Seralarda led ışık kaynaklı değişken düzeyli tamamlayıcı aydınlatma sisteminin geliştirilmesi üzerine bir araştırma
A research on devoloping led based dynamic supplemental lighting system for greenhouses
Yazar: BARIŞ UZUN
Danışman: PROF. DR. VEDAT DEMİR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tarım Makineleri ve Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Meteoroloji = Meteorology ; Ziraat = Agriculture
Dizin: Fotoperiyodik aydınlatma = Photoperiodic lighting ; Fotosentez = Photosynthesis ; LED ışığı = LED lights ; Yapay aydınlatma = Artificial lighting

Özet:
Bu araştırma kapsamında, seralarda tamamlayıcı aydınlatma uygulamalarında değişken
düzeyli olarak kullanılacak LED ışık kaynaklı bir aydınlatma sisteminin geliştirilmesi
amaçlanmıştır. Yürütülen araştırmada, mavi, kırmızı ve koyu kırmızı renkte yüksek güçlü
LED kullanılarak aydınlatma üniteleri hazırlanmıştır. LED'lerin üç farklı dizilim düzeni
dikkate alınarak her biri aynı özellikte olacak şekilde 2'şer adet, toplamda 6 adet aydınlatma ünitesi tasarlanmıştır. LED ışık kaynaklı aydınlatma ünitelerinin ürettiği Fotosentetik Aktif Radyasyon (FAR) enerjisi ve yatay dağılımı ölçümleri özel olarak hazırlanan karanlık deneme odası içerisinde geliştirilen ölçüm düzeneği ile gerçekleştirilmiştir. Ölçümler, oda zemininde 3×3 m boyutlarında bir yatay düzlem üzerinde 10×10 cm kare ağ yapısındaki noktalardan FAR algılayıcısının otomatik konumlandırılması ile gerçekleştirilmiştir. FAR algılayıcısı ile aydınlatıcılar arası düşey mesafeler 31.6, 50 ve 100 cm olarak dikkate alınmıştır. Aydınlatma sistemi belirlenen her bir asılma yüksekliğinde %70, %80, %90 ve %100 çalışma gücü oranında çalıştırılarak tekil ve çoklu kullanımda tüm asılma düzenleri için FAR değerleri ölçülmüştür. Değerlendirmelerde değişik eş dağılım katsayıları hesaplanmış ve farklı tertip durumları için FAR eş aydınlık eğrileri (ISO-FAR) ortaya konulmuştur.
Araştırma kapsamında LED aydınlatma ünitelerinin tekil ve çoklu olarak yerleşimi durumunda ve tüm çalışma gücü oranlarında en yüksek FAR değerleri 31.6 cm asılma yüksekliğinde elde edilmiştir. Aydınlatma üniteleri çalışma gücü oranları dikkate alınarak incelendiğinde ise 31.6 cm asılma yüksekliğinde ve % 70 çalışma gücü oranında en yüksek 99.5 ile 106.4 μmol·m−2s−1, %100 çalışma gücü oranında ise en yüksek 133.2 ile 138.7 μmol·m−2s−1 FAR enerjisi üretmiştir. Aydınlatma üniteleri, en düşük %70 çalışma gücü oranında 50 - 51 W ve en yüksek % 100 çalışma gücü oranında ise 71 - 72 W aralığında elektriksel güç tüketmiştir. FAR ışıma etkinliği, 31.6 cm asılma yüksekliğinde, % 70 çalışma gücü oranında 1.99 ile 2.09 μmol·m−2s−1/W ve % 100 çalışma gücü oranında 1.88 ile 1.93 μmol·m−2s−1/W olarak belirlenmiştir. LED aydınlatma ünitesi FAR değerlerinin tüm çalışma gücü oranlarında ve tüm asılma yükseklilerinde, en yüksek dağılım düzgünlüğü değerleri 120 cm×120 cm kare yerleşim düzeninde ve 100 cm asılma yüksekliğinde elde edilmiştir. 
Aydınlatma uygulamalarının sürdürülebilirliği için yaprak bölgesine ulaşan güneş radyasyonunun FAR miktarı dikkate alınarak, örtüaltında yetiştirilecek bitkilerin günlük
ihtiyaç duyduğu toplam ek FAR enerjisini değişken düzeylerde kontrol etmek ve tamamlamak amacıyla, aydınlatma sistemine ait kontrol ünitesi tasarlanarak sistemin kontrolü için bir
yazılım geliştirilmiş ve etkin bir şekilde çalıştığı ortay konulmuştur.
Aydınlatma sisteminin, değişik yerleşim düzenleri ve asılma yükseklikleri dikkate alınarak etkin bir şekilde tamamlayıcı uygulamalarında kullanımı için değerlendirmeler yapılmış ve önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
In this study, it is aimed to develop a LED based dynamic supplemental lighting system which could be used as variable rate lighting applications in greenhouses. Six illuminant units were prepared by using high power LEDs which has blue, red and deep red colors for the supplemental lighting system. The LEDs are embedded in printed board circuit (PCB) according to unique three different unit color matrix which has been predesigned for the project. The amount and horizontal distribution of Photosynthetically Active Radiation (PAR) emitted by illuminant units has been carried out by the mechanism which has designed for PAR measurement and located in the dark room. Using dark room measuring mechanism, PAR measurements were performed in a 10×10 cm square node array within a 3×3 m dimensions. The hanging height which is the distance between the PAR sensor and the illuminator units were specified as 31.6, 50 and 100 cm.  Supplemental lighting system was operated at specified working power rate which are 70%, 80%, 90% and 100%.  Experiments were conducted for all hanging heights and working power rates and distribution curves (ISO-PAR) was created. 

The highest PAR values obtained at 31.6 cm hanging height considering single or multiple hanging situations. The highest coefficient uniformity criteria results were provided by the illuminant units at the 120 cm×120 cm square hanging height. The highest PAR values obtained at 31.6 cm hanging height considering single or multiple hanging placement situations. Considering working power rates at 31.6 cm, the highest PAR values obtained %70 working power rate vary between 99.5 and 106.4 μmol·m−2s−1 and also the highest PAR values obtained %100 working power rate vary between 133.2 and 138.7 μmol·m−2s−1. The power consumption of lighting system was determined for all working power rate.  The lowest values obtained 70 % working power rate which vary between 50 W and 51 W. The highest values obtained 100 % working power rate which vary between 71 W and 72 W. The measurement results were evaluated regarding to seven different uniformity coefficient equations. The highest coefficient uniformity criteria results obtained 120 cm × 120 cm square hanging placement situation at the 100 cm hanging height. 
The Luminous PAR efficacy of illuminant units were figured out that the illuminant units at 70 % working power rate has the efficacy between 1.99 and 2.09 μmol·m−2s−1/ W  and  illuminant units at 100 % working power rate has the efficacy between 1.88 and 1.93 μmol·m−2s−1/W. 
The control unit was developed to utilize ambient PAR measurement for controlling of PAR amount of illuminant units and supply considering supplemental daily PAR amount of greenhouse plants. It was found out that the unit worked properly and controls illuminant units related to ambient PAR measurements.