基于植物工厂条件下LED灯源热环境分析.pdf

书 书 书 王 静 欧 福 超 南 轩 等 基 于 植 物 工 厂 条 件 下 灯 源 热 环 境 分 析 江 苏 农 业 科 学 基 于 植 物 工 厂 条 件 下 灯 源 热 环 境 分 析 王 静 欧 福 超 南 轩 石 平 平 赵 众 李 靖 云 南 省 高 校 水 安 全 与 节 水 减 排 重 点 实 验 室 云 南 昆 明 云 南 农 业 大 学 水 利 学 院 云 南 昆 明 云 南 农 业 大 学 建 筑 工 程 学 院 云 南 昆 明 摘 要 为 研 究 人 工 光 型 植 物 工 厂 中 发 光 二 极 管 简 称 灯 源 系 统 对 周 围 温 度 环 境 的 影 响 基 于 植 物 工 厂 实 验 室 现 有 组 合 灯 板 相 关 参 数 通 过 专 业 热 环 境 分 析 软 件 对 灯 源 周 围 温 度 场 和 流 场 进 行 仿 真 研 究 研 究 结 果 表 明 灯 源 周 围 的 温 度 场 在 点 位 距 离 为 范 围 内 呈 现 较 大 的 变 化 大 于 时 随 点 位 距 离 增 加 温 度 场 对 周 围 的 热 环 境 影 响 则 趋 于 稳 定 由 于 原 有 灯 板 由 不 同 色 光 源 组 成 且 排 列 组 合 呈 不 对 称 现 象 导 致 温 度 场 呈 现 向 右 上 端 偏 移 现 象 通 过 模 拟 分 析 得 出 的 一 系 列 现 象 可 为 种 植 方 位 选 择 提 供 合 理 的 参 考 意 见 关 键 词 人 工 光 植 物 工 厂 灯 组 合 有 限 元 模 型 电 位 距 离 温 度 场 流 场 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 收 稿 日 期 基 金 项 目 国 家 科 技 支 撑 计 划 编 号 云 南 省 高 校 重 点 实 验 室 建 设 计 划 编 号 云 南 农 业 大 学 科 技 创 新 创 业 基 金 编 号 作 者 简 介 王 静 女 云 南 曲 靖 人 硕 士 副 教 授 研 究 方 向 为 水 利 工 程 技 术 与 经 济 通 信 作 者 李 靖 博 士 教 授 研 究 方 向 为 水 资 源 及 环 境 工 程 植 物 工 厂 是 现 代 设 施 农 业 发 展 的 高 级 阶 段 是 颠 覆 性 农 业 和 土 地 利 用 的 生 产 方 式 对 解 决 世 纪 所 面 临 的 农 业 资 源 不 足 和 环 境 面 源 污 染 问 题 具 有 重 要 应 用 价 值 光 照 是 人 工 光 型 植 物 工 厂 实 现 作 物 高 效 生 产 的 主 要 驱 动 因 素 在 调 控 植 物 生 长 发 育 产 量 品 质 等 方 面 具 有 不 可 或 缺 的 作 用 目 前 绝 大 多 数 植 物 工 厂 所 使 用 的 人 工 光 源 以 荧 光 灯 为 主 其 能 量 主 要 是 以 热 效 应 的 方 式 传 递 到 环 境 中 这 不 仅 增 加 了 生 产 成 本 还 影 响 了 经 济 效 益 与 传 统 荧 光 灯 相 比 发 光 二 极 管 简 称 灯 具 有 电 源 直 接 转 化 为 光 源 体 积 小 寿 命 长 等 优 点 是 植 物 工 厂 设 施 中 优 选 的 人 工 光 源 由 于 灯 源 的 自 身 散 热 会 对 其 周 围 温 度 产 生 一 定 的 影 响 且 会 使 其 自 身 的 耐 用 性 受 到 相 应 的 影 响 因 此 本 研 究 将 通 过 对 植 物 工 厂 实 验 室 现 有 灯 源 的 附 近 温 度 进 行 实 测 分 析 并 与 按 灯 源 参 数 设 计 的 有 限 元 模 型 的 模 拟 结 果 进 行 对 比 确 定 灯 的 实 际 功 率 以 及 周 围 的 温 度 场 进 而 更 加 深 入 了 解 试 验 过 程 中 所 采 用 灯 的 实 际 工 作 情 况 为 智 慧 植 物 工 厂 灯 板 的 设 置 提 供 参 考 依 据 散 热 原 理 分 析 所 有 的 电 子 产 品 都 会 面 临 一 个 很 常 见 且 无 法 规 避 的 问 题 发 热 高 温 而 高 温 恰 恰 又 是 电 子 产 品 的 一 大 克 星 小 间 距 显 示 屏 是 由 一 个 个 小 灯 珠 组 成 的 而 小 灯 珠 的 发 热 更 是 不 容 忽 视 的 存 在 小 间 距 的 灯 珠 排 列 更 加 紧 密 发 热 强 度 相 比 于 普 通 更 加 强 烈 所 以 小 间 距 的 散 热 研 究 就 显 得 更 加 重 要 那 么 的 散 热 原 理 分 析 将 变 得 极 为 重 要 同 时 由 于 距 离 植 物 较 近 且 散 热 量 能 够 达 到 可 能 会 对 植 物 产 生 一 定 的 影 响 因 此 研 究 的 散 热 情 况 是 十 分 必 要 的 既 能 了 解 其 散 热 情 况 对 自 身 寿 命 的 影 响 又 能 分 析 对 周 围 植 物 的 影 响 传 热 主 要 遵 循 的 基 本 原 理 如 下 热 传 导 遵 循 傅 里 叶 定 律 式 中 表 示 热 传 导 系 数 表 示 传 导 的 热 量 表 示 温 度 梯 度 对 流 一 般 与 流 体 流 动 耦 合 在 一 起 其 热 量 计 算 公 式 为 式 中 表 示 平 均 对 流 换 热 系 数 表 示 温 度 差 江 苏 农 业 科 学 年 第 卷 第 期 材 料 与 分 析 灯 板 及 有 限 元 设 计 模 型 植 物 工 厂 实 验 室 中 的 种 植 架 采 用 立 体 层 次 结 构 设 计 共 分 层 每 层 间 距 为 架 长 为 宽 为 顶 部 为 灯 源 系 统 底 部 为 水 培 植 物 定 植 盘 其 结 构 见 图 图 植 物 工 厂 中 的 组 合 照 明 系 统 是 植 物 光 合 作 用 的 能 量 源 泉 其 中 芯 片 是 整 个 灯 源 系 统 的 核 心 部 件 也 是 产 热 部 件 灯 内 部 结 构 及 数 值 参 数 模 型 见 图 芯 片 所 产 生 的 热 量 绝 大 部 分 以 热 传 导 的 方 式 依 次 传 递 至 衬 底 铝 合 金 基 板 导 热 膏 外 部 散 热 器 最 终 通 过 散 热 器 以 对 流 及 辐 射 的 方 式 向 周 围 环 境 扩 散 使 芯 片 周 围 温 度 降 低 以 防 温 度 过 高 烧 坏 芯 片 影 响 灯 正 常 工 作 各 元 件 的 散 热 参 数 见 表 植 物 工 厂 中 作 物 的 生 长 环 境 主 要 依 靠 空 调 系 统 和 灯 源 系 统 相 互 配 合 调 节 其 中 空 调 提 供 植 物 生 长 适 宜 的 温 度 则 提 供 作 物 光 合 作 用 所 需 的 光 照 度 而 灯 源 系 统 在 提 供 光 照 的 同 时 也 表 灯 各 元 件 材 料 热 物 性 参 数 元 件 导 热 系 数 芯 片 固 晶 层 铝 基 板 会 散 发 一 定 的 热 量 来 影 响 周 围 的 环 境 温 度 本 研 究 在 植 物 工 厂 实 验 室 原 有 组 合 灯 板 参 数 的 基 础 上 按 照 的 比 例 设 计 有 限 元 模 型 具 体 情 况 见 图 江 苏 农 业 科 学 年 第 卷 第 期 灯 实 际 参 数 的 设 定 植 物 工 厂 实 验 室 所 采 用 的 灯 使 用 寿 命 约 为 年 其 产 品 型 号 分 别 为 和 具 体 的 参 数 见 表 表 不 同 的 工 况 参 数 型 号 峰 值 电 压 峰 值 电 流 工 作 温 度 静 放 电 功 率 为 了 解 植 物 工 厂 实 验 室 中 组 合 灯 板 的 热 环 境 效 果 本 研 究 借 助 专 业 的 热 分 析 软 件 来 了 解 植 物 工 厂 实 验 室 灯 板 的 实 际 工 作 情 况 在 数 值 模 拟 中 结 合 实 测 得 到 的 植 物 工 厂 实 验 室 室 内 温 度 通 过 在 程 序 中 设 定 相 应 的 环 境 温 度 并 且 设 置 重 力 场 保 证 模 型 的 网 格 质 量 达 到 要 求 满 足 网 格 无 关 性 数 值 模 拟 结 果 分 析 在 进 行 数 值 模 拟 时 通 过 对 正 常 工 作 情 况 下 距 离 灯 不 同 点 位 的 温 度 场 进 行 监 测 其 点 位 距 离 分 别 为 各 点 位 处 温 度 场 情 况 见 图 由 图 可 知 随 着 点 位 距 离 的 增 加 温 度 首 先 呈 现 急 剧 下 降 的 现 象 在 达 到 某 一 点 位 时 温 度 呈 现 平 稳 的 下 降 过 程 其 点 位 距 离 与 温 度 变 化 情 况 见 图 由 图 可 知 在 点 位 距 离 为 范 围 内 温 度 随 点 位 距 离 的 增 加 呈 现 较 大 的 变 化 趋 势 大 于 时 随 点 位 距 离 的 增 加 温 度 呈 现 稳 定 变 化 趋 势 由 于 植 物 工 厂 实 验 室 所 使 用 的 灯 板 由 不 同 功 率 不 同 颜 色 的 元 件 组 合 而 成 最 终 会 导 致 两 端 灯 源 产 热 量 有 所 差 异 进 而 呈 现 不 规 则 的 流 场 分 布 其 流 场 分 布 见 图 从 流 场 的 矢 量 图 可 以 看 出 其 流 动 方 向 为 自 左 下 至 右 上 最 终 导 致 右 上 端 温 度 略 高 于 别 处 温 度 同 时 得 到 模 拟 散 热 功 率 为 与 灯 板 的 实 际 功 率 基 本 吻 合 同 时 可 以 通 过 灯 内 部 的 散 热 情 况 来 进 一 步 了 解 从 内 部 的 散 热 情 况 来 看 灯 功 率 越 大 在 内 部 产 生 的 温 度 越 高 这 易 导 致 温 度 过 高 影 响 灯 的 寿 命 图 结 论 与 建 议 基 于 本 研 究 灯 板 设 置 参 数 来 模 拟 周 围 流 场 和 温 度 场 的 分 布 情 况 各 参 数 完 全 按 照 植 物 工 厂 实 验 室 实 际 工 况 来 进 行 数 值 分 析 通 过 了 解 其 工 作 原 理 并 借 助 软 件 热 环 境 和 流 场 分 析 程 序 来 深 入 了 解 植 物 工 厂 中 灯 周 围 的 流 场 状 态 根 据 以 上 数 值 分 析 的 结 果 可 得 出 以 下 结 论 距 离 灯 板 越 远 所 受 到 的 散 热 作 用 影 响 越 小 并 且 影 响 较 大 的 范 围 主 要 集 中 在 点 位 距 江 苏 农 业 科 学 年 第 卷 第 期 江 苏 农 业 科 学 年 第 卷 第 期 离 为 的 范 围 内 灯 源 的 散 热 效 应 使 得 其 周 围 存 在 相 应 的 流 场 但 由 于 灯 板 的 设 置 问 题 流 场 呈 现 不 对 称 现 象 使 得 灯 板 两 端 的 流 场 发 生 偏 移 现 象 对 灯 板 内 部 的 散 热 分 析 发 现 功 率 越 高 产 生 热 量 越 大 因 此 应 注 意 在 组 合 的 时 候 尽 可 能 使 用 功 率 一 致 的 以 保 证 寿 命 一 致 减 少 资 源 浪 费 通 过 以 上 结 论 可 以 看 出 植 物 工 厂 实 验 室 现 有 灯 板 装 置 存 在 不 均 匀 分 布 现 象 对 植 物 的 生 长 会 有 较 大 的 影 响 因 此 应 根 据 实 际 情 况 来 增 加 不 同 点 位 下 方 植 株 到 灯 源 的 距 离 参 考 文 献 阴囯 富 朱 创 录 植 物 工 厂 生 产 方 式 下 智 慧 农 业 监 控 平 台 的 研 究 与 设 计 江 苏 农 业 科 学 魏 灵 玲 杨 其 长 刘 水 丽 等 在 设 施 园 艺 中 的 应 用 系 列 一 在 密 闭 式 植 物 苗 工 厂 中 的 应 用 农 业 工 程 技 术 温 室 园 艺 魏 灵 玲 杨 其 长 刘 水 丽 在 植 物 工 厂 中 的 研 究 现 状 与 应 用 前 景 中 国 农 学 通 报 鞠 红 艳 植 物 生 长 环 境 调 控 系 统 的 研 究 与 应 用 长 春 吉 林 农 业 大 学 刘 文 科 植 物 工 厂 光 质 生 物 学 研 究 与 应 用 现 状 中 国 农 业 科 技 导 报 吴 惠 国 孟 源 谈 照 明 灯 具 的 结 构 设 计 山 东 工 业 技 术 曾 诚 李 苏 欧 阳 世 殊 等 基 于 协 同 场 原 理 探 究 太 阳 花 散 热 器 的 散 热 性 能 中 国 照 明 电 器 刘 超 傅 仁 利 顾 席 光 等 芯 片 级 封 装 光 源 结 构 散 热 性 能 的 数 值 模 拟 激 光 与 光 电 子 学 进 展 孙 历 霞 散 热 器 热 分 布 的 数 学 建 模 与 数 值 模 拟 杭 州 浙 江 大 学 周 俊 杰 绳 冉 冉 李 雪 丽 大 功 率 散 热 器 的 空 气 强 制 对 流 冷 却 研 究 现 代 电 子 技 术 吴 健 照 明 用 大 功 率 散 热 器 换 热 过 程 的 数 值 模 拟 哈 尔 滨 哈 尔 滨 工 业 大 学 江 苏 农 业 科 学 年 第 卷 第 期