植物LED辅助照明系统的研究外文翻译资料

Optik 127 (2016) 7193–7201

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Optik

j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v i e r . d e / i j l e o

The research on LED supplementary lighting system for plants

Yingchao Xu ^a,b, , Yongxiao Chang ^a,b , Guanyu Chen ^a,b, Hongyi Lin ^a,b

• School of Opto-electronics and Communication Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China
• Fujian Provincial Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Devices, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 18 March 2016

Accepted 16 May 2016

OCIS:

(230.0230) Optical devices

(220.0220) Optical design and fabrication

Keywords:

Supplementary lighting system

LED lights

Lighttools

Tomatoes

a b s t r a c t

As an artificial light source, light-emitting diodes (LEDs) can be used to make the vegetables grow more quickly in closed-type plant production systems, especially in the environment of the light intensity is insufficient. In order to study the improvement of the cherry tomato growth rate using the LED light source, we have a design with a certain ratio of red and blue (relative spectral distribution) LED lighting system and carry out the manufacture of the LED supplementary lighting system. We carried on a track on the growth situation for a group of cherry tomatoes under the LED system and the other group of cherry tomatoes without the LED supplementary lighting system. We observed and compared with the growth of the two group of tomatoes in different growing period. In our experiment, we use supplementary lighting system with the red and blue LEDs which peak wavelenth are respectively 650 nm and 460 nm, and the relative spectral distribution ratio is 4:1. The experimental results showed that the LED supplementary lighting system significantly improved the growth speed of tomatoes. Because of the difference preference for the wavelength between the stem and leaf growth stage and the blooming and bearing fruit growth stage, this paper presents the red and blue light proportion choice switch which can be applied to the LED supplementary lighting system.

copy; 2016 Elsevier GmbH. All rights reserved.

1. Introduction

In recent years, the closed-type greenhouses are widely used to plant the anti-season flowers, fruits, vegetables, etc. As a result of the short sunshine time in the winter and early spring, the plantrsquo;s growth is slow. The illumination insufficient problem in vegetables fruit cultivation out of season impels researchers to seek means to change this condition. Meanwhile, using modern greenhouse to creat the ideal growing and illuminiting conditions for the increase of the vegetablersquo;s prodution is a development trend for countries all over the world especially the developed countries. At present, the common artificial supplementary lighting systems are fluorescent lamp, high-pressure sodium lamp, metal halide lamp, etc. But these artificial light sources applied in the supplementary lighting system have obvious drawbacks. For example, their spectra are mainly linear spectral line which causing a mismatch with plant photosynthetic absorption spectrum. Only part of wavelengths from the lamp can be absorbed by the plants and other wavelengths of light are wasted. Second, the power consumption of the incandescent light bulbs, fluorescent tubes, high-pressure sodium lamps and metal halide lamps is very big, at the same time they produce a lot of heat. So they cannot expose the plants on a relatively close distance to plant. Third, these artificial light

Corresponding author at: School of Opto-electronics and Communication Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China. E-mail address: ycxu@xmut.edu.cn (Y. Xu).

http://dx.doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.05.056

0030-4026/copy; 2016 Elsevier GmbH. All rights reserved.

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Optik 127（2016）7193-7201

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奥普蒂克

j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v i e r . d e / i j l e o

植物LED辅助照明系统的研究

许英超 ^a,b, ，张永孝 ^a,b ，陈冠宇 ^a,b，林弘毅 ^a,b

• 厦门理工学院光电与通信工程学院，厦门361024
• 厦门理工学院福建省光电子技术与器件重点实验室，厦门361024

a r t i c l e i n f o

文章历史：

2016年3月18日收到

2016年5月16日接受

奥基斯:

（230.0230）光学设备

（220.0220）光学设计和制造

关键词：

补充照明系统

LED灯

LightTools

番茄

摘要

作为人造光源，可以使用发光二极管（LED）使蔬菜在封闭式植物生产系统中更快地生长，特别是在光强度不足的环境中。为了研究利用LED光源提高樱桃番茄生长速度，我们设计了一定比例的红色和蓝色（相对光谱分布）LED照明系统，并开展了LED辅助照明系统的制造。我们对LED系统下的一组樱桃番茄和没有LED辅助照明系统的另一组樱桃番茄的成长情况进行了跟踪。我们观察并比较了不同生长期两组番茄的生长情况。在我们的实验中，我们使用红色和蓝色LED的补充照明系统，其峰值波长分别为650nm和460nm，相对光谱分布比为4：1。实验结果表明，LED辅助照明系统显着提高了番茄的生长速度。由于茎叶生长阶段和开花结果果实生长阶段之间波长的差异，本文提出了红光和蓝光比例选择开关，可应用于LED辅助照明系统。

copy;2016 Elsevier GmbH。版权所有。

1.简介

近年来，封闭式温室广泛用于种植反季节花卉，水果，蔬菜等。由于冬季和早春的日照时间短，植物生长缓慢。种植过季蔬菜水果的光照不足问题促使研究人员寻求改变这种状况的手段。同时，利用现代温室为增加蔬菜产量创造理想的生长和照明条件，是世界各国特别是发达国家的发展趋势。目前，常见的人工辅助照明系统是荧光灯，高压钠灯，金属卤化物灯等。但是这些应用于辅助照明系统的人造光源具有明显的缺点。例如，它们的光谱主要是线性光谱线，这就导致了与植物进行光合吸收所需光谱的不匹配。只有来自灯的波长的一部分可以被植物吸收，浪费了其他波长的光。其次，白炽灯泡，荧光灯管，高压钠灯和金属卤化物灯的耗电量非常大，并且它们会产生大量的热量。因此，他们不能将植物暴露相对较近的距离。第三，这些人造光

通讯作者：厦门理工学院光电与通信工程学院，厦门361024电子邮件地址：ycxu@xmut.edu.cn（Y。Xu）。

http://dx.doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.05.056

0030-4026 /copy;2016 Elsevier GmbH。版权所有。

7194	Y. Xu et al. / Optik 127 (2016) 7193–7201
Table 1
Effect of light wavelength on plant growth.
Optical wavelength (nm)	The influence on the growth of plants
280–315	Minimal impact on morphological and physiological process
315–400	Chlorophyll absorbs less, photoperiod effect, tissue and stem elongation
400–520	Chlorophyll and carotenoid absorption proportion is the largest, the biggest influence on photosynthesis
520–610	The pigment absorption rate is not high
610–720	Chlorophyll absorption rate is low, have significant effects on photosynthesis and light cycle effect
720–1000	Absorption rate is low, stimulate cell extended, affecting flowering and seed germination
gt;1000	Convert into heat
Table 2
LED parameters.
Parameter	Red LED	Blue LED
Light power	1 W	1 W
Product brightness	40–50 lm	15–25 lm
Current

7194	Y. Xu等。/ Optik 127（2016）7193-7201
表格1
光波长对植物生长的影响。
光波长（nm）	对植物生长的影响
280–315	对形态和生理过程的影响最小
315–400	叶绿素吸收较少，光周期效应，组织和茎伸长
400–520	叶绿素和类胡萝卜素的吸收比例最大，对光合作用的影响最大
520–610	颜料吸收率不高
610–720	叶绿素吸收率低，对光合作用和光循环效应有显着影响
720–1000	吸收率低，刺激细胞延长，影响开花和种子萌发
gt;1000	转化为热量
表2
LED参数。
参数	红色LED	蓝色LED
光能	1 W	1 W
产品亮度	40-50 lm	15-25 lm
当前	300-350毫安	300-350毫安
电压	2.0–2.6 V	3.0–3.6 V
发光带	620.5-645纳米	450-460纳米
光角度	120◦	120◦

与新开发的LED光源相比，光源不是节能灯。综合以上分析，这些传统灯对植物生长的激励效率不高，大大增加了人工照明的成本[1]。因此，人造光补充技术迄今仅应用于高附加值的花卉生长中。它尚未广泛用于农业生产。近年来，随着温室在农业生产中的应用越来越多，人工气候室的研究进展和农业科技的进步，温室光补充技术的研究和降低人工补充照明的成本变得越来越重要。近年来，新型节能高效补光技术正成为研究的热点。新发光材料的成功开发为解决问题提供了机会。而新型节能LED光源是辅助照明系统的最佳选择。

1.1.光谱范围对植物生理的影响

不同波长的光对植物光合作用的影响是不同的。植物光合成所需的光谱在约400-720nm的范围内。400-520nm（蓝色）的光和610-720nm（红色）的光对植物的光合作用贡献最大。蓝光可以促进植物茎和叶的生长。红光促进植物开花结果[2]。表1是光波长对植物生长的影响[3]。

1.2.LED灯珠的颜色选择和红色和蓝色LED的数量比例

植物补充照明系统通常有三种类型，它们是红色和蓝色组合，全部是蓝色，全部是红色，可以提供红色和蓝色波长的光，覆盖植物光合作用所需的波长范围。白光LED的光谱中有两个能量峰，即445nm的蓝色区域和550nm的黄绿色区域。然而，植物生长所需的610-720 nm波段不足，使补光效率很低。由于太阳光的红光和蓝光的比例约为6.8：1左右，为了供参考，对于观叶植物和叶类蔬菜，比例分配在6.8：1（红色：蓝色lt;6.8：1）和对于观赏花卉尤其是水果植物，比例大于6.8：1 [4]。为解决这一问题，本文提出了红蓝比例切换模式的创新，红蓝比例可以在4：1和9：1之间切换，进一步提高了辅助照明系统的效率（表2）。

1.3.灯珠参数

为此，我们选择采用以下两种红色和蓝色LED灯珠（图1）。

Y. Xu等。/ Optik 127（2016）7193-7201

7195

相对强度（％）

100	红色
	蓝色
80	白色

60

40

20

400 500 600 700波长（nm）

相对强度（％）

100 红色

蓝色

₈₀ 白色

60

40

20

400 500 600 700

波长（nm）

图1.两种辅助照明系统的光谱图（a）红色和蓝色比例为4：1（b）红色和蓝色比例为9：1（用于解释此图例中的颜色参考，读者可以参考本文的网页版本）。

图2. LXHL-PD01灯珠（红色）。（a）红色LED的机械模型（b）红色LED的强度模式（用于解释本图例中的颜色参考，读者可参考本文的网页版本）。

图3.LXHL-PB01灯珠（蓝色）。（a）蓝色LED的机械模型（b）蓝色LED的强度模式（用于解释本图例中的颜色参考，读者可参考本文的网页版本）。

2辅助照明系统的配光设计以及照度和光强度的分析

2.1.辅助照明系统的配光设计

由于单个LED的照明照度不能满足国家通用照明标准，因此一般采用阵列多个LED灯珠制成矩形，圆形和一系列梯形光源照明系统，以满足不同的照明需求。由于在叠加每一个光强后，阵列中所有LED光所贡献的目标平面的光强分布是朗伯分布，因此目标平面上光强度和光强度的空间分布主要取决于阵列中的LED数量[5]。在本文中，我们使用LXILL公司的LXHL-PD01的红色LED和LXHL-PB01蓝色LED进行实验。LED的机械模型和光分布曲线显示在图2和3中。

7196 Y. Xu等。/ Optik 127（2016）7193-7201

图4. LED辅助照明系统的配置图。

在LED照明设计的研究中，理想情况下，当LED表面光源与由光源照射的目标平面之间的距离远大于LED本身时，单个LED可以被认为是朗伯型表面光源. .因此认为LED面光源大致符合平方反比定律（图4）。

结果，LED照明分布可由下面的公式[6]表示：

这里，是LED发光角度，E₀ （r）表示theta;= 0时的面光源的照度分布 。由于标准朗伯表面光源的发光强度分布近似是理想的余弦函数分布，因此标准朗伯表面光源的n值约为1。

通过以上分析我们知道：

1. 当theta;= 0^◦ 时，发光强度最大;
2. 当theta;= 90^◦ 时，发光强度值近似为零。然而，在实际应用中，由于相同的原因（例如封装的原因），随着发光角度的增加，LED的n值经常增加。所以它通常大于1。
3. 当0^◦ lt;theta;lt; 90^◦ 时，如果cosⁿtheta; = ¹² ，则E （theta;）=frac12; E₀。

它的意思是

当

因此，当光源照射到垂直于光轴方向的目标接收平面时，光源的强度分布为[7]：

其中I₀ 表示法线上的发光强度，r是LED与目标接收平面之间的距离，式（4）表示，笛卡尔坐标中任意点P（x，y）处的LED照度x，y平面上的系统可以表示为

其中I表示表面光源的光强度，（X，Y）表示x，y平面点中的表面光源的坐标。

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