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LED灯珠光量子效率的重要性

  技术发展总是伴随效率的提升而发展,设施农业的人工光源也是如此,LED灯珠的光量子效率决定着LED植物灯的性能优势与普及。
  研究表明,植物种植遵循光量决定效果,光质决定效率的原则。光量子效率决定光量,是植物灯的首要参数。LED植物灯可以取代其他传统植物灯的依据是光量子效率问题。
目前:农用钠灯的光量子效率在1.6-2.2μmol/J之间。LED红蓝光谱的光源在1.4-2.6μmol/J之间。植物灯通常是从光量子效率对比,其次是光质分析。

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光量子效率的重要性主要体现在以下3个方面:

1. 影响种植成本

耗电量:

植物灯的光子通量PPF=光量子效率×植物灯功率×灯具效率

灯具效率=灯具的光量子效率/光源的光量子效率

灯具效率在灯具二次光学设计后,是个常数,且小于1。

所以,植物灯要想获得高光子通量,只能通过加大灯具功率和选用高光量子效率的光源。

例如,需求PPF=1000μmol/s,灯具效率0.75。

植物灯QE=1.5μmol/J时,灯具功率=889W

植物灯QE=2.1μmol/J时,灯具功率=635W

两者相差的254W,对于QE=1.5μmol/J的制成,就是发热功率,在耗电量最大的夏天,需要更高的空调耗电来平衡这个发热功率产生的温度。

同时,植物灯也需要更多的散热成本去保证植物灯的使用。

所以,光量子效率会引发产品耗电成本和温度控制成本,直接提升了种植成本。

热辐射:

  通常我们可以通过二次光学设计和降低灯具的安装高度来减小植物灯的耗电功率,由于热辐射问题,会降低这两个措施的效果,这也就是农用钠灯要有安装高度的限制。

分析表明:辐射换热的参数设计问题普遍没有受到重视。

  植物灯的安装高度受到辐射换热的物理限制,目前的应用案例都没有提供辐射换热的设计参数,植物工厂的层架种植普遍是高光量种植,辐射换热问题影响种植效果。

需要明确的是高光量种植是对种植工艺没有解决方案的体现。

对于LED植物灯,光量子效率是影响种植成本的最大因素。
2. 植物灯的设计需要光量子效率

大部分的植物灯设计是按照灯珠数量比进行,这种设计方法也是导致设计方案不断修改的原因,设计周期长,参数也不稳定。

关于灯珠比与辐射比的区别,可以参考我之前在公众号发表的文章。

目前大多数封装企业也没有提供完整的灯珠的光量子效率规格书。

主要原因是目前光谱参数测量设备重复误差大和算法问题。

在使用光量子效率去设计植物灯前,需要保证灯珠的光量子效率值误差是允许范围。

采用光量子效率设计植物灯的案例:

设计要求:光质:450nm+660nm,2835封装,辐射比R:B=3:1,灯下方种植底面要求PPFD=80μmol/m2s,朗柏型配光,灯具效率0.8,安装高度0.4米。

我们研究所测试某企业灯珠光量子效率参数:

QE(450)=1.612μmol/J

QE(660)=2.43μmol/J。

根据T/SZFAA 01-2018《植物人工辐射源光谱参数规范》计算公式计算:

PPF=51.2μmol/s

根据红蓝辐射比:

红光PPF=51.2×0.75=38.4μmol/s

蓝光PPF=51.2×0.25=12.8μmol/s。

450nm的耗电功率=12.8/QE(450)=7.94W。

660nm的耗电功率=38.4/QE(660)=15.8W。

光源总功率P=7.94+15.8=23.74W

假设驱动电源效率=0.85

灯具总功率=23.74/0.85=27.93W

该植物灯的光量子效率值=51.2/27.93=1.833μmol/J

红蓝灯珠的数量根据驱动电流和灯珠各自的Vf分别计算出来(略)

从上述设计案例可以看出:

1)灯珠QE值决定灯具功率。

2)QE值的误差影响设计结果。

3)没有灯珠的QE值是无法准确设计植物灯。

4)此方法可以根据客户要求进行初步报价。

当这种辐射比光质的QE有了,就可以很方便的设计其他功率级别的植物灯。

例如:这个光质应用在温室补光,要求灯具PPF达到1200μmol/s,需要多大功率的植物灯?

由于QE=1.833μmol/J已知,灯具的功率=1200/1.833=654.66W

从上述的设计案例可以看出,植物灯设计实际上是完整的参数计算过程,如果光量子效率误差小,设计计算结果可以直接应用于植物灯制造,极大的降低了产品开发费用与周期。

对于无法提供光量子效率的灯珠,设计选用要慎重。

提示:封装厂需要提供灯珠的光量子效率,植物灯制造厂也需要提供灯具的光量子效率。

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3. 影响植物灯使用寿命

植物灯每年的工作时间在5200-5700小时之间,光量的衰减会影响种植效果,需要在植物灯设计中加以考量,这个衰减量是由种植工艺提出。

植物灯的光量衰减实际上是光量子效率的降低。

光量衰减主要是芯片工作温度决定,而光量子效率的提高主要是降低了芯片的发热功率。

光量子效率对植物灯使用寿命影响大,植物灯制造者和使用者都需要重视这个问题。

植物灯是参数化产品,应用者需要根据植物灯精准的参数去分析种植数据,植物灯光谱参数只有保证准确,种植工艺才会体现出效果。

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