отвод тепла от светодиодов для увеличения срока их службы и утилизацию тепла для нагрева рабочего стола и аккумулятора тепла представлены на рис.3.

Рисунок 3 - Опытные образцы

Проведенные исследования показали, что 60-80% энергии потребляемой LED-светодиодными светильниками мы забираем в виде тепловой энергии (рис. 4). [4, 5].

В результате исследований зависимости светового потока LED-COB светильников от температуры окружающей среды и температуры источника света выяснилось- при температуре +60 С, световой поток снизился на 25%; при температуре +80 С поток снизился на 50%. Температурная стабилизация светового потока в светильниках [7] позволяет стабилизировать освещенность растений, снизить влияние повышенных температур от перегрева солнечной радиацией, увеличить срок службы источников света и светильников, что позволит значительно снизить эксплуатационные затраты, увеличь межремонтные периоды и срок эксплуатации.

Рисунок 4 - Проведение эксперимента по утилизации тепла и воздействие нагрева грунта

Таблица 1 – Анализ системы

В настоящее время разработаны и изготовлены опытные образцы 50, 100, 150, 300 и 1000 Вт. Опытная эксплуатация моделей проводилась в течении 2023…2025 года. Технические решения позволили обеспечить высокие показатели: качество, надёжность, эффективность (Таблица 1).

Результаты и обсуждения. Отличительной особенностью от традиционных LED-фитосветильников с конвекционным охлаждением, является-малый удельный вес на единицу мощности, снижение себестоимости производства светильников, ремонтопригодность, доступная цена для широкого внедрения LED светильников с жидкостным охлаждением в различный отраслях сельского хозяйства и промышленности (таблица 2).

Таблица 2 – Сравнительный анализ светильников

Выводы . Технологический прорыв применения инновационных LED-светильников «Белогор-31» с утилизацией тепла для подогрева почвенной среды в тепличном хозяйстве обеспечивается за счет цены, снижение веса на 50%, повышение энергоэффективности. Инновационные LED светильники с утилизацией тепла существенно снижают технологическую независимость от зарубежных поставок.