設(shè)施園藝照明是耗電過(guò)程，是一項(xiàng)生產(chǎn)工程技術(shù)，節(jié)能高效是追求主體目標(biāo)。設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)是設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其智能化、節(jié)能性能的高低直接關(guān)系到照明效率和效果，節(jié)能性和生物光效高低是決定設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)優(yōu)劣的最終標(biāo)準(zhǔn)。

從光能產(chǎn)生到植物吸收利用的過(guò)程來(lái)分析，設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)的光能利用效率是指電能轉(zhuǎn)化為光能被植物利用的效率，它受3個(gè)環(huán)節(jié)控制，即LED光源及LED燈具、LED燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)、光環(huán)境智能控制系統(tǒng)。

因此，為了提高設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)的光能利用效率，需要從上述3個(gè)方面來(lái)解析研發(fā)。

設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)光能利用效率需不斷提升優(yōu)化。設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)光效提升的途徑主要包括以下幾個(gè)途經(jīng)。

①LED光源及LED燈發(fā)光效率。以人工光源燈具輸出的光合有效光量子通量與其單位耗電量的比值，即光合有效光量子效率(mol/W)來(lái)評(píng)價(jià)光源燈具光效，但這必須以光譜構(gòu)建為基礎(chǔ)。

 

首先，在LED芯片光質(zhì)構(gòu)建方面通過(guò)芯片選型、光譜構(gòu)建、熒光粉應(yīng)用、封裝方式等獲得低成本、節(jié)能高效光譜；其次，按照需要選擇適宜的LED燈珠發(fā)光角度和LED陣列排布方式，獲得垂直方向適宜的光強(qiáng)分布和均勻性；再次，通過(guò)LED光源燈具發(fā)光面性狀設(shè)計(jì)，獲得最大冠層光能截獲率，提高光照效益；最后，改進(jìn)燈具的散熱系統(tǒng)裝置，提高壽命，獲得較好的投入產(chǎn)出效益。

 

目前，常見(jiàn)幾種散熱方式有：自然冷卻、主動(dòng)空氣冷卻、直接液體冷卻等，通過(guò)熱導(dǎo)熱、熱對(duì)流和熱輻射散熱。

 

②LED燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)效率。LED燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)涉及LED燈與作物冠層相對(duì)空間關(guān)系，涉及到光束照射方向、照射面、冠層光截獲比例等參數(shù)。光環(huán)境智能控制系統(tǒng)關(guān)系到光照的時(shí)空生物有效性、強(qiáng)度適宜性和產(chǎn)量品質(zhì)效益等3個(gè)方面。

 

LED燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)包括懸掛方式、空間位置調(diào)節(jié)裝置、栽培平臺(tái)創(chuàng)新與調(diào)控等環(huán)節(jié)的技術(shù)途徑。

③光環(huán)境智能控制系統(tǒng)效率。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)按需給光，最大限度地發(fā)揮光能與光信號(hào)的生物學(xué)功能。

 

設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明的本質(zhì)特征是光環(huán)境（光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期）的精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)、按需調(diào)控，實(shí)施高效的農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明就需要以農(nóng)業(yè)生物光環(huán)境需求時(shí)空規(guī)律為基礎(chǔ)建立不同的調(diào)控策略，迫切需要構(gòu)建農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明大數(shù)據(jù)及智能控制系統(tǒng)。

 

光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期的控制，從光的質(zhì)量和數(shù)量雙重角度與植物光環(huán)境需求規(guī)律相對(duì)應(yīng)，恰到好處地為植物生長(zhǎng)提供適宜的光環(huán)境條件最大限度地從時(shí)空角度挖掘植物生長(zhǎng)發(fā)育的潛力，最大地促進(jìn)植物快速優(yōu)質(zhì)生長(zhǎng)。為了構(gòu)建農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明大數(shù)據(jù)，需要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和農(nóng)業(yè)生物種類為核心，以優(yōu)化光質(zhì)種類及其數(shù)量屬性為重點(diǎn)，建立優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)光環(huán)境需求動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，建立調(diào)控策略和軟硬件裝備。

溫室補(bǔ)光技術(shù)

Nederhoff(2000)指出LED是溫室補(bǔ)光的有前景的技術(shù)，比HPS更加高效可行。某些LED的光電轉(zhuǎn)換效率高于HPS，且仍在提高。而且，在激活植物光合作用方面，紅光高于HPS燈。LED具有特殊光質(zhì)，可啟動(dòng)植物特殊效應(yīng)，或控制植物過(guò)程和植物平衡（形態(tài)建成效應(yīng)）。

 

在荷蘭，LED可提高能量效率。荷蘭相關(guān)研究表明，LED應(yīng)用于冬季果菜、沙拉植物（尤指萵苣）、藥用植物、切花和觀賞植物生產(chǎn)是可行的。

 

根據(jù)燈具懸掛方式與照射方向，以及LED光源與燈具和冠層相對(duì)位置關(guān)系，溫室補(bǔ)光技術(shù)分為溫室頂部補(bǔ)光、冠層頂部補(bǔ)光(Top lighting)、行間冠層補(bǔ)光(interlighting)、冠層內(nèi)補(bǔ)光、（落地）垂直側(cè)面補(bǔ)光和立體多層照明系統(tǒng)(muli-layer systems)六大類。
溫室HPS照明通常安裝于溫室頂部，距離作物頂部1.5m以上，防止高溫灼傷植物，因?yàn)長(zhǎng)ED不產(chǎn)生輻射熱，可貼近植物照射。行間補(bǔ)光是指LED燈被放在植物間，高度處于光合活性較高的葉片群位置，光效增高。在有光照條件下，作物下部葉片可保持活性更長(zhǎng)時(shí)間。而且，空氣冷卻型LED燈放于植物間其所放熱量釋放可加熱植物。
HPS燈釋放熱量加溫植物刺激葉片呼吸作用，相反呼吸作用冷卻葉片，所以HPS燈下植物葉片溫度可低于、等于或高于周圍空氣溫度。呼吸作用在HPS燈下較高，而在水冷頂部補(bǔ)光LED燈下最低。荷蘭標(biāo)準(zhǔn)化燈具安裝，光強(qiáng)在80～120umo/m2·s，最大200umol/m2·s。

不同補(bǔ)光方式存在光照與葉片角度差異。過(guò)去十幾年，許多研究集中于比較不同補(bǔ)光光源種類之間，不同藍(lán)光比例之間，以及補(bǔ)光方式之間的節(jié)能與作物反應(yīng)效果差異。

冠層頂部補(bǔ)光技術(shù)

借助LED光源向下冷光源的特性，在冠層上部平行于冠層水平面懸掛LED燈具，垂直照射冠層上表面。這種方式適用于薄冠層、高密度、冠層上表面較齊整的溫室生產(chǎn)方式，比如育苗、葉菜生產(chǎn)等。由于LED冷光源可以近距離照射植物，可將LED燈置于冠層上方距離較近之處。

 

目前，可通過(guò)培養(yǎng)架（張立偉等，2010）、水培層架（李雯琳等，2010）或可移動(dòng)燈架(吳家森等，2009)等栽培裝置將LED燈安裝在作物冠層的正上方。苗期增加光合作用DLI(photosynthetic daily light integral)提高花壇植物苗的生長(zhǎng)和開(kāi)花。在育苗的不同時(shí)期增加DLI對(duì)植株和隨后生長(zhǎng)發(fā)育的影響(Oh等，2010)。

行間冠層補(bǔ)光技術(shù)

行間冠層補(bǔ)光技術(shù)是將LED燈置于作物兩行間冠層高度位置，通過(guò)特定發(fā)光角度設(shè)計(jì)雙向或單向照射冠層光合活性葉片群。照射角度盡量與葉片垂直，以提高截獲光強(qiáng)水平。該方法適于用雙向LED燈。該技術(shù)適合高大果菜溫室生產(chǎn)補(bǔ)光，如番茄、黃瓜等，能夠最大化提光合活性葉片群光合能力，并近距離運(yùn)輸給生長(zhǎng)點(diǎn)和果實(shí)。
Henández和Kubota(2012)研究了不同光譜LED行間補(bǔ)光對(duì)溫室迷你黃瓜的影響，頂部補(bǔ)光光強(qiáng)(145umol/m2·s，PAR)由HPS提供。3種LED補(bǔ)光光譜為紅光、藍(lán)光和白光LEDs，14.5umol/m2·s，僅為頂部補(bǔ)光的10％。

所有LED補(bǔ)光提高了果實(shí)外觀品質(zhì)，也在早期增加果實(shí)產(chǎn)量，但增產(chǎn)效應(yīng)后期消失。較小的作物冠層和郁密度(LED補(bǔ)光系統(tǒng)上)降低了光的截獲，有益效益下降。