植物生长灯在现代化玻璃温室中的应用研究

2018-05-29 15:24:48 105

植物生长灯在现代化玻璃温室中的应用研究

植物生长灯是室内种植的核心要素。在现代化玻璃温室中,由于水、CO2、温度、湿度、植物营养供应都能够被精确控制,植物生长灯就成为决定温室作物实际产量的主要因素。应用于人工光系统中的光源有很多种,如荧光灯、等离子灯、金属卤化物灯(包括金卤灯和陶瓷金卤灯)、高压钠灯(HPS)、发光二极管(LED)等。到目前为止,在温室中实现规模化生产应用最成功的是高压钠灯、金卤灯和LED。

绿色植物吸收光能,并利用光能同化二氧化碳(CO2)和水(H2O)制造有机物质并释放出氧气。植物有几种能够吸收光能和提供植物光合作用的植物色素,但是对于光合作用最普遍和有效的是叶绿素。植物叶片含有2种叶绿素——叶绿素a和叶绿素b。在红光和蓝光区域都有吸收峰,黄色光谱/绿色光谱能够被其他的诸如胡萝卜素的植物色素所吸收,其他光没有被吸收而被叶片反射(这赋予了植物绿色),可以看到该光谱超过50%的成分被反射掉或者利用不足。图2显示了整个PAR光谱范围的植物吸收过程。

由图2可知,绿色/黄色边界的吸收低到了30%,并且从620nm(红色边界)到520nm(蓝色/绿色边界)吸收率完全低于50%。除了叶绿素之外,还有其他的色素可以吸收和利用这些光谱,但是他们通常位于叶片底部并且效率要低得多。

叶绿素a和叶绿素b

植物吸收峰和 PAR 曲线

植物吸收峰和 PAR 曲线


1.植物生长灯的种类介绍
高压钠灯
图3所示的是在商业玻璃温室中最流行的600W和1000W农用钠灯的光谱图。高压钠灯在种植作物的温室大棚中应用的效果非常好,因为高压钠灯有非常高的光输出。例如,飞利浦1000W的高压钠灯能够达到超过15万流明的光输出和超过2100μmol/(m2·s)的PPFD,并且输出维持率也非常好,在使用10000h的情况下,仍然能够保证超过95%的输出特性。但是高压钠灯也存在一些缺点,如随着功率的增加热量大幅度增加,蓝色光谱成分较少等。
7性能曲线.jpg
图 3 典型农用钠灯光谱图
陶瓷金卤灯(CMH)
图4所示的是温室中典型的陶瓷金卤灯的光谱。与钠灯相比陶瓷金卤灯有更多的蓝光成分。在过去的几年中,陶瓷金卤灯被成功应用于植株生长阶段,能够达到很高的PAR值输出[超过1.7μmol/(m2·s)]。陶瓷金卤灯在温室中应用的缺点也相对明显,如功率密度偏低、产生的热量太高等。
陶瓷金卤灯

图 4 温室中典型的陶瓷金卤灯光谱
发光二极管(LED)
图5所示的是在温室中应用于顶端补光和株间补光典型的LED光源的光谱。与高压钠灯和金卤灯相比,LED能够简单的选择不同波长的光(色温)。这就意味着LED能够通过设计配比出不同的光谱,可以满足植物在不同生长阶段所需要的特殊光谱需求。

“白光”LED本身是不可能存在的。白光LED通过2种形式“封装”出来,第一种也是最少见的一种,是将红、绿和蓝3种颜色的LED芯片混合在一起从而产生的白色。但是由于绿色LED价格昂贵并且效率很低,所以最常见的白光LED是由蓝色LED芯片和涂有荧光粉的透镜所组成,是使用蓝色LED发出的蓝光来激发荧光粉。对于植物生长的最优设计是被称为混合光谱的方法。混合光谱如图5所示。LED植物生长灯的光谱可以根据作物的实际需求使用不同颜色的LED混合而成,使用混合光谱的LED是十分高效的。而混合光谱LED也有它的缺点,如与高压钠灯和陶瓷金卤灯相比功率密度太低,没有辐射热等。

2.人工光系统在商业玻璃温室中的成功应用
顶端高压钠灯系统
顶端高压钠灯系统是稳定的人工光系统。到目前为止,超过90%的规模化种植的人工光系统使用顶端高压钠灯作为补光的光源,并且产量也相当可观。目前,高压钠灯人工光系统解决方案的问题是超过2/3的光需要使用反光器来反射到作物表面。反光器的反射效率衰减很严重,这使得高压钠灯系统的实际输出效率只有50%~70%。并且由于光源和反光器的位置没有固定的很好,很多的光线在反射的过程中通过了高压钠灯的光芯,这就使得高压钠灯的实际使用寿命大大缩短。

为了能够有效的解决人工光系统中高压钠灯的这些问题,珠海美光原科技股份有限公司开发了一种新型高压钠灯人工光系统(称为MPS),如图7所示。MPS系统相对于在玻璃温室中使用的其他钠灯人工光系统能够提高超过15%的输出效果。表1列举出了这些最流行的高压钠灯人工光系统的试验数据。

顶端高压钠灯和顶端金卤灯系统
顶端高压钠灯和顶端金卤灯系统,是最强光照密度和最接近太阳光谱的解决方案。图8所示的人工光系统适用于最大光强度和全光谱的种植需求。经常被使用在育苗阶段。这个系统的最大缺点是对电力的需求相当大,并且同时产生大量的热。图9所示的光源是更好的选择,通过将金卤灯和钠灯光芯混合来得到真正的全光谱光源(目标光谱)。


顶端和株间高压钠灯
顶端和株间高压钠灯,是目前产量最高的人工光系统。在俄罗斯和北欧,有非常好的应用案例。HellenOY(芬兰)和Reflux(俄罗斯)有非常好的设计。通过这种人工光系统能够得到最高的产量,但是需要有足够的电力供应能力。

顶端高压钠灯和株间LED
顶端高压钠灯和株间LED,是最高效的人工光系统解决方案。图11所示的系统是目前为止运行效率最高的人工光系统。通过顶部高压钠灯人工光系统中增加密度为50W/m2的LED株间补光,能够将总产量提高超过20%。通过Khosla的试验数据可以看到,将株间LED的功率密度提高到50W/m2以上的时候,产量会得到一定的提高。


顶端LED和株间LED
顶端LED和株间LED可能会成为最高效的人工光系统解决方案(图12)。理论上来讲,通过顶端和株间LED人工光系统,能够为植物提供定制化的光谱和光照强度。但也是成本最高的人工光系统,目前已经有几个大型的项目在运行,未来的一年就能看到它的结果。

3.结论
在商业化温室大棚中,人工光系统已经越来越重要。一个普通的温室,例如超过10hm2的温室,通过使用人工光系统,3~5年内可以回收成本,而不使用人工光系统则需要8~10年的时间(俄罗斯农业部2017年的研究数据)。如何能够获得最高效并且最低成本的人工光系统,对人们而言依旧是一个重要问题。到目前为止,有2种人工光系统可供选择,顶端大功率高压钠灯系统和顶端大功率高压钠灯加低功率株间LED人工光系统。然而对于科研人员和研究机构来说,顶端加株间LED的人工光系统将是最好的研究方向。