太阳能光伏与LED结合在人工光植物工厂的应用
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led光源对植物生长的功效解析LED植物灯对光合作用的补光应用OFweek半导体照明网讯植物都需要阳光的照射才能生长的更加茂盛。
光对植物生长的作用是促进植物叶绿素吸收二氧化碳和水等养份,合成碳水化合物。
但现代科学可以让植物在没有太阳的地方更好地生长,人们掌握了植物对太阳需要的内在原理,就是叶片的光合作用,在叶片光合作用时需要外界光子的激发才可完成整个光合过程,太阳光线就是光子激发的一过供能过程。
人为的创造光源也同样可以让植物完成光合过程,现代园艺或者植物工厂内都结合了补光技术或者完全的人工光技术。
科学家发现蓝光区和红光区十分接近植物光合作用的效率曲线,是植物生长的最佳光源。
LED植物灯知识:1.不同波长的光线对于植物光合作用的影响是不同的,植物光合作用需要的光线,波长在400-700nm左右。
400-500nm(蓝色)的光线以及610-720nm(红色)对于光合作用贡献最大。
2. 蓝色(470nm)和红色(630nm)的LED,刚好可以提供植物所需的光线,因此,LED植物灯,比较理想的选择就是使用这两种颜色组合。
在视觉效果上,红蓝组合的植物灯呈现粉红色。
3. 蓝色光能促进绿叶生长;红色光有助于开花结果和延长花期。
4.LED植物灯的红蓝LED比例一般在4:1--9:1之间为宜,通常可选4-7:1。
5.用植物灯给植物补光时,一般距离叶片的高度为0.5米左右,每天持续照射12-16小时可完全替代阳光。
采用LED半导体灯泡配置出最适合植物生长的光源按比例设置的彩色灯光能让草莓、西红柿变得更甜,营养更丰富。
用灯光照射冬青幼苗,就是模仿植物在室外的光合作用。
光合作用是指绿色植物通过叶绿体,利用光能,把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出氧的过程。
太阳光是由不同颜色的光线组成的,不同颜色的光对植物生长能产生不同的作用。
LED光源又称半导体光源,这种光源波长比较窄,能控制光的颜色。
用它对植物进行单独照射,就能改良植物品种。
光伏植物方案简介光伏植物方案是一种将太阳能光伏电池板与植物种植结合在一起的可持续发展解决方案。
通过将光伏电池板安装在植物的上方或周围,在提供可再生能源的同时,还能够保护和提升植物生长的环境。
这种方案逐渐在城市农业、农村地区和非耕地使用中得到应用。
光伏植物方案的优势1. 提供可再生能源光伏植物方案利用太阳能光伏电池板将阳光转化为电能。
这种电能可以用来供电给建筑物、路灯、电动工具等,从而减少对传统能源的依赖。
与传统的太阳能光伏电池板相比,光伏植物方案可以充分利用可耕地面积,提高能源生成效率。
2. 节约土地资源光伏植物方案可以实现光伏发电与植物种植在同一块土地上的共存。
通过安装在农田或城市花坛上方的光伏电池板,可以最大程度地节约土地资源,提高土地的利用效率。
在城市农业中,光伏植物方案可以在有限的空间内同时实现食物生产和能源发电。
3. 提升环境品质光伏植物方案可以为植物提供部分阴荫,减少直接阳光的照射,改善植物生长环境。
光伏电池板还可以减少土壤水分的蒸发,降低土壤温度,并减少病虫害的发生。
这种方案可以在城市中提供更多的绿色环境,改善空气质量和生活品质。
4. 投资回报率高光伏植物方案虽然投资成本较高,但由于同时发挥了发电和种植的功能,具有较高的投资回报率。
通过种植作物或种植高价值的草药、花卉等植物,可以获得农产品的收入,同时还可以通过向电网出售多余的电力获得额外的收入。
这种方案对于农村地区和农民来说具有较好的经济效益。
光伏植物方案的实施步骤1. 选址和设计在选择光伏植物方案的场地时,需要考虑可再生能源的充足性、土地的适宜性和植物种植的需求。
在选址确定后,需要进行详细的设计,包括光伏电池板的布局、支撑结构的设计、植物的选取和种植方式的确定等。
2. 安装光伏电池板按照设计方案,进行光伏电池板的安装工作。
需要注意安装的稳固性和光电转换效率的最大化。
在安装过程中,还需要考虑光伏电池板的维护和清洁工作,以保证发电效果的稳定。
【摘要】植物工厂因此资源有效利用的优势,近年来在很多国家得到快速发展。
而作为其中重要环节之一的照明,其设备也在得以日新月异的进步。
本文通过介绍了植物工厂的由来和led植物照明灯具的发展现状,进而分析了led光源与其他光源的一个优势,并且对未来led 植物灯具以及植物工厂进行了展望。
【关键词】led植物灯具;优势和现状;发展趋势0 引言植物工厂是采用现代农业工程和机械技术,改变自然环境,为动植物生产提供相对可控制甚至最适宜的温度、湿度、光照、水肥等环境条件,从而实现动植物的可控生长的新型农业方式。
光照设备是作为植物工厂中的一个重要的环节,也在进行着日新月异的变化,特别是led照明灯具的广泛使用,使得植物工厂具有了更广泛的发展前景。
1 植物工厂的由来根据联合国估计,到2050年全球人口将再增加30亿人,这表示人类需要额外开发10亿公顷的耕地,才可避免粮食短缺;但目前所面临的问题是全球可以耕种的农地几乎都已开发,而城市化发展的大趋势又使得很多土地变为了钢筋水泥的建筑。
因此如何更高效的利用土地资源发展农业成了全世界的课题,植物工厂的概念也应运而生。
美国在1950年代率先提出植物工厂的概念,并在1970年代将其商业化。
日本植物工厂业者遂利用其概念进行研发,将作物种植于环控室内并试着为它们找出最佳的生长环境。
植物工厂是的目的主要是希望最大化的利用有限空间,在一年四季中皆可以人工控制的方式控制培育环境,例如光照,温度,湿度,二氧化碳浓度以及培养液成分等,以实现高质量作物的产出。
一般来说,通过控制外部环境,植物工厂的蔬菜生长速度可以达到户外常规蔬菜种植的2-4倍,单位土地利用率可达户外常规蔬菜种植的40-108倍。
2 led植物生长灯具的优势和现状led植物生长灯具在植物工厂照明系统中具备很大的优势和发展潜力,这主要是由它自身特定所决定的。
2.1 led植物生长灯具特有的波长优势led植物生长灯具一直以来都被看作是未来植物照明领域的主流光源。
LED在植物工厂的应用原理1. 引言植物工厂是通过人工环境控制的方式种植植物的设施。
在植物工厂中,光照是一项至关重要的因素,对植物的生长和发育起着决定性的作用。
而LED(Light Emitting Diodes)作为一种新兴的光源技术,在植物工厂中得到了广泛的应用。
本文将介绍LED在植物工厂中的应用原理。
2. LED的优势相比传统的光源技术,LED具有许多明显的优势,使其在植物工厂中成为了首选的光源技术。
•高效节能: LED光源的能量利用效率较高,相对传统光源技术更节能,可以降低植物工厂的能耗。
•寿命长: LED光源的寿命较长,可以达到50000小时以上,减少了更换灯源的频率和维护成本。
•波长可调节: LED光源可以根据植物的需求调节发光波长,提供适合不同生长阶段的光照条件。
•紧凑微型化: LED光源体积小巧,可以灵活安装在植物工厂的不同位置,方便进行光照布置。
3. LED光源在不同生长阶段的应用由于植物在不同生长阶段对光照的需求不同,因此LED光源可以根据不同的生长阶段提供适合的光照条件,促进植物的生长和发育。
3.1 生长阶段在植物的生长阶段,植物对光照强度和光谱的需求较高。
LED光源可以提供高强度的光照,并调节发光波长,满足植物生长所需的条件。
在生长阶段,LED光源可以提供较高的蓝光和红光,激发植物的光合作用,促进叶绿素的合成和植物的生长。
3.2 开花阶段在植物的开花阶段,植物对光照强度和光谱的需求有所不同。
LED光源可以根据不同植物的开花需求,提供适合的光照条件,促进植物的开花和结果。
在开花阶段,LED光源可以提供较高的红光和远红外线光,激发植物的花芽分化和开花过程。
3.3 结实阶段在植物的结实阶段,植物对光照强度和光谱的需求有所不同。
LED光源可以根据不同植物的结实需求,提供适合的光照条件,促进植物的结实和果实质量。
在结实阶段,LED光源可以提供适当的光照强度和发光波长,促进果实的膨大和营养物质的积累。
∙品牌:泛科∙型号: VQ-GLTA200W∙工作电压: 110∙用途: 特殊照明∙功率(瓦): 120∙灯头接口(灯头型号): 其它∙发光颜色: 紫LED植物生长灯120W 厂家直销全新第二代产品,更聚光更节能!灯具规格亮点:1、VQ-GLIA120/200/240/300促进植物生长灯为我公司生产的第二代植物灯产品,采用最新的集成封装工艺,从根本上解决了产品的稳定性,从结构设计上很好地解决了产品散热,系统内部安装了灯具高温自我保护装置。
同时,与市场上现有产品相比,使用集成封装工艺,极大地提高了产品的聚光效果,控制发光角度,大幅降低光子无谓流失,提高光子利用率。
本系列产品已通过ROSH、CE认证。
2、不同植物所需生长条件不一样,参与植物光合作用、影响发芽及开花结果所需的光源波长也会不一样,所以,产品的工作波长及光源成分比例针对不同植物会有很大的不同。
可以根据用户的要求定制、也可以由用户提供相关信息,我们给用户确定光源成分。
一般红蓝光为主要成分,红蓝光比例从2:1至9:1不等。
3、照射面积最佳照射面积:S=1.78h²最大照射面积:S1=3.2h²VQ-GLIA系列产品投射到植物上的光量子密度(PPFD)并不是均匀的,随着照射半径的变化,会逐渐递减,下面是悬挂高度为1.5米时,测试光量子密度随着照射半径的变化情况:下图为不同悬挂高度,离光源中心不同距离时测得光强和光量子通量:∙品牌: 星万全∙型号: VQ-GLTA200W∙工作电压: 110∙用途: 特殊照明∙功率(瓦): 120∙灯头接口(灯头型号): 其它∙发光颜色: 紫LED植物生长灯120W 厂家直销全新第二代产品,更聚光更节能!灯具规格亮点:1、VQ-GLIA120/200/240/300促进植物生长灯为我公司生产的第二代植物灯产品,采用最新的集成封装工艺,从根本上解决了产品的稳定性,从结构设计上很好地解决了产品散热,系统内部安装了灯具高温自我保护装置。
第24卷第8期农业工程学报V ol.24 No.82008年8月 Transactions of the CSAE Aug. 2008 249 LED在植物设施栽培中的应用和前景崔瑾1,徐志刚2※,邸秀茹2(1.南京农业大学生命科学学院,南京 210095; 2.南京农业大学农学院,南京 210095)摘 要:该文综述了近年来发光二极管(LED)在植物设施栽培中的研究与应用,内容包括:应用于植物设施栽培的LED 特征,LED在植物组织培养、设施园艺和航天生态生保系统等方面的研究,以及LED应用于植物设施栽培领域的前景分析。
关键字:发光二极管(LED);植物;设施栽培中图分类号:S625.5+2 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2008)-8-0249-05崔 瑾,徐志刚,邸秀茹. LED在植物设施栽培中的应用和前景[J]. 农业工程学报,2008,24(8):249-253.Cui Jin, Xu Zhigang, Di Xiuru. Applications and prospects of light emitting diode in plant protected culture[J]. Transactions of the CSAE, 2008,24(8):249-253.(in Chinese with English abstract)0 引 言随着半导体技术的飞速发展,各种波长的发光二极管(light emitting diode,LED)被开发出来并被广泛应用于各行业。
近年来,LED作为一种可应用于植物设施栽培的新型半导体光源,具有一系列传统电光源技术无可比拟的优点而日益受到关注。
目前LED在植物设施栽培中的应用正日益扩大并呈良好的发展前景。
本文简要从以下几个方面对LED在植物设施栽培方面已做过的工作做一个总结,并对它在该领域的应用前景做一个评估。
1 应用于植物设施栽培的LED特征光是植物生长发育的基本因素之一。
太阳能光伏技术在农业生产中的应用近年来,太阳能光伏技术在农业生产中的应用逐渐增多,成为了农业领域的一项重要技术。
太阳能光伏技术利用太阳能将光能转化为电能,这一技术在农业生产中有着巨大的潜力和优势。
本文将探讨太阳能光伏技术在农业生产中的应用,分析其带来的好处和挑战,以及未来发展的前景。
一、太阳能光伏技术在农业灌溉中的应用太阳能光伏技术在农业灌溉中的应用广泛而有效。
传统的农业灌溉多依赖于传统的电力或燃料供应,成本高且不环保。
而利用太阳能光伏技术进行灌溉,不仅可以降低成本,减少对传统能源的依赖,还能减少温室气体的排放。
通过在农田中搭建太阳能光伏板,将太阳能转化为电能,再利用这一电能驱动灌溉系统,可以实现农田的定时供水,保证作物的生长需求。
太阳能光伏技术在农业灌溉中的应用,不仅能够提高农田的用水效率,节约资源,还能够提高农作物的产量和品质。
二、太阳能光伏技术在农业温室中的应用温室农业是现代农业的一种重要形式,而太阳能光伏技术在农业温室中的应用,为温室农业的发展提供了强有力的支持。
在传统温室农业中,电力供应是一个重要的问题,太阳能光伏技术的应用可以完全解决这一问题。
通过将太阳能光伏板安装在温室的顶部,利用太阳能转化为电能,可以为温室提供所需的电力。
利用太阳能光伏技术供电的温室,不仅能够提供稳定的电力供应,还能够降低能源成本,减少温室气体的排放。
同时,太阳能光伏技术还可以通过对温室内的温度、湿度、光照等参数进行自动监控和调节,提高温室农作物的产量和质量。
三、太阳能光伏技术在农村电力供应中的应用太阳能光伏技术在农村电力供应中的应用,可以有效解决农村地区缺乏电力供应的问题。
由于传统电力供应的困难,很多农村地区缺乏稳定的电力供应,无法满足农民的生产和生活需求。
而利用太阳能光伏技术进行电力供应,可以为农村地区提供稳定、可再生的电力。
通过搭建太阳能光伏发电系统,将太阳能转化为电能供应给农村地区使用,可以解决农村电力供应不足的问题。
植物栽培用LED光源和LED灯具性能规范1 范围本文件规定了植物栽培用LED光源和LED灯具的性能要求和试验方法。
本文件适用于全人工光或人工补光环境植物栽培用途的作为终端产品使用的额定电压不超过直流1 500 V或交流1 000 V的LED光源和LED灯具。
本文件中“作为终端产品使用”,是指产品直接安装使用,没有影响和改变产品光学分布、温度等燃点稳定状态的其他罩壳,该类型产品的安全性和防尘防护等级符合性由自身产品保障,相关要求参见附录A。
除非特定说明,本文件中LED光辐射产品指本文件所规范植物栽培用LED光源和LED灯具。
2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。
其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 2423.3 环境试验第2部分:试验方法试验Cab:恒定湿热试验GB/T 2423.22 环境试验第2部分:试验方法试验N:温度变化GB 7000.1 灯具第1部分:一般要求与试验GB 17625.1 电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每项输入电流≤16 A)GB/T 39394 LED灯、LED灯具和LED模块的测试方法GB/T 41423 LED封装长期光通量和辐射通量维持率的推算GB/T xxxxx 植物栽培用光辐射术语3 术语和定义GB/T xxxxx界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1集成式LED光源 integrated LED light source包括控制装置,以及光源稳定燃点所必需的任何附加元件的LED光源,这种光源设计成可直接连接到电源电压上。
3.2独立式LED模块 independent LED module设计为与灯具、外壳或类似装置分开安装或放置的LED模块。
注1:独立式LED模块具有依据其分类和标志的安全相关所有保护措施。
注2:一个独立式LED模块的示例为通过玻璃纤维与灯具头相连接的系统。
LED光照在植物生长中的应用研究LED(Light Emitting Diode)是一种新型的电子器件,它具有低功耗、长寿命、小体积等优点。
随着LED技术的不断发展,LED已经开始广泛应用于照明领域。
同时,由于LED的可调性和高效性,它也成为了现代农业领域的重要技术,特别是在植物生长方面的应用研究。
植物生长通常需要依赖于光线、水分和温度等条件。
其中,光线是植物生长中最为重要的条件之一。
植物会利用太阳光进行光合作用,从而将光能转化为化学能,然后在代谢中利用这些化学能。
高强度的光照对于植物生长尤其重要。
然而,在室内栽培条件下,光照强度通常不能满足植物生长的需求。
此时,利用LED 来替代自然光照,成为了一种可行的方式。
根据植物对光线的不同需求,LED灯可以发出不同频率、不同波长的光线,从而满足植物不同时期的光化学需求。
例如,在植物的生长和发育阶段,蓝光和红光的比例对植物生长至关重要。
此外,在花开花落的时期,植物同样需要不同频率的光照来促进开花和结果。
而LED灯可以根据这些需求发出适当的光照,从而促进植物生长和发育。
除此之外,LED还可以通过控制发光时间和光照强度等条件,来影响植物的光周期和生理。
例如,在植物的成长季节中,通过控制LED灯的亮度和发光时间来模拟人工光周期,可以使得植物生长速度更快、植株更加健康。
另一方面,在植物的生长与休眠周期中,通过控制LED灯的发光时间来刺激植物的菌根发育,可以提高植物养分吸收和改善植物的抗病能力等。
在应用研究方面,LED的应用在植物生长领域已经成为一个热点话题。
通过对比自然光和LED灯的光谱,我们可以得出LED灯可以发出适合植物生长各个阶段需要的光照。
此外,对于不同作物的生长需求,根据LED灯的不同光谱,进一步为农业生产提供便利。
在实际生产中,LED灯已经可以广泛应用于各类植物的生长中。
例如,LED灯可以在蔬菜、水果和花卉的种植过程中,提供更加精确的光照环境,从而促进植物的生长和发育,同时可以节省一定的水和能源成本。
LED灯在植物工厂中的应用及对植物生长的影响樊晓雅1,2初燕芳2,3袁玉麟2,3(1.云南农业大学水利学院,云南昆明650201;2.云南省高校水安全与节水减排重点实验室,云南昆明650201;3.云南农业大学资源与环境学院,云南昆明650201)[摘要]光是影响植物生长的重要因素,其在植物形态建成、光合作用、物质代谢等过程中均有重要作用。
通过调节光质控制植株形态的形成和生长发育是设施农业中的一项重要技术。
近年来,由于LED灯具有波段较窄、光谱光量皆可调控、耗能低、产热较少等优势,被广泛应用于研究植物生长对人工光组合光谱的响应。
基于此,本文主要概述LED灯在植物工厂中的发展及对植物生长的影响,以期为LED灯的合理应用提供理论参考。
[关键词]植物工厂;LED灯;植物生长[中图分类号]F426[文献标识码]A[文章编号]1674-7909(2020)29-107-31植物工厂概述植物工厂是一个高效率的农业系统,其通过在设施内进行高精度的环境控制,使得作物能够周年连续生产。
植物工厂是在作物生长发育过程中由计算机对温度、湿度、光照、二氧化碳浓度和营养液等环境因素进行自动控制,不受或很少受自然条件影响的节省劳力的一种生产方式[1]。
植物工厂的核心技术有无土栽培技术、光照技术和环境控制技术,这3种技术相互关联,并以植物高效率生产为目标进行集成。
由于植物工厂不受土地空间限制,可实现多层立体栽培,机械化程度较高。
由于植物工厂多在密闭环境中运作,因此其具有不受气候条件影响、生产环境干净等优势。
2LED灯在植物工厂中的应用LED灯是一种半导体固态光源,其可提供单色光和组合光,还可根据植物需求调制出更加合适的光谱,与传统补光光源相比有着无法比拟的光电优势,其是一种能将传统光源替代,对作物进行高效率补光的理想光源。
LED灯作为第4代新型照明光源,与荧光灯和太阳辐射不同,LED的光能利用率和光合速率更加高,光谱组成更加稳定,具有发热少、空间利用率高、使用寿命长、没有污染等诸多优点,可用于植物工厂中的多层栽培和立体组合系统等[2]。
现代农业植物工厂——太阳能光伏植物工厂植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段,是一种高投入、高技术、精装备的生产体系,集生物技术、工厂技术和系统管理于一体,通过设备内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统。
利用计算机对植物的温度、湿度、光照、CO2浓度及营养液等环境条件进行自动控制,让植物在最适合的环境下生产发育,可以实现真正的免农药生产栽培,是植物栽培的最高境界,是农业生产与科研的象牙塔,而太阳能型植物工厂的发展则是太阳能光伏发电和现代设施农业完美结合的典范。
人工光源是植物工厂中最重要的部分,也是有别于其他栽培模式的最大分野点,它创造了一个完全人工的工业化生产环境。
以LED为光源的新型植物工厂称为LED植物工厂,是新生代植物工厂。
LED是一种高亮度,高效率,长寿命人工光源:波长类型丰富、正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围温和;频谱波宽度半宽窄,可以按照需要组合获得纯正单色光与复合光谱;可以集中特定波长的光均衡地照射作物;不仅可以调节作物开花与结实,而且还能控制株高和植物的营养成分;系统发热少,占用空间少,可以用于多层栽培立体组合系统,实现了低热负荷和生产空间小型化。
韩国的太阳能植物工厂中/日/韩/美/荷兰5国植物工厂大比拼1949年,美国植物学家和园艺学家在加州帕萨迪纳建立了第一座人工气候室,其出现就是植物工厂的早期模型,为植物工厂的完善和发展进行了成功的探索和实践,引发了模拟生态环境领域里的一场风暴。
随后,日本和前苏联也先后建立了这种人工气候室。
在人工气候室的基础上,从某种意义上说,1957年丹麦在哥本哈根市郊约克里斯顿农场真正建起了世界上第一座真正意义上的植物工厂,因为其规模达到了1000m2,采用人工光和太阳能并用技术,从播种到收获采用全自动传送带流水作业,且产400万袋水芹(100万kg),而这些是植物工厂的重要特征。
1、日本日本认为,植物工厂是解决土地问题、人口问题、粮食问题、食品安全问题、能源问题、农业人员老年化问题、气候问题、环境和可持续发展问题等的根本途径;是“活化地域的起爆剂”,为地域生产发展、技术聚集、人员就业、生态环境、经济繁荣带来变化;是“中间产业”,不仅能带动农业发展,而且还能带动工业、健康产业、信息产业等的发展。
LED在植物灯栽培中的应用光环境是植物灯生长发育不可缺少的重要物理环境因素之一,通过光质调节,控制植株形态建成是设施栽培领域的一项重要技术。
作为第四代新型照明光源,LED具有许多不同于其他电光源的特点,这也使其成为节能环保光源的首选。
应用于植物培养领域的LED 还表现以下特征:波长类型丰富、正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合;频谱波宽度半宽窄,可按照需要组合获得纯正单色光与复合光谱,;可以集中特定波长的光均衡地照射作物;不仅可以调节作物开花与结实,而且还能控制株高和植物的营养成分;系统发热少,占用空间小,可用于多层栽培立体组合系统,实现了低热负荷和生产空间小型化;此外,其特强的耐用性也降低了运行成本。
由于这些显著的特征,LED十分适合应用于可控设施环境中的植物栽培,如室内花卉、设施园艺与工厂化育苗和航天生态生保系统等。
近十年来,我国设施园艺面积发展迅速,植物生长的光环境控制照明技术已经引起重视。
设施园艺照明技术主要应用于两个方面:一、在日照量少或日照时间短的时候作为植物光合作用的补充照明;二、作为植物光周期、光形态建成的诱导照明。
1、LED作为植物光合作用补充照明的研究传统人工光源产生太多热量,如采用LED 补充照明和水培系统,空气能够被循环使用,过多的热量和水份可以被移除,电能能够被高效地转变为有效光合辐射,最终转化为植物物质。
研究表明:采用LED照明,生菜的生长速率、光合速率都提高20%以上,将LED用于植物工厂是可行的。
研究发现,与荧光灯相比,混合波长的LED光源能够显著促进菠菜、萝卜和生菜的生长发育,提高形态指标;能够使甜菜生物积累量最大,毛根中甜菜素积累最显著,并在毛根中产生最高的糖分和淀粉积累。
与金属卤化灯相比,生长在符合波长LED下的胡椒、紫苏植株,其茎、叶的解剖学形态发生显著的变化任何植物都需要阳光的照射才能生长,并且随着光密度提高,植株的光合速率提高。
复合波长的LED可引起万寿菊和鼠尾草两种植物的气孔数目增多。
人工光型植物工厂光环境技术规范1 范围本文件规定了人工光型植物工厂光环境技术要求和对应的试验验证方法。
本文件适用于生产型人工光型植物工厂中植物栽培区域的光环境,教学或展示用途人工光型植物工厂或种植器可参照执行。
本文件不适用于人工光型植物工厂中用于提供视觉照明用途的光环境。
2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。
其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
3 术语GB/T 植物栽培用光辐射术语GB/T 植物栽培用LED 光源和LED 灯具性能规范和定义GB/T xxxxx 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1人工光型植物工厂 plant factory based on artificial lighting光辐射全部基于人工光源的植物工厂。
3.2光环境 luminous environment, <for horticulture>〈植物〉可能影响植物生长发育的场景中光的物理条件的总和。
[来源:GB/T 2900.65—202x ,845-29-004,有修改]3.3平均光子通量密度 average photon flux densityE p,av给定平面上各点光子通量密度的平均值。
注:平均光子通量密度可用于定义特定波长范围的平均光子通量密度,例如光生物有效平均光子通量密度(波长范围280 nm ~ 800 nm )、光合有效平均光子通量密度(波长范围400 nm ~ 700 nm )、紫外平均光子通量密度(波长范围280 nm ~ 400 nm )、蓝光平均光子通量密度(波长范围400 nm ~ 500 nm )、绿光平均光子通量密度(波长范围500 nm ~ 600 nm )、红光平均光子通量密度(波长范围600 nm ~ 700 nm )、远红平均光子通量密度(波长范围700 nm ~ 800 nm )。
基于LED 光源优势的植物工厂光照策略探讨*刘文科,查凌雁,邵明杰(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室,北京 100081)|摘要| LED 是半导体固态电光源,具有节能、光效高、寿命长、响应快、环保、体积小和坚固耐用等众多传统光源无法比拟的光电优势,更兼具按需调制光谱、智能控制和冷光源等在植物工厂应用中的独特优势,被誉为人工光植物工厂的理想光源。
LED 光源所提供的光环境(光质和光强及其持续时长)及其时间转换智能可控的特性赋予了LED 在植物工厂中应用的诱人潜力和广阔前景。
因此,LED 光源植物工厂具备调控智慧生产光环境的能力,通常可以在纳米波长光质、PPFD 基本单位光强和分钟尺度时长等方面对光环境进行管控,也可实现内涵丰富的连续光照、间歇光照和交替光照等特殊光照模式及其集成应用。
对植物工厂光照策略的制定,应针对各种植物种类及品种构建出集成了多种光照模式的光照策略,实现提高植物生产力和植物工厂生产效率的光调控目标。
因此,应加强对各种光照模式植物生理效应和能耗的研究和评价,筛选出基于植物种类或品种的适宜集成机制,以获得高效节能的植物工厂光照策略。
DOI: 10.16815/ki.11-5436/s.2020.13.010人工光植物工厂是设施园艺发展的必然趋势和高级阶段,是一种颠覆性的土地利用方式和农作方式,可以通过替代或补充传统设施园艺生产方式实现我国设施园艺科技和产业的跨越式发展,并解决当前我国设施园艺以简易设施(日光温室和塑料大棚)、土壤栽培和设施内被动式环控为特征的生产方式中的诸多的资源、环境和生产效率问题,也是实现21世纪农业可持续发展和食物安全保障的有效途径[1]。
光照是植物赖以生存的关键环境因子,光照通过光合作用提供能量和环境信号调控植物的生长发育和产量品质[2]。
光照不仅有光强、光周期和照射时长等数量属性,也有光谱能量分布(光质)和昼夜节律等质量属性,这些属性都决定着电能投入量。
LED与太阳能光伏结合在人工光植物工厂的应用
人工光植物工厂是在密闭环境下以人工光和营养液栽培为核心,采用在线检测和智能控制技术,进行作物高效生产的系统。
植物工厂环境稳定性强,可以实现光、温、水、气、肥的精确控制,不占用农用耕地,产品安全无污染,单位面积产量可达露地栽培的几十倍甚至上百倍,因此被认为是21世纪解决人口、资源、环境问题的重要途径,也是未来航天工程、月球和其他星际探索过程中实现食物自给的重要手段。
但是,能耗问题一直制约着植物工厂的大规模推广应用。
人工光植物工厂中的电能消耗成本通常约占总体运行成本的50%~60%,主要包括人工光源、空调、风机、加湿器、控制装置等设备的耗能用电,其中人工光源是密闭式植物工厂耗能的重点。
日本学者研究表明,在密闭式植物苗工厂中,人工光源(荧光灯)耗电量约占总耗电量的82%,空调制冷耗电量约占15%,其他占3%(Kozal Tetal.,2004)。
降低人工光源耗电量不仅可以有效降低密闭式植物工厂的运行成本,而且还能加速植物工程的普及应用。
近年来,国内外学者都将人工光源的节能降耗作为植物工厂的研究热点,主要有两个解决途径:一是选用耗能低、效率高的新型节能光源:二是寻求常规电能的替代能源。
节能光源LED与太阳能光伏发电技术结合,将成为密闭式植物工厂研究与发展的一个重要方向。
1 LED对电源的需求及其-9太阳能光伏结合的可行性。
1.1LED对电源的需求
LED光源是一个电光转换系统,其电光转换过程从供电部分开始,依次包括原始电源、电源管理与变换、传感与控制、驱动器等部分。
原始电源是LEDT作的必要条件。
LED是一种电流驱动的低电压单向导电器件,为保证LED正常工作,必须满足LED的基本工作条件:低压直流电、单个LED灯珠的门限电E1 5 V~3 5 V、正向电流20 mA。
单个LED不能满足植物对光照度的要求,需要对多个LED进行串、并联,并将供电电压控制在6 V~24 V之间。
为避免LED的驱动电流超过最大允许电流,影Ⅱ自其可靠性,同时也为了获得预期的光照度,保证各个LED亮度和色度的一致性,需要采用恒定电流驱动方式。
驱动LED需要低压直流电,而目前的市政供电均为 200 V或380 v交流电源。
因此,LED供电需先将交流电通过逆变器转换成直流电,再通过降压器将电压降到适宜的低压才能使用。
目前,LED光源系统的原始电源均为市政220 V交流电,通过逆变器和降压器将原始电源转换成24 V直流电。
在逆变过程中,电能的损失率为10%~20%,如果再加上线路本身的损失,电能利用率将大大降低。
为最大限度地提高LED的节能效率,寻求与 LED匹配的驱动电能也日益受到广泛关注。
1.2太阳能光伏发电
独立太阳能光伏发电系统(PhotovoItaic Powe r Gene ratmq System,简称PV系统)主要由太阳能电池组件、蓄电池组、控制器和直流负载等部件组成,如图1。
太阳能光伏发电的核心部件是太阳能电池,太阳能电池单体的工作电压为0 45 V~0 5 V,工作电流为20 mA/cm2一25 mA/cm2,一般不能单独作为电源使用。
经过电池单体的串、并联而成的太阳能电池组件就足以满足负载所要求的输入功率。
太阳能电池输出的直流电能,一部分可以直接供给对应的负载,另一部分则可储存在蓄电池组里,以备阴雨天或其他特殊情况下使用,控制器使整个系统的能量传输始终处于最佳匹配状态。
1.3LED与太阳能光伏结合的可行性
太阳能光伏发电通过半导体材料将光能转换为电能,LED照明则通过半导体材料将电能转换为可见光来实现照明,二者都通过半导体材料来实现能量的转换。
太阳能电池输出直流电,而LED需要直流驱动,光伏输出的直流电无需经过逆变,直接供给LED,不会产生逆变过程中的能耗损失。
蓄电池和控制器使得光伏系统的直流电输出更具有稳定性,能更好地满足LED的需求。
这些特性使太阳能光伏发电和半导体照明可以更好地结合,尤其在无
动力能源地区,有望实现无需架设电缆的电能自给。
节能和清洁能源的利用是世界各国的发展趋势,太阳能是取之不尽的清洁能源,LED作为新型节能光源,与太阳能光伏的结合是可行的,也是今后 LED发展的重点趋势和方向之一。
2 LED与太阳能光伏结合的设计思路
太阳能光伏发电系统(PV系统)的设计思路:先根据负载所需电量并结合当地的气候条件计算出太阳能电池容量,然后确定蓄电池容量,并选取当地太阳能电池方阵的最佳倾角,最后根据系统性能要求选配控制器。
在设计太阳能光伏发电系统的过程中,涉及的因素很多,如太阳能辐射强度、气候、安装地点等,系统的相关技术条件又涉及到负载性质、蓄电池的容量、太阳辐射强度、太阳能方阵倾角和强度因子等。
太阳能电池的选择要符合负载的电压和功率需求,太阳能电池的输出电压可以通过串联得以实现,功率要求可以通过电池阵列的并联满足。
另外,对太阳能电池板的安装也有一定要求,应保证尽可能多地接收到太阳辐射,从而确定电池方阵的最佳倾角。
不仅如此,蓄电池的输出电压必须与光源系统的电压和电流相匹配。
在日照不足或者连续阴雨天的情况下,蓄电池还必须能保证系统的正常运行。
整套光伏发电系统为LED光源提供驱动电源,各项输出指标必须与LED的工作条件相匹配。
与普通照明用灯不同,植物工厂栽培植物所需的LED光源都需每天连续运行数小时,具体时数根据栽培植物而定,这些对蓄电池也提出了更高的要求。
3 LED与光伏发电系统结合在植物工厂的应用
以栽培架单元为试验对象,配置200 W的LED光源。
太阳能光伏系统需要为人工光植物工厂200 W的LED光源供电,且光源输入电压为24 V,恒定电流控制在20 mA,保证LED 每天运行1 2 h,通过对太阳能电池组件的串、并联和24V蓄电池稳定电压电流给LED光源供电。
在满足负载用电量需要的前提下,系统设计应结合植物生长生产的需求,合理配置系统额定功率和蓄电池容量。
LED光源的功率和电压要求确定后,结合北京地区的太阳辐射条件,即可确定太阳能电池功率。
北京地区的年日照时数为3000 h~3200 h,辐射量为586 kJ/(cm2·a)~670 KJ /(cm2·a),平均每日峰值日照时数(方阵能够接收的)为5 h,属我国太阳能资源较丰富的地区。
因此,选用STl60 24/AC型单晶硅太阳能电池组件,每块电池组件峰值功率为160 W,接受太阳辐射的面积约为1.2 m2。
单晶硅电池板与LED光源功率的匹配系数为27.8 W/m2,电池的平均转换效率在14.5%以上,能保证25年使用寿命。
经过计算,6块太阳能电池板即可满足植物工厂200 W的LED光源每天照射1 2 h。
植物工厂LED光源的全年负载稳定,可采用固定式光伏方阵。
倾斜角的大小对能接受到的太阳辐射量影响很大。
因此,电池方阵的最佳倾角设计为45。
,电池方阵朝南放置安装在植物工厂西侧。
蓄电池采用阀控式密封免维护铅酸蓄电池6-GFM200,蓄电池衰减率为80%,最大放电深度为80%,可保证200 w的LED光源装置在阴天或者雨天缺乏足够阳光照射的情况下正常运行2天,且每天运行1 2 h。
通过串并联使得输出电压为24 V,符合LED的要求。
选用太阳能光伏电源专用EPIP-40智能通用型控制器,控制器具有过压、过流、短路、反接等全保护功能,具有TVS防雷保护,并且过压、过流、短路保护均在LCD上具有告警指示。
LED光源选用中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所自主研发的LED平面板光源系统。
该光源系统由波长660 nm的红光LED和450 nm的蓝光LED交叉均匀分布组成,可以根据试验需要调节不同红蓝光比、光强、光周期以及灯板距离作物的高度。
试验中将其置于作物顶部20 cm处,使其尽量近距离照射植物,减少不必要的光能损失,如图3。
植物工厂通过计算机对植物生育过程的温度、湿度、CO,浓度以及营养液循环等环境条件进行自
动调节和监控。
试验采用DFT(深液流水培技术)水耕栽培方式培育叶用莴苣,试验过程中各项环境指标为:
◎昼温(25±1)℃、夜温(15±1)℃:
◎湿度60%一80%:
◎C02浓度(1500±30)u mol/mol;
◎营养液pH为6 5±0 1、EC为(1 3±0 1)mS/cm,每小时循
环供液1 0 mln。
4结论与讨论
LED节能光源需要直流电驱动,太阳能光伏系统能够提供与LED需求相适应的直流电,LED与太阳能光伏结合在人工光植物工厂的应用是完全可行的。
将节能光源 LED与太阳能光伏发电系统相结合,有望减少植物工厂对常规能源的依附,实现人工光植物工厂在非可耕地和非动力源区的高效生产。
随着植物工厂的逐渐普及,LED与太阳能光伏结合在植物工厂的应用必将是个重要的发展方向。
太阳能光伏发电系统的寿命为20年~30年,使用过程中无需投入。
随着半导体技术的日渐成熟,太阳能电池和LED成本的降低,以及系统选型和匹配的进一步完善,系统成本必然会逐渐降低。
国家大力提倡使用太阳能等清洁能源也会是太阳能光伏发展的巨大推动力,LED与太阳能光伏结合在植物工厂的应用具有十分广阔的前景。