LED在设施园艺产业的应用现状和发展趋势2082.docx
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4、售经理理学院56套讲座座+ 1143550份资料./Shhop/46.shttml销售人员员培训学学院72套讲座座+ 448799份资料./Shhop/47.shttml LED在设设施园艺艺产业的的应用现现状与发发展趋势势 杨其长 (中国农业业科学院院农业环环境与可可持续发发展研究究所,北北京 10000811)摘 要:设施园园艺是一一个能耗耗相对较较高的产产业,其其中人工工光能耗耗占有相相当的比比重,减减少人工工光能耗耗是实现现设施园园艺节能能的重要要课题。LED不仅具有体积小、寿命长、耗能低、波长固定与低发热等优点,而且还能根据植物需要进行发光光谱的精确配置,实现传统光源无法替代的节能、
5、环保和空间高效利用等功能。该文通过对LED在设施园艺领域研究现状的详细阐述,重点介绍了LED的光源特性及其在设施栽培、组织培养、植物工厂和太空农业等方面的应用进展,并对LED在人工补光、植物工厂、生命保障系统以及与新能源结合等方面的应用前景进行了分析和展望。关键词:人人工光源源;发光光二极管管(LEED);设施园园艺Appliicattionn annd FForeegrooundd off Liightt-Emmitttingg Diiodee(LEED)iin PProttectted Horrticcultturee Yang Qicchanng( Insstittutee off En
6、nvirronmmentt annd SSusttainnablle DDeveeloppmennt iin AAgriicullturre, Chiinesse AAcaddemyy off Aggriccultturaal SScieencees, Beiijinng 11000081, Chhinaa)Abstrractt: TThe apppliccatiion of ligght-emiittiing dioode (LEED) in agrricuultuure andd biio-inddusttry hass beeen conncerrnedd byy alll ooverr
7、 thhe wworlld wwithh thhe ddeveeloppmennt oof LLED tecchnoologgy. LEDD noot oonlyy haas mmanyy addvanntagges, suuch as smaall sizze, lonngerr liife, loow eenerrgy connsummptiion, paartiicullar wavveleengtth aand loww prroduuctiion of heaat, butt allso cann emmit thee exxactt sppecttrumm baasedd onn
8、thhe nneedd off pllantt. LLED cann acctuaalizze aa loot oof ffuncctioons, suuch as eneergyy-saavinng, envviroonmeent-friienddly andd effficciennt sspacce uutillizaatioon, whiich cannt bbe aachiieveed bby cconvventtionnal ligght souurcee. TThe apppliccatiion of LEDD inn aggriccultturee annd bbio-indd
9、usttry hass beeen revviewwed in thiis ppapeer, whiich inccluddes thee chharaacteerissticcs oof LLED andd thhe pproggresss oof LLED appplieed iin pplannt cculttivaatioon, tisssuee cuultuure, pllantt faactoory andd coontrrollled ecoologgicaal llifee suuppoort sysstemm(CEELSSS). Trennds of LEDD appplii
10、ed in arttifiiciaal llighhtinng, plaant facctorry, CELLSS andd coombiinattionn wiith neww ennerggy aare alsso ooutllineed.Key wwordds: Arttifiiciaal llighhtinng, Ligght-Emiittiing Dioode(LLED), PProttectted Horrticcultturee0 引言言 设设施园艺艺是一个个高投入入、高产产出的产产业,同同时也是是高能耗耗的行业业。据联合国国粮食计计划署统统计,全全世界一一年农业业生产的的能耗量
11、量有35用于设施施园艺产产业,能能耗费用用约占温温室作物物生产总总费用的的15400。人人工光源源作为设设施园艺艺的重要要组成部部分,同同时也是是耗能和和增加运运行成本本的主要要因素。有关资料显示,大型连栋温室人工补光(以高压钠灯或金属卤素灯为人工光源)的能耗功率约为200kw/ha;植物苗工厂(以荧光灯为人工光源)各种设备的能耗比例为:照明约占82,空调制冷约占15,其他占3(Kozai,2002);人工光植物工厂(以荧光灯为光源),照明能耗(三层结构)为800W/m2,约占总能耗的45-55(Yang,2006));植物组培人工光(以荧光灯为人工光源)的能耗(培养架四层结构)为500-60
12、0W/m2,约占运行费用的30%-40。长期以来在设施园艺领域使用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等,这些光源的突出缺点是能耗大、运行费用高。因此,提高发光效率、减少能耗一直是设施园艺领域人工光应用的重要课题。 如果果能近年年来,随随着光电电技术的的发展,带带动了高高亮度红红光、蓝蓝光与远远红光发发光二极极管(LLighht-EEmitttinng DDiodde, LEDD)的诞诞生,使使低能耗耗人工光光源在设设施园艺艺领域的的应用成成为可能能。LEED具有有高光电电转换效效率、使用直直流电、体体积小、寿命长长、耗能低低、波长长固定与与低发热热等优点,与目目前普遍遍使用的
13、的高压钠钠灯和荧荧光灯相相比,不不仅光量量、光质质(红/蓝光比比例或红红/远红红光比例例等)可可调,而而且还是是低发热热量的冷冷光源,可可近距离离照射,从从而使植植物的栽栽培层数数和空间间利用率率大大提提高。因因此,LLED被被认为是是未来设设施园艺艺领域最最有前途途的人工工光源,具具有良好好的发展展前景1,22。1 LEED的基基本原理理与优势势图1 LED结构原理图Fig1 Schematic diagram of LED structureLED(LLighht- Emiittiing Dioode),又称发光二极管,由-族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷
14、化镓)等半导体材料制成,其核心是PN结(图1所示)。它是利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体中的载流子发生复合,放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。按发光强度和工作电流可分为普通亮度的LED(发光强度100mcd)等类型,其中超高亮度LED寿命可达5万小时以上,且光衰仅为30%3。LED的相相关产品品早在220世纪纪60年年代初就已面面世,119622年世界界上首个个GaAAsP 红色LLED(p=6650nnm)研研制成功功,随后黄黄色LEED开始始出现,但但这一阶阶段LEED光源源仅局限限于标识识、观赏赏等领域域的应用用。200世纪880年代代中期,高高亮度LLE
15、D开开始推出出,19993年年又相继继研制出出蓝色和和绿色LLED产产品,119966年白色色LEDD相继研研制成功功。但由由于受亮亮度、价价格等因因素的影影响,LLED很很长一段段时期一一直未能能作为通通用光源源推广应应用。最最近100年来,随随着国际际上对半半导体发发光材料料研究的的不断深深入,LLED性性能的不不断提高高,价格格的大幅幅度下降降,以及及大功率率LEDD产品的的相继推推出,使使LEDD的普及及逐渐成成为可能能4。图2 红蓝蓝光光谱谱分布目前,LEED已被被广泛应应用于汽汽车、通通讯、资资讯、交交通信号号、家电电、照明明以及生物物医药等等众多领领域。与与高压钠钠灯、白白炽灯、
16、荧荧光灯等等其他人人工光源源相比,LLED的的优势在在于:11.使用用电源电电压较低,供电电电压仅仅为624VV,比使使用高压压电源更更安全;2.节节能高效效,耗电量量仅为白炽炽灯的八八分之一一,荧光光灯的二二分之一一;3.可发出出光波较较窄的单单色光(图图2),如如红外、红红色、橙橙色、黄黄色、绿绿色、蓝蓝色等,而而且还可可以根据据不同需需要任意意组合;4. 低发热热特性的的冷光源源,可以近距离离照射植植物,提提高空间间利用率率;5.可以在在极短时时间内发发出脉冲冲光,响响应时间间快;66.体积积小、结结构紧凑凑、稳定定性强;7.无无污染,作作为全固固体发光光体,不不含金属属汞、耐耐冲击、不
17、不易破碎碎,废弃弃物可回回收,是是一种绿绿色照明明产品;8.寿寿命长,可可达500,0000小时时以上,是是普通照照明灯具具的几十十倍。近年来来,随着着光电技技术的不不断革新新,LEED正向向高亮度度、低成成本的目目标快速速推进2,33,为为这一新新型光源源的普及及与应用用提供了了广阔的的空间5。2 LEDD在设施施园艺领领域的应应用现状状 园艺作物物的光合合作用,主主要是利利用波长长为6110mmm7220nmm(波峰峰为6660nmm)的红红橙光,吸吸收的光光能约占占生理辐辐射的555左左右;其其次是波波长为44005100nm (波峰峰为4550nmm)的蓝蓝紫光,约约占8左右右。 LE
18、ED能够够发出植植物生长长所需要要的单色色光(如如波峰为为4500nm的的蓝光、波波峰为6660nnm的红红光等),光谱域域宽仅为为20nnm,红红蓝光LLED组组合后,能能形成与与作物光光合作用用和形态态建成基基本吻合合的光谱谱吸收峰峰值,光能利利用率可可达800990,节节能效果果显著。LED光源这种独特的性能,为其在设施园艺领域的应用提供了有效的发展空间6。2.1 LLED在在设施栽栽培领域域的应用用世界上最早早将LEED用于于植物栽栽培的是是日本三三菱公司司,早在在19882年就就有关于于采用波波长6550nmm红色LLED进进行温室室番茄补补光的试试验报道道6。19987年年美国WW
19、iscconssin大大学Tiibbiittss等人开开始采用用LEDD进行莴莴苣的栽栽培试验验,19991年年该校的的Bulla等人人利用红红光6660nmm的LEED与蓝蓝色荧光光灯结合合,进行行生菜(LLacttucaa Saativva LL)的栽栽培试验验,获得得成功7。19993年年日本香香川大学学的冈本本和柳用用红色LLED进进行了菠菠菜和莴莴苣的栽栽培试验验。三菱菱化学(株株)的渡渡边和田田中也利利用LEED进行行植物栽栽培的实实用化研研究,探探讨了脉脉冲光照照射周期期与占空空比对植植物生长长的影响响。结果果表明,占占空比达达2550时,可可加速植植物生长长。Okkamooto
20、等等(19996)使用超超高亮度度红光LLED与与蓝光LLED,在在红蓝光光比值(RR/B)为为2:11时,可可以正常常培育莴莴苣;同同年,YYanaagi 等(19996) 使用用红光LLED与与蓝光LLED来来探讨光光质与光光量对莴莴苣生长长与光形形态建成成的影响响,将莴莴苣栽培培于纯蓝蓝光LEED(1170mollm-2ss-1)的环境境中,证证实可分分化生长长,虽然然干物重重小于纯纯红光或或红蓝光光组合下下的植株株,但纯纯蓝光下下的植株株显得更更加矮壮壮和健康康。三菱化化学的渡渡边博之之(20002)使使用LEED脉冲冲光对莴莴苣的生生长以及及光合成成反应的的影响进进行研究究。结果果表
21、明,在在周期为为1000s以下下的脉冲冲光条件件下,生生菜生长长比连续续光照射射条件下下促进效效果提高高了200%,从从而证实实了采用用不同频频率脉冲冲光照射射莴苣可可以加速速植物生生长。HHeo 等(220022)研究究发现,荧荧光灯+红色LLED, 荧光灯灯+远红红外LEED复合合光照处处理,比比单一荧荧光灯处处理能显显著提高高万寿菊菊的气孔孔数量8。中林林和重(220022)研究究了红色色、蓝色色LEDD特定频频率的光光刺激对对小油菜菜的影响响,证实实了采用用LEDD进行光光刺激对对植物体体生长、汁汁液成份份以及无无机成份份(钾、钠钠)含量量产生影影响。魏魏灵玲等等(20007)利利用红
22、色色LEDD(6660nmm)+蓝蓝色LEED(4450nnm)进进行了黄黄瓜的育育苗试验验(图33所示),结果表明,LED的红蓝光比值(R/B)为7:1时,黄瓜苗的各项生理指标最优,LED的能耗与荧光灯相比为1:2.73,节能效果显著9。闻婧等(2009)通过对R/B的不同配比条件下叶用莴苣生理形状及品质的影响机理研究,。图3 LED黄瓜育苗试验 Fig2 Test of cucumber seedling under LED到目前为止止,LEED已成成功用于于多种作作物的设设施栽培培,包括括:莴苣苣(Buula et al.,19991;Okaamotto eet aal.19997)、胡
23、胡椒(SSchuuergger et al.,19997)、胡瓜瓜(Scchueergeer & Brrownn,19997)、小麦麦(Gooinss ett all.,119977)、菠菠菜(YYanaagi & OOkammotoo.19994)、虎头头兰(TTankka eet aal.,19998)、草草莓(NNhutt ett all.,220000)、马马铃薯(Iwaanammi eet aal.,19992,JJao & FFangg,20002)、蝴蝶蝶兰(JJao & FFangg,20002)、白白鹤芋(Nhuut eet aal.,20001)及及藻类(Leee & Pa
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