植物补光照明系统应用及对比分析

邬镝

(中国航天建筑设计研究院 (集团)，北京 100023)

1 概述

自然界生命的维持，完全依赖能量的供应，太阳发出的能量是生物和植物获取能量的主要来源。植物在光合作用中吸收来自太阳的能量，通过光合作用产生植物生长所需要的养料，通过呼吸作用与外界交换二氧化碳和氧气。光合作用和呼吸作用是植物生长的两种主要过程。

而光合作用是在叶绿体中完成的。在太阳光所含的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等成分中，叶绿体中的叶绿素吸收红光和蓝光的能力最强。

在温室培育植物生长过程中，太阳光的照射受到一定影响，直接关系植物的生长时间和速度，而通过利用照明光源人为补充太阳光，给植物补充能量，可以改变自然气候变化对农作物生长的影响，使整个植物成长过程中始终都处在可控制的状态中。

植物补光照明能使植物生产周期和质量得到有效控制，植物补光照明，就是利用太阳光的原理，用照明灯光代替太阳光给植物生长发育营造良好环境。我们通过有关照明系统的灯具选型，配套电器及光源选取，在这一方面取得实效，达到节能环保，下面是我们的应用经验，以期与业内人士共同分享。

2 光合作用与植物生长补光照明的关系

2.1 太阳光谱及各色光的作用

(1)在可见光中，被绿色植物吸收最多的是红橙光 (波长600～700纳米)和兰紫光 (波长400～500纳米)，对绿色光 (500～600纳米)只有微量吸收。红光下所生成的物质使植物长高。而蓝光下所生成的物质，促进蛋白质与非碳水化合物的积累，使植物增重。

(2)紫外线:波长小于400纳米的光为紫外光，占太阳辐射量的7%。其中波长300～400纳米的为近紫外线，波长200～300纳米的为远紫外线，波长小于200纳米的为真空紫外线。小于300纳米的高强度紫外线对植物有害，小于280纳米的紫外线可杀死植物。

(3)红外线:波长700～3000纳米的光为红外光，约占太阳辐射总量的22%，其中15%被反射掉，12.5%透过叶片，22.5%被叶片吸收。红外光能提高地温和气温，提供植物所需要的热量。

总之，红光和蓝紫光对绿色植物光合作用最有效。绿色植物叶绿体中的叶绿素主要吸收太阳光中的红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，也就是说红光和蓝紫光对光合作用的光反应最有效。

2.2 给植物补充红、蓝光的方法

(1)有色膜和转光膜

a)有色膜是加有机染料的塑料薄膜，转光膜是加有机稀土化合物的塑料薄膜。有色膜可以使七色阳光选择性地透过，转光膜可以将绿光转换成红光和蓝光。

b)人们可选用不同颜色的塑料薄膜人为地调节可见光的成分。用浅蓝色乙烯塑料覆盖育苗，比覆盖无色薄膜的长得健壮。花卉植物在蓝光量为自然光量两倍的人造光里，生长会比自然条件下的提高50～70%;栽种在红光环境里，其生长速度比对照提高40%以上。

(2)植物补光照明设备的作用

a)植物补光照明设备主光谱集中于蓝光区和红光区。它的光谱能量分布，十分接近植物光合作用的效率曲线 (对绿色植物效率更是显著)，是植物生长的最佳光源。

b)用于植物光合作用的补光照明设备，使用波长为430纳米、555纳米、630纳米的三波段灯管，能促进花卉的新陈代谢，加速花卉的光合作用。

c)作为补充光照，在一天的任何时间都可以增强光照，可以延长有效照明时间。

d)无论在黄昏或是夜晚，可以有效延长和科学控制植物所需要的光照。

e)在温室或植物实验室，可完全替代自然光，促进植物生长。

f)彻底解决育苗阶段看天吃饭的情况，完全根据苗株交货期来合理安排时间。

(3)植物补光照明设备介绍

目前在植物生长中应用的人工光源有白炽灯、荧光灯、高压钠灯、LED灯，这些光源应用在植物生长中各有优势。

第一，荧光灯、高压钠灯光谱基本为线状谱线，并与植物光合吸收光谱匹配不是很理想。能够被植物吸收的只是个别波段的光，其他波段的光都被浪费，不节能。

第二，由于白炽灯泡、日光灯管、钠灯等耗电量较大，同时产生很多的热辐射，不能对植物近距离照射，对植物生长光激励效率不高，大大增加了人工光照成本，因而除在一些高附加值的花卉种植上和人工气候室试验中有所应用外，并没有在农业生产上得到广泛应用。

第三，近年来随着农业生产中温室大棚的大面积推广，人工气候室的研究进展以及农业科技化水平的提高，进行温室合理给光以及降低给光成本的研究已显得越来越重要，新型节能高效给光措施更成为人们研究的热点，新型光源的成功研制为这一问题的解决提供了契机。高效节能LED植物灯是替代新产品，但是价格高，产品也不是完全成熟，有待进一步完善。

第四，高光效农业照明用钠灯，是用得最多的照明光源，国内外正积极配套电子镇流器取代电感镇流器，在节能、环保、省电上有了很大的进步。

3 植物补光照明设备的应用分析

现代化农业工厂，通过在大棚温室中使用植物生长照明灯光的方法，控制和调节植物的成长过程。这种做法的好处是可以摆脱自然气候变化对农作物生长的影响，补充没有太阳光时的照射能量，使整个农产品生产过程始终都处在可控制的状态中。

影响植物生长的光照因素主要有光照强度、光照波长和光照时间。

在已经建成的现代农业工厂中，大都架设促进植物生长的灯光装置，通过近距离照射方式，向植物提供补充光照。

这种照明装置可以根据植物生长的需要，通过预先植入的程序控制光照的强度和时间，由此促进植物的生长。

欧洲荷兰等国已把植物补光照明用于现代农业生产，取得了非常大经济效益。在欧洲，电子镇流器已经完全取代了电感镇流器，作为温室补光设备的主流产品，在温室行业最发达的荷兰，市场上几乎很难见到电感镇流器的身影。

我国是农业大国，在植物补光照明方面起步晚，增加作物产量，改善品质，高效地利用土地资源，是发展现代化农业的必经之路。而采用电感镇流器不节能，因此，开发应用植物补光专用电子镇流设备，必将为我国的农业生产现代化带来巨大的经济效益和社会效益的同时带来节能的效益。

3.1 温室补光设计原则和照明设备的介绍

设计原则:遵循植物生长阶段的发育机理，根据不同的植物特点选择不同的补光照明设备和补光照明时间。

照明设备见图1:

光源:农用照明400W或600W高压钠灯是用于温室照明的高强度气体放电灯。它的特点是比普通高压钠灯高10%的光输出和产生约30%的可见蓝光谱。

图1

主要作用:

a)缩短作物的生长周期25%

提高作物产量20%能够促进植物和花卉特别是分枝长数量更多，更茂密。

b)能使水果和蔬菜的颜色更润泽，植物的体态更优雅。

c)大幅度降低“盲花率”，被照植物均匀的享受到时间单位内的光照。

光源参数见表1:

表1

电器:400W或600W高压钠灯电子镇流器。

灯具:专业设计配光曲线与农业照明光源配套的专门灯具。

案例:温室补光照明系统运行情况见图2。

3.2 植物补光照明系统的应用分析对比

为了达到节约用电、保护环境的节能环保效果，建立优质高效、经济舒适、安全可靠的照明环境必须选取好的光源并选配好的镇流器。而电感镇流器由于自身设计的原因，功率损耗大，功率因数小，能耗大。在绿色照明和环保的要求下，电子镇流器正在淘汰电感镇流器，而推广应用优质高效的照明器材是实施绿色照明的重要手段。

(1)电子和电感镇流器应用分析对比

以400W高压钠灯电子镇流器和400W高压钠灯电感镇流器的耗电量为例比较:

图2

400W高压钠灯电子镇流器 (NL)

400W高压钠灯电感镇流器 (OT)

NL:400W，功耗约为5%:20W

OT:400W，功耗约为20%:80W

总功率:

NL:400+20=420W

OT:400+80=480W

设备一小时耗电量 (1KW/h=1度):

NL:0.42 度/小时

OT:0.48 度/小时

经实践证明:以1000平米的温室来算，想要得到4000 lux/m2的照度，需要400W镇流器70个。

一年补光耗电量 (以每天补光12小时为例):

NL:0.42×12×365×70=12.8万度

OT:0.48×12×365×106=14.7万度

NL直接省电1.9万度/年，以电费0.8元/度来算，可直接节省电费1.52万元/年。使用成本要低很多。如果使用5年，成本节约达11.8万元。

节能效果评估:每1000平米的温室大棚，在5年的时间里，400W高压钠灯电子镇流器比400W高压钠灯电感镇流器节约费用11.8万元。

配套电子镇流器的植物补光照明系统比配套电感镇流器的照明系统，运行费用低，节能，环保。不足之处是前期投入成本要高，但是后期维护费用低和运行费用低，环保，通过节电省下的电费，能把前期多的投入收回。

(2)电子镇流器的产品特点和优势

1)采用稳压控制电路，从而镇流器功耗低:我们的测试数据请见图3。

当输入电压变化时，电感镇流器和电子镇流器输出功率变化曲线见图3。

图3

由图3可见，当输入电压超过220V时，传统电感镇流器输出功率上升很快，此时系统功耗大大增加，采用电子镇流器可以解决此问题，因为电子镇流器有稳压电路。

2)保护光源寿命

植物补光钠灯的使用寿命取决光源流过的电流，当超过光源标称电流时，光源寿命会急剧下降，请见图4。

由图4可见，使用电子镇流器，光源光通量保持很好，所以使用寿命很长，这是因为电子镇流器采用了恒功率输出电路，避免发生超过光源标称电流的现象，从而解决了光源寿命问题。

同时电子镇流器还有以下优点:没有噪音、对电网污染小、安全可靠、减少灯具维护费用、减少光污染、体积小、重量轻。

4 总结

农业现代化需要先进科研成果的应用，植物补光系统应用到植物育种、大棚、温室等农业生产设施上，可以产生以下作用。

图4

(1)补充光照，在一天的任何时间都可以增强光照，可以延长有效照明时间。

(2)无论在黄昏或是夜晚，可以有效延长和科学控制植物所需要的光照。

(3)在温室或植物实验室，可完全替代自然光，促进植物生长。

(4)彻底解决育苗阶段看天吃饭的情况，完全根据苗株交货期来合理安排时间。

植物补光照明设备是植物工厂的主要照明，并为植物提供周期、光形态建成诱导照明。广泛应用于水溶液培养，园林，播种，育种，幼苗，农场，花卉等栽培。

在农业温室中，建议使用专业农用照明灯具，配套使用电子镇流器，在日照量少或日照时间短的时候作为植物光合作用的补充照明设备。

电子镇流器取代电感镇流器，是发展绿色照明的需要，也是国家环保和节能的需求。

［1］中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所．植物工厂概论．北京:中国农业科学技术出版社出版

［2］周长吉 主编．现代温室工程 (第二版)，北京:化学工业出版社出版

［3］农业部．日光温室建设标准

［4］农业部规划设计研究院．温室工程设计手册．中国农业出版社出版