当用白色LED照明植物时，很容易评估PPFD：1000 lux = 15μmol/ s / m2

文章“ 带白色LED的植物照明 ”引起了对实际问题的热烈讨论，并且很明显，方法需要简化。



如何从根本上将照明转换为光合有效辐射的单位： PPFD ， YPFD和辐射功率密度？ 真正需要哪些呢？

测量和记录照明系统参数

标题照片显示了由儿童建造的照明系统，与许多商业解决方案不同，该系统已知一套完整的参数：{0.3 m ² ； 50瓦; 11000勒克斯； 3000 K ; R _a = 98； 165μmol/ s / m ² ; 24×7}。 参数可能不是最佳的，但是记录下来可以决定讨论，采用经验，提出建议并尝试其他选择。 不要在教育项目中进行此类输入是不正确的且是非教学性的。

需要光谱仪来估计非白光下植物的照明量。 白光是用更便宜的测光表测量的 。 并且由于众所周知的色温和色再现[1]描述了用于农业目的的具有足够精度的白光谱的形状，因此套件中照度的测量可以评估任何其他单位的光合有效辐射。

当白光不仅合理而且理想时

在白光下，植物已经进化了地球上的整个生命历史，在地球下和人工环境中都能生长良好。 现代白光LED灯具的效率在400 ... 700 nm的电流范围内以μmol/ J表示，大致相当于最佳的专用DNaT，略逊于光谱较差的LED植物灯[1]。 充分利用白光的原因是什么。
Fiteks项目介绍了在相同条件下，但在不同光谱下种植不同农作物的实验结果 。 实验表明，光谱会影响产量参数。 比较在白光下，在DNaT和窄带粉红色下生长的植物（图2）是非常好奇的。


图 2在相同条件下，但在不同光谱下生长的沙拉。 Fitex项目在2018年3月的会议“ Agrophotonic Technologies”的材料中发布的视频中的图像。

在数字指标中，第一名是独特的非白色光谱，商品名为Rose，其形式与经测试的具有高显色性R _a = 90的暖白光相差无几。 令人惊讶的是，它与具有超高显色性R _a = 98的暖白光光谱的差异更小（在标题照片中，照明系统中的孩子使用的正是这种光谱）。 主要区别在于，Rose从中心部分去除了能量的一小部分（重新分布到边缘）：



从光谱中心到边缘的辐射能量的重新分配要么不会导致任何事情，要么会降低下层叶子的光合作用效率[2]。 但是光变成粉红色。

粉红光或黄色DNaT灯可用于工业温室。 但是，当人们与植物共用一个公共房间时，就需要白光。 例如，在教育项目中，应经常观察植物，并且除了高光色白光以外，别无选择，可以为人提供视觉舒适感并为植物发育提供良好条件[1]。

比较植物照明的各种光谱选择

对光源光谱的直接比较（图3）显示，最常见的白色LED 4000 K / R _a = 80的光比DNaT光谱更丰富，并且红色成分的含量比典型的粉红色光谱的照明效果差，用于照亮具有惯用但商业名称明显错误的植物“使光充满光谱 ”。 就光谱组成而言，具有高显色性的白光比其他选项更丰富，并且更接近自然光的连续光谱。


图 3白光LED光谱与生长植物专用光的主要选择的比较

根据这些图，白光显色性的增加导致波长大于700 nm的光合作用无用的光的比例增加。 但是这个份额不超过百分之几，也不高于“ 全光谱生长光 ”的份额。

仅使用信号功能且不包括在白光LED光谱中的光谱成分-主要是400 nm和730 nm，可以使用带有窄带LED的单独照明器将其添加到白光中。 检查这种添加剂的适用性并确定每种耕作作物的最佳强度非常简单。 但是首先，应该满足植物对光的基本需求-能源。

LER ：灯具功效等级

LER参数[lm / W]与表征照明设备的发光效率η[lm / W]具有相同的尺寸，但表示以流明为单位的光通量，对应于一瓦的辐射辐射功率。

LER弱依赖于CCT的色温，并且在固定的显色性R _a时具有明显的散射（图4）。 作为LER的估计，您可以使用LER = 300 lm / W的舍入值。


图 4 LER白光LED对整体显色指数的依赖性

知道LER值后，很容易通过公式W = F / LER和辐射功率密度W / S = E / LER来计算辐射功率，其中W [W]是辐射功率， F [lm]是光通量， S [m ² ]-光通量下降的区域， E [lx]-照明。

如果有必要在给定的能量消耗下最大化辐射功率，则可以根据最大能量效率标准选择照明器，该标准由以下公式计算：效率= 100％· η / LER ，其中η [lm / W]是灯的发光效率。

辐射光通量密度很少在植物照明指南中使用。 LER估计有助于理解辐射通量密度与照度（照度）成正比，并且可以忽略白光的光谱参数作为一阶近似值。 此外， LER评估使我们可以根据公式效率= 100％· E · S / LER / P来整体评估照明设备的效率，其中E [lx]是在照明设备消耗功率P []的面积S [m ² ]上创建的实际测量照度。星期二]。 效率是有效性控制的重要组成部分。

光单位的能量值

植物光的能量值由PMF （光合光子通量）值（单位：微摩尔/秒）在400-700 nm范围内确定，或更精确地由YPF （Yield Photon Flux）值（考虑到McCree 1972曲线的校正）确定[4]。 在评估照明系统时，您必须依靠的科学文献中引用的大多数数据都基于PPF值，这使得分析PPF与 YPF的比率变得很有趣。

对于白光， PPF和YPF之间的相关性非常接近，几乎不依赖于色彩再现，并由色温决定（图5）。


图 5 PPF和YPF之比与白色色温的关系

出于实际目的，足够考虑依赖关系几乎是线性的，并且3000 K的 PPF比YPF大约10％，而5000 K的PPF大 15％。 这意味着与套件中具有相同照明的寒冷相比，植物温暖的光的能量值大约高5％。

PPF和PPFD

对于光谱参数的典型值， PPF和PPFD如下获得：



可以看出，温暖的光和具有高色彩再现性的光对于具有相同照明的植物具有稍高的能量值。

表中的值与15个单位的舍入值相差不超过7％，因此，出于实际目的，您可以使用以下规则：流量为1000 lm对应于PPF = 15μmol/ s，照度为1000 lux对应于PPFD = 15μmol/ s / m ² 。
根据[3]，用于功率为600 ... 1000 W的温室的专用DNaT的效率约为1.6μmol/ J，1000 lm的光通量对应于约PPF = 12μmol/ s，而1000 lux的照度对应于约PPFD = 12 μmol/ s / m ² 。 因此，与DNaT的光相比，植物的白光是“热量”的四分之一，并且套件中的相同照明意味着更大的PPF。
同样，这些数据使得可以重新计算DNaT的勒克司（勒摩尔/秒/米^2），并利用工业温室中植物照明的经验。

效率系数

光束k的使用系数是落在植物叶片上的照明设备发出的光束的分数。 例如，该值可用于根据以下公式估算PPFD ： PPFD [μmol/ s / m ² ] = k ·15· F [km] / S [m ² ]，其中F为以千米为单位的光通量， S为照度面积（平方米）。

k的不确定性会增加估计误差。 考虑主要照明系统的k的可能值：

1）点和线性源

点光源在局部区域中产生的照明与该区域与光源之间距离的平方成反比。 线性扩展光源在狭窄的床上产生的照明与距离成反比。

由于光线随距离“减弱”的事实，不会发生照度降低，但是由于距离的增加，增加比例的光线不会落在叶子上。 这使得用高度悬挂的灯照亮单个植物或单个加长床极为不利。 使光束变窄的光学器件可以将大部分光束导引到植物上，但是在一般情况下，尚不知道哪一个。

照明对距离的强烈依赖性以及光学器件使用效果的不确定性使我们无法确定一般情况下的利用率系数k。

2）反光面

当使用具有完美反射墙的封闭体积时，整个光通量会进入植物。 但是，镜面或白色表面的实际反射系数小于1。 这导致了这样一个事实，入射到植物上的光束比例仍然取决于表面的反射特性和体积几何形状。 并且在一般情况下确定k是不可能的。

3）大型着陆区上的大量放射源

在较大着陆区域上的大型点状或线性照明器阵列在能量上是有益的。 沿任何方向辐射的量子将落在某些薄片上，系数k接近于1。

例如，标题照片中的“儿童”照明系统结合了多种光源（平稳地固定有文具胶带的LED胶带和文具胶带）和反射面（涂有白色水分散漆的墙壁）的优点，其光通量利用率的实际值为k > 0.9。

中间结论：对于所有考虑的照明系统几何形状， 传输到植物的光份额的不确定性都高于PPFD和YPFD之差，也高于未知色温和色彩再现所确定的误差。 因此，对于光合有效辐射强度的实际评估，建议选择一种不考虑这些细微差别的相当粗糙的评估照明的方法。 并且如果可能的话，用光度计测量实际照度。

测光误差

在直接测量中，必须考虑照明系统产生的不均匀照明。 典型示例：标准EN 12464-1“工作场所的照明”要求最小照明度与平均值之比不大于0.7。 在实践中，这意味着不同区域的照明差异最多可达30％，并且在进行少量测量后平均值的显着误差。

此外，照度计根据其精度等级的读数可能与真实值相差几个百分点。 因此，GOST 24940-2016“建筑物和结构。 “照度测量方法”要求使用的光度计误差不超过10％，俄罗斯最常见的光度计型号“ eLait02”和“ TKA-PKM”的误差为8％。

PPFD值错误对结果的影响

根据限制因素（“李比希酒的桶”）的定律，稀缺因素（可能很小）会线性影响作物。 但是， PPFD的最佳水平通常是根据最大化生产率的标准来选择的，因此，它是在边界或国外线性相关的。 例如，在[5]中确定了大白菜PPFD的最佳照明强度= 340 µmol / s / m ² ，并且有人认为，随着照明度的增加，在高照明产量下使用的标准太弱，以至于增加照明度在经济上不可行。 在一封私人信息中，这项工作的作者表示，采用改良的种植同一作物的方法，在照度最高为500μmol/ s / m ^2时 ，观察到了产量的线性增加。

因此， PPFD对产量产生重大影响的情况本身就是光水平不足的迹象。 足够的光量消除了确定照明水平时误差的重要性，并使使用高精度估计值不合理。

结论

通过使用测光表测量照度E，忽略光谱参数对植物光能值的影响以及使用以下公式评估白光LED的PPFD ，可以对光合有效白光通量进行最充分的估算：

$$

$$PPFD \左[µmol / s / m ^ {2} \右] = 15·E \左[CLK \右]$$

致谢

作者非常感谢SSC RF-IBMP RAS博士的员工在撰写本文时提供的帮助。 伊琳娜·科诺沃洛娃（Irina O. Gorshkoff.ru技术总监Nikolay N. Sleptsov； CREE专家Mikhail Chervinsky； 照明工程Anna G. Savitskaya； IRE RAS高级研究员，博士 IRE RAS首席研究员兼莫斯科国立医科大学教授Alexander A. Sharakshane 塞切诺娃物理和数学科学博士 安德烈·A·阿诺索夫（Andrei A.

这篇文章是文章“ 用白色LED照明的植物的PFDD的简单估算：1000 lx = 15μmol/ s / m ² ”的改编译文。 计算的方法和细节未翻译成俄语。 但是语言更简单，添加了示例和图片。