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设施园艺半导体照明相关的科学技术问题

2016-04-21 14:08
吃瓜天狼
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  设施园艺半导体照明亟待解决的技术问题

  综合分析设施园艺半导体照明技术研发现状,亟待解决的技术问题包括三个方面:

  (1)建立设施园艺各生产领域特定生物生长发育、优质高产所需的光照配方;(2)依据光照配方,制定农业生物光环境控制策略;(3)研发LED光源装置、灯具及计算机智能控制系统。

  1.光照配方与光环境控制策略

  光照配方是指以优质高产为目标,按照特定植物种类及品种生长发育各阶段所需的光质种类及其数量属性的参数集合。设施园艺各生产领域特定生物所适宜的光照配方是不同的,具有特殊性,需要逐一研究揭示。光环境控制策略是指以优质高产为目标,以设施园艺各生产系统所栽培特定植物种类及品种生长发育各阶段光照配方为基础通过计算机直接控制和切换光环境参数的时空管理方法策略。建立设施园艺光环境控制策略是非常必要的。比如,温室补光策略需要综合考虑自然光日变化参数、环境参数、作物光合生理参数、生长发育阶段和灯具属性,实施经济有效地补光方法,满足光强、光质和光周期需求,节能高效。光环境控制策略具有明显的时空特征,采用分段管理是设施园艺生产的优化选择,具有重要实践意义。譬如,园艺作物发芽期、苗期、营养生长期和生殖生长期光环境需求不同,组培植物的增殖阶段和生根阶段光环境需求不同,食用菌菌丝生长阶段和子实体生长阶段光环境需求不同。因此,基于LED半导体照明技术,设施园艺光环境的管理需要建立动态实时的控制策略,才能将光能、生物资源生产效率发挥到最高水平,避免盲目性无效光照造成的能源浪费。

  2.LED光源及灯具开发

  专用LED光源及灯具研发是设施园艺半导体照明的核心,最为迫切。LED光源及灯具研发需要遵循以下几个原则。

  (1)高光能利用率原则。制定合理光谱组分,最大程度增加LED光源的发光效率,减少光源与被照射生物距离,减少光损失,提高光能利用效率;(2)低成本原则。成本是决定设施园艺半导体照明产业化发展的重要因素,需深挖降低成本技术;(3)生态安全原则。在满足设施园艺作物光合生理需求基础上,适宜改进纯红蓝光谱组成,增加微量或少量绿光成为,增加视觉健康;(4)优先开发设施园艺高附加值农产品专用LED光源及灯具,有利于灯具销售,培育龙头企业。目前,市场上已经有的灯具类型包括灯泡、灯管、面板灯、筒灯、灯带、灯栅等。LED灯具设计关注的指标和性能包括光照的均匀性、光质组配的合理性、散热的可靠性、LED芯片功率的适宜性、发光面设计的有效性和感官舒适性。

  3.智能控制系统

  随着计算机技术、网络技术、通信技术、自动控制技术、总线技术、信号检测技术和微电子技术的迅速发展和相互渗透,半导体照明已进入了智能化控制的时代。农业照明更是如此,简单的开关控制已不能完成光环境复合调控的需求。实现照明控制系统智能化的主要目的有两个:一是可以提高照明系统的控制和管理水平,减少照明系统的维护与运行成本;二是可以节约能源,提高光效。一般而言,照明控制系统由传感器、控制电路、控制软件、控制PLC或计算机组成。农业半导体照明智能控制系统主要功能包括两个方面。其一,控制LED灯具的光质、光强和光周期;其二,控制灯具的空间位置和移动速率。

  结语

  设施园艺半导体照明相关科学技术问题的解决最终目标是为研发与产业化服务,为设施园艺生产实践服务。设施园艺半导体照明的目标:

  (1)节能,提高农业生物的光能利用效率;

  (2)优质高产,获得更高的生产效率和生物量,提高能源物质或健康有益物质;(3)稳产,削减光环境逆境;

  (4)视觉健康,不危害生产人员的视觉健康。

  当前,设施园艺半导体照明方兴未艾、发展如火如荼,但基于设施园艺生产的复杂性,设施园艺半导体照明在科学规律与技术研发方面尚有很长的路要走。但有理由相信,未来5-10年我国设施园艺半导体照明科学技术研发与应用将取得长足进步,也将极大地推进设施园艺半导体照明产业和学科发展。

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