靳肖林;文尚胜;马丙戌;付萌;蔡明兴;左欣;康丽娟
【摘 要】针对现有植物灯均匀度差的问题,通过在R(红)、G(绿)、B(蓝)三LED芯片上加装导光管和光纤透镜,实现了高均匀度的出光效果,通过调节导光管和光纤的尺寸获得了达90％的混、光谱以及光量子通量密度(PPFD)的均匀性.进一步对光源的热学性能进行表征发现光纤透镜的增加有利于减少光源正面的热量,并且基于光量子学照明参数对该灯的均匀度进行评价,并进一步提出有效光能利用率来更加科学的表征光源性能.结果表明,混均匀性与PPFD均匀性可达90％,有效光能利用率可达到43％.进一步将该灯用于鲜切玫瑰花保鲜,并通过脉冲宽度调制技术(PWM)实现了光谱的动态可调,通过对玫瑰花鲜重日失重率以及抗氧化物质如黄酮素等物质含量变化的测量,探究鲜切玫瑰花保鲜的最佳光照条件.实验结果表明,最有利于鲜切玫瑰保鲜的光质条件和光照周期为R+G、6 h/24 h. 【期刊名称】《发光学报》
【年(卷),期】2018(039)010
【总页数】12页(P1466-1477)
【关键词】自动跟踪植物光源;现代农业;LED;光学设计;玫瑰花保鲜
【作 者】靳肖林;文尚胜;马丙戌;付萌;蔡明兴;左欣;康丽娟
【作者单位】华南理工大学 材料科学与工程学院, 广东 广州 510640;华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室,广东 广州 510640;华南理工大学 材料科学与工程学院, 广东 广州 510640;华南理工大学 材料科学与工程学院, 广东 广州 510640;华南理工大学 材料科学与工程学院, 广东 广州 510640;华南理工大学 材料科学与工程学院, 广东 广州 510640;华南师范大学 美术学院, 广东 广州 510641
【正文语种】中 文
【中图分类】O432;O439
1 引 言
人口的急剧增加与耕地面积的日益减少为植物工厂的兴起提供了条件。植物工厂是利用高
科技打造的现代农业可持续发展的生产系统[1]，通过控制环境如温度、湿度、光照、无机物与有机物的配比来为植物生长提供必要的条件，从而达到缩短植物生长周期、提高生产效率的目的，是未来农业发展的方向。光照环境是植物生长的关键要素之一， 可以直接影响植物生长发育过程和化学物质积累[2-4]，近年来，荧光粉在LED植物照明材料及器件上的应用是一个研究热点[5-7]，张运杰[8]探究了硫化物体系、镓酸盐体系几种红荧光材料在植物照明LED上的应用，发现材料的发光光谱与植物光合作用光谱相匹配，表明荧光材料在LED照明领域有巨大潜能；此外，光照在植物保鲜方面应用也越加广泛[9]，这使得植物照明成为研究热点之一，相应地，开发性能优良的植物照明光源显得尤为重要。
LED作为最近几年兴起的第三代照明光源，在植物照明上具有三大优势。第一，植物进行光合作用吸收的光主要是波长为610～720 nm的红橙光以及波长为400～510 nm的蓝紫光，LED可以发出植物所需要的单光光谱[10-12]。在植物保鲜方面，刘然然[13]实验证明，绿光可以很好地保护植物叶绿素和维生素C不被破坏，保持植物的感官品质与营养成分，有效减缓植物衰老。阎瑞香[14]的研究表明，白光和绿光可以有效保持芦荟外观特质，防止蔬菜的褪绿黄化。第二，LED光谱具有可调性，可以根据不同植物在不同生长阶段对光的需求，调节LED的光质比，获得复合光谱[15]，实现精准给光。第三，LED体积小，节
能，光电转化效率高，可以紧凑排列，提高空间利用率。
玻璃纸包装但是现有的LED植物照明灯有一定的缺陷，如灯具中一般将红蓝灯珠进行阵列排布，但没有进行二次光学设计，由于光线没有足够的距离进行耦合，低光照均匀性会导致近距离受照面出现红蓝光斑，导致同一批次的植物的生长光环境不一，影响植物的均衡成长。针对这一缺陷，本文提出了一种新的灯具设计方案，在LED芯片上方加入导光管与光纤透镜的组合结构，通过调节导光管长度以及光纤透镜的直径获得最佳的光学结构，研究过程中使用SPIC-200 光谱彩照度计对光源进行表征，通过对光谱、光量子通量密度和度参量的测试，计算出混光、混以及光谱均匀度，从提高均匀性为出发点出最佳光学结构。进一步，为了更加有效科学地表征植物光源的照明效果，引入有效光能利用率这一新的评价指标，其核心思想是将用于植物生长的光能与光源发出的总的光能的比来表示灯具的光学设计从能源利用的角度来讲是否合理。最后研究所得的光源被进一步应用于玫瑰花的保鲜中，进一步验证灯具的先进性并为进一步的实地研究提供科学的参考依据。目前的保鲜实验只是关注单绿光或红蓝光对果蔬保鲜的影响，少有将光质可调的照明灯应用到植物保鲜领域。本文通过脉冲宽度调光技术(PWM调光技术)调节灯具的发光光谱，研究不同的光谱、光质比对于玫瑰花保鲜的影响。本文从光源的光、电、热性能入手对科学的植物照明 灯具进行了全面科学的研究，并进一步对于植物光源的评价指标提出创新性的评价理念和指标，并在最后针对光源对玫瑰花保鲜的问题从应用的层面做了进一步研究。
2 灯具设计定时点火装置
2.1 整灯模型介绍
如图1所示，灯具由散热片、RGB三COB LED芯片、导光管、玻璃光纤透镜构成。最终得到实际灯具及其照明效果如图2(a)所示，而市面上常见的借鉴了射灯结构的植物照明灯的照明效果如图2(b)所示，相比之下本研究提出的光源设计方案大幅度提高了光源的均匀度。在电源驱动方面，使用MPS3003S可调式直流稳压电源，结合脉冲宽度调制技术(Pulse-width modulation，PWM)[16-18]，实现光谱可控；此外，实验测量了灯具工作时的温度，从热学角度评价灯具的散热性能。
图1 整灯模型Fig.1 Whole lamp model
图2 植物灯对比图。(a)实验所用灯具；(b)传统LED植物照明灯。Fig.2 Comparison of plant lamps. (a)Plant light used in experiments. (b) Traditional LED plant light.
2.2 灯具设计分析
多LED可以不使用混光元件直接混合，但当混光距离过短时，会出现不同颜的亮斑和暗斑，如图3(a)所示；通常会在灯具结构中加入毛玻璃和扩散板等传统混光元件来增强混光效果，使光线充分混合均匀出射，但这类光学器件会使光束发散，如图3(b)，不利于光能被植物充分吸收利用。为解决这一问题，本研究提出使用导光管与光纤透镜，导光管和透镜可以在改善植物灯混光效果的同时约束光出射角，光线从cob芯片射出后，经过导光管和光纤透镜的反射和透射，可以小角度地准直出射，如图3(c)所示。
图3 多LED的混光模型图。(a)直接混光；(b)使用传统的混合元件；(c)使用导光管与光纤透镜。Fig.3 Mixed light model of multi-color LED. (a)Mixing directly. (b)Using conventional mixing elements. (c)Using light pipes and fiber optics.
3 研究参数
植物对光线感知能力强，在不同的光质与光强下植物的生理活动大不相同，这就要求植物照明灯应具有高的照度均匀度与混均匀度，以此为依据，本实验主要探究灯具均匀度。
目前评价灯具照明效果多用基于人眼视见函数的光度学量，如光通量Pv与光照度Ev，但因为人的眼睛和植物对光的敏感度在不同波长处达到峰值，所以光度学参数Pv、Ev等不再适用于评价植物照明灯，应使用更加符合植物照明的光量子学参数[19-20]来表征植物灯。光量子学中与光度学中的照度相对应、用来表征植物灯照明效果的参数是光量子通量密度(Photosynthetic photon flux density，PPFD)，即受照面单位时间内单位面积所接收到的光子数目，单位是μmol·m-1·s-1。在植物学领域，光合有效辐照度EPRA可表示为：
(1)
其中Ee(λ) 表示光谱辐照度，λ表示波长。
根据光子理论，光子能量公式为：
(2)
公式(1)和(2)结合可以得到照度与PPFD之间的换算公式，且因为光子数量级过大，所以采用摩尔单位计数，可得光量子通量密度计算公式:
(3)
其中，K代表PPFD，h表示普朗克常量，c表示光速，nA表示阿伏伽德罗常数。
3.1 光谱差异性
分析时，光谱差异性定义为样品点的RGB三光谱的差异，用ΔSRSGSB来表示，我们用公式(4)计算ΔSRSGSB：
ΔSRSGSB=
强制系统
(i=1,2,3…),
(4)学生枕
其中ΔSRSGSB表示光谱均方差，N表示样品点数目，SRi、SGi、SBi分别表示样品点红绿蓝三光谱值，SR、SG、SB分别表示样品点的红绿蓝三的绝对光谱值，SR、SG、SB越大表示光谱差异性越大。
由于公式(4)计算所得均方差较小，难以比较，通常我们用公式(5)来对光谱均方差进行归一化处理，用公式(5)表示光谱均匀性：
(5)
其中k是一个常数。 在本实验中，k的值设置为使光谱均匀度最大值等于90%。
3.2 混均匀性
植物对不同的光谱反应灵敏且响应差异性大，本实验使用RGB三光源进行三混光，混均匀性直接体现了光谱分布的均匀性，是本实验的重要测量参数之一。我们将混均匀度定义为CIE1976坐标的差异，用Δuv表示坐标差异性，使用公式(6)来计算坐标差异：
(6)
其中ui、vi是CIE 1976彩系统中测量点的坐标，N是受照面上的采样点数。 采样点的均方差值越小，颜坐标差异越小，即混均匀性越高。
公式(6)计算的均方差值通常较小，因此我们使用公式(7)对Δuv进行归一化处理，用Ucolor表示混均匀度：
光管
(7)
其中k是一个常数。 在本实验中，k的值设置为使混均匀度最大值等于90%。
3.3 PPFD均匀度
光照强度直接影响着植物光合作用与呼吸作用，为了使同一批植株均衡生长，植物灯必须实现均匀给光。为了衡量受照面光的强弱分布，探究植物灯能否实现均匀给光，我们测量了受照面上的PPFD并使用公式(8)计算其均匀性：
(8)
其中ΔK表示受照面的光量子通量密度均方差，均方差越小表示光强分布越均匀，和混均匀度类似，我们同样对ΔK进行归一化处理，使用α来表示PPFD均匀度：
(9)
其中k是一个常数。 在本实验中，k的值设置为使PPFD均匀度最大值等于90%。
3.4 有效光能利用率
对于大多数植物的光合作用[21]，如图4(a)曲线所示，A点被定义为光补偿点，B点被定义为光饱和点，只有植物所接收光照的PPFD大于A点对应的PPFD时，植物才能进行有效的光合作用，当光照PPFD达到B点对应的PPFD值时，植物光合作用才能达到最大速率。表1给出了一些植物光补偿点与光饱和点对应的PPFD值。
表1 植物光饱和点与光补偿点对应PPFDTab.1 PPFD of light saturation point and light compensation point
从表1中可以看出，大多数植物光补偿点对应的PPFD值为50 μmol·m-2·s-1左右，本次实验中将有效光能利用率定义为η。η计算方法如图4(b)所示，测量受照面PPFD最大值，当PPFD下降到最大值的5%时，标记做圆，测得圆半径为Rb，在受照面画出K=50 μmol·m-2·s-1时对应的圆，测得圆半径为Ra，η用公式(10)来计算：
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议