CN102630511A

CN102630511A - 一种用于植物生长的led全谱可调光源装置

Info

Publication number: CN102630511A
Application number: CN2011100374881A
Authority: CN
Inventors: 马亮
Original assignee: TONGFANG OPTO-ELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: TONGFANG OPTO-ELECTRONIC Co Ltd
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-08-15

Abstract

一种用于植物生长的LED全谱可调光源装置，涉及半导体固态照明光源。本发明中的电源为控制系统和驱动电路提供电能并受到控制系统的控制；控制系统提供数据输入、数据输出、运算处理、存储和时钟的智能化管制并为驱动电路提供调光数据，对光源光谱功率分布、光子通量强度、光周期进行调整的依据数据由外部输入到控制系统内的储存器内；驱动电路为发光体提供稳恒直流或者脉宽调制电源；发光体的基本单元由若干数量的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光LED组成。本发明具备植物生长所需的全波段光照条件，并且它能够根据不同植物在不同生长阶段对光源的不同要求，调整光源的光谱功率分布、光子通量强度和光周期，为植物生长提供最佳的光照条件。

Description

一种用于植物生长的LED全谱可调光源装置

技术领域

本发明涉及半导体固态照明光源，特别是用于植物生长的LED全谱可调光源装置。

背景技术

用于植物生长的人工光源已广泛用于温室内蔬菜、水果、花卉等作物的栽培。这些人工光源可以在没有日光条件下单独使用，或者在日光不足的条件下作为补光使用，帮助植物正常生长。常见的人工光源有白炽灯、荧光灯、高压钠灯或汞灯等。但是，这些传统植物生长光源的光谱功率分布固定，光通量强度的可调范围较小，并不能与植物生长所需的理想光源条件相匹配，更何况不同植物在不同生长阶段对光源的需求也存在差异，这样便造成了光源的浪费。此外，这些人工光源在电光转换效率和使用寿命等方面也存在劣势。

相比上述传统植物生长光源，LED光源在诸多方面都表现出明显的优势，如节能、环保、长寿命、体积小、抗震、防水防潮、低压直流驱动、可脉宽调制PWM输出等优点。LED是一种光谱较窄，单色性较好的半导体固态光源，其光谱半高宽约为15~30nm，光谱峰值波长覆盖从紫外光到近红外光的所有区域范围。根据Haitz定理，未来LED产业将以每10年光功率增加20%、价格下降10%的方式快速增长。因此，LED光源不仅可以克服传统植物生长光源的缺点，而且具有良好的市场发展潜力。

现有技术中，使用LED作为植物生长光源已有许多国内、外专利进行过报道。如美国专利专利号为US6921182B2的EFFICIENT LED LAMP FOR ENHACING COMMERCIAL AND HOME PLANT GROWTH公开了由两种不同光束角、不同峰值波长的红光LED和蓝光LED组成的促进植物生长灯；又如中国专利公开号为CN1596606A的《高效节能LED植物生态灯》公开了一种由蓝光LED或红光LED或蓝光和红光LED组合形成的植物生长光源。上述技术仅使用了蓝光和红光LED作为生长光源，主要考虑到了这些光源对光合作用的贡献，但却忽略了其它波段光谱对植物生理机能（如气孔的开闭、叶绿体迁移、种子发芽、秧苗生根、光形态反应、避荫反应、成花诱导等等）的影响。

根据相关文献（I. V?nninen et al., Annals of Applied Biology, Vol. 157, Pages:393-414, 2010）报道，植物对光源的吸收具有“波段选择性”。在日光光谱中，对植物能够施加影响的波长区域为280~800nm波段范围。进一步地，又可将上述波段分为以下七部分：①UV-B（280~320nm）、②UV-A（320~390nm）、③蓝光（390~500）、④绿光（500~580nm）、⑤黄光（580~600nm）、⑥红光（600~700nm）、⑦远红光（700~800nm）。另据相关文献报道（Y. L. Jiao et al., Natural Reviews Genetics, Vol. 8, Is. 3, Pages:217-230, 2007），植物（高等植物）对光源的“波段选择性”与其具有的各种光感受器密不可分。植物体内的光感受器至少可以分为四个种类：UV-B光感受器、向光素、隐花色素和光敏素，它们负责有选择性对280~800nm波长范围内的光线进行感知，具体的波段分布如图1所示。这些感知器会将外界环境的光照信息传导给植物体的基因调控网络，进而影响生长、发育、遗传性状表达等生理特征。另一方面，各种波段光源之间的比例也会影响植物生长。不同植物在不同生长阶段对光源的光谱功率分布、光子通量强度、光周期的需求是不同的。但是，现有技术中的LED 光源都没有照顾到上述植物在光谱波段、不同生长阶段及对各种光特性进行调节的需求。

发明内容

为了克服上述现有技术中LED植物生长光源的缺点，本发明的目的是提供一种用于植物生长的LED全谱可调光源装置。它具备植物生长所需的全波段光照条件，并且它能够根据不同植物在不同生长阶段对光源的不同要求，调整光源的光谱功率分布、光子通量强度和光周期，为植物生长提供最佳的光照条件。

为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：

一种用于植物生长的LED全谱可调光源装置，其结构特点是，它包括电源、控制系统、驱动电路和发光体。电源为控制系统和驱动电路提供电能并受到控制系统的控制；控制系统提供数据输入、数据输出、运算处理、存储和时钟的智能化管制并为驱动电路提供调光数据，对光源光谱功率分布、光子通量强度、光周期进行调整的依据数据由外部输入到控制系统内的储存器内；驱动电路为发光体提供稳恒直流或者脉宽调制电源；发光体的基本单元由若干数量的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光LED组成。

在上述用于植物生长的LED全谱可调光源装置中，所述发光体基本单元中的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光LED的数量均可取0，1，2，3，4，5…的非负整数。UV-B LED的峰值波长范围是280~320nm；UV-A LED的峰值波长范围是320~390nm；蓝光 LED的峰值波长范围是390~500nm；绿光 LED的峰值波长范围是500~580nm；黄光 LED的峰值波长范围是580~600nm；红光 LED的峰值波长范围是600~700nm；远红光 LED的峰值波长范围是700~800nm。

在上述用于植物生长的LED全谱可调光源装置中，所述控制系统内的储存器为具有数据储存功能的EEPROM或Flash 的IC芯片或者模块。

本发明由于采用了上述结构，通过选择发光体中各种LED的峰值波长位置、数量配比、正向电流强度、PWM等参数来实现对光源光谱功率分布、光子通量强度和光周期（24小时）的调节，使之兼顾植物的光合作用和其它生理机能的健康发展，为不同植物在不同生长阶段提供最佳光照条件。本发明的突出技术效果在于，它不仅具有节能、环保、长寿命等LED光源的普遍优点，它还具备全谱可调的性能特点，为植物生长提供智能、高效、全面的光照营养。此外，由于LED光源可最大限度地给予植物最长的光照时间，故采用本发明亦可加快植物生长，缩短植物的培育和收获周期。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为植物体内各种光感受器的波段响应范围；

图2为本发明装置的结构示意图；

图3为本发明发光体基本单元的线条状光源举例；

图4为本发明发光体基本单元的面光源举例；

图5为本发明中发光体和被栽培植株的空间位置示意图。

具体实施方式

参看图2，本发明装置包括电源、控制系统、驱动电路和发光体。电源为控制系统和驱动电路提供电能并受到控制系统的控制；控制系统提供数据输入、数据输出、运算处理、存储和时钟的智能化管制并为驱动电路提供调光数据，对光源光谱功率分布、光子通量强度、光周期进行调整的依据数据由外部输入到控制系统内的EEPROM或Flash等具有数据储存功能的IC芯片或者模块内；驱动电路为发光体提供稳恒直流或者脉宽调制电源；发光体的基本单元由若干数量的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光LED组成。发光体基本单元中的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光LED的数量均可取0，1，2，3，4，5…的非负整数。UV-B LED的峰值波长范围是280~320nm；UV-A LED的峰值波长范围是320~390nm；蓝光 LED的峰值波长范围是390~500nm；绿光 LED的峰值波长范围是500~580nm；黄光 LED的峰值波长范围是580~600nm；红光 LED的峰值波长范围是600~700nm；远红光 LED的峰值波长范围是700~800nm。

作为上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采用以下的技术措施：

在系统设计、开发本发明装置之前，应首先获取某种植物在特定生长阶段内对光源光谱功率分布、光子通量强度和光周期的要求，这些数据应是经过先期的植物栽培实验得到的，它们将作为本发明设计开发的基础条件。具体实施时，可将这些数据输入、存储到本发明的控制系统，为不同植物在不同生长时期的提供智能、变化的光照条件。

此外，为保证光源装置中各种波段LED出射光子的均匀混合，应根据各种LED的数量配比、几何尺寸等参数，将它们均匀地安装在发光体的一个基本单元内。在使用本发明装置时，为保证每颗被栽培植株能够完全、均匀地接受到一个发光体单元中各种LED的照射，应注意调整以下变化因素：⑴发光体基本单元中各种LED的光束角；⑵发光体距离被栽培植株的高度；⑶被栽培植株的间距。

选择本发明发光体基本单元中的峰值波长为300nm、功率为0.05W的UV-B LED，峰值波长为370nm、功率为0.1W 的UV-A LED，峰值波长为450nm、功率为0.5W的蓝光LED，峰值波长为520nm、功率为0.2W的绿光LED，峰值波长为590nm、功率为0.1W的黄光LED，峰值波长为650nm、功率为1W的红光LED，峰值波长为730nm、功率为0.1W的远红光LED各1颗组成发光体的基本单元，并均匀安置如图3或者图4中的正六边形基本单元结构。进一步地，可根据实际需要，将发光体的多个基本单元排列为线条状光源，如图3所示；或者将基本单元排列为面光源，如图4所示。在驱动电路设计上，将相同类型的LED 以一定数量为一组串联在一起，由独立的驱动IC芯片供电。

然后，将发光体安装在距离栽培植株合适距离的位置上。如图5所示，发光体的高度h，每种LED的光束角α、β、γ，植株的间距d都应满足一定的条件，以保证每颗植株都能够接受到各种波段LED光源均匀混合的照射，且各波段光子的通量强度应适宜。各种LED的驱动电流强度、PMW的频率与占空比、光周期时间等设定数据将被输入到光源装置的控制系统中，由控制系统自动执行。

由于不同植物在不同的生长阶段对光源的光谱功率分布、光子通量强度和光周期要求不同，故下面对几种不同植物在不同的生长阶段分别进行举例实施，并且假定以下实验中植物生长所需的其它条件，如温、湿度，土壤营养、水分，空气组分、状况等等，均配备良好。

实施例一，选择处于抽穗期的小麦进行栽培，将上述发光体单元所采用的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光LED分别予以电流强度为10、20、150、60、20、350、20mA，及频率为250Hz，占空比分别为50%、50%、100%、100%、50%、100%、100%的PWM供电模式进行驱动。进一步地，根据各种LED的光束角特性和小麦植株的间距，确定发光体的安装高度，以保证单颗小麦植株接受到的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光光子的通量强度分别为5、10、150、60、10、350、20μmol m^-2 s^-1。此外，各种LED光源的光周期均设定为每日6:00~22:00进行光照。

实施例二，选择处于成长期的番茄幼苗进行栽培，将上述发光体单元所采用的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光LED分别予以电流强度为10、20、50、10、10、100、20mA，及频率为250Hz，占空比分别为10%、100%、100%、50%、50%、100%、50%的PWM供电模式进行驱动。进一步地，根据各种LED的光束角特性和小麦植株的间距，确定发光体的安装高度，以保证单颗小麦植株接受到的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光光子的通量强度分别为1、20、50、5、5、100、10μmol m^-2 s^-1。此外，各种LED光源的光周期均设定为每日6:00~20:00进行光照。

实施例三，选择处于成长期的萝卜幼苗进行栽培，将上述发光体单元所采用的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光LED分别予以电流强度为10、20、40、10、20、150、10mA，及频率为250Hz，占空比分别为20%、25%、50%、20%、10%、100%、50%的PWM供电模式进行驱动。进一步地，根据各种LED的光束角特性和小麦植株的间距，确定发光体的安装高度，以保证单颗小麦植株接受到的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光光子的通量强度分别为2、5、20、2、2、150、5μmol m^-2 s^-1。此外，各种LED光源的光周期均设定为每日6:00~18:00进行光照。

以上只是公开了本发明的示范性实施例。对于本领域的相关技术人员依据本发明实例的技术路线，在具体实施方式及应用范围上无实质性的改变之处。所形成的技术方案，也属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于植物生长的LED全谱可调光源装置，其特征在于，它包括电源、控制系统、驱动电路和发光体，电源为控制系统和驱动电路提供电能并受到控制系统的控制；控制系统提供数据输入、数据输出、运算处理、存储和时钟的智能化管制并为驱动电路提供调光数据，对光源光谱功率分布、光子通量强度、光周期进行调整的依据数据由外部输入到控制系统内的储存器内；驱动电路为发光体提供稳恒直流或者脉宽调制电源；发光体的基本单元由若干数量的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光LED组成。

2.根据权利要求1所述的用于植物生长的LED全谱可调光源装置，其特征在于，所述发光体基本单元中的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光LED的数量均可取0，1，2，3，4，5…的非负整数；UV-B LED的峰值波长范围是280~320nm；UV-A LED的峰值波长范围是320~390nm；蓝光 LED的峰值波长范围是390~500nm；绿光 LED的峰值波长范围是500~580nm；黄光 LED的峰值波长范围是580~600nm；红光 LED的峰值波长范围是600~700nm；远红光 LED的峰值波长范围是700~800nm。

3.根据权利要求1所述的用于植物生长的LED全谱可调光源装置，其特征在于，所述控制系统内的储存器为具有数据储存功能的EEPROM或Flash 的IC芯片或者模块。