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2835灯珠照明LED灯具必备的三大因素

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2835灯珠照明LED灯具必备的三大因素

发布日期:2017-08-15 作者:普朗克光电 点击:

在植物照明2835灯珠LED领域优势明显。随着植物照明快速发展,准确客观地评价照明产品以及现场照明环境越来越受到关注,有必要从两点出发考虑对植物照明的评价,一是植物健康生长需求,二是充分节能环保的照明。近年来,电光源技术在植物照明领域的应用越来越广泛,特别是LED2835灯珠以其光效高、发热低、体积小、寿命长等诸多优点,


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植物照明的关键因素


光是植物生长和发育最重要的环境因子之一,植物生长需要通过光合作用将光能转换为自身生长所需要的能量,不同的植物对光的需求是不同的,则所需选择的补光光源也各有差异,下面主要从光质、光密度和光均匀性3方面进行分析。


1.1 光质


2835灯珠研究表明,决定植物光合作用的叶绿素对蓝光LED和红光LED较为敏感,其峰值波长分别在450 nm和630 nm附近,同时其他颜色的光也显著影响植物的生长,如细菌叶绿素还需要来自紫外和红外的非可见光以对植物形态发生作用。

如图1所示,植物生长依赖体内多种叶绿素和其他色素的共同光合作用,McCree在1972年通过大量文献调研,基于22种植物,给出了植物相对量子效率曲线(RQE)在植物光度系统中,即图1中所示的常用光谱响应曲线 。事实上,针对不同植物,以及同一植物的不同生长期的吸收光谱,需要确定所选组合植物照明光源的光谱范围和峰值波长,植物照明的光谱可以通过实验室的测量获得,也可以对照明现场进行监测评价。


1.2 光密度


2835灯珠植物对光密度的要求有一个上限,即光饱和点,当光密度达到植物的光饱和点时,植物的光合作用达到顶峰,而当光密度继续增强超过植物的光饱和点后,植物的光合作用不但不会提高,反而会下降,植物自身便会产生光抑制现象。根据光密度对植物影响程度的不同可将植物分为喜光植物、耐荫植物、中性植物,这些植物都需要合适的光密度才能良好生长。光密度对应辐射照度或者光子通量密度(PPFD)。在植物照明的现场,可通过实时监测来评价其光密度是否符合植物生长需求。而在植物照明的设计时,则可以利用照明灯具的空间光强分布数据进行评价。


1.3 光均匀性


由于植物是不能移动的光合自养生物,而2835灯珠发光具有较强的方向性,且可能存在空间光色分布不均匀,若不针对植物生长环境中的光均匀性进行设计,就会使得光照系统中不同位置的植物接收到的光质和光强不同,从而容易形成同种植物在个体大小、生长速率和光合产量上的差异。因此,在进行光照系统设计时必须考虑光的均匀性,由所选光源的光色特性设置光源的排布。根据CSA(国家半导体照明工程研发及产业联盟标准)最近发布的《植物生长用 LED 平板灯性能要求》,植物照明产品光均匀性的评价包括辐射照度均匀性 和辐射光谱不一致性Uλ两个方面。



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植物照明的测量技术



在设计植物2835灯珠照明系统之前必须首先查阅某一特定植物所需要光的光质、光密度,在取得这些数据后对再进行光源的选择和光均匀性的设计,而这些都需要依赖精确的光源性能评价方法和设备。


2.1 植物照明的量值计量系统

如图2所示,植物与人眼对光谱的响应特性不同,人眼对光的感知在光度计量系统中表征,波长范围为380~780 nm,将光谱辐射量与人眼的光谱光视效率函数V(λ)加权积分以获取相应的量值,如式(1)计算光通量。(Φe,λ:光谱辐射通量;λ:波长;Km=683 lm/W;K:有效光合效率系数)


考虑到植物的2835灯珠光合作用主要是由于落到叶面上的光子数,因此过去常用光量子计量系统表征植物照明的性能,波长范围一般为400~700 nm,即光合有效辐射(PAR)区间。因为光量子能量与其波长成反比,所以在相同辐射能量下,光量子数与波长则成正比关系,可用图2中光谱响应曲线Q(λ)来表示,式(2)给出了植物光合通量(PPF)的计算公式。(N=6.02×1023;h=6.63×10-34 Js;c=3.00×108 m/s)


然而,根据植物对光质需求的分析,植物对光辐射敏感的区域实际为300~800nm,而且Q(λ)与植物对光的吸收曲线RQE还是有差距的,常用的光量子计量体系并不能很好地表征植物照明的性能。现在也有不少植物学家使用RQE即P(λ)作为波长敏感曲线的植物光合光度系统,其光合光通的计算方法如式(3)所示。


常用的光度系统中的其他参量,如光强I、光照E等,也可以按照上述光通量的方法类比到植物照明的计量体系中。


2.2 光谱测量对于植物照明的意义


2835灯珠在植物照明中,常使用光量子计或者光合光量子计,它们一般由滤色片和光敏元件组成,通过滤色片对光谱透过率的修正,使最终光敏器件对光辐射的响应与Q(λ)或其他波长敏感函数相匹配。这种光量子计使用很方便,但光谱的匹配实际很难做到完美匹配,甚至失匹配会相对严重,对测量精度影响非常大。更重要的是,如上所述,光量子计量系统本身的缺陷,常用光量子计并不能针对植物对照明光质的需求,客观分析植物照明的真正效果。


随着光谱测量技术的发展,基于光谱法的测量技术和设备也日趋成熟,并逐渐应用至植物照明检测领域。通过测量植物照明产品的光谱绝对值,并进行相应的换算即可实现辐射度系统、光度系统、光量子系统及植物光度系统四大计量系统间的量值转换。


图3所示为某植物生长灯的光谱图,该光谱法测量不仅不存在任何失匹配问题,而且可以在全光谱范围内对照明产品的光质、光密度及光均匀性各方面性能进行评价,测量精度较高,且操作智能便捷。但一般光谱测量都存在线性较差和杂散光影响等问题,从另外一方面限制了测试精度,也对测量设备提出新的要求。


2.3 植物照明现场的测量


对于一般精度要求的现场测量,需要体积小巧,测量速度快的测量仪器,据此可采用如图4所示的便携式光谱光合辐照度计。该设备采用了远方分光积分结合(SBCT)的专利技术,将积分法和光谱法相结合,通过对光谱测量绝对值的精确修正提升了光谱测量的线性。与光量子测量仪相比,其波长测量范围更宽,测量精度更高,植物测量的适用性更广,可广泛应用于植物工厂、无土栽培、温室等植物生长中光辐射的现场监控。


2835灯珠对于精度要求较高的现场测量,可采用如图5所示的高精度光谱光合辐照度计。该辐照度计采用了优质光栅和高性能阵列探测器,具有良好的线性动态范围(光度线性为±0.3%),同时通过引入先进的杂散光校正技术,**降低了杂散光对测量的影响(杂散光<0.01%),可用于校正便携式光谱光合照度计的测量结果,以保证便携式光谱光合辐照度计的测量准确度和长期稳定性。


为了方便实现四大计量系统的参数测量以及不同系统间的量值转换,光谱光合辐照度计还可配置智能分析软件,以准确获得辐照度Ee,光照度E,光量子密度Eq以及光合辐照度Ep等参数,如图6所示,在现场测量中快速地评价任意指定受照面的光照性能。2835灯珠


2.4 植物照明产品的实验室测量技术


在实际实验室测量中,评价单个植物照明产品的光色性能时,2835灯珠首先关注的是其光合辐射通量ФP、能量转化效率、以及灯具的光谱分布等,可将高精度光谱光合辐照度计的光纤连接到积分球系统对被测照明产品进行测量。


为实现照明系统良好的均匀性,则需要测量植物照明产品的空间光、色分布特性,以进行科学的光学设计。普通照明用的分布光度计测量的是照明产品的空间光强分布,受制于探测器获取的是光度量值,并不适用于2835灯珠植物照明。对于植物照明的测量,使用光谱光合辐照度计替代光度探头,组成空间分布光谱辐射计来进行空间光色分布的测量是比较好的方案,如图7所示。

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总结

植物生长照明系统的设计必须以光照对植物的影响为依据,配合全面而客观的照明产品性能评价方法,并针对不同的测试场合选择合适的评价设备,从而选择出合适的光源,确定好光源的数量及排布,以保证植物的健康快速成长。2835灯珠


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