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  • LED燈在溫室應(yīng)用的補光作用

    時間:2014-08-28   點擊:1232次

        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
        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)部不存在松動部分,沒有玻璃、燈絲等易損和易燒部件,機械強度大,耐振動,耐沖擊,壽命可達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在溫室補光應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
        溫室補光常用光源及其特征
        目前,常用的溫室人工補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、藍光,又分別約占總光譜的25%,遠紅色光譜比例很低。熒光燈發(fā)光效率較高,壽命長(約12000h),但是功率較?。壳俺S糜?8W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200lm/W,壽命長(約9000h)。高壓鈉燈標準工作鈉蒸氣壓約為10kPa,發(fā)光光譜中有較多的紅橙光和較少的藍綠光(如圖1所示)。發(fā)光效率較高,功率大,壽命長(約12000h),目前在溫室補光中使用較多。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??赏ㄟ^改變金屬鹵化物組成呈現(xiàn)不同的光譜(如圖2所示)。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,都會對環(huán)境造成污染。光譜中含有較多的遠紅光,發(fā)熱量大,不能近距離照射作物。
        2 溫室補光LED光源類型及結(jié)構(gòu)
        常用的LED溫室補光光源主要有兩種形式,一種是垂直照射的點光源式,一種是穿插于植株之間進行側(cè)面照射的帶光源式。目前,LED光源用于溫室人工補光尚處于試驗階段。
        2.1 點光源式
        點光源式(如圖3)是較早得到開發(fā)和應(yīng)用的LED溫室補光光源,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,也可以獨立安裝LED光源的支撐結(jié)構(gòu)和供電裝置,LED點光源從供電裝置中引出,垂直向下照射植物。每個LED點光源由數(shù)個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點光源和藍色LED點光源間隔布置,葉菜類作物可以考慮設(shè)置紅藍光照度比(R/B)為(7~9):1,因為紅光對莖伸長有促進作用,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.
        圖3所示為獨立安裝LED點光源支撐結(jié)構(gòu)的LED溫室補光系統(tǒng)。左上角為LED點光源的供電裝置,正面立柱是LED點光源和供電裝置的支撐結(jié)構(gòu)。LED點光源一般懸掛于植株上方進行補光,光源系統(tǒng)常處于固定狀態(tài),高度不易調(diào)節(jié),對于達到一定高度的果菜類作物補光較為適宜。
        2.2 帶光源式
        帶光源式LED溫室補光系統(tǒng)是在點光源基礎(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)相對簡單,克服了點光源式LED組件多、安裝復(fù)雜的弊端,夏季不用時還可置于天溝下側(cè),避免對通風(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,避免從上部照射時冠層葉片對下部植株的遮擋。
        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。
        圖5所示為另一種形式的頂置帶光源。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,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)計思路不同于上述兩種LED溫室補光光源,其主要特點是充分利用LED發(fā)熱量小的特點,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,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。
        如圖6所示,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,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,針對作物節(jié)問伸長需要,在作物節(jié)間區(qū)布置紅色LED;針對果實形成以及蛋白質(zhì)的合成對藍光的需要,可在果實區(qū)域酌情增加藍色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,溫室人工補光將是必然的選擇。
        目前的溫室人工補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、藍光譜成分較少,光能利用率低,耗能大,運行成本高。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成本的進一步降低,LED溫室補光光源必將得到全面的普及。

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