如何最大效果发挥农业照明的作用?关键看这3大策略

智能照明引入植物生长补光使得可以根据不同植物的生长周期,进行远程化、封闭式、全过程地智能监控与操作,实现农业工业化,自动化,智能化。

1、智能控制推动农业照明新发展

植物虽然可以吸收利用的光线具有较宽光谱范围,但也具有特定的光谱响应曲线。如图1所示,与人眼光谱光视效率曲线V(λ)相似,不同的植物可能也存在不同光谱响应曲线,从图中可以看出,在400~500 nm之间存在1个吸收峰,在600~700 nm存在1个吸收峰,也就是通常认为的红橙光和蓝紫光对于植物生长具有积极意义。

农业照明不是近年来才有的新事物,传统的植物补光早在LED大规模应用前就存在,光源通常采用氙灯,荧光灯,高压钠灯或金卤灯等。虽然有意在植物的吸收峰上增加谱线,但效率仍然不高,植物生长补光或者全人工光种植的植物需要消耗大量的照明用电,而过多的光辐射或是无法被植物利用的光辐射都是能源的浪费。

LED智能照明系统的推广促进了农业照明的二次发展。近年来,大量的LED植物生长灯推向市场,仔细分析光谱差别不大,不论哪家的产品理论上都比传统光源的系统效率大大提高。经典的示范工程完成后,鲜花和掌声却不能换来持续的订单,原因还是在于LED植物补光系统成本太高,如何让普通农户可以承担得起初始投入,让基层农技部门的推广植物补光系统的热情如推广优质化肥和种子一样,是照明行业必须关注和解决的。

2、改良型传统光源降低系统成本

LED植物补光光源通常根据不同植物的需要,采用不同数量比例的蓝光LED与红光LED组合而成。光谱如图2中的虚线所示,调光方式有采用红蓝光等比例降低或升高,也有采用分组控制蓝光与红光模块。荧光灯是由253.7 nm紫外线激发荧光粉发光,故而其初始比例确定光谱分布,调光只能是等比例调光,但可以根据图1中植物光合作用曲线来合理匹配荧光粉配比和用量,使得荧光灯光谱与植物生长所需光谱相接近,如图2中的实线所示。

对比图2与图1可以发现,经过光谱匹配的荧光灯在光谱分布上更接近植物光合作用光谱响应曲线,理论上效率会更高。理论上,LED可以很好地匹配植物所需光谱,但LED的单色性好和光谱窄在这里成为其弱点,仅430 nm蓝光和630 nm红光无法满足实际光谱调制需求,但增加部分其他波段LED又提高了系统成本,而荧光灯光谱就可以一定程度上展宽,提高利用效率。

就系统效率而言,最简单直接的方式就是比较光辐射功率,图2中实测40.4 W的荧光灯光辐射功率为11.1 W,转化效率为27.5%,实测13.4 W的LED光辐射功率为1.7 W,转化效率为12.7%。从光辐射功率来看,如下表所示经过光谱调制的荧光灯转化效率更高。

曾经提出的使用光合成有效辐射通量(PARflux)可更为准确地表述植物生长灯光质,如式(1)所示。

其中Bp(λ)为植物生长光谱响应曲线,KBp为与Km相对应,是1个与光度学归一化相关的参数,其数值大小与Bp(λ)的峰值有关。

同时,为体现光照周期对植物生长的影响,在实际评价照明环境时应该引入时间参量t,即使用光合成有效辐射剂量(PARenergy)来表征,量纲相当于能量单位焦耳(J)如式(2)所示。

为同时体现光谱分布,光照时间以及光照强度这3个变量的作用,将式(2)改写成式(3),采用光合成有效辐射剂量密度来更真实地表达植物不同生长阶段所需的光照总量。在植物生长补光照明系统或是纯人工光种植的照明系统中可以作为植物生长精细化操作的参考依据,从而提高系统效率。

3、调光策略是农业智能照明核心

对于远程化、封闭式、全过程的智能植物补光照明系统,根据式(3)可以很容易地进行变量设定,共有3个变量需要设定,即P(λ)植物补光光谱,Bp(λ)植物生长光谱响应曲线,t时间。其中P(λ)应用现有的技术手段已经完全可以解决,即根据需要调节植物生长光源的光谱、强度,关键在于Bp(λ)及t的预设及调整。

根据所种植植物的种类可以大致预设1个Bp(λ)初始值,但不同生长周期Bp(λ)的调整以及所需照射时间t的控制根据实际种植情况而有所不同,可以采取图像处理方法与预设软件进行比对判断,另外也可通过远程在线的方式由专家指导控制。采用目前市场上现有的设备,即可搭建1个智能植物补光照明系统,如图3所示。

其中,光源可以根据终端指令实时调光调色,光剂量计可以实时反馈光照参数以便对系统进行调整,植物生长情况由相机实时传回,用以分析生长情况并决定补光策略。该系统的硬件搭建相当简单,只是机械地组装和拼凑,所有元件都可以直接采购,而其重点及难点在于后台的软件平台支持,可以是在线模式支持,也可以是离线软件包支持,如果再加上水、气、温等多元素的加载控制,那么1台终端即能控制整个植物工厂也不是天方夜谭,至少对于光照而言,通过现有技术手段实现毫无困难。

农业照明系统牵涉到光源、灯具、控制,这些技术手段可难可易,只要成本控制在农民可接受范围内,这些问题就都是可解决的。只有针对性地注入调光策略,才能使得智能照明系统具有生命力,这是多单位多专业合作才能完成的课题。实际应用中发现,就目前技术及成本而言,LED农业照明系统进入大规模民用推广似乎还不太现实。采用光谱改良型荧光灯与LED相结合的模式,大批量采用价格优势明显的荧光灯,配以少量过程光谱调制的LED光源,降低综合系统成本可能是推广农业照明的1条可行途径。

4、小结

农业植物补光照明这一特殊应用产业方兴未艾,互联网+的时代也已经袭来,智能照明在植物补光系统照明的嵌入应用能将植物补光照明推向更高的层面,从而实现植物生长光照的精细化管理,对提高现代化农业生产水平具有积极意义,其蕴藏的市场潜力待有识之士及业界同仁共同开拓挖掘。(责编:Flora)



来源:广东LED

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