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设施园艺半导体照明技术

产品介绍

设施园艺照明是耗电过程,是一项生产工程技术,节能高效是追求主体目标。设施园艺LED照明系统是设施园艺半导体照明的执行机构,其智能化、节能性能的高低直接关系到照明效率和效果,节能性和生物光效高低是决定设施园艺LED照明系统优劣的最终标准。

从光能产生到植物吸收利用的过程来分析,设施园艺LED照明系统的光能利用效率是指电能转化为光能被植物利用的效率,它受3个环节控制,即LED光源及LED灯具、LED灯悬挂装置及调控系统、光环境智能控制系统。

因此,为了提高设施园艺LED照明系统的光能利用效率,需要从上述3个方面来解析研发。

设施园艺LED照明系统光能利用效率需不断提升优化。设施园艺LED照明系统光效提升的途径主要包括以下几个途经。

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①LED光源及LED灯发光效率。以人工光源灯具输出的光合有效光量子通量与其单位耗电量的比值,即光合有效光量子效率(mol/W)来评价光源灯具光效,但这必须以光谱构建为基础。

 

首先,在LED芯片光质构建方面通过芯片选型、光谱构建、荧光粉应用、封装方式等获得低成本、节能高效光谱;其次,按照需要选择适宜的LED灯珠发光角度和LED阵列排布方式,获得垂直方向适宜的光强分布和均匀性;再次,通过LED光源灯具发光面性状设计,获得最大冠层光能截获率,提高光照效益;最后,改进灯具的散热系统装置,提高寿命,获得较好的投入产出效益。

 

目前,常见几种散热方式有:自然冷却、主动空气冷却、直接液体冷却等,通过热导热、热对流和热辐射散热。

 

②LED灯悬挂装置及调控系统效率。LED灯悬挂装置及调控系统涉及LED灯与作物冠层相对空间关系,涉及到光束照射方向、照射面、冠层光截获比例等参数。光环境智能控制系统关系到光照的时空生物有效性、强度适宜性和产量品质效益等3个方面。

 

LED灯悬挂装置及调控系统包括悬挂方式、空间位置调节装置、栽培平台创新与调控等环节的技术途径。

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③光环境智能控制系统效率。实现实时按需给光,最大限度地发挥光能与光信号的生物学功能。

 

设施园艺半导体照明的本质特征是光环境(光质、光强和光周期)的精准、动态、按需调控,实施高效的农业半导体照明就需要以农业生物光环境需求时空规律为基础建立不同的调控策略,迫切需要构建农业半导体照明大数据及智能控制系统。

 

光质、光强和光周期的控制,从光的质量和数量双重角度与植物光环境需求规律相对应,恰到好处地为植物生长提供适宜的光环境条件最大限度地从时空角度挖掘植物生长发育的潜力,最大地促进植物快速优质生长。为了构建农业半导体照明大数据,需要以农业生产领域和农业生物种类为核心,以优化光质种类及其数量属性为重点,建立优质高产光环境需求动态数据,建立调控策略和软硬件装备。

温室补光技术

Nederhoff(2000)指出LED是温室补光的有前景的技术,比HPS更加高效可行。某些LED的光电转换效率高于HPS,且仍在提高。而且,在激活植物光合作用方面,红光高于HPS灯。LED具有特殊光质,可启动植物特殊效应,或控制植物过程和植物平衡(形态建成效应)。

 

在荷兰,LED可提高能量效率。荷兰相关研究表明,LED应用于冬季果菜、沙拉植物(尤指莴苣)、药用植物、切花和观赏植物生产是可行的。

 

根据灯具悬挂方式与照射方向,以及LED光源与灯具和冠层相对位置关系,温室补光技术分为温室顶部补光、冠层顶部补光(Top lighting)、行间冠层补光(interlighting)、冠层内补光、(落地)垂直侧面补光和立体多层照明系统(muli-layer systems)六大类。
温室HPS照明通常安装于温室顶部,距离作物顶部1.5m以上,防止高温灼伤植物,因为LED不产生辐射热,可贴近植物照射。行间补光是指LED灯被放在植物间,高度处于光合活性较高的叶片群位置,光效增高。在有光照条件下,作物下部叶片可保持活性更长时间。而且,空气冷却型LED灯放于植物间其所放热量释放可加热植物。
HPS灯释放热量加温植物刺激叶片呼吸作用,相反呼吸作用冷却叶片,所以HPS灯下植物叶片温度可低于、等于或高于周围空气温度。呼吸作用在HPS灯下较高,而在水冷顶部补光LED灯下最低。荷兰标准化灯具安装,光强在80~120umo/m2·s,最大200umol/m2·s。

不同补光方式存在光照与叶片角度差异。过去十几年,许多研究集中于比较不同补光光源种类之间,不同蓝光比例之间,以及补光方式之间的节能与作物反应效果差异。

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冠层顶部补光技术

借助LED光源向下冷光源的特性,在冠层上部平行于冠层水平面悬挂LED灯具,垂直照射冠层上表面。这种方式适用于薄冠层、高密度、冠层上表面较齐整的温室生产方式,比如育苗、叶菜生产等。由于LED冷光源可以近距离照射植物,可将LED灯置于冠层上方距离较近之处。

 

目前,可通过培养架(张立伟等,2010)、水培层架(李雯琳等,2010)或可移动灯架(吴家森等,2009)等栽培装置将LED灯安装在作物冠层的正上方。苗期增加光合作用DLI(photosynthetic daily light integral)提高花坛植物苗的生长和开花。在育苗的不同时期增加DLI对植株和随后生长发育的影响(Oh等,2010)。

行间冠层补光技术

行间冠层补光技术是将LED灯置于作物两行间冠层高度位置,通过特定发光角度设计双向或单向照射冠层光合活性叶片群。照射角度尽量与叶片垂直,以提高截获光强水平。该方法适于用双向LED灯。该技术适合高大果菜温室生产补光,如番茄、黄瓜等,能够最大化提光合活性叶片群光合能力,并近距离运输给生长点和果实。
Henández和Kubota(2012)研究了不同光谱LED行间补光对温室迷你黄瓜的影响,顶部补光光强(145umol/m2·s,PAR)由HPS提供。3种LED补光光谱为红光、蓝光和白光LEDs,14.5umol/m2·s,仅为顶部补光的10%。

所有LED补光提高了果实外观品质,也在早期增加果实产量,但增产效应后期消失。较小的作物冠层和郁密度(LED补光系统上)降低了光的截获,有益效益下降。

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