用LED光環(huán)境調(diào)控技術(shù)研究植物光合作用

柔性可調(diào)的太陽能led植物組培燈的研制摘要：近十年來，隨著人們對半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入，LED燈制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料的開發(fā)應(yīng)用，LED燈的發(fā)展取得了突破性進(jìn)展，價格也大幅度下降，其應(yīng)用于植物設(shè)施栽培的研究逐漸被各國學(xué)者關(guān)注。尤其是在超高亮度LED燈開發(fā)成功后，被廣泛應(yīng)用于植物生理或栽培領(lǐng)域的研究，如光形態(tài)發(fā)生、光合作用及葉綠素合成研究等。LED燈應(yīng)用于植物組織培養(yǎng)的研究在植物組織培養(yǎng)中，光合光量子通量密度、光照周期和光譜分布對植物的光合作用和形態(tài)建成起重要作用。植物組培主要依靠電光源，傳統(tǒng)電光源對植物的生物能效極低、發(fā)熱量大，是植物組織培養(yǎng)中最高的非人力成本之一。因此在植物組織培養(yǎng)中采用LED燈提供照明，調(diào)控光質(zhì)，不僅能夠調(diào)控組培植物的生長發(fā)育和形態(tài)建成，還能縮短培養(yǎng)周期。關(guān)鍵詞：植物組培；LED;太陽能；柔性1引言基于點光源模型建立了LED陣列的光照度分布模型，以做到保證近距離區(qū)域內(nèi)紅藍(lán)光即R/B盡可能均勻一致，保證植物栽培面上的光合成有效光量子流密度均勻分布。而且通過鍵盤設(shè)置由軟件控制LED燈的閃爍頻率和通斷占空比，通過PWM調(diào)光方式能根據(jù)植物生長的要求定量精確地設(shè)置不同光密度、不同光周期、不同工作頻率的多參數(shù)組合的紅藍(lán)光比。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，各種波長的發(fā)光二極管尤其是LED燈被開發(fā)出來并被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。近年來，LED燈作為一種可應(yīng)用于植物設(shè)施栽培的新型半導(dǎo)體光源，具有一系列傳統(tǒng)電光源技術(shù)無可比擬的優(yōu)點而日益受到關(guān)注。目前LED燈在植物設(shè)施栽培中的應(yīng)用正日益擴(kuò)大并呈良好的發(fā)展前景。應(yīng)用于植物設(shè)施栽培的特征光是植物生長發(fā)育的基本因素之一。光質(zhì)對植物的生長、形態(tài)建成、光合作用、物質(zhì)代謝以及基因表達(dá)均有調(diào)控作用。通過光質(zhì)調(diào)節(jié)，控制植株形態(tài)建成和生長發(fā)育是設(shè)施栽培領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。作為第四代新型照明光源，LED燈具有節(jié)能環(huán)保、安全可靠、使用壽命長、響應(yīng)時間短、體積小、重量輕、發(fā)熱量少、易于分散或組合控制等許多不同于其他電光源的重要特點。傳統(tǒng)植物設(shè)施栽培中使用的光源一般是熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和白熾燈。這些光源是依據(jù)人眼對光的適應(yīng)性所選擇的，其光譜有很多不必要的波長，對植物生長的促進(jìn)作用少。而隨著光電技術(shù)革新和生產(chǎn)成本下降LED燈因具備以下卓越性能成為植物設(shè)施栽培領(lǐng)域的首選光源。光譜性能好，可按照需要組合獲得純正單色光與復(fù)合光譜，其波譜寬度小于士4km88波長正好與植物光合成和光形態(tài)建成的光譜范圍吻合；光能有效利用率高，并能對不同光質(zhì)和發(fā)光強度實現(xiàn)單獨控制；作為冷光源，可以近距離地照射植物，大大提高空間的利用效率，可用于多層栽培立體組合系統(tǒng)，實現(xiàn)了低熱負(fù)荷和生產(chǎn)空間小型化。此外，LED燈耐沖擊，不易破碎，不含汞，無污染，廢棄物可回收利用，使用壽命是普通光源的數(shù)十倍，特強的耐用性也降低了運行成本。由于這些顯著的特征,LED燈十分適合應(yīng)用于可控設(shè)施環(huán)境中的植物栽培,如植物組織培養(yǎng)、設(shè)施園藝和閉鎖式植物工廠以及航天生態(tài)生保系統(tǒng)等閻。由于目前LED燈的價格較高，在植物設(shè)施栽培領(lǐng)域的推廣應(yīng)用還需要有一個過程。但隨著LED燈向高亮度、低價格的方向飛速發(fā)展，LED燈一定會在不久的將來廣泛應(yīng)用于植物設(shè)施栽培領(lǐng)域。2用于植物光環(huán)境調(diào)控的LED光源系統(tǒng)的要求近十年來，我國設(shè)施園藝面積發(fā)展迅速。植物生長的光環(huán)境控制照明技術(shù)已經(jīng)引起重視。設(shè)施園藝照明技術(shù)主要用用于兩方面： 1、在日照量少或日照時間短時作為植物光合作用的補充照明；2、作為植物光周期，光形態(tài)建成的誘導(dǎo)照明。3用于光環(huán)境調(diào)控的柔性可調(diào)的太陽能LED光源的系統(tǒng)設(shè)計3.1LED光源系統(tǒng)的組合方案基于點光源模型建立了LED陣列的光照度分布模型，基于該模型設(shè)計的柔性可調(diào)的太陽能LED植物組培燈利用光伏效應(yīng)原理制成的太陽能電池板在陽光充足且太陽能電池板輸出滿足系統(tǒng)要求時，太陽能電池板為對蓄電池充電；陽光強度不夠時則由蓄電池對LED陣列光板供電。通過多顆LED的組合優(yōu)化構(gòu)成16*24的LED陣列，保證了近距離照明區(qū)域內(nèi)紅藍(lán)光即R/B盡可能均勻一致，保證植物栽培面上的光合成有效光量子流密度均勻分布。3.2LED光源系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計LED陣列采用“串并串”復(fù)合電路，降低每顆LED的故障影響面，而且更有利于故障的排除，同時有利于散熱光源控制系統(tǒng)硬件采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，微控環(huán)境選用89C2051,顯示模塊采用液晶顯示，可顯示LED燈的閃爍頻率和通斷占空比；通過鍵盤設(shè)置由軟件控制LED燈的閃爍頻率和通斷占空比，通過PWM調(diào)光方式能根據(jù)植物生長的要求定量精確地設(shè)置不同光密度、不同光周期、不同工作頻率的多參數(shù)組合的紅藍(lán)光比。3.3LED光源系統(tǒng)的電源系統(tǒng)設(shè)計太陽能電池每塊功率為20W，主要功能是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。電源板用芯片UC3906控制蓄電池充電，當(dāng)蓄電池充滿電時指示燈亮。用開關(guān)電源芯片控制蓄電池輸出電壓穩(wěn)定在22V~24V之間。用電壓比較器LM339控制LED燈根據(jù)外界光強弱進(jìn)行開關(guān)。4實驗結(jié)果及討論按照實驗方案成功的完成了實驗，可得創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾點：基于點光源模型建立了LED陣列的光照度分布模型，保證了近距離照明區(qū)域光照均勻一致充分利用太陽能供電，采用節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小的LED光源，真正實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保；可以根據(jù)照射植物生長的不同需要自由柔性的調(diào)節(jié)R/B比，整個設(shè)計造價低廉。為LED光源陣列板設(shè)計了級聯(lián)接口，可以根據(jù)植物組培照射的需要柔性擴(kuò)展，多個LED光源陣列板可以拼接成更大面積的LED光源陣列板。柔性可調(diào)的太陽能LED植物組培燈可以根據(jù)植物生長需要自由柔性的調(diào)節(jié)R/B比，從而提高植物群體的光合速率，合成更多有機物質(zhì)，增加其生物量，整個設(shè)計造價低廉，充分利用太陽能為LED光源系統(tǒng)供電，減少對常規(guī)能源和電能的依附，將促使LED光源大規(guī)模應(yīng)用于植物的光環(huán)境調(diào)控，應(yīng)用前景十分廣闊。6結(jié)束語近年來發(fā)光二極管在空間植物栽培中的應(yīng)用倍受重視。研究發(fā)現(xiàn)氛氣金鹵燈和LED燈兩種照明系統(tǒng)都能提供要求的光譜能量分布和均勻的照明，但是采用LED燈的照明系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率超過采用氨氣金鹵燈系統(tǒng)的10倍。LED燈以其固有的優(yōu)越性正吸引著世界的目光，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下。將LED燈應(yīng)用于植物設(shè)施栽培領(lǐng)域具有很多優(yōu)勢，可提供多種純正單色光和復(fù)合光譜，可根據(jù)不同作物及不同生長發(fā)育時期提供相應(yīng)的光譜組合，可以模擬太陽光強度的變化。發(fā)光頻率與占空比可調(diào)節(jié)的特性可以提供高頻間歇給光模式，有利于探討光合作用中明期和暗期的控制機理，并可以擴(kuò)大節(jié)能空間。LED燈在植物生理與植物栽培領(lǐng)域的應(yīng)用研究已經(jīng)引起全世界的廣泛關(guān)注。以日本和美國為代表的發(fā)達(dá)國家不僅深入研究LED燈對植物生長發(fā)育的調(diào)控機理，更注重積極研究將LED燈廣泛應(yīng)用于植物設(shè)施栽培領(lǐng)域的技術(shù)和產(chǎn)品。美國某研究中心把LED燈補光設(shè)施作為宇宙基地等閉鎖式生命維持系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)之一開展研究。日本的閉鎖式LED燈植物工廠的研究已經(jīng)進(jìn)入實用化階段。迄今為止，中國植物設(shè)施栽培領(lǐng)域的LED燈應(yīng)用機理研究還處于起步階段。借鑒國外研究成果，進(jìn)一步系統(tǒng)深入研究LED燈應(yīng)用于中國設(shè)施栽培領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論十分必要。值得注意的是，不同植物不同生長時期所需的光譜組合，及光照周期存在一定差異，雖有一些國外文獻(xiàn)報道應(yīng)用紅藍(lán)LED燈等光譜組合對不同植物生長發(fā)育和形態(tài)建成影響的研究，但缺乏結(jié)合不同物種不同時期生長特性，分析植物對LED燈光質(zhì)調(diào)控響應(yīng)機理的研究，因此也未能給出不同植物在不同生育期中最佳LED燈光譜組成及光照周期的可靠參數(shù)和系統(tǒng)資料。此外，中國雖然是植物設(shè)施栽培面積大國，但在設(shè)施栽培領(lǐng)域具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LED燈技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)基本還是空白，急需工程學(xué)科和植物學(xué)科的研究者共同