農業照明追捧LED背后的5大難題剖析

文章來源:恒光電器

發布時間:2015-10-15

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　　近年來，隨著紅光、藍光以及遠紅外大功率單色LED技術的快速發展，LED在農業照明領域的應用引起了廣泛的關注。就農業照明的多學科性、復雜性、試驗難度、光選擇性與光譜加權性以及評價指標的多樣性等核心問題進行了初步探討，并以鐵皮石斛補光等實驗作為實例進行了充分的討論。農業照明有著廣闊的應用前景，有必要憑借農業科學的研究進一步探索照明優化條件。

　　引言

　　地球上的絕大多數動物與植物的生長都離不開太陽光的照射，但在不同區域和不同時間，太陽光的供應是有限及有區別的，避開光照的周期，仍然有很多光照不足的情況，因而人工光源在動植物的生長中的補光應運而生。在LED技術之前，主要依靠高壓鈉燈、熒光燈等光源進行， led室內照明，然而這類傳統光源在光譜與能量上很不靈活，且由于動植物的多樣性，不同的物種對人工補光要求可能不同， led室內照明，使得人工補光的應用發展緩慢。

　　LED是近年來快速發展的照明技術。除了光效、壽命等方面較傳統光源具有很大優勢外，LED在光譜空間、時間、及尺度空間等的巨大靈活性，造就了 LED在動植物補光上巨大的應用前景。同時，近年來LED技術不斷完善，光效等不斷提高，價格快速下降，推動了LED用于農業照明的實質性進展。但由于農業照明涉及面的復雜性，使得目前LED用于農業照明總體上是處于不斷的試驗摸索階段，有很多理論問題與實踐問題尚未解決， led商業照明，本文試圖在這些方面進行一些片面的闡述。

　　一、農業照明的多學科性

　　如果把植物照明與動物照明納入農業照明范圍內，則其所涉及的學科包括植物學、動物學、生物統計學、照明技術、控制技術等。前三者是生物學的領域，后兩者是照明技術的領域，學科跨度很寬，在這幾門學科中，照明技術是技術手段，而生物學領域的內容是實驗過程與結果評判。總體來說，生物學領域的知識是進行農業照明的最重要部分，但目前農業照明主要指的是采用LED的照明技術，而LED的高度靈活性，使得進行農業照明過程中，作為主體的農業或者生物領域的科學家，需要照明學家的高度配合，以實現各種動植物物種的最佳照明條件，同時照明學科在視覺領域的成功完善，室外照明，也是農業照明值得借鑒的。因此，農業照明的學科與技術進步，需要農業及生物領域的科學家與照明領域的科學家密切配合。

　　二、農業照明的復雜性

　　作為1項與農業相關的科學與技術，農業照明繼承了農業科學的復雜性特點，如前所述，其中包括兩個方面：農業與照明。

　　前者研究的物種非常多，且每1個物種，影響的條件因素也非常多。如植物生長的幾個基本要素，陽光、空氣、水， LED置換工程，除此之外，種子、土壤、周邊環境如溫度、濕度、氣候的變化等，也影響植物的生長。而動物方面，由于是活動的，包括的因素更多，即使所有這些條件一致，各個動植物個體的生長情況也可能有差異，電工照明，這就決定了進行農業照明研究時必須以生物統計學的方法進行研究。

　　另外在照明方面，也存在多個變數，包括照明的光譜、強度、時間與周期、光形式（穩態還是脈沖）等。

　　以上兩個方面，決定了農業照明的復雜性，盡管通過調控光的強度優化動植物的生長，可以保持其他條件相同的情況下進行，LED照明工程，但可能存在的各種條件的相互影響將使研究問題更加復雜化。

　　三、農業照明的試驗難度

　　農業照明的復雜性決定了農業照明研究的試驗難度，體現在具體實驗上就是試驗的變數太多。盡管主要試驗光照的情況，通過研究不同的光照條件，如照射強度、光譜、照射時間、照射周期、照射方式等情況下動植物的生長情況，并期望固定其他農業條件如溫度、濕度、空氣、水分、營養成分、種子等。但是這兩類因素可能相互影響，因而在實際的實驗研究中，要考慮的試驗變化條件非常多，同時每個條件，出于生物統計學的考慮，國際資訊，也要具有一定的樣本。這就使得試驗條件多、樣本多，醫院led照明，再加上每個試驗條件需要一定的生長時間，最后造成農業照明研究的情況是：試驗樣本非常多、試驗時間跨度很長，農業照明成為了費時、費力、費空間的研究。舉 1個例子，如果設置 3種光照條件變數，如光譜、強度、照射時間，每種變數采用10個分立值，則可知共有1 000種條件，加上生物條件如果10種，那就是10000種情況，如果每種情況10個樣本，那就是100000個樣本，如果每個樣本要進行2個月，那么可以想象這個試驗的難度。因此實際的研究，被迫采用減少試驗變數以及減少每種試驗變數的數量，筆者在閱讀相關文獻時， led質量，照明資質，常發現采用的光照條件僅僅在10種以內，有可能出現所采用的試驗條件中，沒有最優的，因而不能搜尋出最佳結果。

　　曾經報道過的鐵皮石斛補光試驗，在1個大棚里共6條苗床(占地一畝)，安裝以及調試了153只LED燈具和8盞熒光燈，644個樣本的標記。數據采集進行了7個月，已完成了3批近20萬個數據，通過分析得到最佳光照條件。現場情況如圖1、2、3所示。

　　如圖 3中可見， 113種不同的光環境組合環境中，僅有2種試驗條件出現最佳的鐵皮石斛生長情況，且這兩種生長情況明顯比其余生長情況優越得多。而其余111種光照條件下，生長情況比熒光燈對照組及無光照組沒有太大的區別。可以想象，如果試驗10種或者20種條件，很可能沒法搜尋出最佳的光照條件。

　　在LED之前，綠色照明，對采用傳統光源進行補光也進行了大量的研究，但由于傳統光源靈活性不夠，很難實現多種光照條件，往往只能研究簡單的幾種光照條件，如前文所說的常采用10余種。因此，在LED很容易實現各種光照條件的情況下，重新詳細的研究并篩選最佳光照條件，有很大的實際意義。

　　四、農業照明的光選擇性與光譜加權性

　　農業照明普遍認為是有光譜選擇性的，這與視覺照明一樣，因而存在1個類似于視覺照明中的光譜視見函數的加權曲線，常被引用的曲線如圖4、5所示。

　　人眼視見函數的研究也是經過大量的試驗后得到的，由于各人種存在的差異較小，因而目前該視見函數被普遍采用。但植物照明的加權函數目前有的理論有限，較多的采用圖5的植物葉綠素光譜吸收率，且受到很多質疑。實際上，看看各種植物的葉面光譜反射率的不同，也很容易想象到，不同的植物的光合作用加權函數很可能不同，因而有大量的研究工作需要進行。完成各種植物的光合作用光譜加權函數之后，可以參照視覺照明建立“光通量”的概念，家用照明，即輻射通量到光合作用的物理量轉換，并完成相應的測試手段等。

　　動物的照明與植物類似，也存在相應的研究工作有待完成。

　　五、評價指標的多樣性

　　照明學科中，視覺科學是研究光作用于人眼的科學，主要評價指標是視覺的清楚與舒適，牽著包含照度、亮度等指標，裝修照明，后者是眩光、頻閃等指標。進入到農業照明，關注的指標則更加復雜，包括植物的生長、某些成分的含量等，進一步細化可以是植物的葉子面積、根莖、總高、顏色等，成分方面包括糖分、葉綠素等多個指標。實際上，除此之外還有很多其他的指標，如可以通過補光實現增加植物的生長，也可以反過來抑制某些東西的生長，這就會有另一類評價指標。

　　動物照明的評價指標同樣復雜多樣，如用于肉雞的生長補光照明，LED燈管，評價指標可以是雞的生長速度，也可以是肉質，蛋白質含量等，可以考慮雞的銷售觀感與死亡率等，甚至雞的啄羽情況等。

　　評價指標上的復雜性，更增加了農業照明的研究難度。值得一提的是，由于采用多個照明條件，且不同的生長階段可能需要不同的補光情況，因而農業照明常與控制技術結合，即通過控制技術，實現整個照明的完全控制。

　　六、結語

　　隨著LED技術的進步，性能的提高與價格的進一步下降，相信LED在農業照明上會具有很大的應用前景，但需要通過科學的研究，完成照明優化條件的探索，鑒于以上分析的農業照明的難度，需要農業科學家與照明科學家的密切配合完成。

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