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LED智能灯具在农业照明应用

2016-01-21 11:16:11

[导读] 人类目前所面临的食物、能源、资源、环境和人口等问题的解决都与农业生产密切相关,而光照是影响植物生长发育的首要因素,因此,深入研究农业照明对光的需求特性、规律和光控基准,创新性地开发适宜于农业照明的智能控制补光系统,为农业照明提供高效的光照环境是1项重要工作。随着大气污染日益加重,大气透明系数不断下降,植物可接收的太阳光能越来越少,直接影响其生长发育。将补光调控技术用于农业栽培,可提高作物光合作用效率,促进生长并减少农药使用,利于发展高效无污染的现代农业。发展设施农业、观光农业、无土栽培和精准农业等现代生产

人类目前所面临的食物、能源、资源、环境和人口等问题的解决都与农业生产密切相关,而光照是影响植物生长发育的首要因素,因此,深入研究农业照明对光的需求特性、规律和光控基准,创新性地开发适宜于农业照明的智能控制补光系统,为农业照明提供高效的光照环境是1项重要工作。随着大气污染日益加重,大气透明系数不断下降,植物可接收的太阳光能越来越少,直接影响其生长发育。将补光调控技术用于农业栽培,可提高作物光合作用效率,促进生长并减少农药使用,利于发展高效无污染的现代农业。发展设施农业、观光农业、无土栽培和精准农业等现代生产经营模式,是现代农业模式的里程标志。

1、特点及优势

1.1 补光特点

植物利用太阳光进行光合作用,吸收的可见光光谱在380~760 nm,其中吸收峰值区域为波长610~720 nm红橙光和400~510 nm的蓝紫光。而连续的阴雨天气影响植物生长发育乃致绝收,智能控制补光的研究及发展将解决这一问题,发展不受天气影响的农业种植技术将成为新的方向。

影响温室补光的主要因素有光质、光强和光周期等,农作物光合作用以冠层光强补偿达到1 000~3 000 lx为宜,各种农作物对红蓝光(R/B)有特定要求,另外对自然界昼夜交替、周而复始的现象形成了光周期的要求,农作物在漫长的进化过程中适应了这种明暗变化。但是,在冬至前后或连阴天时,自然光照无法满足农作物生长发育需求,则需要通过人工补光来增加光照时间,近年来,温室补光已经成为农业生产的重要手段。

1.2 高效智能系统

由控制前端(智能手机、平板电脑或控制平台)、传感器(Sensor)、现场总线(Fieldbus)和LED灯组成的植物生长调控系统如图1所示。智能手机、平板电脑(嵌入Android 或iOS 操作系统)通过Wi-Fi无线网络连接控制平台对终端进行控制。终端内置专用通信模块通过ZigBee连接多达100个LED灯组网(可设任意组,灯之间的最大距离15 m)或单点访问,也可对传感器、增氧、浇灌及卷帘等装置进行系统控制。系统利用传感器监测环境温度、湿度和营养液pH值等数据,通过软件汇集到数据库,并指令施肥灌溉系统对植物进行定时、定量及分区分段的精准施肥灌溉,同时利用传感器进行系统监控。根据植物生长需求对LED灯的定时、开关、调光和调色等进行远程集中管理,并通过光配方(Light recipes, LR)对植物的生长和开花周期进行调控。

 

针对不同应用方案及场所,LED补光照明产品可选品种较多。灯泡、面板灯、投光灯、灯带和灯条等是植物工厂的典型LED应用产品,结合应用智能控制系统使农业照明系统更高效节能。

1.3 提高密度与节能

LED灯属于冷光源,其辐射光谱对植物的热效应小,可实现对植物的近距离补光且避免灼伤。在植物工厂或组培中,可缩短栽培层架之间的距离,提高空间利用率及植物单位空间的栽培密度。温室中的智能控制补光实验表明,使用传统光源(高压钠灯和金卤灯)每平方米需要配备0.5 kW的光源,而LED仅需0.27 kW,其节能量超过50 %。

另外,有效利用自然光照、光环境智能控制、提升空间管理和移动反射利用等现代农业照明的技术创新,将有效提高光能利用效率,满足批量生产或提前库存的市场需求。

2、农业照明应用

通过引进新技术种植蔬菜、水果、花卉及育苗组培,拓展到生态餐厅、农业观光等一系列精准农业模式,采用用以智能控制为基础,由信息技术支持的整套智能农事操作技术与管理系统,是当今农业发展的风向标。

2.1 畜禽养殖

通过研究红光、蓝光和白光对家禽生产性能的影响,推出系统控制光周期的智能养鸡照明产品,实现渐变式禽类养殖控制,并在养鸡场投入使用。智能系统按特定指标控制色温、光强及照明时长,观察其对畜禽的行为习性、生理特性和生长发育产生影响,并有效促进畜禽的生产性能,因此,养殖业生产中的照明不仅要求低能耗和长寿命,而且还应具备LR的可控性。图2所示为补光在畜禽养殖业的应用。

 

研究发现,在肉鸡(AA肉鸡)生长前期采用绿光或蓝光照射,生长后期采用蓝光照射,能显著促进其生长发育并提高生产性能。若再前期选用绿光照明,可不同程度地改善肉鸡小肠黏膜结构,提高小肠吸收营养物质的能力。此项研究成果可用于改善畜禽的生理节律、摄食行为、生长发育及繁殖性能的技术指标体系,促进畜禽生长及生产潜力,并提高畜禽免疫力。

2.2 微藻繁殖

随着全球资源、能源及环境危机加剧,如何开发利用光合自养生物微藻,直接将太阳能及二氧化碳(CO2)转化为人们生活需要的医药、生物基化学品和生物能源,成为世界各国关注的焦点。研究发现光照是影响微藻细胞生长及生化成分变化最重要因子之一,智能补光对微藻类的生长、繁殖、藻体颜色、细胞形态和代谢产物含量有着重要的影响。图3为微藻繁殖补光的典型应用。

 

2.3 水产诱捕

使用火或灯光诱捕已成为现代渔业的1个重要特征,研究人员利用不同颜色光对诱捕效果进行试验,结果表明蓝光具有深水体穿透性,使用以蓝色为主体的人工光源可获得更好的诱捕效果,图4为灯光诱捕的应用。

 

2.4 温室补光

目前用于温室人工补光的光源有钠灯、金卤灯和荧光灯等,其红外和绿光光谱成分较多,而农作物光合作用所需的红蓝光成分相对较少,使其光能利用率低下且运行成本较高。LED灯因其结构紧凑、转换效率高、节能和寿命长,被认为是植物工厂最理想的光源。利用LED点光源及定向照射的特点,将其设计成灯带穿插于植株间进行侧面照射,并通过LR可控与智能控制技术及自动化手段的结合应用,在户外温室利用太阳光和人工光互补,提高光利用率并满足农作物生长需求,使植物在的最佳模式下生长。图5为LED补光在温室的典型应用。

 

另外,根据植物细胞具有全能性的理论,利用植物离体的器官或细胞原生质体,在无菌、光照及温度适宜的人工培养条件下进行植物组织培养(即离体培养),通过诱导出愈伤组织、不定芽及不定根最后形成完整植株。试验表明,应用智能控制系统对黄瓜、番茄、甜椒和油菜等幼苗的生长发育有显著影响。

3、市场前景预测

2012年日本Mitsubishi公司就开始销售LED照明植物工厂系统,俄罗斯圣彼得堡市Mir Upakovki公司购买了其首套设备。2014年Philips携手美国芝加哥农业企业Green Sense Farms(GSF)建立了全球最大室内LED补光应用农场,针对不同植物品种建立LR数据库,通过LR的应用完善了数据库,使农场植物在1年中会有20~25次采收。另外,SHARP在迪拜建设并运行的草莓植物工厂实验楼,引进先进电子技术,使用包括LED补光控制技术以及基于等离子簇技术的空气管理技术等,针对草莓在沙漠等地方的农业生产进行研究,试验成功后考虑将业务拓展至中东及其它地区。

我国也在积极策划建成1座新型植物工厂,并打造成为具有代表性的全国农业生产示范基地。建设无土栽培、墙式栽培、多层水培、空中栽培和鱼菜共生等一系列具有特色的园区,集观光游览、技术展示、科普教育于一体的现代高科技农业精品主题植物生产教育基地。无论从促进现代化农业发展角度,还是节能环保的角度,大力推广LED及其智能控制技术在农业照明领域的应用都具有重要意义,而农业地位以及其发展需求也为LED照明业提供了发展机遇。

4、结语

农业生产环境急剧恶化、土壤污染严重及耕地大量减少,农业用水受季节影响明显等需要有相应的系统方案来解决。我国智能控制农业照明技术水平较发达国家低,须增加资金投入,加强研究力度,以提升企业及行业整体竞争力,并形成相应的标准化体系机制,将农业用智能控制照明纳入国家农业装备购置补贴目录,确保农业生产单位在购置智能控制照明产品时能够享受到国家政策性支农财政补贴,同时实现传统照明产业的升级改造,促进智能控制农业照明的健康发展。

[整理编辑:中国测控网]
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