靳肖林， 文尚勝， 馬丙戌， 付 萌， 蔡明興， 左 欣， 康麗娟

(1. 華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640；

2. 華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640； 3. 華南師范大學(xué) 美術(shù)學(xué)院， 廣東 廣州 510641)

1 引 言

人口的急劇增加與耕地面積的日益減少為植物工廠的興起提供了條件。植物工廠是利用高科技打造的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)系統(tǒng)[1]，通過控制環(huán)境如溫度、濕度、光照、無機(jī)物與有機(jī)物的配比來為植物生長提供必要的條件，從而達(dá)到縮短植物生長周期、提高生產(chǎn)效率的目的，是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。光照環(huán)境是植物生長的關(guān)鍵要素之一， 可以直接影響植物生長發(fā)育過程和化學(xué)物質(zhì)積累[2-4]，近年來，熒光粉在LED植物照明材料及器件上的應(yīng)用是一個(gè)研究熱點(diǎn)[5-7]，張運(yùn)杰[8]探究了硫化物體系、鎵酸鹽體系幾種紅色熒光材料在植物照明LED上的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)材料的發(fā)光光譜與植物光合作用光譜相匹配，表明熒光材料在LED照明領(lǐng)域有巨大潛能；此外，光照在植物保鮮方面應(yīng)用也越加廣泛[9]，這使得植物照明成為研究熱點(diǎn)之一，相應(yīng)地，開發(fā)性能優(yōu)良的植物照明光源顯得尤為重要。

LED作為最近幾年興起的第三代照明光源，在植物照明上具有三大優(yōu)勢(shì)。第一，植物進(jìn)行光合作用吸收的光主要是波長為610～720 nm的紅橙光以及波長為400～510 nm的藍(lán)紫光，LED可以發(fā)出植物所需要的單色光光譜[10-12]。在植物保鮮方面，劉然然[13]實(shí)驗(yàn)證明，綠光可以很好地保護(hù)植物葉綠素和維生素C不被破壞，保持植物的感官品質(zhì)與營養(yǎng)成分，有效減緩植物衰老。閻瑞香[14]的研究表明，白光和綠光可以有效保持蘆薈外觀特質(zhì)，防止蔬菜的褪綠黃化。第二，LED光譜具有可調(diào)性，可以根據(jù)不同植物在不同生長階段對(duì)光的需求，調(diào)節(jié)LED的光質(zhì)比，獲得復(fù)合光譜[15]，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)給光。第三，LED體積小，節(jié)能，光電轉(zhuǎn)化效率高，可以緊湊排列，提高空間利用率。

但是現(xiàn)有的LED植物照明燈有一定的缺陷，如燈具中一般將紅藍(lán)燈珠進(jìn)行陣列排布，但沒有進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，由于光線沒有足夠的距離進(jìn)行耦合，低光照均勻性會(huì)導(dǎo)致近距離受照面出現(xiàn)紅藍(lán)光斑，導(dǎo)致同一批次的植物的生長光環(huán)境不一，影響植物的均衡成長。針對(duì)這一缺陷，本文提出了一種新的燈具設(shè)計(jì)方案，在LED芯片上方加入導(dǎo)光管與光纖透鏡的組合結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)光管長度以及光纖透鏡的直徑獲得最佳的光學(xué)結(jié)構(gòu)，研究過程中使用SPIC-200 光譜彩色照度計(jì)對(duì)光源進(jìn)行表征，通過對(duì)光譜、光量子通量密度和色度參量的測(cè)試，計(jì)算出混光、混色以及光譜均勻度，從提高均勻性為出發(fā)點(diǎn)找出最佳光學(xué)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，為了更加有效科學(xué)地表征植物光源的照明效果，引入有效光能利用率這一新的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其核心思想是將用于植物生長的光能與光源發(fā)出的總的光能的比來表示燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)從能源利用的角度來講是否合理。最后研究所得的光源被進(jìn)一步應(yīng)用于玫瑰花的保鮮中，進(jìn)一步驗(yàn)證燈具的先進(jìn)性并為進(jìn)一步的實(shí)地研究提供科學(xué)的參考依據(jù)。目前的保鮮實(shí)驗(yàn)只是關(guān)注單色綠光或紅藍(lán)光對(duì)果蔬保鮮的影響，少有將光質(zhì)可調(diào)的照明燈應(yīng)用到植物保鮮領(lǐng)域。本文通過脈沖寬度調(diào)光技術(shù)(PWM調(diào)光技術(shù))調(diào)節(jié)燈具的發(fā)光光譜，研究不同的光譜、光質(zhì)比對(duì)于玫瑰花保鮮的影響。本文從光源的光、電、熱性能入手對(duì)科學(xué)的植物照明燈具進(jìn)行了全面科學(xué)的研究，并進(jìn)一步對(duì)于植物光源的評(píng)價(jià)指標(biāo)提出創(chuàng)新性的評(píng)價(jià)理念和指標(biāo)，并在最后針對(duì)光源對(duì)玫瑰花保鮮的問題從應(yīng)用的層面做了進(jìn)一步研究。

2 燈具設(shè)計(jì)

2.1 整燈模型介紹

如圖1所示，燈具由散熱片、RGB三色COB LED芯片、導(dǎo)光管、玻璃光纖透鏡構(gòu)成。最終得到實(shí)際燈具及其照明效果如圖2(a)所示，而市面上常見的借鑒了射燈結(jié)構(gòu)的植物照明燈的照明效果如圖2(b)所示，相比之下本研究提出的光源設(shè)計(jì)方案大幅度提高了光源的均勻度。在電源驅(qū)動(dòng)方面，使用MPS3003S可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源，結(jié)合脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(Pulse-width modulation，PWM)[16-18]，實(shí)現(xiàn)光譜可控；此外，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了燈具工作時(shí)的溫度，從熱學(xué)角度評(píng)價(jià)燈具的散熱性能。

圖1 整燈模型

圖2 植物燈對(duì)比圖。(a)實(shí)驗(yàn)所用燈具；(b)傳統(tǒng)LED植物照明燈。

2.2 燈具設(shè)計(jì)分析

多色LED可以不使用混光元件直接混合，但當(dāng)混光距離過短時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同顏色的亮斑和暗斑，如圖3(a)所示；通常會(huì)在燈具結(jié)構(gòu)中加入毛玻璃和擴(kuò)散板等傳統(tǒng)混光元件來增強(qiáng)混光效果，使光線充分混合均勻出射，但這類光學(xué)器件會(huì)使光束發(fā)散，如圖3(b)，不利于光能被植物充分吸收利用。為解決這一問題，本研究提出使用導(dǎo)光管與光纖透鏡，導(dǎo)光管和透鏡可以在改善植物燈混光效果的同時(shí)約束光出射角，光線從cob芯片射出后，經(jīng)過導(dǎo)光管和光纖透鏡的反射和透射，可以小角度地準(zhǔn)直出射，如圖3(c)所示。

圖3 多色LED的混光模型圖。(a)直接混光；(b)使用傳統(tǒng)的混合元件；(c)使用導(dǎo)光管與光纖透鏡。

3 研究參數(shù)

植物對(duì)光線感知能力強(qiáng)，在不同的光質(zhì)與光強(qiáng)下植物的生理活動(dòng)大不相同，這就要求植物照明燈應(yīng)具有高的照度均勻度與混色均勻度，以此為依據(jù)，本實(shí)驗(yàn)主要探究燈具均勻度。目前評(píng)價(jià)燈具照明效果多用基于人眼視見函數(shù)的光度學(xué)量，如光通量Pv與光照度Ev，但因?yàn)槿说难劬椭参飳?duì)光的敏感度在不同波長處達(dá)到峰值，所以光度學(xué)參數(shù)Pv、Ev等不再適用于評(píng)價(jià)植物照明燈，應(yīng)使用更加符合植物照明的光量子學(xué)參數(shù)[19-20]來表征植物燈。光量子學(xué)中與光度學(xué)中的照度相對(duì)應(yīng)、用來表征植物燈照明效果的參數(shù)是光量子通量密度(Photosynthetic photon flux density，PPFD)，即受照面單位時(shí)間內(nèi)單位面積所接收到的光子數(shù)目，單位是μmol·m-1·s-1。在植物學(xué)領(lǐng)域，光合有效輻照度EPRA可表示為：

(1)

其中Ee(λ) 表示光譜輻照度，λ表示波長。

根據(jù)光子理論，光子能量公式為：

(2)

公式(1)和(2)結(jié)合可以得到照度與PPFD之間的換算公式，且因?yàn)楣庾訑?shù)量級(jí)過大，所以采用摩爾單位計(jì)數(shù)，可得光量子通量密度計(jì)算公式:

(3)

其中，K代表PPFD，h表示普朗克常量，c表示光速，nA表示阿伏伽德羅常數(shù)。

3.1 光譜差異性

分析時(shí)，光譜差異性定義為樣品點(diǎn)的RGB三色光譜的差異，用ΔSRSGSB來表示，我們用公式(4)計(jì)算ΔSRSGSB：

ΔSRSGSB=

(i=1,2,3…),

(4)

其中ΔSRSGSB表示光譜均方差，N表示樣品點(diǎn)數(shù)目，SRi、SGi、SBi分別表示樣品點(diǎn)紅綠藍(lán)三色光譜值，SR、SG、SB分別表示樣品點(diǎn)的紅綠藍(lán)三色的絕對(duì)光譜值，SR、SG、SB越大表示光譜差異性越大。

由于公式(4)計(jì)算所得均方差較小，難以比較，通常我們用公式(5)來對(duì)光譜均方差進(jìn)行歸一化處理，用公式(5)表示光譜均勻性：

(5)

其中k是一個(gè)常數(shù)。 在本實(shí)驗(yàn)中，k的值設(shè)置為使光譜均勻度最大值等于90%。

3.2 混色均勻性

植物對(duì)不同的光譜反應(yīng)靈敏且響應(yīng)差異性大，本實(shí)驗(yàn)使用RGB三色光源進(jìn)行三色混光，混色均勻性直接體現(xiàn)了光譜分布的均勻性，是本實(shí)驗(yàn)的重要測(cè)量參數(shù)之一。我們將混色均勻度定義為CIE1976色坐標(biāo)的差異，用Δuv表示色坐標(biāo)差異性，使用公式(6)來計(jì)算色坐標(biāo)差異：

(6)

其中ui、vi是CIE 1976色彩系統(tǒng)中測(cè)量點(diǎn)的色坐標(biāo)，N是受照面上的采樣點(diǎn)數(shù)。 采樣點(diǎn)的均方差值越小，顏色坐標(biāo)差異越小，即混色均勻性越高。

公式(6)計(jì)算的均方差值通常較小，因此我們使用公式(7)對(duì)Δuv進(jìn)行歸一化處理，用Ucolor表示混色均勻度：

(7)

其中k是一個(gè)常數(shù)。 在本實(shí)驗(yàn)中，k的值設(shè)置為使混色均勻度最大值等于90%。

3.3 PPFD均勻度

光照強(qiáng)度直接影響著植物光合作用與呼吸作用，為了使同一批植株均衡生長，植物燈必須實(shí)現(xiàn)均勻給光。為了衡量受照面光的強(qiáng)弱分布，探究植物燈能否實(shí)現(xiàn)均勻給光，我們測(cè)量了受照面上的PPFD并使用公式(8)計(jì)算其均勻性：

(8)

其中ΔK表示受照面的光量子通量密度均方差，均方差越小表示光強(qiáng)分布越均勻，和混色均勻度類似，我們同樣對(duì)ΔK進(jìn)行歸一化處理，使用α來表示PPFD均勻度：

(9)

其中k是一個(gè)常數(shù)。 在本實(shí)驗(yàn)中，k的值設(shè)置為使PPFD均勻度最大值等于90%。

3.4 有效光能利用率

對(duì)于大多數(shù)植物的光合作用[21]，如圖4(a)曲線所示，A點(diǎn)被定義為光補(bǔ)償點(diǎn)，B點(diǎn)被定義為光飽和點(diǎn)，只有植物所接收光照的PPFD大于A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PPFD時(shí)，植物才能進(jìn)行有效的光合作用，當(dāng)光照PPFD達(dá)到B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PPFD值時(shí)，植物光合作用才能達(dá)到最大速率。表1給出了一些植物光補(bǔ)償點(diǎn)與光飽和點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PPFD值。

表1 植物光飽和點(diǎn)與光補(bǔ)償點(diǎn)對(duì)應(yīng)PPFD

從表1中可以看出，大多數(shù)植物光補(bǔ)償點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PPFD值為50 μmol·m-2·s-1左右，本次實(shí)驗(yàn)中將有效光能利用率定義為η。η計(jì)算方法如圖4(b)所示，測(cè)量受照面PPFD最大值，當(dāng)PPFD下降到最大值的5%時(shí)，標(biāo)記做圓，測(cè)得圓半徑為Rb，在受照面畫出K=50 μmol·m-2·s-1時(shí)對(duì)應(yīng)的圓，測(cè)得圓半徑為Ra，η用公式(10)來計(jì)算：

(10)

圖4 (a)植物光合速率曲線; (b)有效光能利用率說明圖。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析

實(shí)驗(yàn)使用的光源為臺(tái)灣晶元公司生產(chǎn)的cob RGB LED，其中封裝有9個(gè)芯片，由紅、綠、藍(lán)3×3矩陣構(gòu)成，且紅綠藍(lán)芯片可以獨(dú)立控制，以達(dá)到光質(zhì)比可調(diào)的目的，方便研究不同光譜組成對(duì)植物生長的影響。實(shí)驗(yàn)初用三路電流分別驅(qū)動(dòng)B、G、B 3種顏色芯片，使單色芯片在一定距離的光接收面上可以產(chǎn)生相同PPDF，記錄不同顏色的驅(qū)動(dòng)電流和電壓如表2所示。

表2 芯片對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流和電壓

在之后的每次測(cè)量中，保持各芯片對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流和電壓不變。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用具有圓形橫截面的導(dǎo)光管和光纖透鏡，其中導(dǎo)光管的長度為3.5～5.5 cm不等，透鏡的直徑為1.9 cm和2.7 cm。我們組合不同導(dǎo)光管與光纖透鏡，采用37點(diǎn)采樣法[22]大照度值的5%時(shí)畫出最大圓，當(dāng)K=50 μmol·m-2·s-1時(shí)畫出最小圓，以大圓半徑和小圓半徑的平均值為中間圓的半徑，如圖5(a)所示；使用如圖5(b)所示的SPIC-200 光譜彩色照度計(jì)測(cè)量受照面的照度和光譜，根據(jù)測(cè)量所得數(shù)據(jù)計(jì)算出每一組的混光均勻性與混色均勻性，分析不同光學(xué)結(jié)構(gòu)和光傳輸距離對(duì)植物燈均勻性以及有效光能利用率的影響，根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比可找到出光效果最好的光學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖5 (a)37點(diǎn)采樣法示意圖；(b)光譜照度計(jì)。

在測(cè)得最佳光學(xué)結(jié)構(gòu)后，以最佳光學(xué)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)光質(zhì)比為R+G+B、G+B、R+G、G，光譜圖如下文圖12所示，以自然光照射為對(duì)照組，設(shè)置光照周期分別為6，9，12 h，通過測(cè)定在不同光處理下玫瑰花采后日失重率以及抗氧化物質(zhì)的含量變化，探究最適合玫瑰花保鮮的光條件。

4.1 配光曲線測(cè)量

LED芯片的長度為2.9 cm，所以我們以29 cm作為測(cè)量區(qū)域的直徑，調(diào)節(jié)導(dǎo)光管長度依次為3.5，4.0，4.5，5.0，5.5 cm，與不同直徑的光纖透鏡組合，每隔5°測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的照度，如圖6所示。通過對(duì)測(cè)得的照度進(jìn)行歸一化來獲得光強(qiáng)分布曲線，結(jié)果如圖7所示。

圖6 配光曲線測(cè)量示意圖

圖7 (a) 2.7 cm透鏡對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分布曲線；(b)1.9 cm透鏡對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分布曲線。

圖7顯示，使用D=2.7 cm光纖透鏡，燈的光發(fā)射角度較小，照明表面上的斑點(diǎn)更小更收斂。而D=1.9 cm光纖透鏡的燈光發(fā)射角度較大，光能較均勻地分布在光接收面。此外，隨著導(dǎo)光管長度的增加，發(fā)射角度減小，發(fā)光能量分布趨于致密。

4.2 光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)光譜、混色、PPFD均勻度的影響

調(diào)節(jié)導(dǎo)光管長度與透鏡的直徑，在一定距離的受照面上用照度計(jì)測(cè)出樣品點(diǎn)的光譜值、色坐標(biāo)與PPFD，利用公式(4)、(6)、(8)算出各個(gè)參

數(shù)的均方差，并用公式(5)、(7)、(9)進(jìn)行歸一化處理，得到表3、表4、表5。

表3 不同光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的光譜均勻度

表4 不同光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的混色均勻度

表5 不同光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的PPFD均勻度

為了更直觀地比較光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)燈具性能的影響，將表3、4、5繪制成折線圖，得到圖8。

圖8 (a)不同光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的光譜均勻度；(b)不同光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的混色均勻度； (c)不同光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的PPFD均勻度。

4.2.1 光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)光譜差異性的影響

分析圖8(a)可知，隨著導(dǎo)光管長度由3.5 cm增加到5.5 cm，透鏡直徑為1.9 cm的燈具光譜均勻度快速上升并在導(dǎo)光管長度為5.5 cm時(shí)達(dá)到最大值90%；而透鏡直徑為2.7 cm的燈具光譜均勻度在85.9%～86.42%緩慢變化，且最小均勻度與最大均勻度差異僅0.52%。綜合比較分析，在不同的導(dǎo)光管長度下，直徑為1.9 cm的透鏡光譜均勻度皆大于直徑為2.7 cm的透鏡，這與測(cè)量配光曲線所得數(shù)據(jù)相符，從另一方面說明了使用小直徑透鏡與較長導(dǎo)光管會(huì)使受照面上的光能更均勻分布。

4.2.2 光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)混色均勻性的影響

分析圖8(b)可知，具有D=2.7 cm透鏡的燈具混色均勻度在85.89%和90.00%之間呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，隨著光管長度從3.5 cm增加到4.5 cm略有增加，之后隨著光管長度從4.5 cm增加到5.5 cm略微下降；具有D=1.9 cm透鏡的燈具混色均勻度在導(dǎo)光管長度從3.5 cm增加到5.0 cm時(shí)呈現(xiàn)出不利的趨勢(shì)，當(dāng)導(dǎo)光管長度為5.0 cm時(shí)，達(dá)到最小值69.35%，但之后隨著導(dǎo)光管增長快速增加至87.00%。 綜合比較分析，在不同的導(dǎo)光管長度下，直徑為2.7 cm的透鏡混色均勻度皆大于直徑為1.9 cm的透鏡，所以直徑較大的光纖透鏡有利于提高顏色均勻度。

4.2.3 光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)PPFD均勻性的影響

分析圖8(c)可知，具有D=1.9 cm光纖透鏡的燈具和具有D=2.7 cm光纖透鏡的燈具PPFD均勻性呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，均勻度隨著導(dǎo)光管長度從3.5 cm增加到4.0 cm下降，然后隨著導(dǎo)光管長度從4.0 cm增加到5.5 cm而上升，在5.5 cm處達(dá)到最大值。綜合比較分析，在不同的導(dǎo)光管長度下，直徑為1.9 cm的透鏡混光均勻度皆大于直徑為2.7 cm的透鏡，所以小直徑光纖透鏡有利于提高PPFD均勻性。

4.3 光接收距離對(duì)混色均勻度、PPFD均勻度的影響

根據(jù)4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)導(dǎo)管長度為5.5 cm、透鏡直徑為1.9 cm時(shí)，該燈的PPFD均勻度和光譜均勻度同時(shí)達(dá)到最大值90%，顏色均勻度也達(dá)到87.00%，接近90%。 基于這個(gè)最佳的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變光接收面和發(fā)光表面之間的距離，探究光接收距離對(duì)混色、PPFD均勻度的影響，得到圖9。

圖9 (a)光接收距離對(duì)混色均勻度的影響；(b)光接收距離對(duì)PPFD均勻度的影響。

由圖9分析可知，混色均勻度與PPFD均勻度隨光接收距離變化而改變的趨勢(shì)一致，隨著光接收距離從6 cm增加到8 cm，顏色混合均勻性和PPFD均勻性略有下降。 當(dāng)光接收距離從10 cm變?yōu)?6 cm時(shí)，混色均勻性和PPFD均勻性均快速增加到90%。 分析可得，較長的光接收距離有助于提高受照面的光照均勻性。

4.4 有效光能利用率

植物的最大有效光能利用率取決于植物類型和外部光環(huán)境，由于燈具在受照面上形成的光斑總是中心光強(qiáng)最大，邊緣光強(qiáng)最小，在從中心到邊緣光強(qiáng)減弱到一定值后，光能就不能再被植物有效吸收，造成光能浪費(fèi)?；?.2分析的有利于植物照明的最佳的光學(xué)結(jié)構(gòu)和一定的光接收距離，改變驅(qū)動(dòng)電流，探究有效光能利用率如何變化。電流從0.20 A增加，ΔI/I0是電流增量與初始電流的比值。如圖10所示，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，有效光能不斷增加，但增加速度從ΔI/I0=2后開始下降，在ΔI/I0=3時(shí)達(dá)到最大值43%。

圖10 ΔI/I0對(duì)光能利用率的影響

4.5 PWM調(diào)制模塊的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的PWM調(diào)光模塊由STM32單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)，3個(gè)端口向外部電路輸出3個(gè)不同占空比的方波，分別驅(qū)動(dòng)RGB LED。

如圖11(a)所示，左邊部分是STM32，其功能是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓；中間部分是IR2110芯片和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。圖11(b)顯示了每個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電路。 PWM調(diào)光產(chǎn)生的方波輸入到圖11(b)中的IR2110芯片，IR2110放大電壓并提高驅(qū)動(dòng)能力，IRF540n是一款用于將電壓轉(zhuǎn)換為電流的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。通過改變輸出電流的占空比，從而產(chǎn)生不同的光譜成分，利用積分球測(cè)得燈的光譜如圖12所示。

圖11 (a)PWM調(diào)光裝置圖；(b)LED驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖12 不同占空比下的光譜圖

4.6 光源熱學(xué)分析

燈具在發(fā)光時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，熱量散發(fā)到空氣中會(huì)改變環(huán)境溫度，加速植物蒸騰導(dǎo)致植物缺水從而對(duì)植物生理活動(dòng)造成影響，所以性能良好的植物照明燈對(duì)周圍溫度環(huán)境的影響要盡可能降低，這要求我們要在熱學(xué)方面對(duì)植物燈進(jìn)行表征。本實(shí)驗(yàn)采用7 cm×7 cm鋁制散熱片，選擇距離發(fā)光表面3 cm的區(qū)域作為測(cè)量點(diǎn)。這個(gè)距離遠(yuǎn)小于植物工廠照明中燈具使用的距離，如果燈運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量不會(huì)引起該區(qū)域溫度的大幅上升，則在實(shí)際應(yīng)用中植物燈對(duì)環(huán)境的影響將會(huì)更小。在室溫24 ℃下，使用FLIR E30熱像儀拍攝發(fā)光燈具，可以直接得到光源溫度。拍攝圖片如圖13所示。

圖13 (a)具有直徑為1.9 cm透鏡的燈具的熱圖像；(b)具有直徑為2.7 cm透鏡的燈具的熱圖像。

通過比較具有和不具有光學(xué)結(jié)構(gòu)的LED芯片的熱測(cè)試結(jié)果可知，在加入光學(xué)結(jié)構(gòu)后，LED發(fā)光面中心溫度下降6～10 ℃，距離透鏡發(fā)光面3 nm處的空氣溫度降低約2 ℃，因此增加光學(xué)結(jié)構(gòu)大大改善了LED芯片散熱效果。

5 燈具保鮮效果分析

5.1 玫瑰花保鮮原理

玫瑰花離開母體以后，并不是立即停止一切生命活動(dòng)的，而是依然進(jìn)行著呼吸作用和正常的生理代謝，一般認(rèn)為玫瑰采后的水分代謝、呼吸代謝、糖分變化、蛋白質(zhì)和氨基酸的變化以及超氧自由基的變化在很大程度上決定其開花與衰老，而抗氧化物質(zhì)可以抑制過量自由基對(duì)機(jī)體的過氧化損傷[23-25]，比如類黃酮、多酚等。詹麗娟[26]的研究表明與黑暗環(huán)境對(duì)比，植物在合適的光照條件下，和葉綠素分解相關(guān)的酶活性被抑制，而抑制氧化作用的黃酮類、多酚類物質(zhì)含量上升，從而減緩植物離開母體后的衰老速度。

5.2 保鮮實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

在保鮮實(shí)驗(yàn)中使用PWM調(diào)光技術(shù)調(diào)節(jié)燈具光質(zhì)比為R+G+B、G+B、R+G、G，并以此作為光質(zhì)不同的4個(gè)實(shí)驗(yàn)組，同時(shí)設(shè)置自然光對(duì)照組與紅藍(lán)光對(duì)照組，在每個(gè)組別中再分別設(shè)置6 h/24 h、9 h/24 h、12 h/24 h 3個(gè)不同的光照周期。在實(shí)驗(yàn)中，保證實(shí)驗(yàn)室溫度控制在25 ℃，環(huán)境濕度控制在適合鮮花保鮮的空氣濕度即65%，燈具距離鮮切玫瑰為10 cm不變，在該距離下可以保證玫瑰所接收光的PPFD值為60 μmol·m-2·s-1，略高于玫瑰花光飽和點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PPFD值(50 μmol·m-2·s-1)。在早上8∶00測(cè)量3×5=15組實(shí)驗(yàn)的玫瑰花鮮重，記錄下6天實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出每組鮮花的失重率，失重率ηWL計(jì)算公式如下：

(11)

其中，m0、mi分別為玫瑰花的初始鮮重與光照i天后的鮮重。

在實(shí)驗(yàn)6天之后，統(tǒng)一測(cè)試各組玫瑰花的多酚、類黃酮、花色苷[27-29]的含量。

通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)組在不同光質(zhì)不同光照周期下抗氧化物的含量，與自然光對(duì)照組對(duì)比，得出相比于自然光照射的抗氧化物增長率，如圖14所示。

由表6和圖14分析可知，從光照周期的影響來看，過長的光照周期不利于玫瑰花鮮重保持，光質(zhì)相同的條件下，12 h/24 h組的失重率明顯高于其他光照時(shí)長組，而抗氧化性物質(zhì)含量卻明顯低于其他實(shí)驗(yàn)組，不利于玫瑰保鮮；從光質(zhì)的影響來看，R+G在4組實(shí)驗(yàn)組中失重率最低，對(duì)玫瑰采后鮮重保持效果最好。有利于類黃酮含量增加的最佳光質(zhì)和光照時(shí)長是R+G(6 h/24 h)；有利于多酚含量增加的最佳光質(zhì)和光照時(shí)長是R+G+B(9 h/24 h)，但與R+G(6 h/24 h)實(shí)驗(yàn)組的多酚含量增長率十分接近；有利于花色苷含量增加的最佳光質(zhì)和光照時(shí)長是R+G(6 h/24 h)。綜合以上因素考慮，R+G(6 h/24 h)是最有利于玫瑰花采后保鮮的光照條件。

表6 玫瑰花鮮重失重率計(jì)算結(jié)果

圖14 不同光質(zhì)和不同光照周期對(duì)抗氧化物含量的影響

6 結(jié) 論

本文從優(yōu)化植物照明光源的光學(xué)結(jié)構(gòu)入手，以設(shè)計(jì)高混光、混色、光量子通量密度的均勻度為目的，通過改變導(dǎo)光管的長度和光纖透鏡的直徑研究了不同參數(shù)下光源的照明效果對(duì)于光譜均勻性、混色均勻性、PPFD均勻性的影響以及在不同的接收距離下受照面上的均勻性，進(jìn)一步對(duì)提出的有效光能利用率進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：使用較小直徑的光纖透鏡以及較長的導(dǎo)光管有利于提高混色均勻性和PPFD均勻性，同時(shí)，較長的接收距離也有助于提高混色均勻性和PPFD均勻性；當(dāng)導(dǎo)光管長度為5.5 cm、光纖透鏡直徑為1.9 cm時(shí)，混色均勻性和PPFD均勻性達(dá)到最大值的90%；隨著驅(qū)動(dòng)電流在一定范圍內(nèi)增加，可以獲得更高的有效光能利用率，當(dāng)ΔI/I0為3時(shí)，達(dá)到最大值43%；此外，加入光纖透鏡這種光學(xué)結(jié)構(gòu)可以有效改善燈具散熱效果，減弱燈具發(fā)熱對(duì)周圍環(huán)境溫度的影響。電學(xué)方面設(shè)計(jì)使用PWM調(diào)光來驅(qū)動(dòng)該燈具，通過調(diào)節(jié)占空比Dr∶Dg∶Db獲得了多種紅綠藍(lán)光質(zhì)比的發(fā)光光譜，進(jìn)一步應(yīng)用于玫瑰花保鮮的實(shí)驗(yàn)中，以失重率以及多酚、類黃酮、花色苷的含量為指標(biāo)探究最適合玫瑰花保鮮的光照條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光質(zhì)為R+G、光照周期為6 h/24 h時(shí)最有利于玫瑰鮮重保持，同時(shí)也最有利于抗氧化物質(zhì)的積累。