破解LED改变植物的生长周期密码

以前植物只是根据时节变化而生长,但如今在LED灯光下植物可以改变生长周期,这是为什么呢?研究光要从光谱开始,想了解LED改变植物生长变化这个谜还得先知道LED植物灯光谱是什么。

光的研究基础是光谱,光的应用品质需要光谱分析,LED植物灯的光谱尤为重要,制造商对植物灯光谱的设计能力决定其市场竞地位,LED植物灯光谱需要根据种植工艺专门设计而不能去仿制。

植物工厂是跨界产品,植物工厂技术分为种植设备技术与种植工艺技术,植物灯光谱技术是种植设备与种植工艺的重要关联点,需要明确的一点是种植工艺决定光谱设计,对植物灯的设计与制造是保证种植工艺所要求的光质能达到最佳效率,植物灯的这些特点决定了植物光谱设计具有复杂性和多样性。

光谱的非视觉应用

光谱应用分视觉应用和非视觉应用,照明属于视觉应用,植物光照属于非视觉应用,视觉应用与非视觉应用就光谱本身的物理量纲都不相同,然而,目前仍然看到许多植物灯采用照明单位标注参数,这个会导致应用混乱的参数标注可能来源于“植物照明”的提法。

对植物光合作用的光谱研究实质是以波长为定义域的光辐射功率或光量子的分布形态与量值(光质)分析,这个分析是通过光谱数据和光谱图实现的。


图:植物光合作用光谱

太阳光光谱

植物种植需要研究太阳光谱,地面上测试的太阳光谱属于吸收光谱,标准的太阳光谱如图 AM1.5G(G173-03)所示,由于地理位置与季节不同,在地面测试到的光谱辐射量会有不同,但光谱的形态相同。


图:波长为 250-4000nm 的 AM1.5G 光谱图

植物的光合作用,通常的理论是研究波长 400nm-700nm 范围,把波长限制在这个范围的 AM1.5G(下图)可以看出,光谱形态接近矩形。


图:波长 400-700nm 范围的 AM1.5G 光谱图

为了提供人造光源的光谱设计参考,我们给出波长 350-850nm 范围的 AM1.5G 图供参考。


图:波长 350-850nm 范围的 AM1.5G 光谱图

太阳光光谱对植物灯光谱设计有重要的参考作用,但不具备依赖性,试图仿制太阳光光谱到植物灯,是一种徒劳而没有效率的做法。

AM1.5G 在 400-700nm 波长范围内的红光、绿光、蓝光辐射比例为:红光占 32.62%,绿光占 35.38%,蓝光占 32.69%

分析某个种植地区的太阳光对本地区种植很重要,应该在当地通过专业仪器实际测量,这样能准确分析。


图:佛山南海2013年9月的相对光谱图。

这个光谱图在400-700nm 波长范围内的红光、绿光、蓝光辐射比例为:红光占28.7%,绿光占36.58%,蓝光占35.43%

可以看出,地理位置的不同,光谱中红绿蓝成分有差别,这对太阳光型和混合型植物工厂的设计影响较大。

准确的分析当地的太阳光光谱,可以给太阳光型和混合型植物工厂的种植工艺提供科学的光合量参考,可以正确地提供补光灯的选用依据,对于太阳光型植物工厂,准确的光谱分析更加有利于 SPA2 的方式。

需要注意的是太阳光谱与人造光源的光谱分析量纲有所不同,太阳光光谱适合采用辐射量纲描述,人造光源适合采用光量子量纲描述,关于这个问题,后续有专门的文章介绍,敬请期待。

LED光源的光谱与极限参数

把LED植物灯的光谱作为重点讨论,是因为 LED 光源的光谱可以根据种植工艺要求进行设计,同时,LED光源的光谱通过调光技术可以实现可变光谱的控制,LED光源是目前唯一可以实现可变光谱的植物灯光源,植物灯可变光谱的技术主要是针对光形态控制,在节能方面作用不大,普通植物灯通过光周期的调整也是可以节能,可变光谱的应用成本会提高很多。

1) 根据LED的光谱形态可以推算最高的PPF


图:LED光源的光谱形态

植物灯光谱形态确定后,对应于这种光谱形态的最高 YPF 或 PPF 就可以计算出来,这对评估 LED 植物灯的应用非常重要,也是 LED 植物灯与其他类型的植物灯性能比较的主要方法,可以参考我们制作的下表:

目前的LED封装技术批量供货的最高辐射效率低于40%:

光源辐射效率 = (辐射功率/电功率)×100%

2) LED植物灯的光谱设计体现制造商的品质能力

LED植物灯的光谱设计是对种植工艺要求的设备支持能力,关系到植物灯制造商的市场竞争力,是衡量制造商技术与工艺的主要特征,植物灯的光谱设计体现出制造商对 LED 芯片与封装的选择,植物灯光谱分析与计算能力,灯具的配光设计,光量子场均匀度把控,驱动技术,散热技术,产品可靠性控制,安装结构设计等的综合制造水平,标志着制造商的产品在市场的技术实力,应用上述几方面的内容去评估植物灯产品可以减小投资风险和采购风险。(作者:许东)



来源:云知光照明微课堂

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