侵权投诉
当前位置:

OFweek半导体照明网

LED照明

正文

植物工厂补光照明方法现状与趋势

导读: 光作为重要的物理环境因子,对植物的生长发育和物质代谢均起到关键的调控作用。“植物工厂的主要特征之一就是全人工光源并实现光环境的智能调控”已经成为业界的普遍共识。

植物工厂将现代工业、生物科技、营养液栽培和信息技术等相结合,对设施内环境因子实施高精度控制,具有全封闭、对周围环境要求低,缩短植物收获期,节水节肥、无农药生产、不向外排放废物等优点,单位土地利用效率是露地生产的40~108倍,其中智能化人工光源及其光环境调控对其生产效率起到决定性作用。

光作为重要的物理环境因子,对植物的生长发育和物质代谢均起到关键的调控作用。“植物工厂的主要特征之一就是全人工光源并实现光环境的智能调控”已经成为业界的普遍共识。

植物对光照的需求

植物的生命活动离不开光照,光是植物光合作用的唯一能量来源,光照强度、光质(光谱)及光的周期性变化对作物的生长发育具有深刻影响,其中以光照强度对植物的光合作用影响最大。
光照强度

光照的强弱能改变作物的形态,如开花、节间长短、茎的粗细及叶片的大小与薄厚。植物对光照强度的要求可分为喜光型、喜中光型、耐弱光型植物。蔬菜多数属于喜光型植物,其光补偿点和光饱和点均比较高,在人工光植物工厂中作物对光照强度的相关要求是选择人工光源的重要依据,了解不同植物的光照需求对设计人工光源、提高系统的生产性能都极为必要。

光质

光质(光谱)分布对植物光合作用和形态建成同样具有重要影响(图1)。光是辐射的一部分,而辐射是一种电磁波。电磁波具有波的特性与量子( 粒子) 特性。光的量子称为光子(photon),在园艺领域亦称为光量子。波长范围为300~800nm的辐射称为植物的生理有效辐射(physiologically active radiation); 而波长范围400~700nm的辐射称为植物的光合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR)。

植物光合作用最重要的2种色素是叶绿素(Chlorophyll)和胡萝卜素(Carotenes)。图2为各光合色素的光谱吸收图谱,其中叶绿素吸收光谱集中在红蓝波段,照明补光系统是根据作物的光谱需求进行人工补光,以促进植物的光合作用。

光周期

植物的光合作用和光形态建成与日长(或光期时间)之间的相互关系称为植物的光周性。光周性与光照时数密切相关,光照时数是指作物被光照射的时间。不同的作物,完成光周期需要一定的光照时数才能开花结实。按照光周期的不同,可分为长日照作物,如白菜等,在其生育的某一阶段需要12~14h 以上的光照时数;短日照作物,如洋葱、大豆等,需要12~14h以下的光照时数;中日照作物,如黄瓜、番茄、辣椒等,在较长或者较短的日照下,都能开花结实。

环境三要素中,光照强度是选择人工光源的重要依据,目前对光照强度有多种表述方法,主要包括如下3种。

(1)光照度(Illumination)是指受照平面上接受的光通量面密度(单位面积的光通量),单位:勒克斯(lx)。

(2)光合有效辐射照度PAR,单位:W/m2。

(3)光合有效光量子流密度PPFD 或PPF即单位时间、单位面积上到达或通过的光合有效辐射的光量子数,单位:μmol/(m2·s)。主要指与光合作用直接有关的400~700nm的光照强度。也是植物生产领域最常用的光照强度指标。

典型补光系统的光源分析

人工补光是通过安装补光系统,提高目标区域内的光照强度或延长光照时间从而实现植物对光的需求。一般来说,补光系统包括补光设备、电路及其控制系统。补光光源主要包括白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯及LED等几种常用类型。由于白炽灯电光效率低,光合能效低等缺点,已经被市场淘汰了,故本文不做详细分析。

荧光灯 属于低压气体放电灯的类型。玻璃管内充有水银蒸汽或惰性气体,管内壁涂有荧光粉,光色随管内所涂荧光材料的不同而异。荧光灯光谱性能好,发光效率较高,功率较小,与白炽灯相比寿命较长(12000h),成本相对较低。因荧光灯自身发热量较小,可以贴近植物进行照明,适用于立体栽培,但荧光灯光谱布局不合理,国际上比较常用的方法是增设反光罩,尽量增加栽培区作物的有效光源成分。日本adv-agri公司还开发了新型补光光源HEFL,HEFL实际上属于荧光灯范畴,是冷阴极荧光灯(CCFL)及外部电极荧光灯(EEFL)的总称,是一种混合电极荧光灯。HEFL灯管极细,直径仅4mm 左右,长度按照栽培需要可从450mm调节到1200mm,算是常规荧光灯的改进版。

金属卤化物灯 在高压水银灯的基础上,通过在放电管内添加各种金属卤化物(溴化锡、碘化钠等)而形成的可激发不同元素产生不同波长的一种高强度放电灯[5]。卤化灯发光效率较高、功率大、光色好、寿命较高、光谱大。但由于发光效率低于高压钠灯,寿命也比高压钠灯短,目前仅在少数植物工厂使用。

高压钠灯 属于高压气体放电灯类型。高压钠灯是在放电管内充高压钠蒸汽,并添加少量氙(Xe)和汞灯金属的卤化物的一种高效灯。由于高压钠灯具有较高的电光转换效率同时兼顾较低制造成本,所以目前农业设施补光应用中高压钠灯是最广泛的,但由于其光谱存在光合效率低的缺点,造成能效较低的短板。另一方面高压钠灯所发出的光谱成分主要集中在黄橙光波段,缺少植物生长必须的红色和蓝色光谱。
发光二极管(LED)作为新一代光源,具有更高的电光转换效率,光谱可调、光合效率高等诸多优点。LED能够发出植物生长所需要的单色光,与普通荧光灯等补光光源相比,LED具有节能、环保、寿命长、单色光、冷光源等优点。随着LED的电光效率进一步提升,规模效应产生的成本下降,LED将成为农业设施补光的主流设备。

通过比较,可清晰了解不同补光光源的特性,如表1所示。

1  2  下一页>  
声明: 本文由入驻OFweek公众平台的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

我来说两句

(共0条评论,0人参与)

请输入评论

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

OFweek品牌展厅

365天全天候线上展厅

我要展示 >
  • 照明设计
  • 照明结构
  • 照明工程
  • 猎头职位
更多
文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号