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【有趣实验】LED灯、荧光灯间歇应用于植物将产生啥影响?

2015-04-28 09:43
雷本祖
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  前人研究表明,间歇式光照可以提高植物的光合能力,LED发热量小,可以长时间使用,但荧光灯发热量高,如果不能及时减少人工光源散发的热量,会导致植物灼伤。本文的设计思路是采用间歇式人工光源,将LED一直点亮,周期性开关荧光灯以降低荧光灯的使用时间,从而减少其热量积聚。

  引言

  农业是资源消耗型产业,传统农业资源(养分、土地等)日益短缺和枯竭严重限制了农业的可持续发展潜力。传统农业依赖于外界自然环境,产量和品质均易受到自然环境中的温度、湿度、光照等因素的影响,不能连续稳定地提供农产品。现阶段农业实际生产中化肥和农药过量使用,导致水体和土壤的重金属污染逐渐加重,不仅影响植物的生长发育,而且污染物在植物叶、茎、根、籽实中大量积累,食用重金属含量超标的农作物会对人体健康造成极大的危害。另外,我国还面临着人多地少、自然资源相对贫乏和资源利用率低等问题。要解决上述问题,就需要转变传统农业的生产模式,采用更先进的农业生产技术。

  植物工厂作为一种全新的农业生产模式,具有环境可控、栽培时间短、不受气候影响、可实现持续稳定生产、全封闭、无虫害、不用农药、安全性高、不受地域限制、节省耕地、自动化成度高、劳动强度低等特点。但是,植物工厂本身还存在着设备投资大、耗电多等制约因素,研究如何降低成本已成为最近研究的热点。植物工厂的能耗成本占总体运营成本的50%~60% ,而人工光源占据总能耗的70% ~80% ,因此减少人工光源的能耗对降低植物工厂运营成本有重大意义。

  LED光源相对荧光灯等传统灯具价格较高,若全部采用LED作为植物工厂的人工光源将导致初期投资成本过高。虽然荧光灯的光能转换率要低于 LED,但其光谱覆盖面广,可以补充LED人工光源缺少的光谱成分。采用LED与荧光灯混合人工光源的办法可以在不降低人工光源光强的基础上,降低人工光源初期投入,有利于植物工厂的推广与应用。

  前人研究表明,间歇式光照可以提高植物的光合能力,LED发热量小,可以长时间使用,但荧光灯发热量高,如果不能及时减少人工光源散发的热量,会导致植物灼伤。本文的设计思路是采用间歇式人工光源,将LED一直点亮,周期性开关荧光灯以降低荧光灯的使用时间,从而减少其热量积聚。

  间歇式人工光源设计

  荧光灯和LED分别选择上海农卉T5-28植物用高效用全光谱荧光灯的和PHILIPS公司的GreenPower DR/W120LED生产模组。T5-28和GreenPower DR/W120 LED生产模组分别如图1和图2所示。

  T5-28 和 DR/W120的光谱能量对比如图3所示,两种形式的光源均在440nm 和650nm左右有一个能量聚集区。这两个光谱区域是植物生长所需要的重要光谱范围,表明两种人工光源均能满足植物生长的需求。其中,DR/W120的能量相对较为集中,这是LED光源的优势所在,但其价格过高依然限制着其在国内的大规模应用。

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