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LED在温室补光中的应用

编辑:北京华士光照明有限公司  字号:
摘要:LED在温室补光中的应用
“万物生长靠太阳”,光照是作物进行光合作用的必备要素之一,光照条件的好坏直接影响作物的产量和品质。自然界中,太阳的光照度随地理纬度、季节和天气状况的不同而变化。温室内的光照度除与上述因素有关外,还与温室结构、管理措施及材料的透光性能等密切相关。由于温室覆盖材料、灰尘以及结构遮光等因素的影响,温室内的光照状况要比露地差得多,一般仅为露地的 30%~70%,尤其是在冬季和早春季节,太阳高度角低,日照时间短,温室内光照度往往不能满足作物生长的需求,人工补光成为众多可控环境温室管理的必然选择。

目前,温室人工补光主要考虑三个方面要素:一是对光照度的要求。以主要作物光补偿点为依据,番茄、黄瓜、辣椒的光补偿点分别为 3000Lx、2000Lx 和 1500Lx,光饱和点为 70000Lx、55000Lx 和 30000Lx,因此,温室补光光照度一般要求在作物冠层达到 1000Lx~3000Lx。二是对光质的要求。作物的光合作用主要利用 400nm~500nm 的蓝紫光、600nm~700nm 的红橙光以及少量 700nm~800nm 的远红外光,温室补光一般根据作物不同,对 R/B(红/蓝)和 R/FR(红/远红)有特定要求。三是对光周期的要求。自然界昼夜交替、周而复始的现象形成了光周期,作物在漫长的进化过程中适应了这种明暗变化。但是,在冬至前后或连阴天时,光照时间往往不能满足作物生长发育需求,需要人工补光来增加光照时间。近年来,温室人工补光已经成为设施园艺生产的重要手段,各种人工光源也得到了快速发展。

1、温室补光常用光源及其特征

目前,常用的温室人工补光光源主要有荧光灯、高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯等。近年来,随着大功率 LED 的研制成功,新型节能光源 LED 也引起了广泛关注。

普通荧光灯提供较多的绿光,约为 50%,其余部分大多为红、蓝光,又分别约占总光谱的 25%,远红色光谱比例很低。荧光灯发光效率较高,寿命长(约 12000h),但是功率较小(目前常用有 28W 和 36W 两种),满足一定光照度所需灯具多。由于含有很多的绿光,容易造成作物徒长。目前常用于植物组培。

钠灯是汞和钠蒸气发光的气体发光光源,分为低压钠灯和高压钠灯两种。低压钠灯出现较早,钠蒸气压不超过几个帕,其发光光谱集中在 589nm 的黄色光,通常只能与其他光源配合使用。发光效率高达 200lm/W,寿命长(约 9000h)。高压钠灯标准工作钠蒸气压约为 10kPa,发光光谱中有较多的红橙光和较少的蓝绿光。发光效率较高,功率大,寿命长(约 12000h),目前在温室补光中使用较多。但由于高压钠灯是热光源,表面温度高,发热量较大,不能近距离照射作物。

金属卤化物灯是汞和稀有金属的卤化物混合蒸气产生电弧从而放电发光的一种气体发光光源。可通过改变金属卤化物组成呈现不同的光谱。其发光效率较高,功率大,寿命长(5000h~20000h)。但是灯内的填充物中有汞,当使用的灯破损或失效抛弃时,都会对环境造成污染。光谱中含有较多的远红光,发热量大,不能近距离照射作物。

LED(lightemittingdiode,发光二极管)光源是近年来发展起来的新型节能光源。与白炽灯、荧光灯和高压钠灯等人工光源相比,LED 具有显着优点:

直流低压供电。小功率彩色 LED 的正向电压通常为 1.5V~2.8V,大功率 LED 的正向电压通常为 3V~4V,远小于安全电压。

节能。钠灯和金属卤化物灯是气体放电发光灯,靠加热升温使金属元素蒸气放电而发光。LED 是固体发光光源,不需要加热就能发光,是一种冷光源,因此其减少了消耗在加热上的电量。

单色光源,发光效率高。LED 可发射单色光,其半波宽大多为±20nm,可以精确地为植物提供所需要的光谱,而不浪费电能发出黄光、绿光等植物不需要的光谱。

体积小、应用灵活。可设计出轻薄短小的灯具,应用空间大。

环保。LED 是固体发光光源,不含汞等有害物质,在安装使用中不会造成污染,其废弃物也可以回收。LED 光源是环保的绿色光源。

寿命长。LED 是固体光源,内部不存在松动部分,没有玻璃、灯丝等易损和易烧部件,机械强度大,耐振动,耐冲击,寿命可达 50000h 以上。

LED 光源的明显优势已经引起荷兰、日本、美国等国学者的关注,尤其是近年来大功率 LED 的研发成功,为 LED 在温室补光应用奠定了基础。

2温室补光 LED 光源类型及结构

常用的 LED 温室补光光源主要有两种形式,一种是垂直照射的点光源式,一种是穿插于植株之间进行侧面照射的带光源式。目前,LED 光源用于温室人工补光尚处于试验阶段。

2.1点光源式

点光源式(如图 3)是较早得到开发和应用的 LED 温室补光光源,可以根据不同气候条件、不同作物类型以及生长的不同阶段,调整 LED 补光光源的光照度和光质。

其安装方式多为在温室顶部已有骨架基础上加装条状 LED 供电装置,也可以独立安装 LED 光源的支撑结构和供电装置,LED 点光源从供电装置中引出,垂直向下照射植物。每个 LED 点光源由数个 LED 灯珠组成,根据组装要求不同,外形可以为方形或圆形。根据作物种类不同,红色_ED 点光源和蓝色 LED 点光源间隔布置,叶菜类作物可以考虑设置红蓝光照度比(R/B)为(7~9):1,因为红光对茎伸长有促进作用,也可起到增加产量的作用,果菜类作物 R,B 比可设置为(5~10):1。

独立安装 LED 点光源支撑结构的 LED 温室补光系统。左上角为 LED 点光源的供电装置,正面立柱是 LED 点光源和供电装置的支撑结构。LED 点光源一般悬挂于植株上方进行补光,光源系统常处于固定状态,高度不易调节,对于达到一定高度的果菜类作物补光较为适宜。

2.2带光源式

带光源式 LED 温室补光系统是在点光源基础上开发起来的光源系统,其显着特征是高度可以调节,可以根据不同作物需求及不同生长阶段进行光源的高度、光照度和光质调节。

带式 LED 光源结构相对简单,克服了点光源式 LED 组件多、安装复杂的弊端,夏季不用时还可置于天沟下侧,避免对通风降温以及栽培操作的影响 i 由于高度可以调节,可根据作物大小近距离照射作物,光能损失小,效率高:带式光源还可置于作物冠层下部,形成穿插照射,避免从上部照射时冠层叶片对下部植株的遮挡。

顶置带光源将 LED 内置于柔性材料中,供电装置置于带光源两端。选用大功率(>1W)LED 芯片的灯珠,单颗排列,红蓝光比例按植物 R/B 的需求不同顺序设置。由于带光源质量较轻,无需支撑结构,从而大大简化了系统结构。图 4为带光源细节图,箭头所指为顶置带光源的柔性灯带,可附着在温室原有骨架或支撑上,质量轻,结构简单。

LED 灯带与植物距离可根据作物的高度不同自由调节。同时,由于大功率 LED 的选用,使植物下层叶片的光环境也得到一定的改善,光遮蔽明显减小,光照均匀度明显提高。

穿插带光源:设计思路不同于上述两种 LED 温室补光光源,其主要特点是充分利用 LED 发热量小的特点,使光源与植物零距离接触,光损失比顶置带光源还小,充分发挥带光源柔性的特点,布置在作物行间或垄间,甚至缠绕于植物上,最大程度地满足了作物的光合需求。

红色 LED 穿插带光源置于植物主要茎秆上,也穿插在植株之间照射,并且布置多层穿插带光源,彻底解决了上层叶片引起的光遮蔽问题。同时,由于零距离照射,能够使光质调节作用发挥得更充分。例如,针对作物节问伸长需要,在作物节间区布置红色 LED;针对果实形成以及蛋白质的合成对蓝光的需要,可在果实区域酌情增加蓝色 LED。

3小结

光是作物生长最重要的环境因子之一,荷兰学者指出“1%的光照就是 1%的产量”,可见光在作物生产中的重要程度。温室本身的光照比露地要低得多,尤其在冬春季节和连阴雨雪条件下,光照不足的状况会更加明显,已经成为限制蔬菜产量的重要因素,温室人工补光将是必然的选择。

目前的温室人工补光光源主要有荧光灯、高压钠灯、低压钠灯和金属卤化物灯等,这些光源红外和绿光等光谱成分所占比重较大,作物光合作用所需的红、蓝光谱成分较少,光能利用率低,耗能大,运行成本高。因此,新型节能光源的研发迫在眉睫。

LED 光源,尤其是大功率 LED 芯片产品的开发成功,为温室人工补光提供了新的手段。与高压钠灯相比,LED 可节能 50%~80%,节能效果显着。目前,正在研究的点光源式和带光源式 LED 光源均在一定范围内具有应用价值,相信在不久的将来,随着这些产品的定型化以及 LED 成本的进一步降低,LED 温室补光光源必将得到全面的普及。
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