设施农业科学与工程本科专业人才培养方案的探讨.ppt

1、 第四节第四节 人工光源设备人工光源设备 一、温室常用光源及使用一、温室常用光源及使用 人工补光的主要目的人工补光的主要目的是弥补一定条件下温室光照的不足，是弥补一定条件下温室光照的不足，以便有效地维持温室作物的正常生长发育，提高作物的产量与以便有效地维持温室作物的正常生长发育，提高作物的产量与品质。品质。人工补光的基本要求是人工补光的基本要求是，光源的光谱特性与植物产生生物，光源的光谱特性与植物产生生物效应的光谱灵敏度尽量吻合，以便最大限度利用光源的辐射能效应的光谱灵敏度尽量吻合，以便最大限度利用光源的辐射能量；光源所具有的辐射通量使作物能得到足够的辐照度。此外，量；光源所具有的辐射通量使作

2、物能得到足够的辐照度。此外，还要求光源设备经济耐用，使用方便。还要求光源设备经济耐用，使用方便。（一）白炽灯（一）白炽灯 1 1构造构造 白炽灯由灯泡、电源引出线、灯丝构成。灯丝白炽灯由灯泡、电源引出线、灯丝构成。灯丝的主要成分是钨，为了防止受震动断裂，灯丝盘成弹簧状安装的主要成分是钨，为了防止受震动断裂，灯丝盘成弹簧状安装于灯泡内中间，泡内抽真空后充入少量惰性气体，以抑制钨的于灯泡内中间，泡内抽真空后充入少量惰性气体，以抑制钨的蒸发。灯丝引出线的出线端有插口式和螺口式两种。蒸发。灯丝引出线的出线端有插口式和螺口式两种。a)a)插口式插口式 b)b)螺口式螺口式 图图6-44 白炽灯泡构造白炽

3、灯泡构造 2.2.性能特点性能特点 白炽灯的光谱是连续光谱，能量主要是红白炽灯的光谱是连续光谱，能量主要是红外线辐射（占总能量的外线辐射（占总能量的80%90%80%90%），生理辐射只占总辐射能的），生理辐射只占总辐射能的10%20%10%20%，其中主要是橙红光，蓝紫光很少，几乎无紫外线。，其中主要是橙红光，蓝紫光很少，几乎无紫外线。（二）萤光灯（日光灯）二）萤光灯（日光灯）1 1萤光灯的组成和工作原理萤光灯的组成和工作原理 （1 1）萤光灯由灯管、起辉器、灯架和灯座等组成。）萤光灯由灯管、起辉器、灯架和灯座等组成。图图6-45 萤光灯构造萤光灯构造 图图6-46 萤光灯管构造萤光灯管构造

4、 灯管灯管 由玻璃管、灯丝和灯丝引出脚（灯脚）等构成。玻璃管由玻璃管、灯丝和灯丝引出脚（灯脚）等构成。玻璃管内壁涂有萤光材料；管内抽真空后充入少量汞（水银）和适内壁涂有萤光材料；管内抽真空后充入少量汞（水银）和适量惰性气体（氩）；在灯丝上涂有电子发射物质（称电子量惰性气体（氩）；在灯丝上涂有电子发射物质（称电子粉），构造如图粉），构造如图6-466-46所示。所示。图图6-45 萤光灯构造萤光灯构造 图图6-46 萤光灯管构造萤光灯管构造 起辉器起辉器 由氖泡、小电容、出线脚和外壳构成。氖泡内装由氖泡、小电容、出线脚和外壳构成。氖泡内装有动触片（有动触片（U U形双金属片）和静触片。构造如图形

5、双金属片）和静触片。构造如图6-476-47示。示。图图6-47 荧光灯起辉器荧光灯起辉器 镇流器镇流器 分电子式和铁芯电感式。分电子式和铁芯电感式。图图6-48 铁芯电感式镇流器图铁芯电感式镇流器图 图图6-49 萤光灯电路图萤光灯电路图 （2 2）萤光灯的工作原理）萤光灯的工作原理 萤光灯的电路图如图萤光灯的电路图如图6-496-49示。萤光示。萤光灯工作全过程分为起辉和工作两种状态。起辉状态由灯丝、灯工作全过程分为起辉和工作两种状态。起辉状态由灯丝、起辉器和镇流器形成回路；工作状态是由灯管内部电离而形起辉器和镇流器形成回路；工作状态是由灯管内部电离而形成直通回路，起辉器不再起作用。成直通

6、回路，起辉器不再起作用。2.2.萤光灯附件的选配萤光灯附件的选配 萤光灯附件要与灯管功率、电压和频萤光灯附件要与灯管功率、电压和频率等相适应。常用的附件选配，参见表率等相适应。常用的附件选配，参见表6-296-29所列。所列。3.3.性能特点性能特点 萤光灯发光光谱主要集中在可见光区域，其成萤光灯发光光谱主要集中在可见光区域，其成份一般为蓝紫光份一般为蓝紫光16.116.1、黄绿光、黄绿光39.3%39.3%、红橙光、红橙光44.6%44.6%。萤光。萤光灯光谱可通过改变萤光粉成份，以获得所需要的光谱，如用灯光谱可通过改变萤光粉成份，以获得所需要的光谱，如用于育苗的萤光灯，需加强蓝色和红色部分

7、。萤光灯发光效率于育苗的萤光灯，需加强蓝色和红色部分。萤光灯发光效率高，约为白炽灯的高，约为白炽灯的4 4倍倍，达，达51%84%51%84%。使用寿命长达。使用寿命长达3000h3000h以以上，且价格便宜。是目前使用最普遍的一种光源。上，且价格便宜。是目前使用最普遍的一种光源。（三）碘钨灯（三）碘钨灯 1.1.基本构造与工作原理基本构造与工作原理 图图6-50 碘钨灯构造碘钨灯构造2.2.常用规格与安装常用规格与安装（1 1）常用规格和技术数据如表）常用规格和技术数据如表6-306-30所列。所列。表表 6-30 碘钨灯常用规格和技术数据碘钨灯常用规格和技术数据 型号型号 额定功率额定功率

8、（W）额定电压额定电压（V）发光效率发光效率（Lm/W）平均寿命平均寿命（h）管长管长（mm）BW220500 500 19.5 1552 BW2201000 1000 21 2082 BW2202000 2000 220 21 1500 2932 （2 2）安装）安装 安装碘钨灯时，安装碘钨灯时，必须把灯管装得与地面平行，必须把灯管装得与地面平行，一般要求倾斜度不大于一般要求倾斜度不大于4 4。此外，碘钨灯工作时，灯管此外，碘钨灯工作时，灯管的温度很高，管壁可高达的温度很高，管壁可高达500700500700，因此，灯管必须安装，因此，灯管必须安装在专用的有隔热装置的金属灯架上，切不可安装在

9、非专用在专用的有隔热装置的金属灯架上，切不可安装在非专用的，易燃材料制成的灯架上。的，易燃材料制成的灯架上。同时，灯架也不可贴装在同时，灯架也不可贴装在建筑面上，以免因散热不畅而影响灯管寿命。建筑面上，以免因散热不畅而影响灯管寿命。（3 3）性能特点）性能特点 功率大，发光效率高，为功率大，发光效率高，为2030 Lm/W2030 Lm/W，构造，构造简单，使用可靠，体积小，装修方便，故障少，寿命长。简单，使用可靠，体积小，装修方便，故障少，寿命长。为温室常用光源之一。为温室常用光源之一。（四）高压气体放电灯（四）高压气体放电灯 气体放电是指电流通过气体时的放电现象。利用气体放电气体放电是指电

10、流通过气体时的放电现象。利用气体放电发光的原理制成的灯就叫发光的原理制成的灯就叫气体放电灯气体放电灯。由于所用气体不同，气。由于所用气体不同，气体放电灯的种类较多，主要有体放电灯的种类较多，主要有水银灯水银灯（汞灯）、（汞灯）、钠灯钠灯、氙灯氙灯、金属卤化物灯，生物效应灯金属卤化物灯，生物效应灯等，它们的辐射光谱都是线状的。等，它们的辐射光谱都是线状的。1.1.水银灯水银灯 水银灯的生理辐射占总辐射能量的水银灯的生理辐射占总辐射能量的85%85%，主要有蓝绿光、，主要有蓝绿光、紫外辐射，发光效率随水银蒸汽压力而变化，低压时发光效紫外辐射，发光效率随水银蒸汽压力而变化，低压时发光效率低，高压时较

11、高可达率低，高压时较高可达5060 Lm/W5060 Lm/W，低压水银灯主要用作，低压水银灯主要用作紫紫外光源外光源，高压水银灯则主要用于照明及温室人工补光。高压水银灯则主要用于照明及温室人工补光。高压水银灯的品种型号较多，最常用的是高压水银灯的品种型号较多，最常用的是GGYGGY型型 图图6-52 高压水银灯接线图高压水银灯接线图 2.2.氙灯氙灯 氙灯按电弧长短分为长弧氙灯和短弧氙灯两种，常氙灯按电弧长短分为长弧氙灯和短弧氙灯两种，常用的是管形长弧氙灯，其结构如图用的是管形长弧氙灯，其结构如图6-536-53所示。所示。图图6-53 管形长弧氙灯构造管形长弧氙灯构造 氙灯氙灯是一种高气压

12、自持弧光放电电灯，其辐射能量分布是一种高气压自持弧光放电电灯，其辐射能量分布与日光比较接近，光谱与日光相同。所以俗称与日光比较接近，光谱与日光相同。所以俗称“小太阳小太阳”。氙灯主要用于大面积照明。氙灯主要用于大面积照明。o氙灯安装时应注意以下几点氙灯安装时应注意以下几点：必须采用与灯管配套的专用灯架；必须采用与灯管配套的专用灯架；因氙灯电流大，温度高，因氙灯电流大，温度高，导线连接点必须十分牢固；导线连接点必须十分牢固；氙灯配用的专用触发器，是作氙灯配用的专用触发器，是作为起辉装置用的，触发器应安装在灯管附近，两者连接线长为起辉装置用的，触发器应安装在灯管附近，两者连接线长度一般为度一般为1

13、.52m1.52m之间，最长不得超过之间，最长不得超过3m3m；因短路瞬时电流因短路瞬时电流较大，触发控制端回路的控制，宜用接触器作为控制开关，较大，触发控制端回路的控制，宜用接触器作为控制开关，不得用按钮直接控制。不得用按钮直接控制。o氙灯安装时应与作物保持一定高度，以免灼烧作物。氙灯安装时应与作物保持一定高度，以免灼烧作物。图图6-54 管形氙灯接线图管形氙灯接线图 3.3.钠灯钠灯 利用金属钠蒸汽放电产生辐射的光源，它的辐射集中利用金属钠蒸汽放电产生辐射的光源，它的辐射集中在黄光（在黄光（589.6589.6毫微米），生理辐射强，单色性好。发光效率毫微米），生理辐射强，单色性好。发光效率

14、高，低压钠灯可达高，低压钠灯可达200300Lm/W200300Lm/W，高压钠灯可达，高压钠灯可达120 Lm/W120 Lm/W，低压钠灯多用作单色光源，高压钠灯由于光谱宽，用于照明低压钠灯多用作单色光源，高压钠灯由于光谱宽，用于照明比低压钠灯好。比低压钠灯好。4.4.金属卤化物灯金属卤化物灯 是在高压水银灯中加入金属卤化物而形成的是在高压水银灯中加入金属卤化物而形成的光源。加入金属卤化物，不但可以大大改善灯的光色，而且光源。加入金属卤化物，不但可以大大改善灯的光色，而且可以提高光效率，采用不同类型的金属卤化物，可以制成不可以提高光效率，采用不同类型的金属卤化物，可以制成不同光谱特性的近日

15、光光源同光谱特性的近日光光源 金属卤化物灯功率大，一般为金属卤化物灯功率大，一般为200400200400W W，发光效率高约为，发光效率高约为6080 6080 Lm/WLm/W，寿命长，一般达，寿命长，一般达40004000h h以上。是目前高强度人工以上。是目前高强度人工补光的主要光源。补光的主要光源。5.5.生物效应灯生物效应灯 可发连续光谱，其紫外光、蓝紫光和近可发连续光谱，其紫外光、蓝紫光和近红外光低于自然光，而绿、红、黄光比自然光高。红外光低于自然光，而绿、红、黄光比自然光高。近红外部近红外部分低于自然光分低于自然光25%25%。二、光源的选用与配置二、光源的选用与配置 （一）光

16、源的选用（一）光源的选用 两个原则进行：两个原则进行：1.1.补光的目的；补光的目的；2.2.光源的性能价格比。光源的性能价格比。补光的目的：补光的目的：一是一是以抑制或促进作物花芽分化、调节开花以抑制或促进作物花芽分化、调节开花时期，即以满足作物光用周期的需要为目的，这种补光一般要时期，即以满足作物光用周期的需要为目的，这种补光一般要求有红光，但光照度比较低，只要有几十勒克斯的光照度就可求有红光，但光照度比较低，只要有几十勒克斯的光照度就可满足需要，多用满足需要，多用白炽灯白炽灯。二是二是以促进作物光合作用，促进作物以促进作物光合作用，促进作物生长，补充自然光照不足为目的。要求：补光照度应高

17、于植物生长，补充自然光照不足为目的。要求：补光照度应高于植物的光补偿点，在的光补偿点，在3000Lx3000Lx克斯以上；光照度具有一定的可调性；克斯以上；光照度具有一定的可调性；光线中富含红光和蓝光；有一定的光谱成分，最好是近似于太光线中富含红光和蓝光；有一定的光谱成分，最好是近似于太阳光的连续光谱。多使用高压气体阳光的连续光谱。多使用高压气体放电灯或萤光灯放电灯或萤光灯。表表 6-34 几种常用光源的光通量几种常用光源的光通量 类类 别别 常用规格和光通量常用规格和光通量 功率（功率（W）15 25 40 60 100 150 200 300 500 1000 白炽灯白炽灯 光通量光通量（

18、Lm）101 198 340 540 1050 1845 2660 4350 7700 17000 功率（功率（W）6 8 10 15 15（细管）（细管）20 30 30（细管）（细管）40 萤光萤光灯灯 光通量光通量（Lm）210 325 410 580 665 930 1550 1700 2400 功率（功率（W）300 500 1000 2000 碘钨灯碘钨灯 光通量光通量（Lm）5700 9750 21000 42000 功率（功率（W）50 80 125 175 250 400 700 1000 高压汞灯高压汞灯 光通量光通量（Lm）1500 2800 4750 7000 1050

19、0 20000 35000 50000 表表-35 几种常用光源的性能参数及费用比几种常用光源的性能参数及费用比 能量能量（W）输入输入 输出输出 光源光源 类型类型 主要主要 光谱光谱 光效光效（Lm/W）平均平均 寿命寿命（Kh）灯灯 总计总计 400 500nm 500 600nm 600 700nm 总计总计 初装费初装费用比用比 六年平均六年平均费用比费用比 白炽灯白炽灯 红橙光红橙光 1026 13 100 100 0.8 2.2 3.9 6.9 萤光灯萤光灯 类似日光类似日光 5181 912 40 50 2.7 4.5 1.9 9.1 215 235 13.5 22.5 9.5

20、 45.5 1 1 金属卤灯金属卤灯 蓝绿光蓝绿光 8090 810.5 400 425 26.2 50.3 12.1 88.6 2.8 0.69 红橙光红橙光 高压钠灯高压钠灯 黄光黄光 117 15 400 425 10.3 55.3 39.6 105.2 4.5 0.47 荷荷兰兰飞利浦飞利浦农用钠灯农用钠灯 130 16 400 432 （二）光源的布置（二）光源的布置 为使被照面的光照分布尽可能为使被照面的光照分布尽可能均匀均匀，为此，布置光源时，为此，布置光源时，应充分考虑光源的应充分考虑光源的光度分布特性及合理的安装位置光度分布特性及合理的安装位置。对于跨度对于跨度5.4m5.4

21、m，长，长18m18m的温室，在高度为的温室，在高度为1.5m1.5m处挂处挂8 8盏盏60W60W栽培专用灯，按单行均匀布局，其结果是栽培专用灯，按单行均匀布局，其结果是20Lx20Lx以下的面积率为以下的面积率为4 4，4 4个角的最低照明度为个角的最低照明度为10Lx10Lx，平均照度为，平均照度为46Lx46Lx；按双行网；按双行网格状均匀布局，其结果是照度在格状均匀布局，其结果是照度在20Lx20Lx以下的面积率为零以下的面积率为零,平均平均照度为照度为34Lx34Lx，可见，按双行网格状均匀布局，照度比较均布。，可见，按双行网格状均匀布局，照度比较均布。三、光度学基础与照度的计算三

22、、光度学基础与照度的计算 光度学研究的是光在发射、传播、吸收和散射过程中的光度学研究的是光在发射、传播、吸收和散射过程中的能量计算问题。光能的量度有两个标准，一是能量计算问题。光能的量度有两个标准，一是能量标准能量标准，它，它是以客观能量的大小为标准的；另一是是以客观能量的大小为标准的；另一是视觉标准视觉标准，它是以人，它是以人眼对光的感觉为标准的。眼对光的感觉为标准的。（一）能量标准中的几个基本概念（一）能量标准中的几个基本概念 辐射通量辐射通量 光是电磁波，光的传播过程就是能量的传光是电磁波，光的传播过程就是能量的传递过程。单位时间内自辐射源发出的通过面积元递过程。单位时间内自辐射源发出的

23、通过面积元dAdA的辐射叫的辐射叫做通过这一面积元的辐射通量做通过这一面积元的辐射通量 立体角立体角是指一个锥面所围成的空间部分，单位为是指一个锥面所围成的空间部分，单位为“球球面度面度”。一个球面度是指以锥的顶点为球心，以锥在球面。一个球面度是指以锥的顶点为球心，以锥在球面上所截的面积与球半径平方的比值。上所截的面积与球半径平方的比值。图图6-55立体角（立体角（1）图图6-56立体角（立体角（2）点光源点光源是指光源本身的线度比它与讨论点的距离小得多，以致是指光源本身的线度比它与讨论点的距离小得多，以致可以把它当作一个点，在距光源某一距离处光波的波面可以看可以把它当作一个点，在距光源某一距

24、离处光波的波面可以看作球面。作球面。辐射强度辐射强度：点光源在给定方向上单位立体角内所发生的辐射通：点光源在给定方向上单位立体角内所发生的辐射通量，称为辐射强度，即：量，称为辐射强度，即：Ie Ie=/W=/W (瓦球面度)投射到单位面积上的辐射通量为投射到单位面积上的辐射通量为辐照度辐照度EeEe，即：即：Ee Ee=/=/s s 式中，式中，s s为被照面上一小面积单元，为被照面上一小面积单元，为为s s上所接收到上所接收到的辐射通量。辐照度单位为瓦米的辐射通量。辐照度单位为瓦米2 2。与辐射强度为与辐射强度为 Ie的点光源距离为的点光源距离为 r，法线与，法线与 r 夹角为的面积元夹角为

25、的面积元s 上的辐照度为：上的辐照度为：2rcoseIeE （6-46）（二）视觉标准中的几个基本概念与照度的计算（二）视觉标准中的几个基本概念与照度的计算 视觉灵敏度视觉灵敏度（或视觉函数）（或视觉函数）V V（）人眼对不同波长的人眼对不同波长的光有不同的灵敏度，且不同的人，对各种波长的光的灵敏度光有不同的灵敏度，且不同的人，对各种波长的光的灵敏度也常有差别。规定众多正常人对各种波长的平均灵敏度为视也常有差别。规定众多正常人对各种波长的平均灵敏度为视觉灵敏度。觉灵敏度。光通量光通量F F 光通量是用以描述光源的客观辐射通量对人眼所光通量是用以描述光源的客观辐射通量对人眼所引起的视觉强度的物理

26、量。它与能量标准中的辐射通量相对引起的视觉强度的物理量。它与能量标准中的辐射通量相对应。波长为应。波长为的光当其辐射通量为的光当其辐射通量为()时，它的光通量时，它的光通量为为 F=V()()F=V()()发光强度发光强度I I 与辐射强度相对应，在视觉标准中，定义点光与辐射强度相对应，在视觉标准中，定义点光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量为发光强源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量为发光强度。度。I=FF/WW 对于各向均匀发光的点光源，它发出的总光通量平均对于各向均匀发光的点光源，它发出的总光通量平均分布在分布在4 4球面度内，所以它的发光强度为球面度内，所以它的发光强度为 I

27、=F/F/4 4 6-53 6-53 对于单色光：对于单色光：F=680 F=680 V V（）()()照度照度E E 照度是描述被照面的照亮程度的物理量。它定义照度是描述被照面的照亮程度的物理量。它定义为投射到受照面上的为投射到受照面上的光通量与受照面面积光通量与受照面面积之比值，即：之比值，即：E E=FF/SS1 1勒克斯勒克斯=1=1流明流明/米米2 2 与发光强度为与发光强度为I I的点光源相距为的点光源相距为r r，法线与，法线与r r夹角为夹角为的面积元的面积元SS上的照度为上的照度为 ：E E=I cosI cos/r/r2 2 6-566-56将将 6-53 6-53 代入代入 6-56 6-56 ，得，得 E E=FcosFcos/4 4r r2 2 o例例6-56-5：有一各向均匀发光的点光源，其总辐射通量为：有一各向均匀发光的点光源，其总辐射通量为100W100W，设此光源只发出，设此光源只发出=590nm=590nm的黄光。把它挂在离地的黄光。把它挂在离地面面2 2米高的灯架上，求灯架正下方地面上的照度。米高的灯架上，求灯架正下方地面上的照度。谢谢！