LED可調(diào)光源果蔬保鮮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王美霞，劉斌，王超，吳子?。?天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津30034；.天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津30034）

LED可調(diào)光源果蔬保鮮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王美霞1，劉斌1，王超1，吳子健2
（1.天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300134；2.天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300134）

為探究冰溫條件下不同果蔬貯藏保鮮所需的最佳光強(qiáng)、光配比及其理論分析等提供有力保障，基于光學(xué)原理進(jìn)行了發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）可調(diào)光源果蔬保鮮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。詳細(xì)敘述LED紅藍(lán)科研模組的光輸出情況，分析不同光接收平面（分別距光源30、40、50 cm處）內(nèi)的光強(qiáng)分布均勻性，結(jié)果表明：系統(tǒng)的光照均勻性隨與光源距離的增加而逐步改善，在距離光源30 cm處光照均勻性最差，距光源50 cm處最好；系統(tǒng)箱體內(nèi)的溫度隨庫溫波動(dòng)而波動(dòng)，當(dāng)冷庫溫度維持在4℃時(shí)，距光源50 cm的光接收平面內(nèi)溫度分布均勻一致；確定距離紅藍(lán)光源50 cm的光接收平面為該系統(tǒng)的貯藏果蔬放置平面，能夠?qū)崿F(xiàn)對光質(zhì)、光強(qiáng)、光配比、光分布均勻性等光照參數(shù)的精確控制。

發(fā)光二極管（LED）紅藍(lán)組合光；光均勻性；溫度均勻性；光配比

果蔬保鮮是活體保鮮貯存，除了必須的物理保鮮技術(shù)、化學(xué)保鮮技術(shù)或者生物保鮮技術(shù)，還應(yīng)給予一定的光照環(huán)境，才能保證貯存果蔬具有必要的、較為緩慢的新陳代謝，利于有色果蔬（特別是綠色或紅色果蔬等）維持較長時(shí)間的新鮮色澤，保持其良好的品質(zhì)和商品性。近年來國內(nèi)外學(xué)者已從短波輻射[1]、光照波長[2]、光配比[3]、光強(qiáng)度[4]及光均勻性[5]等方面對果蔬保鮮過程中的光照條件進(jìn)行了大量研究，有些結(jié)果已得到成功應(yīng)用并取得顯著經(jīng)濟(jì)效益。

其中，發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）具有發(fā)光效率高、光源溫度低、單色性好等優(yōu)點(diǎn)[6-8]，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對光質(zhì)、光強(qiáng)、光配比、光分布均勻性等參數(shù)的精確控制[9-10]，因而在果蔬保鮮領(lǐng)域備受關(guān)注。劉曉英等[11]設(shè)計(jì)LED光源系統(tǒng)的軟件和硬件，光源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光配比可調(diào)、光強(qiáng)可調(diào)等要求；劉彤等[12]利用紅藍(lán)光波段的光譜特性，以LED光譜密度為基礎(chǔ)計(jì)算數(shù)據(jù)提出一種可連續(xù)調(diào)節(jié)紅藍(lán)光比例的配光方法，實(shí)現(xiàn)在紅藍(lán)成分有效光子數(shù)維持一定要求下，紅光與藍(lán)光光子數(shù)比在指定區(qū)間（4 ∶1～9 ∶1）連續(xù)可調(diào)；陳風(fēng)等[5]提出一種可以調(diào)節(jié)不同光譜分布的光源設(shè)計(jì)，該光源由不同波段LED積分球組成，可在可見波段產(chǎn)生不同光譜曲線，并模擬多種不同光源的光譜分布，然而專用LED可調(diào)光源果蔬保鮮系統(tǒng)尚未見報(bào)道。基于這一技術(shù)背景和科研需求，本文根據(jù)光學(xué)原理設(shè)計(jì)并建立具有較寬的可調(diào)光強(qiáng)區(qū)間、可進(jìn)行不同紅藍(lán)光配比調(diào)節(jié)的LED光源照射果蔬保鮮系統(tǒng)，對所建系統(tǒng)的光強(qiáng)均勻性和溫度均勻性進(jìn)行試驗(yàn)測定，滿足提高光輸出參數(shù)和果蔬接收面光照均勻性的需求，有助于尋找不同蔬菜貯藏保鮮的最佳光配比。

1 保鮮系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)

LED可調(diào)光源果蔬保鮮系統(tǒng)主要包括箱體、LED紅藍(lán)組合光源系統(tǒng)、參數(shù)檢測系統(tǒng)三部分，系統(tǒng)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 LED果蔬保鮮系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1 The equipment diagram of LED fruits and vegetables freshkeeping test box

1.1 箱體

LED果蔬保鮮系統(tǒng)中箱體分上、下兩層，分別為樣品冷藏區(qū)域和光強(qiáng)檢測區(qū)域。

光照均勻度與光源距光接收平面的距離密切相關(guān)，為保證光照均勻度此距離通常大于40 cm。為確保實(shí)驗(yàn)果蔬的足夠數(shù)量，箱體冷藏室設(shè)計(jì)：長×寬×高=80 cm×60 cm×66 cm，光照射至其底面的可用輻射面積為0.48 m2。冷藏室采用亞克力材料，箱體四周采用錫箔紙密封以避免外界光對冷藏室內(nèi)測試區(qū)的干擾；下層采用鐵架結(jié)構(gòu)以支撐LED光強(qiáng)檢測儀。箱體右側(cè)設(shè)有排風(fēng)口以及時(shí)排除果蔬呼吸作用產(chǎn)生的有害氣體，內(nèi)部布置溫濕度傳感器以實(shí)時(shí)調(diào)控和檢測冷藏室內(nèi)的溫度和濕度變化。

1.2 LED紅藍(lán)組合光源系統(tǒng)

LED紅藍(lán)組合光源系統(tǒng)是LED可調(diào)光源果蔬保鮮系統(tǒng)的核心部分。為提供優(yōu)良的可調(diào)光照，采用飛利浦GreenPower LED科研模組為紅藍(lán)組合光源，每一個(gè)LED科研模塊長、寬和高分別為485、33、20 mm。LED光源系統(tǒng)共包括5支LED紅光模組和4支LED藍(lán)光模組，兩者相間均勻分布，其排列方式如圖2所示。每支LED紅光模組的設(shè)計(jì)光輸出為10 μmol/s，每支LED藍(lán)光科研模組的設(shè)計(jì)光輸出為14 μmol/s，光源設(shè)計(jì)總光輸出為106 μmol/s。

圖2 LED科研模組排列方式Fig.2 LED module arrangement

箱體冷藏室面積為0.48 m2，當(dāng)調(diào)節(jié)至最大光輸出量（106 μmol/s）時(shí)最大光量子密度（即光強(qiáng)）預(yù)計(jì)約220 μmol/（m2·s），此光強(qiáng)范圍（0～220 μmol/（m2·s））可滿足不同果蔬的保鮮需求。LED科研模組的光輸出量調(diào)節(jié)通過專業(yè)控制裝置實(shí)現(xiàn)（圖3），該控制裝置輸出電壓為24 V，通過調(diào)節(jié)控制裝置的外置旋鈕來改變輸出電流，進(jìn)而改變LED科研模組的輸出功率以調(diào)節(jié)光輸出量大小。單個(gè)紅光模組和單個(gè)藍(lán)光模組的設(shè)計(jì)光輸出比例等于1∶1.4，同時(shí)，LED紅光模組和LED藍(lán)光模組各配有一個(gè)控制裝置，可在不同光強(qiáng)下調(diào)節(jié)出多個(gè)不同紅藍(lán)配比的光照處理。

圖3 LED科研模組控制裝置Fig.3 LED module control device

1.3 參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)主要由Chame-IH100 LED光強(qiáng)測量儀（北京卓立漢光有限公司）、GLZ-C光合有效輻射計(jì)（浙江托普儀器有限公司）、WT310功率計(jì)（YOKOGAWA）、溫濕度檢測儀組成，分別用于測量冷藏室內(nèi)紅藍(lán)光光譜、光量子密度、輸出功率和溫濕度等參數(shù)。冷藏室內(nèi)溫度分布通過紅外熱像儀測量，系統(tǒng)主要儀器如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主要儀器圖Fig.4 Laboratory instruments physical map

2 系統(tǒng)光均勻性研究

2.1 光強(qiáng)測點(diǎn)分布

為探究距光源不同距離處平面的光照射特性，調(diào)節(jié)LED紅藍(lán)光模組光輸出量，當(dāng)紅藍(lán)光比例相同而光強(qiáng)不同時(shí)，分別測定距離光源30、40、50 cm處的光接收平面的光強(qiáng)分布，光接收平面如圖5所示，每個(gè)光接收平面上12個(gè)光強(qiáng)測點(diǎn)均勻布置，如圖6所示。

圖5 光接收平面示意圖Fig.5 Schematic view of the light receiving plane

圖6 光強(qiáng)測點(diǎn)分布Fig.6 Distribution of light intensity measuring point

2.2 光強(qiáng)均勻性隨照射距離的變化

以LED紅藍(lán)組合光配比為1∶1、光強(qiáng)設(shè)定為30 μmol/（m2·s）為例，3種光接收平面上不同測點(diǎn)處光強(qiáng)強(qiáng)度如表1所示。

表1 不同光接收平面內(nèi)光強(qiáng)分布Table 1 The light intensity distribution in different light receiving planes

由表1看出，隨光照距離增加，光強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，且距離越大減小幅度越??；3種光接收平面內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)5～8區(qū)域處光強(qiáng)略高于同一平面內(nèi)其余監(jiān)測點(diǎn)光強(qiáng)值，這是由于LED紅藍(lán)組合光在此區(qū)域內(nèi)受光源散射角的影響較小。當(dāng)距離光源30 cm時(shí)，最大與最小光強(qiáng)值相差7 μmol/（m2·s）且在整個(gè)平面內(nèi)分布不均勻，光均勻性最差；距離光源40 cm的光接收平面內(nèi)光強(qiáng)分布略好于30 cm處，其光強(qiáng)最大差值為3 μmol/（m2·s），出現(xiàn)最大差值的點(diǎn)數(shù)有3個(gè)；距離光源50 cm的光接收平面內(nèi)光均勻性分布最好，僅有1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)差值為2 μmol/（m2·s），4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)差值為1 μmol/（m2·s），整體光強(qiáng)分布均勻性較為理想。總體而言，光接收平面內(nèi)光強(qiáng)隨著距LED紅藍(lán)光光源距離的增加而衰減，但距離光源越近，光強(qiáng)分布越不均勻，即系統(tǒng)的光照均勻性隨與光源距離的增加而逐步改善，在距離光源30 cm處光照均勻性最差，距光源50 cm處最好。

2.3 不同光強(qiáng)下紅藍(lán)光光輸出參數(shù)

當(dāng)LED紅藍(lán)組合光配比為1∶1，通過LED模組分別調(diào)節(jié)至10、20、30 μmol/（m2·s）光強(qiáng)時(shí)，對應(yīng)的電流、電壓和功率如表2所示。同時(shí)，通過LED光強(qiáng)測定儀分別獲得10、20、30 μmol/（m2·s）光強(qiáng)下的紅藍(lán)光譜圖，如圖7、圖8所示中峰值由小到大分別依次對應(yīng)10、20、30 μmol/（m2·s）光強(qiáng)值）。可知3種光強(qiáng)下紅光波峰對應(yīng)的波長均為660 nm，藍(lán)光波峰對應(yīng)的波長均為450 nm，其中，660 nm和450 nm均為理想紅藍(lán)光照射的波長。

表2 不同光強(qiáng)下的光輸出參數(shù)Table 2 Power parameters under different light intensity

圖7 不同光強(qiáng)下紅光光譜圖Fig.7 Red spectra of different light intensity

圖8 不同光強(qiáng)下藍(lán)光光譜圖Fig.8 Blue spectra of different light intensity

3 箱體溫度場均勻性分析

3.1 溫度場分布

為了保證系統(tǒng)箱體內(nèi)具有相同的溫度環(huán)境，通過測試紅藍(lán)配比為1∶1、光強(qiáng)為20 μmol/（m2·s）時(shí)距離光源50 cm的平面內(nèi)溫度場，探究LED紅藍(lán)光光源發(fā)出的熱量對其溫度場波動(dòng)的影響。將系統(tǒng)箱體置于冰溫庫內(nèi)，同時(shí)將LED紅藍(lán)組合光光源調(diào)至光強(qiáng)為20 μmol/（m2·s）處，待庫內(nèi)溫度降至4℃并穩(wěn)定時(shí)，利用紅外熱像儀測量該平面內(nèi)溫度場，結(jié)果如圖9所示。

圖9 溫度場Fig.9 Temperature field

3.2 溫度均勻性分析

整個(gè)平面內(nèi)溫度測點(diǎn)隨庫溫波動(dòng)而呈現(xiàn)整體波動(dòng)趨勢。當(dāng)庫溫穩(wěn)定時(shí)，所測平面溫度基本一致，這是因?yàn)長ED紅藍(lán)光光源是冷光源，本身散發(fā)的熱量較小，散發(fā)微小的熱量后周圍空氣會(huì)比箱體下部溫度略高，由于熱空氣密度比冷空氣小，熱空氣會(huì)上升至箱體頂部，在熱傳導(dǎo)和箱體外冷空氣的對流作用下，熱量逐漸散失，因此沒有對箱體底部溫度場產(chǎn)生影響。這表明加裝LED紅藍(lán)組合光源系統(tǒng)后的試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?yàn)楣哔A藏弱光照射試驗(yàn)提供均勻溫度場。

4 結(jié)論

以光學(xué)原理為基礎(chǔ)建立可調(diào)光參數(shù)果蔬保鮮系統(tǒng)裝置，優(yōu)化設(shè)計(jì)裝置箱箱底平面的LED紅藍(lán)光波長和光量子均勻性分布，所得結(jié)論如下：

1）LED可調(diào)紅藍(lán)組合光果蔬保鮮系統(tǒng)的光照均勻性與光源距光接收平面的距離密切相關(guān)，其隨距離增加而逐步改善，在距離光源30 cm處光照均勻性最差，距光源50 cm處最好。

2）系統(tǒng)箱體內(nèi)的溫度隨庫溫的波動(dòng)而波動(dòng)，當(dāng)冷庫溫度維持在4℃時(shí)，距光源50 cm的光接收平面內(nèi)溫度分布均勻一致，LED紅藍(lán)光源所散熱量對箱體底部溫度均勻性無明顯影響，故確定距離紅藍(lán)光源50 cm的光接收平面為該系統(tǒng)的貯藏果蔬放置平面。

3）LED可調(diào)紅藍(lán)組合光果蔬保鮮系統(tǒng)主要包括箱體、LED紅藍(lán)組合光源系統(tǒng)、參數(shù)檢測系統(tǒng)三部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對光質(zhì)、光強(qiáng)、光配比等光照參數(shù)的精確控制，為探究不同果蔬貯藏所需的最佳光強(qiáng)、紅藍(lán)光配比及其理論分析提供有力保障。

4）系統(tǒng)光強(qiáng)分別調(diào)至10、20、30 μmol/（m2·s）時(shí)，紅光波峰對應(yīng)的波長均為660 nm，藍(lán)光波峰對應(yīng)的波長均為450 nm，兩者均為理想紅藍(lán)光照射的波長，良好的單色性可有效避免試驗(yàn)過程中其他光質(zhì)對果蔬貯藏品質(zhì)的影響。

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Design of Adjustable LED Light for Fruits and Vegetables Fresh-keeping System

WANG Mei-xia1，LIU Bin1，WANG Chao1，WU Zi-jian2
（1.College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin 300134，China；2.College of Biotechnology and Food Science，Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology，Tianjin 300134，China）

In order to evaluate the optimal light intensity，light ratio and its theoretical analysis for fruits and vegetables fresh-keeping under the cold-storage condition，adjustable LED light for fruits and vegetables freshkeeping system was carried out based on the optical principle.Light output from LED red and blue module is described in detail，and the uniformity of light intensity distribution in different light receiving planes（30 cm，40 cm and 50 cm away from the light source，respectively）is analyzed.Results show that：the illumination uniformity is gradually improved with the increase of the distance from the light source，and the illumination uniformity is the worst（best）at 30 cm （50 cm）away from the light source；when the cold storage temperature is maintained at 4℃，the temperature distribution in the light receiving plane of 50 cm away from the light source is uniform；to determine the light receiving plane of that for the storage of fruits and vegetables，and it is effective to achieve precise control of the light quality，light intensity，light ratio，light distribution uniformity and other lighting parameters.

red and blue light-emitting diode（LED）light irradiation；light uniformity；temperature uniformity；light ratio

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.21.038

武清區(qū)科技發(fā)展項(xiàng)目——蔬菜預(yù)冷和貯藏保鮮設(shè)施改良與先進(jìn)技術(shù)集成示范工程（WQKJ201633）

王美霞（1992—），女（漢），在讀碩士研究生，主要從事制冷系統(tǒng)優(yōu)化及節(jié)能技術(shù)的研究。

2017-09-03