植物工厂LED植物生长照明解决方案现状及趋势

作者:赵静,周增禅,卜云龙等。来源媒体:农业工程技术(温室园艺)

植物工厂结合现代工业、生物技术、营养水培和信息技术,对设施内的环境因素进行高精度控制。全封闭,对周围环境要求低,缩短植物收获期,节水节肥,无农药生产,无废弃物排放,单位土地利用效率是原来的40-108倍露天生产。其中,智能人工光源及其光环境调节对其生产效率起着决定性作用。

光照作为重要的物理环境因子,在调节植物生长和物质代谢方面起着关键作用。“植物工厂的一大特点就是全人工光源,实现对光环境的智能调控”已经成为业界的普遍共识。

植物对光的需求

光是植物光合作用的唯一能源。光强、光质(光谱)和光的周期性变化对作物的生长发育有着深远的影响,其中光强对植物光合作用的影响最大。

 光照强度

光照强度可以改变作物的形态,如开花、节间长度、茎的粗细以及叶片的大小和厚度。植物对光强的要求可分为喜光、中喜光和耐弱光植物。蔬菜多为喜光植物,其光补偿点和光饱和点都比较高。在人造光植物工厂中,作物对光照强度的相关要求是选择人造光源的重要依据。了解不同植物对光的要求对于设计人工光源很重要,对提高系统的生产性能也极为必要。

 光质

光质(光谱)分布对植物光合作用和形态发生也有重要影响(图 1)。光是辐射的一部分,辐射是电磁波。电磁波具有波动特性和量子(粒子)特性。光的量子在园艺领域称为光子。波长范围在300~800nm的辐射称为植物的生理活性辐射;波长范围在400~700nm的辐射称为植物的光合有效辐射(PAR)。

叶绿素和胡萝卜素是植物光合作用中最重要的两种色素。图2显示了每种光合色素的光谱吸收光谱,其中叶绿素吸收光谱集中在红色和蓝色波段。光照系统是根据作物对光谱的需要,人工补光,从而促进植物的光合作用。

■ 光周期
植物的光合作用和光形态发生与日长(或光周期时间)之间的关系称为植物的光周期。光周期与光照时数密切相关,光照时数是指作物被光照的时间。不同的作物需要一定的光照小时数才能完成光周期才能开花结果。根据光周期的不同,可分为长日照作物,如卷心菜等,在其生长的某一阶段需要12-14h以上的光照小时;短日照作物,如洋葱、大豆等,需要少于12-14h的光照时间;中日照作物,如黄瓜、西红柿、辣椒等,在较长或较短的日照下均可开花结果。
在环境三要素中,光照强度是选择人工光源的重要依据。目前,表示光强的方式有很多,主要有以下三种。
(1)照度是指被照射面上所接受的光通量(单位面积的光通量)的面密度,单位为勒克斯(lx)。

(2)光合有效辐射,PAR,单位:W/m²。

(3)光合有效光子通量密度PPFD或PPF是单位时间、单位面积达到或通过的光合有效辐射数,单位:μmol/(m²·s)。主要指400~700nm的光强度与光合作用直接相关。也是植物生产领域最常用的光强指示剂。

典型补光系统光源分析
人工补光是通过安装补光系统,增加目标区域的光照强度或延长光照时间,以满足植物的光照需求。一般来说,补光系统包括补光设备、电路及其控制系统。补光光源主要有白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和LED等几种常见类型。由于白炽灯电效率和光效率低,光合能效低等缺点,已被市场淘汰,本文不做详细分析。

■ 荧光灯
荧光灯属于低压气体放电灯类型。玻璃管内充满水银蒸气或惰性气体,管内壁涂有荧光粉。光色随灯管内涂荧光物质的不同而不同。荧光灯光谱性能好,发光效率高,功率小,与白炽灯相比寿命更长(12000h),成本相对较低。由于日光灯本身散发的热量较少,可以靠近植物进行照明,适合立体栽培。然而,荧光灯的光谱布局不合理。国际上最常用的方法是加装反光板,使栽培区作物的有效光源成分最大化。日本adv-agri公司也开发了一种新型补充光源HEFL。HEFL其实属于荧光灯的范畴。是冷阴极荧光灯(CCFL)和外电极荧光灯(EEFL)的总称,是一种混合电极荧光灯。HEFL管极细,直径只有4mm左右,长度可根据培养需要从450mm到1200mm任意调节。它是传统荧光灯的改进版本。

■ 金卤灯
金属卤化物灯是在高压汞灯的基础上,通过在放电管中加入各种金属卤化物(溴化锡、碘化钠等),可以激发不同元素产生不同波长的高强度放电灯。卤素灯光效高、功率大、光色好、寿命长、光谱大。但由于发光效率低于高压钠灯,寿命较高压钠灯短,目前仅在少数植物工厂中使用。

■ 高压钠灯
高压钠灯属于高压气体放电灯的一种。高压钠灯是在放电管内充入高压钠蒸气,并加入少量氙气(Xe)和汞金属卤化物的高效灯。由于高压钠灯具有较高的电光转换效率和较低的制造成本,因此高压钠灯是目前在农业设施补光应用中应用最为广泛的。但由于其光谱中存在光合效率低的缺点,因此存在能量效率低的缺点。另一方面,高压钠灯发出的光谱成分主要集中在黄橙光波段,缺乏植物生长所必需的红蓝光谱。

■ 发光二极管
发光二极管(LED)作为新一代光源,具有电光转换效率高、光谱可调、光合效率高等诸多优点。LED可以发出植物生长所需的单色光。与普通荧光灯和其他补充光源相比,LED具有节能、环保、长寿命、单色光、冷光源等优点。随着LED光电效率的进一步提高以及规模效应带来的成本降低,LED植物生长照明系统将成为农业设施补光的主流设备。因此,LED植物生长灯已被99.9%以上的植物工厂应用。

通过比较,可以清楚地了解不同补光光源的特性,如表1所示。

移动照明装置
光照强度与农作物的生长密切相关。立体栽培常用于植物工厂。但由于栽培架结构的限制,架间光照和温度分布不均会影响作物的产量,采收期也不同步。北京某公司于2010年研制成功了一种手动升降补光装置(HPS照明灯具和LED植物照明灯具),其原理是通过摇动手柄转动驱动轴和固定在其上的收卷机,使小卷膜器旋转达到收放钢丝绳的目的。植物灯的钢丝绳通过多组换向轮与升降机的绕线轮相连,从而达到调节植物灯高度的效果。2017年,上述公司设计研发了一款新型移动补光装置,可根据作物生长需要实时自动调节补光高度。现将调节装置安装在三层光源升降式立体培养架上。装置最上层为光照条件最好的一层,故装有高压钠灯;中间层和底层配有LED植物生长灯和升降调节系统。它可以自动调节生长灯的高度,为作物提供合适的光照环境。

相对于为立体栽培量身定做的移动式补光装置,荷兰研发了可水平移动的LED植物生长补光灯装置。为避免植物生长灯的阴影影响植物在阳光下的生长,可通过水平方向的伸缩滑道将植物生长灯系统推至支架两侧,使阳光充分照射照射在植物上;在没有阳光的阴雨天,将植物生长灯系统推到支架中间,使植物生长灯系统的光线均匀地充满植物;通过支架上的滑道水平移动植物生长灯系统,避免植物生长灯系统的频繁拆卸和拆卸,减轻员工的劳动强度,从​​而有效提高工作效率。

典型植物生长灯系统设计思路
从移动补光装置的设计中不难看出,植物工厂补光系统的设计通常以作物不同生长期的光强、光质、光周期参数作为设计的核心内容。 ,依靠智能控制系统来实施,达到节能高产的最终目的。

目前,叶类蔬菜补光设计与施工已逐步成熟。例如,叶类蔬菜可分为苗期、生长中期、生长后期和终末期四个阶段;果蔬可分为苗期、营养生长期、开花期和采收期。从补光属性看,苗期光照强度宜稍低,在60~200 μmol/(m²·s),然后逐渐增加。叶菜可达100~200 μmol/(m²·s),果菜可达300~500 μmol/(m²·s),保证植物各生育期光合作用的光强要求,满足植物光合作用的需要。高产;就光质而言,红蓝比例非常重要。为增加苗木质量,防止苗期过度生长,一般将红蓝比例设置在较低水平[(1~2):1],然后逐渐降低以满足植株需要光形态。红蓝叶蔬菜的比例可以设置为(3~6):1。对于光周期,与光照强度相似,随着生长期的延长,应呈增加的趋势,使叶类蔬菜有更多的光合作用时间进行光合作用。果蔬的补光设计会比较复杂。除了上述基本规律外,花期还要注重光周期的设置,一定要促进蔬菜的开花结果,以免适得其反。

值得一提的是,光照公式应该包括对光环境设置的末端处理。例如,连续补光可大大提高水培叶菜苗的产量和品质,或采用紫外线处理可显着提高芽菜和叶菜(尤其是紫叶和红叶莴苣)的营养品质。

除了为选定的作物优化补光,一些人造光植物工厂的光源控制系统近年来也发展迅速。这种控制系统一般基于B/S结构。通过WIFI实现对作物生长过程中的温度、湿度、光照、CO2浓度等环境因素的远程控制和自动控制,同时实现不受外界条件限制的生产方式。这种智能补光系统采用LED植物生长灯具作为补光光源,结合远程智能控制系统,可以满足植物波长光照的需要,特别适用于光控植物栽培环境,能够很好地满足市场需求.

结束语
植物工厂被认为是21世纪解决世界资源、人口和环境问题的重要途径,也是未来高科技项目实现粮食自给自足的重要途径。植物工厂作为一种新型的农业生产方式,还处于学习成长期,需要更多的关注和研究。本文介绍了植物工厂常用补光方式的特点和优势,介绍了典型作物补光系统的设计思路。通过对比不难发现,为应对持续多云、雾霾等恶劣天气带来的光照不足,保障设施作物高产稳产,LED植物生长光源设备最符合当前发展趋势。

未来植物工厂的发展方向应着重于新型高精度、低成本传感器、可远程控制、可调光谱的照明装置系统和专家控制系统。同时,未来的植物工厂将不断向低成本、智能化、自适应发展。LED植物生长光源的使用和普及,为植物工厂的高精度环境控制提供了保障。LED光环境调控是一个复杂的过程,涉及光质、光强、光周期的综合调控。需要相关专家学者进行深入研究,在人造光植物工厂推广LED补光照明。


发布时间:Mar-05-2021