مدیریت حرارتی و تجزیه و تحلیل کارایی انرژی چراغ‌های خنک‌کننده آب LED با آرایه مسطح در سیستم‌های کشاورزی عمودی برای زعفران

برای زعفران (Crocus sativus L.) در سیستم‌های کشاورزی عمودی، طراحی نامناسب سیستم روشنایی LED ممکن است باعث تغییر دمای محیط و متعاقباً تأثیر رشد و گل‌دهی بنه‌ها در فضای فوقانی شود. در مطالعه حاضر، لامپ های LED با آرایه مسطح آبی-قرمز (B-R) و سفید (W) با سیستم خنک کننده آب برای حل مشکل مدیریت حرارتی طراحی و ساخته شدند. ماژول های LED و مسیر جریان در لامپ ها از طریق مدل های منبع حرارت نقطه ای و جریان غیر همدما در نرم افزار شبیه سازی محاسبه شدند. و توزیع میدان دما در سیستم قفسه کشت زعفران و تأثیر متعاقب آن بر توسعه بنه برای چراغ‌های دارای سه نوع ساختار مورد ارزیابی قرار گرفت.

چراغ‌های LED خنک‌کننده آب بدون منبع تغذیه و سیستم‌های کنترل کم‌نور (WCL-PS) بهترین مدیریت حرارتی را نشان دادند، زیرا دمای اطراف بنه‌های زعفران تحت تأثیر گرمای چراغ‌ها قرار نمی‌گیرد. علاوه بر این، آزمایش‌هایی برای تأیید مدل‌های شبیه‌سازی با حداکثر انحراف کمتر از ۲.۴ درجه سانتی‌گراد انجام شد. ماژول های LED نیز به عنوان عملکرد تابشی برجسته اندازه گیری شدند.

کارایی شار فوتون فتوسنتزی (PPFE) به ترتیب 2.74 میکرومول J-1 برای B-LED در 450 نانومتر، 1.65 میکرومول J-1 برای R-LED در 660 نانومتر، و همچنین 2.75 میکرومول J-LED مرتبط با W-LED بود. دمای رنگ (CCT) 3000 K. در نهایت، چراغ‌های LED سفید دارای PPFE بالاتر، مصرف انرژی کمتر و توزیع میدان دمایی بهتر در مقایسه با چراغ‌های آبی-قرمز بودند که بیشتر برای زعفران در سیستم‌های کشاورزی عمودی توصیه می‌شدند.

For saffron (Crocus sativus L.) in vertical farming systems, improper design of LED lighting system may cause the variation of ambient temperature and subsequent influence of development and flowering of corms on the upper space. In the present study, blue-red (B–R) and white (W) planar-array LED luminaires were designed and fabricated with water-cooling system to solve the thermal management problem. LED modules and flow path in luminaires were calculated through the models of point heat source and non-isothermal flow in simulation software. And the temperature field distribution in saffron culture shelf system and the subsequent effect on corm developments were evaluated for the luminaires with three types of structures.

The LED water-cooling luminaires without power supplies and dimming control systems (WCL-PS) demonstrated the best thermal management, because the temperature around saffron corms would not be interfered by the heat from the luminaires. Additionally, experiments were conducted to verify the simulation models, with less than 2.4 °C in the maximum deviation. LED modules were also measured as outstanding radiant performance.

The photosynthetic photon flux efficacy (PPFE) was respectively 2.74 μmol J−1 for B-LED at 450 nm, 1.65 μmol J−1 for R-LED at 660 nm, as well as 2.75 μmol J−1 for W-LED at correlated color temperature (CCT) 3000 K. At last, white-LED luminaire had a higher PPFE, a lower power consumption and a better temperature field distribution in contrast with blue-red luminaire, which were more recommended for saffron in vertical farming systems.