用于向作物提供園藝光的方法和用于園藝照明的照明設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于向作物提供園藝光的方法，以及涉及一種用于園藝照明的照明設(shè)備。本發(fā)明還涉及它的一些具體的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]園藝照明在本領(lǐng)域中是已知的。例如，US2010031562描述了一種在溫室養(yǎng)殖中使用用來對(duì)溫室中的作物進(jìn)行照明的照明設(shè)施，其包括多個(gè)提供在將被照明的作物上方的諸如燈的光源和多個(gè)用于光源的調(diào)光設(shè)備，其特征在于調(diào)光設(shè)備具備控制構(gòu)件，該控制構(gòu)件用于根據(jù)預(yù)定的圖案(pattern)周期性地、自動(dòng)地改變與調(diào)光設(shè)備配合的光源的光強(qiáng)度。US2010031562旨在分別提供用于溫室養(yǎng)殖的方法和照明設(shè)施。特別地，光源被分成多個(gè)組，照明設(shè)施被設(shè)計(jì)成使得在使用時(shí)每組的功率按照預(yù)定的圖案改變，同時(shí)不同組的圖案相對(duì)彼此而相移，使得聯(lián)合組所消耗的電功率的變化小于各自組的功率變化的總和，更特別地使得聯(lián)合組所消耗的電功率的變化小于單個(gè)的組的功率變化，還更特別地使得聯(lián)合組所消耗的電功率以可能的最小程度改變，或者至少實(shí)際上沒有變化。特別而言，所有圖案都是相同的，而只是相對(duì)彼此相移。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]植物使用光合作用的過程以將光、0)2和H 20轉(zhuǎn)化成碳水化合物(糖)。這些糖被用來為新陳代謝過程提供燃料。過剩的糖用于生物量形成。該生物量形成包括莖的伸長(zhǎng)、葉面的擴(kuò)大、開花、果實(shí)形成等等。負(fù)責(zé)光合作用的感光器是葉綠素。除了光合作用，光周期現(xiàn)象、向光性和光形態(tài)建成也是與輻射和植物之間的相互作用有關(guān)的代表性的過程:
?光周期現(xiàn)象是指植物具有感受和測(cè)量輻射的周期性(例如誘發(fā)開花)的能力，
?向光性是指植物朝向以及背向輻射的生長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)，以及 ?光形態(tài)建成是指響應(yīng)于輻射的質(zhì)量和數(shù)量的形狀中的改變。
[0004]葉綠素a和b的兩個(gè)重要的吸收峰值分別位于紅色和藍(lán)色區(qū)域中，特別是來自于625-675nm和來自于425-475nm。此外，還有近UV (300_400nm)處和遠(yuǎn)紅(far red)區(qū)域(700-800nm)中的其他局域化的峰值。主要的光合作用活動(dòng)似乎發(fā)生在波長(zhǎng)范圍400-700nm內(nèi)。該范圍內(nèi)的輻射被稱為光合有效輻射(PAR)。
[0005]植物中其他的光敏過程包括光敏色素。光敏色素活動(dòng)操縱不同的響應(yīng)，例如展葉、知鄰(neighbor percept1n)、避蔭、莖的伸長(zhǎng)、種子萌芽以及開花誘發(fā)等。光敏色素光系統(tǒng)包括兩種形式的光敏色素，Pr和Pfr，它們分別在660nm處的紅色中和730nm處的遠(yuǎn)紅色中具有它們的敏感度峰值。
[0006]在園藝中，以每單位面積上每秒的光子數(shù)量測(cè)量光合光子通量密度(PPFD)(單位是μπιο?/sec/m2; —摩爾(mol)對(duì)應(yīng)6.123個(gè)光子)。在實(shí)踐中，當(dāng)尤其對(duì)番前施加例如中間照明(inter_lighting)(見下文)時(shí)，所使用的紅色PPFD可典型地為200 μπιο?/sec/m2并且藍(lán)色:紅色的比值可典型地為1:7 (紅色和藍(lán)色的范圍分別為625-675nm和400_475nm)o尤其地，光合光子通量密度可包含約10%的藍(lán)和約90%的紅。PPFD可以從光電二極管確定或者利用光電倍增器來直接地測(cè)量。
[0007]植物生長(zhǎng)不僅依賴于光的量，還依賴于光譜組成、時(shí)長(zhǎng)以及光入射到植物上的時(shí)機(jī)。依照這些方面的參數(shù)值的組合被稱為用于種植植物的“光食譜”。
[0008]LED在園藝照明中可以發(fā)揮諸如以下方面的多種作用:
補(bǔ)充照明:為了增加(例如番茄的)產(chǎn)量或者在例如作物價(jià)格可能較高的秋、冬和春季時(shí)節(jié)期間擴(kuò)大作物產(chǎn)量，使用補(bǔ)充自然日光的照明。
[0009]光周期照明:對(duì)于許多植物而言，每日的光的時(shí)長(zhǎng)很重要。在24小時(shí)的周期內(nèi)明暗時(shí)間段的比值影響許多植物的綻放響應(yīng)。借助補(bǔ)充照明來操控該比值能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)綻放的時(shí)間。
[0010]在植物工廠內(nèi)的無日光栽培。
[0011]組織培養(yǎng)。
[0012]為了在秋、冬和春季期間在溫室中(或全年在多層種植中)提供補(bǔ)充照明，一般而言使用高功率的氣體放電燈，氣體放電燈必須被安裝在植物上方相對(duì)高的位置處以充分地確?？缰参锏木坏墓夥植?。目前，在溫室中，使用從600W上至1000W (例如，高功率HID)范圍的不同類型的高功率燈來為植物提供補(bǔ)充光。一個(gè)缺陷是從植物上方的位置，到達(dá)植物的較低部分處的光的量相當(dāng)有限。同時(shí)，植物的較低部分往往是最需要補(bǔ)充光的。當(dāng)使用安裝在植物上方的固態(tài)照明時(shí)，同樣的窘境持續(xù)。然而，LED照明(尤其是固態(tài)照明)具有超越基于放電的照明的一些優(yōu)點(diǎn)。
[0013]因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是提供用于園藝應(yīng)用的替代性的照明設(shè)備和/或用于園藝應(yīng)用的替代性的照明方法，其優(yōu)選地、進(jìn)一步地至少部分減輕上述缺陷中的一個(gè)或多個(gè)。
[0014]例如建議將燈定位在植物之間。尤其當(dāng)使用LED時(shí)這是一種可能性，因?yàn)長(zhǎng)ED可以以例如這樣的方式分布，即，它們?cè)谥参镏g提供相當(dāng)均一的照射而不會(huì)使與LED接觸的植物葉子灼傷。這種補(bǔ)充照明的方法被稱為中間照明(亦見圖1)。然而，如下文所描述的，LED照明在具體的實(shí)施例中也可以被用來非均一地照射園藝或作物部分；例如為了處理(address)園藝的不同部分(例如果實(shí))，可能期望光的不同光譜分布。
[0015]為了使果實(shí)重量、外觀和物理的強(qiáng)度(physical strength)得以發(fā)育，作物對(duì)各種過程使用光譜的各種部分。特別地，光譜的藍(lán)色和紅色區(qū)域中的光子(分別具有在440-470nm之間和660nm左右的波長(zhǎng))被植物吸收和有效率地使用用于光合作用，而且也用于其他的發(fā)育過程。因此，為了使每單位量的發(fā)射的光子的產(chǎn)率最大化，光源的光譜組成應(yīng)優(yōu)選地被限制于導(dǎo)致最佳結(jié)果的具體的光譜區(qū)域。因而，由于光譜發(fā)射范圍窄，LED非常適合用于園藝應(yīng)用且非常有效率。
[0016]聚焦各種植物的具體的需求，變得顯而易見的是各種植物可以獲益于唯一的光譜光組成。舉例而言，在某些生長(zhǎng)階段的某些植物可能要求約5%的藍(lán)光和約95%的紅光的量，而其他植物和/或植物的其他生長(zhǎng)階段則可能需要約10%的藍(lán)光和約90%的紅光用于最佳的生長(zhǎng)和發(fā)育(亦見上文)。此外，當(dāng)光譜延展到遠(yuǎn)紅時(shí)，即超過675nm，例如在675-800nm的范圍內(nèi)，比如約750nm，某些植物可能更有效率地發(fā)育。因此，每種類型的作物要求具體的光譜以及因而具體的LED選擇/組合，導(dǎo)致了海量的不同的LED類型和數(shù)量。因此，對(duì)于園藝的照明，其意味著人需要廣泛的產(chǎn)品范圍用以涵蓋作物的具體需求而同時(shí)在能量使用方面是有效率的，具有低的產(chǎn)品成本，或是人需要靈活的并且在LED模塊生產(chǎn)成本和植物種植者的購(gòu)置成本方面還實(shí)惠的產(chǎn)品。
[0017]這里，建議提供(補(bǔ)充)照明發(fā)光體(Iuminaire)(本文中進(jìn)一步被指示為“照明設(shè)備”)，其可以位于植物(“作物”或“園藝作物”)之間，并且在實(shí)施例中可以基于具有連接線的開放式(open) LED柵格(grid)或網(wǎng)，其中LED柵格或網(wǎng)定義出柵格平面，并且其中LED尤其被配置成提供具有垂直于柵格平面的光軸的光束中的園藝光(亦進(jìn)一步見下文)。在實(shí)施例中，LED的取向可以在從柵格的正面(F)或第一側(cè)發(fā)送光和從柵格的背面(B)或第二側(cè)發(fā)送光之間交替。因此，總數(shù)量的LED中的子組(或LED布置)可以相對(duì)于彼此反并聯(lián)地配置(亦進(jìn)一步見下文)。注意，取決于配置，正面和背面可以互換。
[0018]進(jìn)一步地，在實(shí)施例中，LED可以成組使得驅(qū)動(dòng)電壓可以保持恒定，而不論LED柵格的大小。尤其地，在實(shí)施例中，柵格中的LED可以發(fā)射不同顏色的光。發(fā)射某種顏色的所有LED可以被布置在子?xùn)鸥?子組)中，并且子?xùn)鸥窨梢越豢椧允拐丈渚鶆蚨茸畲蠡?。在?shí)施例中，采用例如夾在兩個(gè)塑料薄板之間、在合適的位置處具有對(duì)應(yīng)于柵格中的開口的孔的透明塑料或箔片(foiI)覆蓋LED和電流線。
[0019]居于可以將發(fā)光體配置成位于(將來)作物之間這一事實(shí)之后，照明設(shè)備還可以被應(yīng)用作為用于多層種植的頂部發(fā)光體。這個(gè)概念可因而在中間照明中應(yīng)用并且還可應(yīng)用于其他類型的照明，例如頂部照明，包括多層照明(見下文)。因此，本發(fā)明不限于中間照明應(yīng)用。
[0020]在第一方面，本發(fā)明提供用于向作物提供(補(bǔ)充)園藝光的方法，該方法包括利用照明設(shè)備的園藝光照射作物，照明設(shè)備包括柵格，所述柵格包括多個(gè)發(fā)光二極管(LED)和通孔；LED被配置成(在使用期間)提供所述(補(bǔ)充)園藝光。在實(shí)施例中，該方法提供對(duì)作物的側(cè)向照射。
[0021 ] 尤其地，柵格包括柵格平面，并且LED被配置成(在使用期間)提供具有光軸的光束中的所述園藝光，并且LED被配置成(在使用期間)提供具有被配置為垂直于所述柵格平面的所述光軸的所述光束中的所述園藝光。
[0022]在又一方面，本發(fā)明提供可以在這種方法中被使用的照明設(shè)備(“設(shè)備”)，其包括柵格，所述柵格包括多個(gè)發(fā)光二極管(LED)并且包括通孔，其中LED尤其被配置成(在使用期間)提供具有光軸的光束中的所述(補(bǔ)充的)園藝光，并且其中LED被配置成(在使用期間)提供具有被配置為垂直于所述柵格平面的光軸的所述光束中的所述園藝光。在實(shí)施例中，所述照明設(shè)備被布置成側(cè)向地照射作物。
[0023]該(可選地顏色可調(diào)整的)設(shè)備和該(可選地顏色可調(diào)整的)照射方法的優(yōu)點(diǎn)在于以相對(duì)容易的方式，可以利用最適合作物的種類、其階段和/或相應(yīng)的作物部分的光需求的光來照射不同種類的園藝作物、而且處在不同階段的園藝作物、以及甚至作物的不同部分。進(jìn)一步地，由于通孔的存在，氣體運(yùn)輸和/或授粉可以不受妨礙。通孔的存在可以有益于控制和維持諸如溫室的園藝環(huán)境中的氣候(二氧化碳控制、濕度控制等)，因?yàn)閳@藝照明設(shè)備對(duì)這些控制過程阻礙較小。通孔的存在還改進(jìn)了園藝作物處的外界和/或室外光可利用性。
[0024]尤其地，設(shè)備可允許以及方法可包括根據(jù)以下的一個(gè)或多個(gè)改變園藝光的光譜強(qiáng)度分布:(a)作物的被處理的部分，(b) 一天中的時(shí)間，(C)除園藝光之外的其他光的光強(qiáng)度和光分布，(d)作物的種類，(e)作物的生長(zhǎng)階段，(f)(作物的)果實(shí)的階段，(g)收獲的時(shí)間，(h)自收獲起的時(shí)間，和(i)園藝布置(包括多個(gè)作物)中的位置。因此，在實(shí)施例中，實(shí)際上提供了適合于(補(bǔ)充的)園藝照明、并且可在合適的時(shí)間處理合適的作物部分處的合適的感光器的顏色可調(diào)整的設(shè)備和方法。
[0025]照明設(shè)備尤其被配置成生成園藝光。術(shù)語(yǔ)“園藝光”可以尤其涉及具有光譜分布的光，所述光譜分布至少具有選自400-475nm的范圍的第一波長(zhǎng)處的和選自625