農(nóng)業(yè)照明追捧LED背后的5大難題剖析

文章來源:恒光電器

發(fā)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(shù)的快速發(fā)展,，LED在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的應(yīng)用引起了廣泛的關(guān)注。就農(nóng)業(yè)照明的多學(xué)科性,、復(fù)雜性,、試驗難度、光選擇性與光譜加權(quán)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(nóng)業(yè)照明有著廣闊的應(yīng)用前景，有必要憑借農(nóng)業(yè)科學(xué)的研究進一步探索照明優(yōu)化條件,。

　　引言

　　地球上的絕大多數(shù)動物與植物的生長都離不開太陽光的照射,，但在不同區(qū)域和不同時間，太陽光的供應(yīng)是有限及有區(qū)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(yīng)運而生,。在LED技術(shù)之前,，主要依靠高壓鈉燈、熒光燈等光源進行,， led室內(nèi)照明,，然而這類傳統(tǒng)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(nèi)照明，使得人工補光的應(yīng)用發(fā)展緩慢,。

　　LED是近年來快速發(fā)展的照明技術(shù),。除了光效、壽命等方面較傳統(tǒng)光源具有很大優(yōu)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(yīng)用前景,。同時，近年來LED技術(shù)不斷完善,，光效等不斷提高,，價格快速下降，推動了LED用于農(nóng)業(yè)照明的實質(zhì)性進展,。但由于農(nóng)業(yè)照明涉及面的復(fù)雜性,，使得目前LED用于農(nóng)業(yè)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(yè)照明,，本文試圖在這些方面進行一些片面的闡述,。

　　一、農(nóng)業(yè)照明的多學(xué)科性

　　如果把植物照明與動物照明納入農(nóng)業(yè)照明范圍內(nèi),，則其所涉及的學(xué)科包括植物學(xué),、動物學(xué)、生物統(tǒng)計學(xué),、照明技術(shù),、控制技術(shù)等。前三者是生物學(xué)的領(lǐng)域,，后兩者是照明技術(shù)的領(lǐng)域,，學(xué)科跨度很寬，在這幾門學(xué)科中,，照明技術(shù)是技術(shù)手段,，而生物學(xué)領(lǐng)域的內(nèi)容是實驗過程與結(jié)果評判�,？傮w來說,，生物學(xué)領(lǐng)域的知識是進行農(nóng)業(yè)照明的最重要部分，但目前農(nóng)業(yè)照明主要指的是采用LED的照明技術(shù),，而LED的高度靈活性,，使得進行農(nóng)業(yè)照明過程中，作為主體的農(nóng)業(yè)或者生物領(lǐng)域的科學(xué)家,，需要照明學(xué)家的高度配合,，以實現(xiàn)各種動植物物種的最佳照明條件，同時照明學(xué)科在視覺領(lǐng)域的成功完善,，室外照明,，也是農(nóng)業(yè)照明值得借鑒的。因此,，農(nóng)業(yè)照明的學(xué)科與技術(shù)進步,，需要農(nóng)業(yè)及生物領(lǐng)域的科學(xué)家與照明領(lǐng)域的科學(xué)家密切配合。

　　二,、農(nóng)業(yè)照明的復(fù)雜性

　　作為1項與農(nóng)業(yè)相關(guān)的科學(xué)與技術(shù),，農(nóng)業(yè)照明繼承了農(nóng)業(yè)科學(xué)的復(fù)雜性特點，如前所述,，其中包括兩個方面：農(nóng)業(yè)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(huán)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(nóng)業(yè)照明研究時必須以生物統(tǒng)計學(xué)的方法進行研究。

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

　　以上兩個方面,，決定了農(nóng)業(yè)照明的復(fù)雜性,，盡管通過調(diào)控光的強度優(yōu)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(fù)雜化。

　　三,、農(nóng)業(yè)照明的試驗難度

　　農(nóng)業(yè)照明的復(fù)雜性決定了農(nóng)業(yè)照明研究的試驗難度,，體現(xiàn)在具體實驗上就是試驗的變數(shù)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(nóng)業(yè)條件如溫度,、濕度,、空氣、水分,、營養(yǎng)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(tǒng)計學(xué)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(yī)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(nóng)業(yè)照明研究的情況是：試驗樣本非常多、試驗時間跨度很長,，農(nóng)業(yè)照明成為了費時,、費力、費空間的研究,。舉 1個例子,，如果設(shè)置 3種光照條件變數(shù)，如光譜,、強度,、照射時間，每種變數(shù)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(shù)以及減少每種試驗變數(shù)的數(shù)量,，筆者在閱讀相關(guān)文獻時,， led質(zhì)量，照明資質(zhì)，常發(fā)現(xiàn)采用的光照條件僅僅在10種以內(nèi),，有可能出現(xiàn)所采用的試驗條件中,，沒有最優(yōu)的，因而不能搜尋出最佳結(jié)果,。

　　曾經(jīng)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(diào)試了153只LED燈具和8盞熒光燈,，644個樣本的標記。數(shù)據(jù)采集進行了7個月,，已完成了3批近20萬個數(shù)據(jù),，通過分析得到最佳光照條件。現(xiàn)場情況如圖1,、2,、3所示。

　　如圖 3中可見,， 113種不同的光環(huán)境組合環(huán)境中,，僅有2種試驗條件出現(xiàn)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(yōu)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(qū)別�,？梢韵胂�,，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(tǒng)光源進行補光也進行了大量的研究,，但由于傳統(tǒng)光源靈活性不夠,，很難實現(xiàn)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(xiàn)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(nóng)業(yè)照明的光選擇性與光譜加權(quán)性

　　農(nóng)業(yè)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(shù)的加權(quán)曲線，常被引用的曲線如圖4,、5所示,。

　　人眼視見函數(shù)的研究也是經(jīng)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(shù)被普遍采用,。但植物照明的加權(quán)函數(shù)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(zhì)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(quán)函數(shù)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(quán)函數(shù)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(zhuǎn)換,，并完成相應(yīng)的測試手段等。

　　動物的照明與植物類似,，也存在相應(yīng)的研究工作有待完成,。

　　五、評價指標的多樣性

　　照明學(xué)科中,，視覺科學(xué)是研究光作用于人眼的科學(xué),，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(nóng)業(yè)照明，關(guān)注的指標則更加復(fù)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(xiàn)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(fù)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(zhì)，蛋白質(zhì)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(fù)雜性,，更增加了農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)照明常與控制技術(shù)結(jié)合,，即通過控制技術(shù),，實現(xiàn)整個照明的完全控制。

　　六,、結(jié)語

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

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