激光發(fā)射器外置式人工光系統(tǒng)及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及設(shè)施栽培領(lǐng)域，具體涉及一種激光發(fā)射器外置式人工光系統(tǒng)及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人工光被越來越廣泛地應(yīng)用在蔬菜等作物的大規(guī)模栽培中，其環(huán)境因子可控，土地利用率高，可按計劃生產(chǎn)等優(yōu)勢特征，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的本質(zhì)要求，將是未來解決人口增長、資源緊缺、新生代勞動力不足、食物需求不斷上升等問題的重要手段，受到世界各國的廣泛關(guān)注。
[0003]目前，不同設(shè)施栽培條件下采用的人工光源主要為高壓鈉燈及熒光燈等，其直接-間接耗電量能夠占到總運行電量的83 % (Ohyama et al.2001.Consumpt1nof electric energy and water for eggplant plug transplant product1n in aclosed-type transplant product1n system.J.Soc.HighTechnol.Agr.13:1-6)，主要是由于(I)其發(fā)光原理導(dǎo)致它們的發(fā)射光譜中大量波長的光不能被植物高效吸收利用，光能利用率低；(2)運行時產(chǎn)生大量的熱，大幅增加設(shè)施內(nèi)的熱負荷，對溫度的控制、空調(diào)能耗及作物生長具有明顯的負面影響。
[0004]現(xiàn)有較先進的LED光源，為滿足植物生長，其投射在植物冠層的光量子流密度(Photosynthetic Photon Flux Density，PPFD)要想達到一個理想值(如 150 μ mo 1.πΓ2.s—1)，這往往需要大量的電能輸入(200W.m_2)，且光強隨著光源-植株間距的增加PPFD
呈指數(shù)下降趨勢。
[0005]有別于上述常用光源，激光具有幾乎單一的波長，即使經(jīng)過長距離的傳播依然能保持其強度和波形。另外，激光發(fā)射過程中，光能變?yōu)闊崮苌⑹У谋壤　４送?，激光中大量光子集中在一個極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度極高。以上幾個特點對人工光栽培來講具有極為重要的意義:若激光的特點被用于植物栽培，能夠從根本上解決光強和能耗間的矛盾，且對環(huán)境熱負荷影響小，顯著降低運行成本。
[0006]Tsuchiya 等(2000.Applicat1n of red laser d1de as a light source ofplant product1n.Transplant Product1n in the 21st Century.119-124)米用 680nm的激光二極管組成燈板進行水培生菜的栽培試驗，證實了采用激光進行生菜栽培的可能性，并通過增加藍色LED，極大地改善了所栽培生菜的形態(tài)；同年，Yamazaki等(2000.Effect of laser-d1de light on growth of Lactuca sativa L.J.Soc.HighTechnol.Agr.12:93-98)的實驗再次證實了激光進行生菜栽培的可能性。
[0007]另一方面，Tennessen等(1995.Efficiency of photosynthesis incontinuous and pulsed light emitting d1de irradiat1n.PhotosynthesisResearch.44:261-269)使用LED閃光照射番茄葉片，其結(jié)果印證了閃光時產(chǎn)生的光量子能夠被吸收并IC藏在反應(yīng)中心用于暗反應(yīng)這一理論；Vejrazka, C等(2011.Photosyntheticefficiency of Chlamydomonasreinhardtii in flashing light.B1technolB1eng.108(12):2905-13)認為存在一個光量子儲存池，能夠在閃光時被裝滿并用于暗期；Lu 等(2014.Design and implementat1n of a dual PWM frequency converterused in beam pumping unit for energy saving.1EEE Transact1ns on IndustryApplicat1ns.50:2948-2956)采用基于占空比的PWM控制驅(qū)動方法，在不影響系統(tǒng)運行性能的情況下，極大地節(jié)約了能量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)中人工光源能耗大的問題，本發(fā)明旨在提供一種激光發(fā)射器外置式人工光系統(tǒng)及其使用方法。
[0009]本發(fā)明提供了一種激光發(fā)射器外置式人工光系統(tǒng)，主要由設(shè)置在栽培設(shè)施開有小孔的墻外的激光發(fā)射器，以及設(shè)置在栽培設(shè)施內(nèi)的若干對分光棱鏡和激光發(fā)散裝置構(gòu)成；分光棱鏡沿激光發(fā)射器所發(fā)激光束的光路排列，將射至其上的激光束分出一支分支激光束射向?qū)?yīng)的激光束發(fā)散裝置，未被分光棱鏡分出的激光束則繼續(xù)射向下一個分光棱鏡；每個激光發(fā)散裝置將射至其上的分支激光束發(fā)散后照射其下方的栽培區(qū)。
[0010]所述激光發(fā)射器外置式人工光系統(tǒng)，還包括給激光發(fā)射器散熱的散熱裝置。安裝散熱裝置可延長激光發(fā)射器的使用壽命。所述散熱裝置可為風(fēng)扇等常用散熱裝置。
[0011]所述栽培設(shè)施選自植物工廠、連棟溫室、日光溫室等植物栽培設(shè)施。
[0012]所述激光發(fā)射器，其發(fā)出的激光束為植物生長所需的任一波長激光束或其組合。
[0013]所述激光束可選用紅光激光束，或選用紅光激光束和藍光激光束的組合，或以紅光激光束、藍光激光束為基本光，再加上別的波長的激光束的組合。即所述激光發(fā)射器為紅光激光發(fā)射器，或為紅光激光發(fā)射器和藍光激光發(fā)射器，或紅光激光發(fā)射器、藍光激光發(fā)射器和其它波長光激光發(fā)射器的組合。
[0014]激光束最優(yōu)選為以紅光激光束、藍光激光束為基本光，再加上遠紅光激光束的組合，即所述激光發(fā)射器最優(yōu)選為紅光激光發(fā)射器、藍光激光發(fā)射器和遠紅光激光發(fā)射器的組合。
[0015]其中，所述紅光激光束由紅光激光發(fā)射器發(fā)出，波長優(yōu)選660nm ;藍光激光束由藍光激光發(fā)射器發(fā)出，波長優(yōu)選460nm ;遠紅光激光束由遠紅光激光發(fā)射器發(fā)出，波長優(yōu)選730nmo
[0016]當(dāng)使用的激光發(fā)射器多于一臺時，所述激光發(fā)射器外置式人工光系統(tǒng)還包括設(shè)置于激光發(fā)射器下游的反射棱鏡，反射棱鏡使所有激光發(fā)射器發(fā)出的激光并為一束后再透射過栽培設(shè)施墻上的小孔。
[0017]所述若干對分光棱鏡和激光發(fā)散裝置，每對都可單獨拆裝。
[0018]所述激光束發(fā)散裝置選自下述裝置中的一種或幾種:
[0019]激光束發(fā)散裝置A，由依次設(shè)于分光棱鏡下方的圖案燈頭、勻光板組成；調(diào)節(jié)分光棱鏡方向使分出的分支激光束垂直向下照射，分支激光束透射過圖案燈頭分成若干光束，以勻光板使射下的光均一，照射下方的栽培區(qū)；
[0020]激光束發(fā)散裝置B，由依次設(shè)于分光棱鏡一側(cè)的一字透鏡、反射鏡，以及驅(qū)動反射鏡往復(fù)擺動的電機組成；調(diào)節(jié)分光棱鏡方向使分出的分支激光束水平照射向一字透鏡轉(zhuǎn)換為線狀光帶，投射到往復(fù)擺動的反射鏡上，反射后形成往復(fù)掃描的光帶投射至下方的栽培區(qū)；
[0021]激光束發(fā)散裝置C，由依次設(shè)于分光棱鏡一側(cè)的一字透鏡、多棱鏡，以及驅(qū)動多棱鏡旋轉(zhuǎn)的電機組成；調(diào)節(jié)分光棱鏡方向使分出的分支激光束水平照射向一字透鏡轉(zhuǎn)換為線狀光帶，投射到旋轉(zhuǎn)的多棱鏡上，反射后形成重復(fù)掃描的光帶投射至下方的栽培區(qū)。
[0022]所述圖案燈頭優(yōu)選彳兩天星圖案燈頭。
[0023]不同植物對光量子流密度的要求不同，因此本發(fā)明分支激光束發(fā)散后投射到栽培區(qū)的光量子流密度根據(jù)所栽培的植物進行調(diào)整，滿足所栽培植物的生長需求即可(一般認為大于等于150μηιο1.m_2.s ―1即可基本滿足植物需要)。
[0024]激光束發(fā)散裝置A的實質(zhì)為將分支激光束散射，在空間上進行發(fā)散，以照射的單位面積內(nèi)的光量子流密度變小換取了單一分支激光束所能照射的面積變大的結(jié)果(只要投射至植物冠層的光量子流密度能滿足植物生長需求即可)。
[0025]激光束發(fā)散裝置B和激光束發(fā)散裝置C的實質(zhì)為將分支激光束轉(zhuǎn)換為線狀光帶進行空間上的發(fā)散，再通過往復(fù)擺動反射鏡或旋轉(zhuǎn)多棱鏡的反射作用，在下方區(qū)域形成往復(fù)掃描區(qū)或重復(fù)掃描區(qū)，這樣使得單一分支激光束最終能照射的面積變?yōu)檎麄€掃描區(qū)，面積變大。同時，對于掃描區(qū)內(nèi)種植的植物來說，葉綠體在掃描閃光時通過光反應(yīng)吸收的光量子能夠被貯藏在反應(yīng)中心用于暗反應(yīng)，只要掃描閃光的頻率和提供的光量子足夠滿足光反應(yīng)的需求，即投射至植物冠層的光量子流密度能滿足植物生長需求即可，掃描間隙沒有光的時間就不會對光合作用的速率起限制作用，也就不會進而影響植物的生長速度，。
[0026]本發(fā)明還提供所述激光發(fā)射器外置式人工光系統(tǒng)的使用方法，其為:激光發(fā)射器透過墻上的小孔向栽培設(shè)施內(nèi)水平發(fā)射激光束，每個分光棱鏡將射至其上的激光束分出一支分支激光束射向?qū)?yīng)的激光束發(fā)散裝置，未被分出的激光束則繼續(xù)射向下一個分光棱鏡；每個激光發(fā)散裝置將射至其上的分支激光束發(fā)散后照射其下方的栽培區(qū)。
[0027]本發(fā)明還提供所述激光發(fā)射器外置式人工光系統(tǒng)在植物栽培中的應(yīng)用。
[0028]本發(fā)明所述激光發(fā)射器外置式人工光系統(tǒng)的優(yōu)點如下:
[0029]高壓鈉燈及熒光燈等，其發(fā)光原理導(dǎo)致它們的發(fā)射光譜中大量波長的光不能被植物高效吸收利用，光能利用率低，同時產(chǎn)生大量的熱，大幅增加設(shè)施內(nèi)的熱負荷；現(xiàn)有LED光源投射在植物冠層的光量子流密度要想達到一個理想值往往需要大量的電能輸入，且光強隨著光源-植株間距的增加呈指數(shù)下降趨勢。
[0030]而本發(fā)明激光發(fā)射器外置式人工光系統(tǒng)則沒有上述缺陷:
[0031](I)本發(fā)明激光發(fā)射器外置式人工光系統(tǒng)使用的激光發(fā)射器外置外置于栽培設(shè)施夕卜，且激光變?yōu)闊崮苌⑹У谋壤。粫黾釉耘嘣O(shè)施內(nèi)的熱負荷，無需進行人工散熱，大大降低了植物栽培過程中的能耗。
[0032](2)本發(fā)明針對激光中大量光子集中在一個極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度極高的特性，將激光束分散，之后再投射至植物冠層，利用了激光具有幾乎單一的波長，即使經(jīng)過長距離的傳播依然能保持其強度和波形的特點，達到使用少量的激光束就能確保大量植物的生長需求的目的，光能利用率高，大大降低了植物栽培過程中人工光源的能耗。
【附圖說明】
[0033]圖1本發(fā)明實施例1激光發(fā)射器外置式人工光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示