LED在溫室補(bǔ)光中的應(yīng)用

“萬物生長靠太陽”，光照是作物進(jìn)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(chǎn)量和品質(zhì)。自然界中，太陽的光照度隨地理緯度、季節(jié)和天氣狀況的不同而變化。溫室內(nèi)的光照度除與上述因素有關(guān)外，還與溫室結(jié)構(gòu)、管理措施及材料的透光性能等密切相關(guān)。由于溫室覆蓋材料、灰塵以及結(jié)構(gòu)遮光等因素的影響，溫室內(nèi)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(jié)，太陽高度角低，日照時(shí)間短，溫室內(nèi)光照度往往不能滿足作物生長的需求，人工補(bǔ)光成為眾多可控環(huán)境溫室管理的必然選擇。

目前，溫室人工補(bǔ)光主要考慮三個(gè)方面要素：一是對(duì)光照度的要求。以主要作物光補(bǔ)償點(diǎn)為依據(jù)，番茄、黃瓜、辣椒的光補(bǔ)償點(diǎn)分別為3000Lx、2000Lx和1500Lx,光飽和點(diǎn)為70000Lx、55000Lx和30000Lx,因此，溫室補(bǔ)光光照度一般要求在作物冠層達(dá)到1000Lx~3000Lx。二是對(duì)光質(zhì)的要求。作物的光合作用主要利用400nm~500nm的藍(lán)紫光、600nm~700nm的紅橙光以及少量700nm~800nm的遠(yuǎn)紅外光，溫室補(bǔ)光一般根據(jù)作物不同，對(duì)R/B(紅/藍(lán))和R/FR(紅/遠(yuǎn)紅)有特定要求。三是對(duì)光周期的要求。自然界晝夜交替、周而復(fù)始的現(xiàn)象形成了光周期，作物在漫長的進(jìn)化過程中適應(yīng)了這種明暗變化。但是，在冬至前后或連陰天時(shí)，光照時(shí)間往往不能滿足作物生長發(fā)育需求，需要人工補(bǔ)光來增加光照時(shí)間。近年來，溫室人工補(bǔ)光已經(jīng)成為設(shè)施園藝生產(chǎn)的重要手段，各種人工光源也得到了快速發(fā)展。

1、溫室補(bǔ)光常用光源及其特征

目前，常用的溫室人工補(bǔ)光光源主要有熒光燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈、金屬鹵化物燈等。近年來，隨著大功率LED的研制成功，新型節(jié)能光源LED也引起了廣泛關(guān)注。

普通熒光燈提供較多的綠光，約為50%,其余部分大多為紅、藍(lán)光，又分別約占總光譜的25%,遠(yuǎn)紅色光譜比例很低。熒光燈發(fā)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。由于含有很多的綠光，容易造成作物徒長。目前常用于植物組培。

鈉燈是汞和鈉蒸氣發(fā)光的氣體發(fā)光光源，分為低壓鈉燈和高壓鈉燈兩種。低壓鈉燈出現(xiàn)較早，鈉蒸氣壓不超過幾個(gè)帕，其發(fā)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(fā)光效率高達(dá)200lm/W,壽命長(約9000h)。高壓鈉燈標(biāo)準(zhǔn)工作鈉蒸氣壓約為10kPa,發(fā)光光譜中有較多的紅橙光和較少的藍(lán)綠光。發(fā)光效率較高，功率大，壽命長(約12000h)，目前在溫室補(bǔ)光中使用較多。但由于高壓鈉燈是熱光源，表面溫度高，發(fā)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(chǎn)生電弧從而放電發(fā)光的一種氣體發(fā)光光源。可通過改變金屬鹵化物組成呈現(xiàn)不同的光譜。其發(fā)光效率較高，功率大，壽命長(5000h~20000h)。但是燈內(nèi)的填充物中有汞，當(dāng)使用的燈破損或失效拋棄時(shí)，都會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。光譜中含有較多的遠(yuǎn)紅光，發(fā)熱量大，不能近距離照射作物。

LED(lightemittingdiode,發(fā)光二極管)光源是近年來發(fā)展起來的新型節(jié)能光源。與白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈等人工光源相比，LED具有顯著優(yōu)點(diǎn)：

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(yuǎn)小于安全電壓。

節(jié)能。鈉燈和金屬鹵化物燈是氣體放電發(fā)光燈，靠加熱升溫使金屬元素蒸氣放電而發(fā)光。LED是固體發(fā)光光源，不需要加熱就能發(fā)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(fā)光效率高。LED可發(fā)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(fèi)電能發(fā)出黃光、綠光等植物不需要的光譜。

體積小、應(yīng)用靈活。可設(shè)計(jì)出輕薄短小的燈具，應(yīng)用空間大。

環(huán)保。LED是固體發(fā)光光源，不含汞等有害物質(zhì)，在安裝使用中不會(huì)造成污染，其廢棄物也可以回收。LED光源是環(huán)保的綠色光源。

壽命長。LED是固體光源，內(nèi)部不存在松動(dòng)部分，沒有玻璃、燈絲等易損和易燒部件，機(jī)械強(qiáng)度大，耐振動(dòng)，耐沖擊，壽命可達(dá)50000h以上。

LED光源的明顯優(yōu)勢已經(jīng)引起荷蘭、日本、美國等國學(xué)者的關(guān)注，尤其是近年來大功率LED的研發(fā)成功，為LED在溫室補(bǔ)光應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 溫室補(bǔ)光LED光源類型及結(jié)構(gòu)

常用的LED溫室補(bǔ)光光源主要有兩種形式，一種是垂直照射的點(diǎn)光源式，一種是穿插于植株之間進(jìn)行側(cè)面照射的帶光源式。目前，LED光源用于溫室人工補(bǔ)光尚處于試驗(yàn)階段。

2.1 點(diǎn)光源式

點(diǎn)光源式(如圖3)是較早得到開發(fā)和應(yīng)用的LED溫室補(bǔ)光光源，可以根據(jù)不同氣候條件、不同作物類型以及生長的不同階段，調(diào)整LED補(bǔ)光光源的光照度和光質(zhì)。

其安裝方式多為在溫室頂部已有骨架基礎(chǔ)上加裝條狀LED供電裝置，也可以獨(dú)立安裝LED光源的支撐結(jié)構(gòu)和供電裝置，LED點(diǎn)光源從供電裝置中引出，垂直向下照射植物。每個(gè)LED點(diǎn)光源由數(shù)個(gè)LED燈珠組成，根據(jù)組裝要求不同，外形可以為方形或圓形。根據(jù)作物種類不同，紅色_ED點(diǎn)光源和藍(lán)色LED點(diǎn)光源間隔布置，葉菜類作物可以考慮設(shè)置紅藍(lán)光照度比(R/B)為(7~9)：1，因?yàn)榧t光對(duì)莖伸長有促進(jìn)作用，也可起到增加產(chǎn)量的作用，果菜類作物R，B比可設(shè)置為(5~10)：1。

獨(dú)立安裝LED點(diǎn)光源支撐結(jié)構(gòu)的LED溫室補(bǔ)光系統(tǒng)。左上角為LED點(diǎn)光源的供電裝置，正面立柱是LED點(diǎn)光源和供電裝置的支撐結(jié)構(gòu)。LED點(diǎn)光源一般懸掛于植株上方進(jìn)行補(bǔ)光，光源系統(tǒng)常處于固定狀態(tài)，高度不易調(diào)節(jié)，對(duì)于達(dá)到一定高度的果菜類作物補(bǔ)光較為適宜。

2.2 帶光源式

帶光源式LED溫室補(bǔ)光系統(tǒng)是在點(diǎn)光源基礎(chǔ)上開發(fā)起來的光源系統(tǒng)，其顯著特征是高度可以調(diào)節(jié)，可以根據(jù)不同作物需求及不同生長階段進(jìn)行光源的高度、光照度和光質(zhì)調(diào)節(jié)。

帶式LED光源結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，克服了點(diǎn)光源式LED組件多、安裝復(fù)雜的弊端，夏季不用時(shí)還可置于天溝下側(cè)，避免對(duì)通風(fēng)降溫以及栽培操作的影響i由于高度可以調(diào)節(jié)，可根據(jù)作物大小近距離照射作物，光能損失小，效率高：帶式光源還可置于作物冠層下部，形成穿插照射，避免從上部照射時(shí)冠層葉片對(duì)下部植株的遮擋。

頂置帶光源將LED內(nèi)置于柔性材料中，供電裝置置于帶光源兩端。選用大功率(>1W)LED芯片的燈珠，單顆排列，紅藍(lán)光比例按植物R/B的需求不同順序設(shè)置。由于帶光源質(zhì)量較輕，無需支撐結(jié)構(gòu)，從而大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖4為帶光源細(xì)節(jié)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(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡單。

LED燈帶與植物距離可根據(jù)作物的高度不同自由調(diào)節(jié)。同時(shí)，由于大功率LED的選用，使植物下層葉片的光環(huán)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(shè)計(jì)思路不同于上述兩種LED溫室補(bǔ)光光源，其主要特點(diǎn)是充分利用LED發(fā)熱量小的特點(diǎn)，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(fā)揮帶光源柔性的特點(diǎn)，布置在作物行間或壟間，甚至纏繞于植物上，最大程度地滿足了作物的光合需求。

紅色LED穿插帶光源置于植物主要莖稈上，也穿插在植株之間照射，并且布置多層穿插帶光源，徹底解決了上層葉片引起的光遮蔽問題。同時(shí)，由于零距離照射，能夠使光質(zhì)調(diào)節(jié)作用發(fā)揮得更充分。例如，針對(duì)作物節(jié)問伸長需要，在作物節(jié)間區(qū)布置紅色LED;針對(duì)果實(shí)形成以及蛋白質(zhì)的合成對(duì)藍(lán)光的需要，可在果實(shí)區(qū)域酌情增加藍(lán)色LED。

3 小結(jié)

光是作物生長最重要的環(huán)境因子之一，荷蘭學(xué)者指出“1%的光照就是1%的產(chǎn)量”,可見光在作物生產(chǎn)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(jié)和連陰雨雪條件下，光照不足的狀況會(huì)更加明顯，已經(jīng)成為限制蔬菜產(chǎn)量的重要因素，溫室人工補(bǔ)光將是必然的選擇。

目前的溫室人工補(bǔ)光光源主要有熒光燈、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占比重較大，作物光合作用所需的紅、藍(lán)光譜成分較少，光能利用率低，耗能大，運(yùn)行成本高。因此，新型節(jié)能光源的研發(fā)迫在眉睫。

LED光源，尤其是大功率LED芯片產(chǎn)品的開發(fā)成功，為溫室人工補(bǔ)光提供了新的手段。與高壓鈉燈相比，LED可節(jié)能50%~80%,節(jié)能效果顯著。目前，正在研究的點(diǎn)光源式和帶光源式LED光源均在一定范圍內(nèi)具有應(yīng)用價(jià)值，相信在不久的將來，隨著這些產(chǎn)品的定型化以及LED成本的進(jìn)一步降低，LED溫室補(bǔ)光光源必將得到全面的普及。

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