空间密闭环境中植物光照系统研制

朱景涛，艾为党，唐永康，郭双生，于闯，张洪博，沈韫赜，谢元友

（中国航天员科研训练中心人因工程全国重点实验室，北京，100094）

0 引言

开展载人深空探测和地外星球定居与开发等活动的前提是建立受控生态生保系统（controlled ecological life support system，CELSS），高等植物作为该系统的重要功能部件，可以为航天员提供地外生存所需的食物、氧气和水等生保物资[1～3]，因此高等植物栽培技术是建造CELSS的核心技术之一。植物生长通过光合作用、光形态建成和光周期调节完成，研制适合在空间密闭环境中使用的植物光照系统成为长期载人航天任务的必然要求[4]。目前，用于地面植物栽培的人工光源种类较多，比如高压钠灯（High Pressure Sodium Lamp，HPS）和荧光 灯（Compact Fluorescent Lamp，CFL），近年来随着光电技术的发展，发光二极管（Light Emitting Diode，LED）因其体积小、重量轻、结构牢固、寿命长、低压供电、调光容易、波长固定、光电转换率高、无环境污染等诸多优异性能，在地面和空间植物栽培中逐渐得到应用[5～10]。常用的LED 驱动和风冷散热方式容易导致发光不稳定、加速LED 的光衰并降低LED 的寿命，同时还存在结构松散、噪声大、能效小、可靠性低等问题，不能满足空间密闭环境使用要求。当前我们建立了一套受控生态生保技术集成试验平台，在该平台基础上，大范围使用LED 进行密闭环境中植物光照系统的研究，结果表明该植物光照系统具有结构紧凑、安全高效、发光稳定、散热充分、噪声小等特点。该系统的成功研制为地面模拟空间密闭环境进行植物栽培试验提供了适宜的光照条件，为下一步开展空间植物装置研制奠定了技术基础，也对日后LED 光照系统在地面植物工厂中的推广应用具有重要的参考价值。

1 系统方案

■1.1 主要技术指标和要求

空间密闭环境中植物光照系统主要技术指标和要求见表1。

表1 空间密闭环境中植物光照系统主要技术指标和要求

■1.2 系统设计

植物光照系统具有大面积光照、高集成度和长时间工作等特点，相应地要求该系统结构紧凑、高效节能、散热充分、光照稳定、性能可靠。为满足要求，系统设计思路如下：使用红光和蓝光两种大功率LED 作为光源，以LED 及其恒流驱动电路集成的灯板作为发光单元，接口简单、容易扩展；采用两种AC/DC 模块电源，实现灯板供电、光强控制和光周期调节。灯板采用冷板集中散热方式，通过调节制冷回路中冷却液的流量和温度，使灯板有效控温，充分散热。

该植物光照系统主要由灯板、电源系统和散热系统三个部分组成，下面分别对其结构组成、工作原理以及集成设计进行详细介绍。

1.2.1 灯板

灯板作为植物光照系统中独立的发光单元，将LED、恒流驱动电路和电连接器等元器件集成在PCB 板上。每块灯板上21个LED与恒流驱动电路串联成一路，共12路并联，均匀布局，形成发光阵列。AC/DC 输出电压通过电缆和电连接器接入灯板，在灯板恒流电路的驱动下，使LED 输出稳定的光强和光质。由于生菜和油麦菜具有易于培养、占用空间小、生长周期短、食用方便、富含多种营养成分等特点，通常用作CELSS 的空间生物部件，郭双生和唐永康的研究表明，90%红光+10%蓝光的组合方式有利于这两种蔬菜植株的生长发育及产量与品质的提高[11～12]，因此本灯板采用660nm 的红光LED 和450nm 蓝光LED，按9∶1 的比例在灯板上均匀布局。该植物光照系统共使用144 块结构一致的灯板，总光照面积达到36m2。

该灯板的优点如下：(1）结构紧凑，可牢固安装，适应空间力学环境；(2)LED 阵列发光强度高，光电转化率高，光照均匀；(3)光质配比适宜，满足空间植物生长需要；(4)驱动电路简单，易于集成，安全可靠，光照强度稳定；(5)发热部位集中在同一平面上，便于散热控制；(6)作为独立发光单元，接口简单，易于根据不同栽培面积需要进行扩展。

1.2.2 电源系统

使用AC/DC 电源模块，将交流市电分别转换为V1 和V2 两种直流稳压电源，对所有灯板进行集中供电。植物光照系统按栽培区域共分为12 个灯板组合，编号为AL，每组包含12 块灯板。每组灯板采用一个V1 电源模块进行光周期控制，每个V2 电源模块给4 块灯板供电。各电源模块输入端与组合控制开关连接，对电源系统实施过流保护、漏电保护、隔离保护，并进行灯板的光周期控制。各V2 电源输出端设置光强调节电路，实现灯板的光强调节。设置专用制冷系统对所有电源模块集中散热。该系统光周期和光强调节方便，电源模块散热效果好，系统运行安全稳定。植物光照系统供电原理图如图1 所示。

图1 植物光照系统供电原理图

1.2.3 散热系统

该植物光照系统中采用新型大功率（1W）LED 光源，最大输入功率达到36kW 以上，而LED 光电转化效率大约为2030%，因此该系统最大散热量超过25kW。设计中灯板上各元器件均采用贴片式封装结构，发热部位相对集中在灯板发光面背侧的平面上。根据灯板局部散热、负荷集中的特点，解决空间微重力环境无自然对流传热问题，设计了冷板集中散热、以乙二醇水溶液作为冷却工质的液冷散热方案，通过控制冷却液的温度及流量实现冷板温度控制。冷板采用“双排管+逆流” 方式的特殊铝板结构，使冷板表面温度分布均匀。冷板的一侧安装冷却液循环管路，另一侧作为吸热面安装灯板。冷却液在制冷回路中循环流动，不断地带走灯板热量，使灯板温度维持在恒定的温度范围内。灯板与冷板之间采用绝缘导热材料填充，通过紧固螺钉连接，使冷板吸热面和灯板散热面充分接触、良好贴合，减小灯板和冷板间的温差。各冷板管路串联流量调节阀，每块冷板表面贴装两个温度传感器，对灯板温度实时监测。通过对冷板入口冷却液温度和流量的调节，使灯板温度控制在预定范围内。该方案散热效果好、安全可靠、结构紧凑牢固、散热均匀、满足空间力学环境要求，也有利于日后直接利用空间冷源，达到更加经济、高效和安全可靠的效果。

1.2.4 系统集成

该系统根据栽培盘布局安装，灯板通过冷板分别安装在12 个栽培架上。冷板暴露部位使用绝热材料包覆处理，与周围空气有效隔离。灯板电流较大，灯板和电源系统连接采用大线径导线，按最短距离布线，减小线路损耗。灯板散热结构见图2 所示，光照系统安装效果图见图3 所示。

图2 灯板散热结构图

图3 光照系统安装效果图

2 验证实验结果

■2.1 光照稳定性

从受控生态生保技术集成试验平台安装调试完毕开始，测量光照系统原始数据，以灯板正下方40cm 处为测量基准点，随机抽取5 块灯板作为以后的跟踪目标，计算平均值，得到该系统光合有效辐射强度初始值为550μmol·m-2·s-1(PAR)。之后，该试验平台进行了三次24h（光亮）/0h（光暗）全光照周期试验，总计时间为105 天，获得了每天的光照数据。每隔5 天取一次数据，获得光合有效辐射强度变化曲线如图4 所示。分析结果表明，该光照系统稳定性好，除测量误差影响外，运行105 天后光合有效辐射强度基本没有衰减。

图4 105 天光合有效辐射强度变化曲线

■2.2 灯板散热效果

灯板散热通过冷板换热实现，LED 发热部位的温度由于无法监测，所以只对冷板温度进行测量分析。第三次植物栽培试验连续运行了50 天，每天采集光强跟踪测量对应的5 块冷板温度数据，计算平均值。每隔5 天取一次数据，获得冷板温度变化曲线如图5 所示。从试验曲线可以看出，试验运行刚开始一段时间内冷板温度略偏高，对冷却液温度和流量进行调节后，冷板温度基本稳定在30°C 左右。结果表明，灯板散热基本被冷板吸收，灯板散热效果良好。

图5 冷板温度变化曲线

■2.3 光照系统与植物匹配效果

从种子发芽到植株生长发育成熟，连续进行全周期光照，结果表明，该光照系统提供的光源适合空间植物生长要求。光照系统与植物生长匹配效果见图6 所示。

图6 光照35 天植物生长形态图

3 结论

通过该植物光照系统的研制，并经过大范围使用LED、24h 连续光周期运行50 天的植物栽培实验证明，该系统特点如下：（1）结构紧凑，灯板安装牢固，易于扩展，噪声小，满足空间环境要求；（2）输出光照强度高，光强及光周期可调，光照均匀，光质匹配合理，满足空间植物光照需要；（3）散热效果好，灯板能实现有效控温，光照稳定可靠；（4）灯板与电源系统、制冷系统匹配协调，光电转化率高，节能高效。综合结果表明，该系统性能良好，满足密闭环境植物栽培光照要求，相关技术可用于长期空间飞行大规模植物栽培系统。