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园艺种植新理念:独一无二的植物照明LED

启明星 2018-09-13 1344 149

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随着全球变暖的不断加剧,洪水、干旱持续不断,这些灾害正严重威胁着农业种植。民以食为天,需要食物以维持生存的人类将粮食和蔬菜种植到室内以保证粮食产量。因此,发明应用于室内农业的高效人工照明,弥补恶劣天气造成的作物歉,收成为人类前进道路上的又一研究课题。

  摘要:随着全球变暖的不断加剧,持续不断的洪水、干旱正严重威胁着农业种植。民以食为天,需要食物以维持生存的人类将粮食和蔬菜种植到室内以保证粮食产量。因此,发明应用于室内农业的高效人工照明,弥补恶劣天气造成的作物歉收,成为人类前进道路上的又一研究课题。

  光是控制植物生长、发育、光合作用、光形态发生和光周期的最重要的环境因素之一。在过去几十年中,无机肥料和农药的滥用导致农业生产环境遭到破坏,由此影响了全球农业生产力。因此,发展生态农业是保证农产品质量安全和生态环境健康的必然选择。基于这一趋势,室内植物栽培因其产量高、生产环境稳定以及不受恶劣天气条件影响等诸多优点而备受关注。

植物照明LED

  植物照明LED

  植物照明即灯具模仿太阳光对种植在室内的植物进行照明从而达到光合作用,进而帮助植物更好地生长。现代化农业不断快速发展,对植物照明的能耗以及需求日益严格。较为传统的植物照明光源主要包括金卤灯、高压钠灯等,然而高压钠灯产生的光谱不能真正补充植物照明所需光源;金卤灯成本又过高。相比之下,新兴的由稀土元素掺杂制备的无机植物照明LED具有质量和体积相对较小、能耗较低、寿命较长、亮度高、特定波长和易于脉冲驱动等优点,已成为室内农业中植物生长的新型人造光源,并且已广泛用于室内植物栽培,以促进植物光合作用,控制光形态反应,并增强植物化学物质的分泌。同时,植物照明LED的使用也标志着现有室内植物照明的巨大进步。

  植物照明LED主要包括磷光体转换器LED以及蓝色芯片上涂覆各种类型的红色磷光体的LED。通过对比,研究人员们发现后磷光体转换器LED需要例如量子点、磷光体等各种类型的颜色转换器,成本高。而通过在蓝色芯片上涂覆各种类型的红色磷光体而生产的LED更容易制造,且成本较低,光谱较为多样性。因此,市场上应用的这种植物照明LED多为这种复合材料,其最关键的部分是红色荧光粉,它决定了植物生长灯的性能,如光谱、发光效率和寿命。

  面临的问题与对策

  然而,现阶段植物照明LED发展并不完善,应用过程中常遇到多种问题。

  ① 装配模式问题

  对于通过在蓝色芯片上涂覆各种类型的红色磷光体而生产的LED,传统的装配模式是不合适的,因为有机封装剂很容易因为高温而发生而发生老化,导致发光性能差。

  现阶段,研究人员们利用玻璃荧光粉(PiG)技术解决上述困境。PiG材料是荧光粉和玻璃基质的复合物,通过相对低温烧结工艺(<1000°C)制备,这种复合物保持了玻璃基质的稳定性以及荧光粉的显著光学性质。PiG技术适用于植物照明LED需满足两个主要条件:一是拥有稳定且可调节的发射;二是可由蓝色或近紫外光有效激发。掺入合适稀土荧光粉的PiG可呈现出400-480 nm的蓝色发射以及650-750nm深红色和远红色发射,更好地匹配植物生长所需。

  ②LED过热的问题

  尽管LED比传统光源具有许多优点,但LED长时间使用会出现温度过高的情况,降低了植物照明LED的性能以及寿命。

  研究人员们于2011年证明了使用冷却系统的植物照明LED可以增加光合光子通量分布(PPF),增加LED灯的照明效率。

  ③植物照明LED光谱调节

  与传统光源相比,植物照明LED窄带发射且功耗低,因此在过去几年中被认为是植物栽培的最佳光源。植物照明LED需要能够进行真正光谱成分控制,使发射的波长与植物光感受器匹配,从而优化植物形态和组成。

  众所周知,远红光(650-750nm)接近叶绿素的吸收峰,在植物的光合作用中起关键作用。然而,植物光敏色素的吸收光谱不仅包括蓝色(~460 nm)和深红色光(~660 nm),还包括远红光(~730 nm)。换句话说,远红光在植物生长过程中也起着至关重要的作用,对植物有重要的阴影避免反应。例如:虽然绿色植物在只有深红色光(~660 nm)照射时正常生长,但植物在被深红色光和远红色光(~730 nm)照射时,植物会像被光阻挡一样响应另一个更高的植物,所以植物将更难以突破阴影,导致植物虽然长更高但生物量较少。因此,有效的LED植物照明解决方案应同时提供蓝色,深红色和远红色光谱范围,具有特定波长的光源可以有效提高室内植物栽培的效率。

  目前,研究人员们已经在研发带有蓝色、绿色以及红色LED的照明系统,用于研究植物的早期生长在基于LED的照明系统中,可以在不使用滤光器的情况下发射所需的光谱。

  结语

  目前,市场上需求的植物照明LED尤其需要475 ~ 510 nm以及650 ~ 800 nm波段发光的LED以弥补室内植物照明所需光源。植物照明LED已经成功运用于高架栽培中草药、蔬菜、花卉生产、幼苗培育、植物工厂等方面。未来的新农业必将利用植物照明LED优化农作物以及植物的照明系统,提升农产品的品质和产量。


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