温室补光PPT课件

.,1,第九章温室补光,植物利用光能将C02和水转化为碳水化合物的过程称为光合作用。光合作用是地球上生物赖以生存和发展的基础。光是光合作用的能量源泉，同时又是控制光周期的一种信息。温室内蔬菜、花卉等植物的栽培，一般是在冬春季节，此时光照时间较短，光线较弱，光照通常是作物生长发育的主要限制因素。生产者建设温室常常要求能够在周年任何季节生产各种不同环境要求的作物或出于商业目的的考虑，要求在室外光照条件不利于作物生长的季节生产一些光敏性的作物。在这种情况下，温室补光就成了温室设计必不可少的设备。近来，由于灯具的改进和照明方法的改良，在温室内观赏植物和蔬菜的商业生产过程中，逐步开始使用人工光源进行作物补光，以获得更好的产品品质和商业效益。但由于补光需要消耗大量的电能，在确定温室补光方案时一定要首先分析生产产品在经济上的可行性，以免造成不必要的浪费，甚至出现经济亏损。,.,2,由于人工补光系统在一次性投资和运行费用方面都较高，因此，在选择和设计光照系统时需要权衡考虑各种因素，并在以下几个方面达到优化设计：作物对光的响应；其他环境因子的条件；作物对光照度、光照时间和光谱成分的要求；可产生最佳效果的光源；可提供最均匀光照的系统设计；系统的投资及运行费用。,.,3,第一节光照的基本概念,一、光照术语(一)太阳辐射,在自然条件下，任何作物的生长都是靠太阳辐射作为惟一的光能进行光合作用。长期的培养和驯化形成了作物对太阳辐射的适应性。温室栽培，虽然能够人工控制光照环境，但作物对光照要求的习性仍然无法改变。所以，在进行温室补光设计前，必须首先了解太阳辐射的特性。,太阳是一个进行剧烈热核反应的炽热气体星球，它不停地以电磁波的形式向四周空间辐射能量。据科学家推算，太阳的平均温度约为6000K，它每秒钟向地球辐射的能量约为3.81026J，相当于每秒钟燃烧115亿吨煤炭所释放的能量。太阳辐射到达地球大气层上界的辐射光谱是波长从近于零至无限大的连续光谱。但从1704000nm波长内的光能量却占到总能量的99，峰值能量波段在270nm。,.,4,可到达地球表面的太阳辐射，由两部分组成：直接辐射和散射辐射。直接辐射一般指未经散射和反射的太阳辐射。定义为：来自太阳圆面的立体角内，投向与该立体角轴线相垂直面上的太阳辐射，单位为Wsr。直接辐射一般用直接日射表测量。直接辐射和散射辐射之和称为太阳总辐射。一般用总辐射表测量。(二)辐射强度以电磁波或光量子形式发射、传播或接收的能量叫做辐射能，用符号Q表示，单位为焦耳(J)。在单位时间内发射、传播或吸收的辐射能叫做辐射通量，用符号表示。根据定义,辐射通量就是辐射功率，其单位为瓦(W)。对于点辐射源在单位立体角发出的辐射能通量称为点光源在这个方向上的点辐射强度，用Ie表示，单位为瓦球面度(Wsr)。,.,5,其中，球面角的定义为以立体角的顶点为球心的球面上所截取的面积S与球半径r2的比值(如图9.1)，即Sr2，单位为sr。由此,透射到某表面上的辐射通量与该表面面积A之比，称为该表面接受或吸收的辐射强度，用I表示，单位为Wm2，即在光的热效应或辐射能利用中，常以辐射强度作为计量单位。,.,6,(三)生理辐射绿色植物对辐射具有选择性的吸收特性。一般在300440nm与670680nm两处呈吸收高峰，对550nm一段吸收率较低。另外，对7002500nm的一段近红外线，由于植物避免高温的保护性反应几乎不吸收，而对大于2500nm的远红外辐射，其吸收率又很高。在植物学上，对绿色植物生长发育有效作用的辐射波长为300750nm内的辐射称为植物生理辐射。(四)光照强度和绿色植物吸收光谱的选择性一样，人眼对辐射的反应也有选择性。光刺激所引起的视觉强度不仅与光能量的大小有关，还与光的波长有关。在光学上将人的视觉器官接收光的刺激而产生视觉的波长范围内的辐射强度称为光照强度。人对光谱的灵敏度个体之间有一定差异，为此，通常所说的对人眼敏感的光谱是一个统计学概念，国际标准中规定了公认的正常人眼白天标准光谱效率范围，在光学研究中有专门的光谱范围，一般在400700nm，其中光谱光效率最大值在555nm波长处。,.,7,相应地，在光照强度波长范围内的辐射通量称为光通量。国际单位规定：在标准空气中，单位立体角通过1683W555nm波长的单色辐射作为光通量的计量单位，单位为流明(lm)。到达或通过某单位面积的光通量称为光照强度，单位为勒克斯(1x)。原则上讲，研究植物光合作用不应该用光照强度作为计量单位，但由于先期研究植物光合作用的测量仪表主要是光照强度测量表，很多数据和指标都是以这种测量仪表为基础提出和制定的，为此，在除了对作物光合作用进行精密研究以外的大多数生产场合，光照强度仍然是比较通用的测量和控制指标。在使用中应注意表明测量的波段范围，以便了解植物光合作用的实际效果或进行不同单位之间的换算。(五)量子流密度爱因斯坦的量子学说把光辐射描述为不连续的细小粒子流。每一个粒子叫做光子或光量子。量子打击物质时，量子能量转移到被打击物质的电子上，于是被激活引起光化学反应。光化学定律指出：吸收一个量子，只能激活一个分子或原子。因量子的能量与其波长成反比，故在研究光电效应与光化学反应如光合作用与光照的关系中，应该以量子流密度作为计量光辐射的单位。,.,8,在讨论辐射能量子概念时，规定单位时间内到达或通过单位面积的摩尔量子数，定义为量子流密度，单位为爱因斯坦E或微爱因斯坦E。1E=1mol量子/(s.m2)=6.0221023量子/(s.m2)1E=106E,一个量子所具有的能量q()，J)为,式中h普朗克常数，h6.6251023Js；C光速，C2.998108ms波长，m。,在现代研究植物光合作用与光照问题的应用技术中，通常采用生理辐射波长范围内的量子流密度作为评价光辐射的物理量。,二、光照单位之间的换算上述所讲各种测量光照或辐射，由于其测量波段不同，使其相互之间数据的转换不可能用一个固定的常数来实现，尤其是太阳辐射由于云层、大气质量、污染程度等因素的影响，地表所接受的辐射光波可能随时都在变化，这使各种单位间的转换更加困难。为此,.,9,这里仅给出各单位之间理论换算关系，实际应用中，还应根据具体光源的发光波长具体计算或通过实验测定。,(一)光量子单位向辐射度单位换算将量子传感器的输出的光量子(R)的单位由mol(sm2)(400700nm)转换成辐射度(WT)的单位Wm2(400700nm)的过程是非常复杂的，对不同的光源其转换系数也不同。因此为了这一转换，必须首先知道辐射源的光谱分布曲线W，W(m2nm)。所需的辐射度WT为W在400700nm波段的积分值即,(9-1),在给定波长处每秒发射的光子数是,(9-2),因此400700nm波段范围内每秒发射的光子数为,(9-3),.,10,这个积分可由量子传感器测量到，如果R是以mol(sm2)1mol(sm2)=6.0221017光子(sm2)为单位的量子传感器的读数则有,(9-4),由式(9-1)与式(9-4)可得,(9-5),为了求得这两个积分，必须做分区间求和，还有因为W，同时在分子和分母中出现。标准曲线N可以代替它，从而得到,(9-6),.,11,R的单位为mol(sm2)。根据方程(9-7)分成如下步骤进行计算：(1)将400700nm波段分成i个长度都为的区间；(2)算出区间中点处的波长i；(3)测算出每个区间中点处波长的标准辐射Ni；(4)对步骤(3)所求Ni进行求和得；(5)对步骤(4)所求Ni乘对应的i；(6)对步骤(5)所求得iNi，求和得；(7)利用方程(9-7)求得WT。,式中，是所取区间长度；且是各区间中点处的波长；Ni是位于区间中点波长的标准辐射输出。最后得,(9-7),.,12,【计算例1】假设光谱是位于400700nm波段之间的直线分布即(400700nm各波长的光谱照度相等），给定：i=1，=300nm，i=550nm，则,或1W/m24.6mol/(s.m2)这一系数处在由Mcree所测系数的8.5%误差之内。,.,13,(1)用方程代替方程(9-1),(4)用代替方程(9-7),(3)用代替方程(9-6),y是CIE曲线的发光系数。在550nm处y1；W是光谱照度W(m2nm)(2)用代替方程(9-5),(二)光子单位转换成光学度单位将光子单位mol(sm2)(400700nm)转换成光学度Wx。单位1x(400700nm)转换过程除以下各步外与上相同。,.,14,由上可见，不同光源在不同波段光照强度单位之间的换算没有固定的系数，设计中应咨询灯具生产商，根据特定的灯具进行补光设计。表9.1和表9.2给出了几种常用灯具光照强度单位之间的换算关系，供设计参考。,【计算例2】,在给定波长400700nm范围内，设i=131，将整个波段分为31个等分区间，即=10nm有1=400nm，2=410nm，3=430nm，31=700nm假设全部N取为1，取y1=0.004，y2=0.0012，y3=0.004，y31=0.0041nm则即Wx=51.2Rnm，R的单位为mol(sm2)或1000lx=19.5mol(sm2)。,.,15,.,16,第三节人工光源的种类与特性,一、人工光源的选择标准在选择人工光源时，一般参照以下标准来进行选择1、人工光源的光谱性能2、发光效率3、其它因素,二、温室常用人工光源1、白炽灯2、卤钨灯3、荧光灯4、高压水银灯5、金属卤化物灯6、高压钠灯7、反光板,.,17,金属卤化物灯,高压钠灯,.,18,第四节人工光照的计算与调节人工光照计算中有三个主要的物理量：光源功率、设计照度和灯具数。任知其中两个量，便可求得第三个量。其计算的方法有：逐点计算法、利用系数法、单位容量法等。由于设定平面光照强度的影响因素较多，各种参数并不十分准确，计算结果有一定的误差是容许的。对实际使用的光照强度可通过调节光源距离、电压等进行调节。,一、光源的类型根据光源尺寸及光源与采光面之间距离的大小，设计光源可分为点光源、线光源、面光源、带状光源等。当计算点与光源的距离大于光源最大边或直径的5倍时，该光源可按点光源计算。当光源的宽度与其长度相比小得多，且计算高度小于光源长度的4倍时，光源可按线光源计算。白炽灯和高能灯可以看做是点光源，而荧光灯管可看做线光源。反光板可以使作物得到来自点光源和线光源的光更均匀，光照强度更大：温室中常用光源为点光源或线光源，只有在人工气候室或小型试验温室中才可能用到面光源或带光源。为此，将主要介绍点光源,.,19,二、点光源逐点计算法如图9.5，一点光源S对平面P上元面积dA的光照E等于入射到包含这一点的元面积上的光通量d除以该元面积dA：E=ddA,光源S向各个方向发射光通量，并照明平面P。被照平面P上的元面积dA所截获的光通量d与发出光通量d的光源立体角d之比称为该光源的发光强度I，即,I=ddE=IddA,由此,从几何关系看，ddAd2,式中d光源S到表面P的距离；dA面积dA在垂直于光源方向的平面上的投影，dA=dAcos光源S在被照平面P上的入射角。,并对要求照度的温室介绍整体，设备容量的计算方法。,.,20,这样E=Icosd2上式表明，离开灯一定距离的某一点上的光照度与此距离的平方成反比，也就是说，如果灯与作物之间的距离加倍，光照度将减少为原来的14。因此，在设置灯的位置时，灯与作物之间的距离是影响种植区域的辐照度和光分布的一项重要因素。由多点光源产生的照度等于每一光源分别产生照度的总和。即,点光源逐点计算法主要用在直射光灯具照射的场所，这时反射光影响较小。当墙面、屋面或室内遮阳幕(带铝箔遮阳幕)的反射光对点的光照影响较大时，可用附加照度系数卢进行修正。此外，由于光源老化、灯具污染、墙壁屋面污染等造成光通量下降对被照平面的光照也有一定影响，在设计中通常用维修系数是修正。考虑上述因素后，点光源逐点计算法的通用公式为,.,21,式中附加照度系数，与灯具类型、墙面、屋面反光系数、计算点位置等有关，一般1.051.5；k维修系数，与灯具类型、环境条件等有关，一般k1.251.50。,由于点光源是安装在一定高度分散布置的，所以照射到温室栽培面上各点的光照肯定是不均匀的，这在很大程度上会影响温室作物生长的一致性，因此，在光照设计中除满足光照强度的要求外，还要求必须保证一定的光照均匀度。人工光照中将最小照度(Emin。)与最大照度(Emax。)之比(EminEmax)定义为光照均匀度，一般要求光照均匀度应不小于0.7。因为光照越均匀，作物生长越均匀。,三、单位容量法单位容量法主要用于估算照明负荷总容量。在温室透光覆盖材料相同或材料的内表面反光性能接近时，只要照度相同，则它的单位工作面积上所需要的照明设备的总容量是比较稳定的。为达到设定平面上的照度E，必须配置的照明设备的单位功率容量为W=E/q,.,22,式中W达到设计照度E所需照明设备总容量，Wm2；E设定平面设计光照强度，Ix；q光源有效光照量，lmW。,四、利用系数法利用系数法是一种简化的计算栽培床面平均照度的一种方法。其计算公式为,式中E栽培床面设计平均照度Ix;光源额定光通量，lm；N光源数量；K维护系数；U利用系数；A工作面面积，m2。,.,23,第五节光照测量与控制一、光照测量根据测量光辐射波段的不同，对应每种光照单位，测量光照的仪表分别有辐射表、照度计、量子仪和光合有效辐射仪等(一)辐射表目前，测定光辐射的仪器主要是以测定吸收辐射所产生的热量为基础。黑体接受辐射后，热量增加、温度升高，其中温度升高的程度与接受的辐射能成正比，因此测定辐射，实际上就是测定黑体表面温度增加的情况。辐射表分为总辐射表、直射辐射表和散射辐射表。辐射表测定的是单位时间单位面积上的总辐射能，单位为wm2。总辐射表测量的辐射光谱范围为3003000nm，受光面为平面，上面覆盖半球形玻璃罩，接受来自平面以上半球范围内的辐射，为了尽量减少来自玻璃罩的传热，一般将玻璃罩做成双层中空型。按照总辐射表感应面的结构不同，辐射表分,.,24,为黑白片型和全黑型两种。黑白片型辐射表受光平面为黑白相间的小方块，对应每个小方块接一个测温电极，从而形成两族电极，称为热电堆。由于黑白面吸收辐射量不同，黑白片间将产生温差，测定该温差值，即可相应地获得接受的辐射量。显然，这种仪器热电堆的低温端位于白片下，热端则位于黑片下，而全黑型辐射表热电堆的热端直接接触黑片，冷端则藏在仪器体内。散射辐射的测定也是利用总辐射表。为了能够测到天空半球的散射辐射，仪器应水平安置，然后用固定在金属支杆顶端的圆片遮挡太阳直射光线使产生的阴影正好落在总辐射表的半圆球罩上。也有采用遮光环的，可以省去随太阳阴影的移动而要经常调节遮光圆片位置的麻烦，但需进行散射辐射测定值的修正，因为遮光环还遮掉了一大部分不应遮的天空。直射辐射的数值，可以用总辐射数值减去散射辐射而获得。但在温室补光设计中一般常用总辐射，而很少独立使用直射辐射和散射辐射。,.,25,(二)照度计照度计是专用于测量光照度的仪表，测量的单位是lx。由于光照度在温室光照设计中应用较多，所以照度计是温室光照测量中最常用的一种仪表，由于通用性强，相应地价格也较低。照度计的光敏传感器是光电池，通常使用最多的光电池是硒光电池和硅光电池，它吸收光能后产生电能，进而推动一个小型电流计指示光照的大小。为获得准确的读数，照度计必须对光的颜色和余弦效应进行修正。对光颜色的修正是通过在光电池上加装一个滤光片以使输出与人眼的敏感性相适应；余弦效应的修正是因为硒光电池对垂直入射直线更为敏感。由于其灵敏健，照度计还可用于获取辐射能(可见光+紫外线+红外线)的相对数值，并可对同一类型灯的输出进行比较，比如对两个荧光灯的光输出进行比较。但如果不对输出波段进行参数修正，则不能对一个荧光灯和一个白炽灯进行比较。,.,26,(三)光量子仪光量子仪是专用于测定作物接收光量子数的仪表，其测定的单位是每平方米单位时间内的微爱困斯坦数E(m2.s)。主要用于研究作物光合作用，也可以用作测量光合有效辐射(PAR)。光量子仪的光敏元件仍然是硅光电池。根据光电效应及光辐射与电流之间特定的物理关系，通过测定光电池的电流来获得吸收的光辐射量。假设与光合作用响关的辐射能限400700nm的光辐射波段，通过特殊滤光片的处理，按照不同光量子之间所具有能量的比例加以修正，最后将辐射能(400700nm)换算成光量子数(假设550nm光量子的能量为400700nm光量子的平均能量)。,二、光照控制光照控制的内容主要有光照强度控制和光周期控制两种方式。不论是光照强度控制还是光周期控制，控制系统设计中都离不开光照强度测定仪和定时器这两个基本的传感控制部件。通过实时检测动态光照强度变化，配合时钟控制，可完成对光强和光周期的各种控制要求。,.,27,(一)光照强度控制一般光照强度的控制在光源选择和灯具布置中实际上已经确定了其最大值，光照强度控制只是在夜晚或自然光照达到设定下限时打开全部光源即可。只有在凌晨或傍晚时分增加强度时才会涉及调节人工补光的光强。这种情况下，可采用时钟和光照强度测定仪共同控制人工光源。如果室外光照条件很差(如遇到春季的连阴天或某些地域雾天或阴雨天较多)室外光照不能满足作物生长要求时，白天也需要进行人工补光，这时，人工补光应尽量利用室外的光照，以节约人工光照的能源消耗。对于自然光照条件下的人工光照，光照强度的控制首先要通过光照传感器获得温室内光照强度的变化，由于室内光照可能会受到短时云层遮盖或骨架阴影等因素的影响，温室光照控制不能以传感器测得的瞬时值作为控制的依据，一般应以一段时间内的平均值、最高值或延时测定值等作为控制依据。当测定到光照强度控制位低于设定值下限后开始人工补光，而当补光强度大于设定值上限后应调节光照强度，以最大限度节约能源。,.,28,调节人工光照强度的方法主要有两种：一是采用组合灯具，将其中部分灯具开启，部分灯具关闭，这种方法要注意补光的均匀度；二是采用改变供电电压的方法，一般像白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯等，其光输出随供电电压的升高而升高，但在具体使用中要考虑电压的调节应在光源的额定电压调节范围内，用为长时间过高的电压会直接影响光源的使用寿命。如果不是在自然光照条件下进行人工光照补光(如夜间温室人工补光、生物培养箱光照、组培室光照等)，则对人工补光的控制可省去对