選擇LED園藝照明系統(tǒng)時(shí)需考慮哪些因素,？如何實(shí)現(xiàn)能源效率？

文章來源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2017-08-28

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企業(yè)在評估園藝照明的光源時(shí),，會面臨多個(gè)考慮,，包括：光強(qiáng)度、光譜,、光分布均勻性,、能源效率和燈具壽命。園藝照明系統(tǒng)可以將電能轉(zhuǎn)換為用于植物生長發(fā)育,、促進(jìn)光合作用的光,，而基于LED的光源可以為應(yīng)用提供調(diào)諧頻譜。然而,，確定這種固態(tài)照明（SSL）系統(tǒng)的效率或效能是一個(gè)挑戰(zhàn),。影響照明系統(tǒng)整體效率的因素有幾個(gè)。本文討論照明設(shè)備的設(shè)計(jì)將如何影響能源效率,，以及能源效率如何反過來影響受控植物生長環(huán)境的整體盈利能力,。

事實(shí)上，園藝燈具將電能轉(zhuǎn)換成可用光供植物生長的效力對受控環(huán)境農(nóng)業(yè)（CEA）能否成功至關(guān)重要。圖1為受控環(huán)境農(nóng)業(yè)（CEA）的一個(gè)垂直農(nóng)場范例,。

圖1. 將照明解決方案安裝在離農(nóng)作物冠層幾英寸以內(nèi)是垂直農(nóng)業(yè)應(yīng)用的突破,。 與設(shè)計(jì)不佳的LED解決方案和其他照明技術(shù)（如HPS和熒光燈）相比，正確設(shè)計(jì)的LED解決方案可實(shí)現(xiàn)每平方英尺更高的產(chǎn)量,。

園藝的相關(guān)指標(biāo)

植物主要利用波長在400-700nm的可見光進(jìn)行光合作用（圖2）,，因此，此區(qū)段通常也被稱為光合成有效輻射(PAR),。光合光子通量（PPF）測量照明系統(tǒng)每秒產(chǎn)生的PAR總量,。測量時(shí)，使用積分球,，用于捕獲并測量照明系統(tǒng)發(fā)射的幾乎所有光子,。PPF的單位為每秒每平方米光子的摩爾數(shù)(μmol/s)。

圖2. 植物對光合有效輻射（PAR）的平均響應(yīng)

光合光子通量密度（PPFD）測量到達(dá)植物冠層的PAR量,。PPFD表示單位時(shí)間面積上在可見光波長范圍的光量子數(shù),單位為μmol/m2/s,。 PPFD 也表示光量子的數(shù)量與光合作用間的相關(guān)性。

最后,，我們討論光子功效。光子功效指園藝照明系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為PAR光子的效率,。如果光的PPF與輸入功率都已知的情況,，就可以輕松計(jì)算園藝照明系統(tǒng)的光子功效。給定PPF的單位為μmol/ s,，測量瓦特的單位是每秒焦耳（J/s）,，分子和分母中的秒數(shù)消除，恒光電器,照亮您的生活,，得到的單位為μmol/ J,，這個(gè)單位就用于表示功效。這個(gè)數(shù)字越高,，就表示照明系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換成PAR光子就越有效,。

園藝照明的常見方法

接下來，我們要了解燈具設(shè)計(jì)的細(xì)微差別,，以及園藝照明系統(tǒng)節(jié)能的原因,。世界上最常用的園藝照明系統(tǒng)是基于高強(qiáng)度放電（HID）照明和高壓鈉燈（HPS）。高壓鈉燈本來不是專門設(shè)計(jì)用于種植植物的,，行業(yè)資訊,，CE認(rèn)證，是設(shè)計(jì)給輕軌和停車庫,。但是,，現(xiàn)成可用性和高輸出水平導(dǎo)致被廣泛應(yīng)用于園藝，原因是它們提供非常高的光強(qiáng)度，行業(yè)資訊,，大部分發(fā)射的光在565-700 nm范圍內(nèi),，這一有效的波段可以加速光合作用。

使用高壓鈉燈進(jìn)行園藝照明的一個(gè)缺點(diǎn)是產(chǎn)生大量的輻射熱,。高壓鈉燈的表面溫度可以達(dá)到高于800°F的溫度（約430 ℃）,，照明資質(zhì)，因此植物冠層和高壓鈉燈之間必須有足夠的距離,，以避免損壞植物組織,。增加燈具的安裝高度時(shí)，反平方定律開始起作用,，這可以降低照明率,。隨著時(shí)間的推移，高壓鈉燈的能量效率增加,，而雙端HPS燈具的出現(xiàn),，能夠?qū)崿F(xiàn)1.7μmol/J的光子效能。

轉(zhuǎn)向LED

我們回顧一下LED在園藝照明使用的過程,。在2014年,，效率最高的LED園藝照明系統(tǒng)與雙端高壓鈉燈效率一樣。與高壓鈉燈相比,，LED的使用壽命長（L70≥50,000小時(shí)）令許多種植者轉(zhuǎn)而使用LED,。然而，道路照明,，與高壓鈉燈相比,，LED園藝照明系統(tǒng)的成本相對較高，限制了向LED燈的過渡,。

LED芯片制造商在過去幾年中已經(jīng)提高了目前已有組件的功效,，建筑照明，使得他們能夠顯著提高光子效能,，并且每年都會持續(xù)改進(jìn),。事實(shí)上，基于LED的園藝照明系統(tǒng)現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)比雙端高壓鈉燈大45％的光子效率,。雖然單個(gè)組件的效率提高了LED園藝照明的效率,，但它也只是LED超過高壓鈉燈技術(shù)的一個(gè)變量。

LED系統(tǒng)熱量

談到LED照明產(chǎn)生的熱量時(shí),，ROSH認(rèn)證,，有一個(gè)常見的誤解。許多種植者認(rèn)為LED比高壓鈉燈產(chǎn)生的熱量更少,，LED-T5一體化燈管,，這在LED燈具以較低瓦數(shù)驅(qū)動(dòng)時(shí)才是真的,。如果有一個(gè)600W LED燈具和一個(gè)600W雙端高壓鈉燈，從宏觀角度來看,，它們產(chǎn)生的熱量在相同的大致范圍內(nèi),。

LED和高壓鈉燈的主要區(qū)別在于這兩個(gè)600W產(chǎn)生的PAR能量有多少，熱量如何從燈具中散發(fā)的,。來自高壓納氣燈的大多數(shù)熱量向下輻射到作物冠層,，而LED的大部分熱量是在部件與印刷電路板（PCB）的連接部位產(chǎn)生的，熱量通常被傳導(dǎo)到PCB,，店鋪照明,，也可能是散熱片，并通過向上對流去除,。

因此,，辦公照明，LED作為園藝照明系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以放置在植物附近而又可以讓植物免于熱輻射的損害,。但是,，假如熱量沒有通過適當(dāng)?shù)臒峁芾硐到y(tǒng)從PCB中有效去除的話，則LED組件的壽命將明顯縮減,。

在商業(yè)園藝環(huán)境中冷卻照明系統(tǒng)有兩種方法,。被動(dòng)冷卻的燈具利用散熱片從電路板散發(fā)熱量，技術(shù)資訊,，而主動(dòng)冷卻的燈具依靠風(fēng)扇或水來散熱,。用于冷卻燈具的風(fēng)扇會消耗能量，并會降低燈具的整體光子效能,。另外，如果在燈具運(yùn)行期間風(fēng)扇出現(xiàn)故障,，PCB上的LED可能會過熱并燒壞,。即使它們沒有發(fā)生災(zāi)難性的故障，降低的功率輸出將大大降低LED燈具的使用壽命,。這是種植者在比較園藝照明系統(tǒng)時(shí)需要考慮的一個(gè)非常重要的因素,。

頻譜和功效

影響園藝照明系統(tǒng)光子功效的另一個(gè)重要因素是發(fā)光的光譜。用于園藝照明系統(tǒng)的最有效波長是紅色（660nm）和藍(lán)色（450nm）,。傳統(tǒng)的LED園藝照明技術(shù)主要使用紅色帶較小比例的藍(lán)色LED來實(shí)現(xiàn)最高的光子效能,。

雖然紅色LED具有最高的光子效能，但是植物在窄帶波長下本身并沒有生長,。因此,，在優(yōu)化植物生長和發(fā)育方面，單一的紅色LED不會產(chǎn)生最有效的光譜,。與補(bǔ)充溫室照明（圖3）相比,，在垂直農(nóng)場中使用單一源照明的情況尤其如此,。

圖3. 惡劣和骯臟的環(huán)境（如溫室）可能會迅速導(dǎo)致主動(dòng)冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而導(dǎo)致整個(gè)照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障,。除了提高能源效率之外,，被動(dòng)冷卻系統(tǒng)不需要容易斷裂和堵塞的運(yùn)動(dòng)部件。