Beleuchtungslösungen für Geflügel: Beleuchtungssystem für Hühnerställe

Beleuchtungslösungen für Geflügel: Beleuchtungssystem für Hühnerställe

Verzeichnis:
1 Analyse und Design der Beleuchtungsanordnung in Geflügelställen
2. Lichtverteilungsanalyse
3. Lösung zur Beleuchtungssteuerung
4. Gesamtsteuerungslösung
5. Lösung zum Stromversorgungsmodus

Dieses Dokument stellt den umfassenden Entwurf einer Beleuchtungslösung für Geflügelställe vor. Es beschreibt detailliert die Konfiguration und Spezifikationen des Systems, nutzt das Abstand-Höhen-Verhältnis zur Beurteilung der Lichtverteilung und der Lichtleistung einzelner Lampen, skizziert die Strategie zur Beleuchtungssteuerung, legt den Systemsteuerungsansatz fest und legt die Designkriterien für das Schaltnetzteil für jeden Abschnitt fest.

1. Analyse und Gestaltung der Beleuchtungsanordnung in Geflügelställen

1.1 Innenaufteilung von Geflügelställen

Der Geflügelstall ist 120 Meter lang, 16 Meter breit und hat eine Gesamtfläche von 1.920 Quadratmetern. Um Stromverbrauch und -kosten zu senken, hat das projektbetreuende Unternehmen die Installation neuer LED-Beleuchtung in Auftrag gegeben. Angesichts des unterschiedlichen Beleuchtungsbedarfs in den verschiedenen Phasen der Hühnerzucht und der Wachstumsunterschiede der Masthähnchen in den verschiedenen Stallbereichen hat das Unternehmen die Aufteilung des Geflügelstalls in vier unterschiedliche Beleuchtungszonen festgelegt. Jede Zone verfügt über eine unabhängige Lichtsteuerung, und der Stall wird über eine zentrale Steuerungszentrale verfügen.

Basierend auf diesen Anforderungen wurde eine Lösung für das Beleuchtungssystem entwickelt, die eine zentrale Steuerung und vier unabhängig voneinander gesteuerte Bereiche umfasst. Mitarbeiter können die Beleuchtung für jeden Bereich von der zentralen Steuerung aus steuern. Um während der Aufzucht gleichmäßige Lichtverhältnisse für alle Hühner zu gewährleisten, muss das Licht gleichmäßig über den gesamten Stallboden verteilt sein.

1.2 Beleuchtungsanforderungen während des Hühnerwachstumszyklus

Die Beleuchtung spielt eine entscheidende Rolle für das Wachstum und die Gewichtszunahme von Masthähnchen, weshalb Beleuchtungstechnologie in der modernen Geflügelzucht unverzichtbar ist . Masthähnchen haben in verschiedenen Wachstumsphasen unterschiedliche Lichtbedürfnisse. Während der Brutphase haben frisch geschlüpfte Küken eine eingeschränkte Sehkraft, daher wird in der Regel intensives Licht eingesetzt, um ihre gesunde Entwicklung zu unterstützen und sie zum Fressen und Trinken zu animieren. In der Erwachsenenphase trägt geringere Lichtintensität dazu bei, das Aktivitätsniveau der Masthähnchen zu reduzieren und Picken und andere Verhaltensweisen zu minimieren, was die Gewichtszunahme fördert. Während der Schlachtphase trägt gedämpftes Licht dazu bei, die Masthähnchen zu beruhigen und den Mitarbeitern den Umgang mit ihnen zu erleichtern.

Die Beleuchtungsanforderungen für die drei Phasen der Hühnerzucht sind wie folgt: Von 0 bis 7 Tagen (Brutphase) sind 50 Lux erforderlich; von 8 bis 45 Tagen (Wachstumsphase) sind 10 Lux erforderlich; und während der Vermarktungsphase sind 5 Lux erforderlich. Daher muss die Beleuchtung während der gesamten Hühnerzucht kontinuierlich gewährleistet sein, wobei sich die erforderliche Beleuchtungsstärke je nach Alter der Hühner ändert.

1.3 Kontrollanforderungen

Die Beleuchtungssteuerungszonen im Hühnerstall umfassen den Personalkontrollbereich und den Hauptfütterungsbereich. Der Hauptfütterungsbereich ist wiederum in vier separate Zonen unterteilt. Die Hauptsteuerungszentrale befindet sich im Personalkontrollbereich, während jede der vier Zonen von einem untergeordneten Steuerungsknoten verwaltet wird. Die allgemeinen Spezifikationen lauten wie folgt:

(1) Die Hauptsteuerzentrale muss in der Lage sein, die Beleuchtung in jeder Zone individuell zu verwalten und Einstellungen wie Aus, 51 lx, 10 lx und 50 lx Beleuchtung zu ermöglichen.

(2) Aus Sicherheitsgründen muss die Versorgungsspannung unterhalb der Sicherheitsschwelle bleiben, da während der Fütterungszeiten häufig Mitarbeiter ein- und ausgehen.

(3) Alle Beleuchtungseinrichtungen müssen ausreichend gegen Regen, Wasser und Blitzeinschläge geschützt sein.

2. Lichtverteilungsanalyse

Die Beleuchtung im Hühnerstall dient der Allgemeinbeleuchtung. Eine gleichmäßige Beleuchtung des Bodens während der Fütterung ist unerlässlich. Die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung im Hühnerstall hängt von der Anzahl, Höhe und dem Abstand der installierten Leuchten ab. Basierend auf den Anforderungen des ausführenden Unternehmens werden die Leuchten im Hühnerstall in einer Höhe von 3 Metern installiert.

2.1 Abstand-Höhe-Verhältnis und Gleichmäßigkeit der Beleuchtung

In diesem Dokument wird das Abstand-Höhen-Verhältnis verwendet, um die Anordnung und die erforderliche Anzahl von Beleuchtungskörpern festzulegen. Das Abstand-Höhen-Verhältnis ist definiert als das Verhältnis des maximalen Abstands zwischen zwei benachbarten Lampen zu ihrer Installationshöhe, um eine gleichmäßige Beleuchtung der Arbeitsfläche zu gewährleisten, wie in Abbildung 3(a) dargestellt, die das Verhältnis von s zu h im System darstellt. Unter der Annahme, dass keine Reflexionen auftreten, wird die Bodenbeleuchtung durch die Lichtleistung jeder einzelnen Lampe im Aufbau bestimmt. Abbildung 3(a) und (b) zeigen schematisch die Berechnungsmethode der Bodenbeleuchtung für zwei bzw. vier benachbarte Lampen.

Abb. 3 Schematische Darstellung des Abstand-Höhe-Verhältnisses

Abbildung 3(a) veranschaulicht das Szenario mit zwei nebeneinander liegenden Lampen, A und B, die vom Typ her identisch sind und die gleiche Installationshöhe (h) und Distanz (s) haben. Die Punkte M und Q befinden sich auf dem Boden direkt unter den Lampen A bzw. B, während N der Mittelpunkt des Liniensegments MQ ist. Der Winkel θ wird zwischen der vertikalen Linie der Lampe A und der Linie, die Lampe A mit Punkt N verbindet, gebildet und als Beleuchtungswinkel bezeichnet. Wenn Lampe A eine Beleuchtungsstärke von E₀ für Punkt M liefert, dann müssen beide Lampen A und B eine Beleuchtungsstärke von E₀/2 für Punkt N beitragen, damit Punkt N E₀ erhält. Dadurch wird sichergestellt, dass die Beleuchtungsstärken an den Punkten M, N und Q gleich oder nahezu gleich sind, wodurch eine gleichmäßige Bodenbeleuchtung zwischen den beiden Lampen aufrechterhalten wird.

Abbildung 3(b) zeigt die Anordnung von vier nebeneinander angeordneten Lampen A, B, C und D in quadratischer Formation. Um eine gleichmäßige Beleuchtung zu erreichen, muss jede Lampe eine Beleuchtungsstärke von E₀/4 am geometrischen Mittelpunkt O liefern. Dadurch wird sichergestellt, dass die kombinierte Beleuchtungsstärke am Punkt O der Beleuchtungsstärke von E₀ jeder Lampe entspricht und somit eine gleichmäßige Bodenbeleuchtung aller vier Lampen gewährleistet ist.

Betrachtet man die Leuchte als Punktlichtquelle mit gleichmäßiger Ausleuchtung, wird die Beleuchtung an jedem Punkt des Bodens durch den Beleuchtungswinkel θ beeinflusst. Wie in Abbildung 3(a) dargestellt, lässt sich der Beleuchtungsbeitrag von Lampe A an jeder Bodenposition mit der folgenden Formel ausdrücken:

Eₙ=E₀cos³θ.

Eh stellt die Beleuchtungsstärke an einem beliebigen Punkt auf dem Boden dar, während Eo die Beleuchtungsstärke am Punkt M direkt unter der Lampe angibt. Die Kurve, die die Beleuchtungsstärke und die Beleuchtungswinkel veranschaulicht, ist in Abbildung 4 dargestellt. Indem wir E₀/2 und Eo/4 aus Abbildung 3 (a) und 3 (b) in die Formel einsetzen, können wir die Beleuchtungswinkel θ₁ und θ₂ bestimmen, die für eine gleichmäßige Beleuchtung mit zwei bzw. vier nebeneinander liegenden Lampen erforderlich sind: θ=37,5° bzw. θ₂=51°.

Abb. 4 EA-Funktionskurve

Abbildung 3(a) veranschaulicht eine Dreiecksbeziehung, die das Abstand-Höhe-Verhältnis für zwei und vier Lampen wie folgt darstellt: S₁/h=2tanC und S₂/h=√2tanθ₂, wobei S₁ und S₂ die Abstände zwischen zwei benachbarten Lampen in jedem Szenario sind. Durch Ersetzen von h=3m erhalten wir S₁≈4,60m und S₂≈5,23m. Bei einer Breite des Hühnerstalls von 16m zeigen die Ergebnisse, dass die Verwendung von nur zwei benachbarten Lampen entlang der 120 m langen Mittellinie des Hühnerstalls keine gleichmäßige Beleuchtung an den Rändern gewährleistet. Um eine gleichmäßige Beleuchtungsverteilung im gesamten Hühnerstall zu erreichen, sind daher vier benachbarte Lampen erforderlich.

2.2 Designlösung für die Beleuchtung von Hühnerställen

Die Beleuchtungsanordnung für vier nebeneinander liegende Lampen erfordert einen Abstand von weniger als 5,23 Metern. Angesichts der redundanten Bauweise und der Abmessungen des Hühnerstalls, der 16 Meter breit und 120 Meter lang ist, werden insgesamt 96 Lampen in einer 4×24-Konfiguration angeordnet. Jede Reihe enthält 24 Lampen im Abstand von 5 Metern, während jede Spalte 4 Lampen mit einem Abstand von 4 Metern zueinander aufweist. Der Abstand zwischen benachbarten Lampen in Reihen und Spalten beträgt weniger als 5,23 Meter und erfüllt damit die erforderlichen Kriterien. Der in der Abbildung dargestellte Lichteffekt veranschaulicht den Abdeckungsbereich der 1/4-Beleuchtungszone für jede Lampe. Die überlappenden 1/4-Beleuchtungskreise der vier nebeneinander liegenden Lampen gewährleisten eine gleichmäßige Beleuchtung im gesamten Bereich.

2.3 Erforderlicher Lichtstrom für einzelne Lampen

Während der Hühnerzucht bilden die ersten 7 Tage die Brutphase, in der die Beleuchtungsintensität am höchsten ist. Während dieser Zeit müssen alle Lampen im Hühnerstall eine durchschnittliche Beleuchtungsstärke von 50 Lux auf dem Stallboden gewährleisten.

Die Beziehung zwischen der durchschnittlichen Beleuchtung auf dem Hühnerstallboden und dem erforderlichen Lichtstrom wird in der Formel (2-5)20.21 ausgedrückt:

In dieser Formel steht E für die durchschnittliche Beleuchtung, Φ bezeichnet den erforderlichen Lichtstrom, C ist der Nutzungskoeffizient, K ist der Wartungskoeffizient und S ist die von der Beleuchtungslampe abgedeckte Fläche.

Der Nutzungskoeffizient (Cu) wird durch die Einbauhöhe der Lampe und das Wandmaterial beeinflusst. Nach Rücksprache mit der Nutzungskoeffiziententabelle wird Cu auf 0,9 festgelegt. Der Wartungskoeffizient (K) wird durch Faktoren wie Lampenalterung und Staubansammlung bestimmt und beträgt ebenfalls 0,9.

Indem wir die relevanten Werte, darunter die durchschnittliche Beleuchtungsstärke von 50 Lux und die Fläche des Hühnerstalls, in die Formel einsetzen, können wir den Gesamtlichtstrom Ø berechnen:

Bei insgesamt 96 Lampen beträgt der Lichtstrom für jede einzelne Lampe:

3. Beleuchtungssteuerungslösung

3.1 Leistung der Beleuchtungslampen und Gesamtenergieverbrauch

Das Beleuchtungssystem verwendet SMD-LED-Lampenperlen im 5730-Gehäuse, die einen Lichtstrom Ø von 601 m 122 haben. Die Anzahl der LEDs in jeder Beleuchtungseinheit, bezeichnet als n, kann wie folgt bestimmt werden:

Um Redundanz zu gewährleisten, besteht jede Leuchteinheit aus 24 SMD-LEDs, die einen Gesamtlichtstrom von 1.440 lm liefern und so den Beleuchtungsbedarf decken. Die Nennleistung jeder 5730 SMD-LED beträgt 0,5 W bei einem Betriebsspannungsbereich von 2,9–3,1 V. Die für eine einzelne Leuchteinheit benötigte Leistung P₁ berechnet sich daher wie folgt:

P = 0,5 W × 24 = 12 W

Aus dieser Analyse geht hervor, dass jede Beleuchtungseinheit 24 SMD-LEDs mit einer Gesamtnennleistung von 12 W enthält. Angesichts der hohen Anzahl an LED-Perlen und des Strombedarfs (jede LED hat eine Nennspannung von 3 V und die minimale sichere Spannung für menschlichen Kontakt beträgt 36 V) wird zum Anschluss der LED-Perlen in jeder Beleuchtungseinheit eine 2×12-Seriell-Parallel-Hybridkonfiguration verwendet.

Im Hühnerstall befinden sich 96 Lampen, was zu einem Gesamtstrombedarf von:

P₂ = 12 W × 96 = 1152 W

3.2 Steuerung der Lichtbeleuchtung

Ähnlich wie Standarddioden weisen sie eine Vorwärts-Totzone, eine Vorwärts-Arbeitszone, eine Rückwärts-Abschaltzone und eine Rückwärts-Durchbruchzone auf.

Übersteigt die am PN-Übergang angelegte Durchlassspannung u die Einschaltspannung UF, gelangt die LED in den Durchlassarbeitsbereich. Die Kennlinie in diesem Bereich ist auffällig steil, was auf eine sehr niedrige Impedanz der LED hindeutet. Schon geringe Schwankungen der Durchlassspannung innerhalb dieses Bereichs können zu deutlichen Stromerhöhungen führen; so kann beispielsweise eine kleine Spannungsschwankung ΔV eine große Stromänderung ΔI zur Folge haben. Der Durchlassarbeitsstrom der LED ist exponentiell von der angelegten Durchlassspannung abhängig:

Dabei stellt Is den Sperrsättigungsstrom dar. Die Grafik in Abbildung 132531 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen dem Lichtstrom φ der LED und dem durchschnittlichen Strom Iav. Sie zeigt, dass der Lichtstrom linear mit steigendem durchschnittlichen Strom ansteigt. Durch die Anpassung des durch die Leuchtdiode fließenden Stroms lässt sich somit der LED-Lichtstrom regulieren, was wiederum die Beleuchtungsstärke im Hühnerstall steuert.

Der Betriebsstrom der LED-Lampe hängt eng mit ihrer Betriebsspannung zusammen. Darüber hinaus beeinflusst der Strom die Temperatur erheblich, was sich wiederum direkt auf die Lebensdauer der LED auswirkt. Daher ist es wichtig, das Netzteil so zu gestalten, dass eine konstante Spannung gewährleistet ist. Der Lichtstrom der LED-Lampe ist direkt proportional zum Durchschnittsstrom, sodass die Helligkeit durch Anpassung des Durchschnittsstroms gesteuert werden kann. Dies wird durch die PWM-Methode (Pulsweitenmodulation) zur Helligkeitsregelung erreicht.

Basierend auf dieser Analyse und unter Berücksichtigung der Beleuchtungssteuerungsanforderungen für jede Phase und jeden Abschnitt des Hühnerstall-Fütterungszyklus verwenden die 24 LED-Leuchten in jedem Abschnitt die PWM-Methode mit einem einstellbaren Arbeitszyklus, um die Beleuchtung in ihren jeweiligen Bereichen zu steuern.

4. Gesamtkontrolllösung

Die Gesamtsteuerungslösung ist in Abbildung 15 dargestellt und umfasst die Hauptsteuerzentrale, den Kommunikationskanal und vier Slave-Steuerknoten. Die Steuerung erfolgt mittels Embedded-Technologie. Der Programmcontroller sowohl für die Hauptsteuerzentrale als auch für die Slave-Steuerknoten verwendet den Mikroprozessor ATmega16 mit integriertem UART und kommuniziert seriell. Da die Steuerbusleitung zwischen der Hauptsteuerzentrale und den Slave-Knoten über 100 Meter lang ist, hat der Autor das HJF-Kommunikationsprotokoll entwickelt, um eine zuverlässige und stabile Kommunikation zu gewährleisten.

4.1 Hauptkontrollzentrum

Die Hauptsteuerzentrale dient als Schnittstelle zwischen dem Bediener und der primären Steuereinheit und verwaltet die untergeordneten Steuerknoten. Um dem Zuchtpersonal die Bedienung zu erleichtern, verfügt die Zentrale über Drehschalter zur Steuerung der Beleuchtung und LED-Anzeigen zur Anzeige des Betriebsstatus. Vier Drehschalter dienen zur Bedienung von vier einpoligen Vierwegschaltern, die die Beleuchtungsverhältnisse in den vier Bereichen des Hühnerstalls regeln: Aus, 5 lx, 10 lx und 50 lx Beleuchtung. Drei LED-Anzeigen entsprechen den Beleuchtungsstärken 5 lx, 10 lx und 50 lx. In der Praxis fasst die Hauptsteuerzentrale die Betriebsanforderungen für die vier Zonen in HJF-Kommunikationsprotokollrahmen zusammen, die dann über einen Protokollbus an die Steuermodule der einzelnen Bereiche gesendet werden.

4.2 Kommunikationskanal

Der Kommunikationskanal ist für den Empfang, die Analyse und die Übertragung von Master-Steuerinformationen an die Slave-Steuerknoten verantwortlich. Die Entfernung vom Hauptkontrollzentrum zum entferntesten Slave-Steuerpunkt im Brutgebiet beträgt über 100 Meter, während die Übertragungsreichweite des seriellen UART-Ports des Mikroprozessors über 10 Meter beträgt, was zu Paketverlusten führen kann. Um die Fernkommunikation zu erleichtern, werden ein Sender und ein Empfänger implementiert, die UART-Daten in das HJF-Datenformat konvertieren und so einen HJF-Protokoll-Kommunikationskanal über den Bus erstellen.

4.3 Slave-Steuerknoten

Das Lichtsteuerungssystem nutzt PWM-Dimmung, wobei der PWM-Steuerimpuls vom Slave-Steuerknoten generiert wird. Die Steuerungstopologie ist in Abbildung 14 dargestellt. Der Slave-Steuerknoten ruft die Betriebsanforderungen durch Analyse der Nachrichten vom Kommunikationskanalempfänger ab und generiert basierend auf diesen Anforderungen einen PWM-Steuerimpuls mit dem entsprechenden Tastverhältnis. Dieser PWM-Impuls regelt die Verbindung zwischen der 36-V-Stromversorgung und den jeweiligen Leuchten in jedem Bereich und steuert so die Beleuchtung durch Steuerung des Durchschnittsstroms.

5. Lösung des Stromversorgungsmodus

5.1 Netzteil-Parameterverzeichnis

Der Gesamtleistungsbedarf der 96 Leuchten im Hühnerstall beträgt 1152 W, wobei jeder Steuerbereich 288 W benötigt. Um eine sichere Stromversorgung zu gewährleisten, wird eine sichere 36-V-Gleichspannungsquelle verwendet. Um die Sicherheitsisolierungsstandards zu erfüllen, müssen Eingang und Ausgang isoliert sein. Daher wird für jeden Steuerbereich ein Schaltnetzteil mit isolierter Topologie verwendet. Daher wird für jeden Bereich ein Schaltnetzteil basierend auf der Analyse und den spezifischen Betriebsbedingungen unter Berücksichtigung einer Redundanzmarge entwickelt. Die spezifischen Parameter für das Schaltnetzteil sind wie folgt:

Eingangsspannung: AC 220 V Netz; Ausgangsspannung: DC 36 V; Maximale Ausgangsleistung: 400 W; Maximaler Ausgangsstrom: 11,12 A; Arbeitseffizienz: ≥ 90 %; Betriebstemperaturbereich: -50 °C bis +60 °C; Isolationseigenschaften: Eingang und Ausgang sind isoliert und alle Ausgangsanschlüsse sowie die AC 220 V-Eingangsanschlüsse und die Erde können hoher Spannung standhalten.

5.2 Gängige isolierte Topologien

Isolierte Topologien bestehen aus Vorwärtstopologie, Flyback-Topologie, doppelseitiger Vorwärtstopologie, Push-Pull-Topologie, Halbbrückentopologie und Vollbrückentopologie. Diese Topologien verfügen über einen Trenntransformator, der eine hohe Spannung und hohe Ausgangsleistung ermöglicht.

5.3 Auswahl der primären Stromversorgungstopologie

Nach der Analyse und dem Vergleich verschiedener gängiger Topologien und unter Berücksichtigung des 36-V/400-W-Stromversorgungsstandards für jede Steuerzone im Hühnerstall identifiziert dieses Dokument die doppelseitige Vorwärtstopologie als primäre Gleichstromumwandlungstopologie für das entworfene Schaltnetzteil. Die doppelseitige Vorwärtstopologie bietet mehrere Vorteile :

(1) Es eignet sich gut für Schaltnetzteile kleiner bis mittlerer Leistung und ist daher die ideale Wahl für Netzteile im Bereich von 300 bis 500 W, insbesondere für das in diesem Dokument besprochene 36 V/400 W-Partitionsnetzteil.

(2) Die Topologie zeichnet sich durch eine unkomplizierte Struktur aus, die leicht zu implementieren ist, die Produktionskosten deutlich senkt und sie für die Massenproduktion geeignet macht, was den Geschäftsanforderungen entspricht.

(3) Die Schaltröhre in der doppelseitigen Vorwärtstopologie erfährt einen minimalen Spannungsabfall, und die Schaltung arbeitet ohne direkte Vorspannung. Dies führt zu geringeren Anforderungen an Leistungsschaltröhren und Hochfrequenztransformatoren.

(4) Die Topologie bietet eine stabile Ausgangsleistung, einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, minimale Schaltverluste, eine reduzierte Wärmeentwicklung und eine zuverlässige Leistung, sodass sie für einen langfristigen, unterbrechungsfreien Betrieb im Außenbereich geeignet ist.