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(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2017-08-28

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企業(yè)在評(píng)估園藝照明的光源時(shí)，會(huì)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(zhǎng)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(guò)來(lái)影響受控植物生長(zhǎng)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(zhǎng)的效力對(duì)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(chǎng)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?xún)?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(zhǎng)在400-700nm的可見(jiàn)光進(jìn)行光合作用（圖2），因此，此區(qū)段通常也被稱(chēng)為光合成有效輻射(PAR)。光合光子通量（PPF）測(cè)量照明系統(tǒng)每秒產(chǎn)生的PAR總量。測(cè)量時(shí)，使用積分球，用于捕獲并測(cè)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(duì)光合有效輻射（PAR）的平均響應(yīng)

光合光子通量密度（PPFD）測(cè)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(jiàn)光波長(zhǎng)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(cè)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(jiàn)方法

接下來(lái)，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(lái)不是專(zhuān)門(mén)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(chē)庫(kù)。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(kāi)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(guò)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(zhǎng)（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(duì)較高，限制了向LED燈的過(guò)渡。

LED芯片制造商在過(guò)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(huì)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(guò)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(jiàn)的誤解。許多種植者認(rèn)為L(zhǎng)ED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(lái)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(lái)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(guò)向上對(duì)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(méi)有通過(guò)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(lái)散熱。用于冷卻燈具的風(fēng)扇會(huì)消耗能量，并會(huì)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(huì)過(guò)熱并燒壞。即使它們沒(méi)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(zhǎng)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(lái)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(zhǎng)下本身并沒(méi)有生長(zhǎng)。因此，在優(yōu)化植物生長(zhǎng)和發(fā)育方面，單一的紅色LED不會(huì)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(chǎng)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(huì)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。