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光剂量计在植物生长补光照明系统中的应用

发布日期:2014-06-18    【字号:  

光剂量计在植物生长补光照明系统中的应用
居家奇  陈枕流  吴忠航  李泽斌  梁荣庆

复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心,上海200433


摘  要:植物生长补光在现代农业体系中已经不是新名词,从三基色荧光灯,到钠灯、金卤灯、氙灯、硫灯、无极灯等都有对应的应用于植物生长的系列产品。而大功率LED照明产品的推广和应用,对植物补光又掀起了一次技术革新,由于LED有灵活的光谱选择性,可以有效匹配出植物生长所需的照明光谱,较传统植物补光光源有显著优势。本文将讨论植物补光照明系统的光辐射定量计算,分析光合成有效辐射功率与剂量两种评价指标的差异,及应用光剂量计精细化控制植物补光量,提高补光照明系统效率。
关键词:植物补光,光合成有效辐射,光剂量,补光照明系统,

 

1 植物生长补光照明
  随着现代农业的发展,越来越多的植物被搬进了室内。高档商务楼宇,大型购物中心,机场车站,大量的观赏性植物、花卉被移进了室内,为工作生活增添了生机与活力。农业园区,植物工厂等新型现代化农业基地的诞生,改变了传统农业日出而做,日落而息的生产规律,摆脱了靠天吃饭,问地要粮的生产模式。同时越来越多的花卉植物爱好者将景观花卉,观赏盆栽摆进自家的客厅卧室,为家居生活增添情趣。而以上这些的实现,有意或无意地都离不开植物生长补光照明,才能将缺少日照或者完全缺失日照的植物花卉种植成功。
  植物的健康成长需要土壤、温度、湿度、水、空间和光照,每种元素或其替代物缺一不可,光照对植物的生长形态,光合作用的进程,营养代谢循环以及生长周期均有重要影响。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400nm至500nm之间存在一个吸收峰,在600nm至700nm存在一个吸收峰,这也就是通常认为红橙光和蓝紫光对于植物生长具有较积极的意义。
  从图1中可以得到,其实太阳光谱对于植物生长而言并非是一种高效光源,所以完全模拟太阳光用以植物生长照明并没有实际的意义,因为只有照明系统提供的光辐射能量真正可以被植物所吸收利用才是有效的光辐射。对于传统农业而言,由于太阳光是免费的光照资源,其辐射能量很大,所以即使其有效利用率很低也足够保证植物的正常生长,但对于现代农业而言,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,过多的光辐射或者是无法被植物利用的光辐射都将是能源的浪费从而降低照明系统的效率。
  如何提高植物生长补光照明系统的效率,有两大任务,第一是要确定所种植植物的吸收光谱响应曲线以及实际生长周期所需要的光照总量,这需要农业专家及生物学专家的贡献;第二是要

 

提供与植物吸收光谱响应曲线相匹配的照明光谱,并且根据植物生长周期所需要的光照总量提供照明。将光照作为植物生长过程中的一种营养素,定量按需供给,满足光照与植物生长的供需平衡,既保证了植物的健康生长,又最大限度地节约了照明用电,提高了照明系统效率。

 

2光合成有效辐射功率与辐射剂量

 

在光度学测试中,我们通常用光通量Ф(单位lm)来表征光量的多少,光通量是指单位时间内光辐射能量的大小,光通量是说明光源发光能力的基本量,如式1所示。

1

 

  其中,Ф为光通量;Pλ为绝对光谱能量分布;Vλ视觉光谱光视效率函数;Km为光谱光视效率函数最大值,在明视觉条件下,Vλ的最大值Km683lm/Wλ=555nm。从量纲上来考察,光通量单位流明(lm)相当于功率(W)。

  对于植物生长照明而言,通常使用光合成有效辐射(PAR)值表征。以400nm700nm的光辐射功率之和来粗略地表征光源用于植物生长领域的作用,与流明(lm)单位类同,光合成有效辐射功率(PAR watts)可以用瓦(W)来描述,可以用式2表述。

式2


 用PAR值表述植物生长照明效果虽然仍不是最理想,因为不能有效地反应植物生长光谱响应曲线的影响,但相较于流明(lm)或者照度单位勒克斯(lx)已经有了很大的进步,剔除了人眼光谱响应曲线V(λ)的影响。更为准确的表达方式应该将V(λ)替换为相应的植物生长光谱响应曲线Bp(λ),得到光合成有效辐射通量(PAR flux)如式3所示。

式3


 其中KBp为与Km相对应,是一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。但以上这些光参数均没有与时间相关的参量,都是描述单位时间的物理量。由于植物生长补光照明不仅与光照强度,光谱能量分布有关,同时还与光照的持续时间有关,所以无论是光通量或者PAR值都不能准确表达所要控制的具体光信息。在实际应用中,应使用具有光剂量信息记录及反馈的照明系统,尤其在植物大棚或温室中种植的植物,可以根据实际接收到的日照光量来确定所需补充的人工光光量,具体可以使用光合成有效辐射剂量(PAR energy)来表征,量纲相当于能量单位焦耳(J)如式4所示。

式4

  采用光合成有效辐射剂量较辐射功率及辐射通量可以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标定及反馈信息从而降低系统能耗,提高系统效率。

3 具有光剂量控制功能的植物生长补光照明系统

 所谓植物生长补光照明,即在天然日照光不足够,不充分的情况下,为了有效促进植物生长,而增加的人工照明。一般安装在大棚或温室中,固定时间段开关为植物进行补光照明。而实际上,由于季节和气候的变化,天然日照光量是会呈现波动的,加之雾霾、沙尘等极端天气的出现,日照辐射量波动更为明显。如果简单地控制每日补光时间,可能会出现植物补光不足或补光过足的情况,不利于植物的健康生长。这就需要用光剂量来标定植物每日摄取的光照,当自然光照不足时,增加人工光强度及光照时间,当自然光充分时,可以适当减少人工光强度及光照时间,以光剂量作为植物生长补光照明系统中的反馈信号来调节平衡每日植物所接收的光照总量。
  为了实现光剂量的测试,在照度计原理的基础上,设计开发了一套便携式的光剂量计,可以实现传统照度测试功能的同时,还可以进行光剂量测试,更重要的是通过上位机信息的传输与控制,可以方便地集成到照明系统中,作为智能调光控光的参考基准。其程序运行框图如图2所示。

 

  在实际测试过程中,所测得的光剂量是考察时间段内,单位面积上所接收到的光剂量,如图3所示,这是一个随时间增加而不断增加的量,当植物接收到所需光照总量的时候,照明系统自动关闭,不再补光,如果由于自然光照不足,未达到所需光照总量时,照明系统自动延长补光时间。
 以上测试的光剂量数值,其实还是以人眼光谱响应曲线V(λ)为修正的。如果更为科学的话,以上测试的光剂量需转化成为光合成有效辐射剂量,而这就需要修正光剂量计的探头,将V(λ)曲线修正成植物生长光谱响应曲线Bp(λ)。另一种较为简便的方式是分别用两套光剂量计分别测量红橙光(660nm)及蓝紫光(450nm)的光剂量值,这只需要增加滤光片即可实现,而这与LED植物生长补光照明系统可更有效结合,只需将对应的不同颜色的光剂量计分别接入对应光色LED回路,即可实现植物生长补光剂量的精细化控制。

4 小结

  随着大功率LED技术的迅速发展与成熟,LED的高光效,窄光谱,易调光,长寿命及波长选择灵活等优点,受到越来越多现代农业示范基地及示范项目的关注。基于植物生长光谱响应曲线的特点,建议采用光合成有效辐射剂量作为评价实际植物生长过程中所接收到的有效光辐射,可以有效弥补传统光度学测试项目中时间维度的信息缺失。同时将光剂量计集成进入植物生长补光照明系统,以光剂量作为调光控制的参考值,可以实现植物生长精细化光照管理,对提高现代化农业补光照明系统的系统效率具有积极意义。

参考文献:
1.李农,杨燕. 照明手册[M]. 北京:科学出版社,2004
2.The IESNA lighting handbook, 9th Edition [M]. New York: IESNA, 2000.
3.居家奇,陈枕流,张万路,梁荣庆. 一种光剂量计:CN102997992A [P]. 2013-03-27.
居家奇,陈枕流,梁荣庆,陈大华. 使用光剂量评价照明的非视觉生物效应[J]. 照明工程学报,2012,23(5),1-3.
4.赵启蒙. 用于植物生长补光的LED照明系统研究 [硕士],复旦大学,2012.


公  告


  江苏省照明学会、江苏省照明电器协会在2014年3月12日召开的常务理事会上,讨论通过了江苏宏力照明科技有限公司等9家企业为我学会、协会会员单位。特此公告,名单如下:

江苏宏力照明科技有限公司
南京久和电气有限公司
国家半导体照明质量监督检验中心
常州市半导体照明应用技术研究院
苏州泰利电器照明制造有限公司
南京本邦照明有限公司
江苏奥雷光电有限公司
南京宇能仪表有限公司
阿斯特南京光电科技有限公司

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