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温室光源

> 正文LED光源在温室补光中的应用

[导读]目前,常用的温室人工补光光源主要有荧光灯、高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯等。近年来,随着大功率LED的研制成功,新型节能光源LED也引起了广泛关注。

“万物生长靠太阳”,光照是作物进行光合作用的必备要素之一,光照条件的好坏直接影响到作物的产量和品质。在自然界中,太阳的光照度会随地理纬度、季节和天气状况的不同而变化。温室内的光照除与上述因素有关外,还与温室结构、管理措施及材料的透光性能等密切相关。由于温室覆盖材料、灰尘以及结构遮光等因素的影响,温室内的光照状况要比露地差得多,一般仅为露地的30%-70%,尤其是在冬季和早春季节,太阳高度角低,日照时间短,温室内光照度往往不能满足作物生长的需求,人工补光成为众多可控环境温室管理的必然选择。

目前,温室人工补光主要考虑三方面要素:一是对光照度的要求。以主要作物光补偿点为依据,番茄、黄瓜、辣椒的光补偿点分别为3000Lx、2000Lx和1500Lx,光饱和点为70000Lx、55000Lx和30000Lx,因此,温室补光光照度一般要求在作物冠层达到1000Lx-3000Lx。二是对光质的要求。作物的光合作用主要利用400nm-500nm的蓝紫光、600nm-700nm的红橙光以及少量700nm-800nm的远红外光,温室补光一般根据作物不同,对R/B(红/蓝)和R/FR (红/远红)有特定要求。三是对光周期的要求。自然界昼夜交替、周而复始的现象形成了光周期,作物在漫长的进化过程中适应了这种明暗变化。但是,在冬至前后或连阴天时,光照时间往往不能满足作物生长发育需求,需要人工补光来增加光照时间。近年来,温室人工补光已经成为设施园艺生产的重要手段,各种人工光源也得到了快速发展。

1、温室补光常用光源及其特征

目前,常用的温室人工补光光源主要有荧光灯、高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯等。近年来,随着大功率LED的研制成功,新型节能光源LED也引起了广泛关注。

普通荧光灯提供较多的绿光,约为50%,其余部分大多为红、蓝光,又分别约占总光谱的25%,远红色光谱比例很低。荧光灯发光效率较高,寿命长(约12000h),但是功率较小(目前常用有28W和36W两种),满足一定光照度所需灯具多。由于含有很多的绿光,容易造成作物徒长。目前常用于植物组培。

钠灯是汞和钠蒸气发光的气体发光光源,分为低压钠灯和高压钠灯两种。低压钠灯出现较早,钠蒸气压不超过几个帕,其发光光谱集中在589nm的黄色光,通常只能与其他光源配合使用。发光效率高达200lm/W,寿命长(约9000h)。高压钠灯标准工作钠蒸气压约为10kPa,发光光谱中有较多的红橙光和较少的蓝绿光。发光效率较高,功率大,寿命长(约12000h),目前在温室补光中使用较多。但由于高压钠灯是热光源,表面温度高,发热量较大,不能近距离照射作物。

金属卤化物灯是汞和稀有金属的卤化物混合蒸气产生电弧从而放电发光的一种气体发光光源。可通过改变金属卤化物组成呈现不同的光谱。其发光效率较高,功率大,寿命长(5000h~20000h)。但是灯内的填充物中有汞,当使用的灯破损或失效抛弃时,都会对环境造成污染。光谱中含有较多的远红光,发热量大,不能近距离照射作物。

LED(发光二极管)光源是近年来发展起来的新型节能光源。与白炽灯、荧光灯和高压钠灯等人工光源相比,LED具有显着优点:

1、直流低压供电。小功率彩色LED的正向电压通常为1.5V-2.8V,大功率LED的正向电压通常为3V-4V,远小于安全电压。

2、节能。钠灯和金属卤化物灯是气体放电发光灯,靠加热升温使金属元素蒸气放电而发光。LED是固体发光光源,不需要加热就能发光,是一种冷光源,因此其减少了消耗在加热上的电量。

3、单色光源,发光效率高。LED可发射单色光,其半波宽大多为±20nm,可以精确地为植物提供所需要的光谱,而不浪费电能发出黄光、绿光等植物不需要的光谱。

4、体积小、应用灵活。可设计出轻薄短小的灯具,应用空间大。

5、环保。LED是固体发光光源,不含汞等有害物质,在安装使用中不会造成污染,其废弃物也可以回收。LED光源是环保的绿色光源。

6、寿命长。LED是固体光源,内部不存在松动部分,没有玻璃、灯丝等易损和易烧部件,机械强度大,耐振动,耐冲击,寿命可达50000h以上。

LED光源的明显优势已经引起荷兰、日本、美国等国学者的关注,尤其是近年来大功率LED 的研发成功,为LED在温室补光应用奠定了基础。

温室补光LED光源类型及结构

[导读]温室补光LED光源类型及结构常用的LED温室补光光源主要有两种形式,一种是垂直照射的点光源式,一种是穿插于植株之间进行侧面照射的带光源式。

2 温室补光LED光源类型及结构

常用的LED温室补光光源主要有两种形式,一种是垂直照射的点光源式,一种是穿插于植株之间进行侧面照射的带光源式。目前,LED光源用于温室人工补光尚处于试验阶段。

2.1 点光源式

点光源式是较早得到开发和应用的LED温室补光光源,可以根据不同气候条件、不同作物类型以及生长的不同阶段,调整LED补光光源的光照度和光质。

其安装方式多为在温室顶部已有骨架基础上加装条状LED供电装置,也可以独立安装LED 光源的支撑结构和供电装置,LED点光源从供电装置中引出,垂直向下照射植物。每个LED 点光源由数个LED灯珠组成,根据组装要求不同,外形可以为方形或圆形。根据作物种类不同,红色_ED点光源和蓝色LED点光源间隔布置,叶菜类作物可以考虑设置红蓝光照度比(R/B)为(7-9):1,因为红光对茎伸长有促进作用,也可起到增加产量的作用,果菜类作物R,B比可设置为(5-10):1。

独立安装LED点光源支撑结构的LED温室补光系统。左上角为LED点光源的供电装置,正面立柱是LED点光源和供电装置的支撑结构。LED点光源一般悬挂于植株上方进行补光,光源系统常处于固定状态,高度不易调节,对于达到一定高度的果菜类作物补光较为适宜。

2.2 带光源式

带光源式LED温室补光系统是在点光源基础上开发起来的光源系统,其显着特征是高度可以调节,可以根据不同作物需求及不同生长阶段进行光源的高度、光照度和光质调节。

带式LED光源结构相对简单,克服了点光源式LED组件多、安装复杂的弊端,夏季不用时还可置于天沟下侧,避免对通风降温以及栽培操作的影响i由于高度可以调节,可根据作物大小近距离照射作物,光能损失小,效率高:带式光源还可置于作物冠层下部,形成穿插照射,避免从上部照射时冠层叶片对下部植株的遮挡。

顶置带光源将LED内置于柔性材料中,供电装置置于带光源两端。选用大功率(>>1W)LED 芯片的灯珠,单颗排列,红蓝光比例按植物R/B的需求不同顺序设置。由于带光源质量较轻,无需支撑结构,从而大大简化了系统结构。

LED灯带与植物距离可根据作物的高度不同自由调节。同时,由于大功率LED的选用,使植物下层叶片的光环境也得到一定的改善,光遮蔽明显减小,光照均匀度明显提高。

穿插带光源:设计思路不同于上述两种LED温室补光光源,其主要特点是充分利用LED发热量小的特点,使光源与植物零距离接触,光损失比顶置带光源还小,充分发挥带光源柔性的特点,布置在作物行间或垄间,甚至缠绕于植物上,最大程度地满足了作物的光合需求。

红色LED穿插带光源置于植物主要茎秆上,也穿插在植株之间照射,并且布置多层穿插带光源,彻底解决了上层叶片引起的光遮蔽问题。同时,由于零距离照射,能够使光质调节作用发挥得更充分。例如,针对作物节问伸长需要,在作物节间区布置红色LED;针对果实形成以及蛋白质的合成对蓝光的需要,可在果实区域酌情增加蓝色LED。

3 小结:

光是作物生长最重要的环境因子之一,荷兰学者指出“1%的光照就是1%的产量”,可见光在作物生产中的重要程度。温室本身的光照比露地要低得多,尤其在冬春季节和连阴雨雪条件下,光照不足的状况会更加明显,已经成为限制蔬菜产量的重要因素,温室人工补光将是必然的选择。

目前的温室人工补光光源主要有荧光灯、高压钠灯、低压钠灯和金属卤化物灯等,这些光源红外和绿光等光谱成分所占比重较大,作物光合作用所需的红、蓝光谱成分较少,光能利用率低,耗能大,运行成本高。因此,新型节能光源的研发迫在眉睫。

LED光源,尤其是大功率LED芯片产品的成功开发,为温室人工补光提供了新的技术和手段。与高压钠灯相比,LED可节能50%-80%,节能效果显著。目前,正在研究的点光源式和带光源式LED光源均在一定范围内具有应用价值,相信在不久的将来,随着这些产品的定型化以及LED成本的进一步降低,LED温室补光光源必将得到全面的普及。

解读温室补光常用LED光源及其特征

钠蒸气压不超过几个帕,led路灯电源其发光光谱集中在589nm的黄色光,通常只能与其他光源配合使用。发光效率高达200lm/W,寿命长(约9000h)。高压钠灯标准工作钠蒸气压约为10kPa,发光光谱中有较多的

红橙光和较少的蓝绿光。LED调光电源发光效率较高,功率大,寿命长(约12000h),目前在温室补光中使用较多。但由于高压钠灯是热光源,表面温度高,发热量较大,不能近距离照射作物。

温室内不同光源补光优缺点分析(上)

光照是影响作物生长发育最重要的环境因子之一,根据荷兰温室种植者的经验,1%的光照带来1%的增产,可见光照在作物生产中的重要程度。由于各种影响因素,温室内的光照不足会影响到温室作物的生长、发育及其产量和品质,此时,光照已成为作物生产的限制性因素,温室人工补光将是必然的选择。

中国园林资材网8月21日消息:光照是影响作物生长发育最重要的环境因子之一,根据荷兰温室种植者的经验,1%的光照带来1%的增产,可见光照在作物生产中的重要程度。由于各种影响因素,温室内的光照不足会影响到温室作物的生长、发育及其产量和品质,此时,光照已成为作物生产的限制性因素,温室人工补光将是必然的选择。

温室人工补光是通过温室内安装补光系统,提高温室内光照强度或延长光照时间来实现植物对光的需求。一般来说,温室补光系统包括补光设备、电路及其控制系统,本文的重点在于介绍温室补光设备的基本知识。

温室补光设备的核心部分包括人工光源、镇流器、反光器(也叫反射器、反光板、反射罩)。镇流器的主要功能是驱动补光灯,目前常用的镇流器有电感镇流器和电子镇流器两种。反光器的功能是将光源发出的光尽可能地反射到植物生长区域并保持光照的均匀度,反光器的反光效率越高,反射下来的光线越多,提供的光照均匀度越高,对植物的生长越有利。

温室补光中使用的人工光源类别较多,常用的主要有白炽灯、荧光灯、高压钠灯、金属卤素灯以及新型光源LED。本文就几种常用温室补光人工光源的性能特点及其不足分别作一简要介绍,以供温室生产者增强对人工光源的了解,同时为选用温室人工光源提供参考。

白炽灯白炽灯俗称电灯泡,依靠真空灯泡中的灯丝(钨丝)通电发热至白炽化而发光,其发光原理是先发热,热到一定程度后发光。高温钨丝发射连续光谱,辐射光谱大部分是红外线,红外线能量可达总能量的80%至90%,而红、橙光部分约占总能量的10%至20%,蓝、紫光部分所占比例很少,几乎不含紫外线。我们把对植物生长发育有效的红橙光、蓝紫光称为生理辐射,因此,白炽灯的生理辐射量所占比例很小,能被植物吸收用于进行光合作用的光能则更少,仅占全部辐射光能的10%左右。

白炽灯可用于温室花卉生产的光合补光及光周期调控,通过调节白炽灯的悬挂高度和安装密度达到调节光照强度的目的。白炽灯平均寿命较短,不到1000小时,其发光原理也决定了白炽灯发光效率较低,所辐射的大量红外线转化为热能,也会使温室内的温度和植物的体温升高。温室生产中正逐渐淘汰白炽灯的使用。

荧光灯我们俗称的日光灯即是荧光灯的一种,是利用低压气体放电的原理制成,灯管内壁覆盖了一层荧光粉,管内充有一些汞蒸气(水银蒸气)和惰性气体,

由紫外线激发荧光粉而发光。发光的颜色根据荧光物质的不同而异,有蓝光荧光灯、绿光荧光灯、红光荧光灯、白光荧光灯、日光荧光灯以及卤素粉荧光灯和稀土元素粉荧光灯等。

温室补光或者园艺组培中使用较多的是白色荧光灯,发光光谱主要集中在可见光区域,光谱成分中无红外线,其光谱能量分布如下:红橙光占44%至45%,黄绿光占39%,蓝紫光占16%,比较接近日光。其生理辐射所占比例比白炽灯高,能被植物吸收的光能约占辐射光能的75%至80%,是较适于植物补充光照的人工补光光源,目前使用较为普遍,平均寿命约1000个小时以上。

目前用于温室生产的多为T5和T8两种类型,其发光效率较白炽灯高,但其功率小,功率因数低,附件较多(启辉器、镇流器、灯架、反光板),故障环节多,维护费用高,且含有对环境和人体有害的成分“汞”。

气体放电灯气体放电灯是由气体、金属蒸气或几种气体与金属蒸气的混合放电而发光的灯。温室生产中常用的气体放电灯有高压水银灯(高压汞灯)、金卤灯和高压钠灯。严格来讲,荧光灯也属于低压气体放电灯的一种。

1.高压水银灯:又称“高压汞灯”、UV灯。类似于荧光灯,利用高压水银蒸气放电发光的一种气体放电灯。产生的生理辐射量占总辐射能的85%左右,主要是蓝绿光及少量紫外光,红光很少。发光效率高,平均寿命6000小时以上。

高压水银灯的不足之处在于需要镇流器高压启动,断电后需完全冷却才能重新启动,不可以频繁启动。

2.金卤灯:全称是金属卤化物灯,是在高压水银灯的基础上添加各种金属卤化物而制成的光源。采用不同类型的金属卤化物,可以制成不同类型的近日光光源,也可通过改变金属卤化物组成呈现不同的光谱,发光效率高于高压汞灯,功率大,寿命长(8000小时至15000小时)。但是灯内的填充物中有汞,当使用的灯破损或失效后抛弃时,都会对环境造成污染。

3.高压钠灯:电流通过高压钠蒸气时激发产生光的一种光源。高压钠灯主要产生黄橙光,光谱能量分布大致为:红橙光占39%至40%,黄绿光占51%至52%,蓝紫光占9%。因含有较多的红橙光,补光效率较高。平均寿命可达20000至24000小时。高压钠灯需要配合反光罩或反光板使用,是温室中常用的人工补光光源。

不足之处在于,高压钠灯功耗高,发热量大,表面温度高,不宜近距离照射作物,亦不宜频繁启动。

上述这些人工光源的共同点是能耗大、运行费用高,其能耗费用占全部运行成本的50%至60%。近年来,随着LED(LightEmittingDiode,发光二极管)技术的发展,作为一种新型的节能光源,LED应用于温室生产,具有白炽灯、荧光灯和高压钠灯等传统人工光源不可比拟的优点。关于LED的性能特点及其在温

室生产中的应用,笔者将另文介绍。

温室光源

高压钠灯在温室内的安装。

温室光源

温室光源

高压钠灯补光。

温室光源

温室光源

日光温室荧光灯补光。

温室内不同光源补光优缺点分析(下)中国园林资材网9月18日消息:人工补光光源对于温室生产起着至关重要的作用,温室种植者应根据自身的经济条件、设施的结构特点、植物的种类以及所处地域气候特点选择合适的温室补光人工光源。传统光源在温室生产的人工补光中曾发挥着重要作用,并且还将会继续发挥其作用。但随着国家节能减排政策的推行、对低碳绿色农业的鼓励以及LED技术的飞速发展、LED产品成本的进一步下降,LED人工光源必将成为未来温室补光人工光源的主导,在温室生产中被广泛应用。

LED即发光二极管,是一种能够将电能转化为光能的固态半导体器件,是继白炽灯、荧光灯和HID灯之后的第四代新型光源。

近年来,随着LED技术的发展,作为一种新型的绿色节能光源,LED应用于温室生产,具有白炽灯、荧光灯和高压钠灯等温室传统人工光源不可比拟的优点:

1.绿色环保:与传统的白炽灯钨丝发光原理和节能灯的三基色发光原理不同,LED是一种固态冷光源,采用电场发光,光谱中没有紫外线和红外线;且LED本身不含汞等有害物质,安装和使用过程中不会破碎,废弃物可回收,避免了一些传统光源使用或者处理过程中带来的二次污染。

2.节能高效,坚固耐用:首先,电场发光原理决定了LED具有耗电量低、发光效率高的特点,比一般光源具有更高的光电转换效率,如LED比同样发光效率的白炽灯可节电90%以上;其次,LED是固态冷光源,发热量比传统光源更小,配以LED的散热装置,光源不会直接对植物辐射热量,使得植物在接受充足光照时不必受到过多热辐射的影响,避免不必要的生理活动的改变,例如,可以避免高压钠灯在温室补光应用中产生的高温灼烧植物叶片的现象;再则,LED坚固耐用、寿命长、体积小、重量轻、设计灵活、容易安装,可以根据设施生产的特点量身定做,开辟全新的补光方式,让植物的功能性叶片接收到全方位光照。

3.单色性好:LED的电场发光原理使得它可以产生出单一颜色的光谱,光质均一,并且可任意组合。这就意味着LED可以有针对性地提供植物所需光照条件。植物生理学家大量研究表明,在可见光光谱中,并不是所有的光谱对植物光合作用都有同样效率,其中以610nm

至720nm的红橙光和400nm至510nm的蓝紫光对植物光合作用的效率最高。LED使得光质(红/蓝光比例或红/远红光比例等)变得易于组合与调控,可以根据植物的需求提供不同的光照条件。

4.响应速度快:即开即亮、开关无需等待。LED通电后无需热启动时间,灯亮时间仅约60纳秒(1秒=10亿纳秒),白炽灯加电后需140-200毫秒(1秒=1000毫秒)的时间才能达到设定亮度,高压钠灯开启后甚至需要10分钟才能到达最高的亮度,且高压钠灯熄灭后必须等到完全冷却后才能再次开启。

根据温室生产的特点和要求,一个理想的温室补光人工光源应具备低散热、低耗能、高光电转换效率、具有最适合植物吸收的光谱、坚固耐用、使用寿命长、适合温室里温湿度的使用环境、具有一定调控性等特点。LED的出现,迎合了温室补光对人工光源的需求。

关于LED在温室生产中的应用,国内外已经有成熟的应用案例。很早就研发推广农用钠灯的荷兰皇家飞利浦电子公司与时俱进,也开发了专为设施园艺领域应用而设计的LED技术和产品,公司充分考虑到设施园艺生产中的特殊环境,提高了LED产品的IP防水防尘等级,适合在高温高湿的温室环境中应用。下面结合公司的研发成果和应用实例,对温室补光的LED应用作一简要介绍。

育苗补光即使在我国光照资源较好的南方地区,春季也会有较长时间的阴雨天气,阴雨带来的是低温弱光照,在这种天气条件下,温室内的光照水平会更低,严重影响作物的生长发育,特别是温室的育苗阶段,在此关键时期如果光照不足,幼苗会生长欠佳,易产生高脚苗。上海交通大学的浦江低碳农业基地选择用LED生产模组于温室内进行温室的育苗补光(图1),可有效避免这一情况。

多层种植照明现代温室生产中,设施条件比较优越,种植技术也较先进,通常都是生产经济价值较高的花卉产品,为了充分利用设施条件和先进的温室生产技术,生产者为增加温室空间利用率,提高经济效益,展开多层种植,这就可以借助LED满足下层种植的需要。在荷兰,飞利浦的LED生产模组已在长寿花多层种植(图2)和郁金香多层种植(图3)中

得到广泛应用,位于下层的花卉完全依靠LED提供的光照进行生长,既保证了产品的品质,又提高了温室的空间利用率。

补光调控花期对于那些对日照比较敏感的植物,在特定时期会根据需要进行人工补光提供长日照条件或者在夜间进行人工补光打破其暗夜,来达到调节花期的目的。飞利浦采用LED花期灯在1公顷的草莓生产温室中进行人工补光应用,结果表明,LED花期灯所提供的特殊光配方,可以明显促进草莓茎的抽生,提高果品质量,提早收获期,并且大大减少畸形果的产生,同时,比白炽灯节能82%至85%,可以说,各方面的表现均超过了原有的白炽灯。

植株间补光照明现代温室生产的植株常因为株型高大或者节间比较密集而受光不均,如月季,由于植株叶片相互遮阴,中下部叶片缺少足够的光照,影响了其光合性能的发挥,进而影响了最终产量和经济效益。在这种情况下,LED植株间照明模组和顶部照明相结合可有效提高植物的产出。LED植株间补光模组使植物下部的叶片获得更多光线,消除遮荫对植物的影响,这正是充分利用了LED的低散热特点。

温室光源

图1:温室育苗LED补光。

温室光源

图2:长寿花多层栽培LED补光。

温室光源

图3:郁金香多层栽培LED补光。