基于植物工廠條件下LED燈源熱環(huán)境分析

王靜 歐福超 南軒 石平平 趙眾 李靖

摘要：為研究人工光型植物工廠中發(fā)光二極管（light emitting diode，簡(jiǎn)稱(chēng)LED）燈源系統(tǒng)對(duì)周?chē)鷾囟拳h(huán)境的影響，基于植物工廠實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有組合燈板相關(guān)參數(shù)，通過(guò)專(zhuān)業(yè)熱環(huán)境分析軟件Icepak對(duì)LED燈源周?chē)鷾囟葓?chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行仿真研究。研究結(jié)果表明，LED燈源周?chē)臏囟葓?chǎng)在點(diǎn)位距離為0～5 cm范圍內(nèi)呈現(xiàn)較大的變化，大于5 cm時(shí)隨點(diǎn)位距離增加溫度場(chǎng)對(duì)周?chē)臒岘h(huán)境影響則趨于穩(wěn)定。由于原有燈板由不同色光源組成，且排列組合呈不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，導(dǎo)致溫度場(chǎng)呈現(xiàn)向右上端偏移現(xiàn)象。通過(guò)模擬分析得出的一系列現(xiàn)象，可為種植方位選擇提供合理的參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：人工光;植物工廠;LED燈組合;有限元模型;電位距離;溫度場(chǎng);流場(chǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN312+.8;S123 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）10-0240-05

收稿日期：2019-05-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2012BAD40B02）;云南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)計(jì)劃（編號(hào)：20163709）;云南農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金（編號(hào)：2018ZKY141）。

作者簡(jiǎn)介：王 靜（1969—），女，云南曲靖人，碩士，副教授，研究方向?yàn)樗こ碳夹g(shù)與經(jīng)濟(jì)。E-mail：1052164899@qq.com。

通信作者：李 靖，博士，教授，研究方向?yàn)樗Y源及環(huán)境工程。E-mail：119026815@qq.com。

植物工廠是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，是顛覆性農(nóng)業(yè)和土地利用的生產(chǎn)方式，對(duì)解決21世紀(jì)所面臨的農(nóng)業(yè)資源不足和環(huán)境面源污染問(wèn)題具有重要應(yīng)用價(jià)值[1]。光照是人工光型植物工廠實(shí)現(xiàn)作物高效生產(chǎn)的主要驅(qū)動(dòng)因素，在調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)等方面具有不可或缺的作用。目前，絕大多數(shù)植物工廠所使用的人工光源以熒光燈為主，其能量主要是以熱效應(yīng)的方式傳遞到環(huán)境中，這不僅增加了生產(chǎn)成本，還影響了經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。與傳統(tǒng)熒光燈相比，發(fā)光二極管（light emitting diode，簡(jiǎn)稱(chēng)LED）燈具有電源直接轉(zhuǎn)化為光源、體積小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是植物工廠設(shè)施中優(yōu)選的人工光源[4-5]。

由于LED燈源的自身散熱會(huì)對(duì)其周?chē)鷾囟犬a(chǎn)生一定的影響，且會(huì)使其自身的耐用性受到相應(yīng)的影響，因此本研究將通過(guò)對(duì)植物工廠實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有LED燈源的附近溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，并與按燈源參數(shù)設(shè)計(jì)的有限元模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定LED燈的實(shí)際功率以及周?chē)臏囟葓?chǎng)，進(jìn)而更加深入了解試驗(yàn)過(guò)程中所采用LED燈的實(shí)際工作情況，為智慧植物工廠LED燈板的設(shè)置提供參考依據(jù)[6-11]。

1 散熱原理分析

所有的電子產(chǎn)品都會(huì)面臨一個(gè)很常見(jiàn)且無(wú)法規(guī)避的問(wèn)題——發(fā)熱、高溫，而高溫恰恰又是電子產(chǎn)品的一大克星。小間距LED顯示屏是由一個(gè)個(gè)LED小燈珠組成的，而LED小燈珠的發(fā)熱更是不容忽視的存在，小間距LED的燈珠排列更加緊密，發(fā)熱強(qiáng)度相比于普通LED更加強(qiáng)烈，所以小間距LED的散熱研究就顯得更加重要，那么LED的散熱原理分析將變得極為重要，同時(shí)由于LED距離植物較近，且LED散熱量能夠達(dá)到70%，可能會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生一定的影響，因此研究LED的散熱情況是十分必要的，既能了解其散熱情況對(duì)自身壽命的影響，又能分析對(duì)周?chē)参锏挠绊懀瑐鳠嶂饕裱幕驹砣缦隆?/p>

熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：

q=-k▽T。

式中，k表示熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m·K）;q表示傳導(dǎo)的熱量，J;▽T表示溫度梯度，℃。

對(duì)流一般與流體流動(dòng)耦合在一起，其熱量計(jì)算公式為

q=hΔT。

式中：h表示平均對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）;ΔT表示溫度差，℃。

2 材料與分析

2.1 LED燈板及有限元設(shè)計(jì)模型

植物工廠實(shí)驗(yàn)室中的種植架采用立體層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共分4層，每層間距為35 cm，架長(zhǎng)為 176 cm，寬為60 cm。頂部為L(zhǎng)ED燈源系統(tǒng)，底部為水培植物定植盤(pán)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、圖2。

植物工廠中的LED組合照明系統(tǒng)是植物光合作用的能量源泉，其中LED芯片是整個(gè)LED燈源系統(tǒng)的核心部件，也是產(chǎn)熱部件。LED燈內(nèi)部結(jié)構(gòu)及數(shù)值參數(shù)模型見(jiàn)圖3。

LED芯片所產(chǎn)生的熱量絕大部分以熱傳導(dǎo)的方式依次傳遞至襯底、鋁合金基板、導(dǎo)熱膏、外部散熱器，最終通過(guò)散熱器以對(duì)流及輻射的方式向周?chē)h(huán)境擴(kuò)散，使芯片周?chē)鷾囟冉档停苑罍囟冗^(guò)高燒壞芯片，影響LED燈正常工作。各元件的散熱參數(shù)見(jiàn)表1。

植物工廠中作物的生長(zhǎng)環(huán)境主要依靠空調(diào)系統(tǒng)和LED燈源系統(tǒng)相互配合調(diào)節(jié)，其中空調(diào)提供植物生長(zhǎng)適宜的溫度，LED則提供作物光合作用所需的光照度。而LED燈源系統(tǒng)在提供光照的同時(shí)，也會(huì)散發(fā)一定的熱量來(lái)影響周?chē)沫h(huán)境溫度。本研究在植物工廠實(shí)驗(yàn)室原有LED組合燈板參數(shù)的基礎(chǔ)上，按照 1 ∶ 1 的比例設(shè)計(jì)有限元模型，具體情況見(jiàn)圖4。

3 LED燈實(shí)際參數(shù)的設(shè)定

植物工廠實(shí)驗(yàn)室所采用的LED燈使用壽命約為10年，其產(chǎn)品型號(hào)分別為2 835 Red SMD、2 835 IR SMD、2 835 Warm White SMD和2 835 Purper SMD。具體的參數(shù)見(jiàn)表2。

為了解植物工廠實(shí)驗(yàn)室中LED組合燈板的熱環(huán)境效果，本研究借助專(zhuān)業(yè)的CFD熱分析軟件Icepak來(lái)了解植物工廠實(shí)驗(yàn)室燈板的實(shí)際工作情況。在數(shù)值模擬中，結(jié)合實(shí)測(cè)得到的植物工廠實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)溫度（22.5 ℃），通過(guò)在Icepak程序中設(shè)定相應(yīng)的環(huán)境溫度，并且設(shè)置重力場(chǎng)，保證模型的網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到要求，滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，通過(guò)對(duì)正常工作情況下距離LED燈不同點(diǎn)位的溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其點(diǎn)位距離分別為1、3、5、10、15、30 cm。各點(diǎn)位處溫度場(chǎng)情況見(jiàn)圖5。