温室补光

第九章温室补光植物利用光能将C02和水转化为碳水化合物的过程称为光合作用。光合作用是地球上生物赖以生存和发展的基础。光是光合作用的能量源泉，同时又是控制光周期的一种信息。温室内蔬菜、花卉等植物的栽培，一般是在冬春季节，此时光照时间较短，光线较弱，光照通常是作物生长发育的主要限制因素。生产者建设温室常常要求能够在周年任何季节生产各种不同环境要求的作物或出于商业目的的考虑，要求在室外光照条件不利于作物生长的季节生产一些光敏性的作物。在这种情况下，温室补光就成了温室设计必不可少的设备。近来，由于灯具的改进和照明方法的改良，在温室内观赏植物和蔬菜的商业生产过程中，逐步开始使用人工光源进行作物补光，以获得更好的产品品质和商业效益。但由于补光需要消耗大量的电能，在确定温室补光方案时一定要首先分析生产产品在经济上的可行性，以免造成不必要的浪费，甚至出现经济亏损。由于人工补光系统在一次性投资和运行费用方面都较高，因此，在选择和设计光照系统时需要权衡考虑各种因素，并在以下几个方面达到优化设计：①作物对光的响应；②其他环境因子的条件；③作物对光照度、光照时间和光谱成分的要求；④可产生最佳效果的光源；⑤可提供最均匀光照的系统设计；⑥系统的投资及运行费用。第一节光照的基本概念一、光照术语(一)太阳辐射在自然条件下，任何作物的生长都是靠太阳辐射作为惟一的光能进行光合作用。长期的培养和驯化形成了作物对太阳辐射的适应性。温室栽培，虽然能够人工控制光照环境，但作物对光照要求的习性仍然无法改变。所以，在进行温室补光设计前，必须首先了解太阳辐射的特性。太阳是一个进行剧烈热核反应的炽热气体星球，它不停地以电磁波的形式向四周空间辐射能量。据科学家推算，太阳的平均温度约为6000K，它每秒钟向地球辐射的能量约为3.8×1026J，相当于每秒钟燃烧115亿吨煤炭所释放的能量。太阳辐射到达地球大气层上界的辐射光谱是波长从近于零至无限大的连续光谱。但从170～4000nm波长内的光能量却占到总能量的99％，峰值能量波段在270nm。可到达地球表面的太阳辐射，由两部分组成：直接辐射和散射辐射。直接辐射一般指未经散射和反射的太阳辐射。定义为：来自太阳圆面的立体角内，投向与该立体角轴线相垂直面上的太阳辐射，单位为W／sr。直接辐射一般用直接日射表测量。直接辐射和散射辐射之和称为太阳总辐射。一般用总辐射表测量。(二)辐射强度以电磁波或光量子形式发射、传播或接收的能量叫做辐射能，用符号Q表示，单位为焦耳(J)。在单位时间内发射、传播或吸收的辐射能叫做辐射通量，用符号φ表示。根据定义dtdQ/辐射通量就是辐射功率，其单位为瓦(W)。对于点辐射源在单位立体角发出的辐射能通量称为点光源在这个方向上的点辐射强度，用Ie表示，单位为瓦／球面度(W／sr)。其中，球面角的定义为以立体角ω的顶点为球心的球面上所截取的面积S与球半径r2的比值(如图9.1)，即ω＝S／r2，单位为sr。由此/eeI透射到某表面上的辐射通量Φ与该表面面积A之比，称为该表面接受或吸收的辐射强度，用I表示，单位为W／m2，即在光的热效应或辐射能利用中，常以辐射强度作为计量单位。AI/(三)生理辐射绿色植物对辐射具有选择性的吸收特性。一般在300～440nm与670～680nm两处呈吸收高峰，对550nm一段吸收率较低。另外，对700～2500nm的一段近红外线，由于植物避免高温的保护性反应几乎不吸收，而对大于2500nm的远红外辐射，其吸收率又很高。在植物学上，对绿色植物生长发育有效作用的辐射波长为300～750nm内的辐射称为植物生理辐射。(四)光照强度和绿色植物吸收光谱的选择性一样，人眼对辐射的反应也有选择性。光刺激所引起的视觉强度不仅与光能量的大小有关，还与光的波长有关。在光学上将人的视觉器官接收光的刺激而产生视觉的波长范围内的辐射强度称为光照强度。人对光谱的灵敏度个体之间有一定差异，为此，通常所说的对人眼敏感的光谱是一个统计学概念，国际标准中规定了公认的正常人眼白天标准光谱效率范围，在光学研究中有专门的光谱范围，一般在400—700nm，其中光谱光效率最大值在555nm波长处。相应地，在光照强度波长范围内的辐射通量称为光通量。国际单位规定：在标准空气中，单位立体角通过1／683W555nm波长的单色辐射作为光通量的计量单位，单位为流明(lm)。到达或通过某单位面积的光通量称为光照强度，单位为勒克斯(1x)。原则上讲，研究植物光合作用不应该用光照强度作为计量单位，但由于先期研究植物光合作用的测量仪表主要是光照强度测量表，很多数据和指标都是以这种测量仪表为基础提出和制定的，为此，在除了对作物光合作用进行精密研究以外的大多数生产场合，光照强度仍然是比较通用的测量和控制指标。在使用中应注意表明测量的波段范围，以便了解植物光合作用的实际效果或进行不同单位之间的换算。(五)量子流密度爱因斯坦的量子学说把光辐射描述为不连续的细小粒子流。每一个粒子叫做光子或光量子。量子打击物质时，量子能量转移到被打击物质的电子上，于是被激活引起光化学反应。光化学定律指出：吸收一个量子，只能激活一个分子或原子。因量子的能量与其波长成反比，故在研究光电效应与光化学反应如光合作用与光照的关系中，应该以量子流密度作为计量光辐射的单位。在讨论辐射能量子概念时，规定单位时间内到达或通过单位面积的摩尔量子数，定义为量子流密度，单位为爱因斯坦E或微爱因斯坦μE。1E=1mol量子/(s.m2)=6.022×1023量子/(s.m2)1E=106μE一个量子所具有的能量[q(λ)，J)为Chq.)(式中h——普朗克常数，h＝6.625×1023J·s；C——光速，C＝2.998×108m／sλ——波长，m。在现代研究植物光合作用与光照问题的应用技术中，通常采用生理辐射波长范围内的量子流密度作为评价光辐射的物理量。二、光照单位之间的换算上述所讲各种测量光照或辐射，由于其测量波段不同，使其相互之间数据的转换不可能用一个固定的常数来实现，尤其是太阳辐射由于云层、大气质量、污染程度等因素的影响，地表所接受的辐射光波可能随时都在变化，这使各种单位间的转换更加困难。为此这里仅给出各单位之间理论换算关系，实际应用中，还应根据具体光源的发光波长具体计算或通过实验测定。(一)光量子单位向辐射度单位换算将量子传感器的输出的光量子(R)的单位由μmol／(s·m2)(400～700nm)转换成辐射度(WT)的单位W／m2(400～700nm)的过程是非常复杂的，对不同的光源其转换系数也不同。因此为了这一转换，必须首先知道辐射源的光谱分布曲线[Wλ，W／(m2·nm)]。所需的辐射度WT为Wλ在400～700nm波段的积分值即dWWT700400(9-1)在给定波长处每秒发射的光子数是//hcWs光子(9-2)因此400～700nm波段范围内每秒发射的光子数为dhcW700400/(9-3)这个积分可由量子传感器测量到，如果R是以μmol／(s·m2)[1μmol／(s·m2)=6.022×1017光子／(s·m2)]为单位的量子传感器的读数则有)(10022.617RdhcW700400/(9-4)由式(9-1)与式(9-4)可得dWdWRhcWT70040070040017)(10022.6(9-5)为了求得这两个积分，必须做分区间求和，还有因为Wλ，同时在分子和分母中出现。标准曲线Nλ可以代替它，从而得到iiiiiTNNRhcW)(10022.617(9-6)R的单位为μmol／(s·m2)。根据方程(9-7)分成如下步骤进行计算：(1)将400～700nm波段分成i个长度都为Δλ的区间；(2)算出区间中点处的波长λi；(3)测算出每个区间中点处波长的标准辐射Nλi；(4)对步骤(3)所求Nλi进行求和得；(5)对步骤(4)所求Nλi乘对应的λi；(6)对步骤(5)所求得λiNλi，求和得；(7)利用方程(9-7)求得WT。式中，Δλ是所取区间长度；且是各区间中点处的波长；Nλi是位于区间中点波长的标准辐射输出。最后得iiiiiTNNRW)(8.119(9-7)iNiiN【计算例1】假设光谱是位于400～700nm波段之间的直线分布即(400～700nm各波长的光谱照度相等），给定：i=1，Δλ=300nm，λi=550nm，则)(22.0)550(550)550()(8.119RNNRWT或1W/m2≈4.6μmol/(s.m2)这一系数处在由Mcree所测系数的±8.5%误差之内。(1)用方程代替方程(9-1)(4)用代替方程(9-7)(3)用代替方程(9-6)yλ是CIE曲线的发光系数。在550nm处yλ＝1；Wλ是光谱照度[W／(m2·nm)](2)用代替方程(9-5)(二)光子单位转换成光学度单位将光子单位μmol／(s·m2)(400～700nm)转换成光学度Wx。单位1x(400～700nm)转换过程除以下各步外与上相同。dWyWx700400683dWdWyRhcWx70040070040017))(10022.6(683iiiiixNNyRhcW))(10022.6(68317iiiiixNNyRW))(1017.84由上可见，不同光源在不同波段光照强度单位之间的换算没有固定的系数，设计中应咨询灯具生产商，根据特定的灯具进行补光设计。表9.1和表9.2给出了几种常用灯具光照强度单位之间的换算关系，供设计参考。【计算例2】在给定波长400～700nm范围内，设i=1～31，将整个波段分为31个等分区间，即Δλ=10nm有λ1=400nm，λ2=410nm，λ3=430nm，…，λ31=700nm假设全部Nλ取为1，取yλ1=0.004，yλ2=0.0012，yλ3=0.004，…，yλ31=0.0041nm则即Wx=51.2Rnm，R的单位为μmol／(s·m2)或1000lx=19.5μmol／(s·m2)。17052682.10)(1017.8)(1017.844RyRWiiixi第三节人工光源的种类与特性一、人工光源的选择标准在选择人工光源时，一般参照以下标准来进行选择1、人工光源的光谱性能2、发光效率3、其它因素二、温室常用人工光源1、白炽灯2、卤钨灯3、荧光灯4、高压水银灯5、金属卤化物灯6、高压钠灯7、反光板金属卤化物灯高压钠灯第四节人工光照的计算与调节人工光照计算中有三个主要的物理量：光源功率、设计照度和灯具数。任知其中两个量，便可求得第三个量。其计算的方法有：逐点计算法、利用系数法、单位容量法等。由于设定平面光照强度的影响因素较多，各种参数并不十分准确，计算结果有一定的误差是容许的。对实际使用的光照强度可通过调节光源距离、电压等进行调节。一、光源的类型根据光源尺寸及光源与采光面之间距离的大小，设计光源可分为点光源、线光源、面光源、带状光源等。当计算点与光源的距离大于光源最大边或直径的5倍时，该光源可按点光源计算。当光源的宽度与其长度相比小得多，且计算高度小于光源长度的4倍时，光源可按线光源计算。白炽灯和高能灯可以看做是点光源，而荧光灯管可看做线光源。反光板可以使作物得到来自点光源和线光源的光更均匀，光照强度更大：温室中常用光源为点光源或线光源，只有在人工气候室或小型试验温室中才可能用到面光源或带光源。为此，将主要介绍点光源二、点光源逐点计算法如图9.5，一点光源S对平面P上元面积dA的光照E等于入射到包含这一点的元面积上的光通量dφ除以该元面积dA：E=dφ／dA光源S向各个方向发射光通量，并照明平面P。被照平面P上的元面积dA所截获的光通量dφ与发出光通量dφ的光源立体角dω之比称为该光源的发光强度I，即I=dφ／dωE=Idω／dA由此从几何关系看，dω＝dA′／d2式中d——光源S到表面P的距离；dA′——