植物工厂光斑可调式LED节能光源研制及应用研究

摘要

植物工厂的高能耗是限制其发展的重要因素，其中光能耗所占比重最大。LED（light-emitting diodes）因其显著的节能效果正逐渐被国内外植物工厂广泛应用，但LED光源仅能解决灯具的节能问题，由于其照明方式仍采用散射型模式，即光线发射角度为180°，大部分光能散射到未栽培植物的空间中，不能被植物有效利用，光能利用效率依然很低。设计更加有效的LED光源及照射方式对进一步改善植物工厂高能耗具有重要意义。作者基于舞台聚光灯的应用启发，设计了一种光斑可调式的LED光源系统，该系统由多芯片大功率LED、聚光透镜和菲涅尔透镜组成。光源系统将光线聚集起来，形成圆形的光斑，并可根据植物的大小，调节光斑的尺寸，达到改善光分布的效果，从而节省电能消耗。本研究以普通散射型LED照明系统作为对照，以“奶油”生菜（Lactuca sativa L.）作为栽培品种，从光斑可调式LED光源的构建、能耗分析、生菜栽培效果以及系统的升级优化等方面进行了系统研究。主要结果如下：
　　（1）光斑可调式LED照明系统的构建：光斑可调式LED由多芯片大功率LED、聚光透镜和菲涅尔透镜组成，系统将光线有效聚集起来，改善了光分布，并通过理论节能计算，得出系统最低节能41.2％，具有极高的研究价值。
　　（2）光斑可调式LED光源系统节能效果显著：与普通散射型LED系统相比，光源消耗的电能节省了52.06%，系统光能利用效率（Light Use Efficiency，LUEs）提高了55.64%。在形态指标（叶面积、叶片数、叶长、叶宽）方面，两个系统没有显著性差异。
　　（3）光斑可调式LED光源系统对生菜栽培微环境的影响：提高LED输出功率，聚焦的光线能够显著增加叶片温度和营养液温度，分别可提高1℃和2℃。同时由于试验光照系统空白栽培板没有受到光线照射，其空白栽培板的温度一直处于稳定的相对较低的状态。不同的温度对于生菜栽培的光合指标、生理、生化指标均有一定的影响。
　　（4）对光斑可调式LED光源系统进行了结构的优化：通过运用工业级视觉机器和计算机控制技术，构建了精准照明系统，实现了生菜栽培的日监测和光斑日变化的智能化控制。
　　光斑可调式LED光源系统改善了光分布情况，节能效果显著，能够改善植物工厂高耗能。该系统首次提出通过聚焦改变照明方式的思想，并成功设计了光斑可调的核心部件。为植物工厂的节能调控技术提供了新的思想，为精准化农业的实现提供了技术支撑。

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第一章 引 言

1.1研究背景

1.2 国内外研究进展

1.3 研究目标及研究内容

1.4 技术路线

第二章 光斑可调式LED节能光源系统构建

2.1光斑可调式LED节能光源系统的设计原理

2.2 光斑可调式LED照明系统的结构组成

2.3 小结

第三章 光斑可调式LED光源节能效果的试验研究

3.1 材料与方法

3.2 测量的指标和方法

3.3 结果与分析

3.4讨论与小结

第四章 光斑可调式LED节能光源对生菜及栽培环境影响试验

4.1 试验材料和方法

4.2 试验结果与分析

4.3讨论与小结

第五章 光斑可调式LED光源智能化调控系统的设计与优化

5.1系统结构

5.2 传感器与控制系统

5.3 系统的运行模式

5.4 小结

第六章 结论与建议

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 建议

参考文献

致谢

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