基于LED的植物組培光源系統的設計與實(shí)現

植物組織培養技術(shù)已有近百年歷史，通過(guò)組織培養技術(shù)實(shí)現重要經(jīng)濟植物工廠(chǎng)化生產(chǎn)的研究方興未艾。光作為植物生長(cháng)發(fā)育過(guò)程中的重要環(huán)境因子，也是植物生長(cháng)的主要能量來(lái)源之一。組培室采用人工光源直接給植物補光是促進(jìn)植物生長(cháng)的有效途徑，而高效節能地對植物補光的理論依據主要是植物對光的選擇性吸收。近年來(lái)，人們一直在努力模擬植物的吸收光譜，以求研制出某種光源，使其發(fā)射光譜最大限度地接近植物的吸收光譜以產(chǎn)生共振吸收，促使光合作用高效進(jìn)行。

　　有關(guān)植物組織培養人工光源改進(jìn)工作主要集中在研發(fā)較低散熱與較高效率的人工光源以降低成本，并且符合植物生長(cháng)所需。目前，植物組培所采用的人工光源主要是白熾燈、日光燈、鈉燈、高壓汞燈等，但這些人工光源的發(fā)射光譜不能很好地滿(mǎn)足植物生長(cháng)對光的選擇性需求，補光效率低，燈管的壽命與發(fā)光效率均不夠理想，燈管發(fā)熱需大量耗電，以致整體耗電成本頗高，能耗費用占全部運行成本的50%～60%。與傳統人工光源相比，LED具有可調整光強及光譜、冷卻負荷低、電光轉換效率高、體積小、壽命長(cháng)、使用直流電及可設定特定波長(cháng)、波長(cháng)固定等特點(diǎn)，且環(huán)保性能佳，對于植物組培是一種非常適合的人工光源。

　　使用紅光與藍光高亮度LED建立可調整光量、光譜、給光頻率與工作比的人工光源，需要提供連續無(wú)閃爍的光或高頻閃爍的光。國外和國內利用LED光源的初步研究已證實(shí)利用LED光源作為溫室人工光源能夠有效提高植物的生長(cháng)量和品質(zhì)。本文以L(fǎng)ED為基礎，設計和開(kāi)發(fā)了植物組培光源系統，并且以珍稀藥用植物鐵皮石斛為試驗材料，對基于LED的植物組培系統的實(shí)現進(jìn)行了驗證，取得了令人滿(mǎn)意的結果。

　　光源系統設計

　　1、LED光源系統的特點(diǎn)

　　隨著(zhù)LED的技術(shù)進(jìn)步，其在各種領(lǐng)域的研究逐漸開(kāi)展起來(lái)。發(fā)達國家在這方面的研究工作起步較早，美國、日本、荷蘭、俄羅斯等發(fā)達國家走在了該領(lǐng)域的前列。美國B(niǎo)ula于1991年首先使用高亮度LED在太空農業(yè)的應用研究，開(kāi)創(chuàng )了LED等在農業(yè)方面的應用[4]；1993年日本Nichia公司發(fā)明了藍光LED后，Okamoto于1996年使用高亮度紅光LED與藍光LED，在藍、紅光量子數的比例（B/R）為1：2時(shí)可培育正常的萵苣[5]。從以上研究結果看，與傳統光源相比[9，10]，無(wú)論從發(fā)光效率，還是光的利用率以及光的可調控性來(lái)說(shuō)，LED燈在溫室人造光源的應用中顯示出無(wú)可比擬的優(yōu)勢。LED光源系統的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

　?。?）發(fā)光效率高日光燈為低壓水銀熒光燈，它是典型的熱陰極弧光放電型低壓汞燈。日光燈的發(fā)光效率理論值是20.15%，是白熾燈的2倍多。高壓鈉燈是利用高壓鈉蒸氣放電，放電時(shí)大部分輻射能量集中在共振線(xiàn)上，即589.0nm和589.6nm。選擇適當的放電條件可以獲得很高的共振輻射效率。從高壓鈉燈的相對光譜能量分布可知，其發(fā)射光譜峰值集中在黃光區，藍紫光很少，有較多的紅光。LED目前的發(fā)光效率可達50%左右。

　?。?）光被植物的利用率高一般白熾燈所發(fā)出的光幅射中，可見(jiàn)光不到10%，而90%以上是紅外線(xiàn)。所以，用此光源對溫室大棚作物進(jìn)行補光，效率低，能源浪費大。從植物照明角度來(lái)看，黃光與紅光搭配不合理，也不是理想的人工光源。高壓汞燈在紫外、可見(jiàn)光和紅外區域都有輻射，可見(jiàn)光中黃綠光成分占相當大的比例。但這部分光對植物照明來(lái)講效果不大，所以它也不是理想的人工光源。根據研究，不同綠色植物對光的吸收譜基本相同，在可見(jiàn)區主要集中在400～460nm的藍紫區和600～700nm的紅橙區，采用紅光與藍光組合的LED光源，可實(shí)現植物的最大光利用率。

　?。?）光的可調控性好采用白熾燈、日光燈、鈉燈、高壓汞燈等對生物生長(cháng)性進(jìn)行研究，無(wú)法準備定量控制，也無(wú)法按需任意設定定量參數的組合。而采用不同波長(cháng)的LED，通過(guò)組態(tài)可調節的驅動(dòng)控制電路，可以根據不同植物特征選擇不同的光譜和光色組合，獲得植物所需的光源，并且能耗和成本比傳統電光源低。

　?。?）燈具耐頻繁啟動(dòng)日光燈壽命一般不少于3000小時(shí)，其條件是每啟動(dòng)一次連續點(diǎn)燃3小時(shí)。若啟動(dòng)一次只點(diǎn)燃1小時(shí)，燈管的壽命縮短到70%以下，因此，使用日光燈時(shí)要盡量避免不合理的頻繁啟動(dòng)。LED產(chǎn)品穩定性極高，不易損壞，減少購買(mǎi)新產(chǎn)品費用，連續進(jìn)行幾百萬(wàn)次的開(kāi)關(guān)操作都不會(huì )損壞光源；而節能燈在5000次的開(kāi)關(guān)操作就會(huì )損壞。

　　從以上的比較可以看出，LED燈在植物培養的人造光源的應用中顯了示很好的性能特點(diǎn)。

　　2、光源系統設計