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LED植物灯光谱的参数详解

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发表于 2017-8-8 12:11:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、光的应用分类
视觉应用:应用于照明,物理单位是以平均人眼的视效函数对光谱辐射功率加权得到的光通量为主要参数。
非视觉应用:以动物、植物、医疗、微生物、识别、数据传送等应用,物理单位是辐射功率或者光量子数。

、光子的能量
LED发光是能量的转换现象,电子与空穴复合时多余的能量会发光,产生光子,波长越短,产生光子的能量越高,光子是光传递能量过程中的最小单位,植物光合作用吸收的是这种带能量的光子,光合作用是在光子能量包驱动进行,而不是一般的光能量作用,这就是植物光合作用需要光子去表达的原因。

单个光子的能量在波长400nm与波长700nm的能量比是1.75,也就是说,蓝光比红光能量大 1.75 倍。

相同辐射功率下,产生光子的数量随着波长的增大而增加,如上图所示。
光合作用是由光子通量产生,是携带能量的光子在酶的作用下分解CO2与H2O后产生新的分子的过程,但不是所有被植物吸收的光子产生相同的光合作用,需要用能量传递的角度理解光合作用,用“光餐”来理解光子与植物的关系
光合有效辐射的光子数量采用两种度量单位:光合光子通量(PPF),其波长范围从400到700 nm,二是产生的光子通量(YPF),其波长范围可以根据植物的光合响应下确定波长范围。

三、植物灯的参数与单位
摩尔量(mol):在描述物质构成的基本单位如分子、离子、光量子等的时候,通常采用摩尔量表示,摩尔量是由6.022EXP(23)个物质的基本粒子构成一个基本量,单位是:摩尔(mol),在植物光合作用里光子的数量也是采用摩尔量表示,一个光子摩尔(mol)里包含有6.022EXP(23)个光子,由于在植物光合里摩尔的单位大,许多参数采用微摩尔表示。
1 摩尔(mol) = 1000000微摩尔(umol)。
1 微摩尔(umol)包含有6千万个亿的光子。
PAR:光合有效辐射(Photosynthetic Active Radiation)
植物用于光合作用的特定波长范围(400-700nm)的辐射称作光合有效辐射,标注单位有两种,一是用光合辐照度表示(w/m2),主要用于太阳光的光合作用的广义研究,二是用光合光子通量密度PPFD表示(umol/m2s),主要用于人造光源和太阳光对植物光合作用的研究,采用每秒辐射到植物表面的光子流量的这个方法表示辐射源的辐射能力,称为PPF PAR法。(注:m2表示平方米)
PAR约占太阳总辐射的50%,需要注意的是,光合辐照度这个单位体现不出波长的影响。
PPF:光合光子通量(Photosynthetic Photon Flux)
是指波长在400-700nm波段里,人造光源每秒辐射出光子的微摩尔数量,单位umol/s。
PPFD:光合光子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density)
与PPF相对应的是每平方米每秒光源辐射出的微摩尔数量,单位umol/m2s ,是密度的概念。
PPFD是表示在一平方米范围里的PPF。
PPFD是个与辐射距离相关的物理量,与照射距离的平方成反比。
1 PPFD 表示每秒1微摩尔的光子数量辐射在1平方米的表面。
1umol/m2s(PPFD)有多大呢,它表示10平方纳米里有6个光子。
YPF:产生的光子通量(Yield Photon Flux)
是指在人造光源所发出的波长范围里,每秒辐射出的光子微摩尔数量,单位umol/s。通常认为的波段是360-760nm,对于LED光源,波长范围设定为380-800nm。
YPFD:产生的光子通量密度(Yield Photon Flux Density)
与YPF相对应的是每平方米每秒辐射的微摩尔数,单位umol/m2s ,是密度的概念。
YPFD是表示在一平方米范围里的YPF。
YPFD是个与辐射距离相关的物理量,与照射的距离的平方成反比。
YPFD更能准确的表达LED植物灯光质的光量。
对于红光蓝光谱,YPF=PPF,其他光谱PPF<YPF。
PAR与PPFD的区别,PAR是个物理概念,而PPFD的这个物理概念的单位。
PPFD与PPF的关系:PPFD是由种植工艺参数得出的基本量,PPF是灯具制造的主要参数。
为了清晰了解辐射、照明、植物光合作用的三个概念,我们制作了下面的表格。
人造光源的辐射、照明、植物光合作用这三个概念对比表:

注:m2表示平方米

四、不同光源与灯具之间定量分析参数
对于不同的人造光源,采用下面的指标可以比较他们之间的光谱参数性能,这些参数也可以比较同种光源相同光谱形态下不同厂家的光谱参数性能,通常,这些值越大越好,但是,数值大并不意味着种植效率高,需要具备专业技能的专业评估。
PPF/w:表示每耗电一瓦所产生的PPF。
PPFD/w:表示每耗电一瓦所产生的PPFD。
YPF/w:表示每耗电一瓦所产生的YPF。
YPFD/w:表示每耗电一瓦所产生的YPFD。
以上这些值大小与光谱形态(光质)有关,如果把这些值再除以植物灯的价格,那就可以比较植物灯价格高低,这些值的有效性需要通过第三方独立的专业分析才可靠。
通常,农用钠灯最大到 2.2 PPF/w,LED光源,最大2.1 PPF/w


五、光质、光量、光周期
光质LQ(Light Quality),是在一定的波长范围内的光谱形态,无单位。
光量LI(Light Intensity),是表示光质所能辐射的光子数量,既可以用光子流量表示,也可以用光子密度表示,单位:PPF(YPF)或者PPFD(YPFD)。
光周期PP(Photo Period),表示在一个自然日内,植物灯开灯的时间总和,单位:小时


六、植物每天需要的辐射量(重要概念)
许多人热衷研究植物辐射的补偿点和饱和点来推算植物灯应该使用多大的PPFD,从补偿点到饱和点的范围较大(如下图所示),在这个范围的选择植物灯的光量具有人为的随机性,补偿点与饱和点只是定性分析,量化过程一定要考虑其他环境因素,不可以机械的理解,用“光餐”解释植物补光可能更为恰当,在我们的种植工艺专家系统里,我们给出的是植物每天每平方米合理需要的辐射量,这个量值关系到种植成本与种植品质,我们的这个参数是参考农业科学长期研究的种植工艺参数DLI,具有理论依据。


日光合量DLA(Daily light amount):指人造光源在光周期下每天每平方米的PPFD所产生的光子的摩尔数量,单位:mol/m2d。
由于植物灯的光量在光周期下是恒定的,DLA=0.0036*PPFD*PP。PP-光周期单位:小时。
DLA是种植工艺参数,植物工厂的植物种植所需要的PPFD就是用DLA计算出来的。
声明:DLA由好亮固体光源研究所许东定义。
日光积分量DLI(Daily light integral):指太阳光有效辐射下每天每平方米的光合作用积分量,单位:mol/m2d。
DLI在传统种植中是一个重要光合量参数,是长期农业科学研究的技术参数,具有普遍的种植指导意义,在太阳光下,由于太阳光的光合辐照度(换算成PPFD)随时间与天气在不断变化,这个变化会出现跨度有时会在补偿点与饱和点之间,所以,DLI需要按照积分的方法计算,初步的计算可以用平均PPFD与有效时间(小时)进行计算。
在太阳光下按照平均值方法计算的DLI,DLI=0.0036*PPFD(平均)*有效时间。有效时间单位:小时。
在室外种植中,DLI参数会受到饱和点的影响,在温室大棚里,室内的DLI小于室外的DLI,温室的DLI通常也会小于DLA,DLA参数的创立,科学的提供了温室是否补光与补光量大小的理论依据,系统的建立人造光源的DLA数据库,可以提供植物工厂应用的基础数据体系,具有非常重要的意义,希望农业科研人员参与到这项工作中。
DLA是植物工厂与温室补光的种植工艺的主要参数,是植物灯设计的主要依据,DLA可以通过实验数据或者通过DLI经过加权后初步得出,但需要实验数据修正,DLA与DLI的关系是:DLA<DLI,如生菜种植的DLI为17,DLA为9-11。


七、光源功率、PPF、PPFD、安装高度的关系

图中右侧框是安装高度(米)。从图中可以看出,适当的安装高度可以降低光源功率,减少系统能耗。

对于同一PPF的光源,安装高度与PPFD的关系是安装高度增加,PPFD以2次方的速率下降。

八、 LED植物灯的极限参数
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。
以辐射效率40%为例:
波长445nm,PPF/w = 1.538
波长660nm,PPF/w = 2.19
3000k白光,YPF/w = 1.99
蓝光+红粉,YPF/w = 2.133
红蓝光,PPF/w = 2.12
目前的LED封装技术批量供货的最高辐射效率低于40%。
目前LED植物灯的PPF/w值小于2,基本上在1.6-1.8之间。
目前农用钠灯的PPF/w 值2.0-2.2之间。

通过以上的论述,我们清晰的看到,植物灯的参数是有明确概念的,需要清晰了解这些参数的物理定义与单位。

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