《园艺设施学》课件7第七章

1、第七章：设施照明与配电设备 （4学时）人工光利用型人工光利用型太阳光利用型太阳光和人工光并用型第一节：设施光源设备一、常用光源及使用 温室光源目的：照明和人工补光。 人工补光是弥补一定条件下温室光照的不足，以便有效地维持作物正常生长发育，提高产量与品质，是温室高产栽培的一项重要技术措施。人工补光基本要求： 光源的光谱特性与植物产生生物效应的光谱灵敏度尽量吻合，以便最大限度利用光源的辐射能量； 光源的辐射通量使作物能得到足够的辐照度； 光源设备经济耐用，使用方便。 目前，温室常用的人工光源均为电光源，习惯上称这些电光源为电灯，其具体名称以各光源发光原理而命名，如白炽灯、碘钨灯、萤光灯、高压气体放

2、电灯（水银灯、氙灯、钠灯、金属卤化物灯、生物效应灯）等。（一）白炽灯 1、构造 由灯泡、电源引出线、灯丝构成。 灯丝的主要成分是钨，为了防止受震动断裂，灯丝盘成弹簧状安装于灯泡内中间，泡内抽真空后充入少量惰性气体，以抑制钨的蒸发。灯丝引出线的出线端有插口式和螺口式两种。 白炽灯是靠通电后灯丝发热至白炽化而发光的，其规格以功率标称，自15W至1000W分成多种。 2、性能特点 白炽灯的光谱是连续光谱，能量主要是红外线辐射（占总能量的8090%），生理辐射只占总辐射能的1020%，其中主要是橙红光，蓝紫光很少，几乎无紫外线。 白炽灯结构简单，使用可靠，价格低廉，电路结构简单。但发光效率低，约102

3、6流明/瓦，寿命较短，约1000小时。目前只作辅助光源应用。 （二）萤光灯（日光灯）1、构造 由灯管、起辉器、灯架和灯座等组成。 1）灯管 由玻璃管、灯丝和灯脚等构成。玻璃管内壁涂有萤光材料；管内抽真空后充入少量汞（水银）和适量惰性气体（氩）；灯丝上涂有电子发射物质（称电子粉）。灯管规格较多，有6、8、12、15、20、30、40、100瓦等，温室常用30瓦以上的各种规格。 2）起辉器 由氖泡、小电容、出线脚和外壳构成。氖泡内装有动触片（U形双金属片）和静触片。起辉器规格分48瓦，1520瓦、3040瓦，以及通用型440瓦多种。 3）镇流器 分电子式和铁芯电感式。电子式结构轻巧，价格便宜；铁芯

4、电感式由铁芯和电感线圈组成。规格与灯管功率配用。 4）灯座 分弹簧式（也叫插入式）和开启式两种。规格分大小两种。小型的只有开启式，配用小功率灯管；大型的适用于15瓦及其以上各种灯管。2、工作原理 全过程分为起辉和工作两种状态。起辉状态由灯丝、起辉器和镇流器形成回路；工作状态由灯管内部电离形成直通回路，起辉器不再起作用。 灯丝通电后（约13秒）发热到850900时，阴极发射电子。但萤光灯管属长管放电发光类型，起辉前内阻较高，阴极预热发射的电子，尚不能使灯管内形成回路，需要施加较高的脉冲电势。此时，灯管内阻很大，镇流器因接近空载，其线圈两端的电压降极小，电源电压绝大部分加在起辉器上，在较高电压的作

5、用下，氖泡内动、静两触片之间就产生辉光放电而发热。 泡内U形双金属片因温度上升而动作触及静触片，辉光放电停止，U形金属片因温度下降而复位，动静两触片断开，于是在电路中形成一个触发，使镇流器电感线圈中产生较高的自感电动势，出现瞬时高压脉冲，在脉冲电势作用下，使灯管内惰性气体被电离而引起弧光放电，随着管内温度升高，液态汞被汽化游离，游离的汞分子因活动剧烈而撞击惰性气体分子，引起汞蒸汽弧光放电，辐射出一定波长的紫外线，激发灯管内壁的萤光材料发出近似“日光色”的可见光。灯管起辉后，内阻下降，镇流器两端电压降大辐度增加，加在氖泡两极间的电压也大为下降，已不足以引起极间辉光放电，两触片保持断开状态，不起作

6、用，电路即由灯管内电离形成通路。 3、性能特点 发光光谱主要集中在可见光区域，其成份一般为蓝紫光16.1、黄绿光39.3%、红橙光44.6%。萤光灯光谱可通过改变萤光粉成份，以获得所需要的光谱，如用于育苗的萤光灯，需加强蓝色和红色部分。 优点：发光效率高，约为白炽灯4倍，达5184。使用寿命长达3000小时以上，价格便宜。是目前使用最普遍的一种光源。缺点：功率小，功率因数低(0.5左右)，附件较多，故障率相对较高。(三)碘钨灯1、构造 圆柱玻璃管状，两端为电源触点，管内中心的螺旋状灯丝，放置在灯丝定位的支撑架上。2、工作原理 碘钨灯发光原理与白炽灯一样，由灯丝作为白炽发光体，管内充微量碘，在高

7、温条件下，利用碘循环而提高发光效率和延长灯丝寿命。3、性能特点 功率大，发光效率高，为2030流明/瓦，构造简单，使用可靠，体积小，装修方便，故障少，寿命长。为温室常用光源之一。 4、安装 碘钨灯工作时，其灯丝中的钨，在高温条件下会成为钨蒸汽而游离，待停止工作后，随着灯丝的冷却，钨分子又会回归到灯丝上。由于存在这样的循环，灯丝点燃日久也不会明显变细，故使用寿命长。但钨分子能否均匀分布的回归到整根灯丝上，则由安装的位置状况而定，若把灯管与地面垂直安装，钨分子因自重而大量回归到灯丝下端，使灯丝下端日趋变粗，而上端日趋变细，影响使用寿命，因此，安装碘钨灯时，必须把灯管装得与地面平行，一般要求倾斜度不

8、大于4。此外，碘钨灯工作时，灯管的温度很高，管壁可高达500700，因此，灯管必须安装在专用的有隔热装置的金属灯架上，切不可安装在非专用的，易燃材料制成的灯架上。同时，灯架也不可贴装在建筑面上，以免因散热不畅而影响灯管寿命。 （四）高压气体放电灯 气体放电是指电流通过气体时的放电现象。利用气体放电发光的原理制成的灯就叫气体放电灯。由于所用气体不同，气体放电灯的种类较多，主要有水银灯(汞灯)、氙灯、钠灯、金属卤化物灯，生物效应灯等，它们的辐射光谱都是线状的。1、水银灯（常用的是GGY型）（1）构造 椭圆球体玻璃泡，头部延伸成颈状，成为电源触点，如同螺口式白炽灯泡状。（2）发光原理 类似于萤光灯，

9、它是利用水银蒸汽放电产生辐射而发光，分为低压(水银蒸汽压力为40Pa)，高压(水银蒸汽压力为0.050.1MPa)和超高压(水银蒸汽压力大于0.15MPa)三种。（3）性能 水银灯生理辐射占总辐射能量的85%，主要有蓝绿光、紫外辐射，发光效率随水银蒸汽压力而变化，低压时发光效率低，高压时较高可达5060流明/瓦，低压水银灯主要用作紫外光源，高压水银灯则主要用于照明及温室人工补光。（4）安装 灯座、镇流器均应与灯型号适配； 镇流器安装在灯具附近； 在镇流器接线柱的端面上应覆盖保护物，但不可装入箱体内，以免影响散热。 2、氙灯 （1）类型 按电弧长短分为长弧氙灯和短弧氙灯两种，常用的是管形长弧氙灯

10、。（2）原理 该类氙灯其灯管两端置以钍钨棒(或钡钨棒)作为放电极，并由铜编织引出线接至管外作为电源接线，管内充入适量氙气。（3）性能 氙灯是一种高气压自持弧光放电电灯，其辐射能量分布与日光比较接近，光谱与日光相同。所以俗称“小太阳”。氙灯主要用于大面积照明。其发光效率一般为2530流明/瓦。（4）安装 必须采用与灯管配套的专用灯架； 电流大，温度高，导线连接点必须十分牢固； 氙灯配用的专用触发器，是作为起辉装置用的，触发器应安装在灯管附近，两者连接线长度一般为1.52m之间，最长不得超过3m； 因短路瞬时电流较大，触发控制端回路的控制，宜用接触器作为控制开关，不得用按钮直接控制。 应与作物保持

11、一定高度，以免灼烧作物。 3、钠灯 利用金属钠蒸汽放电产生辐射的光源，辐射集中在黄光(589.6毫微米)，生理辐射强，单色性好。发光效率高，低压钠灯可达200300流明/瓦，高压钠灯可达120流明/瓦，低压钠灯多用作单色光源，高压钠灯由于光谱宽，用于照明比低压钠灯好。 4、金属卤化物灯 在高压水银灯中加入金属卤化物而形成的光源。加入金属卤化物，不但可以大大改善灯的光色，而且可以提高光效率，采用不同类型的金属卤化物，可以制成不同光谱特性的近日光光源，例如，碘化钠碘化锌碘化锢灯，碘化镝碘化铊灯、超高压锢灯和氧化锡灯，也可制成满足特殊需要的色纯度很高的光源，如碘化铊汞灯。金属卤化物灯功率大，一般为2

12、00400瓦，发光效率高约为6080流明/瓦，寿命长，一般达4000小时以上。是目前高强度人工补光的主要光源。 5、生物效应灯 可发连续光谱，其紫外光、蓝紫光和近红外光低于自然光，而绿、红、黄光比自然光高。 其他充以惰性气体如氖、氦灯制成的气体放电灯，各有不同的光谱分布，前者主要是橙红光，后者是橙红光(45%)和紫光(50%)，可根据不同需要选择使用。 二、光源的选用与布置 (一)光源的选用（按两个原则进行） 一是补光的目的 二是光源的性能价格比。 1、补光的目的（1）以抑制或促进作物花芽分化、调节开花时期，即以满足作物光用周期的需要为目的。这种补光一般要求有红光，但光照度比较低，只要有几十勒

13、克斯的光照度就可满足需要，多用白炽灯。（2）以促进作物光合作用，促进作物生长，补充自然光照不足为目的。这种补光对光源的要求是，补光照度应高于植物的光补偿点，一般在3000勒克斯以上；光照度具有一定的可调性；光线中富含红光和蓝光；有一定的光谱成分；最好是近似于太阳光的连续光谱。这种补光多使用高压气体放电灯或萤光灯。（3）作物种类和品种的不同，对光照度的要求及对光谱特性的要求也不相同。因此，选取光源时应充分考虑作物的种类及不同生长期对光照的需要。在没有相关参数的条件下，最好先通过试验，确定出最适宜的补光参数。 在确定了应采用的光照度值之后，具体选取和置配光源时，还应计算光照度，确定应选用光源的光通

14、量，再依光通量值选取光源类型，而选取光源类型时还应注意到不同品种的光源，其光通量是不同的；即使是同一品种的光源，随着它的功率不同，其光效（发光效率）即每瓦功率所产生的光通量也是不同的，所以在选用光源时，不能只以光源的功率作为依据，而应考虑到它具有的实际光能。2、光源的性能价格比 不同类的光源，其初装费、使用寿命、光效、光谱特性、可用能量等均不相同，选用时应综合考虑。一般而言，光效高的光源，初装费较高，但经多年运行后，其年均费用却比较低，这是因为光源的光效愈高，相同的照度水平消耗的电能愈小，综合经济效益就愈高。 对于长期运行的光源，应选取光效高者为宜。 （二）光源的布置 为使被照面的光照分布尽可

15、能均匀，为此，布置光源时，应充分考虑光源的光度分布特性及合理的安装位置。不同的光源，其光度分布特性是不相同的。 如家用100W白炽灯，其光度分布特点是，除灯泡上方近60角内近于无光外，在其他各个方向的光度分布是比较均匀的，若配置近于120角的反光灯罩，光线集中向下方120范围内，则可获得分布较均匀的照度，而栽培专用的60W灯泡，光度主要分布在其斜下方的120角内；其余方向则近于无光。 又如长弧氙灯，在灯两端20角内基本无光外，其余方向光度分布基本是均匀的。安装位置包括安装高度及灯的布局，一般光源的安装高度在距作物12m的范围内，而布局方式有单排均匀布局、双行网格均匀布局等，具体采用哪种布局方式

16、，应以被照面的几何形状通过一定的计算、试验选定。同一被照面，不同的布置方式，所得到的光照分布将是不同的。 如对于跨度5.4m，长18m的温室，在高度为1.5m处挂8盏60W栽培专用灯，按单行均匀布局，其结果是20勒以下的面积率为4，4个角的最低照明度为10勒，平均照度为46勒；按双行网格状均匀布局，其结果是照度在20勒以下的面积率为零,平均照度为34勒，可见，按双行网格状均匀布局，照度比较均布。 三、辐射强度计算 在选配光源时，需要根据作物的光照度要求进行照度计算。 光度学研究的是光在发射、传播、吸收和散射过程中的能量计算问题。 关于光能的量度有两个标准，一是能量标准，它是以客观能量的大小为标

17、准的；另一是视觉标准，它是以人眼对光的感觉为标准的。 在研究光对作物的作用时，应采用能量标准，但在实际中因视觉标准测量技术简单的缘故，故常采用视觉标准。 辐射通量 光是电磁波，光的传播过程就是能量的传递过程。单位时间内自辐射源发出的通过面积元dA的辐射叫做通过这一面积元的辐射通量，国际单位中辐射通量单位为“瓦特”，它具有功率的量纲。 点光源 指光源本身的线度比它与讨论点的距离小得多，以致可以把它当作一个点，在距光源某一距离处光波的波面可以看作球面。 立体角 指一个锥面所围成的空间部分，单位为“球面度”。一个球面度是指以锥的顶点为球心，以锥在球面上所截的面积与球半径平方的比值。 辐射强度Ie 点

18、光源在给定方向上单位立体角内所发生的辐射通量。1、单个点光源所产生的照度 设距离点光源为r处的受照面s，其法线与r的夹角为，若光源在此方向上的发光强度为I，则s面上的照度为： E=ICOS/r2 此式说明点光源所产生的照度与其发光强度成正比，并与光源到受照表面距离平方成反比。 此式仅适用于点光源，即光源到计算点间距离至少应大于光源尺寸的5倍，且不考虑反射光通。 2、多个点光源所产生的照度 当同时有数处点光源作用于某一受照面时，则该受照面的照度等于各点光源在该点上照度之和。 3、平行光源的照度 E=E0COS E0光线垂直面积上所受到的照度 E当面积的法线与光线成角时的照度第二节：设施配电设备

19、现代化温室在其全过程生产运行中，时刻离不开电能，因此，电力供应是温室不可轻视的重要问题。 发电厂、电力网和用电设备是电力工业组成的三个基本环节。从发电厂将电能输送到用户的用电设备必须依靠电力网。电力网包括变电站和不同电压等级的线路。 一、配电线路 1、线路作用 （1）线路解决了电力能源蕴藏丰富的地区（如水力资源和煤炭资源，地热资源等）与用电地区相距遥远的矛盾，这对国民经济的发展有重大的意义。 （2）线路把几个孤立的地区电力网，联结成一个区域电力网，保证可靠、经济的向用电设备供电。2、线路类别（1）输电线路：指电压等级在35千伏及以上的架设在升压与降压变压器（所）之间的线路。（2）配电线路：指电

20、压等级在1千伏以上10千伏以下的由降压变电所向外分布至配电变电器的线路。（3）低压配电线路：指电压等级在1千伏以下，通常为380200伏的由配电变压器向外分布直至用户的进线端为止的线路。 3、线路分布（放射式、树干式 、混合式 ） （1）放射式 凡供电线占大多数的供电线路称为放射式。每一个独立的负荷或集中的一群负荷均由某一配电装置的独立线路供电。这种方式适用于企业有占地很广的巨型机器或较集中在一起多台用电设备的场合。 优点：供电可靠性高；各个用电设备可单独操作，且当某一用电设备或对其供电的线路发生故障时，无碍于其它设备的正常运行；对调控自动化方便。 缺点：每条供电线的输送电能不太大，故供电线的

21、截面不大，总长度增大，使有色金属的消耗量增大；且由于需大量的配电箱（屏），使初投资额加大以及当技术生产设备的配置改变时，就要求线路重新布置，这对放射式是较为困难的。 （2）树干式 基于放射式的诸多缺点，近代各企业中，已逐渐用树干式线路所代替。在此种方式中，或多或少的负荷是按它们所处地位次序，连接于供电的总干线上。 优点：高的灵活性，即当技术生产设备改变时，线路无须作较大的变动，使重新安装和更换容易；另低压开关需用量小，消耗有色金属量少，初投资费用低，故获得广泛应用。 缺点：当供电干线发生事故时，由其供电的所有用电设备均被断电，故供电可靠性稍差。 （3）混合式 当有两路或两路以上树干式供电线路时

22、，为了减少线路的总长度，便可采用混合式。由于混合式兼备了放射式和树干式的线路优点，故也获得广泛应用。 以上三种结线方式，各有所长，在选用时应根据温室的多少（一栋或多栋，或温室群）及布局，经适当的技术经济和安全分析，确定选用某一种。 二、配电电压 电力系统的正常运行，供（配）电压是关键因素之一。因此，在温室配电系统中，必须对供电电压作出认真选择。供电电压的选择应考虑如下几个因素： 1、用电设备和供电电压等级要相符 任何用电设备都有其额定的工作电压，供电电压只有符合标准的网络电压等级和用电设备的电压需求，用电设备才能长期的正常运行。 我国的交流低压网络标准电压等级有500、380、220、127、

23、110、36、24、12伏八种，其中380伏和220伏应用最为广泛，因此，用电设备要尽量选用额定电压为380或220伏者，否则要借用变压器变压，给使用带来不便。2、安全的需要 依照有关电气安装规程，从安全角度考虑，规定低压供电网络所允许的最高电压，一般不高于250伏（对地）。对于三相对称交流系统，当中性点接地良好时，380220伏的网络系统的相电压均不应大于250伏。为此，从安全角度考虑，用电设备的供电电压选择原则是：（1）在无危险的场所，固定安装的单相用电设备，选用对地不大于250伏的电压供电；三相用电设备选用线电压为380伏以下的电压供电。（2）在较危险和特别危险的场所，当用电设备安装高度

24、距地面小于2.4米时，应采用难以触及用电器的保（防）护装置，或选用低于36伏的供电电压。（3）在特殊的环境下，（如工作面狭窄，工作者要与大块金属接触，环境潮湿等），移动式用电设备应采用不超过36伏，甚至不超过12伏的供电电压。 三、供电电源1、照明负荷和动力负荷共用一台变压器的方式 优点：减少变压器数量，节省高压配电设备，减少初投资费，线路利用率较高。 缺点：由于动力负荷的开、停，会造成照明负荷的电压波动大，为减少这一干扰，势必要加大线路导线截面，增加了有色金属的消耗量，同时，当供电干线发生故障时，势必造成照明熄灭。2、照明（单相）负荷由单独供线供电（采用照明负荷和动力负荷分别由两台变压器供电

25、） 优点：电力负动的变动，不致使单相负荷的电压有所波动，大大提高了诸如照明灯等单相负荷的工作质量和可靠性。 缺点：造成增加变压器和相应的开关设备，使初投资费用增加，维护量加大。四、温室配电设计 温室设计为一综合性科学，配电设计是其中一个环节，必须与温室结构、温室内各生物环境因子的控制系统以及作物栽培技术等有机的协调与配合，其最终目的是在保证供电的必要可靠程度下，以最经济而简单的方式来充分利用电能。 温室属于特殊性室内环境，对于这类特殊环境的室内配电，须采取相应合适的方法，以确保用电安全可靠。 从安全角度出发，内部配电施工应注意以下事项：A、采用大、小瓷瓶架线施工时，应用橡皮绝缘电线，线间距离应

26、在6厘米以上；电线与建筑物间距离，应在3厘米以上。B、采用穿线管明敷设或暗敷设时，应选用厚壁穿线管，管口接头处注意采取防潮措施。C、采用电缆施工时，对线管和电缆，须施行保护接地工程。D、在没有防潮设备或防潮箱的潮湿处所，不允许安装开关设备和熔断器。E、掩蔽工程或线管工程中，其照明灯具或其它电器应避免使用软线，应选用螺口的防潮灯罩或有防潮措施的接线盒。F、在可能的情况下，开关设备和插座应装在干燥的环境中，若不得已装在潮湿处所时，应采取防潮措施。G、照明导线采用丁睛聚氯乙烯复合绞型软线；电机应选用密封型，如JO2型异步电动机。 1、配电设计的组成 配电设计在一般情况下分初步设计和施工设计（即技术设计与安装图的混合设计）