植物照明用戶的技術(shù)需求

　　洪燕南 廣明源光科技股份有限公司(綠愛生物)董事長(zhǎng)

　　《2018阿拉丁產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》植物照明 顧問

　　楊華章 廣明源光科技股份有限公司(綠愛生物)總經(jīng)理

　　目前，農(nóng)業(yè)照明被應(yīng)用于微生物類的微藻培養(yǎng)、食用菌種植、禽類養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、甲殼類寵物的養(yǎng)護(hù)，以及應(yīng)用最廣泛的植物種植，應(yīng)用的領(lǐng)域類型越來越多。尤其是植物照明，在植物工廠技術(shù)推出以后，進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。

　　一 、植物照明燈的種類

　　目前，植物照明燈的種類主要有白熾燈、鹵素?zé)?、熒光燈、高壓鈉燈、LED燈。而LED以其光效高、發(fā)熱低、體積小、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在植物照明領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯，植物照明燈也將逐漸以LED照明燈具為主。據(jù)智研咨詢發(fā)布的報(bào)告，預(yù)計(jì)2020年LED生長(zhǎng)燈規(guī)模將占植物燈市場(chǎng)的61%，具體的規(guī)模比例見圖1。

　　來源:中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)、公開資料整理

　　圖1 預(yù)計(jì)2020年各種植物生長(zhǎng)燈的市場(chǎng)規(guī)模和占比

　　二、LED 植物照明市場(chǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

　　目前，植物照明市場(chǎng)主要集中在在中東、美國、日本、中國、加拿大、荷蘭、越南、俄羅斯、韓國等地區(qū)。自2013年以來，全球LED植物照明市場(chǎng)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。據(jù)LEDinside統(tǒng)計(jì)，2014年全球LED植物照明市場(chǎng)規(guī)模為1億美元，2016年市場(chǎng)規(guī)模為5.75億美元，預(yù)估至2020年將增長(zhǎng)至14.24億美元，年均復(fù)合增速超過30%。據(jù)智研咨詢集團(tuán)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，全球植物工廠植物燈市場(chǎng)規(guī)模發(fā)展迅速，預(yù)測(cè)至2020年規(guī)模高達(dá)1912萬平方米。具體發(fā)展趨勢(shì)如圖2所示:

　　來源:智研咨詢圖2 全球植物照明市場(chǎng)規(guī)模趨勢(shì)圖

　　植物照明市場(chǎng)的前景廣闊，為越來越多的企業(yè)所青睞，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2017年，多家企業(yè)在植物照明市場(chǎng)有了新的動(dòng)態(tài)。具體如表1所示:

　　表1:2017 年部分企業(yè)在植物照明領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)

　　信息來源:容商天下，CSA Research整理

　　三、植物照明應(yīng)用領(lǐng)域

　　植物照明領(lǐng)域，作為近年來發(fā)展較快的農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域之一。光主要從兩個(gè)方面對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起作用的，一是作為能量，參與植物的光合作用，促進(jìn)植物能量的積累，二是作為信號(hào)調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育，如發(fā)芽、開花、莖的生長(zhǎng)。從這個(gè)角度進(jìn)行劃分，植物照明可以分為生長(zhǎng)類照明與信號(hào)類照明，而生長(zhǎng)類照明從人工光的使用方式，可以分為全人工光生長(zhǎng)燈與補(bǔ)光燈;信號(hào)類照明也可以分為催芽燈、花期燈、著色燈等等。從應(yīng)用的領(lǐng)域來區(qū)分，植物照明領(lǐng)域目前主要有育苗(包括組培育苗和種子育苗)、園藝景觀、植物工廠、大棚種植等等。

　　從表 1 中可以看到，植物工廠、大棚補(bǔ)光、家庭農(nóng)場(chǎng)是植物照明應(yīng)用的主要領(lǐng)域。

　　四、植物照明用戶的技術(shù)需求

　　植物照明是一個(gè)綜合性、跨領(lǐng)域性很強(qiáng)的行業(yè)，植物的生長(zhǎng)也是一個(gè)多因素作用的結(jié)果。植物照明用戶關(guān)注的技術(shù) 需求不僅僅是照明部分的，還包括其他的因素。下文將從兩個(gè)角度分析植物照明用戶的技術(shù)需求。分別為:(1)從專利的布局角度看技術(shù)需求。布局的專利一定程度上反映了企業(yè)、科研院所、專家對(duì)于技術(shù)發(fā)展的判斷，從而可以一定程度上反映植物照明用戶技術(shù)需求及需求趨勢(shì);(2)從用戶的角度看技術(shù)需求。

　　1.從專利布局的角度看技術(shù)需求

　　據(jù)周德濤、許毅欽、張濤等人統(tǒng)計(jì)，全球在LED植物照明應(yīng)用領(lǐng)域申請(qǐng)的專利中，前5位IPc技術(shù)分類如圖3所示，分別為(1)F21Y101/02:涉及到微型光源，例如發(fā)光二極管的發(fā)光裝置或照明系統(tǒng);(2)A01G9/20: 在促成溫床中利用燈光栽培花卉、蔬菜或水稻;(3)F21s2/00:模塊化結(jié)構(gòu)等的非便攜式照明裝置或其系統(tǒng);

　　圖 3 全球在 LED 植物照明應(yīng)用領(lǐng)域申請(qǐng)的前 5 位專利類型

　　(5)A01G7/04:用電或磁處理植物促進(jìn)其生長(zhǎng)。專利布局上來看，微型光源的改良、照明系統(tǒng)改良、系統(tǒng)種植方案、結(jié)構(gòu)模塊化、裝置智能化、系統(tǒng)傻瓜化會(huì)是專利的布局的趨勢(shì)，很大程度上也反映植物照明用戶的技術(shù)需求和趨勢(shì)。

　　2.從用戶的角度看技術(shù)需求

　　植物照明用戶對(duì)于行業(yè)的接受程度，很大程度上影響了行業(yè)的發(fā)展。而對(duì)于植物照明用戶來講，投資成本和使用成本是其重點(diǎn)關(guān)注的問題。

　　2.1 從LED植物燈燈具成本看技術(shù)需求

　　LED燈具成本直接關(guān)系到用戶的投資成本。雖然，LED燈具的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，光譜優(yōu)勢(shì)明顯，但相比于其他植物照明燈具的價(jià)格，LED燈具價(jià)格偏高。以大麻燈為例，同樣600w的燈，高壓鈉燈植物燈整套售價(jià)約300元，而LED植物燈大概在2000元左右。以廣東綠愛從2016 年至今的植物燈銷售數(shù)據(jù)分析，從不同功率的燈具銷售數(shù)量比例來看，50w以下的燈具銷售數(shù)量占了總數(shù)量的68%。大部分新生客戶更愿意從小功率的燈具小規(guī)模入手試用。

　　在燈具成本中，除了燈的外殼、驅(qū)動(dòng)成本外，燈珠的成本相比于普通燈珠，價(jià)格偏貴。以 0.2wd的2835燈珠為例，植物照明燈珠的價(jià)格大概為通用照明燈珠的4-7倍。當(dāng)然，LED燈珠價(jià)格趨勢(shì)逐年下降，襯底材料、熒光粉等原料以及外延片的價(jià)格逐年降低，芯片制造成本隨著生產(chǎn)效率的提升(2英寸片到4英寸片的升級(jí))也有所降低。據(jù)智研咨詢發(fā)布的報(bào)告，如圖4所示，2020年的燈珠成本將降至2015年的40%左右。

　　2.2從LED植物燈的使用成本看技術(shù)需求

　　電力成本與電力績(jī)效，基本上是每個(gè)植物燈用戶都關(guān)心的問題。電力績(jī)效是指單位用量的電力投入與產(chǎn)出比。這里的產(chǎn)出是指產(chǎn)量和質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面。

　　2.2.1光

　　光作為影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素之一，光譜、光強(qiáng)、光周期等影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。而光效則與電力績(jī)效密切相關(guān)。

　　(1)光譜

　　波長(zhǎng)范圍為 300~800nm的輻射稱為植物的生理有效輻射(physiologically active radiation)，但 UVB(280-320nm)和UVc(220-280nm)波段對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育(次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生)有影響。在植物燈燈珠的波長(zhǎng)類型上，歐司朗推出了450nm、660nm、730nm、617nm、623nm、6000k白光燈珠。EDIson推出了390-410nm、415-435nm、450-460nm、520-535nm、585-600nm、620-630nm、660nm和725-745nm波長(zhǎng)的燈珠。在單色燈珠上，植物的生理有效輻射波長(zhǎng)基本涵蓋，植物燈廠家通過不同燈珠的組合生成不同的適用光譜。但在UV波段的燈珠產(chǎn)品，或基于工藝的原因，或基于成本的原因，還未能像其他波長(zhǎng)的燈珠一樣，在植物照明產(chǎn)品中被大量運(yùn)用。

　　來源:智研咨詢圖4 LED原材料和工藝的成本趨勢(shì)圖

　　雖然光譜可以通過單色燈珠的陣列組合，或者是芯片激發(fā)熒光粉來實(shí)現(xiàn)光譜的多樣化。但是不同的植物種類、不同階段(育苗、營養(yǎng)生長(zhǎng)、生殖生長(zhǎng)、花期誘導(dǎo))、不同的運(yùn)用場(chǎng)景，其需求的光譜都有差異。以綠愛的客戶要求舉例:花期燈的光譜，除了紅藍(lán)區(qū)域外，在730nm遠(yuǎn)紅光波段的含量在光譜的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，而且客戶對(duì)于節(jié)能效果有明確的要求，而這對(duì)于光譜的精準(zhǔn)性和燈珠的高效性的要求就非常高;組培燈的光譜，在需要保證生長(zhǎng)效果的前提下，為了方便及時(shí)干凈的處理污染苗，對(duì)于組培燈的顯色指數(shù)(Ra≥80)有要求;同樣是生長(zhǎng)燈，室內(nèi)用植物燈和大棚補(bǔ)光燈在光質(zhì)種類和含量有所差異;育苗燈相比于生長(zhǎng)燈，光譜設(shè)計(jì)上則更加注重苗的壯苗指數(shù)。

　　植物照明用戶的植物種類很多，就綠愛的客戶所提供的作物信息就有紅藜、沙拉生菜類、冰菜、火龍果、百香果、草莓、番茄、青瓜、玫瑰、秋葵、石斛、金線蓮、組培苗類、煙草苗、番薯育苗、秋葵、大麻、多肉植物等。他們對(duì)于光譜的區(qū)分與認(rèn)知并不一定是都是專業(yè)的，但他們對(duì)于種植效果數(shù)據(jù)都是首要關(guān)注的。部分用戶對(duì)仿太陽光的植物照明產(chǎn)品很感興趣，認(rèn)為和太陽光相近的光譜的適用對(duì)象會(huì)更廣。而這是在光譜的多樣性和精準(zhǔn)性未能滿足客戶需求的情況下，客戶以加大能耗做出的妥協(xié)。

　　(2)光強(qiáng)

　　光強(qiáng)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響有兩個(gè)點(diǎn)，光的補(bǔ)償點(diǎn)和光的飽和點(diǎn)。對(duì)于用戶來說，光的飽和點(diǎn)在生產(chǎn)應(yīng)用上來講并非一定是最佳的光強(qiáng)，需要考慮植物生長(zhǎng)速度，還需要平衡生產(chǎn)的成本。不同的作物，不同的階段對(duì)于光強(qiáng)的需求亦有所差別。趙靜，周增產(chǎn)，卜云龍等指出:從植物工廠補(bǔ)光光照強(qiáng)度來說，苗期光照強(qiáng)度應(yīng)略低，在60~200μmol/(m2·s)，隨后逐漸增大。葉菜最高可至100~200μmol/(m2·s)，果菜可達(dá)300~500μmol/(m2·s)。

　　表2幾家植物燈燈珠生產(chǎn)商的燈珠光效

　　用戶需要植物照明廠家提供一個(gè)最佳的光強(qiáng)以及達(dá)到這個(gè)光強(qiáng)所需要的組合方式和懸掛方式，而這大部分植物照明生產(chǎn)廠家是不具備提供這些技術(shù)參考的。

　　在光強(qiáng)上，作為信號(hào)類的植物燈對(duì)于光強(qiáng)的需求明顯低于作為能量的生長(zhǎng)燈。作為信號(hào)燈，其最適光強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生長(zhǎng)燈的光強(qiáng)，其作用光強(qiáng)(PPFD)在3-30μmol/m2.s。

　　(3)光效

　　光效，是電能轉(zhuǎn)化為光能的能力。光效越高，電力績(jī)效越高，電力成本越低。植物照明用戶關(guān)注的是整燈光效(單位:μmol/J)。而作為植物燈供應(yīng)商需要從燈珠光效，燈具的設(shè)計(jì)上提高植物燈的整燈光效。紅光(660nm)燈珠，市面上的光效高達(dá)3.17μmol/J，藍(lán)光(450nm)光效在2.5μmol/J左右。而在紫光波段的燈珠光效偏低?；焐珶糁榈墓庑ё罡邉t在2.5μmol/J左右。

　　(4)光的使用方式

　　植物照明，代替太陽光，但它是完全可控的。一天的光照時(shí)間、光強(qiáng)、光譜變化都是可控的。如何能通過控制光的使用方式來提高電力績(jī)效是大部分植物照明用戶都會(huì)關(guān)注的問題。光合輻射總量(DLI)，是指植物在單位面積(每平方米內(nèi))24 小時(shí)時(shí)間里所積累的光照總量。植物照明用戶，特別是植物工廠用戶，更加關(guān)注植物光合輻射總量的“飽和值”，以免造成光能，電能上的浪費(fèi)。

　　2.2.2 系統(tǒng)方案

　　高投入、高生產(chǎn)成本的特點(diǎn)，要求植物工廠的作物生產(chǎn)必須高效。有別于傳統(tǒng)種植方式的種植環(huán)境，植物工廠的環(huán)境因素是完全可控的，這也是植物工廠高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。目前，行業(yè)主要從智能化的管理系統(tǒng)、專家化的種植技術(shù)、自動(dòng)化的操作平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)植物工廠的高效生產(chǎn)。

　　智能化的管理系統(tǒng)，比如基于物聯(lián)網(wǎng)的植物工廠智能化管控技術(shù)、基于PLC的植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)、基于嵌入式平臺(tái)的植物工廠控制系統(tǒng)。通過這些控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠溫度、濕度、光照、co2濃度以及營養(yǎng)液Ec、pH、Do等要素的在線檢測(cè)、遠(yuǎn)端訪問、程序更新及網(wǎng)絡(luò)化智能管控。

　　專家化的種植技術(shù)。植物工廠別于傳統(tǒng)的種植方式，無論是其他專業(yè)的人、或者傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)專業(yè)的人、投資或者管理植物工廠，專家化的種植技術(shù)需求和指導(dǎo)都是必不可少的。植物的生長(zhǎng)發(fā)育是風(fēng)、光、水、養(yǎng)、氣、菌因素互作的結(jié)果。目前，在光溫耦合、光溫CO2互作、營養(yǎng)元素的耦合上有研究資料，而更多因素間的互作方案則更加少見。這些系統(tǒng)都是基于生長(zhǎng)因素互作的基礎(chǔ)上做的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但專家方案的形成則需要更多的種植數(shù)據(jù)支撐。

　　為了節(jié)省人工成本，自動(dòng)化的操作系統(tǒng)也是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。徐賽超;毛罕平; 劉洋等設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)了生菜采收末端執(zhí)行機(jī)構(gòu);周亞波、毛平平、胡圣亮等人設(shè)計(jì)和試驗(yàn)了植物工廠栽培板自動(dòng)搬運(yùn)裝置;京鵬環(huán)球科技研發(fā)的植物工廠自動(dòng)立體栽培系統(tǒng)。

　　2.2.3 其他

　　另外，植物照明用戶對(duì)于燈具的防水等級(jí)、發(fā)光角度、散熱系統(tǒng)，燈具壽命，光譜有效壽命、光衰在使用上也有相應(yīng)的技術(shù)需求。

　　五、結(jié)語

　　隨著LED照明技術(shù)的成熟，LED成本的下降，科研力量和政府政策的介入，眾多企業(yè)紛紛從競(jìng)爭(zhēng)慘烈的通用照明市場(chǎng)轉(zhuǎn)戰(zhàn)植物照明領(lǐng)域，中國市場(chǎng)也慢慢興起，對(duì)于植物照明的技術(shù)需求也會(huì)越來越明確。

　　中國植物照明應(yīng)用存在的問題?

　　產(chǎn)品雜亂，生產(chǎn)設(shè)計(jì)不規(guī)范，銷售光譜缺乏實(shí)際驗(yàn)證，逐漸地降低公眾對(duì)于植物照明行業(yè)的信任度，減緩植物照明行業(yè)市場(chǎng)的拓展和成熟。