led在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)-文庫(kù)吧
2025-06-10 07:06 本頁(yè)面
【正文】 圖1 LED結(jié)構(gòu)原理圖Fig1 Schematic diagram of LED structureLED（Light Emitting Diode），又稱發(fā)光二極管，由ⅢⅣ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體材料制成，其核心是PN結(jié)（圖1所示）。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流可分為普通亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度10mcd）、高亮度LED（發(fā)光強(qiáng)度在10～100mcd之間）和超高亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度100mcd）等類型，其中超高亮度LED壽命可達(dá)5萬(wàn)小時(shí)以上，且光衰僅為30%[3]。LED的相關(guān)產(chǎn)品早在20世紀(jì)60年代初就已面世，1962年世界上首個(gè)GaAsP 紅色LED（λp=650nm）研制成功，隨后黃色LED開始出現(xiàn)，但這一階段LED光源僅局限于標(biāo)識(shí)、觀賞等領(lǐng)域的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代中期，高亮度LED開始推出，1993年又相繼研制出藍(lán)色和綠色LED產(chǎn)品，1996年白色LED相繼研制成功。但由于受亮度、價(jià)格等因素的影響，LED很長(zhǎng)一段時(shí)期一直未能作為通用光源推廣應(yīng)用。最近10年來(lái)，隨著國(guó)際上對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入，LED性能的不斷提高，價(jià)格的大幅度下降，以及大功率LED產(chǎn)品的相繼推出，使LED的普及逐漸成為可能[4]。圖2 紅藍(lán)光光譜分布目前，LED已被廣泛應(yīng)用于汽車、通訊、資訊、交通信號(hào)、家電、照明以及生物醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域。與高壓鈉燈、白熾燈、熒光燈等其他人工光源相比，LED的優(yōu)勢(shì)在于：，供電電壓僅為6~24V，比使用高壓電源更安全；，耗電量?jī)H為白熾燈的八分之一，熒光燈的二分之一；（圖2），如紅外、紅色、橙色、黃色、綠色、藍(lán)色等，而且還可以根據(jù)不同需要任意組合；4. 低發(fā)熱特性的冷光源，可以近距離照射植物，提高空間利用率；，響應(yīng)時(shí)間快；、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性強(qiáng)；，作為全固體發(fā)光體，不含金屬汞、耐沖擊、不易破碎，廢棄物可回收，是一種綠色照明產(chǎn)品；，可達(dá)50,000小時(shí)以上，是普通照明燈具的幾十倍。近年來(lái)，隨著光電技術(shù)的不斷革新，LED正向高亮度、低成本的目標(biāo)快速推進(jìn)[2,3]，為這一新型光源的普及與應(yīng)用提供了廣闊的空間[5]。2 LED在設(shè)施園藝領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀 園藝作物的光合作用，主要是利用波長(zhǎng)為610mm~720nm（波峰為660nm）的紅橙光，吸收的光能約占生理輻射的55％左右；其次是波長(zhǎng)為400~510nm （波峰為450nm）的藍(lán)紫光，約占8％左右。 LED能夠發(fā)出植物生長(zhǎng)所需要的單色光（如波峰為450nm的藍(lán)光、波峰為660nm的紅光等），光譜域?qū)拑H為177。20nm，紅藍(lán)光LED組合后，能形成與作物光合作用和形態(tài)建成基本吻合的光譜吸收峰值，光能利用率可達(dá)80％~90％，節(jié)能效果顯著。LED光源這種獨(dú)特的性能，為其在設(shè)施園藝領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有效的發(fā)展空間[6]。 LED在設(shè)施栽培領(lǐng)域的應(yīng)用世界上最早將LED用于植物栽培的是日本三菱公司，早在1982年就有關(guān)于采用波長(zhǎng)650nm紅色LED進(jìn)行溫室番茄補(bǔ)光的試驗(yàn)報(bào)道[6]。1987年美國(guó)Wisconsin大學(xué)Tibbitts等人開始采用LED進(jìn)行萵苣的栽培試驗(yàn)，1991年該校的Bula等人利用紅光660nm的LED與藍(lán)色熒光燈結(jié)合，進(jìn)行生菜（Lactuca Sativa L）的栽培試驗(yàn)，獲得成功[7]。1993年日本香川大學(xué)的岡本和柳用紅色LED進(jìn)行了菠菜和萵苣的栽培試驗(yàn)。三菱化學(xué)（株）的渡邊和田中也利用LED進(jìn)行植物栽培的實(shí)用化研究，探討了脈沖光照射周期與占空比對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，占空比達(dá)25％~50％時(shí)，可加速植物生長(zhǎng)。Okamoto等(1996)使用超高亮度紅光LED與藍(lán)光LED，在紅藍(lán)光比值（R/B）為2：1時(shí)，可以正常培育萵苣；同年，Yanagi 等(1996) 使用紅光LED與藍(lán)光LED來(lái)探討光質(zhì)與光量對(duì)萵苣生長(zhǎng)與光形態(tài)建成的影響，將萵苣栽培于純藍(lán)光LED（170μmolm2s1)的環(huán)境中，證實(shí)可分化生長(zhǎng)，雖然干物重小于純紅光或紅藍(lán)光組合下的植株，但純藍(lán)光下的植株顯得更加矮壯和健康。三菱化學(xué)的渡邊博之（2002）使用LED脈沖光對(duì)萵苣的生長(zhǎng)以及光合成反應(yīng)的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在周期為100μs以下的脈沖光條件下，生菜生長(zhǎng)比連續(xù)光照射條件下促進(jìn)效果提高了20%，從而證實(shí)了采用不同頻率脈沖光照射萵苣可以加速植物生長(zhǎng)。Heo 等（2002）研究發(fā)現(xiàn)，熒光燈+紅色LED, 熒光燈+遠(yuǎn)紅外LED復(fù)合光照處理，比單一熒光燈處理能顯著提高萬(wàn)壽菊的氣孔數(shù)量[8]。中林和重（2002）研究了紅色、藍(lán)色LED特定頻率的光刺激對(duì)小油菜的影響，證實(shí)了采用LED進(jìn)行光刺激對(duì)植物體生長(zhǎng)、汁液成份以及無(wú)機(jī)成份（鉀、鈉）含量產(chǎn)生影響。魏靈玲等（2007）利用紅色LED（660nm）+藍(lán)色LED（450nm）進(jìn)行了黃瓜的育苗試驗(yàn)（圖3所示），結(jié)果表明，LED的紅藍(lán)光比值（R/B）為7：1時(shí)，黃瓜苗的各項(xiàng)生理指標(biāo)最優(yōu)，LED的能耗與熒光燈相比為1：，節(jié)能效果顯著[9]。聞婧等（2009）通過對(duì)R/B的不同配比條件下葉用萵苣生理形狀及品質(zhì)的影響機(jī)理研究。圖3 LED黃瓜育苗試驗(yàn) Fig2 Test of cucumber seedling under LED到目前為止，LED已成功用于多種作物的設(shè)施栽培，包括：萵苣（Bula et al.,1991。Okamoto et al..1997）、胡椒(Schuerger et al.,1997)、胡瓜(Schuerger amp。 Brown,1997)、小麥(Goins et al.,1997)、菠菜
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