植物成长led补光灯现状与趋势

2021-01-12 10:20:41 admin 9

现代工业工厂的工厂,生物技术,水培栽培和信息技术,结合内部环境因素,对设施实施高精度控制,是全封闭的,对周围环境要求低,缩短了植物的收获期,节水了肥料,农药的生产以及不排放废物的优点,单位土地利用效率是室外生产的40〜108倍,其中智能人工光源和光环境调节对其生产效率起决定性作用。作为重要的物理环境因素,光在调节植物的生长,发育和物质代谢中起着关键作用。“工厂工厂的主要特征之一是完全的人造光源和对光线环境的智能控制”已成为业界的普遍共识。


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植物对光的需求

植物的生命活动不能与光分离,光是植物光合作用的唯一能源。光照强度,光照质量(光谱)和光照的周期性变化对作物的生长发育产生深远影响,其中光照强度对植物的光合作用影响最大。


光强度

照明强度是指辐射强度或光强度,是指每单位立体角输出的辐射功率或流明值。在植物光谱技术中,它称为光量,是指每单位时间输出的光子的微摩尔数。用光子通量PPF表示,单位为umole / s。


光质

光质量是指根据不同波长及其含量的比例,光辐射功率的分布或光子数。光子和光量子是同一概念。在植物光谱技术中,光子数用微摩尔值表示。

植物光合作用中最重要的两种色素是叶绿素和胡萝卜素。每种光合色素的光谱吸收图,其中叶绿素吸收光谱集中在红色和蓝色波长中。补光系统根据农作物的光谱需求发出人工补光,以促进植物的光合作用。


光周期

光周期是植物灯每天打开的时间。对于日光,光周期是每天照明的有效时间。在环境的三个要素中,照明强度是选择人造光源的重要基础。目前,有多种表达光照强度的方法,主要包括以下三种。照度(Illumination)是指被照表面上光通量的表面密度(每单位面积),单位:勒克斯(lx)。

(2)光合有效辐照度PAR,单位:W /m²。

(3)光合作用的光子通量密度PPFD是每单位时间和面积到达或通过的光合有效辐射的光子量子数,单位:μmol/(m²·s)。

它主要是指400〜700nm的光强,与光合作用直接相关。它也是植物生产中最常用的光强度指标。


典型辅助照明系统的光源分析

通过安装辅助照明系统,人工辅助照明可以增加目标区域的照明强度或延长照明时间,从而满足工厂对照明的需求。一般来说,补光灯系统包括补光灯设备,电路及其控制系统。辅助光源主要包括白炽灯,荧光灯,金属卤化物灯,高压钠灯和LED等。由于白炽灯的电光效率低,光合能效率低,已经被市场淘汰,因此本文不做详细分析。


荧光灯是一种低压气体放电灯。玻璃管中充满了汞蒸气或惰性气体,管的内壁涂有荧光粉。灯的颜色随管中涂覆的不同荧光材料而变化。与白炽灯相比,荧光灯具有良好的光谱性能,高发光效率,低功率,长寿命(12000h)和相对较低的成本。由于荧光灯自身发热量较小,可以靠近植物进行照明,适用于三维栽培,但荧光灯光谱布局不合理,国际上更常用的方法是加反射罩,尽可能增加种植区作物的有效光源成分。日本ADV-Agri公司还开发了一种新型的辅助光源HEFL,HEFL实际上属于荧光灯的范畴,是冷阴极荧光灯(CCFL)和外部电极荧光灯(EEFL)的总称,电极荧光灯。HEFL灯管非常细,直径仅约4mm,长度可在450mm至1200mm之间调节以进行培养,从而使其成为传统荧光灯的改良版。


金属卤化物灯是一种高强度放电灯,在高压汞灯的基础上,通过在放电管中添加各种金属卤化物(溴化锡,碘化钠等),可以激发不同的元素产生不同的波长。卤素灯的优点是发光效率高,功率大,光色好,寿命长,光谱大。但是,由于发光效率比高压钠灯低,并且寿命比高压钠灯短,因此仅在少数植物中使用。


高压钠灯属于高压放电灯的类型。高压钠灯是一种高效灯,其中高压钠蒸气填充在放电管中,并添加了少量的氙气(XE)和汞灯金属卤化物。高压钠灯具有较高的电光转换效率和较低的制造成本,因此高压钠灯是目前农业设施照明应用中使用最广泛的技术。但是,由于其光谱的光合作用效率低,因此具有能量效率低的缺点。另一方面,高压钠灯发出的光谱成分主要集中在黄色和橙色光带中,缺少植物生长所需的红色和蓝色光谱。

 

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。


移动式补光装置 

光照强度与农作物的生长密切相关。立体栽培主要在植物工厂中进行。但是,由于栽培架结构的限制,货架之间的光和温度分布不均匀,会影响农作物的产量,收割时间不同步。北京公司于2010年成功开发了手动补光灯提升装置,其原理是通过曲柄旋转小容积薄膜装置驱动传动轴并将其固定在绕线机上,实现与钢丝绳,吊钢丝绳一样的用途补光灯通过多组换向轮与矫直器卷盘连接,从而调节高度作为补光灯效果。2017年,公司设计开发了一种新型的移动式灌装设备,可以根据作物生长的需求自动自动调节灌装高度。该调节装置安装在3层光源升降式三维栽培框架上,装置顶部是水平的最佳照明情况,因此配置高压钠灯;中间层和底层均设有升降调节系统和LED灯,可根据光传感器的检测信号自动调节辅助灯的高度,为农作物提供适宜的照明环境。


与专为立体文化而设计的移动式光填充装置相反,荷兰已经开发了一种水平式移动式光填充装置。为了避免日光下辅助照明灯的阴影对植物生长的影响,可以通过水平方向上的伸缩滑道将辅助照明灯推向支架的两侧,使阳光直射可以充分照亮植物;在没有阳光的阴雨天,可以将辅助光推到支架的中间,这样辅助光可以均匀地补充植物的光。支架上的滑道使辅助灯在水平方向上移动,避免了辅助灯的频繁拆卸和移动,减轻了员工的劳动强度,有效地提高了工作效率。


典型农作物补光系统的设计思路


从移动式补光装置的设计不难看出,植物工厂补光系统的设计通常以不同作物生育期的光照强度、光质和光周期参数以及末端调控特殊手段最为设计的核心内容,依赖智能控制系统来执行实施,达到节能高产的终极目标。目前,有关叶菜的补光设计构建已逐渐成熟。举例来说,叶菜可分为苗期、生长中期、生长后期和末端处置4个阶段;果菜可分为苗期、营养生长期、开花阶段、采收阶段。从补光光照强度属性来说,苗期光照强度应略低,在60~200 μmol/(m²·s),随后逐渐增大。叶菜最高可至100~200 μmol/(m²·s),果菜可达300~500 μmol/(m²·s),以保障各生育期植物光合作用对光照强度的要求,实现高产的需要;对光质而言,红蓝比例至关重要。苗期为了增加苗质量,防止徒长,一般把红蓝比例设置在较低水平[(1~2):1],随后逐渐降低,以满足植物光形态建成的需求,可将叶菜红蓝光比设置(3~6):1。对光周期而言,与光照强度类似,应呈现随生育期延长而增加的趋势,以使得叶菜有更多地光合时间进行光合作用。果菜的补光设计会更加复杂,除上述基本规律外,应重点关注开花期的光周期设置,必须促进蔬菜的开花结果,以免适得其反。值得提出的是,光配方应包括末端处置光环境设置内容,比如通过连续补光可大幅提高水培叶菜苗菜的产量和品质,或者通过UV处理可显著提高芽菜和叶菜(尤其是紫叶和红叶生菜)的营养品质。


除了对特选作物进行优化补光外,一些人工光型植物工厂的光源控制系统近年来也发展迅速,这种控制系统一般是基于B/S架构,通过WIFI实现远程操控对作物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度等环境因素进行自动控制,不受外界条件制约的生产方式。这种智能补光系统,采用LVD无极灯作为补光光源,结合远程智能控制系统,能够满足植物波长光照需求,特别适合应用于光控植物设施栽培环境,可以很好地满足市场需求。


结束语


植物工厂被认为是解决21世纪世界资源,人口和环境问题的重要途径,也是实现未来高科技项目中食品自给自足的重要途径。植物工厂作为一种新型的农业生产方式,仍处于学习和成长的阶段,需要更多的关注和研究。本文阐述了植物工厂常见的补光照明方法的特点和优点,介绍了典型的农作物照明系统的设计思路,通过比较不难发现,以为道歉,雾霾为时已晚和其他恶劣天气下的LED一样,根据逆境,安全设施,高产和稳定的作物对弱光的影响,LED光源设备最符合当前的发展趋势。植物工厂的未来发展方向应集中在新型高精度,低成本传感器,远程可控,可调光谱辅助照明设备系统和专家控制系统上。同时,未来的工厂工厂将以低成本,智能化,适应性发展。LED光源的使用和普及为工厂工厂的高精度环境控制提供了保证。 LED光环境调节是一个复杂的过程,涉及对光质量,光强度,光周期等的综合调节,需要有关专家和学者对植物工厂用人工光LED辅助照明进行进一步研究和推广。



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