電動可調(diào)型補(bǔ)光系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

吳樂天，張彩虹，王 瑞，史慧鋒

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)工程與裝備工程技術(shù)研究中心；3.農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測實驗站；4.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司）

電動可調(diào)型補(bǔ)光系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

吳樂天1,3，張彩虹2,4，王 瑞1,2，史慧鋒3

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)工程與裝備工程技術(shù)研究中心；3.農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測實驗站；4.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司）

我區(qū)位于北緯35°～45°之間的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植密集區(qū)域，春、秋和冬三個季節(jié)太陽照射強(qiáng)度和太陽照射持續(xù)時間都普遍偏少，如遇到連陰天，嚴(yán)重影響作物的正常生長，造成農(nóng)民經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。本文介紹一種溫室電動可調(diào)型補(bǔ)光系統(tǒng)的構(gòu)成、技術(shù)參數(shù)、主要特點及試驗應(yīng)用情況，該系統(tǒng)可以根據(jù)不同作物的需光量進(jìn)行光照度、光周期的合理調(diào)控，從而控制植物生長的季節(jié)并徹底縮短植物生長的時間，達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。

溫室；電動可調(diào)型；補(bǔ)光

光是影響作物光合作用的必備要素，光照條件的好壞直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。我區(qū)位于北緯35°～45°之間，冬季溫室種植的難點是溫室內(nèi)的光照狀況受到浮塵、沙塵、連陰天等因素的影響，如進(jìn)入11月份，月平均日照時數(shù)就銳減至5.9 h，溫室生產(chǎn)關(guān)鍵的11月至次年的3月份，平均日照只有5 h，1月是3 h，特別是災(zāi)害性氣候出現(xiàn)，影響面積大，經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重，已成為制約溫室生產(chǎn)發(fā)展的一大障礙。目前人工補(bǔ)光技術(shù)已經(jīng)得到認(rèn)可和廣泛應(yīng)用，有采用在溫室中懸掛多個燈泡，控制開關(guān)時間實現(xiàn)補(bǔ)光的；也有采用外掛式反光幕為溫室進(jìn)行增光；還有通過主軸的旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)繩索長短對補(bǔ)光燈組的高低位置進(jìn)行微調(diào)，實現(xiàn)光照調(diào)節(jié)的。本文介紹一種溫室電動可調(diào)型補(bǔ)光系統(tǒng)，通過無線遙控接收器實現(xiàn)單點驅(qū)動補(bǔ)光燈處于任意高度位置時的啟停和多點的集群控制，能夠精確調(diào)節(jié)與作物的距離，保證植物光合成有效光量子流密度分布均勻。

1 溫室電動可調(diào)型補(bǔ)光系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

溫室電動可調(diào)型補(bǔ)光系統(tǒng)主要由驅(qū)動升降器、無線遙控器、無線遙控接收器、高壓壓鑄鋁成型電器箱及高純鋁反射罩、整流器、觸發(fā)器、電容、單端金鹵燈等部分組成。

圖1 電動可調(diào)型補(bǔ)光系統(tǒng)構(gòu)成

電動可調(diào)型補(bǔ)光系統(tǒng)將驅(qū)動升降器的固定端安裝于溫室桁架的下方，另一伸縮端與高壓壓鑄鋁成型電器箱固定，電器箱內(nèi)安裝整流器、觸發(fā)器與電容，通過法蘭和螺栓將電器箱與高純鋁反射罩連接在一起，單端金鹵燈安裝在高純鋁反射罩的螺旋口內(nèi)。MS-S/15驅(qū)動升降器作為動力部件，通過遙控器發(fā)出信號給電路控制中心，經(jīng)機(jī)電傳動變速齒輪驅(qū)動絞線盤控制伸縮端鋼絲繩的上下，從而實現(xiàn)補(bǔ)光燈在垂直面的上升和下降。系統(tǒng)中的光源采用E40型單端金鹵燈作為補(bǔ)光燈源，通過燈源高度和照射時間的調(diào)節(jié)實現(xiàn)光照度、光質(zhì)以及光周期的合理調(diào)控模式，滿足作物生長發(fā)育的需求，合理的對作物進(jìn)行光照波長、光照時間和光合作用需光量進(jìn)行補(bǔ)償。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

1.3 系統(tǒng)特點

（1）溫室電動可調(diào)型補(bǔ)光系統(tǒng)可以根據(jù)實際操作面積，對不同作物進(jìn)行光補(bǔ)償，番茄、黃瓜、辣椒的光補(bǔ)償點分別為3000Lux、2000Lux和1500Lux，計算匹配單位平米補(bǔ)光燈源數(shù)量，通過人為手段創(chuàng)造出適宜種植期和作物生長的最佳光照需求環(huán)境。

（2）該系統(tǒng)的驅(qū)動升降機(jī)構(gòu)靈活，使補(bǔ)光燈源始終布局在最有利于作物生長的位置，無線遙控控制器可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離對補(bǔ)光燈組的高低位置進(jìn)行微調(diào)，從而降低裝配精度，節(jié)省人力。

（3）該系統(tǒng)可以實現(xiàn)每排獨立升降，使用一個無線遙控控制器和多個無線遙控接收器實現(xiàn)單點驅(qū)動機(jī)構(gòu)任意高度位置的啟停和多點的集群控制。

2 試驗應(yīng)用

2.1 試驗?zāi)康?/p>

（1）對溫室電動可調(diào)型補(bǔ)光系統(tǒng)中驅(qū)動升降器的工作效率進(jìn)行考證，確定該系統(tǒng)電動可調(diào)方案的可行性；（2）測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和線路的可靠性、穩(wěn)定性、和安全性；（3）對補(bǔ)光燈的使用情況進(jìn)行監(jiān)測，確定能耗和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；（4）通過冬季生產(chǎn)調(diào)節(jié)作物的生長效果驗證電動可調(diào)型補(bǔ)光系統(tǒng)的實用性。

2.2 試驗方法

2014年冬季在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所院內(nèi)的連棟智能試驗溫室中進(jìn)行溫室電動可調(diào)型補(bǔ)光系統(tǒng)的安裝及生產(chǎn)試驗。智能試驗溫室面積800 m2，熱鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)，跨度3.2 m，尖頂高6.25 m，天溝高5.5 m，溫室長40 m，開間9.6 m，屋頂采用小尖頂結(jié)構(gòu)，配備集露槽和排水槽，四周中空玻璃，頂部覆蓋單層玻璃如圖2。

圖2 智能試驗溫室

補(bǔ)光時間設(shè)定為白天清晨7時至9時，夜間19時至22時，共增加補(bǔ)光時間5個小時，溫室中主要種植試驗作物為西紅柿、辣椒、盆栽果樹（杏、油桃），實驗區(qū)種植面積為634 m2，補(bǔ)光系統(tǒng)以溫室桁架為懸掛依托，補(bǔ)光燈按照3.2 m×4 m的方式排布（圖3），共排布20盞補(bǔ)光燈。

圖3 補(bǔ)光燈排布

2.3 結(jié)論

（1）驅(qū)動升降器遙控點位控制精確，運行平穩(wěn)，升級速度均勻。

（2）根據(jù)單支燈源的瞬間啟動電流約為6A，使用3 min后降為3A，并持續(xù)穩(wěn)定，總線選用16平方，并匹配專用整流器、觸發(fā)器及電容，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，使用安全可靠。

（3）所選用的單端金鹵燈屬于熱光源與LED冷光源相比，在補(bǔ)光的同時散發(fā)熱量，燈源可達(dá)到最高溫度150℃，根據(jù)室內(nèi)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)顯示，補(bǔ)光2 h后，室內(nèi)空氣溫度平均上升1～1.5℃。

（4）在作物生長期間用該系統(tǒng)補(bǔ)光，延長了作物的光照時間、增加光照強(qiáng)度、提高光質(zhì)可以促進(jìn)植物的光合作用，對幼苗形態(tài)也有很大影響。有效促進(jìn)黃瓜幼苗的生長，葉片葉綠素含量升高8%～10%，葉綠素a/b值隨之降低。

（5）隨著光照時間的延長，作物可溶性糖和可溶性蛋白含量也隨光照強(qiáng)度的增加而增加，分別增加2～4%，1.5～3%。

（6）使用溫室電動可調(diào)型補(bǔ)光系統(tǒng)，相同面積的溫室可增加產(chǎn)量，提高作物的商品率，該系統(tǒng)較無補(bǔ)光燈作物出產(chǎn)率提高30%，提前上市15～20天。

3 存在的問題及建議

（1）該試驗溫室為每盞補(bǔ)光燈設(shè)置一臺驅(qū)動升降器，可對每盞燈進(jìn)行不同高度的升降調(diào)節(jié)，在實際使用過程中僅需要對片區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一高度升降，可以減少驅(qū)動升降器的使用臺數(shù)，減低成本。

（2）該系統(tǒng)在使用過程中由于溫室局部區(qū)域漏水導(dǎo)致驅(qū)動升降器電機(jī)損壞，故在使用前應(yīng)檢修溫室防滲補(bǔ)漏，避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）該系統(tǒng)配置的補(bǔ)光燈源為發(fā)熱光源，如果離作物太近極易導(dǎo)致植物葉片燒焦受損，在使用過程中應(yīng)該在不同生長期匹配固定的高度模式。

（4）該系統(tǒng)以每天補(bǔ)光5 h計算，平均每天消耗電能40 kW·h，每度電費1元，一個月電費1 200元，能耗較高，適用于種植附加值較高的作物。

[1]張海輝，胡瑾，楊青，代建國，趙斌，田威.設(shè)施農(nóng)業(yè)可調(diào)光質(zhì)精確補(bǔ)光系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2012（03）:181～186.

[2]喬俊楓，周慶珍，劉翔，樊宏攀，胡瑾.植物生長補(bǔ)光燈優(yōu)化部署模型[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014（05）:48～51.

[3]唐建軍，楊國強(qiáng)，任貴儀，王建林，張小龍.新型LED植物補(bǔ)光裝置的開發(fā)及應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2014（05）:149～150.

[4]鄔鏑.植物補(bǔ)光照明系統(tǒng)應(yīng)用及對比分析[J].照明工程學(xué)報，2011（03）:87～90，94.

[5]都金龍，孫冰.淺談植物補(bǔ)光系統(tǒng)應(yīng)用[N].中國花卉報，2012-02-25003.

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.03.013

S626

：A

1007-7782（2015）03-0029-03

2015-5-20

烏魯木齊市科技局項目（H131222001）；新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年基金項目（xjnkq-2015022）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201203002）；新疆維吾爾自治區(qū)科技計劃(201130104)；自治區(qū)工程技術(shù)研究中心組建項目；新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備重點實驗室（xjnkkl-2013-002）

史慧鋒