수직 농업을 위한 고{0}}효율 및 고-균일성 LED 식물 성장 램프 설계
추상적인
세계 인구의 급격한 증가와 도시화의 증가로 인해 식량 안보는 전 세계적으로 긴급한 과제가 되었습니다. 제한된 공간과 자원 내에서 작물 수확량과 영양 품질을 향상시키기 위해서는 혁신적인 농업 방법이 시급히 필요합니다. 이 중 통제환경농업(CEA), 특히 수직농업이 유망한 솔루션으로 떠올랐다. 수직 농업 시스템의 중요한 구성 요소는 광합성을 촉진하기 위해 자연광을 대체하거나 보충하는 인공 조명입니다. 발광 다이오드(LED)는 에너지 효율성, 수명, 스펙트럼 조정 가능성 및 낮은 열 복사로 인해 선호되는 광원이 되었습니다. 그러나 다층 수직 농장에서 LED 조명을 효과적으로 배치하려면 높은 광합성 광자 효율뿐만 아니라 식물 캐노피 전체에 걸쳐 광 분포의 뛰어난 공간적 균일성이 필요합니다. 불균일한-조명은 식물의 고르지 못한 성장, 전체 수확량 감소 및 에너지 낭비를 초래할 수 있습니다. 이 기사에서는 새로운 광학 설계에 대해 자세히 설명합니다.LED 식물 성장디지털 라이트 필드(Digital Light Field) 이론을 기반으로 하는 램프는 중앙에 장착된 단일 램프 튜브를 사용하여 재배면에서 매우 균일한 광합성 광자속 밀도(PPFD) 분포를 달성하기 위해 맞춤형 자유형 표면 렌즈를 활용하여 수직 농업의 주요 경제적 및 운영적 과제를 해결합니다.
1. 소개
수직 농업은 종종 건물이나 통제된 환경 내에서 수직으로 쌓인 층으로 작물을 재배하는 농업 생산의 패러다임 변화를 나타냅니다. 이 방법은 토지 이용 효율성을 극대화하고 물 소비를 줄이며 농약 사용을 최소화하고 도시 지역의 지역 식량 생산을 가능하게 합니다. 이 기술의 초석은 성장 환경을 정밀하게 제어하는 것입니다. 조명은 가장 중요하고 에너지 집약적인 요소 중 하나입니다.-
LED-기반 식물 성장램프는 스펙트럼 특이성, 조광성, 방향성 광 출력 등을 포함하여 고압 나트륨(HPS) 램프와 같은{0}}기존 조명에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 수직 농장에서 이러한 램프의 주요 광학 목표는 전체 재배 트레이에 균일한 PPFD(초당 단위 면적당 도착하는 광합성 활성 광자의 수)를 전달하는 것입니다. 높은 균일성을 달성하면 모든 식물의 일관된 성장률과 품질이 보장되어 분류 및 등급 지정의 필요성이 최소화됩니다.
일반적으로 단일 재배면 위에 여러 개의 램프 튜브를-나란히-배치하여 높은 균일성을 추구합니다. 이 다중{3}}램프 접근 방식은 효과적이기는 하지만 몇 가지 단점이 있습니다. 많은 수의 고정 장치로 인한 높은 초기 자본 비용, 대상 영역(특히 가장자리)을 넘어서는 빛 누출로 인한 상당한 에너지 낭비, 유지 관리 복잡성 및 비용 증가 등이 있습니다. 따라서 강력한 대안은 다음을 허용하는 광학 시스템을 설계하는 것입니다.하나의표준 재배 폭(예: 60cm)에 걸쳐 균일한 PPFD 분포를 생성하는 램프 튜브. 이 접근 방식은 다음의 모든 이점을 유지할 것을 약속합니다.LED 조명비용, 에너지 낭비 및 유지 관리 문제를 완화합니다. 이 문서에서는 Digital Light Field 방법론을 통해 설계된 자유형 렌즈를 사용하는 이러한 시스템의 설계, 시뮬레이션 및 실험적 검증을 제시합니다.
2. 방법론: 디지털 라이트 필드 및 광학 설계
2.1 디지털 라이트 필드의 개념
조도 및 광도와 같은 전통적인 광도량은 표면이나 입체각 내의 광속 밀도를 나타냅니다. 평가에는 필수적이지만 광학 표면의 역설계 프로세스에 직접적으로 도움이 되지는 않습니다. 디지털 라이트 필드 이론은 보다 기초적인 프레임워크를 제공합니다. 여기에는 광학 필드 공간을 미세 요소로 분리하는 작업이 포함됩니다. 각 요소는 요소를 통과하는 광원뿔과 해당 요소의 표면 법선 벡터로 특징지어집니다. 전체 광 필드는 비영상 디지털 광 필드 기능(NDLFF)으로 설명됩니다.- 이러한 디지털화는 광학 설계 문제를 자유형 렌즈와 같은 하나 이상의 광학 표면을 사용하여 대상 표면의 NDLFF를 조작하는 문제로 변환합니다. Xingye Optical Technology가 개발한 이 방법은 조사량과 강도 분포를 정밀하게 제어할 수 있어 복잡한 조명 설계 작업에 특히 적합합니다.
2.2 소스, 레이아웃 및 대상 배포 최적화
디자인 프로세스는 광원과 대상을 정의하는 것부터 시작됩니다. 선택한 소스는 고전력- 3535 패키지입니다.주도의돔렌즈로. 일반적인 재배 선반의 경우 대상은 램프 아래 30cm에 위치한 평면이며 너비는 60cm를 약간 초과합니다. 램프 튜브는 단일 행에 48mm 간격으로 배치된 25개의 LED로 구성되어 총 길이가 1.2m입니다.
중요한 단계는 최적의 PPFD 분포를 결정하는 것입니다.하나의LED-렌즈 조합이 대상면에 생성되어야 합니다. 각 LED가 단순하고 회전 대칭인 균일한 지점을 생성하는 경우 선형 배열에서 이러한 지점 25개가 중첩되면 중첩으로 인해 "중앙은 밝고 가장자리는 어두운" 분포가 발생합니다. 따라서 이상적인 단일{4}}LED 분포는 이를 보상해야 합니다. 복잡한 분석 솔루션 대신 MATLAB을 사용하여 수치 최적화 접근 방식을 사용했습니다.
단일-LED PPFD 분포는 정규화된 회전 대칭 함수 P(r)로 모델링되었습니다. 여기서 r은 스폿 중심으로부터의 반경 거리입니다. 목표 영역을 이산화하고 P(r)을 최적화 변수로 처리했습니다. 최적화 목표는 고정된 위치에 25개의 LED를 중첩함으로써 발생하는 총 PPFD 분포의 변동을 최소화하는 것이었습니다. 원본 논문의 그림 3에 표시된 최적화 결과는 단일 LED에 대해 반-직관적인 "어두운 중앙, 밝은 주변" 분포를 나타냅니다. 이 독특한 분포는 여러 개의 LED 스폿이 겹칠 때 서로의 조도가 낮은 영역을 채우고 재배 평면에서 매우 균일한 전체 분포를 만들어냅니다.
2.3 "2차 소스 표면 방법"을 통한 자유-형태 렌즈 디자인
위에 설명된 최적화된 PPFD 분포를 달성하기 위해 자유형 렌즈가-설계되었습니다. 기존의 구면 렌즈에는 이러한 정밀한 제어를 위한 자유도가 부족합니다. 이 설계에는 Xingye Optics의 "2차 광원 표면 방법"이 사용되었습니다. 이 기술은 확장된 광원을 점 광원으로 단순화하지 않고 직접 작동하는 디지털 라이트 필드 이론에 기반을 두고 있어 소형 광학 시스템에서도 높은 정확도를 보장합니다.
설계된 렌즈는 광선의 방향을 세심하게 바꾸는 매끄럽고 -회전 대칭이 아닌 자유로운 형태의-표면을 특징으로 합니다. 그림 4/5에서 볼 수 있듯이, LED의 주요 광선은 다양한 각도에서 굴절되며, 더 높은 밀도의 광선은 더 큰 각도로 향하여 단일 -LED 스폿에 필요한 밝은 외부 링을 생성합니다. 그런 다음 엄격한 분석을 위해 렌즈 모델을 광학 시뮬레이션 소프트웨어(예: LightTools)로 가져왔습니다.
3. 결과 및 분석
3.1 단일 LED-렌즈 시뮬레이션
LED 모델과 쌍을 이루는 설계된 렌즈에 대해 Monte Carlo 방법을 이용한 광선{0}}추적 시뮬레이션을 수행했습니다. 대상 평면의 결과 PPFD 분포(그림 5)는 섹션 2.2의 이론적으로 최적화된 대상 분포와 탁월한 일치를 보여 설계의 타당성을 확인했습니다.
3.2 전체 램프 튜브 성능
전체 1.2m 램프 튜브를 시뮬레이션하기 위해 48mm 간격으로 배치된 25개의 LED-렌즈 장치 배열을 모델링했습니다. 30cm 아래 재배면의 시뮬레이션된 PPFD 분포는 그림 6에 나와 있습니다. 결과는 가장자리에서 날카로운 컷오프와 함께 넓고 매우 균일한 조명 필드를 보여줍니다. 너비는 60cm의 대상 선반을 편안하게 덮습니다. 결정적으로 계산된 이론적 에너지 활용률(선반의 PPF를 LED에서 방출되는 총 PPF로 나눈 값)이 92%를 초과합니다. 이는 LED에서 생성된 광합성 활성 광자의 92% 이상이 식물 캐노피에 직접 전달되어 기존 설계에 비해 유출 및 에너지 낭비를 대폭 줄인다는 것을 나타냅니다.
3.3 확장 설정을 위한 확장성
실제 수직 농장에서는 재배 선반이 긴 줄로 -끝에서 끝까지{1}} 배열되는 경우가 많습니다. 단일 램프의 시뮬레이션된 PPFD 분포는 약간 가늘어지는 끝을 보여줍니다. 두 개 이상의 램프를 끝-대-배치하면 해당 PPFD 분포가 이러한 전환 영역에서 겹쳐지고 서로 보완됩니다. 두 개의 연결된 램프의 시뮬레이션(그림 7)을 통해 겹치는 영역이 균일성을 향상시켜 확장된 세로 영역에 걸쳐 균일하고 균일한 광 필드를 생성한다는 것을 확인했습니다.
3.4 실험적 프로토타입 및 검증
성형된 자유형 렌즈, 알루미늄 압출 방열판 및 엔드 캡을 포함하여 설계를 기반으로 프로토타입 램프를 제작했습니다.{0}} 프로토타입 사진과 조명 지점(그림 8)은 시뮬레이션된 넓고 균일한 조명 패턴을 시각적으로 확증합니다.
실험적 측정을 통해 강력한 성능 지표가 나왔습니다.
고효율:시스템 효율성은 92%를 초과했으며, 소스의 광합성 광자 중 86% 이상이 재배면에 입사했습니다.
높은 균일성:대상 평면의 최소 PPFD 대 평균 PPFD 비율은 82%보다 높았으며, 이는 일관된 식물 성장에 중요한 탁월한 공간 균일성을 나타냅니다.
4. 논의 및 결론
이러한 높은-효율성, 높은{1}}균일성의 설계 및 구현LED 식물 성장램프는 수직 농업의 몇 가지 주요 문제점을 해결합니다.
비용 절감:선반당 단일 중앙 램프 튜브로 균일한 적용 범위를 가능하게 함으로써 재배 레이어당 필요한 설비 수를 크게 줄이고 초기 자본 지출(CapEx)과 지속적인 유지 관리 비용을 낮춥니다.
에너지 절약: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92%의 에너지 활용률은 전력 소비 및 운영 비용(OpEx) 절감으로 직접적으로 이어집니다.
향상된 작물 품질:높은 PPFD 균일성은 모든 식물이 동일한 수준의 조명을 받도록 보장하여 일관된 성장, 성숙 및 품질을 촉진합니다. 이렇게 하면 수확량 변동성과 그에 따른 노동 집약적인 분류의 필요성이-줄어듭니다.
운영 단순성:중앙에 위치한 단일 램프는 여러 개의 고정 장치에 비해 설치, 청소 및 서비스가 더 쉬워 농장 관리가 단순화됩니다.
이 작업은 고급 광학 설계 원리, 특히 디지털 광장 이론과 자유 형태 표면 제조를 농업 기술 과제에 강력하게 적용하는 방법을 보여줍니다. "2차 광원 표면 방법"은 확장된 범위에 맞춰진 소형 고성능 렌즈를 설계하는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다.{2}}LED 소스. 결과적으로 생성된 식물 성장 램프 시스템은 선형 LED 어레이의 광 출력을 매우 균일한 필드에 중첩되는 넓은 박쥐날개와 같은 분포로 성공적으로 변환합니다.
결론적으로 디지털 광학 설계와 LED 기술의 통합은 차세대 정밀 농업 조명을 위한 길을 열어줍니다. 여기에 제시된 램프 디자인은 높은 광자 전달 효율성, 우수한 공간 균일성 및 경제적 이점을 결합하여 수직 농장을 위한 강력한 솔루션을 제공합니다. 향후 작업에서는 이 방법론을 다양한 선반 치수에 적용하고, 특정 작물에 대한 스펙트럼을 최적화하고, 동적 조명 레시피를 위한 스마트 제어를 추가로 통합하여 궁극적으로 보다 지속 가능하고 생산적인 도시 농업 시스템에 기여하는 방법을 모색할 수 있습니다.
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