LED灯光谱和水草光合作用关系的研究 - 原创

本帖最后由 jameshe 于 2011-9-10 06:54 编辑

LED照明是未来十年的一个发展趋势。用于水草缸的照明，也是一个全新的领域。
符合高效，环保，低碳的要求。

1，叶绿素的吸收光谱


最上面的黑色线是抵达地球表面的阳光的光谱。

高等植物的叶子中，存在的色素有叶绿素a（chlorophyll a），叶绿素b（chlorophyll b），以及β胡萝卜素（β-carotene），还有叶黄素（lutein）等等。这些色素的吸收峰，大约涵盖了红光620nm-680nm以及蓝光380nm-490nm的范围。对于黄光和绿光的吸收很少，所以高等植物看起来是绿色的。

这张图，有意思的地方是中间的红色线和蓝色线，这两种色素，并不存在于高等植物中。红色的是藻红素（phycoerythrin），蓝色的是藻蓝素（phycocyanin）。这两种色素吸收黄光和绿光。存在于蓝绿藻（其实是菌-cyanobacteria）中。蓝绿菌听起来挺耳熟的，就是鱼缸中那种粘粘滑滑的，气味难闻的藻。看来控制光源，可以对付它。呵呵。

叶绿素a对于红光的吸收能力比较强，叶绿素b对于蓝色光的吸收能力比较强。阴生植物的叶绿素b比例高，比较能够利用蓝色光。所以，阴草缸用冷光源效率会好一些。


下面的曲线，是叶绿素a，b和胡萝卜素的复合吸收曲线。
蓝光的峰值在450nm，红光的峰值在680nm。



2，白光LED灯的发射光谱

这个是LED照明国际大厂科锐的XR-E系列白光晶粒的发光光谱。晶粒单价三美元左右。额定功率3W。
蓝色线是冷白光，绿色线是白光，红色线是暖白光。
暖白光的显色指数为80，另外两种白光是75.

白光LED的发光原理，和荧光灯差不多。白光LED，本身是蓝光LED，在外面涂覆荧光粉，把蓝光转换成波长更长的绿黄红光。不同的地方是，荧光灯是输出紫外线，然后通过荧光粉转换成可见光的。



下面这个图，是每种晶粒的发光效率。
最好的晶粒，可以做到每瓦114流明，暖白光晶粒的效率比冷白光晶粒要低一些。


3，蓝光LED和红光LED的发射光谱

这个是LED照明国际大厂科锐的XR-C系列彩色光晶粒的发光光谱。晶粒单价三美元左右。额定功率3W。


4，适合水草缸的照明LED晶粒的选择



背景资料介绍得差不多了。现在来看看，我们有哪些选择。
水草缸的照明灯具，无非要满足两个方面的需求。第一是水草生长的需求，第二是观赏的需求。

国外有成品的植物照明灯，专门用来培养植物的，用八颗红色LED，搭配一颗蓝色LED，灯亮的时候，基本上是不能看的，红红的一片。这类灯，满足了栽培的需要，但是无法满足观赏的需要。

先来看看白光LED的情况。
暖白光在450nm的蓝色光输出较低，能量集中在红光区域，不过大部分的红光能量，并不在水草的吸收峰值区域。所以光合作用的效能比较低。优点是显色性比较好，适合作观赏的用途。
冷白光的能量输出，集中在450nm的蓝光区，和植物的吸收峰值匹配。在植物光合作用弱的红绿光区的能量较低。所以，是最适合水草生长需求的光谱。缺点是色温偏高，显色性差，观赏效果比较差。
白光介于暖白光和冷白光中间，蓝光的输出接近冷白光，不过红光和绿光的输出比冷白光多，这部分也是植物不能充分利用的，白白浪费了。

再来看看彩色LED的情况。
很明显，只有蓝紫色的LED，是最佳的选择。450nm的输出峰值，正好也是植物的吸收峰值。并且也是叶绿素a的吸收峰值，可以被植物直接利用。
蓝色的LED，波长长了一些，落在叶绿素b的吸收范围，所以，不如蓝紫色的LED好。
其它颜色的LED，都不适合水草的需求。红光LED的波长还不够长。没有落在植物对红色光的吸收峰值上。是不足的地方。

在水草缸的应用来说，蓝紫光有个穿透能力的问题，在这个方面，光能有所损失。红光没有这个问题，不过红光的峰值波长不够理想。以后能够推出波长长一些的红光LED，才能弥补这个不足。当然，蓝色LED的发光效率比红光波段的LED要好不少。从输入功率的角度，可能最终的差别不大。

综上所述：
1， 如果选择白光LED做照明，可以搭配一些红光LED来调整色温。满足水草生长和观赏的两方面的需要。
2，如果选择彩色LED做照明。蓝紫光的LED是首选。同时可以搭配绿色和红色的LED。在平时只开蓝紫色LED，供应水草生长需要。在观赏时，关闭部分蓝紫色LED，打开绿色红色LED，形成高显色度的观赏光源。同时达到节能的好处。大型水草缸的照明费用，不是个小数目。

LED灯的还一个明显优势，是光强可随意调节。配合水族控制器，可以创造日出，正午，日落的不同光照效果。这些就不赘述了。

Side note：以前看到有人用蓝紫色的LED，做海水缸的照明，看来珊瑚对光线的需求，和水草是差不多的。今天才明白了背后的道理，呵呵。

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