LED人造植物光源概述.doc

LED人造植物光源概述摘要：光是植物生长中的重要环境因子之一。LED体积小、质量轻、寿命强、光强可调、功耗低等优点使其成为植物光环境调控的重要光源之一，并在节能和促进植物生长方面都有明显的优势。而在蔬菜栽培方面利用LED补充照明和水培系统，空气能够被循环使用，过多的热量和税费可以被移除，电能能够被高效地转变为有效光合辐射，最终转化为植物物质。目前，LED人造植物光源已取得了一定的进展。关键词：LED 照明 优势 植物 蔬菜 应用1. LED简介1.1 LED的基本概念LED是发光二极管（Light Emitting Diode），主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成，是一种半导体固体发光器件，利用固体半导体芯片作为发光材料。LED广泛应用于汽车、通讯产品、资讯产品、交通信号、照明、医学材料以及生物农工业等领域 1。1.2 LED的优点 近年来，随着光电技术的发展，LED的亮度与效率大幅度提高，LED不仅具有体积小，寿命长，耗能低，低发热等优点，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、环保和空间高效利用等功能。2. LED工作原理2LED是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。 假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数m以内产生。 3. LED人造光源在植物生长方面的应用3.1 植物补光照明3 光对植物的生长发育具有非常重要的作用，是植物光合作用唯一的能量来源，光在光质、光强、光照时间三个方面影响植物的生长发育。在不同光强光质的作用下，植物会产生各种不同的形态形成反应，并影响其发育的过程4。在棚室内采用人工光源直接给植物补光能够有效促进植物生长。而植物光照环境要素包括PPFD、光照周期和光谱分布等，通过对光强、光质、光照时间等要素的调节来促进植物的生长发育过程，我们就可以利用人工光与自然光的互补或者完全人工光的方式来种植植物。3.2 植物生长过程中所需光谱23.2.1 波长大于1000nm，不参与光合作用，之转化为热能。3.2.2 波长7201000nm，能促进茎伸长。3.2.3 波长610720nm，为叶绿素的最强吸收带，有强的光合效应，很多情况下也表现强的光周期效应。3.2.4 波长510610nm，为光合作用的低效区，弱的成形作用。3.2.5 波长400510nm，为叶绿素和叶黄素的强吸收带，光合作用的次高峰区，强的成形作用。3.2.6 波长320400nm（UV-A），可使植株变矮，叶片变厚，多数害虫对此波段辐射有趋光性。3.2.7 波长280320nm（UV-B），有显著的灭菌作用，对多数植物有害。3.2.8 波长小于280nm有强灭菌作用，小于260nm对植物有致死作用。3.3 LED人造植物光源应用3.3.1 水生植物3.3.1.1 水中接收到的微弱的自然光很难使水生植物很好地生长，而水生植物一般根部发育不好，会漂浮在水面上。用LED单色光进行实验发现，用红色LED照射后，植物主干中等叶子会比较茂盛；黄光照射下，植株生长缓慢，主干矮小；用绿光照射，植株根茎生长最快，主干又粗又长，叶子茂盛，生长质量远高于其他光环境下的植株，且由于植株的向光性，植株的叶子会想着光源的方向生长；用蓝紫光照射，植株的根部发育完善，但这部分的叶子颜色变为棕褐色，且叶子稀疏。3.3.1.2结论：紫光对植物的生长有明显的抑制作用，330400nm波长的光有色素沉着效应，因此在紫光LED的照射下水草叶子的颜色才会由绿色变为棕褐色。蓝绿光在水中的穿透力较强，对水草的生长有明显的促进作用；在绿光下的植物趋光性很显著。3.3.2蔬菜栽培3.3.2.1长期以来在农业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、减少能耗一直是农业领域人工光应用的重要课题4。采用LED补充照明和水培系统，空气能够被循环使用，过多的热量和税费可以被移除，电能能够被高效地转变为有效光合辐射，最终转化为植物物质。3.3.2.2 LED作为第四代新型照明光源具有节能环保、光电转换效率高、寿命长、发热低、光量与光质可调节等许多不同于其他电光源的重要特点。由于这些显著的特征, LED适合应用于可控环境中的植物培养或栽培, 如植物组织培养、设施园艺与工厂化育苗和航天生态生保系统等5-6。3.2.2.3目前, 我国蔬菜设施栽培领域的LED光环境调控技术与机理研究还处于发展阶段。侯红英7用不同光质LED对小白菜、番茄、油菜进行补光栽培试验, 认为红光能够极大地促进植株光合产物的积累, 表现为植株的鲜质量和株高明显提高; 而蓝光能够使苗更粗壮。刘水丽9研究人工光与自然光环境下黄瓜育苗对照试验表明, LED光环境下植株生长速率高于其他处理, 主要表现为叶面积大, 叶片数多, 叶片生长速度快, 扎根较深, 表现出一定的生长优越性。魏灵玲等9的育苗试验表明, 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, 节能效果显著。张欢等10采用LED作为光源, 研究红光、远红光、黄光、蓝光、蓝光+红光对萝卜芽苗菜生长和营养品质的影响, 结果表明, 红光照射有利于萝卜芽苗菜生长, 提高产量, 改善部分营养品质。3.4 LED人造植物光源优点3.4.1 LED的发热量小，单管光辐射小，可接近植物照明，不造成植物灼伤。LED能够布置在植物行间或垄间，对植物分层照明，最大程度地减少漏光损失，提高光效。3.4.2 LED能采用灯带结构进行照明，防水防潮，晴天收起不遮光，阴天铺放可补光，劳动强度小，操作简便，非常适用于农民使用。3.4.3 LED功耗相当低，在点对点的照明方式下，非常实用，同时在未来几年内其技术的更新将使它与高压钠灯及荧光灯一样，具有很高的性价比。3.4.4 LED可配比的光学特性，使得它更符合植物生长所需要的光谱，提高其PPFD值。3.4.5 LED的寿命（高达50000个小时）也长于植物的生长周期，在生长期间无需维护和维修，降低了生产成本。4. LED人造植物光源展望4.1在国外，LED已经成为用语试管苗生长和光形态建成的新型光源，而目前LED在植物生产方面的研究局限于蔬菜种植、组织培养等方面且仅用于补光。而LED用于育苗的优势明显，光源可以贴近种苗，大大提高土地的利用率，同时还可以节约能源，在非可耕地环境下生产，甚至可以用于未来太空环境下的人工补光实现食物自给等，所以从光环境与植物交互作用规律出发，进行植物补光照明的研究是非常必要的。4.2中国植物设施栽培领域的LED应用机理研究还处于起步阶段，而值得注意的是，不同植物不同生长时期所需的光谱组合、PPFD及光照周期存在一定差异，因而我们必须努力研制开发出符合中国生产实际的LED人造植物光源、照明自动控制系统、新型植物生长调控装置和大型植物工厂化育苗设施等。随着LED技术的不断成熟，制造成本的逐渐降低以及国家对节能工程的重视，相信LED将会广泛应用与农业生产中。参考文献1高鸿磊，诸定昌. 植物生长与光照的关系J. 灯与照明，2005，29(4) .2陈大华，刘洋，居家奇，陈文成. 绿色照明LED使用技术. 化学工业出版社3江娅. LED在植物生长中的应用J. 中国照明电器光源灯具文摘，20064杨其长. LED在农业与生物产业的应用与前景展望J. 中国农业科技导报, 2008, 10 (6) : 42 - 47.5饶瑞佶, 方炜, 李登华. 超高亮度发光二极体作为组培苗栽培人工光源之灯具制作与应用J. 中国园艺, 2001, 47(3) : 301 - 312.6Bula R J, Morrow R C, Tibbits TW, Barta D J. Light2emitting diodes as a radiation source for p lants J. HortScience, 1991,26 (2) : 203 - 205.7侯红英. 人工调光环境下蔬菜生长的研究D. 青岛: 中国海洋大学, 200