植物照明如何補光?補哪類光?如何測量?

近年來,隨著設施農業的快速發展,對植物照明的研究越來越多,LED光源以其特有的優勢,使其在植物照明領域被廣泛應用。由於植物生長對光環境的光學參數有一定的要求,因此需要有相應的測量技術及儀器來精確測量光環境的光學參數是否符合相應植物的生長需求,以此選擇出合適的光源,確定光源的數量及排布,根據植物對光的合理需求為光源研製應用提供適宜的方案。

LED照明產品在用於植物栽培照明時,不僅要考量其基本的光度、輻射度性能,還需根據植物的光合作用特性,在光量子系統和植物光度系統中考量植物受照面的光量子密度以及植物光度學參數,從而綜合評價植物照明光源的性能。

植物照明的關鍵因素及對照明產品的要求

首先,光品質。植物一般依靠葉片中的葉綠素吸收照射光,其吸收波段一般處於藍光和紅光區域,如圖1所示。吸收光在植物體內經光合作用轉換為有機能量,用以生長繁殖。因此,對於植物照明產品,首先應考量其吸收波段的輻照度,一般為400nm~500nm藍光和600nm~700nm紅光波段的輻照度,以及需要確定所選組合植物照明的光譜組成、範圍、峰值波長和色溫等。

葉綠素a和葉綠素b的吸收譜(引自 CIE 2012)

其次,光密度。植物接受光密度不同,將直接影響植物的生長發育和結構特徵。如光密度減弱時,會出現同作物減少,花芽分化推遲、子房發育不良等現象。由於,植物與人眼對光譜的響應特性不同,人眼對光的感知量一般在光度系統中實現測量,而植物的光合作用則一般在光量子系統和植物光度系統中實現測量評價,評價參數為光量子通量密度(PPFD)。Mc.Cree通過大量的研究表明在400-700nm之間,用光量子通量密度評價光合作用的有效輻射能取得與實際光生物效應符合較好的效果。

再次,光均勻性。由於LED發光具有較強的方向性,且可能存在空間光色分佈均勻性,因此,在大面積種植場合,還應考察植物受照面上輻射照度均勻性,以獲得高質量的均勻照明環境。

最後,晝長。不同植物對光譜的需求不同,不同生長階段對光譜的需求也不同,設施農業中的人工補光必須遵循植物的光生理特性,才能達到最佳的補光效果。因此,不僅需要準確測量LED光源的光譜組成,還要能夠知悉照度隨時間變化的情況。

植物生長用LED照明產品的測量

以往在植物照明領域,常使用光量子計來進行測量,但光譜的匹配實際很難做到完美匹配,甚至失匹配會相對嚴重,對測量精度影響較大。隨著光譜測量技術的發展,基於光譜法的測量技術和設備也日趨成熟,並逐步應用至植物照明檢測領域。

植物光合作用的光譜相應曲線與人眼的光譜光視效率曲線不同,因此在評價各種光源的照射效果時,需按照植物的光譜響應曲線評價照射效果。而光譜法不僅不存在任何失匹配問題,而且可以在全光譜範圍內對照明產品的光質、光密度、光照均勻度各方面性能進行評價。但一般的光譜測量存在線性較差和雜散光影響等問題,從另一方面限制了測試精度,也對測量設備提出了新的要求。遠方手持式SPIC-200 光譜彩色照度計即可解決上述問題。

SPIC-200照度計解決了傳統照度計及色度計的光譜失配困擾,實現零失配,採用具有國際專利的SBCT(分光-積分相結合)技術,大幅拓寬了光度測量範圍和提高精度,該方法將積分法和光譜法相結合,通過對光譜測量絕對值的精確修正來提升光譜測量的線性,以獲得LED植物照明產品準確的性能參數,是世界公認的光度/輻射度測量的最高精度的方法。其照度精度保證在4%以內,其實際照度測量範圍更是擴展為0.1lx~200klx,最低可測量0.1lx, f1』≒0,是當今世界同類儀器最高水平。

此外,採用專利的複變矩陣雜散光校正技術,使光譜測量中的雜散光控制能力提高1~2個數量級,雜散光的影響做到了≦0.3%。

主要技術指標:

波長範圍:380nm~760nm

波長準確度:±0.5nm

照度測量範圍:0.1lx~200klx

照度準確度:±4%(讀數+1個字)

雜散光:≦0.3%

色品坐標準確度:±0.001(相對於溯源至NIM的穩定度優於±0.0001的標準光源)

通過具有空間餘弦相應的接收頭和智能分析軟件,可以方便實現多個系統之間的換算,準確獲得相對光譜功率分佈、光合輻照度、光量子密度、色品坐標、光照均勻性、峰值波長、主波長、各波段輻射照度比、色溫、顯色指數等參數。

可測量一般參數:

1) 相對光譜功率分佈P(λ)

2) 光譜輻照度E(λ)

3) 色品坐標:(x,y)、(u,v)、(u',v')

4) 相關色溫Tc

5) 顯色指數Ra,Ri (i=1~15)

6) 色容差SDCM(麥克亞當橢圓、矩形框以及CIE u'v'圓)

7) 峰值波長、半寬度

8) 色純度,主波長

9) 紅色比

10) 光照度E、輻射照度Ee

11) 更多測量功能可定製

可測量植物照明參數:

對於精度要求較高的現場測量,需要體積小巧、測量速度快的測量儀器,以便於隨身攜帶、隨時對地讀取數據。SPIC-200擁有4.2 寸觸控屏、設計精巧,極具手機握感,一鍵操作,一步完成實地測量與分析,真正稱得上是數據實時讀取,毫秒級精準測量。內置大容量SD 移動存儲卡、智能操作系統等現代科技,通過高速WIFI傳輸,可借由智能手機APP在手機上以及電腦上顯示各個參數,並且數據可以通過excel,jpg等多種格式輸出。

也就是說,與光量子測量儀相比,SPIC-200波長測量範圍更寬、測量精度更高,植物測量的適用性更廣,可廣泛應用於植物工廠、無土栽培、溫室等植物生長中光輻射的現場監控。

小結

LED植物照明產品的性能評價涉及多個計量系統,評價參數較多,且其光譜較窄,無論是對測試硬件還是軟件,都有較高要求,如光輻射探測器的匹配問題以及光譜測量的精度等。

LED植物照明廠商以及相關科研機構應根據自身或標準要求,以光照對植物的影響為依據,選擇合適的測量方案,全面而客觀地評價LED植物照明產品的各項性能,進而設計植物生長照明系統或補光方案,做到綠色照明、高效照明。

 

 

來源:新興產業戰略智庫

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