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      LED植物燈光譜儀參數詳解

      一、光的應用分類

       

      視覺應用:應用于照明,物理單位是以平均人眼的視效函數對光譜輻射功率加權得到的光通量為主要參數。

       

      非視覺應用:以動物、植物、醫療、微生物、識別、數據傳送等應用,物理單位是輻射功率或者光量子數。

       

      二、光子的能量

       

      LED發光是能量的轉換現象,電子與空穴復合時多余的能量會發光,產生光子,波長越短,產生光子的能量越高,光子是光傳遞能量過程中的*小單位,植物光合作用吸收的是這種帶能量的光子,光合作用是在光子能量包驅動進行,而不是一般的光能量作用,這就是植物光合作用需要光子去表達的原因。

       


       

      單個光子的能量在波長400nm與波長700nm的能量比是1.75,也就是說,藍光比紅光能量大 1.75 倍。

       

       

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      相同輻射功率下,產生光子的數量隨著波長的增大而增加,如上圖所示。

       

      光合作用是由光子通量產生,是攜帶能量的光子在酶的作用下分解CO2與H2O后產生新的分子的過程,但不是所有被植物吸收的光子產生相同的光合作用,需要用能量傳遞的角度理解光合作用,用“光餐"來理解光子與植物的關系

       

      光合有效輻射的光子數量采用兩種度量單位:光合光子通量(PPF),其波長范圍從400到700 nm,二是產生的光子通量(YPF),其波長范圍可以根據植物的光合響應下確定波長范圍。

       

      三、植物燈的參數與單位

       

      摩爾量(mol):在描述物質構成的基本單位如分子、離子、光量子等的時候,通常采用摩爾量表示,摩爾量是由6.022EXP(23)個物質的基本粒子構成一個基本量,單位是:摩爾(mol),在植物光合作用里光子的數量也是采用摩爾量表示,一個光子摩爾(mol)里包含有6.022EXP(23)個光子,由于在植物光合里摩爾的單位大,許多參數采用微摩爾表示。

       

      1 摩爾(mol) = 1000000微摩爾(umol)。

       

      1 微摩爾(umol)包含有6千萬個億的光子。

       

      PAR:光合有效輻射(Photosynthetic Active Radiation)

       

      植物用于光合作用的特定波長范圍(400-700nm)的輻射稱作光合有效輻射,標注單位有兩種,一是用光合輻照度表示(w/m2),主要用于太陽光的光合作用的廣義研究,二是用光合光子通量密度PPFD表示(umol/m2s),主要用于人造光源和太陽光對植物光合作用的研究,采用每秒輻射到植物表面的光子流量的這個方法表示輻射源的輻射能力,稱為PPF PAR法。(注:m2表示平方米)

       

      PAR約占太陽總輻射的50%,需要注意的是,光合輻照度這個單位體現不出波長的影響。

       

      PPF:光合光子通量(Photosynthetic Photon Flux)

       

      是指波長在400-700nm波段里,人造光源每秒輻射出光子的微摩爾數量,單位umol/s。

       

      PPFD:光合光子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density)

       

      與PPF相對應的是每平方米每秒光源輻射出的微摩爾數量,單位umol/m2s ,是密度的概念。

       

      PPFD是表示在一平方米范圍里的PPF。

       

      PPFD是個與輻射距離相關的物理量,與照射距離的平方成反比。

       

      1 PPFD 表示每秒1微摩爾的光子數量輻射在1平方米的表面。

       

      1umol/m2s(PPFD)有多大呢,它表示10平方納米里有6個光子。

       

      YPF:產生的光子通量(Yield Photon Flux)

       

      是指在人造光源所發出的波長范圍里,每秒輻射出的光子微摩爾數量,單位umol/s。通常認為的波段是360-760nm,對于LED光源,波長范圍設定為380-800nm。

       

      YPFD:產生的光子通量密度(Yield Photon Flux Density)

       

      與YPF相對應的是每平方米每秒輻射的微摩爾數,單位umol/m2s ,是密度的概念。

       

      YPFD是表示在一平方米范圍里的YPF。

       

      YPFD是個與輻射距離相關的物理量,與照射的距離的平方成反比。

       

      YPFD更能準確的表達LED植物燈光質的光量。

       

      對于紅光藍光譜,YPF=PPF,其他光譜PPF<YPF。

       

      PAR與PPFD的區別,PAR是個物理概念,而PPFD的這個物理概念的單位。

       

      PPFD與PPF的關系:PPFD是由種植工藝參數得出的基本量,PPF是燈具制造的主要參數。

       

      為了清晰了解輻射、照明、植物光合作用的三個概念,我們制作了下面的表格。

       

      人造光源的輻射、照明、植物光合作用這三個概念對比表:

       

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      注:m2表示平方米

       

      四、不同光源與燈具之間定量分析參數

       

      對于不同的人造光源,采用下面的指標可以比較他們之間的光譜參數性能,這些參數也可以比較同種光源相同光譜形態下不同廠家的光譜參數性能,通常,這些值越大越好,但是,數值大并不意味著種植效率高,需要具備專業技能的專業評估。

       

      PPF/w:表示每耗電一瓦所產生的PPF。

       

      PPFD/w:表示每耗電一瓦所產生的PPFD。

       

      YPF/w:表示每耗電一瓦所產生的YPF。

       

      YPFD/w:表示每耗電一瓦所產生的YPFD。

       

      以上這些值大小與光譜形態(光質)有關,如果把這些值再除以植物燈的價格,那就可以比較植物燈價格高低,這些值的有效性需要通過第三方獨立的專業分析才可靠。

       

      通常,農用鈉燈*大到 2.2 PPF/w,LED光源,*大2.1 PPF/w

       

      五、光質、光量、光周期

       

      光質LQ(Light Quality),是在一定的波長范圍內的光譜形態,無單位。

       

      光量LI(Light Intensity),是表示光質所能輻射的光子數量,既可以用光子流量表示,也可以用光子密度表示,單位:PPF(YPF)或者PPFD(YPFD)。

       

      光周期PP(Photo Period),表示在一個自然日內,植物燈開燈的時間總和,單位:小時

       

      六、植物每天需要的輻射量(重要概念)

       

      許多人熱衷研究植物輻射的補償點和飽和點來推算植物燈應該使用多大的PPFD,從補償點到飽和點的范圍較大(如下圖所示),在這個范圍的選擇植物燈的光量具有人為的隨機性,補償點與飽和點只是定性分析,量化過程一定要考慮其他環境因素,不可以機械的理解,用“光餐"解釋植物補光可能更為恰當,在我們的種植工藝專家系統里,我們給出的是植物每天每平方米合理需要的輻射量,這個量值關系到種植成本與種植品質,我們的這個參數是參考農業科學長期研究的種植工藝參數DLI,具有理論依據。

       

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      日光合量DLA(Daily light amount):指人造光源在光周期下每天每平方米的PPFD所產生的光子的摩爾數量,單位:mol/m2d。

       

      由于植物燈的光量在光周期下是恒定的,DLA=0.0036*PPFD*PP。PP-光周期單位:小時。

       

      DLA是種植工藝參數,植物工廠的植物種植所需要的PPFD就是用DLA計算出來的。

       

      聲明:DLA由好亮固體光源研究所許東定義。

       

      日光積分量DLI(Daily light integral):指太陽光有效輻射下每天每平方米的光合作用積分量,單位:mol/m2d。

       

      DLI在傳統種植中是一個重要光合量參數,是長期農業科學研究的技術參數,具有普遍的種植指導意義,在太陽光下,由于太陽光的光合輻照度(換算成PPFD)隨時間與天氣在不斷變化,這個變化會出現跨度有時會在補償點與飽和點之間,所以,DLI需要按照積分的方法計算,初步的計算可以用平均PPFD與有效時間(小時)進行計算。

       

      在太陽光下按照平均值方法計算的DLI,DLI=0.0036*PPFD(平均)*有效時間。有效時間單位:小時。

       

      在室外種植中,DLI參數會受到飽和點的影響,在溫室大棚里,室內的DLI小于室外的DLI,溫室的DLI通常也會小于DLA,DLA參數的創立,科學的提供了溫室是否補光與補光量大小的理論依據,系統的建立人造光源的DLA數據庫,可以提供植物工廠應用的基礎數據體系,具有非常重要的意義,希望農業科研人員參與到這項工作中。

       

      DLA是植物工廠與溫室補光的種植工藝的主要參數,是植物燈設計的主要依據,DLA可以通過實驗數據或者通過DLI經過加權后初步得出,但需要實驗數據修正,DLA與DLI的關系是:DLA<DLI,如生菜種植的DLI為17,DLA為9-11。

       

      七、光源功率、PPF、PPFD、安裝高度的關系

       

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      圖中右側框是安裝高度(米)。從圖中可以看出,適當的安裝高度可以降低光源功率,減少系統能耗。

       

       

      對于同一PPF的光源,安裝高度與PPFD的關系是安裝高度增加,PPFD以2次方的速率下降。

       

      八、 LED植物燈的極限參數

       

      植物燈光譜形態確定后,對應于這種光譜形態的*高YPF或PPF就可以計算出來,這對評估LED植物燈的應用非常重要,也是LED植物燈與其他類型的植物燈性能比較的主要方法。

       

      以輻射效率40%為例:

       

      波長445nm,PPF/w = 1.538

       

      波長660nm,PPF/w = 2.19

       

      3000k白光,YPF/w = 1.99

       

      藍光+紅粉,YPF/w = 2.133

       

      紅藍光,PPF/w = 2.12

       

      目前的LED封裝技術批量供貨的*高輻射效率低于40%。

       

      目前LED植物燈的PPF/w值小于2,基本上在1.6-1.8之間。

       

      目前農用鈉燈的PPF/w 值2.0-2.2之間。

       

      通過以上的論述,我們清晰的看到,植物燈的參數是有明確概念的,需要清晰了解這些參數的物理定義與單位。

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