智能控制在农业照明的应用研究

2014-10-11 11:16:54 作者：CN_SZLED_2012HJ 来源： 浏览次数：0

摘要:介绍智能控制在农业照明领域的应用现状，指出限制智能控制在农业照明领域发展的关键因素，阐述其技术研究方向、特点及优势。分析智能控制在农业照明领域的市场情况，并做相应的市场前景预测及提出促进智能控制照明在现代农业中应用的推广方案。
关键词：智能控制   农业照明   应用与研究   光照   节能  植物培育  畜禽养殖   植物工厂

       1应用现状
       1.1智能控制照明在农业应用的必要性
       1.1.1光照是植物生长要素
       目前人类面临食物、能源、资源、环境和人口五大问题，这些问题的解决都与植物生产有密切关系，而光照是影响植物生长发育的首要因素。因此，深入研究植物生长发育对光的需求特性、规律和光控基准，研发适宜于植物的智能控制高效LED补光系统，为植物生长提供高效的光环境，是一项有意义的创新性工作。
       1.1.2  应用智能控制照明是现代农业模式的里程标志
       随着大气污染日益加重，大气透明系数不断下降，植物可接收的太阳光能越来越少，难以满足植物生长发育的需求。所以将光照调控技术用于农业设施栽培中，可提高农作物的光合作用效率，促进农作物生长，减少农药使用，发展高效无污染的绿色农业，是现代农业模式的里程标志。
       1.2  智能控制在农业照明的应用①
       1.2.1  植物培育
       植物整个生长过程中，涉及到光合作用、光周期调节、光生态形成等几个方面,植物对光的吸收不是全波段的,而是根据生长周期具有选择性。这种依赖光控制细胞的分化、结构和功能的改变，最终会继承组织和器官的建成，就成为光形态建成光控制发育的过程。研究表明，植物光合作用在可见光光谱(380～760nm)范围内所吸收的光能约占其生理辐射光能的60%～65%，其中主要以波长610～720nm(波峰为660nm)的红光、橙光(约占生理辐射的55%左右)以及波长400～510nm(波峰为450nm)的蓝光、紫光(约占生理辐射的8%左右)为吸收峰值区域。图1为植物生长所需特定波段分布，开发出以这两个波段(特别是波峰)为主体的植物人工光源将会大大提高其光能利用效率。

图1  植物生长所需特定波段分布

       智能控制照明系统能够发出植物生长所需要的单色光(如波峰为450nm的蓝光、波峰为660nm的红光等)，光谱域宽仅为±20nm，而且红光和蓝光LED组合后，还能形成与植物光合作用与形态建成基本吻合的光谱，光能利用率达80%～90%，其节能效果极为显著。
       1.2.2  畜禽养殖
       通过对红色、蓝色和白色LED光源对家禽生产性能影响的研究，推出智能化养鸡LED照明系统，并在养鸡场投入使用。ONCE公司推出渐变式禽类养殖智能控制照明产品，采用定时系统来实现对光周期的控制。由于人工智能控制照明的色温、光强、时长及间断控制等都会对畜禽的行为习性、生理特性、生长发育等产生影响，最终会促进畜禽的生产性能。因此，养殖业生产中的照明不仅要低能耗和长寿命，而且还应具备光环境参数的可控性。
       1.2.3  微藻繁殖
       随着全球资源、能源及环境危机的加剧，开发利用光合自养生物微藻，直接将太阳能及CO2转化成人们生活需要的医药、生物基化学品和生物能源，已经成为世界各国关注的焦点。光照是影响微藻细胞生长及生化成分变化最重要的因子之一，对微藻的生长、繁殖、藻体颜色、细胞形态及代谢产物含量均有重要的影响，智能控制光源逐渐在微藻繁殖中得到广泛的应用。
       1.2.4  水产诱捕
       世界各地一直存在使用火或其他形式的灯光捕鱼的方法，如今这些捕鱼方法已经成为许多国家现代渔业的一个重要特征。一些研究人员还对不同颜色光源的诱鱼效果进行了试验，结果表明，蓝光具有更深的水体穿透性，使用以蓝色为主体的人工光源可以取得更好的诱捕效果。
       1.3  局限智能控制农业照明发展因素
       1.3.1  成本偏高
       对于智能控制LED照明产品来说，价格高是限制其发展的主要因素之一。与高压钠灯相比，一只200W的高压钠灯成本为200～300元，而一台100W的LED灯的成本则需要1000～1500元。这在很大程度上限制了智能控制LED照明在农业领域的应用与推广。近年来国内部分地区新投入了LED封装线，目前正处于建设期内，预计两年后，这些产能的释放，将会大大降低LED价格，高成本问题有望得到化解。
       1.3.2  技术不成熟
       虽然智能控制照明技术已经广泛应用于照明、显示屏、背光及交通讯号等众多领域并取得成功。但在我国农业照明领域的应用才刚刚起步，仍缺乏有效的技术支持，这主要是基础研究以及关键技术开发缺乏有效的经费支持，农业用智能控制LED照明技术指标体系构建及其相应的软硬件开发缺乏有效的理论依据与技术支撑。
       1.3.3  产业化与标准化程度低
       农业用智能控制LED照明目前仍处于试验及研究阶段，还没有形成成熟的专业化产品，开发和试用仅仅限于科研院所，缺乏能够将研究成果转化为生产力的专业性智能控制照明企业，其生产的专业化和智能化程度仍然较低，不利于农业智能照明的健康、合理及有序发展。
       2  技术研究
       2.1  研究内容
       2.1.1  温室补光
       温室的人工补光主要有高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯和荧光灯等光源，这些光源的红外和绿光等光谱成分较大，农作物光合作用所需的红光及蓝光谱成分相对较少，其光能利用率低、耗能及运行成本较高。图2为温室LED补光应用，常用的LED温室补光光源一种是垂直照射的LED点光源，灯具采用类似于高压钠灯的圆头结构。另一种是穿插于植株之间进行侧面照射的柔性LED灯带。

图2   温室LED补光的应用

       2.1.2  植物工厂
       植物工厂通过采用科学及标准化技术措施的智能控制，运用机械化及自动化手段，使植物在最佳模式下进行培育。一种是以温室为主体，以太阳光和人工光并用型植物工厂。另一种是完全封闭的，以人工光源为主体的植物工厂。LED具有较高的光电转换效率、节能、结构紧凑和寿命长等优势以及能调控发光强度和光质，被认为是植物工厂应用较理想的光源。
       2.1.3  植物组培育苗
       植物组织培养即植物无菌培养技术，是根据植物细胞具有全能性的理论，利用植物体离体的器官或细胞以及原生质体，在无菌、光照及温度适宜的人工培养条件下，通过诱导出愈伤组织、不定芽及不定根最后形成完整植株的技术。这是一项节能环保、经济有效且简便易行的新方法，光环境调控对黄瓜、番茄、甜椒、油菜等幼苗的生长发育产生显著影响。
      2.1.4  光照调节畜禽生长
       研究发现AA肉鸡生长前期采用绿光LED或蓝光LED照射，生长后期采用蓝光LED照射，能显著促进肉鸡的生长发育，提高生产性能，肉鸡生长早期(0-7d)选用绿光LED照明，可不同程度地改善肉鸡小肠黏膜结构，提高小肠对营养物质的吸收能力，从而促进肉鸡生长发育。此项研究可改善鸡的生理节律、摄食行为、生长发育及繁殖性能的技术指标体系，消减了诸如禽产品“污染”的负面影响，能够显著促进畜禽生长及提高免疫力，提升了畜禽的生产潜力。
       2.2  特点突出
       2.2.1  光照优质
       植物利用太阳光主要是进行光合作用，而光合作用吸收光谱在可见光光谱 380～760 nm范围内,其中主要以波长在610～720 nm的红橙波段光、以及波长400～510nm的蓝紫波段光为吸收峰值区域。由于连续阴雨气候因素影响植物生长发育乃致绝收。设施及农业种植改变不受天气影响而成为发展的方向，智能控制LED照明的研究及发展解决了这一问题。
       2.2.2  补光可控
       温室人工补光主要有三个要素：光质、光强、光周期。其中光强即光照度的要求，以主要作物光补偿点为依据。温室补光光照度一般要求在作物冠层达到1000lx～3000lx。二是农作物的光合作用主要利用400nm～510nm的蓝紫光、600nm～700nm的红橙光，温室补光一般根据作物不同，对R/B（红/蓝）有特定要求。其次是对光周期的要求，自然界昼夜交替、周而复始的现象形成了光周期，农作物在漫长的进化过程中适应了这种明暗变化。但是，在冬至前后或连阴天时，光照时间往往不能满足农作物生长发育需求，需要通过人工补光来增加光照时间。近年来，温室人工补光已经成为设施农业生产的重要手段，各种智能控制照明也得到了快速发展及应用。
       2.2.3  系统智能
       该系统包括LED光源、生长控制软件、信号调节器和数据收集软件的植物生长调控系统。可以通过生长控制软件控制LED照明，将传感器测出来的生长环境信息通过数据收集软件汇集到数据库能实现不同光质的自动控制。通过智能调控系统对植物的开花和随后的生长周期进行调控。　
       2.3  明显优势
       2.3.1  生物能效高
       植物光合作用主要是利用波长为610~720nm（波峰为660nm）的红橙光，吸收的光能约占其生理辐射的55％左右；其次是波长为400~510nm（波峰为450nm）的蓝紫光，吸收的光能约占其生理辐射的8％左右。而传统光源的辐射光谱中除了红蓝光之外，往往还存在着大量的绿光及红外光成分，这些光谱成分对植物光成分过多降低了植物对传统光源辐射能量的利用率。相比之下，利用LED作为光源，则可以控制其辐射光谱全部为红蓝光波段，而且可以根据植物的不同需求精确调整其红蓝光质比，使其辐射能量可完全被植物吸收，大大提高了其生物能效。 
       2.3.2  提高植物栽培密度
       由于智能控制的LED产品结构紧凑，比传统光源体积大大减小。LED属于冷光源，其辐射光谱对植物的热效应远远小于传统光源，即使近距离照射也不会造成植物灼伤，因此可实现对植物的近距离照射，这样，在植物工厂或组培中，就可以大大缩短栽培层架之间的距离，提高空间利用率，提高植物的单位空间栽培密度。
       2.3.3  节能效果显著
       如荷兰在温室中利用智能控制LED照明实验表明，与传统的高压钠灯和金属卤素灯等相比，LED节能量达50%~80%。在植物工厂里，使用传统光源每平方米需要配备0.5千瓦的光源，而LED仅需0.27千瓦，可使耗电量下降约一半。
       3  市场分析与前景预测
       3.1  “利基型”市场
       智能控制LED照明技术发展这两年已经更为成熟，利用LED光源与环境控制特性的植物工厂，成为近年来各大厂商迫切想要切入的“利基型”市场。LED照明与现代农业的结合可以带来多重利好，它可以让农作物的收成期缩短，预防虫害，减少农药使用，为食品安全把关，也提高农产品的附加价值。
       随着智能控制及LED技术成熟度的不断提高和应用规模的扩大，再考虑到政府在研发和销售方面扶持和补贴的逐步加码，其成本会越来越趋近于传统光源。每流明约合新台币0.38元，仅为2010年1.8元的五分之一， Philips、Osram、Mitsubishi和Panasonic等国际品牌纷纷投入智能控制农业照明创新应用。
       LED 价格下滑与技术提升，促使农业智能控制照明应用出现新一波进展。应用推广的增长空间巨大，是符合未来产业走向的投资。
      3.2  前景广阔
       全球农业智能控制照明产值在2013年起开始呈现高速成长，产值虽仅千万美元规模，但预估2014年将逾3500万美元，2017年更可望挑战3亿美元。其中，玻璃温室总面积则达到了4.9万公顷，若考虑到世界上总面积达到283万公顷的塑料温室大棚，则温室补光的市场需求将更庞大。在其它方面也存在很大的应用空间，如害虫的物理防治，可以采用特定波长的LED光源，引诱并灭杀害虫。动物养殖，采用特定波长的LED实施光照促进动物生产率，减少饲料添加剂及激素的使用。海洋捕捞，可以应用特定波长的LED光源，进行海产品的诱导，提高捕捞量。微生物，可以采用促进有益微生物繁殖增殖的特定波长的LED实施光照，实现高效率、密集产量的微生物反应过程。因此充分开拓这些领域的应用，也将给智能控制照明的农业领域应用带来相当大的市场需求。
       4  产业推广战略
       智能控制LED照明在农业领域的研究还处于起步阶段，缺乏系统完善的研究，技术水平相对较低，必须先加大研究的力度及加大研发资金投入，全方位提升企业和行业整体竞争力。然后，由国家制定相应的标准化体系，有利于产品健康有序发展。再之，扶持企业发展，创建有持续创新能力的重点技术创新中心。建设应用示范推广工程，形成政府主导、企业主体及市场配置“三力合一”。最后，将农用智能控制照明纳入国家农业装备购置补贴目录，确保农业生产单位在购置智能控制时能够享受到国家政策性支农财政补贴。这将有助于建立农业智能控制照明的节能高效生产模式，实现传统照明产业的升级改造，促进农业智能控制照明产业的健康发展。

参考文献

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