空間密閉環(huán)境中植物光照系統(tǒng)研制

朱景濤，艾為黨，唐永康，郭雙生，于闖，張洪博，沈韞賾，謝元友

（中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100094）

0 引言

開展載人深空探測和地外星球定居與開發(fā)等活動(dòng)的前提是建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)（controlled ecological life support system，CELSS），高等植物作為該系統(tǒng)的重要功能部件，可以為航天員提供地外生存所需的食物、氧氣和水等生保物資[1～3]，因此高等植物栽培技術(shù)是建造CELSS的核心技術(shù)之一。植物生長通過光合作用、光形態(tài)建成和光周期調(diào)節(jié)完成，研制適合在空間密閉環(huán)境中使用的植物光照系統(tǒng)成為長期載人航天任務(wù)的必然要求[4]。目前，用于地面植物栽培的人工光源種類較多，比如高壓鈉燈（High Pressure Sodium Lamp，HPS）和熒光 燈（Compact Fluorescent Lamp，CFL），近年來隨著光電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）因其體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)牢固、壽命長、低壓供電、調(diào)光容易、波長固定、光電轉(zhuǎn)換率高、無環(huán)境污染等諸多優(yōu)異性能，在地面和空間植物栽培中逐漸得到應(yīng)用[5～10]。常用的LED 驅(qū)動(dòng)和風(fēng)冷散熱方式容易導(dǎo)致發(fā)光不穩(wěn)定、加速LED 的光衰并降低LED 的壽命，同時(shí)還存在結(jié)構(gòu)松散、噪聲大、能效小、可靠性低等問題，不能滿足空間密閉環(huán)境使用要求。當(dāng)前我們建立了一套受控生態(tài)生保技術(shù)集成試驗(yàn)平臺(tái)，在該平臺(tái)基礎(chǔ)上，大范圍使用LED 進(jìn)行密閉環(huán)境中植物光照系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明該植物光照系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、安全高效、發(fā)光穩(wěn)定、散熱充分、噪聲小等特點(diǎn)。該系統(tǒng)的成功研制為地面模擬空間密閉環(huán)境進(jìn)行植物栽培試驗(yàn)提供了適宜的光照條件，為下一步開展空間植物裝置研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，也對(duì)日后LED 光照系統(tǒng)在地面植物工廠中的推廣應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)方案

■1.1 主要技術(shù)指標(biāo)和要求

空間密閉環(huán)境中植物光照系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)和要求見表1。

表1 空間密閉環(huán)境中植物光照系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)和要求

■1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

植物光照系統(tǒng)具有大面積光照、高集成度和長時(shí)間工作等特點(diǎn)，相應(yīng)地要求該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、散熱充分、光照穩(wěn)定、性能可靠。為滿足要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如下：使用紅光和藍(lán)光兩種大功率LED 作為光源，以LED 及其恒流驅(qū)動(dòng)電路集成的燈板作為發(fā)光單元，接口簡單、容易擴(kuò)展；采用兩種AC/DC 模塊電源，實(shí)現(xiàn)燈板供電、光強(qiáng)控制和光周期調(diào)節(jié)。燈板采用冷板集中散熱方式，通過調(diào)節(jié)制冷回路中冷卻液的流量和溫度，使燈板有效控溫，充分散熱。

該植物光照系統(tǒng)主要由燈板、電源系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)三個(gè)部分組成，下面分別對(duì)其結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及集成設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2.1 燈板

燈板作為植物光照系統(tǒng)中獨(dú)立的發(fā)光單元，將LED、恒流驅(qū)動(dòng)電路和電連接器等元器件集成在PCB 板上。每塊燈板上21個(gè)LED與恒流驅(qū)動(dòng)電路串聯(lián)成一路，共12路并聯(lián)，均勻布局，形成發(fā)光陣列。AC/DC 輸出電壓通過電纜和電連接器接入燈板，在燈板恒流電路的驅(qū)動(dòng)下，使LED 輸出穩(wěn)定的光強(qiáng)和光質(zhì)。由于生菜和油麥菜具有易于培養(yǎng)、占用空間小、生長周期短、食用方便、富含多種營養(yǎng)成分等特點(diǎn)，通常用作CELSS 的空間生物部件，郭雙生和唐永康的研究表明，90%紅光+10%藍(lán)光的組合方式有利于這兩種蔬菜植株的生長發(fā)育及產(chǎn)量與品質(zhì)的提高[11～12]，因此本燈板采用660nm 的紅光LED 和450nm 藍(lán)光LED，按9∶1 的比例在燈板上均勻布局。該植物光照系統(tǒng)共使用144 塊結(jié)構(gòu)一致的燈板，總光照面積達(dá)到36m2。

該燈板的優(yōu)點(diǎn)如下：(1）結(jié)構(gòu)緊湊，可牢固安裝，適應(yīng)空間力學(xué)環(huán)境；(2)LED 陣列發(fā)光強(qiáng)度高，光電轉(zhuǎn)化率高，光照均勻；(3)光質(zhì)配比適宜，滿足空間植物生長需要；(4)驅(qū)動(dòng)電路簡單，易于集成，安全可靠，光照強(qiáng)度穩(wěn)定；(5)發(fā)熱部位集中在同一平面上，便于散熱控制；(6)作為獨(dú)立發(fā)光單元，接口簡單，易于根據(jù)不同栽培面積需要進(jìn)行擴(kuò)展。

1.2.2 電源系統(tǒng)

使用AC/DC 電源模塊，將交流市電分別轉(zhuǎn)換為V1 和V2 兩種直流穩(wěn)壓電源，對(duì)所有燈板進(jìn)行集中供電。植物光照系統(tǒng)按栽培區(qū)域共分為12 個(gè)燈板組合，編號(hào)為AL，每組包含12 塊燈板。每組燈板采用一個(gè)V1 電源模塊進(jìn)行光周期控制，每個(gè)V2 電源模塊給4 塊燈板供電。各電源模塊輸入端與組合控制開關(guān)連接，對(duì)電源系統(tǒng)實(shí)施過流保護(hù)、漏電保護(hù)、隔離保護(hù)，并進(jìn)行燈板的光周期控制。各V2 電源輸出端設(shè)置光強(qiáng)調(diào)節(jié)電路，實(shí)現(xiàn)燈板的光強(qiáng)調(diào)節(jié)。設(shè)置專用制冷系統(tǒng)對(duì)所有電源模塊集中散熱。該系統(tǒng)光周期和光強(qiáng)調(diào)節(jié)方便，電源模塊散熱效果好，系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定。植物光照系統(tǒng)供電原理圖如圖1 所示。

圖1 植物光照系統(tǒng)供電原理圖

1.2.3 散熱系統(tǒng)

該植物光照系統(tǒng)中采用新型大功率（1W）LED 光源，最大輸入功率達(dá)到36kW 以上，而LED 光電轉(zhuǎn)化效率大約為2030%，因此該系統(tǒng)最大散熱量超過25kW。設(shè)計(jì)中燈板上各元器件均采用貼片式封裝結(jié)構(gòu)，發(fā)熱部位相對(duì)集中在燈板發(fā)光面背側(cè)的平面上。根據(jù)燈板局部散熱、負(fù)荷集中的特點(diǎn)，解決空間微重力環(huán)境無自然對(duì)流傳熱問題，設(shè)計(jì)了冷板集中散熱、以乙二醇水溶液作為冷卻工質(zhì)的液冷散熱方案，通過控制冷卻液的溫度及流量實(shí)現(xiàn)冷板溫度控制。冷板采用“雙排管+逆流” 方式的特殊鋁板結(jié)構(gòu)，使冷板表面溫度分布均勻。冷板的一側(cè)安裝冷卻液循環(huán)管路，另一側(cè)作為吸熱面安裝燈板。冷卻液在制冷回路中循環(huán)流動(dòng)，不斷地帶走燈板熱量，使燈板溫度維持在恒定的溫度范圍內(nèi)。燈板與冷板之間采用絕緣導(dǎo)熱材料填充，通過緊固螺釘連接，使冷板吸熱面和燈板散熱面充分接觸、良好貼合，減小燈板和冷板間的溫差。各冷板管路串聯(lián)流量調(diào)節(jié)閥，每塊冷板表面貼裝兩個(gè)溫度傳感器，對(duì)燈板溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過對(duì)冷板入口冷卻液溫度和流量的調(diào)節(jié)，使燈板溫度控制在預(yù)定范圍內(nèi)。該方案散熱效果好、安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊牢固、散熱均勻、滿足空間力學(xué)環(huán)境要求，也有利于日后直接利用空間冷源，達(dá)到更加經(jīng)濟(jì)、高效和安全可靠的效果。

1.2.4 系統(tǒng)集成

該系統(tǒng)根據(jù)栽培盤布局安裝，燈板通過冷板分別安裝在12 個(gè)栽培架上。冷板暴露部位使用絕熱材料包覆處理，與周圍空氣有效隔離。燈板電流較大，燈板和電源系統(tǒng)連接采用大線徑導(dǎo)線，按最短距離布線，減小線路損耗。燈板散熱結(jié)構(gòu)見圖2 所示，光照系統(tǒng)安裝效果圖見圖3 所示。

圖2 燈板散熱結(jié)構(gòu)圖

圖3 光照系統(tǒng)安裝效果圖

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

■2.1 光照穩(wěn)定性

從受控生態(tài)生保技術(shù)集成試驗(yàn)平臺(tái)安裝調(diào)試完畢開始，測量光照系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)，以燈板正下方40cm 處為測量基準(zhǔn)點(diǎn)，隨機(jī)抽取5 塊燈板作為以后的跟蹤目標(biāo)，計(jì)算平均值，得到該系統(tǒng)光合有效輻射強(qiáng)度初始值為550μmol·m-2·s-1(PAR)。之后，該試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了三次24h（光亮）/0h（光暗）全光照周期試驗(yàn)，總計(jì)時(shí)間為105 天，獲得了每天的光照數(shù)據(jù)。每隔5 天取一次數(shù)據(jù)，獲得光合有效輻射強(qiáng)度變化曲線如圖4 所示。分析結(jié)果表明，該光照系統(tǒng)穩(wěn)定性好，除測量誤差影響外，運(yùn)行105 天后光合有效輻射強(qiáng)度基本沒有衰減。

圖4 105 天光合有效輻射強(qiáng)度變化曲線

■2.2 燈板散熱效果

燈板散熱通過冷板換熱實(shí)現(xiàn)，LED 發(fā)熱部位的溫度由于無法監(jiān)測，所以只對(duì)冷板溫度進(jìn)行測量分析。第三次植物栽培試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行了50 天，每天采集光強(qiáng)跟蹤測量對(duì)應(yīng)的5 塊冷板溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值。每隔5 天取一次數(shù)據(jù)，獲得冷板溫度變化曲線如圖5 所示。從試驗(yàn)曲線可以看出，試驗(yàn)運(yùn)行剛開始一段時(shí)間內(nèi)冷板溫度略偏高，對(duì)冷卻液溫度和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)后，冷板溫度基本穩(wěn)定在30°C 左右。結(jié)果表明，燈板散熱基本被冷板吸收，燈板散熱效果良好。

圖5 冷板溫度變化曲線

■2.3 光照系統(tǒng)與植物匹配效果

從種子發(fā)芽到植株生長發(fā)育成熟，連續(xù)進(jìn)行全周期光照，結(jié)果表明，該光照系統(tǒng)提供的光源適合空間植物生長要求。光照系統(tǒng)與植物生長匹配效果見圖6 所示。

圖6 光照35 天植物生長形態(tài)圖

3 結(jié)論

通過該植物光照系統(tǒng)的研制，并經(jīng)過大范圍使用LED、24h 連續(xù)光周期運(yùn)行50 天的植物栽培實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)特點(diǎn)如下：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，燈板安裝牢固，易于擴(kuò)展，噪聲小，滿足空間環(huán)境要求；（2）輸出光照強(qiáng)度高，光強(qiáng)及光周期可調(diào)，光照均勻，光質(zhì)匹配合理，滿足空間植物光照需要；（3）散熱效果好，燈板能實(shí)現(xiàn)有效控溫，光照穩(wěn)定可靠；（4）燈板與電源系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)匹配協(xié)調(diào)，光電轉(zhuǎn)化率高，節(jié)能高效。綜合結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能良好，滿足密閉環(huán)境植物栽培光照要求，相關(guān)技術(shù)可用于長期空間飛行大規(guī)模植物栽培系統(tǒng)。