Способ снижения энергоемкости светодиодной системы облучения (освещения) растений
METHOD FOR REDUCTION OF POWER CONSUMPTION OF LED SYSTEM OF IRRADIATION (ILLUMINATION) OF PLANTS

Изобретение относится к светотехнике (и/или к сельскому хозяйству) и может быть использовано для светодиодных систем освещения при искусственном облучении растений. Техническим результатом является снижение энергоемкости для системы облучения, включающей светодиодный источник света, электрический кабель и фильтр гармоник, путем определения и настройки минимально необходимых по величине и частоте гармоник тока для компенсации до нормативного уровня общего гармонического искажения по току. Способ осуществляют следующим образом. До начала эксплуатации из партии источников света (ИС) создают представительную выборку и проводят экспериментальные исследования фактического гармонического состава тока и коэффициента мощности. По коэффициенту мощности определяют нормированное общее искажение по току для заданного ИС. Определяют фактическое общее искажение по току для заданного ИС. Определяют величину избыточного гармонического искажения по току. Упорядочивают фактические гармоники тока по величине от большего значения к меньшему значению. Определяют минимальную необходимую величину и частоту гармоник тока фильтра гармоник путем перебора упорядоченного спектра гармоник до величины, не превышающей нормативного уровня общего гармонического искажения по току.
Энергоемкость производства продукции: величина потребления энергии и (или) топлива на основные и вспомогательные технологические процессы изготовления продукции, выполнение работ, оказание услуг на базе заданной технологической системы [ГОСТ 31607-2012. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения. Дата введения. 2015-01-01].
Для системы облучения растений, включающей искусственный светодиодный источник света, электрический кабель и фильтр гармоник, величина энергоемкости является показателем эффективности использования электрической энергии при выращивании растений.
Известен способ снижения энергоемкости электрического питания газоразрядных ламп при облучении растений, заключающийся в том, что эксплуатацию ламп производят на напряжении, отличном от номинального, одновременно с регулированием величины питающего лампы напряжения в процессе их эксплуатации производят соответствующие изменения высоты подвеса облучателя и коррекцию его светораспределения, создают до начала эксплуатации из партии ламп данного типа представительную выборку и проводят ее ресурсные испытания, отличающийся тем, что в ресурсных испытаниях определяют зависимость величины энергоемкости электрического питания от напряжения питания для ламп с различным временем наработки, определяют из полученных данных зависимость оптимального значения питающего напряжения от времени наработки, обеспечивающую минимальные значения найденной энергоемкости на любой момент времени, регулирование питающего лампы напряжения в процессе эксплуатации ведут в соответствии с найденной зависимостью, считая время наработки реальным временем [патент РФ 2373671, МПК Н05В 41/36. Способ снижения энергоемкости электрического питания газоразрядных ламп при облучении растений / Ракутько С.А., патентообладатель Дальневосточный государственный аграрный университет. - №2008127720/28; заявл. 07.07.2008; опубл. 20.11.2009 Бюл. №32].
Известен способ снижения энергоемкости при облучении растений, включающий формирование посредством источников излучения воздействующего на растения потока оптического излучения с нормативным для растений данной культуры или текущей фазы их развития распределением энергии этого потока по фотосинтетически активным радиационным спектральным диапазонам, задание или измерение действительных долей потока энергии каждого источника излучения в каждом спектральном диапазоне, отличающийся тем, что определяют значения величины энергоемкости процесса облучения растений при использовании этих источников излучения, а для формирования воздействующего на растения данной культуры или текущей фазы их развития потока оптического излучения используют источники излучения с минимальным значением энергоемкости [патент РФ 2387126, МПК A01G 7/100. Способ снижения энергоемкости при облучении растений / Ракутько С.А., патентообладатель Дальневосточный государственный аграрный университет.- №2008127673/12; заявл. 07.07.2008; опубл. 27.04.2010 Бюл. №12].
Известен способ снижения энергоемкости системы облучения растений в процессе их выращивания при упорядоченной компоновке источников света (ИС), заключающийся в том, что равномерно распределяют ИС между фазами питающей сети; вдоль питающей линии намечают места для установки ИС; определяют фактическое значение величины питающего напряжения в местах установки ИС; определяют фактическое время наработки ИС; до начала эксплуатации из партии ИС данного типа создают представительную выборку и проводят ее ресурсные испытания, отличающийся тем, что в ресурсных испытаниях определяют зависимость энергоемкости системы облучения растений от напряжения питания для ИС с различным временем наработки; устанавливают функциональную связь между оптимальным значением питающего напряжения и временем наработки ИС, обеспечивающую минимальные значения найденной энергоемкости на любой момент времени; для установки в намеченных местах вдоль питающей линии выбирают ИС с временем наработки, при котором наблюдается минимальное значение энергоемкости системы облучения [патент РФ 2381645, МПК A01G 7/04 Способ снижения энергоемкости системы облучения растений в процессе их выращивания при упорядоченной компоновке источников света / Ракутько С.А., патентообладатель Дальневосточный государственный аграрный университет.- №2008128798/12; заявл. 14.07.2008; опубл. 20.02.2010 Бюл. №5].
Недостатком известных способов является то, что они могут быть использованы для источников света (ИС) с зависимыми характеристиками (потребляемая мощность, световой поток) от уровня питающего напряжения и не корректны для ИС со стабильными характеристиками при изменении уровня питающего напряжения. Такими ИС являются светодиодные тепличные облучатели. Однако, эти ИС имеют недостаток - большие по сравнению с газоразрядными ИС гармоники тока [Кондратьева Н.П., Терентьев П.В., Филатов Д.А. Сравнительный экспериментальный анализ по электромагнитной совместимости разрядных и светодиодных искусственных источников света для растениеводства // Вестник НГИЭИ. 2018. №12 (91). С. 39-49]. Это приводит к избыточной энергоемкости из-за избыточных потерь электроэнергии в светодиодных системах облучения (освещения) растений.
Задачей изобретения является снижение энергоемкости светодиодной системы облучения (освещения) растений.
Поставленная задача решается выполнением способа, включающего проведение экспериментальных исследований фактического гармонического состава тока и коэффициента мощности источников света, определение по коэффициенту мощности нормированного общего искажения по току для заданного источника света, определение фактического общего искажения по току для заданного источника света, определение величины избыточного гармонического искажения по току, упорядочивание фактических гармоник тока по величине от большего значения к меньшему значению, определение минимальной необходимой величины и частоты гармоник тока фильтра гармоник путем перебора упорядоченного спектра гармоник до величины, не превышающей нормативного уровня общего гармонического искажения по току.
Общие затраты электроэнергии светодиодными системами облучения при выращивании растений определяются по выражению:
и.с
где Р - потребляемая электрическая мощность источника света, кВт; N- количество источников света, шт.; ΔР - потери электрической мощности в системе электроснабжения источников света, кВт; Т - время работы источников света, час.
При стабильной потребляемой электрической мощности источником света величина общей потребляемой энергии за время работы зависит только от величины потерь, которые могут определяться по выражению:
где R - активное сопротивление жил питающего кабеля системы электроснабжения источников света, Ом; I - действующее значение тока, А.
Действующее значение тока превосходит значение тока основной частоты, величина которого и указывается в справочниках. Связь действующего значения тока с основной гармоникой [Козловская, В.Б. Учет влияния высших гармоник при выборе сечений проводников линий наружного освещения / В.Б. Козловская, В.Н. Калечиц // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2017. Т. 60, №6. С. 544-557]:
1
In
где I - ток основной частоты (50 Гц), А; K - коэффициент, учитывающий отношение тока n-ой гармоники к току основной частоты. Его удобно задавать в процентах по отношению к току основной частоты, как это обычно приводится в спектрах.
Поэтому, для светодиодных систем облучения снижение энергоемкости возможно путем снижения гармоник с минимальными затратами до нормируемого общего гармонического искажения по току для эффективного функционирования заданной системы облучения.
Предлагаемый способ снижения энергоемкости светодиодной системы облучения (освещения) растений реализуется следующим образом:
1) До начала эксплуатации из партии ИС создают представительную выборку и проводят экспериментальные исследования фактического гармонического состава тока и коэффициента мощности.
2) Определяют нормированное общее искажение по току для заданного ИС.
3) Определяют фактическое общее искажение по току для заданного ИС.
4) Определяют величину избыточного гармонического искажения по току.
5) Упорядочивают гармоники тока от большего к меньшему значению величины от тока основной частоты.
6) Определяют минимальную необходимую величину и частоту гармоник тока фильтра гармоник путем перебора упорядоченного спектра гармоник до выполнения условия:
На фиг. 1 показана светодиодная система облучения растений. Обозначения на фиг. 1: фильтр гармоник - 1, установленный в распределительном пункте, от которого питается электрический кабель - 2 для светодиодных ИС - 3.
Нормы гармоник тока для источников света определены ГОСТ Р 51317.3.2. [ГОСТ Р 51317.3.2-2006 Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А. - М.: Стандартинформ, 2007. - 26 с].
Общее гармоническое искажение по току:
n
где I- ток n-ой гармоники, % от тока основной частоты.
Поскольку норма 3-ей гармоники зависит от коэффициента мощности, то была построена функциональная связь между нормой общего гармонического искажения по току THDi, о.е. и коэффициентом мощности cosϕ, о.е. для тепличных светодиодных источников света. Зависимость показана на фиг. 2.
Величина избыточного гармонического искажения по току:
где  - фактическое, нормируемое гармоническое искажение тока, % от тока основной частоты.
n
Частота n-ой гармоники f:
50
где n - номер гармоники; f - частота основной гармоники, 50 Гц.
Энергоемкость системы облучения растений снижается при приближении гармонического искажения тока к нормируемому значению. Это объясняется тем, что снижаются потери электроэнергии при снижении величины общего гармонического искажения тока.
2
Пример. Способ осуществляется при облучении салата в зимней теплице. Полезная площадь салатной линии составляет 518,4 м. Система облучения выполнена тремя линиями (одна линия на фазу) светодиодными светильниками единичной мощностью 100 Вт. Каждая линия состоит из 120 светильников.
Определим фактический гармонический состав тока и коэффициента мощности светодиодного светильника. Гармонический состав тока показан в таблице ниже. Коэффициент мощности cosϕ=0,9.
i
норм
Определяем нормированное общее искажение по току для заданного ИС по фиг. 2. Для коэффициента мощности cosϕ=0,9 нормируемое гармоническое искажение тока THDсоставляет 32,3% (0,323 о.е.).
i
факт
По выражению (5) определяем фактическое общее искажение по току для заданного ИС на основании фактического гармонического состава THD=65,9% (0,659 о.е.)
i
изб
По выражению (6) определяем величину избыточного гармонического искажения по току. THD=33,6% (0,336 о.е.)
Упорядочиваем гармоники тока от большего к меньшему значению величины от тока основной частоты. Результаты в таблице ниже.
Определяем минимальную необходимую величину и частоту гармоник тока фильтра гармоник путем перебора упорядоченного спектра гармоник.
Величина 7-ой (наибольшей) гармоники 36,7% (0,367 о.е.).
i
i
факт
факт
По выражению (5) пересчитаем THD без 7-ой гармоники (THD=54,8%) и проверим выполнение условия (4):
54,8≤32,3
Условие не выполняется. Оставшаяся величина избыточного гармонического искажения 22,5% (0,225 о.е.). Переходим к следующей наибольшей гармонике. Величина 3-ой (наибольшей) гармоники 32,4% (0,324 о.е.).
i
i
факт
факт
По выражению (5) пересчитаем THD без 3-ей гармоники (THD=44,2%) и проверим выполнение условия (4):
44,2≤32,3
Условие не выполняется. Оставшаяся величина избыточного гармонического искажения 11,9% (0,119 о.е.). Переходим к следующей наибольшей гармонике. Величина 9-ой (наибольшей) гармоники 21,5% (0,215 о.е.).
i
i
факт
факт
По выражению (5) пересчитаем THD без 9-ой гармоники (THD=38,6%) и проверим выполнение условия (4):
38,6≤32,3
Условие не выполняется. Оставшаяся величина избыточного гармонического искажения 6,3% (0,063 о.е.). Переходи к следующей наибольшей гармонике. Величина 13-ой (наибольшей) гармоники 21% (0,21 о.е.).
i
i
факт
факт
По выражению (5) пересчитаем THD без 13-ой гармоники (THD=32,3%) и проверим выполнение условия (4):
32,3≤32,3
Условие выполняется. Перебор останавливается. Формируем настраиваемые параметры фильтра гармоник.
Величина токов фильтра гармоник составляет:
7
1
I=0,367⋅I,
3
1
I=0,324⋅I
9
1
I=0,215⋅I,
13
1
I=0,21⋅I
Величина тока в натуральном выражении:
3
I=19,7 А
9
I=13,1 А
13
I=12,8 А
По выражению (7) определяем частоту гармоники:
7
f=7⋅50=350 Гц
3
f=3⋅50=150 Гц
9
f=9⋅50=450 Гц
13
f=13⋅50=650 Гц
1
1
2
1
2
2
Величина потерь электроэнергии от гармоник тока до применения способа по выражениям (2), (3) составит ΔP=4,977 (I) R. Величина потерь электроэнергии от гармоник тока после применения способа составит ΔP=3,969 (I)⋅R. Снижение потерь электроэнергии составить 20% при приближении величины фактического значения гармонического искажения тока к нормируемому значению.