Разработка системы светодиодного освещения в птичнике с клеточным содержанием птицы

В настоящее время расширилась область применения твердотельных источников света в сфере АПК. Внедряются системы светодиодного освещения и облучения в тепличных хозяйствах, птичниках и животноводческих помещениях. Уже существует значительный опыт применения светодиодных технологий в сельском хозяйстве. Постепенно возрастает доля их применения для целей освещения, облучения и ряда других задач, использующих уникальные свойства светоизлучающих диодов (СИД).

Современные мощные светодиоды имеют следующие преимущества над другими источниками света:

– высокая световая отдача, до 100…150 лм/Вт (для белых СИД);

– малое энергопотребление и тепловыделение;

– длительный срок службы, до 50…100 тыс. ч;

– высокая механическая прочность, виброустойчивость и надежность;

– работоспособность в широком диапазоне температур (–40 °С…+80 °С);

– низкое питающее напряжение (2…4 В), высокое быстродействие прибора;

– малые размеры СИД, встроенное светораспределение;

– возможность размещения в корпусе нескольких излучающих кристаллов одинаковых или различных цветов свечения, получение красно-зелено-синих RGB-светодиодов и СИД с другим цветовым сочетанием, возможность получения любого цвета излучения;

– экологичность, отсутствие электромагнитных излучений и помех.

Сравнительные данные светоотдачи различных источников света представлены в таблице 1, из которой очевидны преимущества светодиодов. Для белых светодиодов уже достигнута светоотдача 210 лм/Вт, при теоретическом пределе в 320 лм/Вт.

Современные мощные светодиоды применяются почти во всех осветительных приборах и установках.

Светоотдача различных источников света

Таблица 1

Тип источника света	Светоотдача, лм/Вт	Эффективность светильников, лм/Вт	Срок службы, тыс. ч
Обычные лампы накаливания	8…13	7…12	1
Вольфрамовые галогенные	16…22	12…20	2
Компактные флуоресцентные	50…70	40…60	8…12
Индукционные	60…80	45…65	до 100
Металлогалоидные	70…110	55…70	15…20
Натриевые лампы высокого давления	90…130	60…80	12…22
СИД (белого свечения)	100…120	94…112	50…100
Новейшие СИД (белого свечения)	до 210	до 197	до 100

Твердотельные источника света уже прочно заняли позиции во многих областях науки, техники и необходимых нам вещах: светофорах, телевизорах, мобильных телефонах, системах аварийного и общего освещения и других.

Внедряются светодиодные технологии и в сельское хозяйство, где используют их уникальные свойства как монохроматических источников света, перекрывающих весь спектр видимого излучения, области ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов.

Применение светодиодного освещения в теплицах позволяет достаточно просто и эффективно создавать необходимый спектр излучения на разных стадиях развития растений для обеспечения полноценного прохождения фотосинтеза [1, 2]. Светодиоды используются как высокоэффективные источники света для частичного облучения или полной замены дневного света.

Системы светодиодного освещения применяются и в птичниках. До сих пор в них достаточно широко используются лампы накаливания из-за их дешевизны и простоты регулирования светового потока с помощью тиристорных регуляторов напряжения, вследствие чего возникают значительные пульсации светового потока. Стационарным системам освещения с лампами накаливания присущи неравномерность освещения из-за содержания птицы в клетках на разных уровнях, высокое энергопотребление. Требуется регулярное и частое техническое обслуживание, поскольку лампы быстро перегорают, легко бьются. Нередки случаи, когда они взрываются, при этом происходит большой разброс мелкого стекла, очень опасного для птицы.

Более энергоэффективна система освещения с люминесцентными лампами [3]. Электронный ПРА работает на высокой частоте (несколько килогерц, около 8…20 кГц), что сводит на нет негативное влияние пульсаций светового потока ламп. С помощью диммирования освещенность регулируется в широких пределах. При использовании люминесцентных ламп возникают проблемы их утилизации. Существует и неравномерность освещения при данной системе, что плохо сказывается на развитии и здоровье птицы.

В последнее время стали также применять системы светодиодного освещения в птичниках. На рисунке 1 изображены вертикально подвешенные светодиодные светильники, что позволяет повысить равномерность освещенности по ярусам клеточной батареи. Однако загораживание межклеточных проходов затрудняет выполнение некоторых технологических операций, создает трудности передвижению обслуживающего персонала [4].

Существуют более практичные системы светодиодного освещения с индивидуальным освещением клеток светодиодными модулями (рис. 2) или лентами (рис. 3) [5, 6].

а                                            б

Рис. 1. Светодиодная система освещения в птичнике ( а ) с вертикально подвешенными светильниками ( б )

Такие системы светодиодного освещения обладают наибольшей равномерностью освещенности, имеют наибольший КПД, по- скольку источник света находится на ближайшем расстоянии от освещаемой поверхности (кормушки, пола клетки, птицы).

а

б

Рис. 2. Светодиодная система освещения в птичнике ( а ) с индивидуальным освещением клеток светодиодными модулями ( б )

Рис. 3. Светодиодная система освещения в птичнике с индивидуальным освещением клеток светодиодными лентами

При использовании готовых светодиодных модулей и лент (дюралайта) их питание осуществляют от источника регулируемого напряжения 12 В. Часть энергии рассеивается на токоограничительных резисторах. Из-за разброса параметров светодиодов (падения напряжения на них) токи через светоизлучающие кристаллы у отдельных модулей различны, что приводит к неодинаковому их свечению. Этот эффект усиливается со сроком работы. При длительной эксплуатации разность свечения отдельных модулей становится заметной "на глаз". Таким образом, такое питание светодиодов является некорректным и не соответствует требованиям системы освещения в птичнике. Решением данной проблемы является питание светодиодов от источника стабилизированного тока.

Ввиду политики государства в отношении энергосбережения стала задача замены ламп накаливания другими источниками света в ближайшие 3 года, поэтому разработка, внедрение и осваивание светодиодных технологий освещения птичников является актуальной задачей.

В качестве примера модернизации системы освещения с лампами накаливания рассмотрен птичник на 40000 птиц площадью 1296 м2 (72×18 м), в котором установлены 6 клеточных батарей на 4 яруса. Для освещения используются 175

ламп накаливания мощностью 100 Вт. Регулирование уровнем освещенности осуществляется тиристорным регулятором напряжения (КПД 90%) при средней загрузке 25%. Общее суточное энергопотребление при прерывистом режиме освещения асимметричного типа 2С:4Т:8С:10Т составляет:

P СУТ =175·0,1·(2+8)0,25/0,9=48,61 кВт·ч.

Самым простым решением снижения энергопотребления системы освещения является замена ламп накаливания светодиодными. При этом последние, в отличие от компактных люминесцентных ламп, позволяют регулировать световой поток с помощью тиристорных схем управления напряжения. Однако данной системе будут соответствовать вышеуказанные недостатки: неравномерность освещения, пульсации светового потока, завышенная мощность источников света. Кроме того, мощные светодиодные лампы дороги, их цена в 50…100 раз больше эквивалентной по световому потоку лампы накаливания.

Таким образом, необходима более детальная проработка вопроса реконструкции системы освещения в птичнике на основе современных прогрессивных светодиодных технологий. Одним из решений данной задачи является разработанная система светодиодного освещения с индивидуальным освещением клеток.

VD1...VD100

77 77   77 77  \\ КК КК ЧЧ

Рис. 4. Схема светодиодной системы освещения с питанием от источника стабилизированного тока

В качестве источников света использованы высокоэффективные светодиоды LCW100Z1 фирмы Seoul Semiconductor со светоотдачей до 90 лм/Вт. Светодиод расположен над каждой клеткой в защищенном прозрачном гибком шланге, где также уложены питающие провода. Это обеспечивает герметичность системы и защиту от внешних воздействий. Питание светодиодов осуществляется от источника тока – светодиодного драйвера, к которому подключены 8 цепочек по 100 светодиодов, т.е. все светодиоды клеточной батареи. Управление работой драйверов и световым потоком СИД осуществляется одним блоком управления (рис. 4).

Использованы высоковольтные светодиодные драйверы (рис. 5) импульсной топологии, которые позволяют управлять световым потоком светодиодов посредством ШИМ-регулирования тока. При этом светодиоды работают в оптимальных режимах, что обеспечивает их высокую эффективность и длительный срок службы. Каждый драйвер питает светодиоды одной клеточной батареи через схему токового зеркала.

Управление светодиодной системой освещения осуществляется от микропроцессорного блока управления, который позволяет регулировать режимы и уровень освещения на объекте.

Рис. 5. Высоковольтный светодиодный драйвер

На основании проведенной приблизительной технико-экономической оценки внедрения разработанной системы свето- диодного освещения общая стоимость установки такой системы составляет 120 тыс. руб. (табл. 2).

Таблица 2

Стоимость разработанной светодиодной системы освещения

Элементы	Количество	Цена, руб.	Стоимость, руб.
СИД, шт.	4800	6,2	29760
Печатная плата для СИД, шт.	4800	0,5	2400
Провод сечением 0,2 мм2, м	3072	2	6144
Кабель сечением 3×0,2 мм2, м	864	8	6912
Шланг диаметром 6 мм, м	2880	6	17280
Блок управления + драйверы, шт.	1+6	10000	10000
Автомат дифференциальный, шт.	1	57	57
Монтажный крепеж и прочее			2000
Стоимость монтажа			44732
Всего			119285

Мощность одного светодиода состав-       При КПД светодиодного драйвера ляет                                      80% со средней загрузкой 50% для того же

PСИД=3,5∙0,05=0,175 Вт.           режима освещения суточное электропо требление равно:

P СУТ =4800·0,175·10^–3·(2+8)0,5/0,8=5,25 кВт·ч.

В результате, по сравнению с лампами накаливания, электропотребление разработанной светодиодной системы освещения ниже в 9,3 раза!

Годовой экономический эффект только от снижения электропотребления составит:

ЛН     СИД

ГОД V СУТ ¹ СУТ г' ГОД^Э , где N ГОД =350 сут . – количество дней использования освещения в году;

С Э =5,20 руб . – стоимость 1 кВт·ч.

Э ГОД =(48,61–5,25)350·5,20=78915 руб.

Срок окупаемости предлагаемой светодиодной системы освещения

т

ОК

К ДОП

,

ГОД где КДОП≈119285 руб. – дополнительные капиталовложения.

Т ОК =119285/78915=1,51 года .

Для оценки конкурентоспособности на рынке предлагаемой разработки был произведен сравнительный анализ стоимости различных систем освещения, предлагаемых рядом фирм (табл. 3). Данные взяты из сети Internet для птичников с близкими параметрами.

Таблица 3

Сравнительный анализ стоимости различных систем освещения

Фирма	Система освещения	Стоимость, руб.
ООО "Техносвет групп"	светодиодная система освещения ИСО-1Н "Хамелеон"	350 000
AGROLITE	светодиодная система освещения "АГРОЛАЙТ" КС-01	300 000
Компания "Резерв"	система регулируемого люминесцентного освещения	200 000
Ивелси	люминесцентное освещение	210 000
ЗАО "Элматрон"	люминесцентная система освещения "СИРЕНЬ"	230 000
Предлагаемый вариант	разработанная система светодиодного освещения	120 000

Таким образом, только за счет экономии электроэнергии годовой экономический эффект составит 79 тыс. руб., а срок окупаемости – около 1,5 года. Весь остальной период эксплуатации (5…7 лет) предлагаемая система светодиодного освещения будет приносить прибыль птицефабрике.

Из таблицы 3 видно, что предлагаемый вариант является вполне конкурентоспособным и на его основе можно рекомендовать коммерческие предложения по внедрению разработанной системы освещения на уровне 200…240 тыс. руб.