[发明专利]照射植物的系统和方法

说明书

本发明总体上涉及照射植物的系统和方法，特别地涉及向植物提供除自然光之外的补充照明，并且当使用这种补充照明时改善作物产量。本发明非常适合在园艺中，例如在温室中使用。

技术领域

本发明总体上涉及照射植物的系统和方法，特别地涉及向植物提供除自然光之外的补充照明，并且当使用这种补充照明时改善作物产量。本发明非常适合在园艺中使用。

背景技术

补充照明在园艺中被越来越多地使用以便改善温室中水果和蔬菜的生长，特别是在自然日光自身不足够的季节期间。补充照明允许水果和蔬菜全年生长。

例如，在荷兰西红柿的生长涉及在冬季、秋季和春季中的补充照明，因为在这些季节期间的日光典型地是缺乏的。同时，在这些季节期间西红柿的价格是最高的，这不止是补偿用于补充照明的投资成本和能源成本。

LED（发光二极管）是固态光源。LED相对于其他光源具有许多优点，诸如持久性、长寿命、紧凑性和效率。有用地，LED还提供窄带光谱发射，这是指可以针对特定应用或者作物类型来优化LED照明系统的光谱轮廓。另外，LED提供具有低辐射热的高光输出，以及在照明系统中在设计和放置中的灵活性。最近的进展已经确保LED在数量增长的波长中并且以减少的成本可获得。结果，LED越来越受被青睐用于园艺。

园艺中的一主要目的是最大化作物产量（就生物量或者水果产量而言），同时保持由照明消耗的能量尽可能低。

当使用LED作为光源时，典型地选择光合效率最高的波长。光合作用是植物用于将来自空气的CO₂结合水及光转换成糖类的机制。生物量的增长与所产生的糖类的量成比例。光合作用响应的波长依赖性在图1中示出（此响应曲线也称为“McCree曲线”或者“光合响应曲线”）。该分布在光谱的蓝色和红色区域中略微地有峰值。

作为该曲线的近似，在位于400nm和700nm之间的波长区域之内的所有辐射被称作“光合有效辐射（PAR）”，也在图1中示出。PAR可以以每表面面积每秒的光子数目表示，并且称为“光合光子通量密度（PPFD）”。光子的数目通常以μmol表示，其中1mol总计为6.02x10²³个光子。PAR也可以被表示为每表面面积每秒的能量的量，并且该度量称为光强度。光强度和PPFD是可相互转换的。PPFD在本领域中更常使用，并且因此对于本发明的目的来说是优选的度量。

图1还示出了在300nm到800nm之间的“日光光子通量光谱”（如在来自美国试验与材料学会的标准AM1.5G，ASTM G173中定义的）。

对于植物生长，从400nm至800nm的光谱区域是最重要的。蓝色（B）区域从400nm延伸至500nm，绿色（G）区域从500nm延伸至600nm，红色（R）区域从600nm延伸至700nm，并且远红外（FR）区域从700nm延伸至800nm。

日光的PAR光子通量可以被表示为F_PAR=F_B+F_G+F_R，其中F_B+F_G+F_R可以被用于分别指示蓝光、绿光和红光的通量。对于日光，蓝光、绿光和红光的对应比例是F_B:F_G:F_R=0.27:0.35:0.38。F_FR是远红外光的通量。当相对于F_PAR的量表示时，比例是F_FR:F_PAR=0.36。

由于已知植物在日光中生长良好，本领域中常见方式是使用模拟日光的补充光光谱。

虽然LED相对于其他形式的照明（诸如白炽照明和荧光照明）提供了优点，但是存在改善LED照明系统的效率的需要。电力是越来越昂贵和珍贵的资源。在能量需求是最高时的春季、秋季和冬季月份期间，特别是如此。

因此本公开的一目的是改善这种补充照明系统的效率。