植物補光照明系統應用及對比分析

鄔鏑

(中國航天建筑設計研究院 (集團)，北京 100023)

1 概述

自然界生命的維持，完全依賴能量的供應，太陽發出的能量是生物和植物獲取能量的主要來源。植物在光合作用中吸收來自太陽的能量，通過光合作用產生植物生長所需要的養料，通過呼吸作用與外界交換二氧化碳和氧氣。光合作用和呼吸作用是植物生長的兩種主要過程。

而光合作用是在葉綠體中完成的。在太陽光所含的紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等成分中，葉綠體中的葉綠素吸收紅光和藍光的能力最強。

在溫室培育植物生長過程中，太陽光的照射受到一定影響，直接關系植物的生長時間和速度，而通過利用照明光源人為補充太陽光，給植物補充能量，可以改變自然氣候變化對農作物生長的影響，使整個植物成長過程中始終都處在可控制的狀態中。

植物補光照明能使植物生產周期和質量得到有效控制，植物補光照明，就是利用太陽光的原理，用照明燈光代替太陽光給植物生長發育營造良好環境。我們通過有關照明系統的燈具選型，配套電器及光源選取，在這一方面取得實效，達到節能環保，下面是我們的應用經驗，以期與業內人士共同分享。

2 光合作用與植物生長補光照明的關系

2.1 太陽光譜及各色光的作用

(1)在可見光中，被綠色植物吸收最多的是紅橙光 (波長600～700納米)和蘭紫光 (波長400～500納米)，對綠色光 (500～600納米)只有微量吸收。紅光下所生成的物質使植物長高。而藍光下所生成的物質，促進蛋白質與非碳水化合物的積累，使植物增重。

(2)紫外線:波長小于400納米的光為紫外光，占太陽輻射量的7%。其中波長300～400納米的為近紫外線，波長200～300納米的為遠紫外線，波長小于200納米的為真空紫外線。小于300納米的高強度紫外線對植物有害，小于280納米的紫外線可殺死植物。

(3)紅外線:波長700～3000納米的光為紅外光，約占太陽輻射總量的22%，其中15%被反射掉，12.5%透過葉片，22.5%被葉片吸收。紅外光能提高地溫和氣溫，提供植物所需要的熱量。

總之，紅光和藍紫光對綠色植物光合作用最有效。綠色植物葉綠體中的葉綠素主要吸收太陽光中的紅光和藍紫光，類胡蘿卜素主要吸收藍紫光，也就是說紅光和藍紫光對光合作用的光反應最有效。

2.2 給植物補充紅、藍光的方法

(1)有色膜和轉光膜

a)有色膜是加有機染料的塑料薄膜，轉光膜是加有機稀土化合物的塑料薄膜。有色膜可以使七色陽光選擇性地透過，轉光膜可以將綠光轉換成紅光和藍光。

b)人們可選用不同顏色的塑料薄膜人為地調節可見光的成分。用淺藍色乙烯塑料覆蓋育苗，比覆蓋無色薄膜的長得健壯?；ɑ苤参镌谒{光量為自然光量兩倍的人造光里，生長會比自然條件下的提高50～70%;栽種在紅光環境里，其生長速度比對照提高40%以上。

(2)植物補光照明設備的作用

a)植物補光照明設備主光譜集中于藍光區和紅光區。它的光譜能量分布，十分接近植物光合作用的效率曲線 (對綠色植物效率更是顯著)，是植物生長的最佳光源。

b)用于植物光合作用的補光照明設備，使用波長為430納米、555納米、630納米的三波段燈管，能促進花卉的新陳代謝，加速花卉的光合作用。

c)作為補充光照，在一天的任何時間都可以增強光照，可以延長有效照明時間。

d)無論在黃昏或是夜晚，可以有效延長和科學控制植物所需要的光照。

e)在溫室或植物實驗室，可完全替代自然光，促進植物生長。

f)徹底解決育苗階段看天吃飯的情況，完全根據苗株交貨期來合理安排時間。

(3)植物補光照明設備介紹

目前在植物生長中應用的人工光源有白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、LED燈，這些光源應用在植物生長中各有優勢。

第一，熒光燈、高壓鈉燈光譜基本為線狀譜線，并與植物光合吸收光譜匹配不是很理想。能夠被植物吸收的只是個別波段的光，其他波段的光都被浪費，不節能。

第二，由于白熾燈泡、日光燈管、鈉燈等耗電量較大，同時產生很多的熱輻射，不能對植物近距離照射，對植物生長光激勵效率不高，大大增加了人工光照成本，因而除在一些高附加值的花卉種植上和人工氣候室試驗中有所應用外，并沒有在農業生產上得到廣泛應用。

第三，近年來隨著農業生產中溫室大棚的大面積推廣，人工氣候室的研究進展以及農業科技化水平的提高，進行溫室合理給光以及降低給光成本的研究已顯得越來越重要，新型節能高效給光措施更成為人們研究的熱點，新型光源的成功研制為這一問題的解決提供了契機。高效節能LED植物燈是替代新產品，但是價格高，產品也不是完全成熟，有待進一步完善。

第四，高光效農業照明用鈉燈，是用得最多的照明光源，國內外正積極配套電子鎮流器取代電感鎮流器，在節能、環保、省電上有了很大的進步。

3 植物補光照明設備的應用分析

現代化農業工廠，通過在大棚溫室中使用植物生長照明燈光的方法，控制和調節植物的成長過程。這種做法的好處是可以擺脫自然氣候變化對農作物生長的影響，補充沒有太陽光時的照射能量，使整個農產品生產過程始終都處在可控制的狀態中。

影響植物生長的光照因素主要有光照強度、光照波長和光照時間。

在已經建成的現代農業工廠中，大都架設促進植物生長的燈光裝置，通過近距離照射方式，向植物提供補充光照。

這種照明裝置可以根據植物生長的需要，通過預先植入的程序控制光照的強度和時間，由此促進植物的生長。

歐洲荷蘭等國已把植物補光照明用于現代農業生產，取得了非常大經濟效益。在歐洲，電子鎮流器已經完全取代了電感鎮流器，作為溫室補光設備的主流產品，在溫室行業最發達的荷蘭，市場上幾乎很難見到電感鎮流器的身影。

我國是農業大國，在植物補光照明方面起步晚，增加作物產量，改善品質，高效地利用土地資源，是發展現代化農業的必經之路。而采用電感鎮流器不節能，因此，開發應用植物補光專用電子鎮流設備，必將為我國的農業生產現代化帶來巨大的經濟效益和社會效益的同時帶來節能的效益。

3.1 溫室補光設計原則和照明設備的介紹

設計原則:遵循植物生長階段的發育機理，根據不同的植物特點選擇不同的補光照明設備和補光照明時間。

照明設備見圖1:

光源:農用照明400W或600W高壓鈉燈是用于溫室照明的高強度氣體放電燈。它的特點是比普通高壓鈉燈高10%的光輸出和產生約30%的可見藍光譜。

圖1

主要作用:

a)縮短作物的生長周期25%

提高作物產量20%能夠促進植物和花卉特別是分枝長數量更多，更茂密。

b)能使水果和蔬菜的顏色更潤澤，植物的體態更優雅。

c)大幅度降低“盲花率”，被照植物均勻的享受到時間單位內的光照。

光源參數見表1:

表1

電器:400W或600W高壓鈉燈電子鎮流器。

燈具:專業設計配光曲線與農業照明光源配套的專門燈具。

案例:溫室補光照明系統運行情況見圖2。

3.2 植物補光照明系統的應用分析對比

為了達到節約用電、保護環境的節能環保效果，建立優質高效、經濟舒適、安全可靠的照明環境必須選取好的光源并選配好的鎮流器。而電感鎮流器由于自身設計的原因，功率損耗大，功率因數小，能耗大。在綠色照明和環保的要求下，電子鎮流器正在淘汰電感鎮流器，而推廣應用優質高效的照明器材是實施綠色照明的重要手段。

(1)電子和電感鎮流器應用分析對比

以400W高壓鈉燈電子鎮流器和400W高壓鈉燈電感鎮流器的耗電量為例比較:

圖2

400W高壓鈉燈電子鎮流器 (NL)

400W高壓鈉燈電感鎮流器 (OT)

NL:400W，功耗約為5%:20W

OT:400W，功耗約為20%:80W

總功率:

NL:400+20=420W

OT:400+80=480W

設備一小時耗電量 (1KW/h=1度):

NL:0.42 度/小時

OT:0.48 度/小時

經實踐證明:以1000平米的溫室來算，想要得到4000 lux/m2的照度，需要400W鎮流器70個。

一年補光耗電量 (以每天補光12小時為例):

NL:0.42×12×365×70=12.8萬度

OT:0.48×12×365×106=14.7萬度

NL直接省電1.9萬度/年，以電費0.8元/度來算，可直接節省電費1.52萬元/年。使用成本要低很多。如果使用5年，成本節約達11.8萬元。

節能效果評估:每1000平米的溫室大棚，在5年的時間里，400W高壓鈉燈電子鎮流器比400W高壓鈉燈電感鎮流器節約費用11.8萬元。

配套電子鎮流器的植物補光照明系統比配套電感鎮流器的照明系統，運行費用低，節能，環保。不足之處是前期投入成本要高，但是后期維護費用低和運行費用低，環保，通過節電省下的電費，能把前期多的投入收回。

(2)電子鎮流器的產品特點和優勢

1)采用穩壓控制電路，從而鎮流器功耗低:我們的測試數據請見圖3。

當輸入電壓變化時，電感鎮流器和電子鎮流器輸出功率變化曲線見圖3。

圖3

由圖3可見，當輸入電壓超過220V時，傳統電感鎮流器輸出功率上升很快，此時系統功耗大大增加，采用電子鎮流器可以解決此問題，因為電子鎮流器有穩壓電路。

2)保護光源壽命

植物補光鈉燈的使用壽命取決光源流過的電流，當超過光源標稱電流時，光源壽命會急劇下降，請見圖4。

由圖4可見，使用電子鎮流器，光源光通量保持很好，所以使用壽命很長，這是因為電子鎮流器采用了恒功率輸出電路，避免發生超過光源標稱電流的現象，從而解決了光源壽命問題。

同時電子鎮流器還有以下優點:沒有噪音、對電網污染小、安全可靠、減少燈具維護費用、減少光污染、體積小、重量輕。

4 總結

農業現代化需要先進科研成果的應用，植物補光系統應用到植物育種、大棚、溫室等農業生產設施上，可以產生以下作用。

圖4

(1)補充光照，在一天的任何時間都可以增強光照，可以延長有效照明時間。

(2)無論在黃昏或是夜晚，可以有效延長和科學控制植物所需要的光照。

(3)在溫室或植物實驗室，可完全替代自然光，促進植物生長。

(4)徹底解決育苗階段看天吃飯的情況，完全根據苗株交貨期來合理安排時間。

植物補光照明設備是植物工廠的主要照明，并為植物提供周期、光形態建成誘導照明。廣泛應用于水溶液培養，園林，播種，育種，幼苗，農場，花卉等栽培。

在農業溫室中，建議使用專業農用照明燈具，配套使用電子鎮流器，在日照量少或日照時間短的時候作為植物光合作用的補充照明設備。

電子鎮流器取代電感鎮流器，是發展綠色照明的需要，也是國家環保和節能的需求。

［1］中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所．植物工廠概論．北京:中國農業科學技術出版社出版

［2］周長吉 主編．現代溫室工程 (第二版)，北京:化學工業出版社出版

［3］農業部．日光溫室建設標準

［4］農業部規劃設計研究院．溫室工程設計手冊．中國農業出版社出版