植物人工辐射源研究报告Word格式文档下载.docx
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1.1太阳电磁辐射与可见光
太阳光是一切生物赖以生存的源泉，我们居住的星球如此的生机勃勃，都是源于太阳光，我们看到的太阳光是太阳电磁辐射的可见光部分，电磁辐射是当振动是以光速传播时的物理现象，电磁辐射与可见光的关系如图1所示。
图1可见光在电磁辐射中的形态
以光速传播的振动波的波长由1公里至10皮米时，我们熟悉的无线电波、手机通讯、电视传送的微波、军事上的雷达、医学上的X射线、γ射线等，都是不同波长在以光速传播的应用，太阳辐射也只是其中的一部分。
在可见光范围里，人眼观察到不同波长的辐射是视觉呈现的不同颜色的光。
这些有颜色的光混合在一起，就是我们通常看到的白光，白光是用色温表示的，如图1的2000K-9000K。
我们在地球上能测试到的太阳辐射的波段范围大约为280nm-2500nm，低于280nm和大于2500nm波长的太阳辐射，因地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的强烈吸收，地面上观察不到。
当波长在400nm-750nm范围内，人眼都可以感受到这些波长发出的光，我们称之为可见光，太阳辐射主要集中在可见光部分，太阳辐射在地球一切生物的生命演化中具有重要的作用;
科学家采用光谱来分析电磁辐射和可见光的，我们研究太阳光、人造光源、植物吸收的光都离不开光谱图。
图2的太阳光谱波长范围是280nm-1100nm，我们把这个范围的光谱划分为几部分：
1.1.1紫外线：
波长从280nm到400nm。
1.1.2可见光：
波长从400nm至750nm。
1.1.3红外线：
波长从750nm至1100nm。
在农业种植方面，我们主要研究波长从300nm-1100nm这个范围的应用，图2的太阳辐射光谱分布图在研究太阳对植物的辐射作用时具有重要作用。
图2IEC60904-9太阳电磁辐射光谱图
太阳光是由不同颜色的光组成的，这些不同颜色的光也代表不同的辐射波长，图2的颜色分段对应着不同范围的辐射波长，太阳光的可见光部分主要是由红光、绿光、蓝光混合而成的，红光、绿光、蓝光称为三种基本光色，人造光源也是采用这三种基本光色混合而成的白光。
在可见光范围里，人眼最敏感的光（也就是我们感觉最亮的光）是黄色光，人眼最不敏感的光是蓝色的光。
当天空出现彩虹时，我们往往看到的是黄色、红色和绿色，看到的蓝色占很小部分。
如下图所示。
人眼最敏感的光和最不敏感的光，是人眼的视觉功能决定的，并不意味着光辐射能量的大小，蓝光携带的能量就大于黄光，但人眼对黄光感觉最亮，对植物提供人工辐射时，不能由人眼的感受到的光的明暗来判断植物光合作用的效果。
我们人眼看到的光是由人眼内部的柱状细胞和锥状细胞感觉到的，人眼看到的光是用视觉函数推导来的，而植物“看”到的光却是需要用电磁辐射量进行度量。
因为植物不仅能“看”到400nm-750nm的可见光，植物还能“看”到不可见光，如紫外线和红外线。
这一点非常重要，植物人工辐射产品不宜采用光度学概念进行研发。
1.2植物的光合作用
植物是唯一能够把太阳光能量转化为质量的生物，植物的光合作用是地球上一切生命的基础，植物不仅给人类提供了生存必须的氧气，还给人类提供了食物和能量。
目前，人们已知的植物约有30余万种。
植物是所有生物里，唯一能够把太阳辐射能量转化为有机物的生物，是人类与其他动物赖以生存的基本生物。
植物把太阳辐射能转化为有机物的过程就叫做植物的光合作用，确切的说，光合作用是指植物、藻类和某些细菌通过光合色素，利用光能将二氧化碳（或硫化氢）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）的生化过程，图3是植物光合作用的理论基础。
图3光合作用的化学表达式
植物是通过光合色素进行能量转化，这些色素包括叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素等。
根据能量转化守恒定律，植物在进行光合作用时，把光能转换成有机物质储存起来。
植物的光合作用需要二氧化碳和水才能完成，植物在光合作用时，吸收二氧化碳和水，释放出氧气并产生有机物，植物叶片内的叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
植物的光合作用只发生在叶绿体内，图4是从高倍显微镜里看到的植物叶片的组织结构，绿叶结构内有大量的叶绿体。
叶绿体是绿色植物细胞内进行光合作用的场所。
图4绿色叶片的组织结构
大部分植物的叶绿体内主要含有叶绿素（叶绿素a和叶绿素b）、β-类胡萝卜素（胡萝卜素和叶黄素），光敏素（Pfr，Pr）。
这些色素均参与光合作用，图5是叶绿体对光的吸收和反射过程，叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，光敏素主要吸收红光和远红外光;
绿色植物的叶绿素含量最多，而且，叶绿素吸收绿光极少，大部分的绿光被反射出来，所以叶绿体呈现绿色。
植物的叶片组织里主要成分是叶绿体，所以，植物的叶片也是呈绿色的。
图5叶绿体内对光的吸收与反射
1.3植物在太阳辐射下的吸收光谱
我们研究植物的光合作用，主要是通过研究植物对太阳辐射的吸收，才能揭示植物光合作用的基本原理，那么，植物的光合作用吸收的光谱是怎样的形态和分布呢?
科学家已经获得了绿色植物在太阳辐射下的吸收光谱，如图6所示，绿色植物光合作用有效光谱的主要范围是380nm-735nm，植物的光合作用主要吸收的是红光和蓝光，此外，还有小部分的紫外线和红外线，植物的光合作用对绿光吸收的很少，没有被吸收的绿光被植物反射出来，植物对太阳光的吸收光谱是有峰值的，吸收峰值表示对太阳辐射的能量需要最多。
图6植物的光合作用吸收的光谱
从图6可以看出，叶绿素a和叶绿素b对太阳光的吸收有两个峰值，一个发生在波长为430nm-450nm之间，另一个峰值发生在620nm-660nm之间，β-类胡萝卜素吸收440nm-500nm之间，光敏素吸收峰值是380nm、660nm、730nm。
通过对植物吸收光谱的分析，我们可以使用与太阳辐射相同波长的人工辐射源对植物进行辐射，从而达到与太阳光一样的植物光合作用的效果，这就是植物人工辐射源的基本构思。
人工辐射源与太阳辐射在辐射的物理原理是一样的，并没有差异，因此，根本不存在人工辐射源对植物的光合作用产生变异，与转基因植物不同，人工辐射源在物理与化学上与太阳辐射作用完全相同，人工辐射源与太阳辐射相比，唯一的差别是人工辐射源光谱无法做到像太阳辐射那样波长峰值变化小，不过植物的吸收光谱只集中在几个峰值。
也是居于这一点，LED人工辐射源可以对植物光合作用更加有效，符合植物吸收光谱的多个峰值，当然，人工方式源是要增加植物种植的成本。
通过世界各地的科学家长期对植物光合作用的研究，我们已经实现了与太阳辐射同等效应的人工辐射源，从应用效果来看，植物人造辐射源可以很好的符合农业种植的需求。
我们把植物灯称为植物人工辐射源（PlantArtificialRadiationSources），是我们在这个领域首先提出，植物光合作用只是接受不同波长的电磁辐射，而不是向植物提供照明，植物的有效光合PPFD值才是植物光合作用的度量单位，采用光度学单位照度值（LUX）表达植物光合作用，这可能会引起使用者对植物种植的应用错误。
因为，在植物人工辐射源加入不可见光的辐射时，LUX的数值是零，但植物却能够正常吸收到这些不可见光辐射的光子;
当辐射源的波段是在可见光范围，可以称为植物灯，需要把照度值换算为PPFD标注。
在以下的论述中，我们用PARS代表植物人工辐射源。
1.4植物人工辐射源的发展历程
从全球农业科学的技术文献来看，早期的科学家对植物与光的某些物理化学现象进行了研究，随着研究的深入，研究的内容包括：
太阳光与植物生长，太阳辐射与植物的光合作用，人造光源与植物光合效率等，比较系统的研究是源于美国军方和美国宇航局NASA。
为了研究宇航员在太空中如何长期生存的技术问题，NASA肯尼迪航天中心（KSC）提出了“高级生命支持系统的作物生产”这个试验项目，在这个领域里，科学家对人工环境下的植物种植方面做出了许多富有成效的技术研究，图7是NASA的植物研究。
图7NASA的植物研究
早期的植物种植采用人造辐射源是照明光源，如白炽灯、高压钠灯、金卤灯、荧光灯，这些人工光源在植物培植也起了一定的效果，但是，这些光源有一个共同的缺点，那就是对电力的损耗很大，发热量大，而对植物的有效辐射量不高，有些甚至需要制冷系统降低光源的热效应。
用于植物生长的各种人工光源对比：
随着LED技术的发展，一种称为半导体固态照明（SSL）的产品越来越多的应用在照明领域，人们发现，LED的许多固有特性对植物的光合作用有很好的效果。
随着LED成本的下降，LED植物人工辐射源在农业种植方面得到了空前的发展，世界各地的科学家都在致力于LED在现代化农业生产的应用，如植物工厂、垂直工厂等新概念不断冲击着传统农业种植技术，LED在未来的农业生产中将扮演举足轻重的作用。
2.LED与LED-PARS介绍
2.1.什么是LED
LED是发光二级管（LightEmittingDiode）的英文缩写，属于半导体器件，1962年LED开始应用，1993年以前，LED只有红光、绿光、黄光器件，主要用作指示灯，1993年蓝光LED实现了工业化生产，四元素红光LED与蓝光LED应用在植物种植逐渐得到发展。
LED应用在照明领域称之为半导体固态照明SSL（SolidStateLighting），LED应用在植物种植称之为植物人工辐射源（LEDPlantArtificialRadiationSources）。
LED用于植物种植具有以下特点：
1）可以制造出不同波长组合的人工辐射源。
2）电功率到辐射功率的转换效率高。
3）LED属于冷光源，发出的光无热辐射。
4）单面发光方式，辐射利用率最高。
5）辐射量的输出可以通过驱动电流调节。
6）辐射量衰减率低，平均寿命达3万小时以上。
7）耗电功率低，生产成本低。
8）低压直流驱动，可以实现数字化规模控制。
9）可以方便接入太阳能、风能供电系统，做到零污染。
10）LED器件本身与生产工艺不会产生环境污染。
11）产品造价高，初始投入大。
2.2用于植物光合作用的LED光谱图
对于植物人工植物辐射源的研制，我们依据的是太阳辐射与植物光合作用的体系进行的，所以，对于LED器件，也需要从LED的光谱分析开始，图8是LED-PARS常用的波长的光谱图，可以看出，每种波长的光谱中，波形单一平滑，无其他杂波，波形态与植物光合作用的峰值波长形态接近，可以提供多波段的组合。
图8各种波长的LED的光谱图
针对不同的植物，按照其吸收光谱的特性，把这些不同波长的LED按比例组合在一起，形成多波段的人工辐射源，波长的组合和辐射量比例与植物品种有关，不同波长的LED辐射能量与LED本身的辐射特性有关，LED辐射效率与封装厂的品质有关，需要专业仪器进行物理分析才能确定配比组合。
图9是LED-PARS的光谱对比图，从图中可以看出，LED-PARS的光谱图与植物吸收光谱形态接近，可提供多波段辐射，光谱中无红外线辐射。
图9LED-PARS光谱图
2.3LED-PARS产品研制的专业分析能力
好亮固体光源研究所，成立于2003年，是国内最早的专业从事研制LED照明光源的民营研究机构，拥有十多项国家专利技术，主要的技术研究方向有：
LED光电参数分析评估，LED照明产品设计，LED植物人工辐射源设计与应用研究，LED工业循环养殖业应用技术研究，LED光度学与辐射度学研究等。
好亮固体光源研究所拥有全套先进的LED器件测试分析设备（图9），可进行光度学测试和辐射度学测试与分析，具备LED光源产品性能分析的第三方确认能力。
好亮固体光源研究所本着严谨的科学思路，重视电磁辐射的基本理论的研究与应用，对产品的技术研发与参数测试提供科学评测，使得产品品质达到了领先水平，部分产品成为国外农业科研院校的实验室专用设备，取得了许多实用价值的研究成果。
图9LED测试设备
2.4LED-PARS技术要点
植物对电磁辐射的吸收只是对特定的波长的电磁辐射的需求，植物并不能区分这些波长的电磁辐射是来自太阳电磁辐射还是人造的电磁辐射源，利用这一特点，我们就可以研制人工电磁辐射源PARS来提供给植物，基于PARS的光谱和辐射强度以及光周期均可以调节，植物可以PARS的辐射下得到最有效率的生长。
植物人工辐射源PARS是以植物电磁辐射理论来指导植物人工辐射源的设计与制造，在LED-PARS出现之前，植物人工辐射源使用的是白炽灯、荧光灯和高压钠灯等照明光源，这些照明光源的共同缺点是波长不能有效控制，光合效率低，大部分的电能都转化为热能被浪费掉，对植物的光合辐射效率低。
近几年出现的半导体照明光源（SSL），给植物人工辐射源带来了革命性的转折，受到了全球农业领域的高度重视。
新一代的植物人工辐射源LED-PARS具有很多不可比拟的特点，是一种极有发展前景的人工辐射源，是目前最理想的植物人工辐射源。
对于LED-PARS产品，最主要的技术是辐射量的配比、LED的散热、二次光学设计。
植物辐射量的配比是PARS效果的保证，LED散热是产品寿命的更本保证，二次光学设计是PARS效率的保证。
辐射量的配比需要根据不同植物生长特点制定，植物的吸收光谱与PARS辐射光谱需要吻合，植物生长与植物生长地区的日辐射量、气候条件、土质与水质、营养需求等有关，植物吸收光谱分析是最主要的，也是PARS制定光质、光量、光周期的主要依据，植物吸收光谱的测试首先要分析太阳辐射量，测试吸收量后还要验证配比后辐射场的反射量与穿透量，通过多次实验数据基本就可以确定辐射量的配比。
图10是广东佛山9月的太阳光谱数据图。
图10是广东佛山9月的太阳光谱
好亮固体光源研究所研发的专利产品REH（EqualizedRadiatingHolder均衡式散热支架）是目前大功率LED最好的散热结构，散热性能优异，ERH可以配备反射杯和透镜，实现多种光学输出角度，同时，REH具备防静电能力，使产品寿命得到更本保证。
图11是各种光输出角度的ERH散热支架，ERH散热技术居行业领先。
图11各种光输出角度的ERH散热支架
在辐射效率方面，好亮固体光源研究所采用优化设计理论，创新地提出了MOL二次光学设计（MinimumOpticalLoss最小光损技术），MOL技术是以反射杯为基础，在反射杯的反射面涂有特殊的反射涂层使得光的输出效率提高到92%以上，同时，通过采用MOL技术的光学设计，使得反射中心与边缘的光强度趋于均匀化，辐射面的辐射均匀度得到极大的改善。
如图12所示，MOL技术处于行业领先水平。
图12MOL二次光学设计
在产品应用效果方面，通过产品的辐射分布数据文件，可以在产品使用前，计算出种植面的辐射场分布，计算其辐量的平均值，换算出种植面的微摩尔量，验证是否符合植物生长要求，从而预分析种植效果与种植成本，这个步骤是解决应用问题的必要手段。
图13是这些分析的图示。
图13设计分析图示
植物人工辐射源的设计方法的最终目的是实现高效率的植物种植，因此，PARS产品设计比照明产品设计过程要复杂很多，需要长期累积的设计经验才能做好产品。
以下是基于REH与MOL技术的PARS产品与种植实验：
2.5LED在农业植保的创新产品-光防护（IRL-24H）介绍
农业生产中的植物保护（plantprotection）也是非常重要的领域，长期以来，农作物的病虫害防治主要是化学防护，喷洒农药不但会在植物上残留有害物质，而且害虫也在提高抗药性，导致需要更大剂量的农药灭虫，对环境、生态和人的健康造成很大影响，如何寻找无毒无害的防治病虫害措施是植保技术人员的难题。
好亮固体光源研究所通过对不同波长的辐射光谱的深入研究，创造性地发明了病虫害的光防护，在防治效果和效率方面达到了国际领先的地位，以光防护为主，配合其他必要的手段，使植物保护达到了新的技术水平。
IRL-24H是好亮固体光源研究所首创的新型植物防虫害的驱虫灯，本产品采用最新科技的物理驱虫原理研制，是最先进的环保型驱虫产品，不会对植物生长造成任何不良影响，对动物和人类也没有任何不良影响，不会造成环境的危害，是农业植保行业首创的高新技术。
本产品在农作物防虫治理上采用特殊光辐射场进行立体的全方位防护，设备安装简单，安装成本低，防虫效率高，本产品并不杀死昆虫，只是利用对人无害的光辐射场驱赶昆虫，从生态的角度，某些对农作物有害的昆虫可能是另外益虫的食物来源，光防护最大程度地保护生态平衡，不会造成有益昆虫的损害，不受季节、气候和环境的影响。
驱虫灯的光辐射场对于昆虫来说，形成是一个巨大的黑洞屏障，昆虫在这个光辐射场里是无法分辨物体和方向，造成昆虫的恐慌性逃离，相比之下，目前使用的紫外线诱虫灯，是吸引昆虫到灯光附近，当昆虫不经意撞到高压电网时被杀死，它无法区分害虫和益虫，如果引诱过来的害虫不接触高压电网，在紫外线诱虫灯周围可能会造成更大的病虫害，紫外线诱虫灯的高压电网在雨季也是非常危险的，紫外线诱虫灯里的紫外线对人眼会造成伤害。
采用防虫网也是无毒无害的环保型防护产品，但是，对于需要开花结果型的植物，防虫网会影响昆虫对植物的授粉，虽然可以采用防虫网，但对病虫害的防治功效也大大降低了，防虫网有应用的局限性。
生物防治也是环保型的植物保护，但是，生物防护受地域环境的影响，同时，生物防护有可能造成局部地区的生态不平衡，需要严格的防护评估，生物防护也只是针对某些害虫进行灭杀，无法做到完全的病虫害防治，也存在着应用的局限性。
下表是几种防虫害效果对比。
防虫害效果对比
本产品采用最新科技的大功率LED芯片制作，采用本所研制的ERH散热专利技术进行散热，应用我们全新发明的MOL二次光学设计技术，保证了光辐射的均匀度。
驱虫的所发出的光对植物也是有益的，可以辅助植物生长，对动物和人眼与身体无害，只驱赶昆虫，无环境与生态问题，是最环保的植物保护产品。
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