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LED植物照明技术异军突起!不得不考虑的因素有哪些?

http://www.ledp.hc360.com2017年09月07日09:55 来源:华强LED网T|T

    慧聪LED屏网报道    

  企业在评估园艺照明的光源时,会面临多个考虑,包括:光强度、光谱、光分布均匀性、能源效率和灯具寿命。园艺照明系统可以将电能转换为用于植物生长发育、促进光合作用的光,而基于LED的光源可以为应用提供调谐频谱。

  然而,确定这种固态照明(SSL)系统的效率或效能是一个挑战。影响照明系统整体效率的因素有几个。本文讨论照明设备的设计将如何影响能源效率,以及能源效率如何反过来影响受控植物生长环境的整体盈利能力。

  事实上,园艺灯具将电能转换成可用光供植物生长的效力对受控环境农业(CEA)能否成功至关重要。图1为受控环境农业(CEA)的一个垂直农场范例。

  将照明解决方案安装在离农作物冠层几英寸以内是垂直农业应用的突破。与设计不佳的LED解决方案和其他照明技术(如HPS和荧光灯)相比,正确设计的LED解决方案可实现每平方英尺更高的产量。

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  园艺的相关指标

  植物主要利用波长在400-700nm的可见光进行光合作用(,因此,此区段通常也被称为光合成有效辐射(PAR)。光合光子通量(PPF)测量照明系统每秒产生的PAR总量。测量时,使用积分球,用于捕获并测量照明系统发射的几乎所有光子。PPF的单位为每秒每平方米光子的摩尔数(μmol/s)。

  光合光子通量密度(PPFD)测量到达植物冠层的PAR量。PPFD表示单位时间面积上在可见光波长范围的光量子数,单位為μmol/m2/s。PPFD也表示光量子的数量与光合作用间的相关性。

  最后,我们讨论光子功效。光子功效指园艺照明系统将电能转换为PAR光子的效率。如果光的PPF与输入功率都已知的情况,就可以轻松计算园艺照明系统的光子功效。给定PPF的单位为μmol/s,测量瓦特的单位是每秒焦耳(J/s),分子和分母中的秒数消除,得到的单位为μmol/J,这个单位就用于表示功效。这个数字越高,就表示照明系统将电能转换成PAR光子就越有效。

  园艺照明的常见方法

  接下来,我们要了解灯具设计的细微差别,以及园艺照明系统节能的原因。世界上最常用的园艺照明系统是基于高强度放电(HID)照明和高压钠灯(HPS)。高压钠灯本来不是专门设计用于种植植物的,是设计给轻轨和停车库。但是,现成可用性和高输出水平导致被广泛应用于园艺,原因是它们提供非常高的光强度,大部分发射的光在565-700nm范围内,这一有效的波段可以加速光合作用。

  使用高压钠灯进行园艺照明的一个缺点是产生大量的辐射热。高压钠灯的表面温度可以达到高于800°F的温度(约430℃),因此植物冠层和高压钠灯之间必须有足够的距离,以避免损坏植物组织。增加灯具的安装高度时,反平方定律开始起作用,这可以降低照明率。随着时间的推移,高压钠灯的能量效率增加,而双端HPS灯具的出现,能够实现1.7μmol/J的光子效能。

  转向LED

  我们回顾一下LED在园艺照明使用的过程。在2014年,效率最高的LED园艺照明系统与双端高压钠灯效率一样。与高压钠灯相比,LED的使用寿命长(L70≥50,000小时)令许多种植者转而使用LED。然而,与高压钠灯相比,LED园艺照明系统的成本相对较高,限制了向LED灯的过渡。

  LED芯片制造商在过去几年中已经提高了目前已有组件的功效,使得他们能够显著提高光子效能,并且每年都会持续改进。事实上,基于LED的园艺照明系统现在能够实现比双端高压钠灯大45%的光子效率。虽然单个组件的效率提高了LED园艺照明的效率,但它也只是LED超过高压钠灯技术的一个变量。

  LED系统热量

  谈到LED照明产生的热量时,有一个常见的误解。许多种植者认为LED比高压钠灯产生的热量更少,这在LED灯具以较低瓦数驱动时才是真的。如果有一个600WLED灯具和一个600W双端高压钠灯,从宏观角度来看,它们产生的热量在相同的大致范围内。

  LED和高压钠灯的主要区别在于这两个600W产生的PAR能量有多少,热量如何从灯具中散发的。来自高压纳气灯的大多数热量向下辐射到作物冠层,而LED的大部分热量是在部件与印刷电路板(PCB)的连接部位产生的,热量通常被传导到PCB,也可能是散热片,并通过向上对流去除。

  因此,LED作为园艺照明系统的主要优点之一是可以放置在植物附近而又可以让植物免于热辐射的损害。但是,假如热量没有通过适当的热管理系统从PCB中有效去除的话,则LED组件的寿命将明显缩减。

  在商业园艺环境中冷却照明系统有两种方法。被动冷却的灯具利用散热片从电路板散发热量,而主动冷却的灯具依靠风扇或水来散热。用于冷却灯具的风扇会消耗能量,并会降低灯具的整体光子效能。另外,如果在灯具运行期间风扇出现故障,PCB上的LED可能会过热并烧坏。即使它们没有发生灾难性的故障,降低的功率输出将大大降低LED灯具的使用寿命。这是种植者在比较园艺照明系统时需要考虑的一个非常重要的因素。

责任编辑:陈亚洁

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