一文解析：LED植物照明光源的需求和發(fā)展趨勢(shì)分析

　　劉洋 LUMILEDS 亞太區(qū)技術(shù)總監(jiān)

　　《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》顧問

　　摘要：LUMILEDS作為全球LED產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)航者之一，致力于研究LED在植物照明領(lǐng)域的應(yīng)用，并針對(duì)性地推出了SunPlus系列產(chǎn)品。本文簡(jiǎn)要介紹了SunPlus系列的性能特點(diǎn)和對(duì)比性實(shí)驗(yàn)分析研究，并分析了植物照明光源的需求和發(fā)展趨勢(shì)。

　　近幾年，LED逐步進(jìn)入了普通人的生活之中，在通用照明的各個(gè)領(lǐng)域都不難看到LED的身影。LED擁有傳統(tǒng)照明無法取代的優(yōu)點(diǎn)，亦有更大的發(fā)展空間，照明市場(chǎng)向基于半導(dǎo)體技術(shù)方向的演進(jìn)催生了眾多新的增長(zhǎng)機(jī)遇，其中之一便是植物照明。據(jù)美國(guó)機(jī)構(gòu) Navigant Research[1]預(yù)測(cè)，LED植物照明在2015年至2020年的年均增長(zhǎng)率有83.3%，預(yù)估到2020年植物照明中的LED滲透率可高達(dá)85%。其中全球垂直農(nóng)場(chǎng)使用LED燈具的市場(chǎng)分額會(huì)從2017年的USD200M增加到2021年的USD1.2B[2], 如圖一所示。LED植物照明的優(yōu)點(diǎn),例如提高作物生長(zhǎng)速度,節(jié)約能源高達(dá)75%,節(jié)省水資源達(dá)90%,也廣泛地被業(yè)界認(rèn)可。在全球氣候變遷下，精致作物種植、養(yǎng)殖業(yè)、食物存放保鮮,食品安全等市場(chǎng)需求，都推動(dòng)植物及園藝照明市場(chǎng)的發(fā)展前景。

　　目前通用照明市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已日益白熱化，LED植物照明被視為是一片新的發(fā)展空間，眾多LED相關(guān)企業(yè)在植物照明領(lǐng)域都提前加緊布局。作為全球前5大LED廠家的 LUMILEDS在植物與園藝照明領(lǐng)域的研發(fā)應(yīng)用有著多年的研發(fā)累積，對(duì)不同光配方、不同光照條件以及不同生產(chǎn)方式給植物生產(chǎn)帶來的影響也有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)。以下就以LUMILEDS的產(chǎn)品為例，簡(jiǎn)要分析目前植物照明領(lǐng)域的LED光源的性能特點(diǎn)和種類。

　　LUMILEDS針對(duì)植物照明推出的產(chǎn)品系列是LUXEON SunPlus，可確保輕松設(shè)計(jì)園藝應(yīng)用所需的系統(tǒng)，作為溫室、垂直農(nóng)場(chǎng)或其他植物生長(zhǎng)應(yīng)用。LUXEON SunPlus系列是LED業(yè)界第一個(gè)基于光合作用光子通量(PPF)分檔及測(cè)試的LED。LUXEON SunPlus系列采用三種不同的封裝，如圖二所示:LUXEON SunPlus20系列 (2.0mm x 2.0mm), LUXEON SunPlus35系列(3.5mm x 3.5mm)和 LUXEON COB系列。 LUXEON SunPlus系列具有可用于單驅(qū)動(dòng)器解決方案及多通道色彩可調(diào)解決方案的選項(xiàng)。

　　LUXEON SunPlus20系列是基于大功率芯片的LED封裝，尺寸是2.0 x 2.0mm。適合應(yīng)用于溫室栽植,尤其是輔助方式的天井燈,能夠提供全天24小時(shí)長(zhǎng)時(shí)間的光照。種植人員可以利用特定波長(zhǎng)發(fā)展出單一光照方案, 例如藍(lán)光(420-480nm)以及紅光 (620-670nm)?；蛘呃枚嘀毓庹辗桨?搭配多顆LED形成理想的光輸出, 配合植物再不同生長(zhǎng)階段所需的光照, 例如播種、發(fā)芽、生長(zhǎng)和開花等階段的不同光照需求。LUXEON SunPlus20涵蓋藍(lán)光(440-460nm)、深紅(655-675 nm)、遠(yuǎn)紅 (720-750nm)、青檸光 (寬光譜)和冷白光。SunPlus 20不同顏色的LED晶片具有相同的焦距(focal length)，使燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)易并具有通用性。

　　相較于 SunPlus20系列的高PPF值和高能量密度，SunPlus35更加適用于垂直農(nóng)場(chǎng)使用多層次的生長(zhǎng)盤 , 其 所需光照通常是一致性高、近距離的照明系統(tǒng)。 LUXEON SunPlus35系列共有藍(lán)光(440-460nm)，青檸色、深紅、遠(yuǎn)紅、白光以及三種不同光色的3.5x3.5mm紫色中功率LED芯片。LUMILEDS的紫光LED是利用高效的藍(lán)光LED與特制熒光粉，制造高一致性的光源，利于作物快速生長(zhǎng)。LUMILEDS的紫光LED芯片系列介于400-700nm 之間。根據(jù)藍(lán)光占整個(gè)光譜的比重分為2.5%,12.5%和25%。紫光LED(2.5% 藍(lán)光 )可以有效刺激植莖生長(zhǎng)及開花，12.5%藍(lán)光的紫光LED促進(jìn)整體生長(zhǎng)，而25%藍(lán)光的LED能夠刺激菜葉類的葉片發(fā)育。

　　SunPlus COB系列包括12.5%藍(lán)光的紫光COB，主要針對(duì)于高PPF強(qiáng)度的應(yīng)用，例如天井燈，可以穿透大型植物，保證植物均衡生長(zhǎng)。圖三標(biāo)識(shí)了SunPlus系列的光譜，包括藍(lán)光、青檸色、白光、深紅光、遠(yuǎn)紅光以及三 種不同光色的紫色。植物生長(zhǎng)需要的葉綠素a，葉綠素b，類胡蘿卜素決定了植物的生長(zhǎng)光合作用，其中葉綠素a的吸收峰值在430nm和662nm，葉綠素b的吸收峰值在453nm和642nm，類胡蘿卜素的吸收峰值在420nm和485nm。SunPlus系列的光譜涵蓋了植物生長(zhǎng)需要的葉綠素a，葉綠素b，類胡蘿卜素的吸收峰值，基本上滿足了植物生長(zhǎng)的光譜需求。

　　與同類產(chǎn)品相比，LUMILEDS SunPlus系列具有以下優(yōu)勢(shì):

　　1.基于光合光子通量(PPF)分檔及測(cè)試

　　2.控制植物的內(nèi)部時(shí)鐘，可以在每個(gè)光周期結(jié)束時(shí)用作觸發(fā)器，以促進(jìn)短日植物開花(遠(yuǎn)紅光720nm-750nm)

　　3.提供植物吸收光子關(guān)鍵波長(zhǎng)(藍(lán)光450nm&深紅光660nm)

　　4.青檸光可提升整體效能，并可實(shí)現(xiàn)人性化的工作環(huán)境，避免紫光帶來的不適

　　5.多個(gè)封裝選擇(2.0mmx2.0mm、3.5mmx3.5mm和coB)，確保設(shè)計(jì)自由

　　SunPlus系列針對(duì)植物照明的功用如圖四所示。其中藍(lán)光有助于植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，深紅光利于根莖生長(zhǎng)和開花，青檸色、白光利于工作人員觀察和輔助色素功能。三種不同光色的紫色包含3種紅藍(lán)光比例配方，有藍(lán)光2.5%、藍(lán)光12.5%和藍(lán)光25%三種。此封裝方式能直接替換現(xiàn)有的傳統(tǒng)光源使用在t管、平板燈，方便客戶更換使用。

　　為了配合顧客調(diào)配自己的光配方，LUMILEDS提供了園藝照明計(jì)算小工具。憑借這款園藝照明計(jì)算器[3]，燈具制造人員能夠選擇SunPlus系列中的芯片組合，通過程序 計(jì)算出該組合可以輸出的園藝特異性指標(biāo)，比如光合光子通量和全光譜功率分布等，在短時(shí)間內(nèi)測(cè)試多種差異化的照明場(chǎng)景，快速地尋找最佳設(shè)計(jì)，最終達(dá)到高效投放市場(chǎng)的作用。

　　植物照明是生物學(xué)、設(shè)施園藝學(xué)、蔬菜學(xué)、植物生理學(xué)、植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)、生物環(huán)境工程、LED照明、智能控制技術(shù)等多學(xué)科交叉和有機(jī)結(jié)合發(fā)展的產(chǎn)物。需要半導(dǎo)體、植物、智能化系統(tǒng)充分的協(xié)作和交叉研究應(yīng)用，需要提供合理的技術(shù) 解決方案。LUMILEDS積極參與和組織相關(guān)領(lǐng)域的研究，提供完整技術(shù)解決方案。紐約州特洛伊市倫斯勒理工學(xué)院照 明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和應(yīng)用中心(LESA)的高級(jí)研究員——Tessa Pocock博士針對(duì)LUXEON SunPlus系列的功效進(jìn)行了相關(guān)的植物生長(zhǎng)研究。此研究評(píng)估了LUMILEDs專為園藝設(shè)計(jì)的LUXEON SunPlus系列與Valoya和定制直接發(fā)射RGB LED相比之下的性能表現(xiàn)。目的是確定最近推出的熒光粉轉(zhuǎn)換型 LED (sunPlus 系列)是否能提高紅葉生菜的產(chǎn)量，同時(shí)使包括花青素和類胡蘿卜素在內(nèi)的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)素水平增高。研究檢測(cè)了紅葉生菜的產(chǎn)量(地上生物量)與營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量之間的關(guān)系或平衡。

　　選擇光譜光子分布以在作物水平上提供光合光子通量密度(PPFD)，燈具之間具有相同的紅色(600-700nm)、藍(lán)色(400-500nm)及綠色(500-600 nm) 波長(zhǎng)范圍(光譜比值)輸出。在兩個(gè)環(huán)境受控的生長(zhǎng)箱(Adaptis 1000，conviron)內(nèi)各安裝兩種燈具，如圖五所示，通過設(shè)定光程序和/或調(diào)整作物距離使 PPFD 介于 217-242 μmol/m2s 之間。

　　測(cè)量生長(zhǎng)箱中心及生長(zhǎng)區(qū)域某一網(wǎng)格內(nèi)的光譜光子分布，以檢查均勻性，如圖六所示。將光合有效輻射(PAR)的光譜比值設(shè)計(jì)為相同;20%藍(lán)光(400-500nm)，20% 綠光(500-600nm)及60%紅光(600-700nm)。但遠(yuǎn)紅光區(qū)域 (700-800nm)的PPFD存在差異。在RGB直接照射光譜中不存在，但在Valoya Pc中為19μmol，在LUXEON SunPlus 綠黃光+紫光燈具中為25μmol，在LUXEON SunPlus紫光+LUXEON3535L綠光燈具中為28μmol，在 LUXEON SunPlus紫光燈具中為32μmol。

　　圖七中的光分析表明，光譜和PPFD的均勻性從生長(zhǎng)箱一側(cè)到另一側(cè)平均較差，而從前到后則明顯要好。安裝較大的光條可改善這些均勻性的差異。光周期為16小時(shí)/天，持續(xù)14天，日/夜溫度為23 ° c/18°c，相對(duì)濕度在50%至70%之間。植物采用改良的Hoagland溶液施肥。進(jìn)行三項(xiàng)獨(dú)立的重復(fù)操作，并確定光試驗(yàn)之間的統(tǒng)計(jì)差異(KruskalWallis ANOVA， SigmaPlot v11)。收割具有最大光均勻性之生長(zhǎng)區(qū)域的樣品進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)Pocock中的方法用分光光度法對(duì)花青素濃度進(jìn)行定量[4]。根據(jù)Lichtenthaler中的方法對(duì)類胡蘿卜素和葉綠素濃度進(jìn)行定量[5]。

　　LUXEON SunPlus綠黃光+紫光LED在產(chǎn)量(鮮 重)和抗氧化劑含量方面表現(xiàn)最佳。這種光源的光譜包括遠(yuǎn)紅光(700-800nm) 范圍波長(zhǎng)的輸出，可以提高生菜產(chǎn)量。 Valoya PC LED條件下產(chǎn)生的綠葉產(chǎn)量相當(dāng)，但從統(tǒng)計(jì)上看，抗氧化劑的含量較低，表明磷光體下轉(zhuǎn)換的光譜光子分布可能對(duì)作物質(zhì)量有不同影響?？傊?，這些數(shù)據(jù)表明，使用LUXEon sunPlus綠黃光+紫光LED組合中具有藍(lán)光、綠光、深紅光及遠(yuǎn)紅光組件的Pc LED 可優(yōu)化植物的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)。在產(chǎn)量(鮮重)和營(yíng)養(yǎng)濃度方面均表現(xiàn)優(yōu)異的光譜為L(zhǎng)UXEON SunPlus系列綠黃光+紫光及紫光+綠光 LED。要在室內(nèi)環(huán)境中有效栽培Rouxai 紅葉生菜和類似作物，使用LUXEON SunPlus系列綠黃光+紫光及紫光+綠光LED可帶來明顯優(yōu)勢(shì)。

　　從技術(shù)層面看，光效與能效提升是大幅減少運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)鍵，采用LED替代傳統(tǒng)燈具并根據(jù)植物從苗期到收獲期的光配方需求進(jìn)行光環(huán)境的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)節(jié)，是未來精致農(nóng)業(yè)的必然趨勢(shì)，LUXEON SunPlus系列可以完美匹配此技術(shù)的需求。LUXEON SunPlus系列的產(chǎn)品有根據(jù)產(chǎn)量與品質(zhì)方面研發(fā)對(duì)應(yīng)的光配方。在提高產(chǎn)量方面，可以根據(jù)植物的發(fā)育特征，分階段、分區(qū)域結(jié)合光配方進(jìn)行培育，以提高各階段的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量;在提高品質(zhì)方面，可以通過營(yíng)養(yǎng)調(diào)控和光調(diào)控等手段，提高營(yíng)養(yǎng)成分含量、可溶性糖以及其他功能品質(zhì)。 植物照明是一個(gè)跨學(xué)科的系統(tǒng)工程，光源是其中至關(guān)重要的一環(huán)。LED基于其發(fā)光原理，具有光譜可自由組合，顏色純度高，顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)。除了LUMILEDS之外，其他LED的供應(yīng)商，例如Osram，Cree，Nichia， Everlight等也紛紛推出植物照明的LED產(chǎn)品系列，這里不一一列舉。對(duì)于LED光源而言，相同的PPF值，光譜的構(gòu)成可以不盡相同，針對(duì)不同的植物，或者是同一植物的不同生長(zhǎng)階段產(chǎn)生的效果也不同。只是單純的追求PPF值 并不能達(dá)到植物生長(zhǎng)的最優(yōu)化方案。所以未來植物照明在更加專業(yè)化的細(xì)分市場(chǎng)要求下，會(huì)對(duì)LED光源提出新的要求，即如何實(shí)現(xiàn)有效的PPF。這就要求LED供應(yīng)商和其他學(xué)科交流合作，研發(fā)出更有針對(duì)性光譜的光源。植物照明LED的封裝種類也會(huì)更加多樣化，滿足各種植物照明的需求，從家庭式的入門級(jí)到植物工廠專業(yè)級(jí)全部覆蓋，實(shí)現(xiàn)信價(jià)比的最優(yōu)化方案。

　　相信在不遠(yuǎn)的將來，隨著植物工廠的不斷發(fā)展，LED植物照明的市場(chǎng)滲透率將逐漸提升，技術(shù)與商業(yè)的有機(jī)結(jié)合，全球市場(chǎng)進(jìn)入爆發(fā)期，未來20年中國(guó)將成為世界農(nóng)業(yè) 半導(dǎo)體照明技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)及其應(yīng)用大國(guó)和強(qiáng)國(guó)。植物照明的LED光源會(huì)隨著產(chǎn)業(yè)的逐步專業(yè)化進(jìn)一步發(fā)展，向更加具有針對(duì)性的方向前進(jìn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]https://www.navigantresearch.com/

　　[2]strategies Unlimited, March 2017

　　[3]https://www.lumileds.com/horticulture/calculator/

　　[4]Pocock,t.(2015)Advanced lighting technology in controlled environment agriculture.Lighting,Researchandtechnology.12/2015;DoI:10.1177/1477153515622681.

　　[5] Lichtenthaler, H.K. and c. Buschmann (2001) current Protocols in Food Analytical chemistry F4.3.1-F4.3.8.