适用于无花果生长的LED植物照明补光系统研究.pdf

第 期中 国 照 明 电 器 年 月 设计与思考文章编号 适用于无花果生长的 植物照明补光系统研究 高 璇 杨 照 陕西电子信息集团光电科技有限公司 陕西西安 陕西省烟草公司咸阳市公司 陕西咸阳 摘要 无花果在自然环境下生长 由于无法控制光照等因素 存在生长周期较长导致收益周期长 效益慢等问题 为了解决此问题 本文研究适用于无花果生长的 植物照明光源及控制系统 设计开发了粉紫光 粉红光 全光 谱 款植物照明补光系统 与在自然条件下照射生长的无花果相比 粉紫光 粉红光 全光谱 款植物照明 产 品对无花果生长均有促进作用 在冬季无花果休眠时期 粉紫光 粉红光 全光谱 款植物照明 产品照射下的 无花果均在结果时期 明显促进了无花果的生长 特别是粉紫光植物照明 投光灯具有明显的促进作用 可缩短 无花果的生长周期 天左右 亩产较未补光对照组生长的产能高达 左右 果实为椭圆形 果形指数 果实鲜重 对果实颜色上色起到了明显的促进作用 果实红透饱满 口感佳 有利于后期大规模应 用到其他大棚中 关键词 无花果 植物照明 补光系统 粉紫光 粉红光 全光谱 中图分类号 文献标识码 作者简介 高 璇 高级工程师 硕士 主要研究半导体照明相关技术 第 期高 璇等 适用于无花果生长的 植物照明补光系统研究 引言 无花果因其营养丰富 味道甘甜 有着较高的药 用功效 市场需求量逐年增加 我国研究无花果种植 起步较晚 无花果在自然环境下生长 由于无法控制 光照等因素 存在生长周期较长导致的收益周期长 效益慢等问题 光是植物在生长发育过程中必不可少的一个环 境因素 植物通过光合作用制造了 以上的干物 质量 人工补光已经成为现代农业高效生产的重 要保障手段 研究表明人工光照在植物栽培应用 上已具有可行性 国外研究和实践应用表明 高 压钠灯作为植物生长光源更适用于植物生长周期的 开花和结果阶段 因此部分种植区采用高压钠 灯进行植物补光 但由于高压钠灯的光源光谱不符合 无花果生长所需的光谱 且钠灯光源能效低 启动时 间长 耗电量大 容易产生频闪 热膨胀变形 存在对 环境有害物质等问题 长时间使用经济性比较低 环保性比较差 因此无法推广使用 目前 国内外对适用于无花果的植物照明系统的 研究比较少 贺宇等 介绍了激光植物生长灯在 无花果日光温室栽培上的应用 在光照弱 光照时间 短的环境中 有激光植物生长灯光可以促进无花果植 株的形态建成 增加生物量 提高产量 但是 由于激 光的光强度较低 激光处理对光合特性影响不显著 并不是农业理想的补光光源 吴家森等 研究表 明 灯补光能提高光补偿点和光饱和点 光合能 力增强 并可增加萝卜肉质根鲜重 另外 灯补 光还能促进协调植物器官的生长 提高其抗病性 抗 逆性 抗衰老能力及光合能力 于海业等 介 绍随着植物生产周期 外界光照变化等通过对 灯具的光质 光强和光周期进行精准调控 可以满足 植物照明领域的多种需求 因此 本文依托某庄园的 无花果种植平台 设计开发适用于无花果的 植 物照明补光系统 研究适用于无花果生长的 植 物照明光谱曲线以及 植物照明补光系统对无花 果生长周期 产量 果实口感等方面的影响 以期达到 缩短无花果生长周期 提升口感和品质的作用 也可 为国内外养殖无花果的产业形成一定的参考价值 有 助于将该植物照明系统方案推广到其他大规模的植 物养殖中 无花果现有补光技术存在的问题 本文针对国内某无花果庄园提供定制化解决方 案 该无花果庄园前期使用高压钠灯对无花果进行补 光 单个光源功率为 整套照明套件包含 个 光源 总功率 所需资金为 元 套 使用一个养殖季 效果不明显 主要表现在 光 源光谱经实际检验不符合无花果生长所需光谱 采 用的钠灯光源能效低 耗电量大 长时间使用经济性 比较低 无调光控制系统 能耗大 成本高 为解决上述问题 本文提供了一种适用于无花果 生长的 植物照明补光系统 基于成本以及大面 积补光的需求 植物照明灯具类型为投光灯 采用 封装形式的光源 解决现有无花果在自然环境 生长中存在的问题 根据无花果的生长特性 量身打 造理想的光谱配比 植物照明补光系统设计方案 植物照明光源制作 研究人员通过研究光谱对植物光合作用 色素吸 收作用以及植株生长形态建成作用 发现红光峰值在 光谱波段时 对植物的生长有特定影响 研究植物光补偿点和饱 和点的光强 采用光量子通量密度 计量 换算 到光源产品 以单位时间每瓦产生的光子通量 计量 等效光源产品光通量在 之间 其中 光通量根据植物的不同生长周期范围可调 确 定出无花果需求的光谱波段以及植物照明 光源 产品光通量 制作出 款适用于植物生长的 光源 款植物光源产品光谱和特点 见表 表 植物光源产品光谱和特点 类别粉紫光 红蓝比例 光谱 粉红光 红绿蓝比例 光谱 全光谱 仿太阳光谱 特点 包含植物光合作用最重要的色素吸 收和基础形态建成的光谱波段 蓝光 和红光 生长周期短 产能高 在蓝光和红光基础上 增加了小比例绿光 左右 可抑制蓝光的隐花青素合成 植 株矮化 降低蓝光危害 生长周期适中 包含了植物光合作用全阶段 色素吸收波段 形态建成完 整 但生长周期较长 中国照明电器 年 基于以上研究内容 设计开发出了 款适用于植 物生长的 光源 粉紫光 红蓝比例 光谱 光源制作方法 采用激发波长为 的 蓝光芯片 与发射波长为 的氮化物红粉制作 红 蓝比例为 光谱 红光峰值为 见 表 表 粉紫光 光源特点 产品光谱分布光电指标 参数 蓝光峰值 芯片可采用 红光峰值 采用 红粉 与 蓝光混光 有蓝移可达到 以上 粉红光 红绿蓝比例 光谱 光源制作方法 采用激发波长为 的 蓝光芯片 与发射波长为 的氮化物红粉以及发射 波长为 的铝酸盐绿粉制作 红绿蓝比例 光谱 红光峰值为 见表 表 粉红光 光源特点 产品光谱分布光电指标 参数 蓝光峰值 芯片可采用 红光峰值 采用 红粉 与 蓝光 少量黄绿光进行混光 有蓝移可达到 以上 全光谱 类太阳光谱 光源 制作方法 采用两种方案制作 一种是采用激发波长为 的蓝光芯片与发射波长为 的氮 化物红粉 发射波长为 的 铝酸盐 绿粉 铝酸盐绿粉 发射波长为 的铝酸盐绿粉制作色温为 的光源 红光峰值 为 另一种是采用激发波长为 的紫光芯片与发射波长为 的氮 化物红粉 发射波长为 的 铝酸盐 绿粉 铝酸盐绿粉 波长为 的铝 酸盐绿粉制作色温为 的光源 红光峰值为 见表 表 全光谱 光源特点 产品光谱分布光电指标 参数 蓝光峰值 红光峰值 采用 红粉 与蓝光 绿光进行混 光 有蓝移可达到 与蓝绿光荧光粉 绿光 发出 连续光谱组合 形成产品全光谱段 以上 光效 植物照明投光灯制作 选用 粉紫光 光源 粉红 光 光源 全光谱 光源各一组 设计出散 热好的铝基板 个模组 颗灯珠 一个补光灯由 个模组组成 制作出单灯为 的 粉紫光植 物照明灯具 粉红光植物照明灯具 全光谱 植物照明灯具 如图 图 所示 第 期高 璇等 适用于无花果生长的 植物照明补光系统研究 图 植物照明投光灯三维结构图 图 植物照明投光灯照片 单个模组产品参数 植物照明 投光灯光电参数 见表 表 植物照明 投光灯光电参数 输入 电压 额定 功率发光角度外形尺寸 等级 安装 方式 吊挂式 功能性 根据无花果的生长特性 该款 植物照明投光 灯量身打造了理想的光谱配比 并可根据使用需求进 行功率调整 灯具金属外壳具有较强的抗震能力 铝 型材散热结构可提升散热性能 使用寿命长达 安装方式简单 易拆卸 易维护 如图 所示 图 植物照明投光灯配光曲线 控制系统 在不同天气条件以及不同的时间段 自然光照强 度差异比较大 为了进一步促进无花果的生长 通过 控制系统实时调整光照强度 确保在整个光照时间段 能够提供一个相对恒定的光照环境 控制系统由照度采集传感器 电源一体 式调光控制系统及配套灯具组成 以无花果生长不同 阶段所需的照度作为目标照度参数 通过照度传感器 采集环境照度 反馈给控制系统 由控制系统输出调 光控制信号控制灯具照度达到目标参数 可实现在无 花果芽期 枝叶生长期 挂果期 成熟期等不同生长时 间段 提供精准的照明控制 实验方法 在无花果 新梢成长 花芽分化阶段的坐果期 引入 植物照明补光系统 采用以上 种 植物照明投光灯 选取 座 亩棉被大棚进行分 组对比实验 将实验组分为 组 实验方案如图 所示 第一组 日光照射无花果 无 植物照明补光 系统 第二组 采用红蓝比例 光谱的 粉 紫光 植物照明投光灯补光系统照射无花果 座大棚无花果 第三组 采用红绿蓝比例 光谱的 粉红光 植物照明投光灯补光系统照射无花 果 座大棚无花果 第四组 采用类太阳光谱的 全光谱 植物照明投光灯补光系统照射无花果 座大 棚无花果 通过以上 组实验 验证出最利于无花果生长的 植物照明补光系统 并推广应用到其他无花果 大棚 实验地点为某无花果庄园 本实验为温室大棚试 验 实验品种为波姬红品种无花果 参阅图 选取 生长良好 长势基本一致的无花果植株 分成 组 每 组 排 每组实验之间设置两排隔离排 补光灯分 布在植株正上方 每株植株安装 个补光灯 分别设 置并标记为粉紫光 红蓝比 粉红光 红绿蓝 比 全光谱对照组 不补光对照组 每 个光质配比设置同样高度 距地面 同时设置 未补光对照组 中国照明电器 年 图 植物照明 补光系统的实验方法示意图 补光时间设定两种时间 每 天 进行共 或 者每天 进行 补光 实验安排在大棚西侧 从棚 尾算起 第一 第二排不作处理 第三 第四排为第一组实验 空 白对照组 第五 第六排为隔离 排 第七 第八排为第二组实验 粉紫光植物照明灯具 第九 第十排 为隔离排 第十一 第十二排为第三组实验 粉 红光植物照明灯具 第十三 第十四 排为隔离排 第十五 第十六排为第四组实验 全光谱 植物照明灯具 主要研究成果 自开始补光后 隔天观察实验植株情况 直至果 实生长成熟 经测试 植物照明补光灯光合光子 通量效率 在 之间 与未补光 对照组相比 可缩短无花果的生长周期 天左 右 亩产较未补光对照组生长的产量高达 左 右 果实为椭圆形 果形指数 果实鲜重 无花果营养吸收完整 口感好 该植物照明 系统可对国内外无花果养殖基地进行经验推广 目前 该项目已在某无花果庄园应用 年时间 与在自然条件下照射生长的无花果相比 粉紫光 粉 红光 全光谱 款植物照明 产品对无花果生长 均有促进作用 在冬季无花果休眠时期 粉紫光 粉红 光 全光谱 款植物照明 产品照射下的无花果 均在结果时期 明显促进了无花果的生长 特别是粉 紫光植物照明 投光灯具有明显的促进作用 生 长周期短 对果实颜色上色起到了明显的促进作用 果实红透饱满 口感佳 有利于后期大规模应用到其 他大棚中 未来可采用成本更低的植物照明日光灯管 进行其他大棚的普及 如图 至图 所示 图 粉紫光植物照明投光灯 照射下的无花果 图 粉红光植物照明投光灯 照射下的无花果 图 全光谱植物照明投光灯 照射下的无花果 图 空白对比组 结论 本文通过对粉紫光 红蓝比例 光谱 粉红光 红绿蓝比例 光谱 全光谱 类太阳光谱 种 植物补光系统进行研究 发 现在不同光谱类型的补光系统照射下 均可促进无花 果的生长 特别是粉紫光 植物照明补光系统不 仅可以提高无花果产量 还可缩短无花果的生长周期 天左右 该系统具有壮根 助长 调节花期 花色 促进果实成熟 上色 提升口感和品质的作用 大大提高了无花果的生长周期 为无花果产业提供指 导依据 下转第 页 第 期包汉斌等 基于电气工程自动化的城市智能照明系统设计 客的购物环境 也优化了能源管理 公共设施如图书 馆 医院等通过智能照明 不仅提升了照明质量 还实 现了照明与环境的和谐共生 为公众提供了更加健 康 舒适的环境 城市景观照明更是利用智能照明技 术 将艺术与科技完美融合 打造出了流光溢彩的城 市夜景 提升了城市的形象和吸引力 智能调光系统的应用 在日常生活中 智能调光系统能够根据外部光照 条件的变化 自动调节室内光照强度 实现恒定的照 度水平 有效缓解了因光线变化引起的眼睛疲劳 保 障了人们在室内活动时的视觉健康与舒适度 更进 一步 系统还能模拟自然光的变化 从晨曦的柔和到 黄昏的暖黄 不仅有助于维持人体生物钟的稳定 还 可以在心理层面为人们营造出接近自然的温馨氛围 减轻了长时间处于封闭空间的压抑感 动态调光功 能则是智能调光系统智能化程度的直观展现 系统能 够识别空间内的活动状态 如会议室的使用 休息区 的宁静时刻 或办公区域的工作高峰期 据此自动调 整光线强度和色温 确保照明既不过度也不欠缺 为 不同的活动场景提供恰到好处的照明支持 既提升了 工作效率 也创造了宜人的生活环境 结束语 基于电气工程自动化的城市智能照明系统 其意 义远不止于照明本身 作为智慧城市的重要基础设 施 是连接数字世界与物理世界的桥梁 为城市的智 慧化管理 数据分析和决策支持提供了丰富的可能 性 随着技术的不断进步 智能照明系统将更加深入 地融入城市生活的方方面面 促进城市治理模式的创 新 提升城市的整体运行效率与居民的生活质量 参考文献 李坤 智能照明系统在城市轨道交通中的应用方案研 究 中国照明电器 张龙翔 智能照明系统在节能减排中的应用与效果评 估 中国照明电器 李立 智能技术在城市道路照明配电设计中的应用 智慧中国 石海啸 刘志锋 基于 的城市景观照明智能节能 控制方法仿真 计算机仿真 刘泽蓉 基于信息物理系统的城市照明智能系统 灯与照明 上接第 页 参考文献 潘波 王宝玲 于常春 等 春大麦的光合特性与干物质 生产 青岛农业大学学报 自然科学版 朱静娴 人工补光对植物生长发育的影响 作物研 究 杜宁 韩哲 高压钠灯用于园艺光照明的改进设想 牡丹江教育学院学报 耿博 龙家焕 郑梦影 等 高压钠灯与 灯在植物 补光中的应用特性分析 黑龙江农业科学 贺宇 韩亚慧 张春芬 等 激光植物生长灯在无花果日 光温室栽培上的应用 山西农业科学 贺宇 无花果设施栽培与激光补光增产技术 太 原 山西农业大学 吴家森 胡君艳 周启忠 灯补光对萝卜生长及光 合特性的影响 北方园艺 邬奇 苏娜娜 崔瑾 光质补光对番茄幼苗生长及 光合特性和抗氧化酶的影响 北方园艺 苏娜娜 邬奇 崔瑾 光质补光对黄瓜幼苗生长和 光合特性的影响 中国蔬菜 刘淑艳 于振良 陶延怀 等 补光对番茄幼苗生 长的影响 北方园艺 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