洪潤璋，李星樵，郭 健

(安徽金晟達生物電子科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

引言

近年來，隨著能源價格飆升，為了降低溫室園藝的補光能耗成本，采用LED光源替代傳統(tǒng)光源(如高壓鈉燈等)是發(fā)展趨勢，大功率LED補光燈產(chǎn)品越來越普及。與傳統(tǒng)的溫室園藝補光燈的光源類型，如熒光燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈、金屬鹵化物燈等相比，大功率LED補光燈具有節(jié)能環(huán)保、發(fā)光效率高、壽命長、可發(fā)射單色光源、體積小、應(yīng)用靈活等顯著特點[1]。同時，伴隨著LED芯片發(fā)光效率的提高與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以LED為光源的大功率照明系統(tǒng)替代原有的照明系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于諸多照明領(lǐng)域[2]。對于溫室園藝補光燈領(lǐng)域，由于光是植物生長過程中最重要的環(huán)境因子之一，光照是影響植物產(chǎn)量的重要因素，因此大功率LED溫室園藝補光燈領(lǐng)域相較于其他大功率LED燈具照明領(lǐng)域具有很強的特殊性，對燈具的設(shè)計和功能也提出了特殊的需求。

大功率LED溫室補光燈為設(shè)施園藝補光所必需，但LED燈具設(shè)計是實現(xiàn)高效補光的難點。要實現(xiàn)大功率LED溫室補光燈高效補光，需要在設(shè)計上講求：(1)高效散熱設(shè)計，利用如主動散熱的水冷色痕跡或被動散熱的散熱管、散熱鰭，有效的高功率帶來大量熱量及時散逸；(2)為適應(yīng)溫室可能存在的高濕及液體濺淋情況，需具備IP65及以上防水；(3)采用恒流電源驅(qū)動方式，提高運行穩(wěn)定性；(4)為符合智慧農(nóng)業(yè)的高度可控需求，應(yīng)用多通道等智能控制技術(shù)實現(xiàn)光強光譜可控；(5)適合植物生長的燈珠配比設(shè)計；(6)具備科學(xué)的配光設(shè)計，支持實現(xiàn)分布均勻、低損耗的應(yīng)用場景。

本文以一種新型大功率LED溫室園藝補光燈為例，介紹了其設(shè)計創(chuàng)新點，以期為今后大功率LED溫室補光燈具的設(shè)計與實際應(yīng)用提供參考。

1 燈具的系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計

所研制的大功率LED溫室園藝補光燈在系統(tǒng)組成上與一般LED燈具基本一致，包括燈具外殼部分、電源驅(qū)動部分、LED光源部分和光學(xué)透鏡部分。但由于溫室園藝應(yīng)用場景中高溫、高濕的環(huán)境特點，以及對燈具的光效和壽命的較高要求，在溫室用大功率LED補光燈的結(jié)構(gòu)設(shè)計相比一般的LED燈具具有一定的復(fù)雜性。

1.1 燈具外殼的散熱和防水設(shè)計

1.1.1 散熱設(shè)計

LED芯片對溫度非常敏感，溫度上升會降低光輻射量，使峰值波長發(fā)生偏移(圖1)，引起LED色溫、顯色指數(shù)的變化，加速熒光粉及器件的老化，降低LED芯片的使用壽命[3]。因此，大功率LED溫室園藝補光燈的散熱設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要的一個部分。散熱設(shè)計的好壞將會對最終LED燈具產(chǎn)品的光效、光譜、壽命等參數(shù)產(chǎn)生重大影響。當(dāng)前LED散熱方案分為主動散熱和被動散熱，大功率LED溫室園藝補光燈設(shè)計中主要采用的主動散熱方案有風(fēng)冷散熱和水冷散熱；而采用的被動散熱有熱管散熱和自然散熱[4]。

圖1 (a)相對光輻射功率隨燈珠節(jié)點溫度變化曲線圖；(b)峰值波長偏移量隨燈珠節(jié)點溫度變化曲線圖(歐司朗紅光燈珠GH CSSRM5.24，測試條件：IF=700 mA)Fig.1 (a)Curve of relative light radiation power against the LED junction temperature；(b)Curve of peak wavelength shifting against the LED junction temperature (Osram red LED GH CSSRM5.24，test condition IF=700 mA)

風(fēng)冷散熱的代表產(chǎn)品主要是Food Autonomy公司的LEDFan，如圖2所示。主要是利用機械風(fēng)機加速對流散熱，達到冷卻LED燈具的效果。同時在LEDFan的設(shè)計中，通過向下吹風(fēng)的設(shè)計，將熱量向下傳遞，將熱量聚集在植物與燈之間，創(chuàng)造了一個看不見的保溫層，從而進一步節(jié)約溫室能耗。

圖2 風(fēng)冷散熱溫室園藝LED補光燈產(chǎn)品—LEDFan Fig.2 Air-cooled greenhouse horticultural LED light product-LEDFan

水冷散熱的代表是Oreon公司的GL系列燈具，如圖3所示。在燈具內(nèi)部留有散熱介質(zhì)的流動通道，通過散熱介質(zhì)的冷熱交換，快速帶走LED燈具的熱量。一般在溫室應(yīng)用中主要用水作為散熱介質(zhì)，水帶走燈具多余的熱量后進入溫室的供熱系統(tǒng)，為溫室提供增溫效果。因此，使用水冷散熱的LED燈具需要在溫室燈具配置系統(tǒng)中增加水循環(huán)系統(tǒng)。

圖3 水冷散熱LED補光燈產(chǎn)品 — Oreon的GL系列Fig.3 Water-cooled greenhouse horticultural LED light product-Oreon GL Series

在被動散熱技術(shù)中，MechaTronix公司的CoolCube系列溫室LED燈具產(chǎn)品采用了熱管散熱技術(shù)(圖4)。熱管散熱部分主要由管殼和吸液芯組成，熱管內(nèi)工作介質(zhì)在蒸發(fā)段吸熱產(chǎn)生相變蒸汽，以管內(nèi)壓差為動力流向冷凝段，放熱冷凝成液體，吸附在吸液芯內(nèi)，以吸液芯中的毛細力為動力回流至蒸發(fā)段，實現(xiàn)循環(huán)散熱[5]。MechaTronix使用液氨作為工作介質(zhì)，利用熱管散熱技術(shù)，將一定數(shù)量的大功率LED燈珠高密度地集中在一小塊電路板上，大大減小了燈具的重量和體積。

圖4 熱管散熱LED補光燈產(chǎn)品 — MechaTronix的CoolCube Fig.4 Heat pipe cooling greenhouse horticultural LED light product-MechaTronix CoolCube

目前溫室大功率LED補光燈中最常見的散熱設(shè)計是自然散熱，即翅片散熱。翅片是指依附于基礎(chǔ)表面上的擴展表面，可以有效地增加換熱面積。由于鋁的良好導(dǎo)熱性、價格便宜且可加工性高，目前大部分溫室LED補光燈的散熱器都是采用鋁合金材料(表1)一般采用ADC12或者6061。散熱翅片的設(shè)計，需要根據(jù)不同LED燈具的具體散熱需要來考慮翅片的總體結(jié)構(gòu)、形狀、厚度、高度、寬度、翅片間隙等參數(shù)，而具體的散熱需求不僅考慮到LED燈具的功率，還要考慮到適用的最大環(huán)境溫度。

表1 不同鋁材料的導(dǎo)熱系數(shù)

1.1.2 防水設(shè)計

溫室大功率LED補光燈的防水設(shè)計分兩種，一種是結(jié)構(gòu)防水設(shè)計，另一種是灌膠防水設(shè)計[6]。為了應(yīng)對溫室的高溫高濕的氣候，一般來說，對LED燈具的防水等級通常最低需要做到IP65，一些需要面對高壓水槍沖洗的種植架燈甚至?xí)龅絀P68的防水，以確保LED燈具能夠在潮濕、淋雨等環(huán)境下正常工作。

結(jié)構(gòu)防水通常分為以下三個重要方面：外殼、透鏡和連接器。溫室大功率LED補光燈的外殼通常采用鋁合金材料，在外殼的結(jié)構(gòu)中會盡可能地減少雨水進入燈具內(nèi)部的機會，如外殼的接口處利用回水彎要做好防水處理，避免水分滲透進入燈具內(nèi)部，如圖5所示。透鏡是LED燈具中最容易進水的部分，因此要特別注意燈罩的防水設(shè)計。通常采用密封圈或者硅膠等材料來封閉燈罩，確保雨水無法滲透進入燈具內(nèi)部。最后，燈具的連接器的選擇需要選擇能夠滿足燈具防水等級要求，甚至高于燈具防水等級要求的連接器。除此之外，還需要用硅膠墊或打膠等方式來密封連接頭和燈具主體連接的位置。

圖5 大功率LED溫室園藝補光燈結(jié)構(gòu)設(shè)計中的回水彎設(shè)計Fig.5 Backwater trap design in high power LED greenhouse horticultural light structure design

另外，溫室大功率LED補光燈中灌膠防水設(shè)計也是常見的一種防水方式。灌膠材料通常選擇具有良好防水性能的材料，如硅膠、聚氨酯、環(huán)氧樹脂等[7]，不同的灌封膠材料性能和適用范圍也各有不同(表2)。在灌膠前，需要對燈具進行預(yù)處理，如清洗、烤干等，以確保灌膠的質(zhì)量。灌膠時將灌膠材料注入LED燈具的空腔中，確保所有的空隙都填充滿了灌膠材料。再將灌膠后的燈具置于真空環(huán)境中，排出空氣，并使灌膠材料充分滲透到燈具內(nèi)部的每一個角落。最后等待灌膠材料固化，以確保灌膠達到最好的防水效果。需要注意的是，在灌膠過程中，灌膠材料需要完全覆蓋LED燈具內(nèi)部的所有元器件，包括電路板、LED芯片、電子元件等，以保護它們不受水分的侵蝕。此外，在灌膠過程中還需要考慮LED燈具的散熱問題，以避免灌膠材料堵塞散熱孔，影響燈具的散熱效果。

表2 常見LED燈具灌封膠材料的性能對比

總之，大功率溫室補光LED燈具的防水設(shè)計可以有效地保護燈具內(nèi)部的電路和元器件不受水分的侵蝕，從而延長LED燈具的使用壽命。

1.2 燈具的電源驅(qū)動設(shè)計

作為大功率LED燈具的核心部件，驅(qū)動電源直接影響燈具的性能與壽命。LED的驅(qū)動方式必須符合LED特有的電學(xué)特性，按輸出驅(qū)動方式可以分為恒壓驅(qū)動和恒流驅(qū)動。恒壓驅(qū)動指的是電源輸出電壓穩(wěn)定不變，電流隨負載的改變而改變的驅(qū)動方式。使用穩(wěn)壓驅(qū)動方式的成本較低，一般使用在對LED光源要求不高的場合。溫室大功率LED補光燈具由于對光效、壽命等要求很好，一般采用恒流驅(qū)動的驅(qū)動方式。恒流驅(qū)動(圖6)指的是輸出的電流恒定不變，而電壓隨著負載的變化而變化的驅(qū)動方式。由于LED是電流型器件，恒流驅(qū)動是比較理想的驅(qū)動方式，但使用恒流驅(qū)動的成本要比穩(wěn)壓驅(qū)動高。

圖6 大功率LED溫室園藝補光燈具中的恒流驅(qū)動(GSNL 660 W)Fig.6 Constant current power supply in high power LED greenhouse horticultural light (GSNL 660 W)

1.2.1 電路拓撲設(shè)計

LED驅(qū)動電源的電路拓撲結(jié)構(gòu)可以分為電阻限流電路、線性調(diào)節(jié)器、開關(guān)調(diào)節(jié)器三種(圖7)。在三種驅(qū)動電源拓撲中，開關(guān)調(diào)節(jié)器通過晶體管高頻的導(dǎo)通與閉合，降低電流導(dǎo)通時間，從而提高電路的效率，并且可以通過調(diào)節(jié)晶體管的占空比來穩(wěn)定輸出量，被認(rèn)為是做溫室大功率LED燈具中驅(qū)動電源的主電路是最佳的選擇[8]。大功率LED驅(qū)動電源設(shè)計需要綜合考慮多個因素，包括LED的電氣參數(shù)、電源拓撲、器件選擇、穩(wěn)定性和安全性等方面，才能設(shè)計出性能穩(wěn)定、效率高、安全可靠的LED驅(qū)動電源。

圖7 LED電源驅(qū)動設(shè)計流程Fig.7 Design procedure of LED power supply

1.2.2 智能控制設(shè)計

由于LED燈具存在靈活可調(diào)的技術(shù)優(yōu)勢，在實際應(yīng)用中，電源驅(qū)動的智能化控制技術(shù)也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。其中主要的智能控制的表現(xiàn)形式包括：調(diào)光強、調(diào)光譜和遠程監(jiān)測。

通過光強調(diào)節(jié)，可以讓大功率LED溫室園藝補光燈具滿足作物不同生長階段的光強要求，相應(yīng)的調(diào)光方式有0～10 V調(diào)光、PWM調(diào)光、DALI調(diào)光、數(shù)字調(diào)光等。通過對電源驅(qū)動及其相關(guān)電路進行改進，針對調(diào)光精度、范圍和效率等進行參數(shù)調(diào)整，以確?？刂频臏?zhǔn)確性和快速性[9]，使電源驅(qū)動具有更高的效率和更廣的調(diào)光范圍。

光譜可調(diào)是LED燈具獨特的優(yōu)勢特點，一方面在LED燈板設(shè)計上可以選用不同光譜的LED燈珠，從而組合成為不同的光譜，另一方面電源驅(qū)動采用多通道輸出控制技術(shù)[10]，通過多通道輸出電源驅(qū)動對不同通道的電流控制，實現(xiàn)所對應(yīng)的不同顏色燈珠的光強調(diào)節(jié)，從而達到混合光譜變化的調(diào)控效果。

遠程監(jiān)控也是LED驅(qū)動電源的控制發(fā)展趨勢。大功率LED燈具相比起傳統(tǒng)燈具價值高、壽命長，所以在LED電源驅(qū)動的設(shè)計中，加入對輸入和輸出的電壓、電流、驅(qū)動的溫度、使用時長等參數(shù)的監(jiān)控和傳輸，配合相應(yīng)的燈具控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對LED燈具的遠程監(jiān)控。

1.3 燈具的LED光源設(shè)計

燈具的光源設(shè)計在本文中主要是指以LED燈珠為主的LED燈板設(shè)計。光源設(shè)計是溫室大功率LED燈具光輸出性能設(shè)計的最重要環(huán)節(jié)，通過LED燈珠的選型、電流設(shè)計和散熱設(shè)計，來決定LED燈具的光效、光譜和壽命。

1.3.1 光效設(shè)計

一般LED燈珠的光效是用流明每瓦(lm/W)來判定，而在植物照明光源質(zhì)量評價體系中，光合有效光子通量效率(PPE，單位μmol/J)是評價植物補光LED質(zhì)量的核心要素[11]，這決定了植物照明LED燈珠光效要求的特殊性。選擇高效的LED燈珠是設(shè)計高光效LED光源的重要一步。常見的高光效LED芯片有GS、Osram、Cree等品牌，它們具有高亮度、高效率和長壽命的特點(圖8)。

圖8 Osram溫室補光660 nm紅光燈珠GH CSSRM5.24的光效參數(shù)Fig.8 Light efficiency of Osram Horticultural 660 nm red LED GH CSSRM5.24

LED燈具的亮度和功耗與LED燈珠的數(shù)量有關(guān)。一般情況下，LED燈珠數(shù)量越多，LED燈具的亮度越高，功耗也會相應(yīng)增加。但在溫室大功率LED燈具的光源設(shè)計時，在一定燈具功率的要求下，一般會特意增加LED燈珠的數(shù)量，從而降低每顆LED燈珠上的電流，從而達到提高光效PPE的效果。

1.3.2 光譜設(shè)計

不論是可見光、光合有效輻射，還是紫外線 UV-A、UA-B以及近紅外線都會影響植物的生長發(fā)育[12]。溫室大功率植物照明的LED光譜設(shè)計需要綜合考慮植物生長的不同階段和不同生長需求，以達到最佳的生長效果。一般而言，植物的生長可以分為種子萌芽、生長發(fā)育和花期成熟三個階段。在種子萌芽階段，植物需要較高比例的藍光和紫光，這可以促進種子的萌芽和幼苗的生長。在生長發(fā)育階段，植物需要較高比例的紅光和遠紅外光，這可以促進植物的莖伸長、葉片生長和植物體的發(fā)育。在花期成熟階段，植物需要較高比例的紅光和遠紅外光，這可以促進植物的開花和果實成熟[13]。

因此，針對不同的生長階段，可以進行不同比例的光譜設(shè)計(圖9)。例如，在種子萌芽階段，可以使用440～460 nm的藍光和380～420 nm的紫光，并適當(dāng)加入630～660 nm的紅光和710～740 nm的遠紅外光。在生長發(fā)育階段，可以使用630～660 nm的紅光和710～740 nm的遠紅外光，并適當(dāng)加入440～460 nm的藍光。在花期成熟階段，可以使用630～660 nm的紅光和710～740 nm的遠紅外光，并適當(dāng)加入其他波長的光譜。

圖9 LED光源光譜設(shè)計與不同光敏色素的吸收曲線Fig.9 LED light spectrum design and absorption curve of different phytochrome

此外，還可以根據(jù)植物的不同生長需求進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。例如，如果需要促進植物的葉片生長，可以適當(dāng)加入較高比例的藍光；如果需要促進植物的開花和果實成熟，可以適當(dāng)加入較高比例的紅光和遠紅外光?？偟膩碚f，植物照明的LED光譜設(shè)計需要綜合考慮植物的生長階段和生長需求，并根據(jù)實際情況進行調(diào)整和優(yōu)化，以達到最佳的生長效果。

1.4 燈具的透鏡及配光設(shè)計

透鏡和配光設(shè)計對于溫室大功率LED燈具的光學(xué)性能和效果至關(guān)重要。透鏡是LED燈具中的重要組成部分之一，它的主要作用是集中和控制LED光束，將光線聚焦在特定的區(qū)域。溫室中由于植物生長密集，需要均勻的光分布才能保證植物處于相同的生長條件中。

透鏡的設(shè)計要考慮多個因素，如反射率、透過率、折射率、耐熱性等，以及透鏡的形狀和尺寸等。LED燈具的配光設(shè)計一般利用IES文件格式來描述LED燈具的光學(xué)性能和光學(xué)分布。IES文件是一種標(biāo)準(zhǔn)格式，可用于描述燈具的光學(xué)性能和光學(xué)分布。使用光學(xué)模擬軟件，例如LightTools或Zemax等，來模擬LED燈具的光學(xué)性能和光學(xué)分布，并生成IES文件。在IES文件中，包含LED燈具的基本信息，例如光源類型、光源數(shù)量、光源功率、光學(xué)分布等，如圖10所示。得到IES文件后，根據(jù)溫室補光的需要，結(jié)合燈具的數(shù)量、布置方式來模擬溫室的補光強度、補光均勻度等光環(huán)境設(shè)計參數(shù)。

圖10 LED溫室園藝補光燈具的IES配光曲線Fig.10 IES light distribution curve of LED greenhouse horticultural light

2 燈具的懸掛方式與應(yīng)用效果

在溫室園藝補光應(yīng)用場景中，LED補光燈具的應(yīng)用方式主要分兩種：頂部補光和株間補光。而大功率LED補光燈因其光輸出高的特性，需與植物間隔至少1.5 m以上來實現(xiàn)均勻的光分布，通常作為頂部補光應(yīng)用。另一方面，大功率LED設(shè)備重量大，對溫室桁梁的承載能力需求高。參考國際市場大功率LED(600～1 000 W)產(chǎn)品，重量范圍約在8～15 kg范圍內(nèi)。綜上，基于大功率LED的特性，其產(chǎn)品對于懸掛配件結(jié)構(gòu)、與溫室結(jié)構(gòu)連接方式等相關(guān)技術(shù)細節(jié)提出了更高的要求。

2.1 溫室懸掛方式

根據(jù)掛載位點、結(jié)構(gòu)以及作物栽培系統(tǒng)特性，頂部懸掛方式一般可劃分為三種：吊蔓系統(tǒng)懸掛、桁梁懸掛和型鋼懸掛，如圖11所示。其中，桁梁懸掛方式與型鋼懸掛方式在整體上相似，但區(qū)別在于懸掛點所依托的結(jié)構(gòu)不同。

圖11 常見懸掛方式及對應(yīng)懸掛配件：吊蔓系統(tǒng)懸掛(左)、桁梁懸掛(中)、C型鋼懸掛(右)Fig.11 Common hanging system and corresponding hanging parts：Trellis high-wire (left)，Trellis (middle)and C-profile (right)

在頂部懸掛方式中，桁梁懸掛方法無需在溫室內(nèi)添加額外的結(jié)構(gòu)，而是可以直接利用溫室的桁梁進行布置。因此，補光燈的布置將以桁梁為軸線，在該方向上進行行排列，相鄰補光燈行的間距即為溫室單個開間的寬度。該方法具有以下主要特點：

(1)無需添加額外的結(jié)構(gòu)型材，對溫室的荷載更加友好，且初始投入成本較低；

(2)燈具行排布的間距受到溫室結(jié)構(gòu)的限制，若布燈密度過低可能導(dǎo)致補光光分布不均勻的情況。

而型鋼懸掛方法所應(yīng)用的結(jié)構(gòu)件與桁梁懸掛方法相類似，但通常需要選擇與型材規(guī)格相匹配的掛鉤尺寸，常見的如C40/C45/C50型號的C型鋼。

吊蔓系統(tǒng)懸掛與桁梁懸掛均利用溫室的桁梁結(jié)構(gòu)作為懸掛位點，兩者的主要區(qū)別在于：應(yīng)用吊蔓系統(tǒng)的溫室，在桁梁下方存在吊蔓鋼絲繩或懸掛栽培槽吊點等障礙物，因此無法將補光燈直接懸掛在桁梁的正下方。同時，為了確保補光燈與植物冠層之間有足夠的距離，應(yīng)盡可能提高補光燈的懸掛高度。綜上所述，設(shè)計了如圖11所示的側(cè)面懸吊式掛鉤。

綜上所述，這三種懸掛方法都是溫室中常見的大功率LED補光燈的懸掛方式，適用于不同的場景，并且各自具有優(yōu)缺點。在實際應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)溫室的情況和使用需求來合理選擇適當(dāng)?shù)膽覓旆绞健?/p>

2.2 應(yīng)用方式與效果

2.2.1 大功率LED的實踐應(yīng)用方式

在過去數(shù)十年的溫室行業(yè)發(fā)展中，高壓鈉燈(HPS)以其良好的效果和高性價比而被廣泛應(yīng)用于有補光需求的溫室。實際上，許多溫室的運營模式與高強度補光設(shè)計密切結(jié)合，使得高強度補光系統(tǒng)成為溫室不可或缺的組成部分。因此，在近年來，由高壓鈉燈向LED燈的轉(zhuǎn)型過程中，越來越多的種植者開始將目光投向能夠與常用的1 000 W高壓鈉燈匹配替換的大功率LED補光燈具。以荷蘭為例(圖12)，常見市場上的大功率LED溫室園藝補光燈功率通常在600 W以上，可以實現(xiàn)與1 000 W高壓鈉燈相當(dāng)?shù)墓廨敵鏊?，因此被用于與舊的1 000 W高壓鈉燈進行1∶1的替換。通過同等功率的替換，既可以保證產(chǎn)能，又節(jié)省能源消耗，并能最大限度地利用原有的電力系統(tǒng)，實現(xiàn)低人工和物料的系統(tǒng)升級。另一方面，為了進一步挖掘生產(chǎn)潛能，一些種植者選擇將1 000 W LED燈與1 000 W HPS燈等量替換，以在溫室現(xiàn)有電網(wǎng)負載條件下實現(xiàn)最大化輸出。

圖12 荷蘭溫室應(yīng)用混合補光系統(tǒng)(1 000 W高壓鈉燈+1 000 W LED)Fig.12 Hybrid supplementary lighting system in Dutch greenhouse (1 000 W HPS+1 000 W LED)

溫室中常見的大功率LED燈具應(yīng)用形式主要有兩種：純LED燈系統(tǒng)和高壓鈉燈+LED燈混合系統(tǒng)?；旌涎a光系統(tǒng)是行業(yè)由成熟技術(shù)體系向新體系轉(zhuǎn)型探索中的產(chǎn)物，促使種植者采用HPS和LED的混合應(yīng)用主要有以下兩個原因：

(1)初期投入成本更為友好。LED燈的成本決定了其初期投入成本遠高于高壓鈉燈補光系統(tǒng)。近年來，由于能源價格波動帶來的市場不穩(wěn)定因素，使得溫室投資者和經(jīng)營者對于這類大規(guī)模投資更加謹(jǐn)慎。因此，投入成本較低的混合補光系統(tǒng)作為一種中間選擇，得到了更多的青睞。

(2)LED應(yīng)用技術(shù)和經(jīng)驗尚不成熟。由于LED的特性與高壓鈉燈存在巨大差異，如發(fā)光和光譜等特性的差異，對溫室整體運營產(chǎn)生了巨大的影響。

2.2.2 應(yīng)用效果評價

補光技術(shù)廣泛地應(yīng)用在日長控制，如調(diào)節(jié)植物的開花等發(fā)育過程，或作為同化光照以增加作物生長[14]。同化光照需要大量的電力輸入。以荷蘭為例，生產(chǎn)番茄的現(xiàn)代溫室中，帶有人工補光設(shè)備的溫室對比無補光設(shè)備溫室，需要超過兩倍的能量投入，并且其碳足跡是沒有補光燈溫室的三倍以上。根據(jù)加拿大安大略省蔬菜溫室數(shù)據(jù)，其中應(yīng)用人工補光的蔬菜溫室消耗的電力是無人工補光溫室的10倍[15]，但同時，帶燈的溫室也提高了27%的產(chǎn)量。到目前為止的研究與實踐充分證明了人工補光可以顯著增強溫室產(chǎn)能，但同時也帶來了高昂的能源消耗。因此，能源消耗高昂的高壓鈉燈作為曾經(jīng)被廣泛應(yīng)用的人工補光燈，已逐漸被越來越多的光效更高的大功率LED燈取代[16]。

對比HPS與LED應(yīng)用效果的研究結(jié)果表明，番茄溫室應(yīng)用LED可節(jié)能75%，且維持相同產(chǎn)能[17]。相對傳統(tǒng)補光燈，大功率LED燈的主要優(yōu)勢在于其更好地將電力轉(zhuǎn)換為光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)。而截至目前，在園藝應(yīng)用場景中，常見HPS燈的效率在1.7～1.9 μmol/J之間，但市面優(yōu)質(zhì)的大功率LED燈最高可達到4.0 μmol/J。相對于傳統(tǒng)HPS補光燈，LED燈效率最大可高出近110%。且因為HPS燈的發(fā)光效率物理極限已經(jīng)達到峰值，而LED燈的效率仍在提升，帶來的節(jié)能效率差異預(yù)計未來還會提高[18]。

除此之外大功率LED由于其使用發(fā)光二極管作為光源，整燈的壽命相比傳統(tǒng)燈具更長。市面上常規(guī)的大功率LED燈的壽命能夠保證在25 000～50 000 h的使用時長后，燈具的光衰小于10%[19]。與傳統(tǒng)HPS補光燈對比，高壓鈉燈燈管的壽命通常僅在使用10 000 h后，光衰已經(jīng)達到10%?？梢妷勖町惛哌_3～4倍以上，十分顯著。

大功率LED補光燈光電轉(zhuǎn)化效率的提升和燈具光輻射熱的減少為溫室進一步提高補光強度提供了新的路徑。在保持溫室相同的電網(wǎng)負荷條件下，種植者可以應(yīng)用更高強度的補光燈，即更高密度的補光燈布置，從而達到更高的產(chǎn)能。另一方面，傳統(tǒng)高壓鈉燈的高輻射熱的特性，也限制了溫室在特定季節(jié)(主要是夏季)的補光計劃，為減少溫室降溫壓力，不得不停止使用高壓鈉燈為光源的補光系統(tǒng)[20]。

光對于植物形態(tài)、生理和發(fā)育有著極為重要的影響。其中，眾多植物生理研究表明，光譜組成的變化顯著影響了包括光合作用及次級代謝的過程[21]。LED燈具備光譜可定制的特性，LED為精確控制人工補光的光譜提供了可能性。近年來也被越來越多的生產(chǎn)者利用多樣的光譜特性，實現(xiàn)控制植物生長及生理發(fā)育的目的，且最終達到提高作物生產(chǎn)和質(zhì)量的優(yōu)異效果。眾多研究結(jié)果均已證明，不同波長的光是如何影響植物生長、光感受器和所涉及的下游反應(yīng)，這對溫室的生產(chǎn)力和可持續(xù)性具有較大的影響。

3 結(jié)論

在當(dāng)前“碳達峰”與“碳中和”的綠色發(fā)展背景下，為了保證糧食安全，進一步提高溫室園藝的作物產(chǎn)量，大功率LED溫室園藝補光燈以其高光效、長壽命、光譜可控的優(yōu)異特性，勢必將成為溫室園藝補光的主流產(chǎn)品。但同樣由于溫室園藝的特殊應(yīng)用場景，對大功率LED的功能要求高，使得在設(shè)計制造過程中仍面臨著一些難點，主要包括以下幾個方面：

(1)散熱設(shè)計。大功率LED燈具中由于使用LED燈珠的數(shù)量多、功率大，密集排列的LED燈珠給散熱帶來了巨大挑戰(zhàn)，需要有良好的散熱設(shè)計才能保證其光效和壽命。而目前大功率LED燈的重量已經(jīng)是同等功率HPS燈的3～4倍，所以設(shè)計出高效散熱，體積小、重量輕的大功率LED溫室園藝補光燈具是目前最大的挑戰(zhàn)之一。

(2)光學(xué)設(shè)計。由于LED的直線性發(fā)光特性，隨著單燈具功率的提升，需要實現(xiàn)每只燈具能夠覆蓋更廣泛的照射范圍，同時滿足光照均勻性的要求。這需要采用復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)進行光束調(diào)控，使得光線分散均勻而不出現(xiàn)盲區(qū)、堆積、尖刺等現(xiàn)象。

(3)驅(qū)動電源設(shè)計。大功率LED燈具需要穩(wěn)定可靠的大功率驅(qū)動電源，同時在燈具尺寸和重量的限制下，驅(qū)動電源需要實現(xiàn)更小的尺寸、更高的功率密度和更高的能量轉(zhuǎn)換效率，從而滿足大功率LED燈具的發(fā)展需求。

隨著大功率LED補光燈在溫室園藝場景下逐步推廣應(yīng)用的過程中，針對作物不同的光照強度和光譜的需求，最大程度地發(fā)揮LED燈具高能效和光譜可控的優(yōu)勢將成為應(yīng)用端的挑戰(zhàn)。首先，根據(jù)不同作物的需求，需要選用不同光譜和功率的LED燈具，同時要考慮LED燈具的數(shù)量、安裝位置、高度和角度等因素，確保光線的均勻照射，以滿足其達到目標(biāo)產(chǎn)量和品質(zhì)的需求。其次，要根據(jù)作物的生長周期合理制定不同的光照計劃，可以通過智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)光強、光譜的調(diào)節(jié)和遠程操作，為植物提供合適的光譜和適量的強度，同時達到節(jié)能最大化的效果。

總之，在溫室園藝中應(yīng)用大功率LED燈具進行補光可以有效地提高植物的生長速度和產(chǎn)量，同時也有助于改善作物品質(zhì)和提高經(jīng)濟效益。隨著科技的發(fā)展和LED燈具開發(fā)設(shè)計的不斷成熟，大功率LED燈具將會在溫室園藝領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。