LED在植物溫室補光中的應用

http://led.shop2000.com.tw/ 2010-7-28  來源:LED環球在線 
「萬物生長靠太陽」,光照是作物進行光合作用的必備要素之一,光照條件的好壞直接影響作物的產量和品質。自然界中,太陽的光照度隨地理緯度、季節和天氣狀況的不同而變化。溫室內的光照度除與上述因素有關外,還與溫室結構、管理措施及材料的透光性能等密切相關。由於溫室覆蓋材料、灰塵以及結構遮光等因素的影響,溫室內的光照狀況要比露地差得多,一般僅為露地的30%~70%,尤其是在冬季和早春季節,太陽高度角低,日照時間短,溫室內光照度往往不能滿足作物生長的需求,人工補光成為眾多可控環境溫室管理的必然選擇。

  目前,溫室人工補光主要考慮三個方面要素:一是對光照度的要求。以主要作物光補償點為依據,番茄、黃瓜、辣椒的光補償點分別為3000Lx、2000Lx和1500Lx,光飽和點為70000Lx、55000Lx和30000Lx,因此,溫室補光光照度一般要求在作物冠層達到1000Lx~3000Lx。二是對光質的要求。作物的光合作用主要利用400nm~500nm的藍紫光、600nm~700nm的紅橙光以及少量700nm~800nm的遠紅外光,溫室補光一般根據作物不同,對R/B(紅/藍)和R/FR(紅/遠紅)有特定要求。三是對光週期的要求。自然界晝夜交替、週而復始的現象形成了光週期,作物在漫長的進化過程中適應了這種明暗變化。但是,在冬至前後或連陰天時,光照時間往往不能滿足作物生長發育需求,需要人工補光來增加光照時間。近年來,溫室人工補光已經成為設施園藝生產的重要手段,各種人工光源也得到了快速發展。

  1、溫室補光常用光源及其特徵

  目前,常用的溫室人工補光光源主要有螢光燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈、金屬鹵化物燈等。近年來,隨著大功率LED的研製成功,新型節能光源LED也引起了廣泛關注。

  普通螢光燈提供較多的綠光,約為50%,其餘部分大多為紅、藍光,又分別約占總光譜的25%,遠紅色光譜比例很低。螢光燈發光效率較高,壽命長(約12000h),但是功率較小(目前常用有28W和36W兩種),滿足一定光照度所需燈具多。由於含有很多的綠光,容易造成作物徒長。目前常用於植物組培。

  鈉燈是汞和鈉蒸氣發光的氣體發光光源,分為低壓鈉燈和高壓鈉燈兩種。低壓鈉燈出現較早,鈉蒸氣壓不超過幾個帕,其發光光譜集中在589nm的黃色光,通常只能與其他光源配合使用。發光效率高達200lm/W,壽命長(約9000h)。高壓鈉燈標準工作鈉蒸氣壓約為10kPa,發光光譜中有較多的紅橙光和較少的藍綠光。發光效率較高,功率大,壽命長(約12000h),目前在溫室補光中使用較多。但由於高壓鈉燈是熱光源,表面溫度高,發熱量較大,不能近距離照射作物。

  金屬鹵化物燈是汞和稀有金屬的鹵化物混合蒸氣產生電弧從而放電發光的一種氣體發光光源。可通過改變金屬鹵化物組成呈現不同的光譜。其發光效率較高,功率大,壽命長(5000h~20000h)。但是燈內的填充物中有汞,當使用的燈破損或失效拋棄時,都會對環境造成污染。光譜中含有較多的遠紅光,發熱量大,不能近距離照射作物。

  LED(lightemittingdiode,發光二極管)光源是近年來發展起來的新型節能光源。與白熾燈、螢光燈和高壓鈉燈等人工光源相比,LED具有顯著優點:

  直流低壓供電。小功率彩色LED的正向電壓通常為1.5V~2.8V,大功率LED的正向電壓通常為3V~4V,遠小於安全電壓。

  節能。鈉燈和金屬鹵化物燈是氣體放電發光燈,靠加熱升溫使金屬元素蒸氣放電而發光。LED是固體發光光源,不需要加熱就能發光,是一種冷光源,因此其減少了消耗在加熱上的電量。

  單色光源,發光效率高。LED可發射單色光,其半波寬大多為±20nm,可以精確地為植物提供所需要的光譜,而不浪費電能發出黃光、綠光等植物不需要的光譜。

  體積小、應用靈活。可設計出輕薄短小的燈具,應用空間大。

  環保LED是固體發光光源,不含汞等有害物質,在安裝使用中不會造成污染,其廢棄物也可以回收。LED光源是環保的綠色光源。

  壽命長LED是固體光源,內部不存在鬆動部分,沒有玻璃、燈絲等易損和易燒部件,機械強度大,耐振動,耐衝擊,壽命可達50000h以上。

  LED光源的明顯優勢已經引起荷蘭、日本、美國等國學者的關注,尤其是近年來大功率LED的研發成功,為LED在溫室補光應用奠定了基礎。

2 溫室補光LED光源類型及結構

  常用的LED溫室補光光源主要有兩種形式,一種是垂直照射的點光源式,一種是穿插於植株之間進行側面照射的帶光源式。目前,LED光源用於溫室人工補光尚處於試驗階段。

  2.1 點光源式

  點光源式(如圖3)是較早得到開發和應用的LED溫室補光光源,可以根據不同氣候條件、不同作物類型以及生長的不同階段,調整LED補光光源的光照度和光質。

  其安裝方式多為在溫室頂部已有骨架基礎上加裝條狀LED供電裝置,也可以獨立安裝LED光源的支撐結構和供電裝置,LED點光源從供電裝置中引出,垂直向下照射植物。每個LED點光源由數個LED燈珠組成,根據組裝要求不同,外形可以為方形或圓形。根據作物種類不同,紅色_ED點光源和藍色LED點光源間隔佈置,葉菜類作物可以考慮設置紅藍光照度比(R/B)為(7~9):1,因為紅光對莖伸長有促進作用,也可起到增加產量的作用,果菜類作物R,B比可設置為(5~10):1。

  獨立安裝LED點光源支撐結構的LED溫室補光系統。左上角為LED點光源的供電裝置,正面立柱是LED點光源和供電裝置的支撐結構。LED點光源一般懸掛於植株上方進行補光,光源系統常處於固定狀態,高度不易調節,對於達到一定高度的果菜類作物補光較為適宜。

  2.2 帶光源式

  帶光源式LED溫室補光系統是在點光源基礎上開發起來的光源系統,其顯著特徵是高度可以調節,可以根據不同作物需求及不同生長階段進行光源的高度、光照度和光質調節。

  帶式LED光源結構相對簡單,克服了點光源式LED組件多、安裝複雜的弊端,夏季不用時還可置於天溝下側,避免對通風降溫以及栽培操作的影響i由於高度可以調節,可根據作物大小近距離照射作物,光能損失小,效率高:帶式光源還可置於作物冠層下部,形成穿插照射,避免從上部照射時冠層葉片對下部植株的遮擋。

  頂置帶光源將LED內置於柔性材料中,供電裝置置於帶光源兩端。選用大功率(>1W)LED芯片的燈珠,單顆排列,紅藍光比例按植物R/B的需求不同順序設置。由於帶光源質量較輕,無需支撐結構,從而大大簡化了系統結構。圖4為帶光源細節圖,箭頭所指為頂置帶光源的柔性燈帶,可附著在溫室原有骨架或支撐上,質量輕,結構簡單。

  LED燈帶與植物距離可根據作物的高度不同自由調節。同時,由於大功率LED的選用,使植物下層葉片的光環境也得到一定的改善,光遮蔽明顯減小,光照均勻度明顯提高。

  穿插帶光源:設計思路不同於上述兩種LED溫室補光光源,其主要特點是充分利用LED發熱量小的特點,使光源與植物零距離接觸,光損失比頂置帶光源還小,充分發揮帶光源柔性的特點,佈置在作物行間或壟間,甚至纏繞於植物上,最大程度地滿足了作物的光合需求。

  紅色LED穿插帶光源置於植物主要莖稈上,也穿插在植株之間照射,並且佈置多層穿插帶光源,徹底解決了上層葉片引起的光遮蔽問題。同時,由於零距離照射,能夠使光質調節作用發揮得更充分。例如,針對作物節問伸長需要,在作物節間區佈置紅色LED;針對果實形成以及蛋白質的合成對藍光的需要,可在果實區域酌情增加藍色LED

  3 小結

  光是作物生長最重要的環境因子之一,荷蘭學者指出「1%的光照就是1%的產量」,可見光在作物生產中的重要程度。溫室本身的光照比露地要低得多,尤其在冬春季節和連陰雨雪條件下,光照不足的狀況會更加明顯,已經成為限制蔬菜產量的重要因素,溫室人工補光將是必然的選擇。

  目前的溫室人工補光光源主要有螢光燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈和金屬鹵化物燈等,這些光源紅外和綠光等光譜成分所佔比重較大,作物光合作用所需的紅、藍光譜成分較少,光能利用率低,耗能大,運行成本高。因此,新型節能光源的研發迫在眉睫。

  LED光源,尤其是大功率LED芯片產品的開發成功,為溫室人工補光提供了新的手段。與高壓鈉燈相比,LED可節能50%~80%,節能效果顯著。目前,正在研究的點光源式和帶光源式LED光源均在一定範圍內具有應用價值,相信在不久的將來,隨著這些產品的定型化以及LED成本的進一步降低,LED溫室補光光源必將得到全面的普及。

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