设施园艺LED照明系统光效提升的 3 个途径！

【中国建材家居网】设施园艺半导体照明是指采用半导体电光源及其智能化管控装备，按照农业生物的光环境需求规律和农业生产各领域的生产目标要求，人为创造适宜的设施光环境或弥补自然光照的不足，调控农业生物的生长发育和繁殖，以实现优质、高产、高效、稳产生产目标的一种设施园艺措施，它是农业半导体照明的最重要领域，应用进展和潜力最大。

各应用领域生物形态多样，光环境需求差异迥然，主要应用总结如下。①温室补光。为增加植物光合产量，提高光照强度，延长光周期，须进行人工补光。②食用菌工厂。目前，食用菌生产工厂化程度高，多数食用菌对光强要求不高，但对光质要求苛刻，产量品质效应大，光环境调控非常重要，应用潜力巨大。③植物工厂。植物工厂作为设施园艺的最高级发展阶段，可用于蔬菜、苗木(蔬菜苗、水稻、烟草等)、中草药等的规模化生产。智能化人工光环境调控对其生产效率起决定性作用。④植物组培。植物组培是种苗快繁、脱毒的重要手段，完全采用人工光照进行生产，对人工光源需求极大，电光源升级换代十分迫切。

设施园艺半导体照明应用领域十分复杂，需要开展系统、多层面、多尺度的研究工作。

原因之一，农业生物营养与生长发育规律具有多样性和复杂性，农业生物对光环境的响应机理各不相同，研究方法各异，需要逐一系统研究，揭示其光生物学规律。譬如，植物是利用光能、CO2和水，通过叶绿素光合作用形成碳水化合物，将光能转变为化学能；而微生物(以食用菌为例)则需通过胞外酶分解栽培基质获取所需营养产生菌丝和子实体。3种农业生物的营养方式根本不同。

原因之二，农业生产领域庞杂，农业生物种类多样及其赋存形态各异，对光环境时空需求不同。

原因之三，光环境的数量属性(光强和光周期)、质量属性(光质和光谱)和电光源发光特性(占空比、频率)多，需要逐一研究其生物学效应。

上述3方面因素叠加显现了植物光生物学研究的复杂性和系统性。

1、设施园艺LED照明系统装备的构成

设施园艺半导体照明的本质特征是光环境(光质、光强和光周期)的精准、动态、按需调控，实施高效的农业半导体照明就需要以农业生物光环境需求时空规律为基础建立不同的调控策略。

设施园艺LED照明系统装备包括LED光源及LED灯、LED灯悬挂装置及调控系统、光环境智能控制系统3个方面。LED照明系统的设计与研发是以最大化提高其光电转化效率和时空生物光效为目标的。LED光源与灯具效率增效、农业生物光生物学规律的解析是节能LED照明系统装备研发及构建高光效应用策略的基础。

设施园艺专用LED光源及灯具的设计研发，关注照射的均匀性、光质组配的合理性、散热的可靠性、LED芯片功率的适宜性、发光面设计的高效性和感官舒适性。需遵循以下几个原则。

(1)高光能利用率原则。通过制定合理光谱组分，最大程度增加LED光源的发光效率，减少光源与被照射生物距离，减少光损失。

(2)低成本原则。成本是决定设施园艺半导体照明产业化发展的重要因素，需挖降低成本技术。

(3)生态安全原则。在满足设施园艺作物光合生理需求基础上，适宜改进纯红蓝光谱组成，增加微量或少量绿光成分，增加视觉健康。

(4)优先开发设施园艺高附加值农产品专用LED光源及灯具，利于灯具销售，培育龙头企业。

(5)通用性原则。优先开发与传统T5和T8灯具通用的LED灯管及相关产品。

LED灯悬挂装置及调控系统包括LED灯悬挂方式、空间位置控制装置、栽培平台及调控装置等，决定着植物冠层截获人工光的效率高低。建立光环境智能控制系统及其光环境智能控制策略是设施园艺LED照明系统重要组成部分。

农业半导体照明大数据涉及设施农业类型、农业生物种类与品种、LED光源及灯具类型、光照配方与照射方式、生产目标、控制策略等方面，需要建立由设施农业生物种类和品种数据、农业生物生长发育光环境需求数据、农业生物优质高产光环境调控数据、设施内光环境动态变化数据、设施环境要素日变化和季节变化数据等组成的数据库。

2、设施园艺LED照明系统光能利用效率

从光能产生到植物吸收利用的过程来分析，设施园艺LED照明系统的光能利用效率是指电能转化为光能被植物利用的效率，它受3个环节控制，即LED光源及LED灯、LED灯悬挂装置及调控系统、光环境智能控制系统。因此，为提高光能利用效率，需要从上述3个方面来解析研发。

3、设施园艺LED照明系统光效提升的途径

3.1 LED光源及LED灯发光效率

以人工光源灯具输出的光合有效光量子通量与其单位耗电量的比值，即光合有效光量子效率(mol/W)来评价光源灯具光效，但这必须以光谱构建为基础。

首先，在LED芯片光质构建方面通过芯片选型、光谱构建、荧光粉应用、封装方式等获得低成本、节能高效光谱；

其次，通过选择适宜的LED灯珠发光角度和LED阵列排布方式，获得垂直方向适宜的光强分布和均匀性；

再次，通过LED光源灯具发光面性状设计，获得最大冠层光能截获率，提高光照效益；

最后，改进灯具的散热系统装置，提高寿命，获得较好的投入产出效益。目前常见的散热方式有：自然冷却、主动空气冷却、直接液体冷却等，通过热传导、热对流和热辐射散热。

3.2 LED灯悬挂装置及调控系统效率

LED灯悬挂装置及调控系统涉及LED灯与作物冠层相对空间关系，涉及到光束照射方向、照射面、冠层光截获比例等参数。光环境智能控制系统关系到光照的时空生物有效性、强度适宜性和产量品质效益等3个方面。LED灯悬挂装置及调控系统包括悬挂方式、空间位置调节装置、栽培平台创新与调控等环节的技术途径。

3.3 光环境智能控制系统效率

设施园艺半导体照明的本质特征是光环境(光质、光强和光周期)的精准、动态、按需调控，实施高效的农业半导体照明就需要以农业生物光环境需求时空规律为基础建立不同的调控策略，迫切需要构建农业半导体照明大数据及智能控制系统。

光质、光强和光周期的控制，从光的质量和数量双重角度与植物光环境需求规律相对应，恰到好处地为植物生长提供适宜的光环境条件，最大程度地从时空角度挖掘植物生长发育的潜力，最大地促进植物快速优质生长。

为了构建农业半导体照明大数据，需要以农业生产领域和农业生物种类为核心，以优化光质种类及其数量属性为重点，建立优质高产光环境需求动态数据，调控策略和软硬件装备。

4、设施园艺LED照明系统光效提升技术现状

4.1 温室LED补光系统

温室补光是设施园艺半导体照明的重要领域。近些年，为提高温室LED补光装备的光效水平，主要在光源灯具、悬挂方式方面进行了创新。在光源灯具方面，开发出了冠层双面LED补光灯、冠层双斜面LED补光灯、落地补光灯和可折叠翼状补光灯。在补光悬挂方式方面，开发了多种冠层贴近式补光技术，包括冠层上方贴近式补光、冠层内补光和冠层侧面立体补光技术等，极大地提高了设施园艺LED照明系统的光效，具有重要意义。

4.2 人工光植物工厂LED照明系统

人工光植物工厂是设施园艺半导体照明的重要领域。近些年，在LED灯悬挂装置及调控系统、栽培平台创新与调控等环节实现了技术突破。研发出了LED光源空间管理技术，实现了LED光源灯具水平可控移动技术装置，通过植物工厂内区域间错时照明的方法节省50%的LED照明系统，降低了光源灯具成本；研发出了LED光源灯具垂直可控移动技术装置，根据植物植株冠层高低动态调控LED光源灯具的垂直高低，可节能18%以上。

5、结语

设施园艺半导体照明是一种节能、高效、精准的光环境调控技术，不仅调控植物的生长发育，而且可调控农产品品质，对保障国家食物安全和农产品有效供给具有重要应用价值。

随着LED器件价格的持续高速下降，设施园艺LED照明系统的成本将会逐年降低，应用推广潜力和前景非常大。为了达到光环境调控最佳效果，必须在提升设施园艺LED照明系统性能上攻关，从光源、灯具、悬挂、栽培平台、智能控制等方面进行技术创新，全面提升系统的光效水平，提高设施园艺半导体照明的效益。

信息整理：中国建材家居网十大灯饰品牌专题小编整理报道