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设施园艺LED照明系统光效提升的 3 个途径

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设施园艺半导体照明是指采用半导体电光源及其智能化管控装备,按照农业生物的光环境需求规律和农业生产各领域的生产目标要求,人为创造适宜的设施光环境或弥补自然光照的不足,调控农业生物的生长发育和繁殖,以实现优质、高产、高效、稳产生产目标的一种设施园艺措施,它是农业半导体照明的*重要领域,应用进展和潜力*大。 各应用领域生物形态多样,光环境需求差异迥然,主要应用总结如下。①温室补光。为增加植物光合产量,提高光照强度,延长光周期,须进行人工补光。②食用菌工厂。目前,食用菌生产工厂化程度高,多数食用菌对光强要求不高,但对光质要求苛刻,产量品质效应大,光环境调控非常重要,应用潜力巨大。③植物工厂。植物工厂作为设施园艺的*高级发展阶段,可用于蔬菜、苗木(蔬菜苗、水稻、烟草等)、中草药等的规模化生产。智能化人工光环境调控对其生产效率起决定性作用。④植物组培。植物组培是种苗快繁、脱毒的重要手段,完全采用人工光照进行生产,对人工光源需求极大,电光源升级换代十分迫切。 设施园艺半导体照明应用领域十分复杂,需要开展系统、多层面、多尺度的研究工作。 原因之一,农业生物营养与生长发育规律具有多样性和复杂性,农业生物对光环境的响应机理各不相同,研究方法各异,需要逐一系统研究,揭示其光生物学规律。譬如,植物是利用光能、CO2和水,通过叶绿素光合作用形成碳水化合物,将光能转变为化学能;而微生物(以食用菌为例)则需通过胞外酶分解栽培基质获取所需营养产生菌丝和子实体。3种农业生物的营养方式根本不同。 原因之二,农业生产领域庞杂,农业生物种类多样及其赋存形态各异,对光环境时空需求不同。 原因之三,光环境的数量属性(光强和光周期)、质量属性(光质和光谱)和电光源发光特性(占空比、频率)多,需要逐一研究其生物学效应。 上述3方面因素叠加显现了植物光生物学研究的复杂性和系统性。 1、设施园艺LED照明系统装备的构成 设施园艺半导体照明的本质特征是光环境(光质、光强和光周期)的精准、动态、按需调控,实施高效的农业半导体照明就需要以农业生物光环境需求时空规律为基础建立不同的调控策略。 设施园艺LED照明系统装备包括LED光源及LED灯、LED灯悬挂装置及调控系统、光环境智能控制系统3个方面。LED照明系统的设计与研发是以*大化提高其光电转化效率和时空生物光效为目标的。LED光源与灯具效率增效、农业生物光生物学规律的解析是节能LED照明系统装备研发及构建高光效应用策略的基础。 设施园艺专用LED光源及灯具的设计研发,关注照射的均匀性、光质组配的合理性、散热的可靠性、LED芯片功率的适宜性、发光面设计的高效性和感官舒适性。需遵循以下几个原则。 (1)高光能利用率原则。通过制定合理光谱组分,*大程度增加LED光源的发光效率,减少光源与被照射生物距离,减少光损失。 (2)低成本原则。成本是决定设施园艺半导体照明产业化发展的重要因素,需挖降低成本技术。 (3)生态安全原则。在满足设施园艺作物光合生理需求基础上,适宜改进纯红蓝光谱组成,增加微量或少量绿光成分,增加视觉健康。 (4)优先开发设施园艺高附加值农产品专用LED光源及灯具,利于灯具销售,培育龙头企业。 (5)通用性原则。优先开发与传统T5和T8灯具通用的LED灯管及相关产品。 LED灯悬挂装置及调控系统包括LED灯悬挂方式、空间位置控制装置、栽培平台及调控装置等,决定着植物冠层截获人工光的效率高低。建立光环境智能控制系统及其光环境智能控制策略是设施园艺LED照明系统重要组成部分。 农业半导体照明大数据涉及设施农业类型、农业生物种类与品种、LED光源及灯具类型、光照配方与照射方式、生产目标、控制策略等方面,需要建立由设施农业生物种类和品种数据、农业生物生长发育光环境需求数据、农业生物优质高产光环境调控数据、设施内光环境动态变化数据、设施环境要素日变化和季节变化数据等组成的数据库。 2、设施园艺LED照明系统光能利用效率 从光能产生到植物吸收利用的过程来分析,设施园艺LED照明系统的光能利用效率是指电能转化为光能被植物利用的效率,它受3个环节控制,即LED光源及LED灯、LED灯悬挂装置及调控系统、光环境智能控制系统。因此,为提高光能利用效率,需要从上述3个方面来解析研发。 3、设施园艺LED照明系统光效提升的途径 3.1 LED 光源及LED 灯发光效率 以人工光源灯具输出的光合有效光量子通量与其单位耗电量的比值,即光合有效光量子效率(mol/W)来评价光源灯具光效,但这必须以光谱构建为基础。 首先,在LED芯片光质构建方面通过芯片选型、光谱构建、荧光粉应用、封装方式等获得低成本、节能高效光谱; 其次,通过选择适宜的LED灯珠发光角度和LED阵列排布方式,获得垂直方向适宜的光强分布和均匀性; 再次,通过LED光源灯具发光面性状设计,获得*大冠层光能截获率,提高光照效益; *后,改进灯具的散热系统装置,提高寿命,获得较好的投入产出效益。目前常见的散热方式有:自然冷却、主动空气冷却、直接液体冷却等,通过热传导、热对流和热辐射散热。

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