2018-LED和HID园艺灯具测试报告_上_章爻.pdf

第 11 期 中 国 照 明 电 器 No 11 2018 年 11 月 CHINA LIGHT LIGHTING November 2018 櫔櫔櫔櫔 櫔 櫔櫔櫔櫔 櫔 毆 毆 毆 毆 国外报道 文章编号 1002 6150 2018 11 041 05 LED 和 HID 园艺灯具测试报告 上 章 爻 编译 LED and HID Horticultural Luminaire Testing eport I Lighting esearch Center ensselaer Polytechnic Institute Leora C adetsky 概 要 伦斯勒理工学院照明研究中心 L C 通过与高 压钠灯 HPS 和金属卤化物灯 MH 园艺灯具进行 对比测试 对发光二极管 LED 园艺灯具的能耗和经 济性进行了评估 依据照明研究中心 2016 年进行的 在线调查和文献综述的结果 该中心项目团队开发了 评估和对比园艺灯具的测试框架 框架包括测试 评 估和报告方法等内容 基于等量光合光子通量密度 PPFD 条件下实现了对灯具的比较测试 植物的 PPFD 类似于建筑应用中工作表面明视 照度指标 该框架包括 11 种灯具的指标和 5 种特定 应用指标的分析 这些指标为种植户提供了评估园艺 灯具性能的参考信息 照明研究中心使用该框架测试和评估了 13 只园 艺灯具 包括 10 只 LED 灯 2 只高压钠灯和 1 只金属 卤化物灯产品 本报告结果均是对每种模型的单只 灯具样品进行基于电学和光度学的测试 该项目未进 行寿命测试 也未进行作物种植中灯具的评估 首先 照明研究中心对单只灯具进行光度学测 试 然后 以建模的方式建立灯具在模拟的温室中应 用的模型 估测要达到最低的 PPFD 和均匀性标准所 需的灯具数量以及照明系统能耗 照明研究中心发现 要保持原有 PPFD LED 园 艺灯具不能以一对一的形式替代高压钠灯 通常 获 得与典型高压钠灯布局相同的 PPFD 需要更多 LED 园艺灯具才能实现 结果表明 强度分布起着重要作用 其中 2 只被 测试的 LED 灯具有高于高压钠灯的灯具光效 但是 在温室应用中仍然有更高的总功率要求 照明研究中心发现 与高压钠灯相比 LED 灯具 阴影增加是由于其尺寸相对较大造成的 而且温室中 为获得相同 PPFD 需要更多的 LED 灯具 LED 灯具 的阴影使温室中的日光减少了 13 55 而高压 钠灯灯具仅使日光减少了 5 因此 有日光时 LED 系统光源可能需要更多的电能 通常 更多数量的 LED 灯具以及同等应用效能 的电力需求会影响方案的全生命周期成本 照明研 究中心发现 有 3 只被测试的 LED 园艺灯照明系统 的生命周期成本较低 其余 7 只 LED 园艺灯的生命 周期成本都高于 2 只被测试的 1 000 W 高压钠灯照 明系统 评估结果表明 单独考虑灯具效率可能会影响评 估结果 在达到 PPFD 标准时 灯具光强分布和布局 对进行精确的寿命周期成本分析十分必要 该报告 提供了一个技术中立的分析框架 相关各方可用其对 照明系统进行评估 1 背 景 1 1 市场 根据 2014 年发布的最新 美国农业普查 报告 美 国园艺业务在花卉 苗圃和其他特种作物上销售收入 达 138 亿美元 园艺销售额逐年增长 2014 年销售额 较 2009 年增长 18 在美国 虽然 98 的园艺作物 生长在开放的环境中 但可控温室面积仍然达到 8 95 亿 ft 2 8300 万 m 2 2014 年 加拿大温室蔬菜市场销 售额达到 12 9 亿加元 约合 10 亿美元 该报告所关注的园艺照明种植 是一种单位土 42 中 国 照 明 电 器 2018 年 地投入资本 劳动力和技术均较高的作物种植方式 相对而言 农作物种植是在大面积土地上密集度较低 的种植方式 根据加拿大农业和农业食品部的统计 2016 年 蔬菜种植面积为 1 68 亿 ft 2 1 560 万 m 2 专业温室 花卉和植物的种植面积为 7 800 万 ft 2 700 万 m 2 1 2 园艺设施与照明 使用电气照明的受控环境园艺设施有 3 种类型 一是温室 二是单层种植室内设施 三是室内垂直农 场 在温室中 电气照明可用于在相对较低光照期间 增强日光 例如冬季 在后两种类型的设施中 电 气照明则是农作物培育的唯一光源 本研究结果适用于所有 3 种类型的园艺设施 但 以下情况除外 阴影分析仅与温室有关 光度模拟中未包含反射光 在光度模拟中 仅对典型温室顶部支架间距 5 ft 或 1 5 m 的灯具进行研究 没有研究灯具在单层种 植室内设施中的典型间距的情况 补充照明用于受控环境中有多种原因 主要包 括 增加光合作用和产量 生物量 抑制或促进开花 光周期照明控制 缩短产品上市时间 改善作物品 质 例如其形状 光形态建成 外观 口味和营养特 性 此外 紫外 UVB 280 315 nm 和 UVC 100 280 nm 光辐射和窄带可见光 例如红光 625 nm 或 蓝光 470 nm 已被证明可以控制某些植物病原体 和昆虫种群 大功率高压钠灯是温室和单层种植室内设施中 最常用的光源 但金属卤化物灯 荧光灯和白炽灯有 时也用于提供补充照明 在过去几年中 越来越多的 LED 园艺灯具进入 市场 这些产品的制造商认为 LED 园艺灯具有节能 和使用寿命更长的特点 这是替换高强度气体放电灯 HID 如高压钠灯和金属卤化物灯 的核心点 许多同行评审的期刊文章研究了在窄带和宽带 光源条件下各种作物及其产量的光谱调谐影响 但 是 据本报告作者所知 除了对光合作用产生的光子 通量 Yield Photon Flux YPF 之外 并没有提出可预 测指标 许多文章仅用蓝光 400 500 nm 红光 600 700 nm 比率和红光 远红光 700 800 nm 比率研究光源 虽然这些研究有助于读者了解光谱 的影响 但并未形成基于恒定标准的作用光谱 该报 告未将光谱调谐指标列入框架的一部分 未研究可预 测的光谱敏感度指标 1 3 项目目标和任务 该项目的目标是开发一个框架 通过该框架可以 评估任意园艺灯具 实现对商业应用中各种 LED 园 艺灯具的比较 并实现与现有技术的比较 为了实现 这些目标 伦斯勒理工学院照明研究中心 L C 完成 了 6 项任务 1 进行了文献综述 以确定用于评估和选择受控 种植环境灯具的主要指标和方法 2 进行了在线调查 以了解商业种植户对温室中 补充电气照明运行的关注点和看法 3 根据任务 1 和任务 2 的结果 开发一个框架 用于评估任意园艺灯具 包括测试方法 评价指标和 表示格式 即数据表 4 采购 13 只园艺灯具 10 只 LED 灯 2 只高压 钠灯和 1 只金属卤化物灯 并进行光度学测试 5 分析测试结果并制备每只灯具的数据表 为了 完成分析 开发了一个定制软件程序来计算每只灯具 所需的指标 并模拟它们在典型生长环境中的性能 6 使用 AGi32 中的光度模拟进行阴影分析 以 确定在温室中各种园艺灯具对总能量耗费的影响 2 种植户调查 照明研究中心于 2016 年 9 11 月进行了一个 19 项问题的在线调查 考察商业种植户的反馈意见 主要 包括种植环境 补充照明使用情况 种植户关注的内 容 照明的能源使用情况 种植作物种类及其病害等 照明研究中心使用 Survey Monkey 译者注 网络 调查公司 进行调查 该调查并不收集受访者的个 人信息 共有 62 名受访者完成了这项在线调查 其 中 36 人是种植户 其余 26 名受访者是 非种植户 除两个问题以外 受访者被允许跳过问题不作回 答 一个强制性问题是涉及工作单位 这主要是为了 将调查集中在种植户范围内 另一个强制性问题是 关于是否使用补充照明的问题 没有使用补充照明的 种植户没有被问及有关特定照明用途 技术或品牌名 称等问题 照明研究中心工作人员利用美国农业部 USDA 2012 年农业普查地图来区分园艺温室使用 占比可能更高的州和县 并通过电话和电子邮件联系 了这些县的当地推广机构 向当地种植户发送在线调 第 11 期 章 爻 编译 LED 和 HID 园艺灯具测试报告 上 43 查链接 照明研究中心工作人员主要联系到美国北部 和加利福尼亚州 的推广服务办公室 这些地区冬 季更容易出现较冷的阴天气候 更有可能为作物生长 提供补充电气照明 此外 还使用 Twitter 等社交媒 体平台向关注者和农业贸易杂志通报该调查 接受照明研究中心工作人员采访的几位推广人 员表示 他们所在地区的大多数种植户通过使用没有 补充照明的温室环境来延长种植季时间 种植户反馈的调查结果摘要如下 目前有 50 的种植者使用补充照明来种植作物 在使用补充照明的种植户中 使用高压钠灯种 植作物的占 50 使用 LED 灯照明种植作物的占 25 其余 25 使用金属卤化物灯 荧光灯或其他照 明技术 如感应或等离子照明 种植户熟悉许多 LED 照明制造商 并已购买 了 LED 灯具 例如 通用电气 GE LumiGrow 飞利 浦照明 P L Light Systems 和 Sunlight Supply 等 种植户将成本问题 缺少相关信息和抱有怀疑 态度列为阻碍使用 LED 光源的因素 种植最多的 5 种作物是西红柿 生菜 绿叶蔬 菜和 或微型蔬菜 花卉 罗勒或其他药草 疾病和虫害侵扰被认为是最重要的问题 超过 75 的种植者认为环境成本 能源成本和劳动力成本 也很重要 白粉病和霜霉病是最常见的植物病害 如果方法可行 77 的种植户会考虑使用补充 照明代替化学方法来治疗作物病虫害 大多数种植户不了解他们每月的照明电费成 本 65 的种植户称 他们支付固定能源费或综合费 率 基础能源费和实际使用费 19 的种植户不知 道电费账单是如何计算的 3 框架 照明研究中心在 2016 年进行的文献综述和调 查 为种植户提供有关园艺照明评估指标打下了基 础 植物接受的辐照与人眼不同 因此评估园艺灯具 所需的指标与用于评估应用于人类的照明指标不同 照明研究中心开发了 1 个框架 用于相关各方评估任 意园艺灯具并与其他灯具进行比较 该框架分为 3 个部分 1 必备的测试 2 对灯具和应用涉及的特定指标进行分析 3 标准报告格式 即灯具数据表 通过 16 个指标为种植者提供有关任意灯具照明 性能的最佳可用信息 该框架应随着新的可测试 度量标准的发布而更新发展 例如可调节照明 3 1 灯具测试方法 照明研究中心为园艺灯具开发出以下测试方案 框架 具有颜色调控功能的 LED 灯具要在全颜色通 道加电的条件下进行测试 使用功率计测量以下电气特性 输入电压 V 功率 W 功率因数 PF 和电流 总谐波畸变率 THDi 在积分球中进行光度学测量 并产生绝对光谱 功率分 布 SPD 文 件 用于计算光合光子通量 PPF 光合光子效率 PPE 和光敏色素光稳定态 PSS 应用测角光度计测量灯具的空间强度分布 为每只灯具创建 IES 文件 按比例匹配积分球中测量 的绝对光通量 使用积分球中测量的绝对 SPD 数据 将标准光度强度分布转换为光合光子强度分布 这 些强度分布用于光度学模拟 以满足光合光子通量密 度 PPFD 目标值 通过测量每只灯具的 SPD 值对颜色均匀性进 行测试 在一个水平面内围绕水平轴间隔 15 角进 行 6 次采样 0 15 30 45 60 75 照明研究 中心使用波长范围为 380 830 nm 的便携式光谱辐 射计 Gigahertz Optik 型号 BTS256 E 慕尼黑 德国 进行测量 将该设备安装在带有量角器的刚性梁上 量角器与灯具平行 灯具安装在距地面 9 ft 高的位 置 以使测量距离至少为多数灯具最短边的 5 倍 并 定义此处为 90 位置 3 2 灯具指标分析 测量结果用于计算评估指标 使种植户以此评估 和比较园艺灯具 指标分为两类 一类是特定灯具指标 可以直接用于评估应用 另 一类是特定应用指标 它在评估中的应用需要由其他 给定评估条件才能确定 诸如目标 PPFD 和培育设施 的几何结构等 照明研究中心创建了一个自定义 MATLAB 程序来分析测量数据的框架指标 软件结果 对标 AGi32 软件包和参考文献 以验证计算是否正确 44 中 国 照 明 电 器 2018 年 表 1 框架指标 Fig 1 Framework metrics summary 指标 描述 符号 输入电压 测量灯具的输入电压 V 功率 测量灯具的功率 W 灯 功率因数 功率因数 理想值为 PF 0 9 PF 具 电流总谐波畸变率 测量灯具的电流总谐波畸变率 理想值为 THDi 20 THDi 特 光谱功率分布 离散波长 例如 380 830 nm 的绝对辐射通量 这是用于计算其他指标的中间过程指标 通过测量 SPD值以确定峰值波长和全宽 半宽光谱分布 SPD 性 光合光子通量 波长范围在 400 700 nm 的光子流速 即光合作用有效辐射 PA 范围 类似于流明 PPF p 光合光子效率 受测灯具的 PPF 除以功率 为灯具的效率 PPE K p PA 范围内的 SPD 百分比 与测量的总光子通量相比 计算 PA 波长范围内发射的光子百分比 PPF p 光敏色素光稳定态 SPD对光敏色素的影响 光敏色素是一种参与种子萌发 开花和其他形态方面的色素 PSS 光合光子强度分布 光合光子强度的空间分布 类似于光度学发光强度分布 在计算满足目标 PPFD 的灯具布局时 用作光度学模拟中的中间值度量 I p 不同角度下的 SPD 值 和辐射通量百分比 基于各种角度照射时 SPD 值的颜色均匀性度量 作物分别处于垂直照射和不同角度照射情况下 对其相应 SPD 值的相似度进行评估 N A 光合光子通量密度 1 m 2 区域内的光合光子通量 通常在植物冠层上 类似于勒克斯表示的光照度 用于 LSAE LCCA 和 LPD 计算 PPFD 应 PPFD 均匀性 最低值与平均值比率 LSAE 计算中使用的指标 N A 用 灯具系统应用功效 灯具布局满足设定的 PPFD 和均匀性标准时的系统功效 有效光辐射与系统功率的比值 LSAE 特 照明功率密度 满足目标 PPFD 时每单位培育区域内的系统功率 LPD 性 生命周期成本分析 满足相同目标 PPFD 的灯具系统所用成本和其他经济指标测度 LCCA 3 2 1 灯具特定指标 对以下 4 项灯具特定的电气指标进行了测量 并 在框架报告而不需要进一步计算 输入电压 功率 功率因数 电流的总谐波畸变率 还要测量以下几个灯具特定的辐射度指标 1 光谱功率分布 缩写 符号 SPD SPD 是指在 380 830 nm 范围内每个被测波长 的绝对辐射通量 可以通过测量 SPD 值 确定峰值 波长和全宽 半宽光谱分布 单位 W nm 使用积分球测量绝对 SPD 值 灯具以额定输入功 率运行 测量依据照明工程学会 IES 美国国家标准协 会 ANSI 或美国农业和生物工程师协会 ASABE 的照 明测量 LM 规范进行 例如 IES LM 79 08 2 光合光子通量 缩写 符号 PPF p PPF 是光合作用有效辐射 PA 范围内光子的 流量 范围是 400 700 nm 根据 ANSI ASABE S640 JUL2017 它表示发生光合作用的光子摩尔数量 类似于流明 有两种方法可以量化 PA PPF 或产生的光子通 量 YPF 不同之处在于 PPF 对一定波长范围内的 所有光子进行等同的计数 而 YPF 则增加了一个加 权函数 该函数说明植物使用不同波长辐射来驱动光 合作用的程度 如图 1 所示 类似于用明视发光效率 函数 V 计算流明 第 11 期 章 爻 编译 LED 和 HID 园艺灯具测试报告 上 45 本框架测量 PPF 值 而不使用 YPF 因为 园艺 行业尚未就 YPF 的广泛适用性达成共识 商业检测 设备通常测量 PPF 标准委员会 例如 ASABE 已经 对使用 PPF 进行了标准化 商业检测设备通常测量 PPF 而不是 YPF 即测 量 400 700 nm 范围内未加权光子密度 YPF 首先由 K J McCree 于 1971 年进行量化表 示 他发表了一个作用光谱来定义 22 种作物的 PA 该作用光谱是基于恒定光合速率的窄带光谱 其波长在 350 750 nm 波长范围内 辐照度为 16 150 mol m 2 s 受测作物的平均作用光谱称为相对 量子效率 QE 并用于计算 YPF McCree 将预测 的光合速率与几种宽带光源下的测量速率进行了比 较 发现作用光谱是相加关系 但是 由于若干原因 YPF 未被接受为一致认可的指标 例如 指标仅用在 中低等辐照度水平和植物单叶 非整株植物 上使 用 受测作物的短波敏感性差异导致无法对使用宽带 光源的作物进行精确预测 相比用未加权敏感度函数计算 PPF 而言 QE 敏感度函数减弱了对短波的敏感度 结果 YPF 数值 一般比 PPF 值低约 7 最近的标准文件 ANSI ASABE S640 JUL2017 已将 PPF 单位为 mol s 和 PPFD 单位为 mol m 2 s 推荐为整套标准指标的一部分 图 1 PPF 和 YPF 的相对敏感度函数 Fig 1 elative sensitivity functions for PPF and YPF 单位 微摩尔每秒 mol s 计算 PPF 的计算方法是将绝对 SPD 中每个波 长的辐射通量转换为光子通量 并将光子通量从 400 700 nm 积分 3 光合光子效率 PPE 是测得的灯具 PPF 与其功率之比 它类似 于灯具光效 lm W Nelson 和 Bugbee 测量了各种 HID LED 和荧光 灯灯具 并发布了每类灯具的 PPE mol J 数据 2014 年 最高效的 HPS 灯具 PPE 达到了 1 70 mol J 0 94 1 70 mol J 同样 10 只受测试 LED 灯具 中有 1 只达到了这一数值 0 89 1 70 mol J 近期美国能源部 DOE 的报告显示 2017 年 同 类型最佳 LED 灯具的 PPE 达到了 2 5 mol J 2017 年双端 HPS 灯具为 2 1 mol J 单位 mol J 计算 PPE 的计算是将 PPF 测量数值除以输入 功率 4 PA 范围内总 SPD 值的百分率 缩写 符号 PPF p 在 PA 范围 400 700 nm 内测得的总 SPD PPF 或 p 的百分比 研究人员已提出用该指 标来表示灯具在 PA 范围内产生光辐射的效率 单位 无 计算 PPF 的计算方法是将 400 700 nm 之间 的积分光子通量除以整个 SPD 的积分光子通量 例 如 380 830 nm 之间 如果 SPD 之间的波长范围 一致 则跨多个 SPD 的比较是准确的 5 光敏色素光稳态 缩写 符号 PSS PSS 是测量 SPD 对光敏色素影响的指标 光敏色 素是一种光活化植物蛋白 可调节光形态建成反应 种子萌发 开花和光合作用 光敏色素是一种双稳态光致色素 可调节光形态 反应 以及种子萌发 开花和光合作用 光敏色素的 活性形式是远红光吸收型 P fr 非活性形式是红光 吸收型 P r Sager 等人 1988 设计出被称为光敏色素光稳 定态 PSS 的指标 用来评估光敏色素的相对活性 较高的 PSS 值表明 SPD 将激发更多 P r 而不是 P fr 在远红光波段 700 800 nm 具有较高光通量的 光源 如日光 PSS 0 73 和白炽灯 PSS 0 67 具有 比 HPS PSS 0 86 和 MH PSS 0 80 更低的 PSS 值 单位 无 计算 PSS 的计算方法是将辐射通量与每个波长 P r 函数之积除以辐射通量与每个波长 P r P fr 函数之积 未完待续 摘译自 L C 于 2018 年 4 月发布的报告