2011年8月22日 星期一

LED植物燈在植物栽培中的應用


光環境是植物生長發育不可缺少的重要物理環境因素之一,通過光質調節,控制植株形態建成是設施栽培領域的一項重要技術。

High-power LED大功率作為第五代新型照明光源,LED具有許多不同於其他光源的特點,這也使其成為節能環保光源的首選。應用於植物培養領域的LED還表現以下特徵:波長類型豐富、正好與植物光合成和光形態建成的光譜範圍吻合;頻譜波寬度半寬窄,可按照需要組合獲得純正單色光與複合光譜;可以集中特定波長的光均衡地照射作物;不僅可以調節作物開花與結實,而且還能控制株高和植物的營養成分;系統發熱少,佔用空間小,可用於多層栽培立體組合系統,實現了低熱負荷和生產空間小型化;此外,其特強的耐用性也降低了運行成本。由於這些顯著的特徵,LED十分適合應用於可控設施環境中的植物栽培,如植物組織培養、設施園藝與工廠化育苗和航太生態生保系統等。
光環境是植物生長發育不可缺少的重要物理環境因素之一,通過光質調節,控制植株形態建成是設施栽培領域的一項重要技術。


LED應用於植物設施栽培的研究

植物生長的光環境控制照明技術已經引起重視。設施園藝照明技術主要應用於兩個方面:一、在日照量少或日照時間短的時候作為植物光合作用的補充照明;二、作為植物光週期、光形態建成的誘導照明。 
1. LED作為植物光合作用補充照明的研究


傳統人工光源產生太多熱量,如採用LED補充照明和水培系統,空氣能夠被迴圈使用,過多的熱量和水份可以被移除,電能能夠被高效地轉變為有效光合輻射,最終轉化為植物物質。研究表明:採用LED照明,生菜的生長速率、光合速率都提高 30%以上,將LED用於植物工廠是可行的。

研究發現,與螢光燈相比,混合波長的LED光源能夠顯著促進菠菜、蘿蔔和生菜的生長發育,提高形態指標;能夠使甜菜生物積累量最大,毛根中甜菜素積累最顯著,並在毛根中產生最高的糖分和澱粉積累。

與金屬鹵化燈相比,生長在符合波長LED下的胡椒、紫蘇植株,其莖、葉的解剖學形態發生顯著的變化,並且隨著光密度提高,植株的光合速率提高。複合波長的LED可引起萬壽菊和鼠尾草兩種植物的氣孔數目增多。

2. LED作為植物光週期、光形態建成的誘導照明

特定波長的LED可影響植物的開花時間、品質和花期持續時間。某些波長的LED能夠提高植物的花芽數和開花數;某些波長的LED能夠降低成花反應,調控了花梗長度和花期,有利於切花生產和上市。由此可見通過LED調控可以調控植物的開花和隨後的生長。
3. LED應用於航太生態生保系統的研究
建立受控生態生保系統(Controlled Ecological Life Support System,CELSS)是解決長期載人航太生命保障問題的根本途徑,高等植物的栽培是CELSS的重要元件,其關鍵之一光照。

基於空間環境的特殊要求,空間高等植物栽培中使用的光源必須具有發光效率高、輸出的光波適合於植物光合作用和形態建成、體積小、重量輕、壽命長、高安全可靠性記錄和無環境污染等特點。與冷白螢光燈、高壓鈉燈和金屬鹵素燈等其他光源相比較,LED更能有效地將光能轉化成光合有效輻射;此外,它具有壽命長、體積小、重量輕和呈固態等特點,因此,近年來在地面和空間植物栽培中倍受重視。研究表明LED照明系統能提供光譜能量分佈均勻的照明,其電能轉換為植物所需光的效率超過金鹵燈的520倍。

解析LED植物燈對光合作用的補光應用

  植物都需要陽光的照射才能生長的更加茂盛。光對植物生長的作用是促進植物葉綠素吸收二氧化碳和水等養份,合成碳水化合物。但現代科學可以讓植物在沒有太陽的地方更好地生長,人們掌握了植物對太陽需要的內在原理,就是葉片的光合作用,在葉片光合作用時需要外界光子的激發才可完成整個光合過程,太陽光線就是光子激發的一過供能過程。人為的創造光源也同樣可以讓植物完成光合過程,現代園藝或者植物工廠內都結合了補光技術或者完全的人工光技術。科學家發現藍光區和紅光區十分接近植物光合作用的效率曲線,是植物生長的最佳光源。

LED植物燈知識:
  1. 不同波長的光線對於植物光合作用的影響是不同的,植物光合作用需要的光線,波長在400-700nm左右。400-500nm(藍色)的光線以及615-720nm(紅色)對於光合作用貢獻最大。
  2. 藍色和紅色的LED,剛好可以提供植物所需的光線,因此,LED植物燈,比較理想的選擇就是使用這兩種顏色組合。在視覺效果上,紅藍組合的植物燈呈現粉紅色。
  3. 藍色光能促進綠葉生長;紅色光有助於開花結果和延長花期。
  4. LED植物燈的紅藍LED比例一般在4:1--9:1之間為宜,通常可選4-7:1。
     
LED應用於植物設施栽培的前景分析
LED以其固有的優越性正吸引著世界的目光。特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下,由於LED光源具有發光效率高、使用壽命長、安全可靠,環保節能等特性,使LED在照明市場的前景更備受全球矚目。

在傳統農業生產中一般使用普通電光源補充光照和應用不同覆蓋材料等農業技術措施,如採用單色螢光燈或彩色塑膠薄膜,改變光環境以調控設施栽培環境中植物的生長發育。但這些措施存在著不同程度的問題,如缺乏對具體光譜成分的分析導致光質處理不純,光強不一致、接近甚至或低於植物的光補償點,照射光源能效低等。LED在植物設施栽培環境中的大量應用研究結果表明,High-power LED大功率能夠解決這些難題,特別適合應用於人工光控制型植物設施栽培環境。
採用LED半導體燈泡配置出最適合植物生長的光源

  按比例設置的彩色燈光能讓草莓、番茄變得更甜,營養更豐富。用燈光照射冬青幼苗,就是模倣植物在室外的光合作用。光合作用是指綠色植物通過葉綠體,利用光能,把二氧化碳和水轉化成儲存著能量的有機物,並且釋放出氧的過程。太陽光是由不同顏色的光線組成的,不同顏色的光對植物生長能產生不同的作用。
LED光源又稱半導體光源,這種光源波長比較窄,能控制光的顏色。用它對植物進行單獨照射,就能改良植物品種。
植物工廠是國際公認的設施農業最高級發展階段,是一種技術密集、不受或很少受自然條件制約的全新生產方式。

2011年8月10日 星期三

總諧波失真: THD (Total Harmonic Distortion)

Total Harmonic Distortion,簡稱 THD。在講解之前,先來瞭解 Harmonic Distortion,也就是諧波失真。諧波失真用來表示檢測非線性失真(Nonlinear Distortion)的結果,非線性失真的定義是輸入訊號經過處理後,輸出時所產生的錯誤部分,這個錯誤部分與原本的輸入訊號無關,通常會在輸入訊號以外的頻率產生其他錯誤訊號。總諧波失真則是用來測試每一個從原始訊號產生出來的新頻率,也就是剛才定義的非線性失真,這些屬於非線性失真的頻率就稱為諧波(harmonics),而且這些諧波的產生位置是原始訊號頻率的整數倍位置,例如 1000Hz 的諧波就是 2kHz、3kHz、4kHz 等。測試 THD 時,是發出 1000Hz 的聲音來檢測,所以圖形中在 1000Hz 的位置會有峰波,我們要觀察的是 1000Hz 右邊產生出來的諧波多寡。這一個值越小越好。 在真空管的機器上,THD 通常相當的多,但是這卻讓聲音產生溫暖和諧的感覺,不過一般的電晶體裝置,例如解碼器、音效卡,其上的奇次諧波(以 1000Hz 來說,3k、5k、7k 就是它的奇次諧波)不會讓聲音變好聽,所以其 THD 值還是要越低越好,通常高品質的裝置都會低於 0.002%。

2011年6月11日 星期六

何謂色溫? CCT

何謂色溫 Color temperature

在彩色攝影中,色溫是影響色彩其中一個重要的環節,色溫代表物體被光線照射後所反射之光的色彩組合,光是由彩色的光譜所組成,因為光源性質的不同,物體反射的光線顏色也各有異,如:在陰天時光線偏藍,日光燈下偏綠,夕陽的光線偏黃,由於人眼有適應力感覺不到差異,但底片卻會忠實呈現出來,造成誤差。

色溫的定義與表示法:

19世紀末的一位英國物理學家Lord Kelvin,他制定出了一整套色溫計算法,色溫的表示是以絕對溫度「凱氏溫度 °K」表示,在0°K也就是-273的一個黑色物體(指不會反射入射光的黑色材料),在加熱過程中會散發出光線,隨者溫度的不同,光線顏色會改變,當加熱至2000°K時,物體會散發紅色光線,3000°K時顏色由紅橙轉為黃,到5000°K時為白色,一直到8000°K時為藍色,溫度越高光線中藍色的成分也就越多;溫度越低光線中紅色的成分就越多,而色溫就是以上述方法來表示。


了解了色溫的定義與表示法後,我們把不同的凱氏溫度所對應的顏色整理出來,並對照日常生活中不同可見光源所表現出的色彩,如右表所見:太陽在不同的時間與環境下,以及不同的光源產生的光線都有不同的色溫表現,因此色溫的表現處處皆可見,其中最常見的色溫也就是一般太陽光源所產生的色溫了。
顏色
凱氏溫度
對應光源
深藍
11000°K
藍天
淡藍
5000~8000°K
陰天
淡綠
6000~7000°K
日光燈
白色
5400°K
平均中午日光
淡黃
4500°K
日出後日落前1hr
黃色
3400°K
攝影棚燈
深黃
3200°K
鎢絲燈
橘黃
3000°K
黃昏
黃紅
1900°K
燭光


2011年6月10日 星期五

LED 相關名詞解釋

  • 光子 (photon) : 為一種靜止質量為零的粒子,具有能量及動量.光子的能量與光的波長頻率成正比.
  • 演色性 (CRI) : 物體在人工光源下與相較於在太陽光 (自然光) 下的感受真實度比例. 演色性越高,表示眼睛所感受的物體越接近自然.
  • 色溫 (CCT) : 指透過物理性或客觀性尺度來表現光源的色調,以決定照明場所的氣氛.衡量色溫的單位為K (Kelvin) .若色溫越高,表示光色較偏藍色,反之,色溫越低,則表示越近紅色.一般來說,高效率的節能燈所發出的光為高色溫(約4500K ~ 6500K). 
  • nm (nanmeter, 奈米) : 為長度單位,1奈米等於10億分之一公尺,大小相當於分子結構或生物DNA層次.
  • lm (Lumen, 流明) : 為光通量的單位,光通量是指光源在某一單位時間內發出的光量總合,簡單說就是每秒鐘的光通量.通常100瓦的燈泡可產生1,750 lm的發光量.
  • lm/W (流明/瓦) : 為發光效率的單位,光源效率的算法是將發光量除以所需消耗的電量,意即為每一瓦電力所發出的光量,若數值越高,表示光源效率越高,也越能達到節能效果.
  • cd (Candela, 燭光) : 為測量發光量 (或光通量) 的強度單位,又稱光度.指從某一特定方向內放射出來的發光量,若光度越大,則光源越亮,通常發光強度為1cd 的光源,可以放射出約12.57 lm的光通量. 1cd  = 1000 mcd (毫燭光).
  • 照度 : 為光源投射到某一單位面積上的光通量,單位為Lux. 1 Lux = 1 lm/平方公尺.
  • 輝度 : 為測量光的反射現象程度,單位為 Nit = cd/平方公尺. 輝度是用來評估發光體對眼睛的刺激程度,若輝度越高,代標眼睛感覺越刺眼.

讓LED發光的功臣--螢光粉

作者:王書任、林仁鈞 中國製釉股份有限公司
張貼日期:2009/3/4

螢光物質受光刺激,其內電子受激到高能階的激發狀態後,回到原有的低能階狀態時,能量以光的形式輻射出來,就是所謂的「光致發光」。不同螢光陶瓷粉末受光激發後,發出的光顏色不同,研發新型且具高發光效率的螢光粉,是目前LED發展的目標之一。

螢光粉的發展
自 1938 年鎢酸鎂、鎢酸鈣、矽酸鋅等螢光粉用在發光和顯示產品以來,已有 70 年之久。50 年代之後,螢光性化合物逐漸發展為複雜的化合物,如鹵磷酸鈣。70 年代末期,則偏向含氧鹽與稀土化合物的研發,以氧氟化鑭系螢光粉為基體,添加鉛、鉍為活化劑,形成雙重活化的氧氟化鑭系螢光粉。

近來年,由於稀土螢光粉,如氧化釔、氧化鑭等稀土族氧化物的開發,至今螢光粉的種類已達 30 多種。其中研發技術純熟的硫化鋅族,最常使用在陰極射線管顯示器上,而氧化釔因具有量子效率高、化學穩定性佳等優點,已廣泛運用在日光燈、液晶顯示器(liquid crystal display, LCD)等產品中。

LED 的發展可從 90 年代初期,日亞化學(Nichia)開發藍光 LED 螢光粉講起。著名的 YAG 螢光粉「Y3Al5O12:Ce;釔鋁石榴石」搭配藍光 LED 晶片,是目前業界公認效率最高的螢光粉。YAG 螢光粉是一種陶瓷粉末,螢光物質受光刺激,其內電子受激到高能階的激發狀態後,回到原有的低能階狀態時,能量以光的形式輻射出來,就是所謂的「光致發光」。

光致發光可分為螢光及磷光兩種。物質吸收外部光源的能量後,位於基態的電子躍遷至激發態,這時若直接由這能態迅速緩解至激發態中的最低振動能態,再以放光形式回到基態,就稱為螢光。若是經由系統間跨越(intersystem crossing)轉移至電子自旋是三重態的能態,再緩解至最低振動能態,然後以放光的形式釋放能量回至基態,則稱為磷光。不同螢光陶瓷粉末受光激發後發出的光顏色不同,研發新型且具高發光效率的螢光粉,是目前 LED 發展的目標之一。

螢光粉主要由主晶體與活化劑組成,有時還需要助活化劑(敏感劑)。主晶體在光的激發過程中傳送能量,活化劑則激發活化主晶格。

混合不同主晶體及活化劑,可以產製發射不同波長的螢光粉,因此設計螢光粉必須考慮主晶體與活化劑的選擇。一般熱門實用的照明用白光 LED,是用波長 445 ~ 475 nm 的高亮度藍光 LED 激發 YAG 黃色螢光粉,利用藍光與黃光是互補色光的原理,混光成為高亮度白光,而製作出白光發光二極體。另外還有利用波長 430 ~ 350 nm 的紫外光,激發紅、綠、藍三色螢光粉來產生白光 LED 的方法。

螢光材料的發展由早期較不安定的硫化物,到後來化學穩定性佳的矽酸鹽螢光材料,近期則以氮化物及氮氧化物最為熱門。各類螢光材料的摻雜元素,也由傳統三價銪 Eu (III)、三價鈰 Ce (III)、三價鋱 Tb (III),到近期因關注高演色性目標所衍生出紅光需求的四價錳 Mn (IV)。
除了日亞化學 YAG 這項專利技術外,其他也有像歐斯朗(Osram)公司的 TAG(Tb3Al5O12:Ce:Ce)螢光粉搭配藍光 LED 的白光技術。TAG 跟 YAG 最主要差別在於 YAG 主體是 Y(釔),而 TAG 主體是 Tb(鋱),目前在發光效率上 TAG 都無法超過 YAG。

YAG 螢光粉會受到歡迎有兩個相當重要的理由。首先是它在吸收 450 與 470 nm 波長(藍光光譜範圍)的光之後,可以產生 550 與 560 nm 波長的光,在混色原理上,藍光加上黃光後會產生白光。此外,YAG 螢光粉發光光譜相當廣,對於波長的誤差容忍度也相對地提高,讓封裝業者生產白光 LED 時,可以提高生產的良率進而降低成本。另一理由是,它是市面上最容易取得且效率最好的螢光粉。

螢光粉的來源與取得

在 2007 年中,15 種稀土的需求量總和是 11 萬噸,其中 90% 來自中國(包含江西、四川與其他)。在綠色節能趨勢的影響下,LED 漸漸取代傳統燈泡,製備螢光粉使用到的釔(Yttrium, Y)、銪(Europium, Eu)等稀土元素的需求也開始成長。此外,政府的立法也加速了稀土元素的消耗。例如,澳洲預計 2010 年立法禁用白熾燈具,美國加州、阿拉斯加等州及中國也政策性支持類似做法,這會全面加速稀土元素的大量消耗。

從供需層面來看,造成稀土價格上升的主要因素其實並非供需問題,就有調查研究指出,全球的稀土存量足夠供應到 2012 年之後。那麼造成價格上升的主因為何?在於中國的限量出口,使得供應鏈保持緊縮。在綠色節能的趨勢下,改用稀土元素的照明與顯示將消耗大量的稀土元素,估計未來五年稀土元素的用量會成長一倍以上,因此尋找中國之外的其他稀土材料來源變得很重要。另外,稀土元素的回收也成為未來的趨勢,大約要有 10 ~ 15% 的稀土元素來自回收材料,才能有效平衡與抑制價格的遽升。

螢光粉製程

在螢光粉的生產中,固態反應法是最普遍也最方便的製程。以常見的 YAG 螢光粉為例,大概是先把原料以乾混或濕混方式混合,經過攝氏 1,000 度持溫 6 小時在空氣中氧化,之後再加入助熔劑,幫助晶粒成長及表面缺陷修補。在大約攝氏 1,600 度以上高溫的氮氫氣氛下還原,洗去助熔劑,用氧化鋁石球磨研磨成粉,最後經過篩網篩選即得成品。

另一種較常見的製程是溶膠凝膠法,是使金屬醇鹽水解聚合而成網狀凝膠。大部分金屬醇鹽和水反應極快,因此選擇的溶劑是水,水解程度的控制是調製溶膠的關鍵技術。這個製作方法的優點是成分均勻且純度高,可在低溫下處理,化學計量準確,但需要昂貴的金屬醇鹽,而且製備時間長,因此一般大量生產不太採用這個方法。

LED的應用

目前全球 LED 的發展,以白光 LED 與高亮度 LED 為主要方向。在環保需求與高價能源時代即將來臨的今天,白光 LED 因省電與輕薄短小,並可製作成大尺寸陣列發光模組,將在照明領域成為明日之星。例如,大功率 LED 光源在汽車上的應用越來越廣泛,包括汽車頭燈、主煞車燈、尾燈、方向燈、倒車燈、牌照燈等。此外,紅綠燈也都慢慢改用 LED 光源,不僅亮度提高增加安全性,也較省電。

近年來,歐、美、日各國在全球節能及講求環保的共識下,也選擇了白光 LED 做為 21 世紀照明的新光源,並成立由政府主導的產官學研計畫,進行為期 5 ~ 10 年的研究開發與推廣。現階段無論光學、材料、機械與電子,都是白光 LED 可以發揮的領域,對 LED 未來發展的影響深遠,值得各界共同努力。若 LED 能取代現有的照明光源,會為全球能源產業帶來新一波的革命。

何謂 演色性 ?

簡單來說,演色性是物體在光源下的感受與再太陽光下的感受的真實度百分比。演色性高的光源對顏色的表現較逼真,眼睛所呈現的物體愈接近自然原味。也就是說人類使用人工光源來表現色彩的自然程度,這種逼真的效果稱為演色性。
在照明器具的選擇上若以健康舒適為訴求的話,則必須以各種燈光的色溫種類與演色性為最高考量。一般而言,在最適色溫(4000-5000K)的表現上與最高演色能力(RA)的表現上,以三波長日光燈管表現能力最佳(色溫4000-5000K,演色性80-85左右)。其次則是普通太陽色日光燈(色溫約5000K,演色性70左右),最差則是省電燈泡系(色溫僅制式的黃光2800K與白光6500K,演色性大都在65以下)



以上以健康舒適為主題訴求是這麼排序的,在電影工業裡,較常採用的是鹵素燈。鹵素燈具的Ra(演色性)是相當好的,以下有一張表可以顯示各式燈具的Ra

PS: 鹵素燈 白熾燈 都是演色性100的產品


光源
種類
效率(Lm/W)
演色性
色溫度
K
光色效果
用途
Ra
評估
白熾燈
清光泡
6~25
100
極佳
2900
具暖和效果,輝度高
稍微要求講究穩重氣氛之起居室、浴室等場所。
顯現食物美色之餐桌照明。
點滅次數多,點燈時間較短之玄關、廁所等場所。
磨砂泡
6~25
具暖和、舒適效果
真珠泡
10~15
光色柔和照明氣氛快樂
鹵素燈
J型、JCV型、JC型、JDR
10~20
100
極佳
3000
演色性佳、光色清晰、鮮艷
餐桌、客廳、壁飾等照明。
日光燈



晝光色
45~75
74
6500
微藍色光、具涼爽氣氛
一般場所
白色
48~82
61
4200
微黃色光、具溫暖氣氛
晝白色
48~82
72
5000
白色光、具柔和氣氛
高演色性
58~95
95
極佳
5000
與白熾燈泡同
要求真實色彩表現之場所
三波長晝光色
54~88
84
6700
具清涼感、物體原色、清晰可見
書房、客廳、臥室等
三波長白色
58~95
84
5000
柔和色彩、自然健康
水銀燈

清光
40~50
23
6000
刺眼
庭園、景觀照明、室外通道照明、圍牆照明、轉角照明
螢光色
45~70
53
尚可
4100
白色光、較不刺眼