Разработка системы светодиодного освещения в птичнике с клеточным содержанием птицы

Шабаев Евгений Адимович; Касьянов Алексей Сергеевич

УДК 628.93.97:628.987

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ СВЕТОДИОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ В ПТИЧНИКЕ С КЛЕТОЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ПТИЦЫ

Рассмотрены вопросы модернизации светодиодного освещения. Предложена светодиодная система освещения с индивидуальным освещением клеток, позволяющая сократить электропотребление в 9,3 раза и добиться высоких технико-экономических показателей. Сравнительный анализ показал хорошую конкурентоспособность разработанной системы освещения.

Ключевые слова: система освещения, светодиод, твердотельные источники света, освещение птичника, высоковольтный светодиодный драйвер, импульсный драйвер, управление освещением, энергосбережение.

Questions of modernization of light-emitting diode illumination systems in the hen house are considered. The light-emitting diode system of illumination with individual illumination of cages is offered. This system allows to reduce power consumption in 9,3 times and to achieve high technical and economic indices. The comparative analysis has shown good competitiveness of developed illumination system.

Key words: illumination system, light-emitting diode, solid-state light sources, maintenance of birds, high-voltage light-emitting diode driver, impulsive driver, light control, energy conservation.

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 светодио-дов уже достигнута светоотдача 210 лм/Вт, при теоретическом пределе в 320 лм/Вт.

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

Таблица 1

Светоотдача различных источников света

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]. Свето-диоды 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].

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).

б

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

а

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 све-тодиодов (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: Рсут= 175 0,1 (2+8)0,25/0,9=48,61 кВтч.

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 Л/7 ЛЛ ^

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 светодио-дов 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 прибли- диодного освещения общая стоимость зительной технико-экономической оценки установки такой системы составляет внедрения разработанной системы свето- 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 мм , 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

РСИд=3,5Ю,05=0,175 Вт. режима освещения суточное электропо-

требление равно: Рсу1=4800 0,175 10-3 (2+8)0,5/0,8=5,25 кВтч. В результате, по сравнению с лампа- К

гр _ ДОП

ми накаливания, электропотребление разработанной светодиодной системы освещения ниже в 9,3 раза!

Годовой экономический эффект только от снижения электропотребления составит:

Э =(рлн - РсидС

ЭГОД V СУТ Р СУТ / ^ ГОДСЭ ,

где ЫГод=350 сут. - количество дней использования освещения в году;

СЭ=5,20руб. - стоимость 1 кВт ч.

Эгод=(48,61-5,25)350 5,20=78915 руб.

Срок окупаемости предлагаемой светодиодной системы освещения

ОК

Э

ГОД

где Кдоя~119285 руб. - дополнительные капиталовложения.

Гок=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

локоЫТЕ светодиодная система освещения "АГРОЛАЙТ" КС-01 300 000

Компания "Резерв" система регулируемого люминесцентного освещения 200 000

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

Литература

1. Светодиодная система освещения в теплице [Электронный ресурс] /Режим доступа: www. URL:

http://www.ielektro.ru/news49647/index.html.

2. Мощное светодиодное освещение Фокус [Электронный ресурс] /Режим дос-

тупа: www. URL:

http://www.ecosof.ru/prod2704.html.

3. Система освещения с люминесцентными лампами [Электронный ресурс] /Режим доступа: www. URL: http://poultrylight.ru/.

4. Светодиодное освещение птичников [Электронный ресурс] /Режим доступа: www. URL:

http://www.ivelsy.ru/blog/company /company_7.html?back=/.

5. Внедрение ИСО "Хамелеон" на птицефабрике "Чебаркульская птица" [Электронный ресурс] /Режим доступа: www. URL: http://www.ntp-ts.ru /news/2010_10_08/2/.

6. Системы освещения для птицеводства [Электронный ресурс] /Режим доступа: www. URL: http://poultrylight.ru/.

Сведения об авторах

Шабаев Евгений Адимович - канд. техн. наук, доцент кафедры эксплуатации энергетического оборудования и электрических машин Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел.: 8-928-769-38-93. E-mail: [email protected].

Касьянов Алексей Сергеевич - аспирант кафедры эксплуатации энергетического оборудования и электрических машин Азово-Черноморской государственной агроинже-нерной академии (г. Зерноград). Тел.: 8-928-145-11-07. E-mail: [email protected].

Information about the authors

Shabaev Yevgenyi Adamovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the оperation of the power equipment and electric-engines department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8-928-769-38-93. E-mail: [email protected].

Kasiyanov Alexei Sergeevich - post-graduate student of the оperation of the power equipment and electric-engines department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8-928-145-11-07. E-mail: [email protected].

УДК 631.172:633.1

РЕГРЕССИОННАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА ВОДЫ

С помощью уравнений регрессии исследована трехмерная модель электродиализа водопроводной воды. Установлено, что из трех выбранных факторов на энергоемкость

Working out of light-emitting diode illumination systems in the hen house with the cellular maintenance of birds

Текст научной работы на тему «Разработка системы светодиодного освещения в птичнике с клеточным содержанием птицы»