温室半导体补光优势分析

光源优势分析白炽灯是创造长日照的普通光源，但电效率低，红与远红光比低不能提高茎伸长，正在逐渐被禁止销售使用。紧凑性荧光灯和HPS能效更高，具有较高的R:FR比。HPS有400W、600W和1000W三种类型。传统光源如HPS无法推出小功率产品，应用受到限制。1000W比较受欢迎，因为达到相同的光强需要的这种灯的数量少。温室补光实践中，减少灯的数量可有效降低因灯具反光罩遮挡自然光的程度。节能高效的调控自然光照需要智能控制系统，按照自然光的强弱变化调整人工光的数量。

比较而言，HPS的光电转换效率为30%，而白炽灯仅为6%，LED灯的光电转换效率为40%。其他电能转换为热能，加热温室环境温度。其实，用电加热是不经济的，而且在温和的天气条件下，高温反而对生产不利，需要开启风机等设备降温。HPS光谱中包括黄光、橙光和红光的复合光，需要加些蓝光才是更有效的光质。植物需要一定的蓝光以获得正常的植物发育和形态。另外，远红光对形态建成也很重要，需要调整红光、蓝光和远红光之间的比例。

LED灯或模组需要筛选光质，防水性能，结实紧凑，减少挡光面面积，散热方式包括水冷型LED、被动气体冷却LED、主动气体冷却型LED三类。LED散热一直是需认真解决的问题，HPS散热加温可温暖植物，增加呼吸作用。反过来，呼吸作用可降低叶片温度。

在2007年，在荷兰一些公司为温室工业引入专用LED模组，在2008-2009年，一些大规模LED照明试验在玫瑰、番茄、甜椒、黄瓜、药用植物上进行，试验结果不一，LEDs具有温室光周期调控和补光应用潜力，但有关园艺作物的研究相对较少，因价格昂贵问题其应用可能被局限在特殊植物生产领域（Runkle等，2011)。LED温室补光是非常有前景的技术，能有效缉获更佳的植物光合作用（红光LED比HPS高），通过LED特殊光质调制启动植物特殊反应或引导植物过程和平衡（Nederhoff,2010)。

补光技术分析

补光方式有顶部补光、行间补光、多层补光等形式。与传统光源相比，LED光源灯具大小、形状、功率设计自由变大，悬挂方式灵活，重量轻，衍生出多种补光技术模式，很好地适应了温室种植方式、作物种类、冠层形状多样的现实需求。

补光效益分析

植物生长光照技术进步很快，为温室补光提供了许多选择。Nelson和Bughee(2014)报道了2种双面HPS装置、5种mogul基HPS装置、10种LED装置、3种金属陶瓷灯和2种荧光灯的光合量子（400~700nm)效率和光量子辐射分布特征。2种最高效的LED和2种最高效的双面HPS装置几乎效率相同，在1. 66~1. 7μmol/J之间。这4种装置比常用的金属陶瓷灯1. 02μmol/J效率显著提高的效率。最好的金属陶瓷灯和荧光灯装置的效率分别为1. 46和0. 95μmol/J。

作者计算了装置发出每个光量子的初始投资成本，明确了LED装置成本是HPS装置的5~10倍。5年电费加上每摩尔光量子装置成本是LED装置高出2. 3倍。电费方面比较，分析结果表明，长期维护费用均很小。如果生产系统具有广泛的间隙空间，LED装置独特的作用就是可以有效集中光量子于特殊部位，让植物冠层捕获更多的光量子。但是分析表明，所有照明装置的光量子辐射成本都很高。最低的光照系统成本只有在高效发光装置与有效冠层光量子俘获相结合时才能实现。

照明技术和灯具（fixture)效率装置的进步为温室补光提供了许多选择，包括许多LED灯具。在高强度气体放电灯（HID)【包括高压钠灯（HPS)和陶瓷金卤灯（CMI)】的灯具组成上3个方面进展巨大，包括灯（电灯泡）、光源（反光镜）和镇流器（ballast)。具有电子镇流器和双面灯泡的HPS是mogul基HPS装置HPS的1. 7倍。分析包括2个参数，灯具效率，即测定每焦耳投人光合作用光量子数量（photons)和冠层光合量子流（400-700nm)捕获效率，是到达植物叶片光量子的一部分。植物生长电能效率以每焦耳（joule)投入光合作用光量子数量来测量。

灯具电能效率常以人类光感知单位（每瓦发出的流明）或能量效率（每瓦电输入发出的辐射瓦数）来表示。但是，光合作用和植物生长是以光量子摩尔数来测定的。因此，基于光量子效率的光照效率比较应该用每焦耳能量投入产生的光合量子数量单位。这对LED更加重要，因为电效率高的光色在深红和蓝光波长区域。红光光量子具有较低的辐射能量容量允许更多的光量子去传递每单位的能量投入（辐射能量与波长成反比，Planck's equation)。相反，蓝光比红光高出53%的能量效率（49%和32%)，但蓝光仅比红光高出9%的光量子效率（1. 87/1. 72)。对光质对植物生长影响的理解存在误区，许多制造商宣称光质促进植物生长1（光谱分布及单色光比例）。

光质对植物光合作用影响的评估广泛来自光量子流产额（YPF)曲线，它表明600~660mm的红橙光比400~460nm蓝绿、蓝光高出20%~30%的光合作用。当基于YPF曲线来分析光质时，HPS与较好的LED灯具具有相同或更高的效果，因为它在600nm附近具有高的光量子输出，而在蓝、蓝绿和绿光区域输出较低。

此量子流产额光谱曲线是在单片叶、低光强条件下短期测量数据基础上形成的（Nelson和Bugbee，2014)。但是，YPF曲线是在低光照条件下短时测量单片叶子绘制出的。绿叶体的叶绿素和色素吸收绿光能力很弱（Terashima等，2009)，但Terashima等（2009)指出绿光混合强白光中可驱动向日葵叶片的光合作用效率高于红光。因此，绿光经常被认为对植物生长无效，但在强光条件下绿光对植物生长可能是有效的。高光强绿光LED可有效提高植物生长，尤其是短波长绿光对植物生长更有效（Johkan等，2012)。

过去30多年，许多在高光强条件下针对整个植株长期研究表明，光质对植物生长速率的影响远小于光强（Cope等，2014；Johkan等，2012)。光质，尤其是蓝光可改变几种植物的细胞扩增速率和叶片扩增速率（Dougher和Bug-bee,2004)，植株高度、植物形态（Cope和Bugbee,2013；Dougher 和Bug-bee,2001；Yorio等，2001)。但蓝光对光合作用的直接影响却很小。光质对整个植株干鲜重的影响一般是在无或低自然光照射下发生的，是由于生长早期因叶片扩增和辐射捕获变化引起的（Cope等，2014)。

基于每焦耳光合光量子摩尔数，LED光最高电效率的光色是蓝光、红光和冷白光，所以LED灯具一般组合生成这些颜色。其他颜色的LED光质可用来提高特定波长光质，借助单色光属性来控制植物生长的某些方面（Ya2012；Morrow 和Tibbitts,2008)。UV 辐射在LED 灯具里缺乏由于UV-LED显著降低灯具效率。太阳光中含有占PPF的9%的UV，标准的电光源含有0. 3%~8%的UV辐射。缺乏UV 导致一些在太阳光条件下的植物失调症状（intunmescence,Morrow和Tibbitts,1988)。LED灯具用于光合补光因缺乏远红光辐射（710~740nm)而导致缩短了几种光周期植物的开花时间（GraigRungle,2013)。绿光（530~580nm)在LED灯具中缺乏或者无，这些光能够穿透冠层，并更有效地传递到下部叶片上（Kim等，2004)。即每个入射光量子的波长对单片叶子在低光强下（150μmol/㎡）相对光合作用有影响。

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