谊文补光理论(YLCT)之落光

2017/2/6

摘要: 植物补光系统的分为发光、落光、光反应三部分。其中,发光涉及到供电系统、补光设备和控制系统;落光涉及到落光效率、落光匀度、落光光差比、遮光率、落光反射等问题;光反应的内容包括针对不同作物的人工补光技术等。

本文就落光部分进行讨论,给出定义、应用价值以及目前所面临的问题。

关键词:植物补光 落光匀度 落光效率 光差比、遮光率、落光反射

定义:

YLCT理论: 是“Yiwen’s Lighting Complement Theory”的缩写。“谊文补光”理论,研究目标是植物补光系统,包括发光、落光、光反应,其特点是来自于生产应用,服务与生产应用,是一个植物补光理论和应用的集合。


一、研究落光的意义

我们发现现有植物补光系统,由于对落光的研究不够深入,导致光利用率非常低。换言之,如果解决好落光问题,可以大幅度降低用电量,明显提高补光的效果。

在大照度系统中,常见到灯具挡掉的太阳光总量多于补光灯发出的光总量,因此,补光系统变成了“遮光系统”;也常见到灯具发出的光,大于50%的光总量,没有照射到目标面上,补光系统变成了“照明系统”。

小照度系统一般用于花芽分化抑制或者休眠抑制,落光匀度差导致的用电浪费一般都在50%以上,等等。

研究落光,可以指导补光灯产品设计和补光系统的设计,目的是大幅度降低补光系统的一次投入和运行费用,这也是补光系统面临的关键和长期的问题。


二、落光效率

落光效率:落到目标面的有效光和灯具发出的有效光之比。

理想状体下,我们系统补光灯发出的光全部落到目标面上,但这是不可能实现的。落光效率和灯具的安装高度和配光曲线(描绘灯具在空间中各个角度的发光强度,取决于光源和灯罩的形状)有关。

对于大照度小面积的应用,落光效率高尤为关键,这时选用的灯具应该是聚光的,照射范围比较小,光强较大,光束集中,被照射区域和非被照区域的过渡带比较窄。当灯具安装高度合适时,落光效率可能接近90%,这是好的设计。

对于小照度大面积应用,容易出现的问题是灯具发出的光没有全部落地,部分光直接照到了温室棚顶,导致落光效率低于70%。很容易观察到,在温室周围的高处观察,能够看到灯的直射光,就说明落光效率很低。优秀的设计要保证补光目标面上尽可能的“亮”,而温室外尽可能的“暗”。

对于组培补光,落光效率高更可以节约能源。仅从补光上看,组培瓶的盖子内嵌补光LED是理想的,但还没有相关实验数据。



图1 因为灯具配光不合适,落光效率低,从外面看很亮


三、落光匀度

落光匀度:达到目标照度(范围)的面积占补光目标总面积的百分比;

对于大照度的营养补光,包括组培应用,落光匀度会明显影响作物生长的速度,从而导致一致性不能达到标准;导致采收成本升高,人工分拣的工作量加大;

对于花芽分化抑制的补光应用,落光匀度差会导致花芽分化抑制比例降低,生长不整齐,优等品率降低,严重的会表现为植株矮小株型差。

落光匀度差都会导致严重的用电浪费,从已知的大部分补光系统看,通过提高落光匀度,都可以大幅度降低用电能耗,达30%到50%之间。

以切菊种植抑制花芽分化补光为例,在6400平方米内,要求达到80lux钠灯光照度,范围为±10lux;我们按照一般常规,每64个平方米安装一只150瓦高压钠灯。经检测发现,照度在70lux~90lux的面积为5000平方米,那么落光匀度为:

对于切菊种植,它表示78%的面积上,补光效果是好的;低于目标照度的面积,存在补光造成的花期控制失败(意味着可能减产、绝产或者遭到质量索赔投诉)的风险;高于目标照度的面积上,用电存在浪费和生长过快(产品一致性是优好农产品的重要价格指标)的风险。

在实际生产中,以上问题每年都在切菊种植中重复出现。



四、落光光差比

落光光差比:灯具安装到一定高度后,在只有补光灯提供提供有效辐射的情况下,在灯具穿过投影点的垂直线上,植物的根部第一个叶片水平面无叶片遮挡的位置的照度,与植物冠部水平面的照度比。

这个比值只与灯具发光点高度有关,其计算公式为:

落光光差比(%)=(1-植物根冠高度/有效安装高度)²

我们希望光差比为1,这时植物的根部和冠部的照度相等。只有在安装高度近似无线远时,光差比才为1。当灯具安装高度较低时,会导致植物的下半部分光照过弱,尤其是灯具距离植物冠部很近的情况下,更为明显。

解决的办法,除了适当提高灯具安装高度外,采用株间补光或者植株的叶间补光。已经有LED类产品和高压钠灯类产品进入应用阶段。

提高灯具的办法一般是不可行的。因为高度提高后,为保证照度,需要提供补光灯的发光强度,即用电功率;同时采用更加聚光的灯具,以增加专业上称为“penitration”的能力。


五、遮光率

遮光率:补光灯具投影到补光目标面上的面积占补光目标面的面积的比例。

在很多玻璃纹洛温室里,补光灯作为太阳提供有效光照的补充而存在;同时,补光灯会遮挡一部分直射的太阳光。

在特定应用中,补光灯具遮挡掉的太阳辐射量只和灯具大小相关(不考虑云遮挡阳光的问题)。可以想象,总存在一个明确的时间长度N,使得灯具发出的辐射量和灯具遮挡的太阳辐射量相等。

好的补光系统,N<2。也就是说,对于好的补光系统,也至少有2个小时的补光是浪费掉的。也是因为这个原因,在日照强的地区,做营养生长补光,要求用小灯具补光灯。对于国内现在规模应用的400瓦补光系统,在晴天比例较高的地区,其实质多为“遮光系统”,因为即使开灯24小时,灯具发出的光也可能比遮挡掉的日光少,大家都知道,太阳光是非常强的。

欧洲大规模应用1000瓦甚至更高功率的高压钠灯补光灯,一方面是因为功率越大光效约高,但主要的原因是遮光率低。

欧洲规模应用中,光源的更换原则是流明维持率下降到85%左右就判定光源寿命终结。原因有两个,其一是光源老化的同时,消耗功率会上升,产生的热也更多;其二是,遮光率不变,但发光量确下降了,N已经大于2,从效益上看已经不可接受。

由此可见,很多科研应用中,大功率(而不是现在规模应用的400瓦高压钠灯)移动补光是非常必要的,因为白天可以把灯具移开,确保太阳光完全不被灯具遮挡,但这种应用目前还没有看到。


六、落光反射

落光反射:太阳光或者人工光,落到补光目标附近,经过反射(或者折射),照射到植物上。

不同植物所需要的光照强度和光质不同,一般有需要增加全光谱辐射的,或者部分光谱组合的辐射。

一个可能的方法是采用环境反射,选择合适的反射材料反射所需的光谱,这相当于给植物增加了持续的特定光质辐射,成本低而且强度大而持久。

有相关文章讨论这个问题,但没有确认的规模应用。不排除在美国Hobby系统中,选用的反光材料具备这样的特性。


七、结论

本文结合应用实际提出补光系统中落光部分的相关定义,讨论了其在应用中的重要意义和方法。这些概念和方法将逐渐组合成“植物补光YLCT理论体系”,为设施农业科研和生产服务。


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