養鶏照明ソリューション：鶏小屋照明システム

養鶏照明ソリューション：鶏小屋照明システム

ディレクトリ:
1. 鶏舎の照明レイアウトの分析と設計
2. 配光分析
3. 照明制御ソリューション
4. 全体制御ソリューション
5. 電源モードのソリューション

この文書は、養鶏場向け照明ソリューションの包括的な設計を提示します。システムの構成と仕様の詳細、距離と高さの比率を用いた照明分布と個々のランプの光出力の評価、照明制御戦略の概要、システム制御アプローチの確立、そして各セクションのスイッチング電源の設計基準を示します。

1.養鶏場における照明レイアウトの分析と設計

1.1 鶏小屋の内部レイアウト

鶏舎は長さ120メートル、幅16メートル、総面積1,920平方メートルです。電力消費量とコストを削減するため、プロジェクトを統括する会社は新しいLED照明の導入を要請しました。鶏の繁殖サイクルの各段階における照明ニーズの変化と、鶏舎内の各区画におけるブロイラーの成長の違いを考慮し、会社は鶏舎を4つの照明ゾーンに分割することを決定しました。各ゾーンは独立した照明制御システムを備え、鶏舎には中央制御ハブが設置されます。

これらの要件に基づき、中央制御ハブと独立制御された4つのセクションを含む照明システムレイアウトソリューションが開発されました。従業員は中央ハブから各セクションの照明を管理できます。飼育プロセスにおいてすべての鶏に均一な照明条件を確保するには、鶏舎の床全体に光が均等に分散される必要があります。

1.2 鶏の成長サイクルにおける照明要件

照明はブロイラーの成長と増体を促進する上で重要な役割を果たしており、現代の養鶏において照明技術は不可欠な要素となっています。ブロイラーは成長段階によって必要な照明が異なります。育雛期には、孵化したばかりのひな鳥は視力が限られているため、通常は高照度照明を用いて摂食・飲水を促すことで健全な発育をサポートします。成鳥期には、低照度照明によってブロイラーの活動レベルを低下させ、つつき行動などの行動を最小限に抑えることで増体を促進します。出荷期には、低照度照明によってブロイラーを落ち着かせ、作業員が取り扱いやすくなります。

鶏の繁殖サイクルにおける3つの段階の照明要件は以下のとおりです。0～7日齢（育雛期）は50ルクス、8～45日齢（成長期）は10ルクス、そして出荷期には5ルクスが必要です。したがって、鶏の繁殖サイクル全体を通して照明は継続する必要があり、必要な照度レベルは鶏の月齢に応じて変化します。

1.3 制御要件

鶏舎内の照明制御ゾーンは、スタッフ制御エリアと主給餌エリアで構成されています。主給餌エリアはさらに4つのゾーンに分割されています。主制御センターはスタッフ制御エリア内に配置され、4つのゾーンはそれぞれ従属制御ノードによって制御されています。全体的な仕様は次のとおりです。

（１）中央制御室は、各ゾーンの照明を個別に管理でき、オフ、51lx、10lx、50lxの照度設定が可能でなければならない。

（２）給餌時間中は従業員が頻繁に出入りするため、安全を確保するため、電源電圧は安全閾値以下に維持する必要があります。

（３）すべての照明器具は、雨、水、落雷に対して適切に保護されなければならない。

2. 配光解析

鶏舎内の照明は全体照明として機能します。給餌中は床面が均一に照らされることが重要です。鶏舎内の照度の均一性は、設置する照明器具の数、高さ、間隔によって左右されます。施工会社の要件に基づき、鶏舎内の照明器具は3メートルの高さに設置されます。

2.1 距離と高さの比と照明の均一性

本稿では、照明器具の配置と必要数量を決定するために、距離高さ比アプローチを用いる。距離高さ比とは、隣接する2つのランプ間の最大距離と設置高さの比として定義され、図3(a)に示すように、作業面における均一な照明を確保する。図3(a)は、システムにおけるsとhの比を表す。反射がないと仮定すると、地面の照度は、セットアップに含まれる各ランプからの光出力によって決定される。図3(a)と(b)は、それぞれ隣接する2つのランプと4つのランプの地面照度計算方法の概略図である。

図3 距離と高さの比の模式図

図 3(a) は、タイプが同じで、取り付け高さ (h) と距離 (s) が同じ 2 つの隣接するランプ A と B があるシナリオを示しています。点 M と Q は、それぞれランプ A と B の真下の地面にあり、N は線分 MQ の中点です。角度 θ は、ランプ A の垂直線と、ランプ A と点 N を結ぶ線との間に形成され、照明角度と呼ばれます。ランプ A が点 M に照明 E₀ を提供する場合、点 N が照明 E₀ を受けるためには、ランプ A と B の両方が点 N で照明の E₀/2 を寄与して、点 M、N、Q の照明レベルが等しいかほぼ同じになるようにする必要があります。こうして、2 つのランプ間の地面照明が均一に維持されます。

図3(b)は、隣接する4つのランプA、B、C、Dを正方形に配置した配置を示しています。均一な照明を実現するためには、各ランプが幾何学的中心点OにおいてE₀/4の照度を提供する必要があります。これにより、点Oにおける各ランプからの総合照度がE₀と等しくなり、4つのランプ間で均一な地上照度が保証されます。

照明器具を均一な照度を持つ点光源とみなすと、地上の任意の点における照度は照射角θの影響を受けます。図3(a)に示すように、任意の地上位置におけるランプAからの照度寄与は、以下の式で表されます。

Eₙ=E₀cos³θ。

Ehは地上の任意の点における照度を表し、Eoはランプ直下の点Mにおける照度を表します。照度と照射角を示す曲線は図4に示されています。図3(a)と図3(b)のE₀/2とEo/4をこの式に代入すると、隣接する2つのランプと4つのランプで均一な照明を実現するために必要な照射角θ₁とθ₂が決定され、それぞれθ=37.5°とθ₂=51°となります。

図4 EA関数曲線

図3(a)は、2個および4個のランプの距離と高さの比を示す三角形の関係を示しています。S₁/h=2tanC、S₂/h=√2tanθ₂です。ここで、S₁とS₂は、各シナリオにおける隣接する2つのランプ間の距離です。h=3mを代入すると、S₁≈4.60m、S₂≈5.23mとなります。鶏小屋の幅が16mであることを考えると、鶏小屋の中心線120mに沿って隣接する2つのランプのみを使用すると、端の照明が均一にならないことがわかります。したがって、鶏小屋全体に均一な照度分布を実現するには、隣接する4つのランプが必要です。

2.2 鶏小屋の照明の設計ソリューション

隣接する 4 つのランプの照明配置では、ランプ間の距離が 5.23 メートル未満である必要があります。冗長設計と、幅 16 メートル、長さ 120 メートルの鶏小屋の寸法を考慮して、合計 96 個のランプを 4×24 構成で配置します。各行には 24 個のランプがあり、間隔は 5 メートルです。また、各列には 4 個のランプがあり、ランプ間の距離は 4 メートルです。隣接するランプの間隔は、行と列の両方で 5.23 メートル未満であり、必要な基準を満たしています。図に示す照明効果は、各ランプの 1/4 照明ゾーンのカバー領域を示しています。隣接する 4 つのランプからの 1/4 照明円が重なり合うことで、エリア全体の均一な照明が確保されます。

2.3 個々のランプに必要な光束

鶏の繁殖サイクルにおいて、最初の7日間は育雛期にあたり、照明の強度がピークに達します。この期間中、鶏舎内のすべての照明は、鶏舎の床面を平均50ルクスの照度で照らす必要があります。

鶏小屋床面の平均照度と必要光束の関係は式（2-5）20.21で表される。

この式において、E は平均照度、Φ は必要光束、C は利用係数、K は維持係数、S は照明ランプがカバーする面積です。

利用係数（Cu）は、ランプの設置高さと壁面材質の影響を受けます。利用係数表を参照し、Cuは0.9に設定されています。保守係数（K）は、ランプの経年劣化や埃の蓄積などの要因によって決まり、0.9に設定されています。

平均照度50ルクスや鶏小屋の面積などの関連値を式に代入すると、全光束Øを計算できます。

合計 96 個のランプがある場合、各ランプの光束は次のようになります。

3. 照明制御ソリューション

3.1 照明ランプの電力と総エネルギー消費量

照明システムは、光束 Ø が 601m 122 である 5730 パッケージの SMD LED ランプ ビーズを使用します。各照明ユニット内の LED の数 (n で示される) は、次のように決定できます。

冗長性を確保するため、各照明ユニットは24個のSMD LEDで構成され、総光束1,440lmで照明ニーズを満たします。5730個のSMD LEDの定格電力は0.5Wで、動作電圧範囲は2.9～3.1Vです。したがって、1つの照明ユニットに必要な電力P₁は以下のように計算されます。

P=0.5W×24=12W

この分析から、各照明ユニットには合計定格電力12WのSMD LEDが24個搭載されていることがわかります。LEDビーズの数が多く、各LEDの定格電圧が3V、人体接触時の最小安全電圧が36Vであることから、各照明ユニットのLEDビーズは2×12の直並列ハイブリッド構成で接続されています。

鶏小屋には 96 個のランプがあり、合計電力要件は次のようになります。

P₂=12W×96=1152W

3.2 光照明の制御

標準ダイオードと同様に、順方向デッドゾーン、順方向動作ゾーン、逆方向カットオフゾーン、逆方向ブレークダウンゾーンを備えています。

PN接合に印加される順方向電圧uがターンオン電圧UFを超えると、LEDは順方向動作領域に入ります。この領域では特性曲線が著しく急峻になり、LEDのインピーダンスが非常に低いことを示しています。この領域内で順方向電圧がわずかに変動しただけでも、LED電流が大幅に増加する可能性があります。例えば、小さな電圧変動ΔVが電流ΔIに大きな変化をもたらす可能性があります。LEDの順方向動作電流は、印加される順方向電圧と指数関数的に相関しています。

ここで、Isは逆方向飽和電流を表します。図132531のグラフは、LEDの光束φと平均電流Iavの関係を示しています。平均電流が増加すると、光束も直線的に増加することがわかります。したがって、発光ダイオードに流れる電流を調整することでLEDの光束を調整し、鶏舎内の照度を制御することができます。

LEDランプビーズの動作電流は、動作電圧と密接に関連しています。さらに、電流は温度に大きく影響し、LEDの寿命に直接影響します。そのため、電源を一定電圧に保つように設計することが不可欠です。LEDランプビーズの光束は平均電流に正比例するため、平均電流を調整することで明るさを制御できます。これは、PWM（パルス幅変調）方式によって明るさを制御することで実現されます。

この分析に基づき、鶏小屋の給餌サイクルの各段階とセクションの照明制御のニーズを考慮して、各セクションの 24 個の LED ライトは、調整可能なデューティ サイクルを備えた PWM 方式を使用して、それぞれの領域の照明を管理します。

4. 全体制御ソリューション

図15に、制御ソリューション全体を示します。このソリューションには、主制御センター、通信チャネル、および4つのスレーブ制御ノードが含まれています。制御方法は組み込み技術を用いて実装されています。主制御センターとスレーブ制御ノードの両方のプログラムコントローラは、UARTを統合したATmega16マイクロプロセッサを採用し、シリアル伝送を介して通信します。主制御センターとスレーブノード間の制御バスラインが100メートルを超えることを考慮して、著者は信頼性と安定性を確保するためにHJF通信プロトコルを確立しました。

4.1 メインコントロールセンター

メインコントロールセンターは、オペレーターと主要制御装置間のインターフェースとして機能し、スレーブ制御ノードの管理も行います。飼育スタッフの使いやすさを向上させるため、センターでは照明制御用のノブスイッチと動作状態を示すLEDインジケータを採用しています。4つのノブは、鶏舎の4つのセクション（オフ、5lx、10lx、50lx）の照明状態を管理する4つの単極4投スイッチを操作するために使用されます。3つのLEDインジケータは、5lx、10lx、50lxの照明レベルに対応しています。実際には、メインコントロールセンターは4つのゾーンの動作要件をHJF通信プロトコルフレームにコンパイルし、プロトコルバスを介して各パーティションの制御モジュールに送信します。

4.2 通信チャネル

通信チャネルは、マスター制御情報の受信、解析、およびスレーブ制御ノードへの送信を担います。メイン制御センターから繁殖エリア内の最遠のスレーブ制御ポイントまでの距離は100メートルを超え、マイクロプロセッサのUARTシリアルポートの伝送距離は10メートルを超えるため、パケットロスが発生する可能性があります。長距離通信を容易にするために、UARTデータをHJFデータ形式に変換する送信機と受信機を実装し、バスを介してHJFプロトコル通信チャネルを作成します。

4.3 スレーブ制御ノード

照明制御システムはPWM調光を採用しており、PWM制御パルスはスレーブ制御ノードによって生成されます。制御トポロジを図14に示します。スレーブ制御ノードは、通信チャネルレシーバからのメッセージを解析して動作要件を取得し、これらの要件に基づいて適切なデューティサイクルを持つPWM制御パルスを生成します。このPWMパルスは、36V電源と各パーティション内の各照明器具間の接続を調整し、平均電流を管理することで照明を制御します。

5. 電源モードの解決策

5.1 電源パラメータインデックス

鶏小屋内の96個の照明器具に必要な電力は合計1152Wで、各制御区画は288Wを必要とします。安全な電力使用を確保するため、36Vの安全な直流電圧源を採用しています。さらに、安全絶縁基準を満たすために、入力と出力を絶縁する必要があり、各制御区画には絶縁トポロジーのスイッチング電源を使用しています。そのため、分析と具体的な事業所の条件に基づき、冗長性マージンを考慮しながら、各区画ごとにスイッチング電源を設計しています。スイッチング電源の具体的なパラメータは次のとおりです。

入力電圧: AC 220V 主電源; 出力電圧: DC 36V; 最大出力電力: 400W; 最大出力電流: 11.12A; 作業効率: ≥90%; 動作温度範囲: -50℃ ～ +60℃; 絶縁特性: 入力と出力は絶縁されており、すべての出力ポート、および AC 220V 入力ポートとグランドは高電圧に耐えることができます。

5.2 一般的な分離トポロジ

絶縁型トポロジーには、フォワード型トポロジー、フライバック型トポロジー、両端フォワード型トポロジー、プッシュプル型トポロジー、ハーフブリッジ型トポロジー、フルブリッジ型トポロジーがあります。これらのトポロジーは絶縁トランスを備えており、高電圧・高出力を実現できます。

5.3 プライマリ電源トポロジの選択

本稿では、様々な一般的なトポロジーを分析・比較し、鶏舎内の各制御ゾーンに36V/400Wの電源規格が適用されていることを考慮した上で、設計したスイッチング電源の主要なDC変換トポロジーとして、両端フォワードトポロジーを採用することを決定しました。両端フォワードトポロジーには、以下の利点があります。

（１）小電力から中電力のスイッチング電源に適しており、300～500Wの範囲のスイッチング電源、特に本稿で論じた36V/400Wパーティション電源に最適です。

（２）このトポロジーは、実装が容易な単純な構造を特徴としており、生産コストを大幅に削減し、ビジネスニーズに合った大量生産に適しています。

(3) 両端フォワードトポロジーのスイッチ管は電圧降下が最小限に抑えられ、回路は直流バイアスなしで動作します。これにより、電力スイッチ管と高周波トランスに対する要件が低減されます。

（4）このトポロジーは、安定した出力、高い変換効率、最小限のスイッチング損失、発熱の低減、信頼性の高いパフォーマンスを提供し、屋外環境での長期にわたる中断のない動作に適しています。