新型LED植物补光装置的开发及应用

新型LED植物补光装置的开发及应用摘要：本文设计了适用于园艺设施栽培的新型LED植物补光装置，该装置以LED灯珠为光源，依照植物生长规律所需要的太阳光，用LED灯管代替太阳光在植物生长的各个阶段进行不同强度的补光照射，提高植物的生长效率。本文所开发的LED补光装置光源为红光LED（650~660nm）、蓝光LED（420~430nm）和远红光LED（720~730nm）。关键词：植物补光；发光二极管（LED）；设施园艺中图分类号：O782文献标识码：A引言我国是设施园艺生产大国，设施园艺栽培面积和产量居世界首位。然而，由于我国设施园艺的栽培形式以日光温室和塑料大棚为主，设施内的光照只有设施外的70%左右，在阴雨雪雾等恶劣天气条件下，设施内光照严重不足，弱光寡照严重制约着设施作物的生长发育与产量品质的形成。在我国，阴雨雪雾等恶劣天气导致的连阴天现象时有发生，在低温同时作用下弱光寡照经常导致作物减产甚至绝收，经济效益无法保证。尤其是在大都市周边，空气污染导致的大气透明度较低也加剧了连阴天现象的发生与危害。人工补光是保证弱光寡照条件下设施园艺优质高产的重要技术手段。然而，传统的补光灯，如高压钠灯，存在能耗高、光效低、光谱与植物光合作用需求相差较远的缺陷，很难保证设施作物的高效生产的需求。LED是一种半导体固态光源，具有体积小、重量轻、节能环保、长寿命、光谱可按植物需求调制等优点，较传统补光光源具有无法比拟的光电优势，是替代传统光源进行高效补光的理想光源。更为重要的是，LED光源为冷光源，可贴近植物叶片表面照射，减少了照射距离，提高了生物光效，被称为绿色高效的“光肥”[1]。1新型LED植物补光装置设计1.1外壳组件外壳组件采用由晋煤集团晋城晟皓光电科技有限公司自主开发的T8一体化灯管。该种灯管结构可以实现温室园艺等场所多根灯具的无缝连接，同时也可以实现多根自动控制，有利的设施园艺中灯具光照的集中调节和人工控制管理。1.2LED灯板设计根据植物生长对光谱需求的大量文献研究[2,3]，针对其外壳组件的结构，设计了1种LED灯板，在该灯板上能够实现多种LED红光R、蓝光B、远红光Y的光质组合，如图1所示。并且能够模拟多种植物的生长光谱，实现1种灯板全光谱补光的技术。在图2中可以看到每1条灯板都有不同的灯珠按照光谱模拟分布排列，该种排列技术除了满足光谱模拟外，还可以通过外部控制实现各种光质和光强的组合。图1LED灯板样品图1.3控制器图2所示为该灯具控制模式图，控制器采用5路模式，2路输入，3路输入。输入为24V直流，输出3路信号，分别为RYB，R控制红光、Y控制远红光、B控制蓝光，控制器中集成有IC控制模块，该模块可以调节输入到灯具中的电流强度、调节各种光质组成、独立照射等功能。图2控制模式示意图2新型LED植物补光装置测试2.1功能测试图3为该新型LED植物补光装置在红光、蓝光和远红光的单独控制下的效果图，同时这些光质可以组合、智能控制光照强度。通过遥控器可以能够实现对植物补光装置的分时段、分阶段的智能调控光质的功能，从而提高植物对光谱的吸收率。图3单独远红光、红光、蓝光工作图2.2配光测试配光测试系统为远方（EVERFINE）GO~2000A_V1系统，配光曲线可以测试灯具的发光角度，光照强度分布等光学参数。本次测试设置C角度范围：0。~360。，γ角度范围：0。~90。。配光测试结果如图4所示，配光结果显示，该灯具的发光角度为：-80。~80。，平均光束角为156.5。。图4配光测试分布图2.3有效平均照度测试报告有效平均照度能够反映出在不同的高度，灯具的光照角度、光照强度、光照面积等参数，通过测试，可以给用户提供参考，选择合适的高度对植物进行照射，从而达到科学控制，严格调控的目的，保证植物在最合理的光照强度下进行生长。图5所示为该灯具在1~5m的梯度有效照度测试图，图中可以看出该补光装置对不同高度的照度量。通过测试，该LED补光装置在距离植物1m的时，最大照度为44.62lx，平均照度为13.13lx，光束角113.04°。3应用推广该灯具目前已经在山西晋煤集团宏圣公司花圃大棚、山西晋煤集团润红煤业公司等温室大棚开展试验和推广，田间资料目前正在收集整理中。从目前的应用效果来看，该灯具安装灵活、控制方便、光照强度大，照射模式多的特点已经逐步被用户所发现，灯具价格也能够让用户接受，得到用户的一直好评，未来将通过田间试验结果做进一步的改进，使LED照明能够为植物生长提供科学“光肥”。参考文献[1]杨其长,张成波.植物工厂概论[M].中国农业科学技术出版社,2005.[2]魏灵玲,杨其长,刘水丽.LED在植物工厂中的研究现状和应用前景[M].中国农学通报,2007,23(11):408-411.[3]魏灵玲.LED光源在密闭式植物苗工厂的应用研究[M].北京:中国农业大学,2007.作者简介：唐建军（1985-），男，汉族，山西孝义人，硕士，助理工程师，主要从事新型LED灯具的设计和开发。