LED植物照明的一些概念误区以及半导体照明的设计方案

高工LED 发表于 2018-02-02 10:20:43 收藏 已收藏
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LED植物照明的一些概念误区以及半导体照明的设计方案

高工LED 发表于 2018-02-02 10:20:43

引言

光照在植物生长的过程中起关键的作用,它是促进植物叶绿素的吸收和胡萝卜等多种植物生长质 素吸收的最好肥料。然而,决定植物生长好坏的决定因素是一个综合因素,不仅与光有关,而且与水土肥料的配置、生长环境条件和综合技术管控都有着密不可分的关系。

最近两三年,有关半导体照明技术在立体式植物工厂或植物生长方面的应用报道层出不穷。但仔细读下来,总有一些不安的感觉。总体上说是没有能够真正认识到光应用到植物生长上应该起到什么作用的问题.

首先来认识一下太阳的光谱,如图1所示。可以看到,太阳光谱是一个连续谱,其中蓝色与绿色光谱相对于红色光谱而言要强,其可见光光谱范围在380~780 nm左右。自然界的生物的生长是与光谱的强度有关的,比如在赤道附近区域大多数植物的生长速度是非常快的,同时生长的尺寸也比较大。但太阳的照射强度不是越高越好,对于动植物的生长是有一定选择性的。

图1 太阳光谱及其可见光光谱的特性

其次,第2个关于植物生长的几个关键吸收要素的光谱简图,如图2所示。

图2 植物生长几种生长素吸收光谱简图

从图2可以看到,影响植物生长的几个关键生长素对于光的吸收光谱是有显著区别的。因此,LED 植物生长灯的应用不是件简单的事,而是非常有针对性的。在这里有必要介绍两个最主要的光合作用植物生长要素的概念。

叶绿素

叶绿素(chlorophyll)是一类与光合作用(photosynthesis)有关的最重要的色素,存在于所有能营造光合作用的生物体,包括绿色植物、原核的蓝绿藻(蓝菌)和真核的藻类。叶绿素从光中吸收能量,然后能量被用来将二氧化碳转变为碳水化合物。

叶绿素a主要吸收红光,叶绿素b主要吸收蓝紫光,主要是为了区别阴生植物与阳生植物。阴生植物的叶绿素b和叶绿素a的比值小,所以阴生植物能强烈地利用蓝光,适应于遮阴处生长。 叶绿素a呈蓝绿色,叶绿素b呈黄绿色。叶绿素a、叶绿素b的强吸收带有两个,1个在波长为630~680 nm 的红光区,另1个在波长为400~460 nm的蓝紫光区。

类胡萝卜素

类胡萝卜素(carotenoids) 是一类重要的天然色素的总称,普遍存在于动物、 高等植物、真菌、藻类中的黄色、橙红色或红色的色素之中。迄今被发现的天然类胡萝卜素已达600多种。

类胡萝卜素吸收光涵盖范围在OD303~505 nm,它提供食物的颜色并影响人体对食物的摄取;在藻类、植物以及微生物中,因其颜色被叶绿素覆盖而无法呈现。在植物细胞中,产生的类胡萝卜素除了吸收并转移能量帮助光合作用的进行,同时还具有保护细胞免于被激态的单电子键氧分子破坏的功能。

一些概念误区

无论从节能效果还是光的可选择性以及光的配合方面,半导体照明已显示出巨大的优势。然而从这两年的快速发展中也看到很多光的设计以及应用 上存在的一些误区,主要有以下几个方面的体现。

①只要把一定波长的红、蓝芯片按照一定的比例进行组合就可以运用到植物的培养中去,比如红蓝比为4:1,6:1,9:1等等。

②只要是白光的灯就可以代替太阳的光照,比如日本广泛使用的三基色白光灯管等等,这些光谱的使用对于植物的生长是有一定的作用,但是效果不如LED做出的光源好。

③只要是把光照的一个重要参数 PPFD(光量子通量密度)达到某一个指标就可以了,比如 PPFD大于200 μmol·m-2·s-1,但是在使用这个指标的时候一定要注意是阴生植物还是阳生植物,要去查询或者找到这些植物的光补偿饱点,又叫光补偿点。在实际的应用中经常会出现苗被烧伤或者枯萎的情况,因此在此参数的设计上一定要根据植物种类、生长的环境和条件来进行有针对性地设计。

关于第1个方面,在引言部分中已经介绍,对于植物生长所需要的光谱应该是一个有一定分布宽度的连续谱,使用光谱很窄(如图3(a))的红、蓝两个特定波长芯片制成的光源很显然是不合适的,在实验中发现,植物会发生偏黄,叶茎很轻,叶茎很单薄等等现象。

对于前些年被普遍使用的以三基色为主的荧光灯管,虽然合成了白色,但其红、绿、蓝 光谱都是分立的(如图3(b)),而且光谱的宽度很窄,下面连续部分的光谱强度相对比较弱,同时功率相对于LED等而言还是偏大的,1.5~3倍的能耗。 因此,在使用效果上是不如LED灯的。

图3 红蓝芯片LED植物灯和三基色荧光灯光谱

PPFD即光量子通量密度,它是指在光合作用中光的有效辐射光通量密度,表示单位时间、单位面积上在400~700 nm波长范围内入射到植物叶茎上的光量子总数。其单位是μE·m-2·s-1(μmol·m-2·s-1)。而光合有效辐射(PAR)是指波长在400~700 nm范围内 的太阳总辐射。它既可用光量子来表示,也可用辐射能量来表示。

以往使用的照度计所反应的光强是亮度,但由于植物生长的光谱因其光源离植物的高度、光的覆盖面以及光线能否通过叶片等而发生变化等,因此在研究光合作用时作为光强的指标是不够确切的,现大多采用PAR。

一般阳性植物PPFD> 50 μmol·m-2·s-1即可启动光合作用机制;而阴生植物 PPFD仅需20 μmol·m-2·s-1。所以选购LED植物灯时,可根据这一参考值和自己栽种的植物类型来选购LED 植物灯的数量。比如,单颗LED植物灯泡PPFD若为 20 μmol·m-2·s-1,则若种植阳性植物需要3颗以上的 LED植物灯泡。

几种半导体照明的设计方案

半导体照明用于植物生长或种植,主要有两种基本参考方法。

目前国内炒得很热的室内种植模式。这种模式有几个特点:

①LED灯的作用是提供植物照明的全光谱,需要灯具提供全部的照明的能量,生产成本比较高;

②LED植物生长灯的设计需要考虑光谱的连续性和完整性;

③需要对照明的时间和照明的强度进行有效地控制,比如要让植物休息几个小时,照射的强度不够还是过强等因素;

④全程需要模仿植物在户外实际最佳生长环境所需要的条件,如湿度、温度和CO2的浓度等。

具有较好的户外大棚种植基础的户外种植模式。此种模式的特点为:

①LED灯的作用是用来补光的,一是加强在白天有日照的情况下蓝光区域和红光区域的光强,促进植物的光合作用,二是在夜间没有日照的时候进行补偿,促进植物生长速度;

②补光灯需要考虑植物处在哪个生长阶段,比如是育苗期,还是开花结果期等。

因此LED植物助长灯的设计首先就应该有两种最基本的设计模式,即全天候照明使用(室内)和植物生长补光使用(户外)。 对于室内植物种植,LED植物助长灯的设计需要考虑3个方面,如图4所示。不可以直接拿三基色的芯片按照一定的比例来封装。

图4 全天候照明使用室内LED植物助长灯的设计思路

比如,一种育苗阶段的光谱,考虑其需要加强根和茎的生长,加强分叶分叉,其光源的使用又是在室内,因此光谱可以设计成图5的形式。

图5 种适用于LED室内育苗期的光谱结构

对于第2类LED植物助长灯的设计,主要是针对在室外大棚种植的基地进行补光助长的设计方案。 其设计思路如图6所示。

图6 户外植物助长灯的设计思路

作者建议更多的种植企业采用第2种方案利用 LED灯具促进植物生长。

首先中国的户外大棚种植已经有几十年的经验,量大面广,南方、北方都有,有良好的大棚种植技术基础,为周边城市提供了大量新鲜上市蔬果,尤其是在有土和水肥种植方面取得了丰富的研究成果。

其次,这种补光方案可以大大减少能源的不必要消耗,同时能够有效地提高蔬果产率,加上我国地缘辽阔,十分方便推广。

作为LED植物照明的科学研究,也为其提供了更广阔的实验基地。图7是本研究团队开发出的1种适合于大棚种植补光的LED助长灯,其光谱如图8所示。

图7 一种LED植物生长助长灯

图8 一种LED植物生长助长灯光谱

根据上述设计思路,研究团队进行了一系列的实验,实验效果十分显著。比如,育苗助长灯,原来使用的灯管是荧光灯,功率为32 W,育苗周期为40天。我们提供了一款12 W的LED灯,育苗周期缩短为30天,并有效地降低了育苗车间灯具温度的影响,节省了空调耗电量。苗的粗壮度、长度和颜色都好于原有的育苗方案。对于普通蔬菜的育苗,也获得了很好的验证结论,其总结如下表所示。

LED植物照明的一些概念误区以及半导体照明的设计方案

其中,补光组PPFD:70~80 μmol·m-2·s-1,红蓝比:0.6~0.7;自然组白天PPFD值变动范围为40~800 μmol·m-2·s-1 ,红蓝比:0.6~1.2。可以看出,上述指标都比自然生长的苗情要好。

结论

本文对LED植物助长灯在植物培育和种植中应用的最新进展进行了介绍,指出了在LED植物生长灯在植物种植和培养中的应用存在的一些误区。最后介绍了作为植物培育和种植所使用LED助长灯开发的技术思路和方案。应该指出,在灯的安装和使用中也存在一些需要考虑的因素,比如灯离植物的距离,灯光的辐照范围以及如何与正常的水、肥、 土的配合等等。

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