LED在植物设施栽培中的应用和前景

该文综述了近年来发光二极管(LED)在植物设施栽培中的研究与应用,内容包括:应用于植物设施栽培的LED特征,LED在植物组织培养、设施园艺和航天生态生保系统等方面的研究,以及LED应用于植物设施栽培领域的前景分析.     

可控LED亮度的植物自适应精准补光系统

人工补光对作物生长具有重要作用,发光二极管（LED）作为一种新型光源在作物补光系统中具有广阔的应用前景。针对目前常用的定光照度、定光质补光方式存在的不足,该文设计了一种综合考虑作物特性、光合有效辐射、环境温度等因素的自适应精确补光系统。该系统实时监测特定波段光照度、环境温度,精确计算作物补光量,并通过脉宽调制（PWM）信号控制红、蓝光LED灯组亮度,支持对不同植物在不同生长阶段、不同环境下的按需分波长定量补光,具有精确化,智能化,低能耗的特点。经温室实际生产过程的试验结果表明,补光系统性能可靠、达到了定量精确补光的设计要求,可避免植物生长不同阶段补光不足或过量的问题,从而提高了能源利用率。     

基于CFD的植物工厂圆形锯齿状水冷LED灯管降温效果模拟

为及时将LED灯管芯片产生的热量传导出去,提升LED灯的性能,延长其使用寿命,设计了一种圆形锯齿状水冷LED灯管,并通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件构建水冷LED灯管模型,对其降温效果进行研究.在模型中将LED灯珠芯片设置为内热源,热流密度根据灯珠的数量和电光转化...     

不同红外补光模式对植物工厂生菜生长及品质的影响

试验在密闭植物工厂内进行,以0:00-12:00照射的白色LED光为基础光,在保证生菜正常生长的前提下以两种峰值波长的LED红外光(850nm和930nm)作为补充光,通过调节红外光补光的时间点使之与白光形成半重叠(S)、全重叠(O)、不重叠(N)3种模式,分别为Fr_(930)S、Fr_(850)S、Fr_(930)O、Fr_(850)O、Fr_(930)N、Fr_(850)N共6个处理,各处理白光及红外光的光强度、供光时长均一致,且处理间的耗电量也基本一致。通过测定各处理生菜生长及品质指标,以分析不同红外光对生菜的作用是否独立或依赖于基础光,以及在相同耗电量下红外光的最佳补光模式。结果表明:(1)同一峰值波长的红外光在不同补光模式下对生菜的生长和品质影响各异;而同一补光模式下,不同峰值波长红外光对生菜的生长及品质的影响也存在差异。(2)6个处理中,850nm红外光独立于白光补光时,生菜地上食用部分的鲜重最高;而生菜粗蛋白和可溶性糖含量均在850nm红外光半重叠模式下最高;930nm独立补光时生菜Vc含量最高,硝酸盐含量最低。因此,实际生产中,在耗能基本一致的前提下,可根据生产目的对红外光的种类及其相对于基础光的补光模式进行选择和调节。     

微型植物工厂内部环境调控试验平台研制及试验

为解决植物工厂研究中存在的控制对象模型缺失问题,该文介绍了一种微型植物工厂内部环境调控试验平台。该平台舍弃了常用的参数设定间接调控模式,赋予控制算法对加热、降温等执行器的开关控制权,从而为更加直接地观测植物工厂内部环境的控制响应创造了条件。实际测试表明,该试验平台的加热、降温调控功能运行良好。同时,初步的数据分析确定了系统的延迟特性和平台内部温湿度因子间的相关性特征,为采样周期的选择以及后续开展温湿度智能优化调控奠定了良好的基础。     

连栋温室热水供热系统散热管道传热系数的计算与测试

设施农业是我国现代化进程中的一个重要内容，现代化温室作为设施农业的标志，正在受到大力发展和重点研究。为了对温室热水供热系统散热管道的热工性能进行研究和测试。论文主要进行了以下工作：对温室热水供热系统散热管道的热工性能进行理论分析和计算；在密闭小室内，对温室散热管道热工性能进行实际测试。通过理论计算与实际测试，得出了散热管道传热系数的实验公式，并分析了可信性与影响因素。     

LED绿光对生菜生长和品质的影响

在全人工光型植物工厂内以水培奶油生菜（Lactuca sativa L.）为试验材料,运用光质及光强可调节的LED植物生长灯,以8：00-24：00照射强度为200μmol·m-2·s-1的白光为基础光（对照W）,依次以强度为50（WG50）、100（WG100）、150μmol·m?2·s?1（WG150）的绿光取代相等强度的白光照射生菜,并测定生菜叶片生物量、形态、叶片数以及叶绿素、硝态氮、维生素C、可溶性糖、粗纤维和淀粉的含量,以探究绿光对生菜生长及品质的影响,为LED绿光的供光策略提供参考。结果表明：（1）在50μmol·m-2·s-1的绿光处理下,生菜地上部叶绿素含量显著高于对照,地上部干重较对照提高3.69%。（2）随着绿光强度的增加和基础白光强度的减弱,生菜地上部可溶性糖和维生素C含量均呈现先升高后降低的趋势,二者均在WG50处理下达到最高,并显著高于对照（P＜0.05）,而在WG150处理下达到最低,并显著低于对照（P＜0.05）。（3）与对照相比,绿光处理均降低了生菜叶片中淀粉、粗纤维以及硝酸盐的含量,其中硝酸盐含量在WG50处理下达到最低。说明50μmol·m-2·s-1强度的绿光有促进生菜干物质积累以及提升生菜品质的作用。     

植物工厂地源热泵系统热负荷BP神经网络预测及验证

为提高水蓄能型地下水源热泵自然光植物工厂供热系统节能性,供热系统必须能够很好地预测热负荷变化。针对自然光植物工厂热环境系统非线性特点,利用具有很强非线性映射能力的BP神经网络(back propagation,BP),选取室内外空气干球温度、太阳辐射强度、室内相对湿度和绝对湿度、室内风速等输入参数,确定算法步骤和评价指标,构建神经网络模型预测植物工厂次日负荷。采用Matlab神经网络工具箱对崇明试验基地水蓄能型地源热泵自然光植物工厂的样本集进行训练,训练后误差函数值为0.002 999 94,神经网络收敛。通过对比热负荷预测值与实际值,证明了神经网络预测热负荷值与实际值趋势一致,基本误差在±6%以内,结果表明神经网络法可以用于植物工厂次日热负荷预测。通过热负荷预测能够更加科学地调整供热系统运行模式,更好地匹配植物工厂需求热量与热泵的输出能量,实现运行节能和降低供能成本的目的。     

蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统节能运行调控

蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统虽然避免了传统化石能源供能所存在的一次能源利用率低且污染严重的问题,但目前缺乏长期运行经验。以上海崇明自然光植物工厂为例,对蓄能型地下水源热泵供能系统进行节能运行优化调控。研究发现该系统存在3种不合理运行情况:A.植物工厂热负荷为负值时热泵仍继续供热、B.热泵向蓄热水箱输出过多热量蓄热、C.热泵在用电高峰时仍运行。经过优化调控后,避免A运行情况,第1季度热泵最终可减少输出能量21.55 GJ,可减少耗电1 012.50 kWh,折合成电价可节约747元;避免B运行情况,设定第1季度热水充满率上限为85%,在保证热泵充分供能植物工厂前提下,可减少输出97.2GJ能量;避免C运行情况,热泵总输出能量不变,将第1季度中热泵140.25 GJ的热量转移到平价阶段输出,可以节约5 530元,此时电量总计8 654.07 kWh。通过优化自然光植物工厂供能系统运行过程,可以节能降耗,经济运行。     

植物工厂立体栽培系统多功能作业平台优化与试验

植物工厂中多采用立体栽培架进行育苗与栽培,立体栽培架上的栽培床搬运是其中重要一环。目前,栽培床多为人工搬运,存在劳动强度大、自动化水平低等问题。针对此问题,该研究研制了一种多功能作业平台,可实现自主循迹、定位和栽培床的自动搬运和输送。根据栽培床质量和立体栽培架高度要求,设计了升降机构,并确定了关键参数;研究了栽培床自动对接和自动输送机构,实现了栽培床的自动装卸;确定了基于RFID（Radio Frequency Identification）传感器的定位系统方案。采用STM32单片机作为自动控制系统的主控制器,自动控制系统主要包括导航系统、定位系统、通信系统、行走系统、升降系统、自动对接系统和自动输送系统等部分,并基于Android平台设计了人机交互界面,通过设置相应指令实时监控多功能作业平台的运动状态和作业参数。为评价多功能作业平台作业效果,以升降机构高度范围、前后定位偏差、高度定位偏差和平台与立体栽培架对接成功率为试验指标,进行了性能试验。试验结果表明,多功能作业平台升降高度范围为833～2 460 mm,前后定位偏差小于9 mm,高度定位偏差小于5 mm,对接成功率不小于96%,满足作业要求。该研究为进一步提高植物工厂立体栽培自动化水平提供了参考。     

可调红蓝光子比例的LED植物光源配光设计方法

为了动态控制用于植物生长的人工光源,该文提出一种以光子数作为评价标准,使红蓝光比例连续可调的LED植物生长光源的配光方法。综合考虑红、蓝2种波段光源及其他光谱的作用,该文采用白光LED与红光LED组合配比,以正向电流下LED的光谱密度数据作为计算基础,提出配光设计算法,实现红蓝成分有效光子数维持一定的要求下,红光与蓝光光子数比在指定区间(4:1~9:1之间)连续可调,从而满足植物不同生长状态对光质成分的需要。     

人工光植物工厂风机和空调协同降温节能效果

为减少人工光植物工厂中空调降温耗电量,该文利用风机引进外界低温空气与空调协同降温方式,以低功率的风机减少高功率空调的运行时间。结果表明,与仅利用空调进行降温的对照植物工厂相比,利用风机和空调协同降温的试验植物工厂节能效果明显,当植物工厂内部明、暗期空气温度分别设定在25℃和15℃,外界空气温度在-4～12℃时,明期耗电量的节省率为24.6%～63.0%,暗期为2.3%～33.6%,其节能效果随着外界空气温度的降低而增加;并且该降温方式可以将植物工厂内空气温度控制在目标值。因此,采用风机与空调协同方式对植物工厂内空气温度进行调控,可以减少植物工厂降温耗电量,降低其运行成本。     

Energy saving effect on cooperating cooling of conditioner and air exchanger in plant factory with artificial light

为减少人工光植物工厂中空调降温耗电量,该文利用风机引进外界低温空气与空调协同降温方式,以低功率的风机减少高功率空调的运行时间。结果表明,与仅利用空调进行降温的对照植物工厂相比,利用风机和空调协同降温的试验植物工厂节能效果明显,当植物工厂内部明、暗期空气温度分别设定在25℃和15℃,外界空气温度在-4～12℃时,明期耗电量的节省率为24.6%～63.0%,暗期为2.3%～33.6%,其节能效果随着外界空气温度的降低而增加;并且该降温方式可以将植物工厂内空气温度控制在目标值。因此,采用风机与空调协同方式对植物工厂内空气温度进行调控,可以减少植物工厂降温耗电量,降低其运行成本。     

不同LED光源对番茄果实转色期品质的影响

采用新型半导体光源发光二极管（LED）精量调制光质（红光、蓝光和红蓝组合光）,以普通日光灯（白光）为对照,研究不同光质对番茄果实转色期品质的影响。结果表明,红光处理下番茄果实番茄红素含量最高,显著高于对照和其他处理,但Vc含量最低。蓝光处理下番茄果实维生素C（Vc）含量、可溶性蛋白含量均显著提高。红蓝组合光处理番茄果实Vc含量与对照差异不明显,但可溶性蛋白的含量显著提高。红光和红蓝组合光处理能够显著提高番茄果实糖、酸含量;各处理糖酸比均显著高于对照,且红蓝组合光处理番茄果实的糖/酸值最高。红光和蓝光是影响番茄果实转色期品质变化的主要光质。     

植物工厂水蓄能型地下水源热泵供热系统节能运行特性研究

植物工厂供热系统中,采用传统能源存在一次能源利用率低且污染严重的问题。地下水源热泵节能环保,如果结合蓄能技术可进一步降低运行能耗。该文以上海崇明自然光植物工厂为例,对水蓄能型地下水源热泵供能系统进行节能运行特性研究。结果表明:水蓄能型地下水源热泵供能系统在冬季运行时,采用基于分时电价政策的间歇运行模式,即在电价低谷时,热泵机组边供热边蓄热;在电价高峰期,充分利用蓄热水箱供热。典型周内供能系统按照间歇模式运行可以维持室内温度17~26℃之间,系统稳定运行时,热泵机组制热功率与耗电功率的比值(coefficient of performance,COP)稳定在4.2左右。其中计算典型日水蓄能型地下水源热泵系统比不蓄能系统节省30.34%的费用,供能系统COP为3.17,进一步说明系统较为高效平稳。系统冬季运行一次能源利用系数0.99,相对于冷水机组与燃煤锅炉配套系统,节能率达到81.05%。计算不同能源冬季加热成本,燃煤、燃气和燃油方式分别是该系统运行成本的1.25、2.93和5.08倍。实践表明,水蓄能型地下水源热泵式供热系统不仅能够移峰填谷,降低运行费用,而且充分合理地利用地热能,节能减排,具有良好的经济和环保效益。