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LED植物照明不得不考虑的因素有哪些?

放大字体  缩小字体 照明中国网   发布日期:2017-09-11  来源:中国半导体照明网  
  企业在评估园艺照明的光源时,会面临多个考虑,包括:光强度、光谱、光分布均匀性、能源效率和灯具寿命。园艺照明系统可以将电能转换为用于植物生长发育、促进光合作用的光,而基于LED的光源可以为应用提供调谐频谱。
  然而,确定这种固态照明(SSL)系统的效率或效能是一个挑战。影响照明系统整体效率的因素有几个。本文讨论照明设备的设计将如何影响能源效率,以及能源效率如何反过来影响受控植物生长环境的整体盈利能力。
  事实上,园艺灯具将电能转换成可用光供植物生长的效力对受控环境农业(CEA)能否成功至关重要。图1为受控环境农业(CEA)的一个垂直农场范例。
  将照明解决方案安装在离农作物冠层几英寸以内是垂直农业应用的突破。 与设计不佳的LED解决方案和其他照明技术(如HPS和荧光灯)相比,正确设计的LED解决方案可实现每平方英尺更高的产量。
  园艺的相关指标
  植物主要利用波长在400-700nm的可见光进行光合作用(,因此,此区段通常也被称为光合成有效辐射(PAR)。光合光子通量(PPF)测量照明系统每秒产生的PAR总量。测量时,使用积分球,用于捕获并测量照明系统发射的几乎所有光子。PPF的单位为每秒每平方米光子的摩尔数(μmol/s)。
  光合光子通量密度(PPFD)测量到达植物冠层的PAR量。PPFD表示单位时间面积上在可见光波长范围的光量子数,单位為μmol/m2/s。 PPFD 也表示光量子的数量与光合作用间的相关性。
  最后,我们讨论光子功效。光子功效指园艺照明系统将电能转换为PAR光子的效率。如果光的PPF与输入功率都已知的情况,就可以轻松计算园艺照明系统的光子功效。给定PPF的单位为μmol/ s,测量瓦特的单位是每秒焦耳(J/s),分子和分母中的秒数消除,得到的单位为μmol/ J,这个单位就用于表示功效。这个数字越高,就表示照明系统将电能转换成PAR光子就越有效。
  园艺照明的常见方法
  接下来,我们要了解灯具设计的细微差别,以及园艺照明系统节能的原因。世界上最常用的园艺照明系统是基于高强度放电(HID)照明和高压钠灯(HPS)。高压钠灯本来不是专门设计用于种植植物的,是设计给轻轨和停车库。但是,现成可用性和高输出水平导致被广泛应用于园艺,原因是它们提供非常高的光强度,大部分发射的光在565-700 nm范围内,这一有效的波段可以加速光合作用。
  使用高压钠灯进行园艺照明的一个缺点是产生大量的辐射热。高压钠灯的表面温度可以达到高于800°F的温度(约430 ℃),因此植物冠层和高压钠灯之间必须有足够的距离,以避免损坏植物组织。增加灯具的安装高度时,反平方定律开始起作用,这可以降低照明率。随着时间的推移,高压钠灯的能量效率增加,而双端HPS灯具的出现,能够实现1.7μmol/J的光子效能。
  转向LED
  我们回顾一下LED在园艺照明使用的过程。在2014年,效率最高的LED园艺照明系统与双端高压钠灯效率一样。与高压钠灯相比,LED的使用寿命长(L70≥50,000小时)令许多种植者转而使用LED。然而,与高压钠灯相比,LED园艺照明系统的成本相对较高,限制了向LED灯的过渡。
  LED芯片制造商在过去几年中已经提高了目前已有组件的功效,使得他们能够显著提高光子效能,并且每年都会持续改进。事实上,基于LED的园艺照明系统现在能够实现比双端高压钠灯大45%的光子效率。虽然单个组件的效率提高了LED园艺照明的效率,但它也只是LED超过高压钠灯技术的一个变量。
  LED系统热量
  谈到LED照明产生的热量时,有一个常见的误解。许多种植者认为LED比高压钠灯产生的热量更少,这在LED灯具以较低瓦数驱动时才是真的。如果有一个600W LED灯具和一个600W双端高压钠灯,从宏观角度来看,它们产生的热量在相同的大致范围内。
  LED和高压钠灯的主要区别在于这两个600W产生的PAR能量有多少,热量如何从灯具中散发的。来自高压纳气灯的大多数热量向下辐射到作物冠层,而LED的大部分热量是在部件与印刷电路板(PCB)的连接部位产生的,热量通常被传导到PCB,也可能是散热片,并通过向上对流去除。
  因此,LED作为园艺照明系统的主要优点之一是可以放置在植物附近而又可以让植物免于热辐射的损害。但是,假如热量没有通过适当的热管理系统从PCB中有效去除的话,则LED组件的寿命将明显缩减。
  在商业园艺环境中冷却照明系统有两种方法。被动冷却的灯具利用散热片从电路板散发热量,而主动冷却的灯具依靠风扇或水来散热。用于冷却灯具的风扇会消耗能量,并会降低灯具的整体光子效能。另外,如果在灯具运行期间风扇出现故障,PCB上的LED可能会过热并烧坏。即使它们没有发生灾难性的故障,降低的功率输出将大大降低LED灯具的使用寿命。这是种植者在比较园艺照明系统时需要考虑的一个非常重要的因素。
  频谱和功效
  影响园艺照明系统光子功效的另一个重要因素是发光的光谱。用于园艺照明系统的最有效波长是红色(660nm)和蓝色(450nm)。传统的LED园艺照明技术主要使用红色带较小比例的蓝色LED来实现最高的光子效能。
  虽然红色LED具有最高的光子效能,但是植物在窄带波长下本身并没有生长。因此,在优化植物生长和发育方面,单一的红色LED不会产生最有效的光谱。与补充温室照明(图3)相比,在垂直农场中使用单一源照明的情况尤其如此。
  恶劣和肮脏的环境(如温室)可能会迅速导致主动冷却系统出现故障,从而导致整个照明系统出现故障。除了提高能源效率之外,被动冷却系统不需要容易断裂和堵塞的运动部件。
  多家园艺照明厂商根据叶绿素a和b的吸收峰而宣称其产品有“特殊光谱”。但是,他们没有提到这些叶绿素颜料是从植物叶中提取并在体外测量的。光质量对 光合作用的作用光谱(图2)是由McCree和Inada在20世纪70年代进行研究时提出的。研究显示光合作用速率与叶绿素a和b的作用光谱之间有相关性,但它们并不是光合作用的唯一波长。在这项研究之前,存在一个常见的误解:认为叶绿素主要吸收可见光谱中的红色和蓝色部分,所以植物光合作用不使用绿光。
  McCree和Inada进行的研究是理解光谱光质量对光合作用的影响的基础;但是,他们是基于低光强度下单叶测量光合作用而研究出了作用光谱。在过去30年中,对于光照强度较高下植物光合作用的研究有多次,表明光谱质量对生长速度的影响远小于光照强度。
  光谱光质量对植物发育影响很大,如:种子发芽、茎伸长和开花以及次级代谢物和类黄酮,其影响植物的味道、外观和气味。因此,LED制造商需要在使用最具电效率的LED和种植者所希望的能促进植物最佳生长和发育习惯的LED之间找到平衡。
  外形因素和光束控制
  我们最后讨论的一个主题与灯具的外形、束流光学和光强度有关。考虑园艺照明系统的整体效率时,需要考虑PPFD和CU。但是,虽然灯具本身的光子功效对于园艺照明来说非常重要,但是如果在实际应用中产生的光没有均匀有效地照在作物上,那么该方案真正的能源效率将大大降低。
  因为每个高压钠灯只有一个光源(360°灯泡),所以需要依靠反射器将光均匀地散布在作物的冠层上。LED超过高压纳气灯的另一个优点是LED有数百个光源能通过定制的束流光学形成非常均匀的光带,无需使用反射器。图4描绘了典型的LED光引擎。
  从园艺照明系统发出的光的光谱(即颜色)对能源效率和整体植物的生长发育都有显著的影响。虽然红色和蓝色光效能更高,但是用图片中的光引擎实现的广谱可针对更多的光感受器来改善培养。
  当适当设计后,这种形式的灵活性就让具有非常高CU的照明方案非常有优势,所产生的大部分光落在植物冠层上,而不会浪费在通道或墙壁上。这对于种植者在选择园艺照明系统时是至关重要的。
  小贴士
  并不是所有的LED照明系统都是一样的,所以对于种植者来说,从制造商那里获得照明设计十分重要,这些设计会显示在规定的安装高度时的平均PPFD以及在植物生长室的光分布模式。园艺照明系统的外形因素和光分布将影响所需灯具的数量,这是影响植物生长室整体能源效率的另一个因素。
  园艺照明系统的能源效率取决于几个因素,而不仅仅是一个因素。使用正确的测量方法,了解影响园艺照明系统能源效率的几个因素将影响植物生长室的整体盈利能力。
 
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