LED植物光源阵列设计与光环境研究

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1、硕士学位论文LED植物光源阵列设计与光环境研究作者姓名符民学科专业材料物理与化学指导老师文尚胜教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年4月ResearchonLEDPlantLightSourceArrayDesignandLightEnvironmentADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：FuMinSupervisor：Prof.WenShangshengSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类

2、号：TN312+.8学校代号：10561学号：201520114165华南理工大学硕士学位论文LED植物光源阵列设计与光环境研究作者姓名：符民指导教师姓名、职称：文尚胜教授申请学位级别：硕士学科专业名称：材料物理与化学研究方向：半导体照明技术论文提交日期：2018年4月16日论文答辩日期：2018年5月31日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：宁洪龙委员：覃东欢吴为敬文尚胜姚日晖摘要光是植物生长发育与形态建成必不可少的一种外在环境影响因子，其主要从光周期、光照强度与光质等方面来调控植物的生长发育与形态

3、建成。光质，即光的波长，是光的重要属性。可见光的光谱波长是380-780nm，而植物的主要吸收光谱却主要在640-660nm的红光区域与430-450nm蓝紫光区域。在自然环境中，随着天气气候的不断变化，照射到植物表面的可见光光谱组成也是在不断变化的，这就为人工光源补光提供了可能。现代设施农业也已经广泛应用人工光源补光措施来为农作物增加产量。随着半导体照明技术的发展，LED因其具有高光电转换效率、能耗低、波长单一且易于组合、冷光源可近距离照射等优点，目前已经成为设施农业的植物光源首选。因此，本文以LED作为植物光源，分别从植物生长的

4、光环境需求与高效率的LED植物光源阵列优化设计进行研究，从而为植物照明领域提供科学的理论依据。本文利用LED精量调制光源，研究不同光质对芦荟与小白菜生长的影响。研究结果表明，红光(Red)能促进芦荟叶片的伸长，蓝光(Blue)有利于促进芦荟叶片厚度的增加，而LED红蓝复合光7R/1B的光配比处理下的芦荟的各项指标增长量最大，对芦荟生长12影响最大；在光处理PPFD均为85molms的情况下，白光和红蓝混合光3R/1B有利于小白菜的生长，在红蓝混合光的基础上添加黄光不利于小白菜的生长。为了提高LED植物光源的有效利用率，本文基于

5、Taguchi的实验方法对LED植物红蓝光源阵列进行设计和优化，用MATLAB软件编程进行仿真模拟，通过ANOVA方法分析得出对植物光源照射距离为10cm处的红蓝光的光子数比值（R/B）分布均匀度影响最大的因子，并对实验最优结果采用TracePro光学软件进行试验验证，从而获得本次实验最佳的参数组合。结果表明，曲率半径为50mm的凹形曲面底板的圆心加点排布方式，圆心为LED蓝光芯片，圆环上为LED红光芯片，芯片数量分别为6个LED红光芯片，1个LED蓝光芯片，芯片距离为10mm的最优化组合是本次试验的最优组合。通过ANOVA方法分析

6、得出，LED红蓝芯片之间的间距对植物光源的R/B的均匀分布影响最大，占有35.17%的比例，LED红蓝芯片的排布方式也不可忽略，因为其占有了28.05%的影响比例。本文又将遗传算法与Taguchi方法结合起来，采用ANOVA方法分析得出对距离植物光源为10cm处红蓝光的光子数比值（R/B）分布均匀度影响最大的影响因子，最后I通过实验验证本次实验最佳的参数组合。结果表明：当光源平面S的面积为20cm×20cm，目标平面T的面积为30cm×30cm，芯片数量为8个红光芯片，4个蓝光芯片时，全部芯片阵列排布由遗传算法设计的参数组合是本次实

7、验的最佳组合。同时，通过ANOVA方法分析得出，目标平面T的面积对植物光源的R/B均匀分布影响最大，占有40.75%的影响比例，为进一步LED植物光源的优化设计提供理论依据。关键词：发光二极管；植物照明；光质；Taguchi方法；遗传算法IIAbstractLight,asanexternalenvironmentalimpactfactor,isnecessaryforplantgrowthandmorphogenesis.Itregulatesplantgrowthandmorphogenesismainlyfromtheasp

8、ectsofphotoperiod,lightintensityandlightquality.Lightquality,thewavelengthoflight,isanimportantpropertyoflight.Thespe