第二章设施光环境控制.ppt

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1、第一节 设施光环境特征,温室内的光照环境不同于露地，其光照条件受温室方位、骨架结构、透光屋面形状、大小和角度、覆盖材料特性及其洁净程度等多种因素的影响，导致设施内的光照强度、光照时数、光质、光的分布状况等与外界环境有较大差异。,一、 设施光环境特点,第二章 设施光环境及其调控,光照强度：50%70%自然光,光照时数：等于或者短于露地,光质：与透明覆盖材料的性质有关,光分布：不均匀,二、影响设施光环境的因素,（一）室外光照条件：温室内的自然光照来自室外太阳辐射，因此在光照强度、光谱分布以及光照周期等方面，室内光照环境首先是受室外光照条件的影响。,（四）屋面倾斜角,（五）温室的方位角,（六）植株垄

2、（行）向,（七）温室结构、设备的遮光,（三）直射光入射角,（二）覆盖材料,设施上空的太阳辐射由太阳直接辐射和散射辐射组成，其强度计算公式为： Rs=0.5 Rsc(1+am) sin 其中，Rsc 是太阳常数1367W/m2； a 是大气透明系数，与晴天（0.9）和污染（0.6） 有关，一般为0.84左右。 为太阳高度角，与当地纬度和一天中所处的 时间有关。 m 为大气质量数，与太阳高度角，所处地的海 拔等相关。,1. 室外光照强度,太阳高度角增大，太阳辐射强度增加。,随纬度越低，总辐射量越大，反之就越小。,我国全年太阳总辐射分布图,我国各地区太阳辐射年平均总量在380-840107J/(m2

3、.a)范围内，一般西部多于东部，山区多于平原。 四川盆地为低值区，最低仅为310107J/(m2.a)。青藏高原为高值区，年平均总量达到790107J/(m2.a)。,湖北省太阳能资源区划图,湖北省年太阳总辐射分布图,三联体光伏大棚侧立面图,光伏农业大棚项目单体(三联体棚)占地面积约2200m2 ，属于设施农业示范项目。光伏高效种植大棚是利用太阳能光伏发电和农业种植相结合，大棚内部设有植物补光灯、地源热泵、加温和散热设备，实现农业种植的绿色、高产、高效。建筑结构为框剪结构，结构设计使用年限为30年，建筑抗震设计类别为丙类。屋顶太阳能组件方阵安装采用固定倾角安装形式，由于需要保障屋顶的防水、保温

4、，所以光伏组件采用插入式专用光伏支架与屋面结合，缝隙处以橡胶条、密封胶填补。,国内光伏农业大棚实景,单位：微米（um）,太阳辐射光谱是一个波长为0至无穷大的连续光谱，但99%的能量集中在1704000nm，最大能量的波长为475nm，紫外光（250380nm）占7%，可见光（380760）占47%，红外光（7604000nm）占46%。,2. 室外太阳辐射光谱分布,太阳辐射穿过地球大气层时，被大气分子吸收，散射，以及受雾和云的质点反射而被衰减。,太阳辐射光谱,3. 室外光照时间,北半球不同纬度昼长变化,设施外光照时间与昼长有关，昼长随着季节的变化而变化，但不同纬度地区有不同的变化，赤道附近地区

5、季节变化时昼长变化很小。,（二）覆盖材料,不同覆盖材料有不同透光率，覆盖材料影响设施内的光照强度，同时影响温室内的光谱组成。,不同覆盖材料的透光性能： 目前用于设施覆盖的材料主要有玻璃、玻璃纤维聚酯板（FRP板）、玻璃纤维树脂板（FRA板）、碳酸树脂板（PC板）、聚丙烯树脂板（MMA板）、聚乙烯薄膜（PE）、聚氯乙烯薄膜（PVC）、醋酸丙烯薄膜（EVA）以及硬质塑料膜PET、ETFT等。,玻璃纤维聚酯板（FRP板）,聚丙烯树脂板（MMA板）,PE膜,碳酸树脂板PC阳光板,玻璃纤维聚酯板（FRP板）,玻璃对可见光的透过率很高，近红外以及波长2500nm以内的部分红外线透光率也很高。玻璃能阻止45

6、00nm以上的长波红外线通过，对保温有利，但300nm以下波长紫外光基本不透过。,普通玻璃和热反射玻璃（玻璃-膜-玻璃）的透光率,4mm普通浮法玻璃 4mmITO膜热反射玻璃,建筑玻璃贴膜的效果 隔热节能：阻隔79%太阳能热量，降低温度3-5，降低空调能耗。 防紫外线：阻隔98%以上紫外线，保护健康、减缓家私及地板老化。 单向透光：营造个人空间，同时不影响欣赏室外的风景。 减少眩光：减少刺目眩光，增添舒适感。 防爆防盗：贴膜玻璃的强度是普通玻璃的4-20倍，防止玻璃碎片溅射伤人。 装饰美化：居家、办公室玻璃起到良好的隔断和装饰作用。,FRP板、PC板与玻璃一样，300nm以下波长紫外线透过率很

7、低。FRA板和MMA板紫外线透过率较高。其余特性与玻璃相似，但抗老化性能差，透光率年递减1%以上。,硬质板的透光率,醋酸丙烯薄膜（EVA）、聚乙烯薄膜（PE）和聚氯乙烯薄膜(PVC)薄膜对可见光的透过率相近，都在90%左右，对近红外光到波长5000nm的红外线光的透过率，EVA、PE和PVC膜也比较接近。但EVA和PE膜可透过300nm以下的紫外线，PVC只能透过300380nm的紫外线。PE膜对5000-25000nm的远红外辐射的透过率也高于PVC膜，所以PE和EVA膜对果色、花色和维生素C的形成有利，但保温不如PVC。,软质塑料膜的透光率,硬质塑料膜PET、ETFE的可见光透过率高达90

8、%93%，紫外线透过率也是最好的，特别是ETFE膜，300nm以下的紫外线透光率都高达70%以上。,农用氟素树脂膜（ETFE）的透光率,1聚氯乙烯膜（PVC）：优点是透光性好，阻隔远红外线，保温性强，柔软易造型，好黏接，耐候性好。日本在设施栽培中80左右覆盖PVC棚膜。缺点是密度大（为1.3g/cm3），一定重量棚膜覆盖面积较聚乙烯膜（PE）减少13，成本高，低温下变硬脆化，高温下又易软化松驰，助剂析出后膜面易粘尘土，影响透光，残膜不能燃烧处理，因为会有毒氯气产生。 2聚乙烯膜（PE）：质地轻、柔软、易造型、透光性好、无毒，适于作各种棚膜、地膜，是我国当前主要的农膜品种。缺点是：耐候性差，保温

9、性差，不易粘接。如果生产大棚薄膜必须加入耐老剂、无滴剂、保温剂等添加剂改性，才能适合生产的要求。 3乙烯醋酸乙烯聚物膜（EVA）：EVA对红外线的阻隔性介于PVC有PE之间。EVA有弱极性，可与多种耐侯剂、保温剂、防雾剂混合吹制薄膜，相容性好，包容性强。 不同材质具有不同的特性：EVA有特别优异的耐低温性；其次是PE，含有30%增塑剂的PVC农膜在0C时硬化，抗拉力及耐冲击性极差。EVA及PVC农膜不适于高温炎热的夏天应用。PVC与PE初始透光率均可达到90%，PVC随着时间的推移，影响透光，使透光率很快下降。而PE透光率下降速度较为缓慢。,2. 覆盖材料的污损与老化： 覆盖材料对太阳辐射的透

10、光率除自身的物理特性外，还受其表面附着尘埃、水汽和自身老化的影响。不同覆盖材料抗老化的能力不同，玻璃最强，树脂板较差。,温室内的水汽冷凝到覆盖材料内侧，形成水珠，对太阳直射光产生折射，使直射光的投射率大大降低，光质也会改变。冷凝对透光率的影响和所形成的水珠状态有关，水珠状态影响最大，膜状冷凝最小，当形成的水膜厚度不超过0.1 1.0mm时，几乎没有影响。在膜的表面涂抹亲水材料形成防雾膜、无滴膜，可减小其影响。,（三）直射光入射角,一般光线入射角越大，透光率越低，但入射角在40以下时，其降低程度较小。入射角大于40的情况下，随着入射角的增大，透光率降低速率显著增大。入射角大于60时透光率急剧减少

11、。 入射角与温室的方位、屋面倾斜角和太阳高度角有关。,入射角对玻璃和透明塑料透光率的影响,当温室纵向轴线沿东西向配置时，南坡屋面的入射角为：,=90-,北坡屋面的入射角为：,=90+-,当温室纵向轴线沿南北向配置时，屋面的入射角为：,=90-,（四）屋面倾斜角,由前面内容可知，当温室纵向轴线沿东西向配置时，南北坡屋面的入射角都与太阳高度角和屋面坡度有关，为了保证有合理的透光率，入射角应在40以下： 因此，南坡屋面的倾角应为：,则有：,=90- -40, 50- ,东西向温室正午屋面日光入射角,生产上，北纬40地区为了在12月21日上午9：00到下午15：00间获得较高的透光率，温室的屋面倾斜角

12、应该小于50 - 15 = 35 。,不同纬度下的太阳高度角线图,（五）温室的方位角,温室的直射光透过率与太阳和温室在几何学上的位置关系密切。即使同一栋温室，由于地球公转，太阳高度角随季节变化，透过率也发生着很大的变化。据模型计算，冬季东西走向温室直射光日总量通过率较南北向高5%-20%，且温室越长、纬度越高越显著。,东京地区直射光透过率的季节变化（藏田，1986）,纬度、栋向、连栋数和季节直射光日照射的通过率（1天的累积量）（藏田，1983）,下图表示：温室栋向对直射光透过率季节变化的影响随纬度的不同而变化,纬度越大影响越大，纬度越低影响越小。我国北方地区的日光温室是典型的单栋温室，采用东西

13、栋向有利于太阳光的聚集。,温室的方位影响温室内光的均一性,东西连栋温室的直接辐射平均透过率的横向分布不均匀，屋脊结构等造成阴影弱光带，透光率的大小差近40；南北连栋温室的光照分布较均匀，一般是中央位置的透光率高，东西侧面略低10左右。,（六）植株垄（行）向 一天中进入设施内的直射光中，被植物群体吸收的比例称为直射光群落入射率。直射光群落入射率受垄向的影响较大，东西垄向冬季的群落入射率高，夏季低，但南北垄向直射 光的群落入射率的季节 变化小，东西垄向种植 时，必须扩大垄行间距， 否则会恶化作物下部的 光照状况，我国温室栽 培以南北垄行向为主。,番茄群落行向和群落直射光入射率,（七）温室结构、设备

14、的遮光,温室的结构材料和设备的遮光可使温室内光照强度降低10左右，工程设计中应尽可能减小构件遮光面积。,第二节 光照的生物学效应,光照强度影响作物的光合作作用： 在一定范 围内（光饱和点以下），光照越强，光合速率越高，产量也越高。,一、光照度的生物学效应,一些蔬菜作物的光补偿点、光饱和点及光合速率,光照强度影响作物的形态结构： 光照强，同化量大 ，叶面积增大、叶肉厚，作物生长旺盛；光照弱，茎叶质量显著减少，作物徒长；当光照减弱到极端情况时，出现黄化。 光照强度影响作物花芽分化与果实产量： 光照强减弱，同化物减少，花芽分化推迟，着花数也减少，子房发育不良，受精能力下降。 光照强度影响产品品质,根

15、据作物对光照强度的要求可分为： 1. 阳生植物：光饱和点在6万-7万lx以上。 茄果类/瓜类的西瓜、甜瓜、番茄、茄子等均属此类。 2. 阴生植物：光饱和点在2.5-4万Lx。 -如菠菜、莴苣、茼蒿等绿叶菜类在光照充足时能良好 生长，但在较弱的光照下，生长快、品质柔嫩。 3. 中生植物：光饱和点在4-6万Lx之间。 如黄瓜，甜椒，甘蓝类，白菜、萝卜等,（二）光周期的生物学效应,设施栽培光照时数不足往往称为限制因子，因为在高寒地区尽管光照度能达到，但一天的光照时间太短，不能满足要求，一些果菜类或观花的花卉若不进行补光难以栽培成功。 长光性植物 短光性植物 中光性植物,（三）光质的生物学效应,光质即

16、光的组成，对植物的生长发育有一定的影响，但对园艺产品品质影响较大。 太阳光中： 被叶绿素吸收最多的是红光，同时作用也最大 黄光次之 蓝紫光的同化作用效率仅为红光的14% 但在太阳散射光中，红光和黄光占5060%，而在直射光中，红光和黄光最多只有37%。所以散射光比直射光对在弱光下生长的植物有更大的效用。但由于散射光的强度总是比不上直射光，因而光合产物也不如直射光的多。,可见光 390-760nm,红外光 760nm,紫外光 290-390nm,具有抑制植物生长的作用；对植物体内VC 的含量影响大，紫外光越强VC含量越高；紫外光对果实着色也有很大影响。,叶绿素吸收太阳光中的红橙光、蓝紫光最多，这

17、两种光也是植物光合作用旺盛进行的光源。,红外光主要是产生热量，特别是大于1000nm的红外光是产生热量的主要光源。,光质对作物产生的生理效应,一些园艺产品器官的形成与光质有关： 如马铃薯、球茎甘蓝等，它们的块茎、球茎的形成也与光质有关，如球茎甘蓝膨大的球茎在在蓝光下容易形成，而在绿光下不易形成。 对于洋葱鳞茎的形成，蓝光和近紫外光起促进作用，红光起阻碍作用。 一般而言，在长光波下栽培的植物节间较长，而茎较细；在短光波下栽培的植物节间较短而茎较粗。,Blue light LED,Red light LED,光的组成，与蔬菜水果的品质有关： 许多水溶性的色素如花青甙，都要求有强的光照。 设施栽培下

18、的果实着色情况不如露地，影响了某些园艺作物如茄子、葡萄、油桃的品质。 维生素C的含量，大都以在果实的近表层的组织中较多，紫外线有利于维生素C的合成。,第三节 设施光环境的调节,一、光量调节,（一）改善设施透光能力， 增强设施的光照强度,（1）改进设施的结构 选择适宜的建筑场地和合理的建筑方位。 建造保护地时应尽量采用合理的屋面角度和透明屋面形状。 选用透光率高、防尘性能好、抗老化、无水滴的覆盖材料。 减少建材的遮荫。,（2）加强设施内的光照管理 建造保护地应选择粉尘、烟尘等污染较轻的地方。 使用过程中经常打扫和清洗透明覆盖材料。 通过增加通风减少结露，提高透光率。 在保温的前提下，尽可能早揭晚

19、盖外覆盖保温材料，以延长光照时间。 合理密植，合理安排种植行向。 通过加强植株管理增加中下部的光照, 防止上下叶片相互遮荫。 通过采用地膜覆盖和在温室内张挂反光幕的方式，可改善温室内的光照分布状况。,合理密植，注意垄向,充分利用反射光。如日光温室适当缩短后坡，并在后墙上涂白以及安装镀铝反光膜，地面覆盖地膜等。,（二）人工补光,温室使用光源的目的：照明、人工补光，为促进光合作用和生长发育的人工照明一般叫人工补光； 人工补光是温室高产栽培的一项重要技术措施，北欧地区，人工补光应用较领先，而我国目前还没有大规模应用； 温室常用的人工光源均为电光源，即电灯。,1. 温室常用人工光源及使用,人工补光的基

20、本要求是： a.光源光谱特性与植物产生生物效应的光谱灵敏度尽量吻合，以便最大限度利用光源的辐射能量；要求富含400500nm蓝紫光和600700nm橙红光，并有适当的组成比例，以及满足其他特定的光谱要求，对紫外光透过严重不足的温室，还要求光源光谱中包含有紫外光。 b.光源所具有的辐射通量使作物能得到足够的辐照度。 c.其他：发光效率、使用寿命、安装维护、价格等。,（1）对人工光源的要求,平均寿命、有效寿命、光衰,（2）常用的温室人工光源,热辐射光源：白炽灯、卤钨灯 钨丝中通过电流产生高温（24003000）发光 气体放电光源：荧光灯、高压水银荧光灯、金属卤化物灯、 高压钠灯、低压钠灯 物质原子

21、受电子激发产生光辐射。 半导体光源：LED（发光二极管） 空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以 光子的方式释放出能量。它所发出的光的波长，及其颜色，是由 组成pn结的半导体物料的禁带能量所决定。,白炽灯 1构造 白炽灯由灯泡、电源引出线、灯丝构成。灯丝的主要成分是钨，为了防止受震动断裂，灯丝盘成弹簧状安装于灯泡内中间，泡内抽真空后充入少量惰性气体，以抑制钨的蒸发。,灯丝引出线的出线端有插口式和螺口式两种，如图1所示。 白炽灯是靠通电后灯丝发热至白炽化而发光的，其规格以功率标称，自15W至1000W分成多种。,2性能特点 白炽灯的光谱是连续光谱，能量主要是红外线辐射（占总能量

22、的8090%），生理辐射只占总辐射能的1020%，其中主要是橙红光，蓝紫光很少，几乎无紫外线。 白炽灯结构简单，使用可靠，价格低廉，电路结构也简单。但发光效率低，约为10-26 lm/W，寿命较短，约1000h。目前只作辅助光源应用。,碘钨灯 （1）基本构造与工作原理 构造如下图所示，其形状为圆柱玻璃管状，两端为电源触点，管内中心的螺旋状灯丝，放置在灯丝定位的支撑架上。 碘钨灯发光原理与白炽灯一样，由灯丝作为白炽发光体，但管内充有微量碘，在高温条件下，利用碘循环而提高发光效率和延长灯丝寿命。,碘钨灯构造,（2）常用规格与安装 常用规格和技术数据如下表所列。,碘钨灯常用规格和技术数据,安装 碘钨

23、灯工作时，其灯丝中的钨，会成为钨蒸汽而游离，待停止工作后，钨分子又会回归到灯丝上。 钨分子能否均匀分布的回归到整根灯丝上，则由安装的位置状况而定，若把灯管垂直安装，钨分子因自重而大量回归到灯丝下端，使灯丝下端日趋变粗，影响使用寿命。安装碘钨灯时，必须把灯管装得与地面平行，一般要求倾斜度不大于4。 碘钨灯工作时，灯管的温度很高，管壁可高达500700，因此，灯管必须安装在专用的有隔热装置的金属灯架上，切不可安装在非专用的，易燃材料制成的灯架上。灯架也不可贴装在建筑面上，以免因散热不畅而影响灯管寿命。,性能特点 功率大，发光效率高，为2030lm/W，构造简单，使用可靠，体积小，装修方便，故障少，

24、寿命长。 为温室常用光源之一。,荧光灯（日光灯） 1荧光灯的组成和工作原理 （1）荧光灯由灯管、起辉器、灯架和灯座等组成。如下图所示。,灯管 由玻璃管、灯丝和灯丝引出脚（灯脚）等构成。玻璃管内壁涂有荧光材料；管内抽真空后充入少量汞（水银）和适量惰性气体（氩）；在灯丝上涂有电子发射物质（称电子粉），构造如下图所示。,灯管规格较多，有6、8、12、15、20、30、40、100瓦等，温室常用30瓦以上的各种规格。,荧光灯的工作原理 荧光灯的电路图如下图所示。荧光灯工作全过程分为起辉和工作两种状态。起辉状态由灯丝、起辉器和镇流器形成回路；工作状态是由灯管内部电离而形成直通回路，起辉器不再起作用。,工

25、作原理 灯管的灯丝（又叫阴极），通电后（约1-3秒）发热到850-900时，阴极发射电子，但荧光灯管属长管放电发光类型，起辉前内阻较高，阴极预热发射的电子，尚不能使灯管内形成回路，需要施加较高的脉冲电势，此时，灯管内阻很大，镇流器因接近空载，其线圈两端的电压降极小，电源电压绝大部分加在起辉器上，在较高电压的作用下，氖泡内动、静两触片之间就产生辉光放电而发热，泡内U形双金属片因温度上升而动作触及静触片，辉光放电停止，U形金属片因温度下降而复位，动静两触片断开，于是在电路中形成一个触发，使镇流器电感线圈中产生较高的自感电动势，出现瞬时高压脉冲，在脉冲电势作用下，使灯管内惰性气体被电离而引起弧光放电

26、，随着管内温度升高，液态汞被汽化游离，游离的汞分子因活动剧烈而撞击惰性气体分子，引起汞蒸汽弧光放电，辐射出一定波长的紫外线，激发灯管内壁的荧光材料发出近似“日光色”的可见光。,灯管起辉后，内阻下降，镇流器两端电压降大辐度增加，加在氖泡两极间的电压也大为下降，已不足以引起极间辉光放电，两触片保持断开状态，不起作用，电路即由灯管内电离形成通路。,荧光灯附件的选配 荧光灯附件要与灯管功率、电压和频率等相适应。常用的附件选配，参见下表。,荧光灯附件的选配,性能特点 光谱性能好（蓝紫光16.1、黄绿光39.3%、红橙光44.6% ），发光效率较高（约65lm/W ），寿命长（ 3000小时以上），且价格

27、便宜，是目前使用最普遍的一种光源。 缺点： 功率小，满足一定光照强度所需灯具多，对自然光遮光大。 目前在园艺设施补光中使用较多，尤其是用于无遮挡自然光问题产生的组培室中的人工光照。可通过改变荧光粉成份，以获得所需要的光谱，如用于育苗的荧光灯，需加强蓝色和红色部分。,True-lite荧光灯和标准昼（D6500）的光能量分布比较 560nm的值为100的相对值,20世纪70年代国外研制的园艺荧光灯，采用一种混合荧光粉，灯的光谱能量分布与植物光合作用的光谱曲线相近。,http:/ 气体放电是指电流通过气体时的放电现象。 利用气体放电发光的原理制成的灯就叫气体放电灯。 由于所用气体不同，气体放电灯的

28、种类较多，主要有水银灯(汞灯)、钠灯、氙灯、金属卤化物灯，生物效应灯等，它们的辐射光谱都是线状的。,水银灯 结构如图8所示，为椭圆球体玻璃泡，头部延伸成颈状，成为电源触点，如同螺口式白炽灯泡状。,图8 水银灯构造,水银灯的发光原理类似于荧光灯，它是利用水银蒸汽放电产生辐射而发光，分为低压(水银蒸汽压力为40Pa)，高压(水银蒸汽压力为0.050.1MPa)和超高压(水银蒸汽压力大于0.15MPa)三种。,水银灯的生理辐射占总辐射能量的85%，主要有蓝绿光、紫外辐射，发光效率随水银蒸汽压力而变化，低压时发光效率低，高压时较高可达5060lm/W，低压水银灯主要用作紫外光源，高压水银灯则主要用于照

29、明及温室人工补光。,高压水银灯的品种型号较多，最常用的是GGY型，其规格和技术数据如下表所列。,高压水银灯常用规格和技术数据,高压水银灯安装线路图如下图所示。 安装时应注意： 1）灯座、镇流器均应与灯型号适配； 2）镇流器安装在灯具附近； 3）在镇流器接线柱的端面上应覆盖保护物，但不可装入箱体内，以免影响散热。,图9 高压水银灯接线图,氙灯 氙灯按电弧长短分为长弧氙灯和短弧氙灯两种，常用的是管形长弧氙灯，其结构如下图所示，该类氙灯其灯管两端置以钍钨棒(或钡钨棒)作为放电极，并由铜编织引出线接至管外作为电源接线，管内充入适量氙气。 氙灯是一种高气压自持弧光放电电灯，其辐射能量分布与日光比较接近，

30、光谱与日光相同。所以俗称“小太阳”。氙灯主要用于大面积照明。其发光效率一般为2530lm/W。,图10 管形长弧氙灯构造,管形氙灯的常用规格及技术数据如下表,管形氙灯常用规格和技术数据,管形氙灯接线图如图11所示。,图11 管形氙灯接线图,氙灯安装时应注意以下几点： 1）必须采用与灯管配套的专用灯架； 2）因氙灯电流大，温度高，导线连接点必须十分牢固； 3）氙灯配用的专用触发器，是作为起辉装置用的，触发器应安装在灯管附近，两者连接线长度一般为1.52m之间，最长不得超过3m； 4）因短路瞬时电流较大，触发控制端回路的控制，宜用接触器作为控制开关，不得用按钮直接控制。 氙灯安装时应与作物保持一定

31、高度，以免灼烧作物。,钠灯 利用金属钠蒸汽放电产生辐射的光源，它的辐射集中在黄光(589.6nm)，生理辐射强，单色性好。 发光效率高，低压钠灯可达200300lm/W，高压钠灯可达120lm/W，低压钠灯多用作单色光源，高压钠灯由于光谱宽，用于照明比低压钠灯好。,农艺钠灯 是一种高强度钠气灯。它可以提供最理想的，与植物生长需求相吻合的光谱分布。不论是针对光合作用、光形态还是周期生长，与普通高压钠灯相比，农艺钠灯为自然植物的生长创立了准确的“蓝”和“红”的能量平衡。光谱分布的改善使作物生长的环境得到更好控制，并且使作物生长更快，质量得以提高。 特点： 发光效率高，达到130Lm/w,比普通钠灯

32、高10%的光输出量，可以提高温度，加快作物的生长。 对光谱的调整使蓝光部分增加了30%，为植物生长创立了其生长所需要的红波能量和蓝波能量的平衡。 平衡的光谱分布和高光输出量的理想结合，使作物的生长周期缩短25%，产量提高20%，水果、蔬菜的颜色更加润泽，形态更加优雅。,金属卤化物灯 是在高压水银灯中加入金属卤化物而形成的光源。 加入金属卤化物，不但可以大大改善灯的光色，而且可以提高光效率，采用不同类型的金属卤化物，可以制成不同光谱特性的近日光光源，例如，碘化钠碘化锌碘化锢灯，碘化镝碘化铊灯、超高压锢灯和氧化锡灯，也可制成满足特殊需要的色纯度很高的光源，如碘化铊汞灯。 金属卤化物灯功率大，一般为

33、200400瓦，发光效率高约为6080流明/瓦，寿命长，一般达4000小时以上。是目前高强度人工补光的主要光源。,金属卤化物灯和标准昼（D6500）的光能量分布比较,生物效应灯 可发连续光谱，其紫外光、蓝紫光和近红外光低于自然光，而绿、红、黄光比自然光高。 其他充以惰性气体如氖、氦灯制成的气体放电灯，各有不同的光谱分布，前者主要是橙红光，后者是橙红光(45%)和紫光(50%)，可根据不同需要选择使用,反射型日光色镝灯-生物效应灯,新光源 （1）微波灯：强度大，光谱能量分布与太阳辐射相近，但光合有效辐射高达85%，比太阳还高，而且辐射强度可以连续控制，寿命也长，是今后最具推广价值的新光源。,微波

34、硫灯（硫灯），是一种高效全光谱无极灯， 利用2450MHz的微波辐射来激发石英泡壳内的发光物质硫，使它产生连续光谱，用于照明。该技术最早出现在1990年代，但直到2005年开始商业应用。 微波硫灯具有高光效（85lm/w）、长寿命（40000小时）、光谱连续、光色好（色温6000-7000K，显色指数Ra75）、无汞污染、良好的流明维持率、瞬时启动、低紫外和红外输出、发光体小等优点。 微波硫灯的功率比较大，都在千瓦以上，主要适用于大范围室外照明。,（2）发光二级管 光谱单纯，单个LED发射的光强弱，将数个LED安装在板上，近距离照射效果好，虽然已经开发了从蓝光到红外光各种光谱的LED，但红光L

35、ED以外的LED价格仍然高。LED抗冲击力强，寿命长。,发光二级管 单色性，波谱域宽仅20nm左右； 没有中、长波红外辐射（对光合作用无效）的能量浪费，发热少，可实现近距离补光（提高光利用效率）； 辐射效率和光量子效率极高； 具有多种光色器件，可按需要组合不同单色（如红蓝）的LED满足植物光合作用对光谱的需要；,单体尺寸小，便于组合和使设备小型化； 使用寿命长（5万小时以上）； 价格高，尤其是蓝色LED目前价格较贵。,LED人工光源,LED特性 1、LED高节能： 节能能源无污染即为环保。直流驱动， 低功耗（ 单管0.03瓦-1 瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以

36、上。 2、LED长寿命：LED光源被称为长寿灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没 有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰快等缺点，使用寿命可达5万到10万 小时，比传统光源寿命长10倍以上。 3、LED利环保：LED是一种绿色光源，环保效益更佳。光谱中没有紫外线和红外 线，热量低和无频闪，无辐射，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可 以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。,人工光源的应用例,任元会:中国航空工业规划设计研究院工作，一直是从事电气和照明工程设计、研究，是光源用户方的专家。,无极灯：最大特点是寿命长，无电极；频率高；第三是发光效率比较高，是一种高效光源，但其光

37、效比不上稀土三基色直管荧光灯，其显色指数也比较高。第四就是价钱较贵。但仍有较好的性价比，可以被用户接受。无极灯主要应用于换灯困难的场所，如城市道路、隧道以及某些工矿企业等，他对减少光源的维护工作量方面有突出的优点。 LED灯：一种极有前景的新型光源，他具有寿命长、安全、颜色丰富多样，单色性好、耐震动、耐气候性好、可调光等诸多优点。LED作为交通信号灯、标志灯、汽车尾灯，以及物装饰性照明等，有着明显的优势。但作为室内外采光照明光源，还需要解决很多技术问题，如提高光效，提高光源维持率，降低色温，提高显色性，解决封装散热，灯具配套等，需要有一个过程。 T5和T8荧光灯：T8可配电子或者电感镇流器，选

38、用的内凃荧光粉为卤磷酸钙荧光粉，而T5只能适配电子镇流器，使用稀土三基色荧光粉，在这样的前提下，T5比老式的T8光源节能20%30%是完全正确的，所以，用T5来取代老的T8是有显著节能效果的；而且更节材，更环保。,温室育苗LED补光,即使在我国光照资源较好的南方地区，春季也会有较长时间的阴雨天气，阴雨带来的是低温弱光照，在这种天气条件下，温室内的光照水平会更低，严重影响作物的生长发育，特别是温室的育苗阶段，在此关键时期如果光照不足，幼苗会生长欠佳，易产生高脚苗。上海交通大学的浦江低碳农业基地选择用LED生产模组于温室内进行温室的育苗补光，可有效避免这一情况。,白炽灯补光,荧光灯补光,高压钠灯补

39、光,金属卤灯补光,补光调控花期 对日照比较敏感的植物，在特定时期会根据需要进行人工补光提供长日照条件或者在夜间进行人工补光打破其暗夜，来达到调节花期的目的。飞利浦采用LED花期灯在1公顷的草莓生产温室中进行人工补光应用，结果表明，LED花期灯所提供的特殊光配方，可以明显促进草莓茎的抽生，提高果品质量，提早收获期，并且大大减少畸形果的产生，同时，比白炽灯节能82%至85%，可以说，各方面的表现均超过了原有的白炽灯。,现代温室生产的植株常因为株型高大或者节间比较密集而受光不均，如月季，由于植株叶片相互遮阴，中下部叶片缺少足够的光照，影响了其光合性能的发挥，进而影响了最终产量和经济效益。在这种情况下

40、，LED植株间照明模组和顶部照明相结合可有效提高植物的产出。LED植株间补光模组使植物下部的叶片获得更多光线，消除遮荫对植物的影响，这正是充分利用了LED的低散热特点。,植株间补光照明,http:/ 现代温室条件优越，种植技术先进，通常生产经济价值较高的花卉产品，为了充分利用设施条件和先进的温室生产技术，生产者为增加温室空间利用率，提高经济效益，开展多层种植，这就可以借助LED满足下层种植的需要。在荷兰，飞利浦的LED生产模组已在长寿花多层种植和郁金香多层种植中得到广泛应用，位于下层的花卉主要依靠LED提供的光照进行生长，既保证了产品的品质，又提高了温室的空间利用率。,长寿花多层栽培LED补光

41、,郁金香多层栽培LED补光,多层无土栽培,http:/ : LED4CROPS 案例分析 通常种植商一年可以种植5 种作物。而采用STC 的 LED4CR0PS系统可以种植多达 15 种作物。“它开启了城市农业概念的大门。您可以在靠近消费点的多层仓库中种植农作物 。” 这一新型 设施位于一幢面积为 200 平 方米的建筑内，拥有 40 多个采用 LED 照明的多层苗床，可用于种植各种低矮作物，例如药草、生食叶菜、花卉、草莓等植物。上述设施主要分为三个区域： 1) 100% 科研模组，目标是探索光配方； 2) 半灵活空间，既有科研 (远红) 模组，也有生产模组(红蓝)； 3) 安装有生产模组 (

42、红蓝) 的城市农业区。,高效植物工厂,（3）光源的选用与配置,(一)光源的选用 光源的选用，应本着以下两个原则进行： 1)补光的目的: 抑制或促进作物花芽分化、调节花期，多用白炽灯； 促进作物光合作用，一般在3000lx以上，光照度具有一定的可调性，有一定的光谱成分； 2)光源的性能价格比,因此，选取光源时应充分考虑作物的种类及不同生长期对光照的需要，下表给出几种蔬菜的人工补光参数值，以供选配光源时参考。在没有相关参数的条件下，最好先通过试验，确定出最适宜的补光参数。,温室蔬菜人工补光参数,不同种类和品种的作物对光照的要求不同，如番茄等喜欢温蔬菜光饱和点为1500umol/(m2s），而芹菜等

43、耐阴蔬菜则要求较低的光照度，进行人工补光时，必须考虑经济效益。,光照度与光合强度及光能利用率之间的关系（Bommer，1962）,在确定了应采用的光照度值之后，具体选取和配置光源时，还应按照后面所介绍的光照度计算式，确定应选用光源的光通量，再依光通量值选取光源类型，而选取光源类型时还应注意到不同品种的光源，其光通量是不同的；即使是同一品种的光源，随着它的功率不同，其光效（发光效率）即每瓦功率所产生的光通量也是不同的，所以在选用光源时，不能只以光源的功率作为依据，而应考虑到它具有的实际光能。,几种常用光源的光通量，如下表所列。,以上从作物补光的需求方面对光源的选取作了介绍，以下再说明选取光源时应

44、考虑的第二个基本原则，即光源的性能价格比。 不同类的光源，其初装费、使用寿命、光效、光谱特性、可用能量等均不相同，选用时应综合考虑。 一般而言，光效高的光源，初装费较高，但经多年运行后，其年均费用却比较低，这是因为光源的光效愈高，相同的照度水平消耗的电能愈小，综合经济效益就愈高。因此，对于长期运行的光源，应选取光效高者为宜。,下表给出几种常用光源的有关性能参数及经6年运作后的年均费用比（以荧光灯为参照），以供参考。,（二）光源的布置 为使被照面的光照分布尽可能均匀，为此，布置光源时，应充分考虑光源的光度分布特性及合理的安装位置。 不同的光源，其光度分布特性是不相同的。 如家用100W白炽灯，其

45、光度分布特点是，除灯泡上方近60角内近于无光外，在其他各个方向的光度分布是比较均匀的，若配置近于120角的反光灯罩，光线集中向下方120范围内，则可获得分布较均匀的照度，而栽培专用的60W灯泡，光度主要分布在其斜下方的120角内；其余方向则近于无光。,又如长弧氙灯，在灯两端20角内基本无光外，其余方向光度分布基本是均匀的。 安装位置包括安装高度及灯的布局，一般光源的安装高度在距作物1-2m的范围内，而布局方式有单排均匀布局、双行网格均匀布局等，具体采用哪种布局方式，应以被照面的几何形状通过一定的计算、试验选定。 同一被照面，不同的布置方式，所得到的光照分布将是不同的。如对于跨度5.4m，长18

46、m的温室，在高度为1.5m处挂8盏60W栽培专用灯，按单行均匀布局，其结果是20勒（LX）以下的面积率为4，4个角的最低照明度为10勒（LX），平均照度为46勒（LX）；按双行网格状均匀布局，其结果是照度在20勒（LX）以下的面积率为零,平均照度为34勒（LX），可见，按双行网格状均匀布局，照度比较均布(教材P50)。,(三)光度学基础与照度的计算,在选配光源时，需要根据作物的光照度要求进行照度计算，为了说明照度计算的基本方法，需先了解有关光度学的一些基本概念。 光度学研究的是光在发射、传播、吸收和散射过程中的能量计算问题。 关于光能的量度有两个标准，一是能量标准，它是以客观能量的大小为标准的

47、；另一是视觉标准，它是以人眼对光的感觉为标准的，在研究光对作物的作用时，应采用能量标准，但在实际中因视觉标准测量技术简单的缘故，故常采用视觉标准。,1. 能量标准中的几个基本概念 辐射通量 光是电磁波，光的传播过程就是能量的传递过程。单位时间内自辐射源发出的通过面积元dA的辐射叫做通过这一面积元的辐射通量，国际单位中辐射通量的单位为W，它具有功率的量纲。 又叫辐射功率既可以指一辐射源发出辐射的功率，也可以指到达某一特定表面的辐射能量的功率。,辐射强度Ie 辐射强度的概念与点光源和立体角的概念相关，以下先了解一下点光源和立体角的概念。 点光源是指光源本身的线度比它与讨论点的距离小得多，以致可以把

48、它当作一个点，在距光源某一距离处光波的波面可以看作球面。 立体角（ W）是指一个锥面所围成的空间部分，单位为“球面度”。一个球面度是指以锥的顶点为球心，以锥在球面上所截的面积与球半径平方的比值，按照这一规定，球面上任一面积s对球心所对应的立体角为(球面度),显然，整个球面对球心所对应的立体角 4(球面度)。 若任一面积元s，它到定点O的平均距离为r，面积元的法线与r的夹角为（下图），则它对O点的立体角为,建立了点光源与立体角的概念后，现给出辐射强度的定义：点光源在给定方向上单位立体角内所发生的辐射通量，称为辐射强度，即： (瓦球面度) 对于均匀发光的点光源，它所发出的辐射通量均匀地分布在4球面度的立