用LED光环境调控技术研究植物光合作用

用LED光环境调控技术研究植物光合作用

用LED光环境调控技术研究植物光合作用 篇1

柔性可调的太阳能LED植物组培灯的研制

摘要：

近十年来,随着人们对半导体发光材料研究的不断深入,LED灯 制造工艺的不断进步和新材料的开发应用, LED灯 的发展取得了突破性进展,价格也大幅度下降,其应用于植物设施栽培的研究逐渐被各国学者关注。尤其是在超高亮度LED灯 开发成功后,被广泛应用于植物生理或栽培领域的研究,如光形态发生、光合作用及叶绿素合成研究等。LED灯 应用于植物组织培养的研究在植物组织培养中,光合光量子通量密度、光照周期和光谱分布对植物的光合作用和形态建成起重要作用。植物组培主要依靠电光源,传统电光源对植物的生物能效极低、发热量大,是植物组织培养中最高的非人力成本之一。因此在植物组织培养中采用LED灯 提供照明,调控光质,不仅能够调控组培植物的生长发育和形态建成，还能缩短培养周期。

关键词：植物组培；LED；太阳能；柔性

1引言

基于点光源模型建立了LED阵列的光照度分布模型，以做到保证近距离区域内红蓝光即R/B尽可能均匀一致，保证植物栽培面上的光合成有效光量子流密度均匀分布。而且通过键盘设置由软件控制LED灯的闪烁频率和通断占空比，通过PWM调光方式能根据植物生长的要求定量精确地设置不同光密度、不同光周期、不同工作频率的多参数组合的红蓝光比。

随着半导体技术的飞速发展，各种波长的发光二极管尤其是LED灯被开发出来并被广泛应用于各行业。近年来，LED灯作为一种可应用于植物设施栽培的新型半导体光源，具有一系列传统电光源技术无可比拟的优点而日益受到关注。目前LED灯在植物设施栽培中的应用正日益扩大并呈良好的发展前景。

应用于植物设施栽培的特征光是植物生长发育的基本因素之一。光质对植物的生长、形态建成、光合作用、物质代谢以及基因表达均有调控作用。通过光质调节,控制植株形态建成和生长发育是设施栽培领域的一项重要技术。作为第四代新型照明光源,LED灯具有节能环保、安全可靠、使用寿命长、响应时间短、体积小、重量轻、发热量少、易于分散或组合控制等许多不同于其他电光源的重要特点。传统植物设施栽培中使用的光源一般是荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和白炽灯。这些光源是依据人眼对光的适应性所选择的,其光谱有很多不必要的波长,对植物生长的促进作用少。而随着光电技术革新和生产成本下降LED灯 因具备以下卓越性能成为植物设施栽培领域的首选光源。

光谱性能好,可按照需要组合获得纯正单色光与复合光谱,其波谱宽度小于士4 ΚΜ88,波长正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合；光能有效利用率高,并能对不同光质和发光强度实现单独控制；作为冷光源,可以近距离地照射植物,大大提高空间的利用效率,可用于多层栽培立体组合系统,实现了低热负荷和生产空间小型化。此

外，LED灯 耐冲击,不易破碎,不含汞,无污染,废弃物可回收利用,使用寿命是普通光源的数十倍,特强的耐用性也降低了运行成本。由于这些显著的特征,LED灯 十分适合应用于可控设施环境中的植物栽培,如植物组织培养、设施园艺和闭锁式植物工厂以及航天生态生保系统等阎。由于目前LED灯的价格较高,在植物设施栽培领域的推广应用还需要有一个过程。但随着LED灯 向高亮度、低价格的方向飞速发展，LED灯 一定会在不久的将来广泛应用于植物设施栽培领 域。2 用于植物光环境调控的LED光源系统的要求

近十年来，我国设施园艺面积发展迅速。植物生长的光环境控制照明技术已经引起重视。设施园艺照明技术主要用用于两方面：

1、在日照量少或日照时间短时作为植物光合作用的补充照明；

2、作为植物光周期，光形态建成的诱导照明。

3用于光环境调控的柔性可调的太阳能LED光源的系统设计

3.1 LED光源系统的组合方案

基于点光源模型建立了LED阵列的光照度分布模型，基于该模型设计的柔性可调的太阳能LED植物组培灯利用光伏效应原理制成的太阳能电池板在阳光充足且太阳能电池板输出满足系统要求时，太阳能电池板为对蓄电池充电；阳光强度不够时则由蓄电池对LED阵列光板供电。

通过多颗LED的组合优化构成16*24的LED阵列，保证了近距离照明区域内红蓝光即R/B尽可能均匀一致，保证植物栽培面上的光合成有效光量子流密度均匀分布。

3.2 LED光源系统的驱动系统设计

LED阵列采用“串并串”复合电路，降低每颗LED的故障影响面，而且更有利于故障的排除，同时有利于散热。

光源控制系统硬件采用嵌入式系统设计，微控环境选用89C2051，显示模块采用液晶显示，可显示LED灯的闪烁频率和通断占空比；通过键盘设置由软件控制LED灯的闪烁频率和通断占空比，通过PWM调光方式能根据植物生长的要求定量精确地设置不同光密度、不同光周期、不同工作频率的多参数组合的红蓝光比。

3.3 LED光源系统的电源系统设计

太阳能电池每块功率为20W，主要功能是将太阳能转换为电能。电源板用芯片UC3906控制蓄电池充电，当蓄电池充满电时指示灯亮。用开关电源芯片控制蓄电池输出电压稳定在22V~24V之间。用电压比较器LM339控制LED灯根据外界光强弱进行开关。实验结果及讨论

按照实验方案成功的完成了实验，可得创新点主要体现在以下几点：

1.基于点光源模型建立了LED阵列的光照度分布模型，保证了近距离照明区域光照均匀一致

2.充分利用太阳能供电，采用节能、环保、寿命长、体积小的LED光源，真正实现了节能环保；

2．可以根据照射植物生长的不同需要自由柔性的调节R/B比，整个设计造价低廉。

3．为LED光源阵列板设计了级联接口，可以根据植物组培照射的需要柔性扩展，多个LED光源阵列板可以拼接成更大面积的LED光源阵列板。

柔性可调的太阳能LED植物组培灯可以根据植物生长需要自由柔性的调节R/B比，从而提高植物群体的光合速率，合成更多有机物质，增加其生物量，整个设计造价低廉，充分利用太阳能为LED光源系统供电，减少对常规能源和电能的依附，将促使LED光源大规模应用于植物的光环境调控，应用前景十分广阔。结束语

近年来发光二极管在空间植物栽培中的应用倍受重视。研究发现氛气金卤灯和LED灯两种照明系统都能提供要求的光谱能量分布和均匀的照明,但是采用LED灯的照明系统的电能转换效率超过采用氨气金卤灯系统的10倍。LED灯 以其固有的优越性正吸引着世界的目光,特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下。将LED灯应用于植物设施栽培领域具有很多优势，可提供多种纯正单色光和复合光谱,可根据不同作物及不同生长发育时期提供相应的光谱组合,可以模拟太阳光强度的变化。发光频率与占空比可调节的特性可以提供高频间歇给光模式,有利于探讨光合作用中明期和暗期的控制机理,并可以扩大节能空间。LED灯在植物生理与植物栽培领域的应用研究已经引起全世界的广泛关注。以日本和美国为代表的发达国家不仅深入研究LED灯 对植物生长发育的调控机理,更注重积极研究将LED灯 广泛应用于植物设施栽培领域的技术和产品。美国某 研究中心把LED灯补光设施作为宇宙基地等闭锁式生命维持系统的相关技术之一开展研究。日本的闭锁式LED灯植物工厂的研究已经进入实用化阶段。迄今为止,中国植物设施栽培领域的LED灯应用机理研究还处于起步阶段。借鉴国外研究成果,进一步系统深入研究LED灯应用于中国设施栽培领域的基础理论十分必要。值得注意的是,不同植物不同生长时期所需的光谱组合，及光照周期存在一定差异,虽有一些国外文献报道应用红蓝LED灯等光谱组合对不同植物生长发育和形态建成影响的研究,但缺乏结合不同物种不同时期生长特性,分析植物对LED灯光质调控响应机理的研究,因此也未能给出不同植物在不同

生育期中最佳LED灯光谱组成及光照周期的可靠参数和系统资料。此外,中国虽然是植物设施栽培面积大国,但在设施栽培领域具有自主知识产权的LED灯技术产品的研发基本还是空白,急需工程学科和植物学科的研究者共同合作,研制开发出符合中国生产实际的LED灯植物光源、照明自动控制系统、新型植物生长调控装置和大型植物工厂化育苗设施等。随着LED灯技术的发展与生产成本的逐年下降,特别是随着中国半导体照明工程的启动,相信在不久的将来,与LED灯相关的各种技术和产品将广泛应用于植物设施栽培的生产实践中。参考文献：

设施0901刘忠坤2009305200710