您好! 歡迎光臨南京照明學會網!聯系我們加入我們
加入學會
學術交流  您當前的位置:首頁    學術交流

光劑量計在植物生長補光照明系統中的應用

發布日期:2014-06-18    【字號:  

光劑量計在植物生長補光照明系統中的應用
居家奇  陳枕流  吳忠航  李澤斌  梁榮慶

復旦大學先進照明技術教育部工程研究中心,上海200433


摘  要:植物生長補光在現代農業體系中已經不是新名詞,從三基色熒光燈,到鈉燈、金鹵燈、氙燈、硫燈、無極燈等都有對應的應用于植物生長的系列產品。而大功率LED照明產品的推廣和應用,對植物補光又掀起了一次技術革新,由于LED有靈活的光譜選擇性,可以有效匹配出植物生長所需的照明光譜,較傳統植物補光光源有顯著優勢。本文將討論植物補光照明系統的光輻射定量計算,分析光合成有效輻射功率與劑量兩種評價指標的差異,及應用光劑量計精細化控制植物補光量,提高補光照明系統效率。
關鍵詞:植物補光,光合成有效輻射,光劑量,補光照明系統,

 

1 植物生長補光照明
  隨著現代農業的發展,越來越多的植物被搬進了室內。高檔商務樓宇,大型購物中心,機場車站,大量的觀賞性植物、花卉被移進了室內,為工作生活增添了生機與活力。農業園區,植物工廠等新型現代化農業基地的誕生,改變了傳統農業日出而做,日落而息的生產規律,擺脫了靠天吃飯,問地要糧的生產模式。同時越來越多的花卉植物愛好者將景觀花卉,觀賞盆栽擺進自家的客廳臥室,為家居生活增添情趣。而以上這些的實現,有意或無意地都離不開植物生長補光照明,才能將缺少日照或者完全缺失日照的植物花卉種植成功。
  植物的健康成長需要土壤、溫度、濕度、水、空間和光照,每種元素或其替代物缺一不可,光照對植物的生長形態,光合作用的進程,營養代謝循環以及生長周期均有重要影響。植物雖然可以吸收利用的光線具有較寬光譜范圍,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400nm至500nm之間存在一個吸收峰,在600nm至700nm存在一個吸收峰,這也就是通常認為紅橙光和藍紫光對于植物生長具有較積極的意義。
  從圖1中可以得到,其實太陽光譜對于植物生長而言并非是一種高效光源,所以完全模擬太陽光用以植物生長照明并沒有實際的意義,因為只有照明系統提供的光輻射能量真正可以被植物所吸收利用才是有效的光輻射。對于傳統農業而言,由于太陽光是免費的光照資源,其輻射能量很大,所以即使其有效利用率很低也足夠保證植物的正常生長,但對于現代農業而言,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,過多的光輻射或者是無法被植物利用的光輻射都將是能源的浪費從而降低照明系統的效率。
  如何提高植物生長補光照明系統的效率,有兩大任務,第一是要確定所種植植物的吸收光譜響應曲線以及實際生長周期所需要的光照總量,這需要農業專家及生物學專家的貢獻;第二是要

 

提供與植物吸收光譜響應曲線相匹配的照明光譜,并且根據植物生長周期所需要的光照總量提供照明。將光照作為植物生長過程中的一種營養素,定量按需供給,滿足光照與植物生長的供需平衡,既保證了植物的健康生長,又最大限度地節約了照明用電,提高了照明系統效率。

 

2光合成有效輻射功率與輻射劑量

 

在光度學測試中,我們通常用光通量Ф(單位lm)來表征光量的多少,光通量是指單位時間內光輻射能量的大小,光通量是說明光源發光能力的基本量,如式1所示。

1

 

  其中,Ф為光通量;Pλ為絕對光譜能量分布;Vλ視覺光譜光視效率函數;Km為光譜光視效率函數最大值,在明視覺條件下,Vλ的最大值Km683lm/Wλ=555nm。從量綱上來考察,光通量單位流明(lm)相當于功率(W)。

  對于植物生長照明而言,通常使用光合成有效輻射(PAR)值表征。以400nm700nm的光輻射功率之和來粗略地表征光源用于植物生長領域的作用,與流明(lm)單位類同,光合成有效輻射功率(PAR watts)可以用瓦(W)來描述,可以用式2表述。

式2


 用PAR值表述植物生長照明效果雖然仍不是最理想,因為不能有效地反應植物生長光譜響應曲線的影響,但相較于流明(lm)或者照度單位勒克斯(lx)已經有了很大的進步,剔除了人眼光譜響應曲線V(λ)的影響。更為準確的表達方式應該將V(λ)替換為相應的植物生長光譜響應曲線Bp(λ),得到光合成有效輻射通量(PAR flux)如式3所示。

式3


 其中KBp為與Km相對應,是一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。但以上這些光參數均沒有與時間相關的參量,都是描述單位時間的物理量。由于植物生長補光照明不僅與光照強度,光譜能量分布有關,同時還與光照的持續時間有關,所以無論是光通量或者PAR值都不能準確表達所要控制的具體光信息。在實際應用中,應使用具有光劑量信息記錄及反饋的照明系統,尤其在植物大棚或溫室中種植的植物,可以根據實際接收到的日照光量來確定所需補充的人工光光量,具體可以使用光合成有效輻射劑量(PAR energy)來表征,量綱相當于能量單位焦耳(J)如式4所示。

式4

  采用光合成有效輻射劑量較輻射功率及輻射通量可以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標定及反饋信息從而降低系統能耗,提高系統效率。

3 具有光劑量控制功能的植物生長補光照明系統

 所謂植物生長補光照明,即在天然日照光不足夠,不充分的情況下,為了有效促進植物生長,而增加的人工照明。一般安裝在大棚或溫室中,固定時間段開關為植物進行補光照明。而實際上,由于季節和氣候的變化,天然日照光量是會呈現波動的,加之霧霾、沙塵等極端天氣的出現,日照輻射量波動更為明顯。如果簡單地控制每日補光時間,可能會出現植物補光不足或補光過足的情況,不利于植物的健康生長。這就需要用光劑量來標定植物每日攝取的光照,當自然光照不足時,增加人工光強度及光照時間,當自然光充分時,可以適當減少人工光強度及光照時間,以光劑量作為植物生長補光照明系統中的反饋信號來調節平衡每日植物所接收的光照總量。
  為了實現光劑量的測試,在照度計原理的基礎上,設計開發了一套便攜式的光劑量計,可以實現傳統照度測試功能的同時,還可以進行光劑量測試,更重要的是通過上位機信息的傳輸與控制,可以方便地集成到照明系統中,作為智能調光控光的參考基準。其程序運行框圖如圖2所示。

 

  在實際測試過程中,所測得的光劑量是考察時間段內,單位面積上所接收到的光劑量,如圖3所示,這是一個隨時間增加而不斷增加的量,當植物接收到所需光照總量的時候,照明系統自動關閉,不再補光,如果由于自然光照不足,未達到所需光照總量時,照明系統自動延長補光時間。
 以上測試的光劑量數值,其實還是以人眼光譜響應曲線V(λ)為修正的。如果更為科學的話,以上測試的光劑量需轉化成為光合成有效輻射劑量,而這就需要修正光劑量計的探頭,將V(λ)曲線修正成植物生長光譜響應曲線Bp(λ)。另一種較為簡便的方式是分別用兩套光劑量計分別測量紅橙光(660nm)及藍紫光(450nm)的光劑量值,這只需要增加濾光片即可實現,而這與LED植物生長補光照明系統可更有效結合,只需將對應的不同顏色的光劑量計分別接入對應光色LED回路,即可實現植物生長補光劑量的精細化控制。

4 小結

  隨著大功率LED技術的迅速發展與成熟,LED的高光效,窄光譜,易調光,長壽命及波長選擇靈活等優點,受到越來越多現代農業示范基地及示范項目的關注?;谥参锷L光譜響應曲線的特點,建議采用光合成有效輻射劑量作為評價實際植物生長過程中所接收到的有效光輻射,可以有效彌補傳統光度學測試項目中時間維度的信息缺失。同時將光劑量計集成進入植物生長補光照明系統,以光劑量作為調光控制的參考值,可以實現植物生長精細化光照管理,對提高現代化農業補光照明系統的系統效率具有積極意義。

參考文獻:
1.李農,楊燕. 照明手冊[M]. 北京:科學出版社,2004
2.The IESNA lighting handbook, 9th Edition [M]. New York: IESNA, 2000.
3.居家奇,陳枕流,張萬路,梁榮慶. 一種光劑量計:CN102997992A [P]. 2013-03-27.
居家奇,陳枕流,梁榮慶,陳大華. 使用光劑量評價照明的非視覺生物效應[J]. 照明工程學報,2012,23(5),1-3.
4.趙啟蒙. 用于植物生長補光的LED照明系統研究 [碩士],復旦大學,2012.


公  告


  江蘇省照明學會、江蘇省照明電器協會在2014年3月12日召開的常務理事會上,討論通過了江蘇宏力照明科技有限公司等9家企業為我學會、協會會員單位。特此公告,名單如下:

江蘇宏力照明科技有限公司
南京久和電氣有限公司
國家半導體照明質量監督檢驗中心
常州市半導體照明應用技術研究院
蘇州泰利電器照明制造有限公司
南京本邦照明有限公司
江蘇奧雷光電有限公司
南京宇能儀表有限公司
阿斯特南京光電科技有限公司

上一篇:京杭水鎮
下一篇:關于LPD值
 首頁 | 關于學會 | 行業信息 | 學會活動 | 學術交流 | 科普宣傳 | 通知公告 | 專家庫 | 加入學會 | 會員動態 | 聯系我們

南京照明學會 社會團體 蘇ICP備14021827號-1 南京照明學會 http://www.homesweethome-themovie.com

乐安县| 甘洛县| 涞源县| 留坝县| 东明县| 安康市| 图木舒克市| 定襄县| 南澳县| 澄江县| 霍城县| 海淀区| 铁岭县| 伊春市| 通渭县| 北碚区| 浏阳市| 乐业县| 青川县| 汉川市| 湖北省| 浮梁县| 宜阳县| 扎鲁特旗| 新化县| 南汇区| 乌拉特中旗| 泽库县| 准格尔旗| 华池县| 西林县| 龙海市| 柳林县| 奇台县| 蒙山县| 金华市| 朝阳区| 马鞍山市| 灌云县| 镇坪县| 长岛县|