園藝照明的常見方法

　　接下來，我們要了解燈具設計的細微差別，以及園藝照明系統節能的原因。世界上最常用的園藝照明系統是基于高強度放電(HID)照明和高壓鈉燈(HPS)。高壓鈉燈本來不是專門設計用于種植植物的，是設計給輕軌和停車庫。但是，現成可用性和高輸出水平導致被廣泛應用于園藝，原因是它們提供非常高的光強度，大部分發射的光在565-700 nm范圍內，這一有效的波段可以加速光合作用。

　　使用高壓鈉燈進行園藝照明的一個缺點是產生大量的輻射熱。高壓鈉燈的表面溫度可以達到高于800°F的溫度(約430 ℃)，因此植物冠層和高壓鈉燈之間必須有足夠的距離，以避免損壞植物組織。增加燈具的安裝高度時，反平方定律開始起作用，這可以降低照明率。隨著時間的推移，高壓鈉燈的能量效率增加，而雙端HPS燈具的出現，能夠實現1.7μmol/J的光子效能。

　　轉向LED

　　我們回顧一下LED在園藝照明使用的過程。在2014年，效率最高的LED園藝照明系統與雙端高壓鈉燈效率一樣。與高壓鈉燈相比，LED的使用壽命長(L70≥50,000小時)令許多種植者轉而使用LED。然而，與高壓鈉燈相比，LED園藝照明系統的成本相對較高，限制了向LED燈的過渡。

　　LED芯片制造商在過去幾年中已經提高了目前已有組件的功效，使得他們能夠顯著提高光子效能，并且每年都會持續改進。事實上，基于LED的園藝照明系統現在能夠實現比雙端高壓鈉燈大45%的光子效率。雖然單個組件的效率提高了LED園藝照明的效率，但它也只是LED超過高壓鈉燈技術的一個變量。

　　LED系統熱量

　　談到LED照明產生的熱量時，有一個常見的誤解。許多種植者認為LED比高壓鈉燈產生的熱量更少，這在LED燈具以較低瓦數驅動時才是真的。如果有一個600W LED燈具和一個600W雙端高壓鈉燈，從宏觀角度來看，它們產生的熱量在相同的大致范圍內。

　　LED和高壓鈉燈的主要區別在于這兩個600W產生的PAR能量有多少，熱量如何從燈具中散發的。來自高壓納氣燈的大多數熱量向下輻射到作物冠層，而LED的大部分熱量是在部件與印刷電路板(PCB)的連接部位產生的，熱量通常被傳導到PCB，也可能是散熱片，并通過向上對流去除。

　　因此，LED作為園藝照明系統的主要優點之一是可以放置在植物附近而又可以讓植物免于熱輻射的損害。但是，假如熱量沒有通過適當的熱管理系統從PCB中有效去除的話，則LED組件的壽命將明顯縮減。

　　在商業園藝環境中冷卻照明系統有兩種方法。被動冷卻的燈具利用散熱片從電路板散發熱量，而主動冷卻的燈具依靠風扇或水來散熱。用于冷卻燈具的風扇會消耗能量，并會降低燈具的整體光子效能。另外，如果在燈具運行期間風扇出現故障，PCB上的LED可能會過熱并燒壞。即使它們沒有發生災難性的故障，降低的功率輸出將大大降低LED燈具的使用壽命。這是種植者在比較園藝照明系統時需要考慮的一個非常重要的因素。

　　頻譜和功效

　　影響園藝照明系統光子功效的另一個重要因素是發光的光譜。用于園藝照明系統的最有效波長是紅色(660nm)和藍色(450nm)。傳統的LED園藝照明技術主要使用紅色帶較小比例的藍色LED來實現最高的光子效能。

　　雖然紅色LED具有最高的光子效能，但是植物在窄帶波長下本身并沒有生長。因此，在優化植物生長和發育方面，單一的紅色LED不會產生最有效的光譜。與補充溫室照明(圖3)相比，在垂直農場中使用單一源照明的情況尤其如此。

　　圖3. 惡劣和骯臟的環境(如溫室)可能會迅速導致主動冷卻系統出現故障，從而導致整個照明系統出現故障。除了提高能源效率之外，被動冷卻系統不需要容易斷裂和堵塞的運動部件。

　　多家園藝照明廠商根據葉綠素a和b的吸收峰而宣稱其產品有“特殊光譜”。但是，他們沒有提到這些葉綠素顏料是從植物葉中提取并在體外測量的。光質量對 光合作用的作用光譜(圖2)是由McCREE和Inada在20世紀70年代進行研究時提出的。研究顯示光合作用速率與葉綠素a和b的作用光譜之間有相關性，但它們并不是光合作用的唯一波長。在這項研究之前，存在一個常見的誤解：認為葉綠素主要吸收可見光譜中的紅色和藍色部分，所以植物光合作用不使用綠光。

　　McCree和Inada進行的研究是理解光譜光質量對光合作用的影響的基礎;但是，他們是基于低光強度下單葉測量光合作用而研究出了作用光譜。在過去30年中，對于光照強度較高下植物光合作用的研究有多次，表明光譜質量對生長速度的影響遠小于光照強度。

　　光譜光質量對植物發育影響很大，如：種子發芽、莖伸長和開花以及次級代謝物和類黃酮，其影響植物的味道、外觀和氣味。因此，LED制造商需要在使用最具電效率的LED和種植者所希望的能促進植物最佳生長和發育習慣的LED之間找到平衡。