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LED植物灯光谱

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发表于 2017-8-3 11:44:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 紫雨 于 2017-8-3 11:47 编辑


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,好亮固体光源研究所把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。
一、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。

1.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。

波长为250-4000nmAM1.5G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。
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。
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。下图是佛山南海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SPA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。
2、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。
•根据LED的光谱形态可以推算最高的PPF
LED光源的光谱形态如下表所示:
本文只列举部分光谱,更多了解请加入《植物灯光谱技术论坛,QQ群:543766929》交流分享。
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%
•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。

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 楼主| 发表于 2017-8-3 12:11:02 | 显示全部楼层
本帖最后由 紫雨 于 2017-8-3 12:20 编辑

二、LED植物灯的光谱设计要点
LED植物灯的光谱设计是针对种植工艺要求的技术表达能力,体现制造厂的制造资格。
1、 植物灯制造工艺影响PPFD值
通常,种植工艺需要提出基于某种光质的日辐射量,或者是种植面的PPFD值(有些种植工艺要求YPFD值)与光周期,日辐射量决定PPFD值与光周期,设计者根据PPFD值计算出LED光源的PPF值(或者YPF值),再进行光谱设计;这里需要注意的是,在相同的光源PPF值下,不同的配光设计,散热设计,驱动设计导致PPFD值有明显的差别,制造工艺对植物灯的电能利用效率影响较大,这个影响可以用每瓦电功率的PPF值和PPFD值衡量,这个值越高越好。
对于LED光源:PPF/w,对于种植面:PPFD/w,对比相同光谱形态的植物灯的这两个指标,可以评估制造商的制造工艺水平。
2、植物灯光谱没有最好只有最合适
因为LED植物灯的光谱是可以设计的,LED植物灯的光谱才表现出多样性,每种植物灯光谱都被设计者广告为最好,在这里我们强调一点,光谱没有最好,只有最合适某种种植工艺,企图把LED光谱做到通用并非是好的设计思路,兼容性高的光谱设计是以牺牲种植效率和浪费电能为代价。
3、注重辐射面的辐射场均匀度
对于多种单波长灯珠组合的植物灯光谱,多种辐射混合后在辐射面的均匀度需要考量,主要是灯珠的排布、配光设计、灯具的安装高度等;辐射场的均匀度影响光合效率,对于层架结构的立体种植,尽量采用朗柏配光,对于有加透镜的温室补光植物灯,辐射场的均匀度更加需要注意,需要明确的是通过增加安装高度去改善辐射面均匀度的结果是以距离的2次方速率降低PPFD值。
4、注重植物灯的灯具效率
植物灯的灯具效率是灯具的PPF值与光源的PPF值之比,这个值小于1,与二次光学的配光设计有关,LED植物灯灯具效率通常在0.9-0.5之间,灯具效率影响植物灯的耗能指标与种植效率,采用透镜设计的植物灯灯具效率不会超过0.8。
5、关于植物灯光谱的加权
植物灯光谱加权(RQE)可以更好的解决植物吸收效率与能耗这个矛盾,与照明的视效函数作用相同的是植物的吸收效率函数(也称作用曲线),有些植物灯的光谱加权是采用莫克利曲线(图1)或日本倾向的在莫克利曲线基础上增加植物品种的修正曲线(图2),这里需要注意的是,莫克利研究时不是采用的LED光源,同时,莫克利的研究是低辐射量和少数几个品种的室内室外综合种植数据归纳,尽管日本的修正曲线增加了植物品种,但上述问题仍然存在,对比德国工业标准,他们的权重却是在蓝光,我们认为,这些加权对于LED光源并非完全适合,好亮光源光源研究所针对LED光源做的光谱V加权(略)也仅是个思路,光谱如何加权仍然是各国研究的努力方向。
(图1)
(图2)
6、关于光谱配比
至今,许多植物灯在谈论光谱配比时,仍然采用各种光谱的灯珠比来描述,由于灯珠比无法体现辐射量,这个问题需要了解LED芯片供货规格,LED芯片是按照相同芯片尺寸的辐射功率大小来划分等级与供货,按照灯珠比提供的LED光谱可能会有30%配比偏差,这也是相同产品的不同批次种植效果有差别的原因之一,正确的光谱配比是按照PAR的波长范围对RGB波段进行辐射功率比,这样提供的产品才会有数据依据,下面是我们对某产品进行的数据分析供大家参考。
7、需要加有UVIR波段的光谱
增加UVIR段的光谱,其种植工艺主要是对植物的光形态控制,对于增加了UV段和IR段的LED植物灯,在UVIR段不宜采用微摩尔量表达,而是采用辐射参数表达,同时提供PPFYPF值,否则,无法正确表达种植工艺提出的UVIR辐射要求。

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 楼主| 发表于 2017-8-3 12:14:40 | 显示全部楼层
三、明确种植工艺决定植物灯光谱设计
植物灯的设计依据是种植工艺,如生菜的日辐射量过大,会导致生理障碍性钙缺乏,也有可能会发生光抑制,合理的日光合量设定很重要,种植工艺包括:植物光合作用的日辐射量和种植周期的辐射总量、植物品种与种源以及是否LDP或SDP,种植方法与基质、种植环境与控制等;对于与种植紧密联系的植物灯光谱形态和日辐射量首先是由种植品种的种植工艺确定,好亮固体光源研究所的设计规范中,我们采用的是种植工艺专家系统,系统中的植物种植的日辐射量决定PPFD与光周期,PPFD决定PPF,PPF决定植物灯设计与工艺,PPFD决定灯具安装高度与数量,PPFD还决定通风量与二氧化碳的补充,这些参数都可以通过计算得出,通过辐射总量可以推算出种植成本;这里可以看出,光谱形态与辐射量(光质)首先需要确定在什么环境下用什么方法来种植什么品种才能正确设计LED植物灯的光谱,植物种植工艺是把农业种植与工业控制紧密联系的内在因素,因此,植物灯的光谱设计依据只能来源于种植工艺要求。
关于种植工艺,我们会在《植物灯光谱技术论坛》作进一步分析。
1、混合式的温室补光
对于采用太阳光与补光灯结合方式的温室种植和混合式的植物工厂,准确的做法是需要做自然光的辐射场光谱分析,确定补光量,对于没有条件进行光谱分析的场地,可以测试照度值的平均值,把照度的平均值除以55,就可以得出太阳光下种植面的PPFD值,用这个值确定植物灯的补光量,这个简单方法对于项目规划和成本核算非常有用,混合式的温室补光可以减少或者不用绿光波段,是否需要绿光辐射补充需要通过测试太阳直射和散射光的绿光辐射量来决定,关于绿光辐射对植物种植的作用机理,我们会在《植物灯光谱技术论坛》作专题介绍。
2、完全人工环境下的光谱
在完全人工环境下的种植,尽管红蓝波段的光照对叶菜类的种植有明显的效果,但水培蔬菜的口感仍然是提高蔬菜品质的关键,我们建议采用白光加红光的光谱,完全人工环境下的光谱设计,需要综合考虑二氧化碳浓度,通风量,环境温度,基质或营养液的控制,层架结构设计等因素,许多层架式立体种植为了增加种植层数,尽量降低营养液槽高度,这种方法会降低营养液的均衡性,影响光谱的吸收效率,完全人工环境下的光谱设计重要目标是种植的品质控制,只是完成植物生长过程的种植是没有市场竞争力的。


四、关于全光谱
有些LED植物灯标称是全光谱,可能是想表述其光谱成分丰富,这里有一个关键的概念,那就是全光谱的“全”是如何定义的,是由谁来定义的,波长范围到底多宽才能称之为“全”,尽管太阳光的光谱是最全的,在研究太阳光照下植物光合作用的时候,PAR值也只是在400nm-700nm范围来描述,许多标称全光谱的LED植物灯加有UV和IR部分波段,但还是用PPFD表达参数,由于PPFD并不描述UV与IR的辐射量,这种全光谱植物灯的参数描述表现出低级错误,我们认为,植物灯的波长范围只是光谱吸收效率函数的定义域,而不是吸收效率函数的值域,光谱的吸收效率才是衡量光合作用效果的指标,把宽波段范围或者多波段的光谱称为全光谱,不能代表植物灯的有效性和兼容性,用全光谱表述植物灯不严谨,往往会误导种植者的应用;光谱的波长定义域范围的设定仍然与种植工艺相关,是种植工艺决定光谱设计的定义域,而不是基于光谱下的种植,植物灯与植物工厂是跨界产品,有些现象是工业人忙着研究种植,农业人忙着研究光谱,知识延伸只是为了沟通和理解,光谱设计的专业合作与专业分工更加有助于产业快速提升。
五、植物灯光谱研究的复杂性
就LED光源来说,相同的PPFD值,光谱形态可以不同;相同的PPFD,二次光学设计需要的光源ppf值也不同;相同的ppf值,灯具的效率不同,PPFD值也不同;ppfd相同,光谱的形态没有做对,种植效率也不同;即便上面的条件相同,植物的种源不同,生长环境与基质不同,种植效果也不同;此外,相同的LED植物灯还受到二氧化碳浓度、通风量、温度控制等环境因素影响种植效果,在种植效率与品质符合种植工艺要求下,植物灯最需要制造工艺来保证能耗指标降到最低,这一点是非常重要的,光谱研究的复杂性表现出目前植物灯的多样性,由于目前没有评估标准,市场上的植物灯才百花齐放,百家争名。
六、通过与专业技术合作才是提升产业的最好方式

植物灯涉及的技术范畴很广,属于跨界产品,无论资金多么雄厚,从开发成本考量,也难于集多学科人才为一体,企业需要从自身的条件出发,解决技术与成本问题,更重要的是解决产品售后技术支持问题,对于跨界产品,成熟的经验是走合作开发的道路;农业人研究好种植工艺,这个是植物灯与植物工厂成败的关键,工业人做好符合种植工艺要求的设备,这个影响种植成本与经济效益,专业合作才能推动人工环境可控的新型农业种植的快速发展;思路正确才有机遇。

植物灯与照明灯不同,照明产品的应用对象是终端客户,可以用概念与前瞻去营销,而植物灯仅仅是农业种植的工具,是否有效果不是靠宣传可以描述的,需要实际应用才能检验,植物灯的应用是否能达到预期的效果,不仅是植物灯本身的问题,还关联其他技术因素很多,需要提供合理的技术解决方案,植物灯的营销属于技术支持为主要手段的产品营销,成功的案例往往体现的是成功的技术服务,在没有技术标准的现在,提供技术解决方案至关重要,企业需要认真面对。

声明:本文为好亮固体光源研究所原创,文章中的所有图表均由好亮固体光源研究所制作,引用需注明来源。


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