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物照明是很火,但你真的懂吗?

坐飞机降落广州之前几分钟,经过佛山上空,天黑时往下看,会见到一个个光点“矩阵”。初始还很疑惑:那是干嘛的?后来才知道:是花农给花圃提供补充照明催长的……

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图:植物照明还不简单?挂个灯泡就好了嘛!科学家和设计师哭晕在厕所……

  其实,真心没那么简单。本期特约了佛山好亮固体光源研究所许东老师来为我们一一解析种植工艺和植物灯,两者到底有何关系?

  植物灯的设计依据是种植工艺,如生菜的日辐射量过大,会导致生理障碍性钙缺乏,也有可能会发生光抑制,合理的日光合量设定很重要。

  种植工艺包括:植物光合作用的日辐射量和种植周期的辐射总量、植物品种与种源以及是否LDP或SDP,种植方法与基质、种植环境与控制等。

  对于与种植紧密联系的植物灯光谱形态和日辐射量首先是由种植品种的种植工艺确定,好亮固体光源研究所的设计规范中,我们采用的是种植工艺专家系统,系统中的植物种植的日辐射量决定PPFD与光周期,PPFD决定PPF,PPF决定植物灯设计与工艺,PPFD决定灯具安装高度与数量,PPDF还决定通风量与二氧化碳的补充,这些参数都可以通过计算得出,通过辐射总量可以推算出种植成本。

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图:植物灯种植生菜

  这里可以看出,光谱形态与辐射量(光质)首先需要确定在什么环境下用什么方法来种植什么品种才能正确设计LED植物灯的光谱,植物种植工艺是把农业种植与工业控制紧密联系的内在因素,因此,植物灯的光谱设计依据只能来源于种植工艺要求。

  混合式的温室补光

  对于采用太阳光与补光灯结合方式的温室种植和混合式的植物工厂,准确的做法是需要做自然光的辐射场光谱分析,确定补光量,对于没有条件进行光谱分析的场地,可以测试照度值的平均值,把照度的平均值除以55,就可以得出太阳光下种植面的PPFD值,用这个值确定植物灯的补光量,这个简单方法对于项目规划和成本核算非常有用,混合式的温室补光可以减少或者不用绿光波段,是否需要绿光辐射补充需要通过测试太阳直射和散射光的绿光辐射量来决定。

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图:计算公式

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图:采用太阳光与补光灯结合方式的温室种植和混合式的植物工厂

完全人工环境下的光谱

  在完全人工环境下的种植,尽管红蓝波段的光照对叶菜类的种植有明显的效果,但水培蔬菜的口感仍然是提高蔬菜品质的关键,我们建议采用白光加红光的光谱,完全人工环境下的光谱设计,需要综合考虑二氧化碳浓度,通风量,环境温度,基质或营养液的控制,层架结构设计等因素,许多层架式立体种植为了增加种植层数,尽量降低营养液槽高度,这种方法会降低营养液的均衡性,影响光谱的吸收效率,完全人工环境下的光谱设计重要目标是种植的品质控制,只是完成植物生长过程的种植是没有市场竞争力的。

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图:完全采用人工光的植物工厂

  关于全光谱

  有些LED植物灯标称是全光谱,可能是想表述其光谱成分丰富,这里有一个关键的概念,那就是全光谱的“全”是如何定义的,是由谁来定义的,波长范围到底多宽才能称之为“全”?

  尽管太阳光的光谱是最全的,在研究太阳光照下植物光合作用的时候,PAR值也只是在400nm-700nm范围来描述,许多标称全光谱的LED植物灯加有UV和IR部分波段,但还是用PPFD表达参数,由于PPFD并不描述UV与IR的辐射量,这种全光谱植物灯的参数描述表现出低级错误。

  我们认为,植物灯的波长范围只是光谱吸收效率函数的定义域,而不是吸收效率函数的值域,光谱的吸收效率才是衡量光合作用效果的指标,把宽波段范围或者多波段的光谱称为全光谱,不能代表植物灯的有效性和兼容性,用全光谱表述植物灯不严谨,往往会误导种植者的应用;

  光谱的波长定义域范围的设定仍然与种植工艺相关,是种植工艺决定光谱设计的定义域,而不是基于光谱下的种植,植物灯与植物工厂是跨界产品,有些现象是工业人忙着研究种植,农业人忙着研究光谱,知识延伸只是为了沟通和理解,光谱设计的专业合作与专业分工更加有助于产业快速提升。

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图:太阳光光谱

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图:植物色素吸收光谱植物灯光谱研究的复杂性

  就LED光源来说,相同的PPFD值,光谱形态可以不同;相同的PPFD,二次光学设计需要的光源ppf值也不同;相同的ppf值,灯具的效率不同,PPFD值也不同;ppfd相同,光谱的形态没有做对,种植效率也不同……

  即便上面的条件相同,植物的种源不同,生长环境与基质不同,种植效果也不同。

  此外,相同的LED植物灯还受到二氧化碳浓度、通风量、温度控制等环境因素影响种植效果,在种植效率与品质符合种植工艺要求下,植物灯最需要制造工艺来保证能耗指标降到最低,这一点是非常重要的,光谱研究的复杂性表现出目前植物灯的多样性,由于目前没有评估标准,市场上的植物灯才百花齐放,百家争名。

  提升产业的最好方式——通过与专业技术合作

  植物灯涉及的技术范畴很广,属于跨界产品,无论资金多么雄厚,从开发成本考量,也难于集多学科人才为一体,企业需要从自身的条件出发,解决技术与成本问题,更重要的是解决产品售后技术支持问题,对于跨界产品,成熟的经验是走合作开发的道路;农业人研究好种植工艺,这个是植物灯与植物工厂成败的关键,工业人做好符合种植工艺要求的设备,这个影响种植成本与经济效益,专业合作才能推动人工环境可控的新型农业种植的快速发展;思路正确才有机遇。

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图:光辐射分布的计算分析图

  植物灯与照明灯不同,照明产品的应用对象是终端客户,可以用概念与前瞻去营销,而植物灯仅仅是农业种植的工具,是否有效果不是靠宣传可以描述的,需要实际应用才能检验,植物灯的应用是否能达到预期的效果,不仅是植物灯本身的问题,还关联其他技术因素很多,需要提供合理的技术解决方案,植物灯的营销属于技术支持为主要手段的产品营销,成功的案例往往体现的是成功的技术服务,在没有技术标准的现在,提供技术解决方案至关重要,企业需要认真面对。

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