大功率智能控制LED溫室補(bǔ)光燈的設(shè)計(jì)與功能分析

洪潤(rùn)璋，李星樵，郭 健

(安徽金晟達(dá)生物電子科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

引言

近年來，隨著能源價(jià)格飆升，為了降低溫室園藝的補(bǔ)光能耗成本，采用LED光源替代傳統(tǒng)光源(如高壓鈉燈等)是發(fā)展趨勢(shì)，大功率LED補(bǔ)光燈產(chǎn)品越來越普及。與傳統(tǒng)的溫室園藝補(bǔ)光燈的光源類型，如熒光燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈、金屬鹵化物燈等相比，大功率LED補(bǔ)光燈具有節(jié)能環(huán)保、發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、可發(fā)射單色光源、體積小、應(yīng)用靈活等顯著特點(diǎn)[1]。同時(shí)，伴隨著LED芯片發(fā)光效率的提高與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以LED為光源的大功率照明系統(tǒng)替代原有的照明系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于諸多照明領(lǐng)域[2]。對(duì)于溫室園藝補(bǔ)光燈領(lǐng)域，由于光是植物生長(zhǎng)過程中最重要的環(huán)境因子之一，光照是影響植物產(chǎn)量的重要因素，因此大功率LED溫室園藝補(bǔ)光燈領(lǐng)域相較于其他大功率LED燈具照明領(lǐng)域具有很強(qiáng)的特殊性，對(duì)燈具的設(shè)計(jì)和功能也提出了特殊的需求。

大功率LED溫室補(bǔ)光燈為設(shè)施園藝補(bǔ)光所必需，但LED燈具設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高效補(bǔ)光的難點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)大功率LED溫室補(bǔ)光燈高效補(bǔ)光，需要在設(shè)計(jì)上講求：(1)高效散熱設(shè)計(jì)，利用如主動(dòng)散熱的水冷色痕跡或被動(dòng)散熱的散熱管、散熱鰭，有效的高功率帶來大量熱量及時(shí)散逸；(2)為適應(yīng)溫室可能存在的高濕及液體濺淋情況，需具備IP65及以上防水；(3)采用恒流電源驅(qū)動(dòng)方式，提高運(yùn)行穩(wěn)定性；(4)為符合智慧農(nóng)業(yè)的高度可控需求，應(yīng)用多通道等智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)光譜可控；(5)適合植物生長(zhǎng)的燈珠配比設(shè)計(jì)；(6)具備科學(xué)的配光設(shè)計(jì)，支持實(shí)現(xiàn)分布均勻、低損耗的應(yīng)用場(chǎng)景。

本文以一種新型大功率LED溫室園藝補(bǔ)光燈為例，介紹了其設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)，以期為今后大功率LED溫室補(bǔ)光燈具的設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 燈具的系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所研制的大功率LED溫室園藝補(bǔ)光燈在系統(tǒng)組成上與一般LED燈具基本一致，包括燈具外殼部分、電源驅(qū)動(dòng)部分、LED光源部分和光學(xué)透鏡部分。但由于溫室園藝應(yīng)用場(chǎng)景中高溫、高濕的環(huán)境特點(diǎn)，以及對(duì)燈具的光效和壽命的較高要求，在溫室用大功率LED補(bǔ)光燈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比一般的LED燈具具有一定的復(fù)雜性。

1.1 燈具外殼的散熱和防水設(shè)計(jì)

1.1.1 散熱設(shè)計(jì)

LED芯片對(duì)溫度非常敏感，溫度上升會(huì)降低光輻射量，使峰值波長(zhǎng)發(fā)生偏移(圖1)，引起LED色溫、顯色指數(shù)的變化，加速熒光粉及器件的老化，降低LED芯片的使用壽命[3]。因此，大功率LED溫室園藝補(bǔ)光燈的散熱設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)部分。散熱設(shè)計(jì)的好壞將會(huì)對(duì)最終LED燈具產(chǎn)品的光效、光譜、壽命等參數(shù)產(chǎn)生重大影響。當(dāng)前LED散熱方案分為主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱，大功率LED溫室園藝補(bǔ)光燈設(shè)計(jì)中主要采用的主動(dòng)散熱方案有風(fēng)冷散熱和水冷散熱；而采用的被動(dòng)散熱有熱管散熱和自然散熱[4]。

圖1 (a)相對(duì)光輻射功率隨燈珠節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線圖；(b)峰值波長(zhǎng)偏移量隨燈珠節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線圖(歐司朗紅光燈珠GH CSSRM5.24，測(cè)試條件：IF=700 mA)Fig.1 (a)Curve of relative light radiation power against the LED junction temperature；(b)Curve of peak wavelength shifting against the LED junction temperature (Osram red LED GH CSSRM5.24，test condition IF=700 mA)

風(fēng)冷散熱的代表產(chǎn)品主要是Food Autonomy公司的LEDFan，如圖2所示。主要是利用機(jī)械風(fēng)機(jī)加速對(duì)流散熱，達(dá)到冷卻LED燈具的效果。同時(shí)在LEDFan的設(shè)計(jì)中，通過向下吹風(fēng)的設(shè)計(jì)，將熱量向下傳遞，將熱量聚集在植物與燈之間，創(chuàng)造了一個(gè)看不見的保溫層，從而進(jìn)一步節(jié)約溫室能耗。

圖2 風(fēng)冷散熱溫室園藝LED補(bǔ)光燈產(chǎn)品—LEDFan Fig.2 Air-cooled greenhouse horticultural LED light product-LEDFan

水冷散熱的代表是Oreon公司的GL系列燈具，如圖3所示。在燈具內(nèi)部留有散熱介質(zhì)的流動(dòng)通道，通過散熱介質(zhì)的冷熱交換，快速帶走LED燈具的熱量。一般在溫室應(yīng)用中主要用水作為散熱介質(zhì)，水帶走燈具多余的熱量后進(jìn)入溫室的供熱系統(tǒng)，為溫室提供增溫效果。因此，使用水冷散熱的LED燈具需要在溫室燈具配置系統(tǒng)中增加水循環(huán)系統(tǒng)。

圖3 水冷散熱LED補(bǔ)光燈產(chǎn)品 — Oreon的GL系列Fig.3 Water-cooled greenhouse horticultural LED light product-Oreon GL Series

在被動(dòng)散熱技術(shù)中，MechaTronix公司的CoolCube系列溫室LED燈具產(chǎn)品采用了熱管散熱技術(shù)(圖4)。熱管散熱部分主要由管殼和吸液芯組成，熱管內(nèi)工作介質(zhì)在蒸發(fā)段吸熱產(chǎn)生相變蒸汽，以管內(nèi)壓差為動(dòng)力流向冷凝段，放熱冷凝成液體，吸附在吸液芯內(nèi)，以吸液芯中的毛細(xì)力為動(dòng)力回流至蒸發(fā)段，實(shí)現(xiàn)循環(huán)散熱[5]。MechaTronix使用液氨作為工作介質(zhì)，利用熱管散熱技術(shù)，將一定數(shù)量的大功率LED燈珠高密度地集中在一小塊電路板上，大大減小了燈具的重量和體積。

圖4 熱管散熱LED補(bǔ)光燈產(chǎn)品 — MechaTronix的CoolCube Fig.4 Heat pipe cooling greenhouse horticultural LED light product-MechaTronix CoolCube

目前溫室大功率LED補(bǔ)光燈中最常見的散熱設(shè)計(jì)是自然散熱，即翅片散熱。翅片是指依附于基礎(chǔ)表面上的擴(kuò)展表面，可以有效地增加換熱面積。由于鋁的良好導(dǎo)熱性、價(jià)格便宜且可加工性高，目前大部分溫室LED補(bǔ)光燈的散熱器都是采用鋁合金材料(表1)一般采用ADC12或者6061。散熱翅片的設(shè)計(jì)，需要根據(jù)不同LED燈具的具體散熱需要來考慮翅片的總體結(jié)構(gòu)、形狀、厚度、高度、寬度、翅片間隙等參數(shù)，而具體的散熱需求不僅考慮到LED燈具的功率，還要考慮到適用的最大環(huán)境溫度。

表1 不同鋁材料的導(dǎo)熱系數(shù)

1.1.2 防水設(shè)計(jì)

溫室大功率LED補(bǔ)光燈的防水設(shè)計(jì)分兩種，一種是結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)，另一種是灌膠防水設(shè)計(jì)[6]。為了應(yīng)對(duì)溫室的高溫高濕的氣候，一般來說，對(duì)LED燈具的防水等級(jí)通常最低需要做到IP65，一些需要面對(duì)高壓水槍沖洗的種植架燈甚至?xí)龅絀P68的防水，以確保LED燈具能夠在潮濕、淋雨等環(huán)境下正常工作。

結(jié)構(gòu)防水通常分為以下三個(gè)重要方面：外殼、透鏡和連接器。溫室大功率LED補(bǔ)光燈的外殼通常采用鋁合金材料，在外殼的結(jié)構(gòu)中會(huì)盡可能地減少雨水進(jìn)入燈具內(nèi)部的機(jī)會(huì)，如外殼的接口處利用回水彎要做好防水處理，避免水分滲透進(jìn)入燈具內(nèi)部，如圖5所示。透鏡是LED燈具中最容易進(jìn)水的部分，因此要特別注意燈罩的防水設(shè)計(jì)。通常采用密封圈或者硅膠等材料來封閉燈罩，確保雨水無法滲透進(jìn)入燈具內(nèi)部。最后，燈具的連接器的選擇需要選擇能夠滿足燈具防水等級(jí)要求，甚至高于燈具防水等級(jí)要求的連接器。除此之外，還需要用硅膠墊或打膠等方式來密封連接頭和燈具主體連接的位置。

圖5 大功率LED溫室園藝補(bǔ)光燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的回水彎設(shè)計(jì)Fig.5 Backwater trap design in high power LED greenhouse horticultural light structure design

另外，溫室大功率LED補(bǔ)光燈中灌膠防水設(shè)計(jì)也是常見的一種防水方式。灌膠材料通常選擇具有良好防水性能的材料，如硅膠、聚氨酯、環(huán)氧樹脂等[7]，不同的灌封膠材料性能和適用范圍也各有不同(表2)。在灌膠前，需要對(duì)燈具進(jìn)行預(yù)處理，如清洗、烤干等，以確保灌膠的質(zhì)量。灌膠時(shí)將灌膠材料注入LED燈具的空腔中，確保所有的空隙都填充滿了灌膠材料。再將灌膠后的燈具置于真空環(huán)境中，排出空氣，并使灌膠材料充分滲透到燈具內(nèi)部的每一個(gè)角落。最后等待灌膠材料固化，以確保灌膠達(dá)到最好的防水效果。需要注意的是，在灌膠過程中，灌膠材料需要完全覆蓋LED燈具內(nèi)部的所有元器件，包括電路板、LED芯片、電子元件等，以保護(hù)它們不受水分的侵蝕。此外，在灌膠過程中還需要考慮LED燈具的散熱問題，以避免灌膠材料堵塞散熱孔，影響燈具的散熱效果。

表2 常見LED燈具灌封膠材料的性能對(duì)比

總之，大功率溫室補(bǔ)光LED燈具的防水設(shè)計(jì)可以有效地保護(hù)燈具內(nèi)部的電路和元器件不受水分的侵蝕，從而延長(zhǎng)LED燈具的使用壽命。

1.2 燈具的電源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

作為大功率LED燈具的核心部件，驅(qū)動(dòng)電源直接影響燈具的性能與壽命。LED的驅(qū)動(dòng)方式必須符合LED特有的電學(xué)特性，按輸出驅(qū)動(dòng)方式可以分為恒壓驅(qū)動(dòng)和恒流驅(qū)動(dòng)。恒壓驅(qū)動(dòng)指的是電源輸出電壓穩(wěn)定不變，電流隨負(fù)載的改變而改變的驅(qū)動(dòng)方式。使用穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)方式的成本較低，一般使用在對(duì)LED光源要求不高的場(chǎng)合。溫室大功率LED補(bǔ)光燈具由于對(duì)光效、壽命等要求很好，一般采用恒流驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。恒流驅(qū)動(dòng)(圖6)指的是輸出的電流恒定不變，而電壓隨著負(fù)載的變化而變化的驅(qū)動(dòng)方式。由于LED是電流型器件，恒流驅(qū)動(dòng)是比較理想的驅(qū)動(dòng)方式，但使用恒流驅(qū)動(dòng)的成本要比穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)高。

圖6 大功率LED溫室園藝補(bǔ)光燈具中的恒流驅(qū)動(dòng)(GSNL 660 W)Fig.6 Constant current power supply in high power LED greenhouse horticultural light (GSNL 660 W)

1.2.1 電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為電阻限流電路、線性調(diào)節(jié)器、開關(guān)調(diào)節(jié)器三種(圖7)。在三種驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)渲校_關(guān)調(diào)節(jié)器通過晶體管高頻的導(dǎo)通與閉合，降低電流導(dǎo)通時(shí)間，從而提高電路的效率，并且可以通過調(diào)節(jié)晶體管的占空比來穩(wěn)定輸出量，被認(rèn)為是做溫室大功率LED燈具中驅(qū)動(dòng)電源的主電路是最佳的選擇[8]。大功率LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)需要綜合考慮多個(gè)因素，包括LED的電氣參數(shù)、電源拓?fù)洹⑵骷x擇、穩(wěn)定性和安全性等方面，才能設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定、效率高、安全可靠的LED驅(qū)動(dòng)電源。

圖7 LED電源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程Fig.7 Design procedure of LED power supply

1.2.2 智能控制設(shè)計(jì)

由于LED燈具存在靈活可調(diào)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中，電源驅(qū)動(dòng)的智能化控制技術(shù)也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。其中主要的智能控制的表現(xiàn)形式包括：調(diào)光強(qiáng)、調(diào)光譜和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

通過光強(qiáng)調(diào)節(jié)，可以讓大功率LED溫室園藝補(bǔ)光燈具滿足作物不同生長(zhǎng)階段的光強(qiáng)要求，相應(yīng)的調(diào)光方式有0～10 V調(diào)光、PWM調(diào)光、DALI調(diào)光、數(shù)字調(diào)光等。通過對(duì)電源驅(qū)動(dòng)及其相關(guān)電路進(jìn)行改進(jìn)，針對(duì)調(diào)光精度、范圍和效率等進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，以確保控制的準(zhǔn)確性和快速性[9]，使電源驅(qū)動(dòng)具有更高的效率和更廣的調(diào)光范圍。

光譜可調(diào)是LED燈具獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，一方面在LED燈板設(shè)計(jì)上可以選用不同光譜的LED燈珠，從而組合成為不同的光譜，另一方面電源驅(qū)動(dòng)采用多通道輸出控制技術(shù)[10]，通過多通道輸出電源驅(qū)動(dòng)對(duì)不同通道的電流控制，實(shí)現(xiàn)所對(duì)應(yīng)的不同顏色燈珠的光強(qiáng)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到混合光譜變化的調(diào)控效果。

遠(yuǎn)程監(jiān)控也是LED驅(qū)動(dòng)電源的控制發(fā)展趨勢(shì)。大功率LED燈具相比起傳統(tǒng)燈具價(jià)值高、壽命長(zhǎng)，所以在LED電源驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)中，加入對(duì)輸入和輸出的電壓、電流、驅(qū)動(dòng)的溫度、使用時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)的監(jiān)控和傳輸，配合相應(yīng)的燈具控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈具的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.3 燈具的LED光源設(shè)計(jì)

燈具的光源設(shè)計(jì)在本文中主要是指以LED燈珠為主的LED燈板設(shè)計(jì)。光源設(shè)計(jì)是溫室大功率LED燈具光輸出性能設(shè)計(jì)的最重要環(huán)節(jié)，通過LED燈珠的選型、電流設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)，來決定LED燈具的光效、光譜和壽命。

1.3.1 光效設(shè)計(jì)

一般LED燈珠的光效是用流明每瓦(lm/W)來判定，而在植物照明光源質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中，光合有效光子通量效率(PPE，單位μmol/J)是評(píng)價(jià)植物補(bǔ)光LED質(zhì)量的核心要素[11]，這決定了植物照明LED燈珠光效要求的特殊性。選擇高效的LED燈珠是設(shè)計(jì)高光效LED光源的重要一步。常見的高光效LED芯片有GS、Osram、Cree等品牌，它們具有高亮度、高效率和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)(圖8)。

圖8 Osram溫室補(bǔ)光660 nm紅光燈珠GH CSSRM5.24的光效參數(shù)Fig.8 Light efficiency of Osram Horticultural 660 nm red LED GH CSSRM5.24

LED燈具的亮度和功耗與LED燈珠的數(shù)量有關(guān)。一般情況下，LED燈珠數(shù)量越多，LED燈具的亮度越高，功耗也會(huì)相應(yīng)增加。但在溫室大功率LED燈具的光源設(shè)計(jì)時(shí)，在一定燈具功率的要求下，一般會(huì)特意增加LED燈珠的數(shù)量，從而降低每顆LED燈珠上的電流，從而達(dá)到提高光效PPE的效果。

1.3.2 光譜設(shè)計(jì)

不論是可見光、光合有效輻射，還是紫外線 UV-A、UA-B以及近紅外線都會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[12]。溫室大功率植物照明的LED光譜設(shè)計(jì)需要綜合考慮植物生長(zhǎng)的不同階段和不同生長(zhǎng)需求，以達(dá)到最佳的生長(zhǎng)效果。一般而言，植物的生長(zhǎng)可以分為種子萌芽、生長(zhǎng)發(fā)育和花期成熟三個(gè)階段。在種子萌芽階段，植物需要較高比例的藍(lán)光和紫光，這可以促進(jìn)種子的萌芽和幼苗的生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)發(fā)育階段，植物需要較高比例的紅光和遠(yuǎn)紅外光，這可以促進(jìn)植物的莖伸長(zhǎng)、葉片生長(zhǎng)和植物體的發(fā)育。在花期成熟階段，植物需要較高比例的紅光和遠(yuǎn)紅外光，這可以促進(jìn)植物的開花和果實(shí)成熟[13]。

因此，針對(duì)不同的生長(zhǎng)階段，可以進(jìn)行不同比例的光譜設(shè)計(jì)(圖9)。例如，在種子萌芽階段，可以使用440～460 nm的藍(lán)光和380～420 nm的紫光，并適當(dāng)加入630～660 nm的紅光和710～740 nm的遠(yuǎn)紅外光。在生長(zhǎng)發(fā)育階段，可以使用630～660 nm的紅光和710～740 nm的遠(yuǎn)紅外光，并適當(dāng)加入440～460 nm的藍(lán)光。在花期成熟階段，可以使用630～660 nm的紅光和710～740 nm的遠(yuǎn)紅外光，并適當(dāng)加入其他波長(zhǎng)的光譜。

圖9 LED光源光譜設(shè)計(jì)與不同光敏色素的吸收曲線Fig.9 LED light spectrum design and absorption curve of different phytochrome

此外，還可以根據(jù)植物的不同生長(zhǎng)需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。例如，如果需要促進(jìn)植物的葉片生長(zhǎng)，可以適當(dāng)加入較高比例的藍(lán)光；如果需要促進(jìn)植物的開花和果實(shí)成熟，可以適當(dāng)加入較高比例的紅光和遠(yuǎn)紅外光。總的來說，植物照明的LED光譜設(shè)計(jì)需要綜合考慮植物的生長(zhǎng)階段和生長(zhǎng)需求，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以達(dá)到最佳的生長(zhǎng)效果。

1.4 燈具的透鏡及配光設(shè)計(jì)

透鏡和配光設(shè)計(jì)對(duì)于溫室大功率LED燈具的光學(xué)性能和效果至關(guān)重要。透鏡是LED燈具中的重要組成部分之一，它的主要作用是集中和控制LED光束，將光線聚焦在特定的區(qū)域。溫室中由于植物生長(zhǎng)密集，需要均勻的光分布才能保證植物處于相同的生長(zhǎng)條件中。

透鏡的設(shè)計(jì)要考慮多個(gè)因素，如反射率、透過率、折射率、耐熱性等，以及透鏡的形狀和尺寸等。LED燈具的配光設(shè)計(jì)一般利用IES文件格式來描述LED燈具的光學(xué)性能和光學(xué)分布。IES文件是一種標(biāo)準(zhǔn)格式，可用于描述燈具的光學(xué)性能和光學(xué)分布。使用光學(xué)模擬軟件，例如LightTools或Zemax等，來模擬LED燈具的光學(xué)性能和光學(xué)分布，并生成IES文件。在IES文件中，包含LED燈具的基本信息，例如光源類型、光源數(shù)量、光源功率、光學(xué)分布等，如圖10所示。得到IES文件后，根據(jù)溫室補(bǔ)光的需要，結(jié)合燈具的數(shù)量、布置方式來模擬溫室的補(bǔ)光強(qiáng)度、補(bǔ)光均勻度等光環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖10 LED溫室園藝補(bǔ)光燈具的IES配光曲線Fig.10 IES light distribution curve of LED greenhouse horticultural light

2 燈具的懸掛方式與應(yīng)用效果

在溫室園藝補(bǔ)光應(yīng)用場(chǎng)景中，LED補(bǔ)光燈具的應(yīng)用方式主要分兩種：頂部補(bǔ)光和株間補(bǔ)光。而大功率LED補(bǔ)光燈因其光輸出高的特性，需與植物間隔至少1.5 m以上來實(shí)現(xiàn)均勻的光分布，通常作為頂部補(bǔ)光應(yīng)用。另一方面，大功率LED設(shè)備重量大，對(duì)溫室桁梁的承載能力需求高。參考國(guó)際市場(chǎng)大功率LED(600～1 000 W)產(chǎn)品，重量范圍約在8～15 kg范圍內(nèi)。綜上，基于大功率LED的特性，其產(chǎn)品對(duì)于懸掛配件結(jié)構(gòu)、與溫室結(jié)構(gòu)連接方式等相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)提出了更高的要求。

2.1 溫室懸掛方式

根據(jù)掛載位點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及作物栽培系統(tǒng)特性，頂部懸掛方式一般可劃分為三種：吊蔓系統(tǒng)懸掛、桁梁懸掛和型鋼懸掛，如圖11所示。其中，桁梁懸掛方式與型鋼懸掛方式在整體上相似，但區(qū)別在于懸掛點(diǎn)所依托的結(jié)構(gòu)不同。

圖11 常見懸掛方式及對(duì)應(yīng)懸掛配件：吊蔓系統(tǒng)懸掛(左)、桁梁懸掛(中)、C型鋼懸掛(右)Fig.11 Common hanging system and corresponding hanging parts：Trellis high-wire (left)，Trellis (middle)and C-profile (right)

在頂部懸掛方式中，桁梁懸掛方法無需在溫室內(nèi)添加額外的結(jié)構(gòu)，而是可以直接利用溫室的桁梁進(jìn)行布置。因此，補(bǔ)光燈的布置將以桁梁為軸線，在該方向上進(jìn)行行排列，相鄰補(bǔ)光燈行的間距即為溫室單個(gè)開間的寬度。該方法具有以下主要特點(diǎn)：

(1)無需添加額外的結(jié)構(gòu)型材，對(duì)溫室的荷載更加友好，且初始投入成本較低；

(2)燈具行排布的間距受到溫室結(jié)構(gòu)的限制，若布燈密度過低可能導(dǎo)致補(bǔ)光光分布不均勻的情況。

而型鋼懸掛方法所應(yīng)用的結(jié)構(gòu)件與桁梁懸掛方法相類似，但通常需要選擇與型材規(guī)格相匹配的掛鉤尺寸，常見的如C40/C45/C50型號(hào)的C型鋼。

吊蔓系統(tǒng)懸掛與桁梁懸掛均利用溫室的桁梁結(jié)構(gòu)作為懸掛位點(diǎn)，兩者的主要區(qū)別在于：應(yīng)用吊蔓系統(tǒng)的溫室，在桁梁下方存在吊蔓鋼絲繩或懸掛栽培槽吊點(diǎn)等障礙物，因此無法將補(bǔ)光燈直接懸掛在桁梁的正下方。同時(shí)，為了確保補(bǔ)光燈與植物冠層之間有足夠的距離，應(yīng)盡可能提高補(bǔ)光燈的懸掛高度。綜上所述，設(shè)計(jì)了如圖11所示的側(cè)面懸吊式掛鉤。

綜上所述，這三種懸掛方法都是溫室中常見的大功率LED補(bǔ)光燈的懸掛方式，適用于不同的場(chǎng)景，并且各自具有優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)溫室的情況和使用需求來合理選擇適當(dāng)?shù)膽覓旆绞健?/p>

2.2 應(yīng)用方式與效果

2.2.1 大功率LED的實(shí)踐應(yīng)用方式

在過去數(shù)十年的溫室行業(yè)發(fā)展中，高壓鈉燈(HPS)以其良好的效果和高性價(jià)比而被廣泛應(yīng)用于有補(bǔ)光需求的溫室。實(shí)際上，許多溫室的運(yùn)營(yíng)模式與高強(qiáng)度補(bǔ)光設(shè)計(jì)密切結(jié)合，使得高強(qiáng)度補(bǔ)光系統(tǒng)成為溫室不可或缺的組成部分。因此，在近年來，由高壓鈉燈向LED燈的轉(zhuǎn)型過程中，越來越多的種植者開始將目光投向能夠與常用的1 000 W高壓鈉燈匹配替換的大功率LED補(bǔ)光燈具。以荷蘭為例(圖12)，常見市場(chǎng)上的大功率LED溫室園藝補(bǔ)光燈功率通常在600 W以上，可以實(shí)現(xiàn)與1 000 W高壓鈉燈相當(dāng)?shù)墓廨敵鏊剑虼吮挥糜谂c舊的1 000 W高壓鈉燈進(jìn)行1∶1的替換。通過同等功率的替換，既可以保證產(chǎn)能，又節(jié)省能源消耗，并能最大限度地利用原有的電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低人工和物料的系統(tǒng)升級(jí)。另一方面，為了進(jìn)一步挖掘生產(chǎn)潛能，一些種植者選擇將1 000 W LED燈與1 000 W HPS燈等量替換，以在溫室現(xiàn)有電網(wǎng)負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)最大化輸出。

圖12 荷蘭溫室應(yīng)用混合補(bǔ)光系統(tǒng)(1 000 W高壓鈉燈+1 000 W LED)Fig.12 Hybrid supplementary lighting system in Dutch greenhouse (1 000 W HPS+1 000 W LED)

溫室中常見的大功率LED燈具應(yīng)用形式主要有兩種：純LED燈系統(tǒng)和高壓鈉燈+LED燈混合系統(tǒng)。混合補(bǔ)光系統(tǒng)是行業(yè)由成熟技術(shù)體系向新體系轉(zhuǎn)型探索中的產(chǎn)物，促使種植者采用HPS和LED的混合應(yīng)用主要有以下兩個(gè)原因：

(1)初期投入成本更為友好。LED燈的成本決定了其初期投入成本遠(yuǎn)高于高壓鈉燈補(bǔ)光系統(tǒng)。近年來，由于能源價(jià)格波動(dòng)帶來的市場(chǎng)不穩(wěn)定因素，使得溫室投資者和經(jīng)營(yíng)者對(duì)于這類大規(guī)模投資更加謹(jǐn)慎。因此，投入成本較低的混合補(bǔ)光系統(tǒng)作為一種中間選擇，得到了更多的青睞。

(2)LED應(yīng)用技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)尚不成熟。由于LED的特性與高壓鈉燈存在巨大差異，如發(fā)光和光譜等特性的差異，對(duì)溫室整體運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生了巨大的影響。

2.2.2 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

補(bǔ)光技術(shù)廣泛地應(yīng)用在日長(zhǎng)控制，如調(diào)節(jié)植物的開花等發(fā)育過程，或作為同化光照以增加作物生長(zhǎng)[14]。同化光照需要大量的電力輸入。以荷蘭為例，生產(chǎn)番茄的現(xiàn)代溫室中，帶有人工補(bǔ)光設(shè)備的溫室對(duì)比無補(bǔ)光設(shè)備溫室，需要超過兩倍的能量投入，并且其碳足跡是沒有補(bǔ)光燈溫室的三倍以上。根據(jù)加拿大安大略省蔬菜溫室數(shù)據(jù)，其中應(yīng)用人工補(bǔ)光的蔬菜溫室消耗的電力是無人工補(bǔ)光溫室的10倍[15]，但同時(shí)，帶燈的溫室也提高了27%的產(chǎn)量。到目前為止的研究與實(shí)踐充分證明了人工補(bǔ)光可以顯著增強(qiáng)溫室產(chǎn)能，但同時(shí)也帶來了高昂的能源消耗。因此，能源消耗高昂的高壓鈉燈作為曾經(jīng)被廣泛應(yīng)用的人工補(bǔ)光燈，已逐漸被越來越多的光效更高的大功率LED燈取代[16]。

對(duì)比HPS與LED應(yīng)用效果的研究結(jié)果表明，番茄溫室應(yīng)用LED可節(jié)能75%，且維持相同產(chǎn)能[17]。相對(duì)傳統(tǒng)補(bǔ)光燈，大功率LED燈的主要優(yōu)勢(shì)在于其更好地將電力轉(zhuǎn)換為光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)。而截至目前，在園藝應(yīng)用場(chǎng)景中，常見HPS燈的效率在1.7～1.9 μmol/J之間，但市面優(yōu)質(zhì)的大功率LED燈最高可達(dá)到4.0 μmol/J。相對(duì)于傳統(tǒng)HPS補(bǔ)光燈，LED燈效率最大可高出近110%。且因?yàn)镠PS燈的發(fā)光效率物理極限已經(jīng)達(dá)到峰值，而LED燈的效率仍在提升，帶來的節(jié)能效率差異預(yù)計(jì)未來還會(huì)提高[18]。

除此之外大功率LED由于其使用發(fā)光二極管作為光源，整燈的壽命相比傳統(tǒng)燈具更長(zhǎng)。市面上常規(guī)的大功率LED燈的壽命能夠保證在25 000～50 000 h的使用時(shí)長(zhǎng)后，燈具的光衰小于10%[19]。與傳統(tǒng)HPS補(bǔ)光燈對(duì)比，高壓鈉燈燈管的壽命通常僅在使用10 000 h后，光衰已經(jīng)達(dá)到10%。可見壽命差異高達(dá)3～4倍以上，十分顯著。

大功率LED補(bǔ)光燈光電轉(zhuǎn)化效率的提升和燈具光輻射熱的減少為溫室進(jìn)一步提高補(bǔ)光強(qiáng)度提供了新的路徑。在保持溫室相同的電網(wǎng)負(fù)荷條件下，種植者可以應(yīng)用更高強(qiáng)度的補(bǔ)光燈，即更高密度的補(bǔ)光燈布置，從而達(dá)到更高的產(chǎn)能。另一方面，傳統(tǒng)高壓鈉燈的高輻射熱的特性，也限制了溫室在特定季節(jié)(主要是夏季)的補(bǔ)光計(jì)劃，為減少溫室降溫壓力，不得不停止使用高壓鈉燈為光源的補(bǔ)光系統(tǒng)[20]。

光對(duì)于植物形態(tài)、生理和發(fā)育有著極為重要的影響。其中，眾多植物生理研究表明，光譜組成的變化顯著影響了包括光合作用及次級(jí)代謝的過程[21]。LED燈具備光譜可定制的特性，LED為精確控制人工補(bǔ)光的光譜提供了可能性。近年來也被越來越多的生產(chǎn)者利用多樣的光譜特性，實(shí)現(xiàn)控制植物生長(zhǎng)及生理發(fā)育的目的，且最終達(dá)到提高作物生產(chǎn)和質(zhì)量的優(yōu)異效果。眾多研究結(jié)果均已證明，不同波長(zhǎng)的光是如何影響植物生長(zhǎng)、光感受器和所涉及的下游反應(yīng)，這對(duì)溫室的生產(chǎn)力和可持續(xù)性具有較大的影響。

3 結(jié)論

在當(dāng)前“碳達(dá)峰”與“碳中和”的綠色發(fā)展背景下，為了保證糧食安全，進(jìn)一步提高溫室園藝的作物產(chǎn)量，大功率LED溫室園藝補(bǔ)光燈以其高光效、長(zhǎng)壽命、光譜可控的優(yōu)異特性，勢(shì)必將成為溫室園藝補(bǔ)光的主流產(chǎn)品。但同樣由于溫室園藝的特殊應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)大功率LED的功能要求高，使得在設(shè)計(jì)制造過程中仍面臨著一些難點(diǎn)，主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)散熱設(shè)計(jì)。大功率LED燈具中由于使用LED燈珠的數(shù)量多、功率大，密集排列的LED燈珠給散熱帶來了巨大挑戰(zhàn)，需要有良好的散熱設(shè)計(jì)才能保證其光效和壽命。而目前大功率LED燈的重量已經(jīng)是同等功率HPS燈的3～4倍，所以設(shè)計(jì)出高效散熱，體積小、重量輕的大功率LED溫室園藝補(bǔ)光燈具是目前最大的挑戰(zhàn)之一。

(2)光學(xué)設(shè)計(jì)。由于LED的直線性發(fā)光特性，隨著單燈具功率的提升，需要實(shí)現(xiàn)每只燈具能夠覆蓋更廣泛的照射范圍，同時(shí)滿足光照均勻性的要求。這需要采用復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行光束調(diào)控，使得光線分散均勻而不出現(xiàn)盲區(qū)、堆積、尖刺等現(xiàn)象。

(3)驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)。大功率LED燈具需要穩(wěn)定可靠的大功率驅(qū)動(dòng)電源，同時(shí)在燈具尺寸和重量的限制下，驅(qū)動(dòng)電源需要實(shí)現(xiàn)更小的尺寸、更高的功率密度和更高的能量轉(zhuǎn)換效率，從而滿足大功率LED燈具的發(fā)展需求。

隨著大功率LED補(bǔ)光燈在溫室園藝場(chǎng)景下逐步推廣應(yīng)用的過程中，針對(duì)作物不同的光照強(qiáng)度和光譜的需求，最大程度地發(fā)揮LED燈具高能效和光譜可控的優(yōu)勢(shì)將成為應(yīng)用端的挑戰(zhàn)。首先，根據(jù)不同作物的需求，需要選用不同光譜和功率的LED燈具，同時(shí)要考慮LED燈具的數(shù)量、安裝位置、高度和角度等因素，確保光線的均勻照射，以滿足其達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)量和品質(zhì)的需求。其次，要根據(jù)作物的生長(zhǎng)周期合理制定不同的光照計(jì)劃，可以通過智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)、光譜的調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程操作，為植物提供合適的光譜和適量的強(qiáng)度，同時(shí)達(dá)到節(jié)能最大化的效果。

總之，在溫室園藝中應(yīng)用大功率LED燈具進(jìn)行補(bǔ)光可以有效地提高植物的生長(zhǎng)速度和產(chǎn)量，同時(shí)也有助于改善作物品質(zhì)和提高經(jīng)濟(jì)效益。隨著科技的發(fā)展和LED燈具開發(fā)設(shè)計(jì)的不斷成熟，大功率LED燈具將會(huì)在溫室園藝領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。