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設施園藝半導體照明技術

產品介紹

設施(shi)園(yuan)藝(yi)照(zhao)明是耗(hao)電過程,是(shi)一項生產(chan)工程技術(shu),節(jie)能(neng)高(gao)效(xiao)是追求(qiu)主(zhu)體目標(biao)。設施園藝LED照明係(xi)統(tong)是設施園藝半(ban)導(dao)體照明的(de)執(zhi)行(xing)機構,其(qi)智能化(hua)、節能性(xing)能的高低(di)直(zhi)接關(guan)係到(dao)照明效率和(he)效果,節能性和生(sheng)物(wu)光效高低是決(jue)定設(she)施園藝LED照明係統優(you)劣的最(zui)終標準。

從(cong)光能產生到植物吸收(shou)利用(yong)的過(guo)程來(lai)分(fen)析(xi),設施園藝LED照明係統的光能利用效率(lv)是指(zhi)電(dian)能轉(zhuan)化為光能被植(zhi)物利(li)用的效率,它(ta)受(shou)3個環(huan)節控(kong)製,即LED光源(yuan)及LED燈具(ju)、LED燈懸(xuan)掛裝(zhuang)置及調控係統、光環境(jing)智(zhi)能控製係統。

因(yin)此(ci),為(wei)了提高設施園藝LED照明係統的光能利用效率,需(xu)要(yao)從上述(shu)3個(ge)方(fang)麵(mian)來解析研(yan)發。

設施園藝LED照明係統光能利用效率需不斷(duan)提升優化。設施園藝LED照明係統光效提(ti)升(sheng)的途(tu)徑(jing)主要包括以(yi)下幾(ji)個途經。

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①LED光源及(ji)LED燈發光效率。以人(ren)工光源燈具輸出(chu)的光合有效光量子通(tong)量(liang)與(yu)其單(dan)位耗電量的比(bi)值(zhi),即光合(he)有(you)效光量子(zi)效率(mol/W)來評(ping)價光源燈具光效,但這必須以光譜(pu)構建(jian)為基(ji)礎。

 

首先,在LED芯片光質構(gou)建方麵通過芯(xin)片選型、光譜構建、熒(ying)光粉(fen)應用、封(feng)裝方式等獲得低成(cheng)本、節能高效光譜;其次,按(an)照需要選擇(ze)適宜的LED燈珠(zhu)發光角度和LED陣(zhen)列排(pai)布方式,獲得(de)垂直方向(xiang)適宜的光強分布(bu)和均(jun)勻(yun)性;再(zai)次(ci),通過LED光源燈具發光麵性狀(zhuang)設計,獲(huo)得最大(da)冠層光能截獲率,提高光照效益;最後,改(gai)進(jin)燈具的散熱(re)係統裝置(zhi),提高壽命(ming),獲得較(jiao)好(hao)的投(tou)入(ru)產出效益。

 

目前,常見(jian)幾種(zhong)散(san)熱方式(shi)有:自(zi)然(ran)冷卻、主動(dong)空(kong)氣(qi)冷(leng)卻、直接液(ye)體冷卻(que)等(deng),通過熱導熱、熱對(dui)流(liu)和熱輻(fu)射散熱。

 

②LED燈懸掛(gua)裝置及調控係統效率。LED燈懸掛裝置及調(diao)控係統涉(she)及LED燈與作物冠層(ceng)相對空間關係,涉及到光束照射方向、照射麵、冠層光截(jie)獲比例等參(can)數。光環境智能控製(zhi)係統關係到光照的時(shi)空生物有效性、強度(du)適(shi)宜性和產量品質(zhi)效益(yi)等3個方麵。

 

LED燈懸掛裝置及調控係統包括(kuo)懸掛方式、空間位置調節裝置、栽培平台創新與調控等環節的技術途徑。

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③光環境智能控製係統效率。實(shi)現(xian)實時按需給光,最大限(xian)度地(di)發揮(hui)光能與光信(xin)號(hao)的生物學功(gong)能。

 

設施園藝半導體照明的本質特征(zheng)是光環境(光質、光強和光周期)的精(jing)準、動態(tai)、按需調控,實施高效的農業半導體照明就(jiu)需要以農(nong)業生物光環境需求時空規(gui)律(lv)為基礎建立不同的調控策(ce)略,迫(po)切需要構建農業半導體照明大數據(ju)及智能控製係統。

 

光質、光強和光周期(qi)的控製,從光的質量和數量雙重(zhong)角(jiao)度與植物光環境需求規律相對應(ying),恰到好處(chu)地為植物生長提供適宜的光環境條(tiao)件最大限度地從時空角度挖掘植物生長(zhang)發(fa)育(yu)的潛(qian)力,最大地促(cu)進植物快(kuai)速優質生長。為了構建農業(ye)半導體照明大數(shu)據,需要以農業生產領域和農業生物種類(lei)為核(he)心(xin),以優化光質種類及其數量屬性為重點,建立(li)優質高產光環境需求動態數據,建立調控策略(lve)和軟(ruan)硬件裝備(bei)。

溫室(shi)補光技(ji)術

Nederhoff(2000)指出LED是溫(wen)室補光的有前(qian)景的技術,比HPS更加(jia)高效可行。某些LED的光電轉換效率高於HPS,且仍(reng)在提高。而(er)且,在激(ji)活植物光合作用方麵,紅光高於HPS燈。LED具有特(te)殊光質,可啟動植物特殊效應,或控製植物過程和植物平(ping)衡(形態建成效應)。

 

在荷蘭,LED可提高能量效率。荷(he)蘭(lan)相關研究(jiu)表(biao)明,LED應用於(yu)冬(dong)季果(guo)菜(cai)、沙拉植物(尤(you)指萵(wo)苣(ju))、藥用植物、切花(hua)和觀(guan)賞(shang)植物生產是可(ke)行的。

 

根據燈具懸掛方式與照射方向,以及LED光源與燈具和冠層相(xiang)對位置關係,溫室補光技術分為溫室頂(ding)部補光、冠(guan)層頂部補(bu)光(Top lighting)、行間冠層補光(interlighting)、冠層內補光、(落(luo)地)垂(chui)直側麵補光和立體(ti)多層照明係統(muli-layer systems)六大類。
溫室HPS照明通常安裝於溫室頂部,距(ju)離(li)作物頂部(bu)1.5m以上,防(fang)止高溫灼傷(shang)植物,因為LED不(bu)產生輻射熱,可貼近(jin)植物照射(she)。行間(jian)補光是指LED燈被放(fang)在植物間,高度處於光合活性較高的葉片群(qun)位(wei)置,光效增高。在有光照條件下(xia),作物下部葉(ye)片(pian)可保(bao)持(chi)活性更長時間。而且,空氣冷卻型LED燈放於植物間其所(suo)放熱量釋(shi)放可加熱植物。
HPS燈釋放熱量加溫植物刺(ci)激葉片呼吸(xi)作(zuo)用,相反呼吸作用冷卻葉片,所以HPS燈下植物葉片溫度可低於、等於或(huo)高於周(zhou)圍(wei)空氣溫度。呼吸作用在HPS燈下較高,而在水(shui)冷頂部補光LED燈下最低。荷蘭標準(zhun)化燈具安裝,光強(qiang)在80~120umo/m2·s,最大200umol/m2·s。

不同(tong)補光方式存(cun)在光照與葉片角度差(cha)異(yi)。過去十(shi)幾年,許多研究集(ji)中於比較不同補光光源種類之(zhi)間,不同藍光比例之間,以及補光方式之間的節能與作物反(fan)應效果差異。

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冠層頂部補光技術

借助LED光源向下冷光源的特性,在冠層上部平行於冠層水平麵懸掛LED燈具,垂直照射冠層上表麵。這(zhe)種方式適用於薄冠層、高密度、冠層上(shang)表麵較齊(qi)整(zheng)的溫室生產方式,比如育苗(miao)、葉菜生產等。由於LED冷光源可以近距離照射植物,可將(jiang)LED燈置於冠層上方距離較近之處。

 

目(mu)前,可通過培養架(jia)(張立偉等,2010)、水培層架(李雯琳(lin)等,2010)或可移(yi)動燈架(吳家森等,2009)等栽(zai)培(pei)裝置將LED燈安(an)裝在作物冠層的正(zheng)上方。苗期增(zeng)加光合作用DLI(photosynthetic daily light integral)提高花壇植物苗的生長和開花。在育苗的不同時期增加DLI對植株和隨後(hou)生長發育的影響(xiang)(Oh等,2010)。

行間冠層補光技術

行間冠層補光技術是將LED燈置於作物兩行間冠層高度位置,通過特定發光角度設計雙向或單向照射冠層光合活性葉片群。照射角度盡量與葉片垂直,以提高截獲光強水平。該方法適於用雙(shuang)向LED燈。該技術適合高大果菜溫室生產補光,如番(fan)茄、黃瓜等,能夠最大化提光合活性葉片群光合能力(li),並近距離運輸給生長點和果實。
Henández和Kubota(2012)研究了不同光譜LED行間補光對溫室迷你黃(huang)瓜(gua)的影響,頂部補光光強(145umol/m2·s,PAR)由HPS提供(gong)。3種LED補光光譜為紅光、藍光和白(bai)光LEDs,14.5umol/m2·s,僅為頂部補光的10%。

所有LED補光提高了(le)果實外(wai)觀品質,也(ye)在早(zao)期增加果實產量,但增產效應後期消(xiao)失。較小(xiao)的作物冠層和鬱(yu)密(mi)度(LED補光係統上)降(jiang)低了光的截獲,有益效益下降。

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