組合光譜LED植物生長光源的優化設計

溫志鵬，馬稚昱,2，韋鴻鈺，2，駱少明,2

(1.仲愷農業工程學院 機電工程學院，廣東 廣州 510225；2.廣東省特色農業現代化(精準農業智能化裝備)產業發展重點實驗室，廣東 廣州 510225)

引言

光是植物生長發育、形態建成的關鍵環節。近年來隨著設施農業的快速發展，人工光源在現代農業中發揮著越來越重要的作用[1,2]。新型光源LED具有體積小、節能、環保、壽命長、波長固定與低發熱等優點，在植物工廠中具有很好的發展前景[3-7]。然而目前LED植物光源多采用陣列型結構，其結構簡單但均勻性較差[8-10]。因此設計出光譜比例均勻、受光面強度均勻的LED植物光源具有重要意義。大量的研究表明植物生長所需的波長在400～700 nm之間，其中在藍光和紅光區的光合效率最高[11-13]。本文基于紅藍兩種不同類型LED燈珠對LED植物光源的結構及均勻性進行實驗分析，并利用仿真設計提出LED植物光源燈珠排列的優化設計方案，為制造出光照均勻、設計合理、智能可調的多光譜組合LED植物光源提供了重要的參考數據。

1 光源模組設計與驗證

1)光源模組的設計。本實驗選擇了兩種LED燈珠，一種是大功率型LED，為光宏38 mil芯片(植物紅)及晶元30 mil芯片(植物藍)；另一種為光宏貼片型LED(3030)，具體參數見表1所示。基于兩種燈珠設計了四種帶有不同側板燈架的LED光源模組(125 mm×125 mm)：垂直反光板(RG1)、30°傾角反光板(RG2)、30°傾角普通板(RG3)、無側板(對照組NG)，如圖1所示。

表1 貼片型和燈珠型LED基本參數

圖1 四種LED光源模組示意圖Fig.1 Four kinds of LED light source module schematic diagram

LED光源模組的電路設計方案如圖2所示，分別為含有16顆燈珠的紅藍LED矩形燈板，紅藍LED交錯排列，8紅8藍共16顆，4×4紅藍相間分布排列在電路鋁基板，其中紅藍燈珠電路相對獨立，可實現單色獨立獨立調控。LED電路的工作電壓分別為17 V(紅色)和24 V(藍色)，可通過調整電流改變LED發光強度，總供電電源為41 V，電流為0.35 A。

圖2 兩種LED鋁基板電路圖Fig.2 Two kinds of LED aluminum circuit diagram

2)測量儀器及方法。光源光照強度和均勻度的的測量采用將垂直方向上不同距離的照明平面離散化成4×4個大小相等的網格，并將每個網格區域視為一個點，測量每個點的光照強度，具體如下：在距離LED光源模組正下方150，200和250 mm處選取3個受光面，使用光合有效輻射計(浙江托普GLZ-B)采用16點法測量光合有效光量子通量密度(PPFD)。16點測量方法：對光源正下方目標受光面125 mm×125 mm的區域進行網格劃分，等分成行列4×4的16個網格，測量順序按照圖3網格編號順序進行，每個受光面重復3次測量。

圖3 網格編號Fig.3 Grid number

為了對比基于兩種不同LED燈珠構建的LED光源的發熱效果，如圖4所示在兩種LED光源的鋁基板背面四角及中間位置各安裝1個溫度傳感器(PT100貼片式傳感器，HS-TP08)，在兩種光源在工作電流0.35 A，電壓為41 V條件下工作第2 min、5 min、10 min及20 min時記錄鋁基板5點溫度值并計算出均值。

圖4 鋁基板溫度測量示意圖Fig.4 Aluminum substrate temperature measurement

3)數據處理。采用Microsoft Excel 2016和Statview5.0軟件對PPFD的平均值、最大值和均勻度，以及工作溫度平均值進行統計分析。

4)實驗結果與分析。

(a)光照強度與均勻度的分析。從圖5～圖7可以看出，燈槽側板的結構對LED光源的光照強度和均勻性的影響是顯著的，增加側板后光源的光源強度均有所增加，30°傾角反光板(RG2)光源模組下光照均勻度均是最好，相反垂直側面反光板光源模組的光照均勻度最差。燈珠類型對LED光源的光照強度影響比較大，大功率型LED光源的光照強度均大于3030貼片型LED光源；但對光源光照均勻性的影響并不明顯。在垂直方向上3層受光面的光照強度隨著垂直距離越大，每種不同結構的光源光強均值越小，光照均勻度越好。在垂直距離為150 cm的受光面內，大功率型LED光源的光照強度的變化為RG1>RG2>RG3>NG；在垂直距離為200和250 cm的受光面內，大功率型LED光源的光照強度的變化為RG2>RG1>RG3>NG。

圖5 在受光面距離為150 mm處不同光源模組光照強度及均勻性Fig.5 Illumination intensity and uniformity of different light source modules at a receiving surface distance of 150 mm

圖6 在受光面距離為200 mm處不同光源模組光照強度及均勻性Fig.6 Illumination intensity and uniformity of different light source modules at a receiving surface distance of 200 mm

(b)兩種類型LED光源的發熱效果。為了分析LED燈珠發熱變化，通電后不同時間點分別對兩種類型LED燈珠構成的光源模組鋁基板的5點溫度取平均值，根據試驗組的測試結果，可以得到兩條溫度平均值隨著通電時間的變化曲線，如圖8所示。通過對各曲線進行線性擬合分析，可獲得對應曲線的斜率，其值分別為0.79和0.37，斜率越小說明溫度變化越小，升溫越慢，即3030貼片型LED光源鋁基板的溫度升速度比大功率型LED光源的升溫速度快，在相同通電時間條件下，3030貼片型LED光源鋁基板的溫度也比大功率型LED光源的溫度高。

綜上所述，分析結果表明：①增加反光側板的優點可以在一定程度上增加光照強度，提高均勻性，也可以保護LED燈珠；②同比其他模組，30°傾角反光板(RG2)光源模組下光照均勻度均是最好，光照強度同比較強；③大功率型LED燈珠構成的光源具有光照強度大，發熱低的優點。

圖7 在受光面距離為250 mm處不同光源模組光照強度及均勻性分析Fig.7 Illumination intensity and uniformity of different light source modules at a receiving surface distance of 250 mm

圖8 通電時對兩種LED光源鋁基板溫度的影響Fig.8 The effect of power-up duration on the temperature of aluminum substrates of LED light souse

2 Tracepro仿真與分析

1)建模與設計。基于光源模組設計及驗證實驗的結果，選用大功率型LED燈珠構建條形LED植物光源模型，模型長度為800 mm，基板寬度30 mm，燈殼側面反光傾角為30°，反光板寬度30 mm，光源首尾LED燈珠距離為760 mm，紅藍LED交錯排列，利用Tracepro軟件進行仿真建模，分析研究不同燈珠排列方式對光源模組均勻性的影響。

LED燈珠排列組合方案如表2所示。對照組采用等間距均勻排列(EA：Equally Arranged)，實驗組為對稱雙重等差數列排列(SA：Symmetric dual arithmetic progression)，首項分別為：20、25、30、35 mm，光源模型如圖9所示。

表2 LED排列組合方案

圖9 不同排列條形LED光源模型Fig.9 The simulation modeling of strip LED light sources for different arrangement

2)數據處理。采用Microsoft Excel 2016和Statview 5.0軟件對輻射照度E的平均值、最大值和均勻度進行統計分析。

3)結果與分析。從圖10和圖11可以看到，燈珠的不同排列方式對光源總輻照度均值的影響并不顯著，但對光照均勻度的影響是顯著的。從圖10仿真輻射照度分布變化圖中可以看到，隨著等差數列首項數值的增加，LED條形光源的均勻性得到改善，從圖11可以得到在不同排列方案下光照均勻度的變化規律為SA30(78.9%)>SA35(78.14%)>EA38(77.47%)>SA25(77.22%)>SA20(75.16%)，光照均勻度隨等差數列排列首項值的增大呈現先上升后減小的趨勢，在方案SA30排列下總輻射照度均勻性最高，均勻性良好，說明該組合光源的排列合理。

圖10 21個LED組合方案輻射照度分布圖Fig.10 Radiant illumination distribution map of 21 LED combination schemes

圖11 總輻射照度分析Fig.11 Analysis of total irradiance

3 結論

我們通過試驗分析了LED燈珠類型、側板結構對LED植物光源模組的光照強度和均勻性的影響。通過實際測量直觀比較了光源光照強度和均勻性的變化，分析結果表明增加側板可以在一定程度上增大光照強度，并且增加30°傾角反光板光源的光照均勻性得到了很大的改善；大功率型LED燈珠構成的LED光源模組的光照均勻性得到改善，且具有發熱低的優點。因此實際設計LED植物光源時，可通過增加一定角度的側板來提高LED植物光源的均勻性。最后，我們利用光學仿真軟件Tracepro對大功率型LED條形光源進行了仿真分析，結果發現燈珠的不同排列方式對LED光源的輻射照度均勻度的影響是顯著的，對稱雙重等差數列的排列方式優于等間距排列方式，其首項值為30 mm時LED條形光源的均勻度最高，均勻性良好，其排列合理。

本次研究僅對紅光藍光兩種LED構成的條形LED光源進行了仿真分析，分析方法及結果具有一定的普遍性和參考性。但是，植物生長需要的是全光譜復色光照明。因此，針對全光譜復色LED組合光源的排布及光照均勻性還有待做進一步研究，為開發滿足植物生長需求的高效LED植物生長光源提供理論依據。