1. 기술 원리: 광자 효율의 획기적인 개선
(1) 조명효과의 변화 : 열복사에서 양자조작으로
전통적인 조명 기술이 에너지를 얼마나 잘 변환하는지에는 큰 차이가 있습니다. 백열등(0.2 μ mol/J)은 전기 에너지의 99%를 열로 바꾸고, 고압 나트륨 램프(1.5 μ mol/J)는 아크 방전을 통해 스펙트럼을 만들고, LED 기술(2.8-4.1 μ mol/J)은 반도체 PN 접합을 통해 전기광학 변환을 수행합니다. 양자점 LED를 사용하면 몇 나노미터의 정확도로 빛 스펙트럼을 조작하는 것이 훨씬 쉬워졌습니다. 예를 들어, 적색광(660nm)의 양자 효율은 30%에서 65%로 향상된 반면, 녹색광(550nm)의 양자 효율은 30%에서 65%로 향상되었습니다.
(2) 열 손실 제어: 접합 온도 관리의 과학적 열쇠
LED 접합 온도가 섭씨 10도 올라갈 때마다 광 출력은 4%씩 떨어지고 수명은 50%씩 감소합니다. Shanghai Sansi Electronics는 자체 세라믹 방열 기술을 사용하여 LED 칩의 접합 온도를 65도 이하로 유지하고 광 저하율을 1000시간당 0.3% 이하로 유지합니다. LED 성장등은 일반 형광등보다 수명이 길어 약 5000시간 지속됩니다. LED 성장 램프는 50,000시간 이상 지속됩니다. 하루 12시간 사용하면 11년 이상 지속가능하게 사용할 수 있습니다.
(3) 스펙트럼 정밀도: PPFD와 YPFD의 정량적 혁명
PPFD(광합성 광자 흐름 밀도)는 특정 영역의 광자 양을 계산하는 반면, YPFD(생산 광자 흐름 밀도)는 무게를 측정하여 다양한 파장이 광합성에 얼마나 기여하는지 파악합니다. 실험 결과 상추는 동일한 양의 빨간색과 파란색 빛이 있을 때 YPFD 1.8μmol/m ²/s에 도달할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이는 빨간불만 있을 때보다 25% 더 큰 수치입니다. 칭다오 수직 농장의 동적 스펙트럼 관리는 상추의 개발 주기를 15일 단축하고 각 단위를 재배하는 데 필요한 에너지를 0.35kWh/kg에서 0.22kWh/kg으로 단축했습니다.
2. 에너지 사용량 비교 : 기존 광원과의 정량적 비교
(1) 평방미터당 에너지 사용량: LED의 가장 좋은 점
베이징 미운 비교 실험(2021-2023) 데이터에 따르면 자연광 온실은 연간 평균 0kWh/m²의 전기를 사용하고 5.8kg/m²를 생산합니다. 자연광+LED 보조조명 시스템은 67kWh/m²의 전력을 사용하고, 18.3kg/m²의 전력을 생산하며, 종합 에너지 효율비가 3.2배에 달합니다. 완전 인공조명 시스템은 210kWh/m²의 전력을 사용하지만 실외 식재에 비해 20배 더 많은 면적을 사용하고 단위 수확량당 에너지 사용량은 실제로 더 낮다.
(2) 장비 수준별 에너지 사용: 전력과 효율성 사이의 적절한 균형 찾기
대부분의 가정용 LED 성장 램프는 15~150와트의 전력을 사용합니다. 100W 조명기구를 하루 12시간 사용하면 전기요금은 kWh당 0.5위안, 하루 0.6위안, 월 18위안이다. LED 시스템은 일반 400W 고압 나트륨 조명에 비해 에너지 사용량을 50% 이상 줄일 수 있습니다. 내몽고의 Wulanbuhe 사막 통합 식물 공장은 태양광 발전과 LED 보조 조명을 결합하여 매년 평방 미터당 42kg의 탄소를 포집합니다. 이는 일반 온실에 비해 에너지 비용을 60% 절감합니다.
(3) 탄소발자국 계산: 에너지 사용에서 생태학으로 이동
상추 1kg을 재배하는 데 사용되는 에너지를 비교해 보면, 야외 재배에 사용되는 전력은 0.05kWh, 탄소발자국은 0.21kgCO 2 e입니다. 전통적인 온실은 2.8kWh의 전기를 사용하고 1.89kgCO 2 e의 탄소 배출량을 갖습니다. LED 식물공장(그린전력)은 8.5kWh의 전기를 사용하지만, 수경재배 순환시스템을 이용해 비료 12g을 없애 탄소발자국은 0.32kg CO 2 e에 불과하다. 농업용 조명의 에너지 이야기는 식물이 "8.5kWh의 전기 소비"에서 "0.5kg의 순 탄소 격리"로 전환되면 급격하게 변합니다.
3. 적용 시나리오: 에너지 사용을 최적화하는 실용적인 방법
(1) 집에 심기: 에너지를 거의 사용하지 않는 녹색 혁명
Xiaohongshu 소비자의 실제 테스트 결과에 따르면 5W LED 성장 조명은 0.06kWh의 전력을 사용하고 하루 12시간 동안 작동하는 데 0.03위안의 비용이 듭니다. 이는 냉장고가 3시간 동안 작동하거나 TV가 1.6시간 동안 작동하는 것과 같은 양의 에너지입니다. 미드나잇 밸리 피크 전기 가격 전략을 사용하면 전기 요금을 50% 더 줄일 수 있습니다. 지능형 밝기 조절 시스템을 통해 Shenzhen Guanlan의 가정 사용자는 월간 전기 사용량을 10kWh 미만으로, 연간 전기 비용을 60위안 미만으로 유지할 수 있습니다.
(2) 상업용 온실: 에너지 효율비의 정확한 제어
Yangling Demonstration Park에 있는 5000평방미터 규모의 온실은 다층 및 3차원 원예를 사용합니다.- 각 LED 시스템의 전력 밀도는 150W/m²입니다. 사물 인터넷 환경 제어 시스템이 함께 작동하여 광도, 스펙트럼 비율 및 CO 2 함량을 최적화합니다. 동적 조명 제어는 정적 시스템보다 출력 단위당 에너지를 18% 적게 사용하지만 출력은 25% 증가시킵니다.
(3) 번식 가속: 광순환의 양자 제어
Sinochem Syngenta Group의 Yangling 기술 센터는 광주기 조절을 사용하여 매년 5세대의 옥수수를 육종합니다. 스마트 온실의 LED 기술은 열대 햇빛의 조건을 모방하여 번식 주기를 120일에서 48일로 가속화합니다. 이전 접근 방식에 비해 광질 조절 기술은 수컷 꽃가루의 수명을 30%, 암컷 수분율을 25% 늘리는 동시에 개체 번식에 필요한 에너지를 40% 줄입니다.
