如何最大效果發揮農業LED照明的作用 ?

智慧照明引入植物生長補光使得可以根據不同植物的生長週期,進行遠端化、封閉式、全過程地智慧監控與操作,實現農業工業化,自動化,智慧化。採用LED光源,應用在植物照明、農業照明上有非常好的發揮。

1、智慧控制推動農業照明新發展

植物雖然可以吸收利用的光線具有較寬光譜範圍,但也具有特定的光譜響應曲線。如圖1所示,與人眼光譜光視效率曲線V(λ)相似,不同的植物可能也存在不同光譜響應曲線,從圖中可以看出,在400~500 nm之間存在1個吸收峰,在600~700 nm存在1個吸收峰,也就是通常認為的紅橙光和藍紫光對於植物生長具有積極意義。

農業照明不是近年來才有的新事物,傳統的植物補光早在LED大規模應用前就存在,光源通常採用氙燈,螢光燈,高壓鈉燈或金鹵燈等。雖然有意在植物的吸收峰上增加譜線,但效率仍然不高,植物生長補光或者全人工光種植的植物需要消耗大量的照明用電,而過多的光輻射或是無法被植物利用的光輻射都是能源的浪費。

LED智慧照明系統的推廣促進了農業照明的二次發展。近年來,大量的LED植物生長燈推向市場,仔細分析光譜差別不大,不論哪家的產品理論上都比傳統光源的系統效率大大提高。經典的示範工程完成後,鮮花和掌聲卻不能換來持續的訂單,原因還是在於LED植物補光系統成本太高,如何讓普通農戶可以承擔得起初始投入,讓基層農技部門的推廣植物補光系統的熱情如推廣優質化肥和種子一樣,是照明行業必須關注和解決的。

2、改良型傳統光源降低系統成本

LED植物補光光源通常根據不同植物的需要,採用不同數量比例的藍光LED與紅光LED組合而成。光譜如圖2中的虛線所示,調光方式有採用紅藍光等比例降低或升高,也有採用分組控制藍光與紅光模塊。螢光燈是由253.7 nm紫外線激發螢光粉發光,故而其初始比例確定光譜分佈,調光只能是等比例調光,但可以根據圖1中植物光合作用曲線來合理匹配螢光粉配比和用量,使得螢光燈光譜與植物生長所需光譜相接近,如圖2中的實線所示。

對比圖2與圖1可以發現,經過光譜匹配的螢光燈在光譜分佈上更接近植物光合作用光譜響應曲線,理論上效率會更高。理論上,LED可以很好地匹配植物所需光譜,但LED的單色性好和光譜窄在這裡成為其弱點,僅430 nm藍光和630 nm紅光無法滿足實際光譜調製需求,但增加部分其他波段LED又提高了系統成本,而螢光燈光譜就可以一定程度上展寬,提高利用效率。

就系統效率而言,最簡單直接的方式就是比較光輻射功率,圖2中實測40.4 W的螢光燈光輻射功率為11.1 W,轉化效率為27.5%,實測13.4 W的LED光輻射功率為1.7 W,轉化效率為12.7%。從光輻射功率來看,如下表所示經過光譜調製的螢光燈轉化效率更高。

曾經提出的使用光合成有效輻射通量(PARflux)可更為準確地表述植物生長燈光質,如式(1)所示。

其中Bp(λ)為植物生長光譜響應曲線,KBp為與Km相對應,是1個與光度學歸一化相關的參數,其數值大小與Bp(λ)的峰值有關。

同時,為體現光照週期對植物生長的影響,在實際評價照明環境時應該引入時間參量t,即使用光合成有效輻射劑量(PARenergy)來表徵,量綱相當於能量單位焦耳(J)如式(2)所示。

為同時體現光譜分佈,光照時間以及光照強度這3個變量的作用,將式(2)改寫成式(3),採用光合成有效輻射劑量密度來更真實地表達植物不同生長階段所需的光照總量。在植物生長補光照明系統或是純人工光種植的照明系統中可以作為植物生長精細化操作的參考依據,從而提高系統效率。

3、調光策略是農業智慧照明核心

對於遠端化、封閉式、全過程的智慧植物補光照明系統,根據式(3)可以很容易地進行變量設定,共有3個變量需要設定,即P(λ)植物補光光譜,Bp(λ)植物生長光譜響應曲線,t時間。其中P(λ)應用現有的技術手段已經完全可以解決,即根據需要調節植物生長光源的光譜、強度,關鍵在於Bp(λ)及t的預設及調整。

根據所種植植物的種類可以大致預設1個Bp(λ)初始值,但不同生長週期Bp(λ)的調整以及所需照射時間t的控制根據實際種植情況而有所不同,可以採取圖像處理方法與預設軟體進行比對判斷,另外也可透過遠端線上的方式由專家指導控制。採用目前市場上現有的設備,即可搭建1個智慧植物補光照明系統,如圖3所示。

其中,光源可以根據終端指令實時調光調色,光劑量計可以實時反饋光照參數以便對系統進行調整,植物生長情況由相機實時傳回,用以分析生長情況並決定補光策略。該系統的硬件搭建相當簡單,只是機械地組裝和拼湊,所有元件都可以直接採購,而其重點及難點在於後台的軟體平台支持,可以是線上模式支持,也可以是離線軟體包支持,如果再加上水、氣、溫等多元素的加載控制,那麼1台終端即能控制整個植物工廠也不是天方夜譚,至少對於光照而言,透過現有技術手段實現毫無困難。

農業照明系統牽涉到光源、燈具、控制,這些技術手段可難可易,只要成本控制在農民可接受範圍內,這些問題就都是可解決的。只有針對性地注入調光策略,才能使得智慧照明系統具有生命力,這是多單位多專業合作才能完成的課題。實際應用中發現,就目前技術及成本而言,LED農業照明系統進入大規模民用推廣似乎還不太現實。採用光譜改良型螢光燈與LED相結合的模式,大批量採用價格優勢明顯的螢光燈,配以少量過程光譜調製的LED光源,降低綜合系統成本可能是推廣農業照明的1條可行途徑。

4、小結

農業植物補光照明這一特殊應用產業方興未艾,互聯網+的時代也已經襲來,智慧照明在植物補光系統照明的嵌入應用能將植物補光照明推向更高的層面,從而實現植物生長光照的精細化管理,對提高現代化農業生產水平具有積極意義,其蘊藏的市場潛力待有識之士及業界共同開拓挖掘。(責編:Flora)



來源:廣東LED

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