项目简介
①课题来源与背景:
安徽省科技厅2016年省科技重大专项,课题编号:16030701093
目前普遍采用的植物工厂LED灯并不是专门为植物生长设计的,虽然已经有研究人员提出与植物吸收光谱重合的LED光源,并且已经取得了部分进展,但由于LED辐射光谱的设计与控制对于大多数从事植物工厂研究的农业背景研究人员比较陌生,LED企业对植物吸收光谱了解不深入,导致到目前为止适合植物工厂LED的研究开发仍然处于初级阶段。
国际上普遍认为设施农业最高级发展阶段是采用人工光的植物工厂,但由于采用人工光源照明,植物工厂仍没有摆脱能耗高的瓶颈,种植成本较高,在一定程度上限制了其大规模商业化发展。解决这个行业痛点的一个可行方案是发展智能化的植物光环境调控技术,即通过精准控制植物工厂的光环境来降低能耗并实现生产效率最大化。
②技术原理及性能指标
以交流直接驱动技术为基础,开发交流直驱LED光源智能控制系统,进一步降低能耗。结合智能化脉冲照射与控制,智能化植物光照培植方案使植物工厂整体能耗下降 30%。通过LED芯片设计创新、制作工艺改进、更换驱动方式、采用智能化和数字化控制技术等一系列手段,最终在适合植物补光照明LED灯具的光效和能耗指标上取得技术突破。
性能指标:
传感器类型 硅光电二极管 (16*16mm)*3
测量参数 光合有效光通量密度 400-700nm
红光光通量密度 640-680nm
蓝光光通量密度 430-470nm
红蓝光质比R/B /
性能参数 灵敏度 4~10μV/μmol/m2/s
非稳定性(年变化) <2%
非线性 <1%(0~10000μV/μmol/m2/s)
温度依赖性 <-0.5%/℃
响应时间(95%) <1μs
定向响应 <30μmol/m2/s
③技术的创造性与先进性
研究工作的重点内容是研究开发最适合植物光合作用波长的高效LED光源、光照探测和智能控制系统、降低植物工厂系统能耗。解决目前植物工厂缺乏专用植物照明灯具与控制技术、植物生长光配方数据的问题。本项目计划通过发展高效智能化LED灯具、低成本多通道光照探测器和光强智能控制系统,来进一步提升LED用于植物工厂技术水平;在发展中追赶国外先进水平,实现“弯道超车”,占领植物工厂技术发展的制高点,为我国智能化植物工厂产业发展做出重要贡献。
④ 技术的成熟度,适用范围和安全性
四通道传感器及智能控制系统,项目团队自主研发的四通道传感器及其控制系统在植物补光和植物工厂管技术领域是一项重要的技术突破,已申请发明专利。该项技术可为设施农业和智能补光相关研究提供精准的数据支持,技术成熟度较高,且该项技术已经在植物工厂、科研款植物生长柜、手持式传感器等多项产品中泛应用,用来提高产品的性能和实用性。
智能 LED 灯具模块,已在火龙果、黄瓜、草莓以及名贵中草药石斛、金线莲等作物上开展补光试验研究。智能光照探测与控制系统,为设施农业和植物工厂智能补光和作物对光需求研究提供很好的技术支持。集成智能光照探测与控制系统的集装箱式植物工厂,投入使用,多次接待国内外领导和相关专家、参观、访问和技术交流, 与宿州科技局、湖北盛林农谷、签订建设集装箱式植物工厂合作协议。集成智能光照探测与控制系统的科研款植物生长柜已在多个研究领域投入使用。示范性植物工厂设计规划及建设,植物工厂的亮相吸引了大批相关领导、 企业、技术专家等参观和访问,多家企业对该项目组植物工厂技术表示高度认可并建立植物工厂技术服务联系。小规模化的光照数据采集实验,光配方验证工作。
⑤应用情况及存在的问题
存在问题有两方面,一方面补光技术用于大棚, 虽然灯具成本已大幅降低,但耗电成本仍较高,性价比有待进一步提高;另一方面, 农业传感器已经可以应用于植物生长柜和集装箱式植物工厂,但探测灵敏度仍有提升空间。
针对以上问题采取主要整改措施为:一方面开发移动式补光技术以减少补光灯具数量、降低耗电量;另一方面开发聚光性余弦修正系统,以及蓝移效应较小的滤光片,进一步提高光照传感器的灵敏度。
⑥历年获奖情况
2018 年获“世界可持续能源技术协会”年度创新奖;
美国 Discovery 拍摄的《Smart China(智慧中国)》纪录片在 2016 年 9 月杭州 G20 峰会期间播出、2017 年该项目获得了美国 R&D100 大奖。
⑦项目团队通过LED芯片设计创新、制作工艺改进、更换驱动方式、采用智能化和数字化控制技术等一系列手段,最终在适合植物补光照明LED灯具的光效和能耗指标上取得了技术突破。将光照传感器和控制系统、植物LED光照专用配方、植物营养液专用配方等技术进行融合,完成了示范性植物工厂的设计规划和建设。黄瓜、火龙果等植物的补光技术得到了推广应用。
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