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企業在評估園藝照明的光源時，會面臨多個考慮，包括：光強度、光譜、光分布均勻性、能源效率和燈具壽命。園藝照明系統可以將電能轉換為用于植物生長發育、促進光合作用的光，而基于LED的光源可以為應用提供調諧頻譜。
然而，確定這種固態照明(SSL)系統的效率或效能是一個挑戰。影響照明系統整體效率的因素有幾個。本文討論照明設備的設計將如何影響能源效率，以及能源效率如何反過來影響受控植物生長環境的整體盈利能力。
事實上，園藝燈具將電能轉換成可用光供植物生長的效力對受控環境農業(CEA)能否成功至關重要。
圖1為受控環境農業(CEA)的一個垂直農場范例。
將照明解決方案安裝在離農作物冠層幾英寸以內是垂直農業應用的突破。 與設計不佳的LED解決方案和其他照明技術(如HPS和熒光燈)相比，正確設計的LED解決方案可實現每平方英尺更高的產量。
園藝的相關指標
植物主要利用波長在400-700nm的可見光進行光合作用(圖2)，因此，此區段通常也被稱為光合成有效輻射(PAR)。光合光子通量(PPF)測量照明系統每秒產生的PAR總量。測量時，使用積分球，用于捕獲并測量照明系統發射的幾乎所有光子。PPF的單位為每秒每平方米光子的摩爾數(μmol/s)。
圖2 植物對光合有效輻射(PAR)的平均響應
光合光子通量密度(PPFD)測量到達植物冠層的PAR量。PPFD表示單位時間面積上在可見光波長范圍的光量子數,單位為μmol/m2/s。 PPFD 也表示光量子的數量與光合作用間的相關性。
最后，我們討論光子功效。光子功效指園藝照明系統將電能轉換為PAR光子的效率。如果光的PPF與輸入功率都已知的情況，就可以輕松計算園藝照明系統的光子功效。給定PPF的單位為μmol/ s，測量瓦特的單位是每秒焦耳(J/s)，分子和分母中的秒數消除，得到的單位為μmol/ J，這個單位就用于表示功效。這個數字越高，就表示照明系統將電能轉換成PAR光子就越有效。
頻譜和功效
影響園藝照明系統光子功效的另一個重要因素是發光的光譜。用于園藝照明系統的最有效波長是紅色(660nm)和藍色(450nm)。傳統的LED園藝照明技術主要使用紅色帶較小比例的藍色LED來實現最高的光子效能。
雖然紅色LED具有最高的光子效能，但是植物在窄帶波長下本身并沒有生長。因此，在優化植物生長和發育方面，單一的紅色LED不會產生最有效的光譜。與補充溫室照明(圖3)相比，在垂直農場中使用單一源照明的情況尤其如此。
(圖3)
惡劣和骯臟的環境(如溫室)可能會迅速導致主動冷卻系統出現故障，從而導致整個照明系統出現故障。除了提高能源效率之外，被動冷卻系統不需要容易斷裂和堵塞的運動部件。
多家園藝照明廠商根據葉綠素a和b的吸收峰而宣稱其產品有“特殊光譜”。但是，他們沒有提到這些葉綠素顏料是從植物葉中提取并在體外測量的。光質量對 光合作用的作用光譜(圖2)是由McCree和Inada在20世紀70年代進行研究時提出的。研究顯示光合作用速率與葉綠素a和b的作用光譜之間有相關性，但它們并不是光合作用的唯一波長。在這項研究之前，存在一個常見的誤解：認為葉綠素主要吸收可見光譜中的紅色和藍色部分，所以植物光合作用不使用綠光。
McCree和Inada進行的研究是理解光譜光質量對光合作用的影響的基礎;但是，他們是基于低光強度下單葉測量光合作用而研究出了作用光譜。在過去30年中，對于光照強度較高下植物光合作用的研究有多次，表明光譜質量對生長速度的影響遠小于光照強度。
光譜光質量對植物發育影響很大，如：種子發芽、莖伸長和開花以及次級代謝物和類黃酮，其影響植物的味道、外觀和氣味。因此，LED制造商需要在使用最具電效率的LED和種植者所希望的能促進植物最佳生長和發育習慣的LED之間找到平衡。
外形因素和光束控制
我們最后討論的一個主題與燈具的外形、束流光學和光強度有關。考慮園藝照明系統的整體效率時，需要考慮PPFD和CU。但是，雖然燈具本身的光子功效對于園藝照明來說非常重要，但是如果在實際應用中產生的光沒有均勻有效地照在作物上，那么該方案真正的能源效率將大大降低。
因為每個高壓鈉燈只有一個光源(360°燈泡)，所以需要依靠反射器將光均勻地散布在作物的冠層上。LED超過高壓納氣燈的另一個優點是LED有數百個光源能通過定制的束流光學形成非常均勻的光帶，無需使用反射器。圖4描繪了典型的LED光引擎。
圖4
從園藝照明系統發出的光的光譜(即顏色)對能源效率和整體植物的生長發育都有顯著的影響。雖然紅色和藍色光效能更高，但是用圖片中的光引擎實現的廣譜可針對更多的光感受器來改善培養。
當適當設計后，這種形式的靈活性就讓具有非常高CU的照明方案非常有優勢，所產生的大部分光落在植物冠層上，而不會浪費在通道或墻壁上。這對于種植者在選擇園藝照明系統時是至關重要的。
小貼士
并不是所有的LED照明系統都是一樣的，所以對于種植者來說，從制造商那里獲得照明設計十分重要，這些設計會顯示在規定的安裝高度時的平均PPFD以及在植物生長室的光分布模式。園藝照明系統的外形因素和光分布將影響所需燈具的數量，這是影響植物生長室整體能源效率的另一個因素。
園藝照明系統的能源效率取決于幾個因素，而不僅僅是一個因素。使用正確的測量方法，了解影響園藝照明系統能源效率的幾個因素將影響植物生長室的整體盈利能力。
