基于LED的植物組培光源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

植物組織培養(yǎng)技術(shù)已有近百年歷史，通過組織培養(yǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)重要經(jīng)濟(jì)植物工廠化生產(chǎn)的研究方興未艾。光作為植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的重要環(huán)境因子，也是植物生長(zhǎng)的主要能量來源之一。組培室采用人工光源直接給植物補(bǔ)光是促進(jìn)植物生長(zhǎng)的有效途徑，而高效節(jié)能地對(duì)植物補(bǔ)光的理論依據(jù)主要是植物對(duì)光的選擇性吸收。近年來，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(yǎng)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(zhǎng)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足植物生長(zhǎng)對(duì)光的選擇性需求，補(bǔ)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(fèi)用占全部運(yùn)行成本的50%～60%。與傳統(tǒng)人工光源相比，LED具有可調(diào)整光強(qiáng)及光譜、冷卻負(fù)荷低、電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小、壽命長(zhǎng)、使用直流電及可設(shè)定特定波長(zhǎng)、波長(zhǎng)固定等特點(diǎn)，且環(huán)保性能佳，對(duì)于植物組培是一種非常適合的人工光源。

　　使用紅光與藍(lán)光高亮度LED建立可調(diào)整光量、光譜、給光頻率與工作比的人工光源，需要提供連續(xù)無閃爍的光或高頻閃爍的光。國(guó)外和國(guó)內(nèi)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(zhǎng)量和品質(zhì)。本文以LED為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了植物組培光源系統(tǒng)，并且以珍稀藥用植物鐵皮石斛為試驗(yàn)材料，對(duì)基于LED的植物組培系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了令人滿意的結(jié)果。

　　光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1、LED光源系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　隨著LED的技術(shù)進(jìn)步，其在各種領(lǐng)域的研究逐漸開展起來。發(fā)達(dá)國(guó)家在這方面的研究工作起步較早，美國(guó)、日本、荷蘭、俄羅斯等發(fā)達(dá)國(guó)家走在了該領(lǐng)域的前列。美國(guó)Bula于1991年首先使用高亮度LED在太空農(nóng)業(yè)的應(yīng)用研究，開創(chuàng)了LED等在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用[4]；1993年日本Nichia公司發(fā)明了藍(lán)光LED后，Okamoto于1996年使用高亮度紅光LED與藍(lán)光LED，在藍(lán)、紅光量子數(shù)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(jié)果看，與傳統(tǒng)光源相比[9，10]，無論從發(fā)光效率，還是光的利用率以及光的可調(diào)控性來說，LED燈在溫室人造光源的應(yīng)用中顯示出無可比擬的優(yōu)勢(shì)。LED光源系統(tǒng)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上，即589.0nm和589.6nm。選擇適當(dāng)?shù)姆烹姉l件可以獲得很高的共振輻射效率。從高壓鈉燈的相對(duì)光譜能量分布可知，其發(fā)射光譜峰值集中在黃光區(qū)，藍(lán)紫光很少，有較多的紅光。LED目前的發(fā)光效率可達(dá)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，可見光不到10%，而90%以上是紅外線。所以，用此光源對(duì)溫室大棚作物進(jìn)行補(bǔ)光，效率低，能源浪費(fèi)大。從植物照明角度來看，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、可見光和紅外區(qū)域都有輻射，可見光中黃綠光成分占相當(dāng)大的比例。但這部分光對(duì)植物照明來講效果不大，所以它也不是理想的人工光源。根據(jù)研究，不同綠色植物對(duì)光的吸收譜基本相同，在可見區(qū)主要集中在400～460nm的藍(lán)紫區(qū)和600～700nm的紅橙區(qū)，采用紅光與藍(lán)光組合的LED光源，可實(shí)現(xiàn)植物的最大光利用率。

　?。?）光的可調(diào)控性好采用白熾燈、日光燈、鈉燈、高壓汞燈等對(duì)生物生長(zhǎng)性進(jìn)行研究，無法準(zhǔn)備定量控制，也無法按需任意設(shè)定定量參數(shù)的組合。而采用不同波長(zhǎng)的LED，通過組態(tài)可調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)控制電路，可以根據(jù)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(tǒng)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(xù)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(wěn)定性極高，不易損壞，減少購(gòu)買新產(chǎn)品費(fèi)用，連續(xù)進(jìn)行幾百萬次的開關(guān)操作都不會(huì)損壞光源；而節(jié)能燈在5000次的開關(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(yǎng)的人造光源的應(yīng)用中顯了示很好的性能特點(diǎn)。

　　2、光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)