植物工厂的高能耗是限制其发展的重要因素,其中光能耗所占比重最大。LED(lightemitting diodes)因其显著的节能效果正逐渐被国内外植物工厂广泛应用,但LED光源仅能解决灯具的节能问题,由于其照明方式仍采用散射型模式,即光线发射角度为180°,大部分光能散射到未栽培植物的空间中,不能被植物有效利用,光能利用效率依然很低。设计更加有效的LED光源及照射方式对进一步改善植物工厂高能耗具有重要意义。作者基于舞台聚光灯的应用启发,设计了一种光斑可调式的LED光源系统,该系统由多芯片大功率LED、聚光透镜和菲涅尔透镜组成。光源系统将光线聚集起来,形成圆形的光斑,并可根据植物的大小,调节光斑的尺寸,达到改善光分布的效果,从而节省电能消耗。本研究以普通散射型LED照明系统作为对照,以“奶油”生菜(Lactuca sativa L.)作为栽培品种,从光斑可调式LED光源的构建、能耗分析、生菜栽培效果以及系统的升级优化等方面进行了系统研究。主要结果如下:(1)光斑可调式LED照明系统的构建:光斑可调式LED由多芯片大功率LED、聚光透镜和菲涅尔透镜组成,系统将光线有效聚集起来,改善了光分布,并通过理论节能计算,得出系统最低节能41.2%,具有极高的研究价值。(2)光斑可调式LED光源系统节能效果显著:与普通散射型LED系统相比,光源消耗的电能节省了52.06%,系统光能利用效率(Light Use Efficiency,LUEs)提高了55.64%。在形态指标(叶面积、叶片数、叶长、叶宽)方面,两个系统没有显著性差异。(3)光斑可调式LED光源系统对生菜栽培微环境的影响:提高LED输出功率,聚焦的光线能够显著增加叶片温度和营养液温度,分别可提高1℃和2℃。同时由于试验光照系统空白栽培板没有受到光线照射,其空白栽培板的温度一直处于稳定的相对较低的状态。不同的温度对于生菜栽培的光合指标、生理、生化指标均有一定的影响。(4)对光斑可调式LED光源系统进行了结构的优化:通过运用工业级视觉机器和计算机控制技术,构建了精准照明系统,实现了生菜栽培的日监测和光斑日变化的智能化控制。光斑可调式LED光源系统改善了光分布情况,节能效果显著,能够改善植物工厂高耗能。该系统首次提出通过聚焦改变照明方式的思想,并成功设计了光斑可调的核心部件。为植物工厂的节能调控技术提供了新的思想,为精准化农业的实现提供了技术支撑。