LED在海洋捕魚中的應用研究

1、LED海洋捕魚燈可行性報告劉振華2013年6月14日目錄 引言 產(chǎn)品背景 LED捕魚燈概述 LED捕魚燈與傳統(tǒng)捕魚燈對比 LED捕魚燈應用 國情國策 未來LED植物燈五點發(fā)展建議引言光是植物生長中的重要環(huán)境因子之一。LED因體積小、質(zhì)量輕、壽命長、光強可調(diào)等優(yōu)點，使其成為植物光環(huán)境調(diào)控的重要光源之一，并在節(jié)能和促進植物生長方面都具有明顯的優(yōu)勢。目前，LED在植物組織培養(yǎng)研究中已得到一定的應用，并取得了一些可喜的進展。 LED獨有的優(yōu)點，使其成為植物組織培養(yǎng)研究的重要光源之一。20世紀80年代以來，世界上一些國家陸續(xù)開始了LED在植物組織培養(yǎng)中應用研究。中國的一些高等院校和科研機構(gòu)也開始了該方面

2、的研究，并取得了一些可喜的進展。產(chǎn)品背景傳統(tǒng)植物載培所采用的光源多為熒光燈、高壓鈉燈或白熾燈，但它們均以人眼為應用對象，以人眼的視覺效應最高為設(shè)計原則，而不是以植物的生理效應最高為設(shè)計準則1-3，光對植物的生物效應完全不同于人眼的視覺效應1，3，因而其生物效能很低，其光輻射能無法被植物高效吸收利用，只能轉(zhuǎn)化為熱能，并導致環(huán)境溫度升高，反而需空調(diào)降溫，造成極大的能源浪費。植物對它們的能量利用率尚不足0.2%，考慮到空調(diào)除熱的能耗，其能量綜合利用率在0.1%以下4，5，光效低，發(fā)熱量大，能耗成本約占其運行費用的40-50%1，2，6 。如右圖為采用熒光燈的大型植物組培工廠。LED植物燈概述LED植

3、物燈特點：具有高光電轉(zhuǎn)換效率、使用直流電、體積小、壽命長、波長固定與低發(fā)熱等幾項優(yōu)點，相較目前使用熒光燈或高壓鈉燈等人工光源的系統(tǒng)而言具有光量可調(diào)整、光質(zhì) (紅藍光比例或紅/遠紅光比例）可調(diào)整、冷卻負荷低與允許提高單位面積栽培量等優(yōu)點。研究現(xiàn)狀：LED 使用直流電源，同時具有光量、頻率與工作比可調(diào)整特性，因而可產(chǎn)生連續(xù)光源或間歇光源 79；Iwanami 10通過使用LED補充紅光或遠紅光光量來改變光質(zhì)，進而控制馬鈴薯組培苗莖的長度與生長狀況；Yanagi11 使用紅光與藍光LED來探討光質(zhì)與光量對萵苣生長與光形態(tài)發(fā)生之影響。Nhut12發(fā)現(xiàn)使用LED 作為草莓組培苗生長的人工光源可提高其在馴

4、化階段存活率，同時使用LED 作為白鶴芋組培苗生產(chǎn)的人工光源13，比起熒光燈光源來更加有效率。Johnsonet14研究發(fā)現(xiàn)加入紅外光LED光源將改變原燕麥苗的生長狀態(tài)與對重力的反應。Jao15使用高頻閃爍的紅、藍光LED為光源，發(fā)現(xiàn)可在不提高耗電成本下提高馬鈴薯組培苗的生長速率。光合作用原理植物對光有選擇性 到達地面的太陽光波長大約從3002600nm，其中對光合作用的有效波長在400700nm之間，其中425490nm的藍光以及610700nm的紅光對光合作用貢獻率最大，而520610nm(綠色)的光線被植物吸收的比率很低。因此，并不是所有的光都有助于植物的光合作用。光合作用原理植物生長的

5、吸收光譜 色素吸收光能產(chǎn)生一系列的生化反應，不同色素吸收不同波長。植物體內(nèi)有很多色素，分別起著不同的作用，但有兩種色素，即光敏色素和隱花色素在調(diào)節(jié)植物對光的反應中起著關(guān)鍵性的作用。光敏色素有兩個互變異構(gòu)體一遠紅光光敏色素(a)和紅光光敏色素(b) 。a吸收波長660nm左右的遠紅光，b吸收波長460 nm左右的紅光。 由此可見，460nm左右的藍光和660nm左右的紅光是植物最需要的光波，并對植物的生長發(fā)育起著關(guān)鍵性的作用。葉綠素葉綠素a,b的光吸收光譜的光吸收光譜光合作用原理缺藍光，影響地下部形成缺藍光，地上部纖細紅藍光比例9：1最佳。紅藍光對植物生長影響 日本的Tanaka等較早地利用LE

6、D作為蘭花組培苗光源，發(fā)現(xiàn)試管苗生長的最佳紅藍光比例為8：2。 LeVan等人研究表明，在紅藍光比例為3：1時愈傷組織的生長效果最佳，但100的紅光對愈傷組織的誘導率最高。 張婕等研究表明，紅藍光比例7：3的條件下，菊花組培苗的生長狀況最好。不同的植物對紅藍光配比的要求不同。光合作用原理光質(zhì)影響植物營養(yǎng)成份 LED頻譜較窄，可以有針對性的對植物進行光照處理。紅光有利于可溶性糖和淀粉的積累，降低色素含量。而紅光+紅外光的組合可以促使植物維他命的增加，以及色素和可溶性蛋白的合成。紅光和藍光組合處理的植物葉中可溶性糖和淀粉含量以及根系活力均高于熒光處理。LED植物燈與傳統(tǒng)燈對比人工光源類型白熾燈 金

7、屬鹵素燈 緊湊型氣體放電燈泡 日光燈- 高壓汞燈- 高壓納燈發(fā)光二極管IncandescentMetal halideCompact gas_discharge FluorescentHigh pressure mercuryHigh pressure SodiumLEDs 62(6.2%)227138-170220-270(25%)124-166313-316(31%)100-35014.87850?6764?9340?57125-13780-150Luminous Efficacylm/WRadiant EfficiencymW/W壽 命lifetime1,000 hrs6,000 hrs

8、6,000-8,000 hrs8,000-9,000 hrs8,000-10,000 hrs16,000 hrs100,000 hrs=11.4 years與傳統(tǒng)植物燈相比， LED具有體積小、重量輕、固態(tài)、壽命長、波長特殊、驅(qū)動電壓較低、光效率高、能耗小、安全、可靠耐用、不容易色衰的優(yōu)點，且紅光LED光子具有較大的光通量。另外，LED具有較窄的波譜，波譜半寬范圍從幾納米到幾十納米，在20nm左右，波長正好與植物光合成和光形態(tài)形成的光譜范圍相吻合。LED植物燈與傳統(tǒng)燈對比捕蟲用熒光燈譜害蟲趨向性光譜害蟲趨向性光譜與熒光燈譜對比圖熒燈光與LED燈對害蟲作用 LED頻譜較窄，對植物生長有利的藍光部

9、分頻譜不在害蟲趨向的(320380nm )范圍內(nèi)。 熒光燈的頻譜與害蟲的趨光頻譜吻合處較多，因此，比較吸引害蟲。LED植物燈應用LED植物燈起著趨蟲避害作用 LED發(fā)光光譜偏離蟲子的視覺曲線，也可以用于農(nóng)業(yè)害蟲的物理防治，采用特定波長的LED光源滅殺害蟲；還可以用于動物的養(yǎng)殖，采用特定波長的LED實施光照促進動物生產(chǎn)，減少病害發(fā)生，減少飼料添加劑及激素的使用等等。LED植物燈應用LED作為植物光合作用補充照明 傳統(tǒng)人工光源產(chǎn)生太多熱量，如采用LED補充照明和水培系統(tǒng)，空氣能夠被循環(huán)使用，過多的熱量和水份可以被移除，電能能夠被高效地轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Ч夂陷椛?，最終轉(zhuǎn)化為植物物質(zhì)。研究表明：采用LED照明

10、，生菜的生長速率、光合速率都提高20%以上，將LED用于植物工廠是可行的。 研究發(fā)現(xiàn)，與熒光燈相比，混合波長的LED光源能夠顯著促進菠菜、蘿卜和生菜的生長發(fā)育，提高形態(tài)指標；能夠使甜菜生物積累量最大，毛根中甜菜素積累最顯著，并在毛根中產(chǎn)生最高的糖分和淀粉積累。與金屬鹵化燈相比，生長在符合波長LED下的胡椒、紫蘇植株，其莖、葉的解剖學形態(tài)發(fā)生顯著的變化，并且隨著光密度提高，植株的光合速率提高。復合波長的LED可引起萬壽菊和鼠尾草兩種植物的氣孔數(shù)目增多。LED植物燈應用LED作為植物光周期、光形態(tài)建成的誘導照明 特定波長的LED可影響植物的開花時間、品質(zhì)和花期持續(xù)時間。某些波長的LED能夠提高植物

11、的花芽數(shù)和開花數(shù)；某些波長的LED能夠降低成花反應，調(diào)控了花梗長度和花期，有利于切花生產(chǎn)和上市。由此可見通過LED調(diào)控可以調(diào)控植物的開花和隨后的生長。LED植物燈應用LED應用于航天生態(tài)生保系統(tǒng)的研究 建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)(Controlled Ecological Life Support System,CELSS)是解決長期載人航天生命保障問題的根本途徑，高等植物的栽培是CELSS的重要元件，其關(guān)鍵之一光照。 基于空間環(huán)境的特殊要求，空間高等植物栽培中使用的光源必須具有發(fā)光效率高、輸出的光波適合于植物光合作用和形態(tài)建成、體積小、重量輕、壽命長、高安全可靠性記錄和無環(huán)境污染等特點。與冷白熒光

12、燈、高壓鈉燈和金屬鹵素燈等其它光源相比較，LED更能有效地將光能轉(zhuǎn)化成光合有效輻射；此外,它具有壽命長、體積小、重量輕和呈固態(tài)等特點，因此，近年來在地面和空間植物栽培中倍受重視。研究表明LED照明系統(tǒng)能提供光譜能量分布均勻的照明，其電能轉(zhuǎn)換為植物所需光的效率超過金鹵燈的520倍。 國情國策依據(jù)國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）、國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定和國家“十二五”科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃等文件精神，指出特別加強半導體照明在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和通訊等創(chuàng)新應用領(lǐng)域的非視覺照明技術(shù)及照明系統(tǒng)研究。半導體照明材料、器件 ，制定本半導體照明光源在植物中的應用是國家“863

13、”重點扶持項目。 國情國策目前現(xiàn)有的供應商共有110家左右,主要集中在廣東區(qū) 域廣 東浙 江湖 北四 川江蘇上 海廣 西福 建山 東遼 寧湖 南合 計數(shù) 量858522222221113國情國策當前市場環(huán)境分析現(xiàn)有產(chǎn)品絕大部分都是由小功率燈珠制作的?，F(xiàn)有產(chǎn)品的功率主要集中在15W以下及90W左右，200W以上及40W左右的產(chǎn)品一定程度上存在市場空白。由于產(chǎn)品質(zhì)量的良莠不齊，同功率產(chǎn)品市場價格跨度也相對較大。除去少數(shù)燈泡樣式的不管多少功率都是1元左右外，其余的相功率及價格分布如右表所示。國情國策未來客戶分析 由市場面得來的數(shù)據(jù)分析山東、江蘇、浙江、河南一帶LED植物燈在農(nóng)業(yè)中的應用產(chǎn)業(yè)相對的發(fā)達

14、，是最具市場潛力的。以上地區(qū)政府對推廣農(nóng)業(yè)科技提升比較重視，并投入相當?shù)娜肆柏斄?。國情國策市場預測 在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一般使用普通光源補充光照和應用不同覆蓋材料等農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，如采用單色熒光燈或彩色塑料薄膜，改變光環(huán)境以調(diào)控設(shè)施栽培環(huán)境中植物的生長發(fā)育。但這些措施存在著不同程度的問題，如缺乏對具體光譜成分的分析導致光質(zhì)處理不純，光強不一致、接近甚至或低于植物的光補償點，照射光源能效低等。LED在植物設(shè)施栽培環(huán)境中的大量應用研究結(jié)果表明，LED能夠解決這些難題，特別適合應用于人工光控制型植物設(shè)施栽培環(huán)境。 僅植物工廠化育苗產(chǎn)業(yè)一項就為LED光源提供了巨大的消費市場，據(jù)南農(nóng)大課題組的測算，幼苗僅出

15、口一項就達到近百億株之巨量，國內(nèi)年消費量則更大，如果在植物工廠化育苗中采用LED替代傳統(tǒng)電光源，其一次性總市場規(guī)模將達到2000億元。未來LED植物燈五點發(fā)展建議加大LED農(nóng)業(yè)照明產(chǎn)品的研發(fā)力度 目前，農(nóng)業(yè)專用芯片的研發(fā)生產(chǎn)主要由國外公司控制，比如660nm、730nm波長的LED芯片，中國目前沒有公司在研發(fā)和生產(chǎn)。受制于國外的情況不利于國內(nèi)LED農(nóng)業(yè)應用領(lǐng)域的研發(fā)和推廣進程，國家應加大農(nóng)業(yè)專用LED芯片及燈具的研發(fā)和生產(chǎn)。 其次，應加快低成本農(nóng)業(yè)專用LED光源的研發(fā)。目前成本是制約LED光源農(nóng)業(yè)應用的瓶頸，降低成本是其能夠大面積應用推廣的基礎(chǔ)，如農(nóng)業(yè)照明燈具外觀上的要求并不嚴格，故而可以減少

16、在此方面的設(shè)計及投入，從而降低制造成本；此外，由于農(nóng)業(yè)照明環(huán)境及其對照明質(zhì)量須求的特殊性，現(xiàn)有的民用LED燈具并不適于農(nóng)業(yè)照明，必須結(jié)合農(nóng)業(yè)照明特殊的環(huán)境以及內(nèi)在光學指標要求進行研發(fā)，如溫室內(nèi)高溫高濕環(huán)境，溫室補光LED光源必須密封性良好，防水防腐蝕，同時，其光質(zhì)組成不一定要求全光譜，僅滿足植物對紅藍光的須求即可。未來LED植物燈五點發(fā)展建議要加快農(nóng)業(yè)LED光源標準的構(gòu)建 標準化是產(chǎn)品能夠健康有序發(fā)展的關(guān)鍵因素，對于農(nóng)業(yè)LED光源也是如此，只有有了標準化的約束，才能使LED農(nóng)業(yè)光源更好更快的發(fā)展。但是標準化體系的建立，應從LED農(nóng)業(yè)光源的研發(fā)與實際應用兩個方面進行更多的調(diào)查研究，從而制定出有利

17、于行業(yè)和產(chǎn)品發(fā)展的農(nóng)業(yè)LED光源標準。扶持農(nóng)業(yè)LED光源生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展 目前，我國各級政府已經(jīng)出臺了一系列政策措施推動和鼓勵半導體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為我國半導體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用，但是對農(nóng)業(yè)LED照明產(chǎn)業(yè)的關(guān)注度還甚少，這在一定程度上不利于農(nóng)業(yè)LED光源技術(shù)的快速發(fā)展。可以考慮培育一批有核心競爭力的科研院所和龍頭骨干企業(yè)，形成一批有國際先進水平的特色優(yōu)勢產(chǎn)品，創(chuàng)建一批有持續(xù)創(chuàng)新能力的重點技術(shù)創(chuàng)新中心，以產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)突破為目標，搶占產(chǎn)業(yè)鏈高端環(huán)節(jié)，爭取重點領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，實現(xiàn)做大做強、做專做精的戰(zhàn)略目標。未來LED植物燈五點發(fā)展建議開展農(nóng)業(yè)LED光源規(guī)模性示范 由于農(nóng)業(yè)投入的特殊性，

18、靠農(nóng)業(yè)企業(yè)本身來完成LED光源生產(chǎn)的投入，困難重重。建議重點建設(shè)應用示范推廣工程：集中規(guī)劃建設(shè)若干個蔬菜、花卉、組培、中藥以及禽類養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)LED產(chǎn)品應用示范基地，形成政府主導、企業(yè)主體、市場配置“三力合一”.通過示范工程的建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)基地的創(chuàng)新意識，打造農(nóng)用LED的大規(guī)模應用平臺和展示平臺，以示范應用促進LED農(nóng)業(yè)應用的發(fā)展。制定農(nóng)用LED的資金補貼政策 由于農(nóng)用LED光源價格還相對較高，但是卻具有節(jié)能高效的生產(chǎn)潛力，為了使其能夠更好地發(fā)揮節(jié)能高效的作用，在一定程度上須要政策性補貼，包括科研項目經(jīng)費支持、重大裝備購買資金補貼、產(chǎn)品應用補貼等。建議將LED植物燈納入國家農(nóng)業(yè)裝備購

19、置補貼目錄，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單位在購置LED植物燈時能夠直接享受到國家30%50%政策性支農(nóng)財政補貼。這將有助于建立農(nóng)業(yè)LED光源的節(jié)能高效生產(chǎn)模式，實現(xiàn)傳統(tǒng)照明產(chǎn)業(yè)的升級改造，促進農(nóng)業(yè)LED光源產(chǎn)業(yè)的健康合理發(fā)展。THANKS參考文獻1 Andrea K, Francisco J ZA. Natural light as an alternative light source for the in vitro culture of banana J. Plant Cell Tissue and Organ Culture, 1999, 55: 141-145 2 肖玉蘭. 植物無糖組培快繁工廠化

20、生產(chǎn)技術(shù)M . 昆明：云南科技出版社，20033 蔡祖泉. 電光源原理引論 M. 上海：復旦大學出版社，19874 賀冬仙，朱本海，楊珀，李保明. 密閉式植物種苗工廠的設(shè)計理念與環(huán)境控制. 中國農(nóng)業(yè)工程學會學術(shù)論文集，2005，：34-415 李江，馬正炳，孫仲序等. 植物組織培養(yǎng)的簡化J. 植物生理學通訊，2003，39（4）：356-3586 Andrea K, Francisco J ZA. Natural light as an alternative light source for the in vitro culture of bananaJ. Plant Cell Tissue

21、 and Organ Culture, 1999, 55: 1411457 Ladislav N., V. Tichy, F. Xiong and J.U. Grobbelaar. 1996. Microscopic greenalage and cyanobacteria in high- frequency intermittent light. J. App. Phy. 8:325-3338 Lee, C.G. and B. Palsson. 1994. High-density algal photobioreactors using light-emitting diodes. Bi

22、otech. And Bioeng. V44:1161-1167.9 Hans, C.P.M., H. Balke, U.M. Van Hes, B.M.A. Kroon, L.R. Mur and R.A. Binot. 1996. Application of light-emitting diodes in bioreactors: flashing light effects and energy economy in Algal culture (Chlorella pyrenoidosa) . Biotech. And Bioeng. 50:98-10710 Iwanami, Y.

23、, T. Kozai, Y. Kitaya and S. Kino. 1992. Effects of supplemental red and far-red lighting using light emitting diodes on stem elongation and growth of potato plantlets in vitro. Abstr. Intl. Symp. Transplant Production Systems. P18311 Yanagi T., K. Okamoto and S. Takita. 1996. Effects of blue and blue/red lights oftwo different PPF levels on growth and morphogenesis of lettuce plants. Acta Horticulturae 440:117-122.12 Nhut, D.T., N., T. Takamura, H. Watanabe and M. Tanaka. 2000. Light emitting diodes (LEDs) as a radiation source for micropropagation of strawberry. In “Transplant Produ