選擇LED園藝照明系統(tǒng)時需考慮哪些因素?如何實現(xiàn)能源效率?

　　企業(yè)在評估園藝照明的光源時，會面臨多個考慮，包括：光強度、光譜、光分布均勻性、能源效率和燈具壽命。園藝照明系統(tǒng)可以將電能轉(zhuǎn)換為用于植物生長發(fā)育、促進光合作用的光，而基于LED的光源可以為應(yīng)用提供調(diào)諧頻譜。然而，確定這種固態(tài)照明(SSL)系統(tǒng)的效率或效能是一個挑戰(zhàn)。影響照明系統(tǒng)整體效率的因素有幾個。本文討論照明設(shè)備的設(shè)計將如何影響能源效率，以及能源效率如何反過來影響受控植物生長環(huán)境的整體盈利能力。

　　事實上，園藝燈具將電能轉(zhuǎn)換成可用光供植物生長的效力對受控環(huán)境農(nóng)業(yè)(CEA)能否成功至關(guān)重要。圖1為受控環(huán)境農(nóng)業(yè)(CEA)的一個垂直農(nóng)場范例。

　　園藝的相關(guān)指標(biāo)

　　植物主要利用波長在400-700nm的可見光進行光合作用(圖2)，因此，此區(qū)段通常也被稱為光合成有效輻射(PAR)。光合光子通量(PPF)測量照明系統(tǒng)每秒產(chǎn)生的PAR總量。測量時，使用積分球，用于捕獲并測量照明系統(tǒng)發(fā)射的幾乎所有光子。PPF的單位為每秒每平方米光子的摩爾數(shù)(μmol/s)。

　　圖2. 植物對光合有效輻射(PAR)的平均響應(yīng)

　　光合光子通量密度(PPFD)測量到達植物冠層的PAR量。PPFD表示單位時間面積上在可見光波長范圍的光量子數(shù),單位為μmol/m2/s。 PPFD 也表示光量子的數(shù)量與光合作用間的相關(guān)性。

　　最后，我們討論光子功效。光子功效指園藝照明系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為PAR光子的效率。如果光的PPF與輸入功率都已知的情況，就可以輕松計算園藝照明系統(tǒng)的光子功效。給定PPF的單位為μmol/ s，測量瓦特的單位是每秒焦耳(J/s)，分子和分母中的秒數(shù)消除，得到的單位為μmol/ J，這個單位就用于表示功效。這個數(shù)字越高，就表示照明系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換成PAR光子就越有效。

　　園藝照明的常見方法

　　接下來，我們要了解燈具設(shè)計的細微差別，以及園藝照明系統(tǒng)節(jié)能的原因。世界上最常用的園藝照明系統(tǒng)是基于高強度放電(HID)照明和高壓鈉燈(HPS)。高壓鈉燈本來不是專門設(shè)計用于種植植物的，是設(shè)計給輕軌和停車庫。但是，現(xiàn)成可用性和高輸出水平導(dǎo)致被廣泛應(yīng)用于園藝，原因是它們提供非常高的光強度，大部分發(fā)射的光在565-700 nm范圍內(nèi)，這一有效的波段可以加速光合作用。

　　使用高壓鈉燈進行園藝照明的一個缺點是產(chǎn)生大量的輻射熱。高壓鈉燈的表面溫度可以達到高于800°F的溫度(約430 ℃)，因此植物冠層和高壓鈉燈之間必須有足夠的距離，以避免損壞植物組織。增加燈具的安裝高度時，反平方定律開始起作用，這可以降低照明率。隨著時間的推移，高壓鈉燈的能量效率增加，而雙端HPS燈具的出現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)1.7μmol/J的光子效能。

　　轉(zhuǎn)向LED

　　我們回顧一下LED在園藝照明使用的過程。在2014年，效率最高的LED園藝照明系統(tǒng)與雙端高壓鈉燈效率一樣。與高壓鈉燈相比，LED的使用壽命長(L70≥50,000小時)令許多種植者轉(zhuǎn)而使用LED。然而，與高壓鈉燈相比，LED園藝照明系統(tǒng)的成本相對較高，限制了向LED燈的過渡。

　　LED芯片制造商在過去幾年中已經(jīng)提高了目前已有組件的功效，使得他們能夠顯著提高光子效能，并且每年都會持續(xù)改進。事實上，基于LED的園藝照明系統(tǒng)現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)比雙端高壓鈉燈大45%的光子效率。雖然單個組件的效率提高了LED園藝照明的效率，但它也只是LED超過高壓鈉燈技術(shù)的一個變量。

　　LED系統(tǒng)熱量

　　談到LED照明產(chǎn)生的熱量時，有一個常見的誤解。許多種植者認(rèn)為LED比高壓鈉燈產(chǎn)生的熱量更少，這在LED燈具以較低瓦數(shù)驅(qū)動時才是真的。如果有一個600W LED燈具和一個600W雙端高壓鈉燈，從宏觀角度來看，它們產(chǎn)生的熱量在相同的大致范圍內(nèi)。

　　LED和高壓鈉燈的主要區(qū)別在于這兩個600W產(chǎn)生的PAR能量有多少，熱量如何從燈具中散發(fā)的。來自高壓納氣燈的大多數(shù)熱量向下輻射到作物冠層，而LED的大部分熱量是在部件與印刷電路板(PCB)的連接部位產(chǎn)生的，熱量通常被傳導(dǎo)到PCB，也可能是散熱片，并通過向上對流去除。

　　因此，LED作為園藝照明系統(tǒng)的主要優(yōu)點之一是可以放置在植物附近而又可以讓植物免于熱輻射的損害。但是，假如熱量沒有通過適當(dāng)?shù)臒峁芾硐到y(tǒng)從PCB中有效去除的話，則LED組件的壽命將明顯縮減。

　　在商業(yè)園藝環(huán)境中冷卻照明系統(tǒng)有兩種方法。被動冷卻的燈具利用散熱片從電路板散發(fā)熱量，而主動冷卻的燈具依靠風(fēng)扇或水來散熱。用于冷卻燈具的風(fēng)扇會消耗能量，并會降低燈具的整體光子效能。另外，如果在燈具運行期間風(fēng)扇出現(xiàn)故障，PCB上的LED可能會過熱并燒壞。即使它們沒有發(fā)生災(zāi)難性的故障，降低的功率輸出將大大降低LED燈具的使用壽命。這是種植者在比較園藝照明系統(tǒng)時需要考慮的一個非常重要的因素。

　　頻譜和功效

　　影響園藝照明系統(tǒng)光子功效的另一個重要因素是發(fā)光的光譜。用于園藝照明系統(tǒng)的最有效波長是紅色(660nm)和藍色(450nm)。傳統(tǒng)的LED園藝照明技術(shù)主要使用紅色帶較小比例的藍色LED來實現(xiàn)最高的光子效能。

　　雖然紅色LED具有最高的光子效能，但是植物在窄帶波長下本身并沒有生長。因此，在優(yōu)化植物生長和發(fā)育方面，單一的紅色LED不會產(chǎn)生最有效的光譜。與補充溫室照明(圖3)相比，在垂直農(nóng)場中使用單一源照明的情況尤其如此。

　　圖3. 惡劣和骯臟的環(huán)境(如溫室)可能會迅速導(dǎo)致主動冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而導(dǎo)致整個照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障。除了提高能源效率之外，被動冷卻系統(tǒng)不需要容易斷裂和堵塞的運動部件。

　　多家園藝照明廠商根據(jù)葉綠素a和b的吸收峰而宣稱其產(chǎn)品有“特殊光譜”。但是，他們沒有提到這些葉綠素顏料是從植物葉中提取并在體外測量的。光質(zhì)量對 光合作用的作用光譜(圖2)是由McCREE和Inada在20世紀(jì)70年代進行研究時提出的。研究顯示光合作用速率與葉綠素a和b的作用光譜之間有相關(guān)性，但它們并不是光合作用的唯一波長。在這項研究之前，存在一個常見的誤解：認(rèn)為葉綠素主要吸收可見光譜中的紅色和藍色部分，所以植物光合作用不使用綠光。

　　McCree和Inada進行的研究是理解光譜光質(zhì)量對光合作用的影響的基礎(chǔ);但是，他們是基于低光強度下單葉測量光合作用而研究出了作用光譜。在過去30年中，對于光照強度較高下植物光合作用的研究有多次，表明光譜質(zhì)量對生長速度的影響遠小于光照強度。

　　光譜光質(zhì)量對植物發(fā)育影響很大，如：種子發(fā)芽、莖伸長和開花以及次級代謝物和類黃酮，其影響植物的味道、外觀和氣味。因此，LED制造商需要在使用最具電效率的LED和種植者所希望的能促進植物最佳生長和發(fā)育習(xí)慣的LED之間找到平衡。

　　外形因素和光束控制

　　我們最后討論的一個主題與燈具的外形、束流光學(xué)和光強度有關(guān)。考慮園藝照明系統(tǒng)的整體效率時，需要考慮PPFD和CU。但是，雖然燈具本身的光子功效對于園藝照明來說非常重要，但是如果在實際應(yīng)用中產(chǎn)生的光沒有均勻有效地照在作物上，那么該方案真正的能源效率將大大降低。

　　因為每個高壓鈉燈只有一個光源(360°燈泡)，所以需要依靠反射器將光均勻地散布在作物的冠層上。LED超過高壓納氣燈的另一個優(yōu)點是LED有數(shù)百個光源能通過定制的束流光學(xué)形成非常均勻的光帶，無需使用反射器。圖4描繪了典型的LED光引擎。

　　圖4. 從園藝照明系統(tǒng)發(fā)出的光的光譜(即顏色)對能源效率和整體植物的生長發(fā)育都有顯著的影響。雖然紅色和藍色光效能更高，但是用圖片中的光引擎實現(xiàn)的廣譜可針對更多的光感受器來改善培養(yǎng)。

　　當(dāng)適當(dāng)設(shè)計后，這種形式的靈活性就讓具有非常高CU的照明方案非常有優(yōu)勢，所產(chǎn)生的大部分光落在植物冠層上，而不會浪費在通道或墻壁上。這對于種植者在選擇園藝照明系統(tǒng)時是至關(guān)重要的。

　　小貼士

　　并不是所有的LED照明系統(tǒng)都是一樣的，所以對于種植者來說，從制造商那里獲得照明設(shè)計十分重要，這些設(shè)計會顯示在規(guī)定的安裝高度時的平均PPFD以及在植物生長室的光分布模式。園藝照明系統(tǒng)的外形因素和光分布將影響所需燈具的數(shù)量，這是影響植物生長室整體能源效率的另一個因素。

　　園藝照明系統(tǒng)的能源效率取決于幾個因素，而不僅僅是一個因素。使用正確的測量方法，了解影響園藝照明系統(tǒng)能源效率的幾個因素將影響植物生長室的整體盈利能力。