設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)光效提升的 3 個(gè)途徑

　　設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明是指采用半導(dǎo)體電光源及其智能化管控裝備，按照農(nóng)業(yè)生物的光環(huán)境需求規(guī)律和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域的生產(chǎn)目標(biāo)要求，人為創(chuàng)造適宜的設(shè)施光環(huán)境或彌補(bǔ)自然光照的不足，調(diào)控農(nóng)業(yè)生物的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、穩(wěn)產(chǎn)生產(chǎn)目標(biāo)的一種設(shè)施園藝措施，它是農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明的最重要領(lǐng)域，應(yīng)用進(jìn)展和潛力最大。

　　各應(yīng)用領(lǐng)域生物形態(tài)多樣，光環(huán)境需求差異迥然，主要應(yīng)用總結(jié)如下。①溫室補(bǔ)光。為增加植物光合產(chǎn)量，提高光照強(qiáng)度，延長(zhǎng)光周期，須進(jìn)行人工補(bǔ)光。②食用菌工廠。目前，食用菌生產(chǎn)工廠化程度高，多數(shù)食用菌對(duì)光強(qiáng)要求不高，但對(duì)光質(zhì)要求苛刻，產(chǎn)量品質(zhì)效應(yīng)大，光環(huán)境調(diào)控非常重要，應(yīng)用潛力巨大。③植物工廠。植物工廠作為設(shè)施園藝的最高級(jí)發(fā)展階段，可用于蔬菜、苗木(蔬菜苗、水稻、煙草等)、中草藥等的規(guī)?；a(chǎn)。智能化人工光環(huán)境調(diào)控對(duì)其生產(chǎn)效率起決定性作用。④植物組培。植物組培是種苗快繁、脫毒的重要手段，完全采用人工光照進(jìn)行生產(chǎn)，對(duì)人工光源需求極大，電光源升級(jí)換代十分迫切。

　　設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明應(yīng)用領(lǐng)域十分復(fù)雜，需要開展系統(tǒng)、多層面、多尺度的研究工作。

　　原因之一，農(nóng)業(yè)生物營(yíng)養(yǎng)與生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律具有多樣性和復(fù)雜性，農(nóng)業(yè)生物對(duì)光環(huán)境的響應(yīng)機(jī)理各不相同，研究方法各異，需要逐一系統(tǒng)研究，揭示其光生物學(xué)規(guī)律。譬如，植物是利用光能、CO2和水，通過葉綠素光合作用形成碳水化合物，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能;而微生物(以食用菌為例)則需通過胞外酶分解栽培基質(zhì)獲取所需營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)生菌絲和子實(shí)體。3種農(nóng)業(yè)生物的營(yíng)養(yǎng)方式根本不同。

　　原因之二，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域龐雜，農(nóng)業(yè)生物種類多樣及其賦存形態(tài)各異，對(duì)光環(huán)境時(shí)空需求不同。

　　原因之三，光環(huán)境的數(shù)量屬性(光強(qiáng)和光周期)、質(zhì)量屬性(光質(zhì)和光譜)和電光源發(fā)光特性(占空比、頻率)多，需要逐一研究其生物學(xué)效應(yīng)。

　　上述3方面因素疊加顯現(xiàn)了植物光生物學(xué)研究的復(fù)雜性和系統(tǒng)性。

　　1、設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)裝備的構(gòu)成

　　設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明的本質(zhì)特征是光環(huán)境(光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期)的精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)、按需調(diào)控，實(shí)施高效的農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明就需要以農(nóng)業(yè)生物光環(huán)境需求時(shí)空規(guī)律為基礎(chǔ)建立不同的調(diào)控策略。

　　設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)裝備包括LED光源及LED燈、LED燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)、光環(huán)境智能控制系統(tǒng)3個(gè)方面。LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)是以最大化提高其光電轉(zhuǎn)化效率和時(shí)空生物光效為目標(biāo)的。LED光源與燈具效率增效、農(nóng)業(yè)生物光生物學(xué)規(guī)律的解析是節(jié)能LED照明系統(tǒng)裝備研發(fā)及構(gòu)建高光效應(yīng)用策略的基礎(chǔ)。

　　設(shè)施園藝專用LED光源及燈具的設(shè)計(jì)研發(fā)，關(guān)注照射的均勻性、光質(zhì)組配的合理性、散熱的可靠性、LED芯片功率的適宜性、發(fā)光面設(shè)計(jì)的高效性和感官舒適性。需遵循以下幾個(gè)原則。

　　(1)高光能利用率原則。通過制定合理光譜組分，最大程度增加LED光源的發(fā)光效率，減少光源與被照射生物距離，減少光損失。

　　(2)低成本原則。成本是決定設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素，需挖降低成本技術(shù)。

　　(3)生態(tài)安全原則。在滿足設(shè)施園藝作物光合生理需求基礎(chǔ)上，適宜改進(jìn)純紅藍(lán)光譜組成，增加微量或少量綠光成分，增加視覺健康。

　　(4)優(yōu)先開發(fā)設(shè)施園藝高附加值農(nóng)產(chǎn)品專用LED光源及燈具，利于燈具銷售，培育龍頭企業(yè)。

　　(5)通用性原則。優(yōu)先開發(fā)與傳統(tǒng)T5和T8燈具通用的LED燈管及相關(guān)產(chǎn)品。

　　LED燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)包括LED燈懸掛方式、空間位置控制裝置、栽培平臺(tái)及調(diào)控裝置等，決定著植物冠層截獲人工光的效率高低。建立光環(huán)境智能控制系統(tǒng)及其光環(huán)境智能控制策略是設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)重要組成部分。

　　農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明大數(shù)據(jù)涉及設(shè)施農(nóng)業(yè)類型、農(nóng)業(yè)生物種類與品種、LED光源及燈具類型、光照配方與照射方式、生產(chǎn)目標(biāo)、控制策略等方面，需要建立由設(shè)施農(nóng)業(yè)生物種類和品種數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)生物生長(zhǎng)發(fā)育光環(huán)境需求數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)生物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)光環(huán)境調(diào)控?cái)?shù)據(jù)、設(shè)施內(nèi)光環(huán)境動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)、設(shè)施環(huán)境要素日變化和季節(jié)變化數(shù)據(jù)等組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　2、設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)光能利用效率

　　從光能產(chǎn)生到植物吸收利用的過程來(lái)分析，設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)的光能利用效率是指電能轉(zhuǎn)化為光能被植物利用的效率，它受3個(gè)環(huán)節(jié)控制，即LED光源及LED燈、LED燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)、光環(huán)境智能控制系統(tǒng)。因此，為提高光能利用效率，需要從上述3個(gè)方面來(lái)解析研發(fā)。

　　3、設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)光效提升的途徑

　　3.1 LED 光源及LED 燈發(fā)光效率

　　以人工光源燈具輸出的光合有效光量子通量與其單位耗電量的比值，即光合有效光量子效率(mol/W)來(lái)評(píng)價(jià)光源燈具光效，但這必須以光譜構(gòu)建為基礎(chǔ)。

　　首先，在LED芯片光質(zhì)構(gòu)建方面通過芯片選型、光譜構(gòu)建、熒光粉應(yīng)用、封裝方式等獲得低成本、節(jié)能高效光譜;

　　其次，通過選擇適宜的LED燈珠發(fā)光角度和LED陣列排布方式，獲得垂直方向適宜的光強(qiáng)分布和均勻性;

　　再次，通過LED光源燈具發(fā)光面性狀設(shè)計(jì)，獲得最大冠層光能截獲率，提高光照效益;

　　最后，改進(jìn)燈具的散熱系統(tǒng)裝置，提高壽命，獲得較好的投入產(chǎn)出效益。目前常見的散熱方式有：自然冷卻、主動(dòng)空氣冷卻、直接液體冷卻等，通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射散熱。

　　3.2 LED 燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)效率

　　LED燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)涉及LED燈與作物冠層相對(duì)空間關(guān)系，涉及到光束照射方向、照射面、冠層光截獲比例等參數(shù)。光環(huán)境智能控制系統(tǒng)關(guān)系到光照的時(shí)空生物有效性、強(qiáng)度適宜性和產(chǎn)量品質(zhì)效益等3個(gè)方面。LED燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)包括懸掛方式、空間位置調(diào)節(jié)裝置、栽培平臺(tái)創(chuàng)新與調(diào)控等環(huán)節(jié)的技術(shù)途徑。

　　3.3 光環(huán)境智能控制系統(tǒng)效率

　　設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明的本質(zhì)特征是光環(huán)境(光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期)的精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)、按需調(diào)控，實(shí)施高效的農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明就需要以農(nóng)業(yè)生物光環(huán)境需求時(shí)空規(guī)律為基礎(chǔ)建立不同的調(diào)控策略，迫切需要構(gòu)建農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明大數(shù)據(jù)及智能控制系統(tǒng)。

　　光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期的控制，從光的質(zhì)量和數(shù)量雙重角度與植物光環(huán)境需求規(guī)律相對(duì)應(yīng)，恰到好處地為植物生長(zhǎng)提供適宜的光環(huán)境條件，最大程度地從時(shí)空角度挖掘植物生長(zhǎng)發(fā)育的潛力，最大地促進(jìn)植物快速優(yōu)質(zhì)生長(zhǎng)。

　　為了構(gòu)建農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明大數(shù)據(jù)，需要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和農(nóng)業(yè)生物種類為核心，以優(yōu)化光質(zhì)種類及其數(shù)量屬性為重點(diǎn)，建立優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)光環(huán)境需求動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，調(diào)控策略和軟硬件裝備。

　　4、設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)光效提升技術(shù)現(xiàn)狀

　　4.1 溫室LED 補(bǔ)光系統(tǒng)

　　溫室補(bǔ)光是設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明的重要領(lǐng)域。近些年，為提高溫室LED補(bǔ)光裝備的光效水平，主要在光源燈具、懸掛方式方面進(jìn)行了創(chuàng)新。在光源燈具方面，開發(fā)出了冠層雙面LED補(bǔ)光燈、冠層雙斜面LED補(bǔ)光燈、落地補(bǔ)光燈和可折疊翼狀補(bǔ)光燈。在補(bǔ)光懸掛方式方面，開發(fā)了多種冠層貼近式補(bǔ)光技術(shù)，包括冠層上方貼近式補(bǔ)光、冠層內(nèi)補(bǔ)光和冠層側(cè)面立體補(bǔ)光技術(shù)等，極大地提高了設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)的光效，具有重要意義。

　　4.2 人工光植物工廠LED 照明系統(tǒng)

　　人工光植物工廠是設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明的重要領(lǐng)域。近些年，在LED燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)、栽培平臺(tái)創(chuàng)新與調(diào)控等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。研發(fā)出了LED光源空間管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了LED光源燈具水平可控移動(dòng)技術(shù)裝置，通過植物工廠內(nèi)區(qū)域間錯(cuò)時(shí)照明的方法節(jié)省50%的LED照明系統(tǒng)，降低了光源燈具成本;研發(fā)出了LED光源燈具垂直可控移動(dòng)技術(shù)裝置，根據(jù)植物植株冠層高低動(dòng)態(tài)調(diào)控LED光源燈具的垂直高低，可節(jié)能18%以上。

　　5、結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明是一種節(jié)能、高效、精準(zhǔn)的光環(huán)境調(diào)控技術(shù)，不僅調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育，而且可調(diào)控農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，對(duì)保障國(guó)家食物安全和農(nóng)產(chǎn)品有效供給具有重要應(yīng)用價(jià)值。

　　隨著LED器件價(jià)格的持續(xù)高速下降，設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)的成本將會(huì)逐年降低，應(yīng)用推廣潛力和前景非常大。為了達(dá)到光環(huán)境調(diào)控最佳效果，必須在提升設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)性能上攻關(guān)，從光源、燈具、懸掛、栽培平臺(tái)、智能控制等方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，全面提升系統(tǒng)的光效水平，提高設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明的效益。