设施黄瓜生产中人工光系统的优化设计
合理的配光方案需要结合温室材料的透光性和当地自然光的照射规律，综合考虑TL、TL加IL等不同的补光选择及补光时间，以确保设计的补光方案让作物植株冠层受光面积最大、光源输出量最大、补光时长适宜、设施黄瓜产量最高，经济性最好。
a.使用HPS（TL）进行补光
b.使用HPS（IL）进行补光
c.黄瓜产品 (TL加IL条件下生产)
图 利用不同补光灯类型进行设施黄瓜生产
有效活动系数和配光曲线是影响温室光照设备有效性的主要因子。有效活动系数是指光源光通量从电器获得的比例。显然，有效活动系数越高越好。目前电器有效活动系数大约在0.8~0.95，并且很接近理论最大值1。配光曲线描绘的是电器射线在空间中的分配，它取决于光的最大强度电压，配光曲线分为宽的（max=55°~85°），半宽的（max=35°~55°），余弦（max=0°~35°）。
a.HPS（TL）双端灯光谱
b.LED（TL）光谱
注：HPS（TL）1000W双端灯产品主要参数：Rated life＞20000 hrs；PPF：2100 μmol/s；Lamp Lumens Per Watt（Lumens/Watt） 148；
LED（TL）产品主要参数：3.1 μmol/J；IP66 Rating；L90>50000 hrs；Power Factor >0.98；PPF：620 μmol/s。
图 HPS（TL）双端灯光与LED（TL）的光谱对比
简单来说，光照设备发出的光垂直照射到水平面A点，此时A点的光照辐射强度最大，但处于A点的植物叶子表面实际是自由悬挂并接近垂直的，因此垂直方向照射的光线对叶子来说几乎没有什么作用，也就是说，在实际条件下，水平光束照射在叶子表面实际是垂直的并能被叶子有效吸收。因此在温室实际种植条件下，HPS（TL）光线实际上和叶片表面垂直线形成一个夹角，夹角越小，光照效率越高。因此，HPS（TL）通常置于植株行宽的中间，而可升降的悬挂式管式HPS（IL）可更直接地将光束作用于植物叶子表面，增产效果更明显。
图 HPS内反灯（1000W）
表 美光原温室照明基础型HPS
图 光照投射分布
表 两种镇流器的特点比较
在设施黄瓜人工补光的实际条件下，为最大化利用光束的照度，应当使电器的光束不垂直向下，因为在接近水平方向的角度下这些光束能带来最大化的作用。然而现有的光照配置系统并未考虑到实际种植情况，在实际种植中，需要考虑在相同能耗下实现产量的最大化。这一诉求会影响电器的配光曲线，例如宽的配光曲线，光通量集中覆盖角度55°~75°；配光曲线余弦则集中照射在垂直线下的0°~35°。
图 提供了宽配光曲线的黄瓜光照栽培照明系统示意图
由图可以看出，每个植物的叶子受到不同方面不同方向电器的光照，光照是有效的，在没有配置IL设备的情况下，这种补光选择能更有效地被植物吸收利用。图中提供了类似的系统，但却是配光曲线余弦的电器照明。在这里每片叶子只收到一个光，来自两个电器，照明有效性不够。
图 配光曲线余弦的光照栽培照明系统示意图
假设生产中具备了充足的光照有效性，会在设施黄瓜产量上直接体现出来。以芬兰项目为例，芬兰项目温室面积总计3 hm²。设施黄瓜种植共分春季茬口（1月）、夏季茬口（5月）和秋季茬口（9月），每茬平均4个月，其中收获期约1个月左右。黄瓜定植密度平均为2.5株/m²。温室内安装TL和IL两种规格的灯共计10725套，每天温室补光时间19 h，全部灯使用时每小时耗电量5021 kW·h。
在芬兰项目温室中，有一段450 m²的种植单元，应用HPS 600 W的内反灯（宽配光Imax=68°)，其中HPS 600 W内反灯的PPF是1220 μmol/s，对照其他半宽配光的设施黄瓜温室进行了3年时间的对比，结果显示，在补光设备的照射下，温室产量比半宽配光稳定提升了20%~25%，黄瓜年产量达到了160 kg/m²以上，这说明相对半宽配光来说，在没有增加IL的情况下，宽配光曲线方案是有效的。
目前芬兰、俄罗斯都在广泛推广使用IL系统，与TL一起，形成立体补光方案，设施内的黄瓜植株能够最大程度地吸收人工补光。利用设施黄瓜的HPS（TL，带反射器效果更好，或直接用内反灯）加垂直悬挂式管式HPS（IL，无反射器），顶端电器光具有接近半宽或者余弦配光曲线，并利用IL来改善TL的有效性，并给植物建立了立体光照模型，从而能够增加设施内黄瓜的产量。尽管IL并不局限于HPS，也可以是控制特定光谱的LED，以促进作物的果实表观或特定营养物质，譬如VC、酚酸、可溶性蛋白质或糖含量的要求，来满足顾客特定的风味需求。
图 垂直配光曲线和黄瓜株间补光模型
在芬兰设施黄瓜项目中，经验证，IL与顶端宽配光曲线补光相结合，事实上并没有产生很好的效果。因此，IL与半宽或者余弦配光曲线相结合，并且TL设备放在植物的中间过道上，让人工补光能够更深入地渗透到植株冠层的内部，生产效果更好。在上图这种TL加IL（HPS）的补光模型下，黄瓜每年产量可达300 kg/m²，芬兰3 hm²设施黄瓜项目年总产量900万kg以上，按照芬兰当地黄瓜市场平均价格1.49 €/kg测算，该项目每年总产值高达1300万欧元，经济效益非常可观。
一般来说，设施黄瓜的生长主要以自然光照为主，尤其是夏季，人工补光只是加速黄瓜生长的辅助手段之一。但在芬兰所处的高纬度地区，受海洋性气候影响，一年之中的天气以多云和雨雪为主，自然光照条件严重不足，因此人工补光措施就显得格外重要。此外，该项目的温室屋顶还采用了漫散射型玻璃，更好地利用了夏季短暂的光照条件，让自然光更好地深入到植株内部，促进植物立体补光，作物产量也因此增加了7%~10%，这也间接证实了荷兰瓦赫宁根大学研究专家的判断。