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LED植物照明不得不考慮的因素有哪些?

發布時間:2020-12-05人氣:13

企業在評估園藝照明的光源時,會面臨多個考慮,包括:光強度、光譜、光分布均勻性、能源效率和燈具壽命。園藝照明系統可以將電能轉換為用于植物生長發育、促進光合作用的光,而基于LED的光源可以為應用提供調諧頻譜。

 

  然而,確定這種固態照明(SSL)系統的效率或效能是一個挑戰。影響照明系統整體效率的因素有幾個。本文討論照明設備的設計將如何影響能源效率,以及能源效率如何反過來影響受控植物生長環境的整體盈利能力。

 

  事實上,園藝燈具將電能轉換成可用光供植物生長的效力對受控環境農業(CEA)能否成功至關重要。圖1為受控環境農業(CEA)的一個垂直農場范例。

 

  將照明解決方案安裝在離農作物冠層幾英寸以內是垂直農業應用的突破。 與設計不佳的LED解決方案和其他照明技術(如HPS和熒光燈)相比,正確設計的LED解決方案可實現每平方英尺更高的產量。

 

  園藝的相關指標

 

  植物主要利用波長在400-700nm的可見光進行光合作用(,因此,此區段通常也被稱為光合成有效輻射(PAR)。光合光子通量(PPF)測量照明系統每秒產生的PAR總量。測量時,使用積分球,用于捕獲并測量照明系統發射的幾乎所有光子。PPF的單位為每秒每平方米光子的摩爾數(μmol/s)。

 

  光合光子通量密度(PPFD)測量到達植物冠層的PAR量。PPFD表示單位時間面積上在可見光波長范圍的光量子數,單位為μmol/m2/s。 PPFD 也表示光量子的數量與光合作用間的相關性。

 

  最后,我們討論光子功效。光子功效指園藝照明系統將電能轉換為PAR光子的效率。如果光的PPF與輸入功率都已知的情況,就可以輕松計算園藝照明系統的光子功效。給定PPF的單位為μmol/ s,測量瓦特的單位是每秒焦耳(J/s),分子和分母中的秒數消除,得到的單位為μmol/ J,這個單位就用于表示功效。這個數字越高,就表示照明系統將電能轉換成PAR光子就越有效。

 

  園藝照明的常見方法

 

  接下來,我們要了解燈具設計的細微差別,以及園藝照明系統節能的原因。世界上最常用的園藝照明系統是基于高強度放電(HID)照明和高壓鈉燈(HPS)。高壓鈉燈本來不是專門設計用于種植植物的,是設計給輕軌和停車庫。但是,現成可用性和高輸出水平導致被廣泛應用于園藝,原因是它們提供非常高的光強度,大部分發射的光在565-700 nm范圍內,這一有效的波段可以加速光合作用。

 

  使用高壓鈉燈進行園藝照明的一個缺點是產生大量的輻射熱。高壓鈉燈的表面溫度可以達到高于800°F的溫度(約430 ℃),因此植物冠層和高壓鈉燈之間必須有足夠的距離,以避免損壞植物組織。增加燈具的安裝高度時,反平方定律開始起作用,這可以降低照明率。隨著時間的推移,高壓鈉燈的能量效率增加,而雙端HPS燈具的出現,能夠實現1.7μmol/J的光子效能。

 

  轉向LED

 

  我們回顧一下LED在園藝照明使用的過程。在2014年,效率最高的LED園藝照明系統與雙端高壓鈉燈效率一樣。與高壓鈉燈相比,LED的使用壽命長(L70≥50,000小時)令許多種植者轉而使用LED。然而,與高壓鈉燈相比,LED園藝照明系統的成本相對較高,限制了向LED燈的過渡。

 

  LED芯片制造商在過去幾年中已經提高了目前已有組件的功效,使得他們能夠顯著提高光子效能,并且每年都會持續改進。事實上,基于LED的園藝照明系統現在能夠實現比雙端高壓鈉燈大45%的光子效率。雖然單個組件的效率提高了LED園藝照明的效率,但它也只是LED超過高壓鈉燈技術的一個變量。

 

  LED系統熱量

 

  談到LED照明產生的熱量時,有一個常見的誤解。許多種植者認為LED比高壓鈉燈產生的熱量更少,這在LED燈具以較低瓦數驅動時才是真的。如果有一個600W LED燈具和一個600W雙端高壓鈉燈,從宏觀角度來看,它們產生的熱量在相同的大致范圍內。

 

  LED和高壓鈉燈的主要區別在于這兩個600W產生的PAR能量有多少,熱量如何從燈具中散發的。來自高壓納氣燈的大多數熱量向下輻射到作物冠層,而LED的大部分熱量是在部件與印刷電路板(PCB)的連接部位產生的,熱量通常被傳導到PCB,也可能是散熱片,并通過向上對流去除。

 

  因此,LED作為園藝照明系統的主要優點之一是可以放置在植物附近而又可以讓植物免于熱輻射的損害。但是,假如熱量沒有通過適當的熱管理系統從PCB中有效去除的話,則LED組件的壽命將明顯縮減。

 

  在商業園藝環境中冷卻照明系統有兩種方法。被動冷卻的燈具利用散熱片從電路板散發熱量,而主動冷卻的燈具依靠風扇或水來散熱。用于冷卻燈具的風扇會消耗能量,并會降低燈具的整體光子效能。另外,如果在燈具運行期間風扇出現故障,PCB上的LED可能會過熱并燒壞。即使它們沒有發生災難性的故障,降低的功率輸出將大大降低LED燈具的使用壽命。這是種植者在比較園藝照明系統時需要考慮的一個非常重要的因素。

 

  頻譜和功效

 

  影響園藝照明系統光子功效的另一個重要因素是發光的光譜。用于園藝照明系統的最有效波長是紅色(660nm)和藍色(450nm)。傳統的LED園藝照明技術主要使用紅色帶較小比例的藍色LED來實現最高的光子效能。

 

  雖然紅色LED具有最高的光子效能,但是植物在窄帶波長下本身并沒有生長。因此,在優化植物生長和發育方面,單一的紅色LED不會產生最有效的光譜。與補充溫室照明(圖3)相比,在垂直農場中使用單一源照明的情況尤其如此。

 

  惡劣和骯臟的環境(如溫室)可能會迅速導致主動冷卻系統出現故障,從而導致整個照明系統出現故障。除了提高能源效率之外,被動冷卻系統不需要容易斷裂和堵塞的運動部件。

 

  多家園藝照明廠商根據葉綠素a和b的吸收峰而宣稱其產品有“特殊光譜”。但是,他們沒有提到這些葉綠素顏料是從植物葉中提取并在體外測量的。光質量對 光合作用的作用光譜(圖2)是由McCree和Inada在20世紀70年代進行研究時提出的。研究顯示光合作用速率與葉綠素a和b的作用光譜之間有相關性,但它們并不是光合作用的唯一波長。在這項研究之前,存在一個常見的誤解:認為葉綠素主要吸收可見光譜中的紅色和藍色部分,所以植物光合作用不使用綠光。

 

  McCree和Inada進行的研究是理解光譜光質量對光合作用的影響的基礎;但是,他們是基于低光強度下單葉測量光合作用而研究出了作用光譜。在過去30年中,對于光照強度較高下植物光合作用的研究有多次,表明光譜質量對生長速度的影響遠小于光照強度。

 

  光譜光質量對植物發育影響很大,如:種子發芽、莖伸長和開花以及次級代謝物和類黃酮,其影響植物的味道、外觀和氣味。因此,LED制造商需要在使用最具電效率的LED和種植者所希望的能促進植物最佳生長和發育習慣的LED之間找到平衡。

 

  外形因素和光束控制

 

  我們最后討論的一個主題與燈具的外形、束流光學和光強度有關??紤]園藝照明系統的整體效率時,需要考慮PPFD和CU。但是,雖然燈具本身的光子功效對于園藝照明來說非常重要,但是如果在實際應用中產生的光沒有均勻有效地照在作物上,那么該方案真正的能源效率將大大降低。

 

  因為每個高壓鈉燈只有一個光源(360°燈泡),所以需要依靠反射器將光均勻地散布在作物的冠層上。LED超過高壓納氣燈的另一個優點是LED有數百個光源能通過定制的束流光學形成非常均勻的光帶,無需使用反射器。圖4描繪了典型的LED光引擎。

 

  從園藝照明系統發出的光的光譜(即顏色)對能源效率和整體植物的生長發育都有顯著的影響。雖然紅色和藍色光效能更高,但是用圖片中的光引擎實現的廣譜可針對更多的光感受器來改善培養。

 

  當適當設計后,這種形式的靈活性就讓具有非常高CU的照明方案非常有優勢,所產生的大部分光落在植物冠層上,而不會浪費在通道或墻壁上。這對于種植者在選擇園藝照明系統時是至關重要的。

 

  小貼士

 

  并不是所有的LED照明系統都是一樣的,所以對于種植者來說,從制造商那里獲得照明設計十分重要,這些設計會顯示在規定的安裝高度時的平均PPFD以及在植物生長室的光分布模式。園藝照明系統的外形因素和光分布將影響所需燈具的數量,這是影響植物生長室整體能源效率的另一個因素。

 

  園藝照明系統的能源效率取決于幾個因素,而不僅僅是一個因素。使用正確的測量方法,了解影響園藝照明系統能源效率的幾個因素將影響植物生長室的整體盈利能力。


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