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LED植物照明光源发展趋势

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-09-07   来源:阿拉丁商城  浏览次数:391
  近几年,LED逐步进入了普通人的生活之中,在通用照明的各个领域都不难看到LED的身影。LED拥有传统照明无法取代的优点,亦有更大的发展空间,照明市场向基于半导体技术方向的演进催生了众多新的增长机遇,其中之一便是植物照明。据美国机构 Navigant Research预测,LED植物照明在2015年至2020年的年均增长率有83.3%,预估到2020年植物照明中的LED渗透率可高达85%。其中全球垂直农场使用LED灯具的市场分额会从2017年的USD200M增加到2021年的USD1.2B, 如图一所示。LED植物照明的优点,例如提高作物生长速度,节约能源高达75%,节省水资源达90%,也广泛地被业界认可。在全球气候变迁下,精致作物种植、养殖业、食物存放保鲜,食品安全等市场需求,都推动植物及园艺照明市场的发展前景。
  目前通用照明市场竞争已日益白热化,LED植物照明被视为是一片新的发展空间,众多LED相关企业在植物照明领域都提前加紧布局。作为全球前5大LED厂家的 LUMILEDS在植物与园艺照明领域的研发应用有着多年的研发累积,对不同光配方、不同光照条件以及不同生产方式给植物生产带来的影响也有着非常丰富的经验。以下就以LUMILEDS的产品为例,简要分析目前植物照明领域的LED光源的性能特点和种类。
 
  LUMILEDS针对植物照明推出的产品系列是LUXEON SunPlus,可确保轻松设计园艺应用所需的系统,作为温室、垂直农场或其他植物生长应用。LUXEON SunPlus系列是LED业界第一个基于光合作用光子通量(PPF)分档及测试的LED。LUXEON SunPlus系列采用三种不同的封装,如图二所示: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系列具有可用于单驱动器解决方案及多通道色彩可调解决方案的选项。
  LUXEON SunPlus20系列是基于大功率芯片的LED封装,尺寸是2.0 x 2.0mm。适合应用于温室栽植,尤其是辅助方式的天井灯,能够提供全天24小时长时间的光照。种植人员可以利用特定波长发展出单一光照方案, 例如蓝光(420-480nm)以及红光 (620-670nm)。或者利用多重光照方案,搭配多颗LED形成理想的光输出, 配合植物再不同生长阶段所需的光照, 例如播种、发芽、生长和开花等阶段的不同光照需求。LUXEON SunPlus20涵盖蓝光(440-460nm)、深红(655-675 nm)、远红 (720-750nm)、青柠光 (宽光谱)和冷白光。SunPlus 20不同颜色的LED晶片具有相同的焦距(focal length),使灯具的光学设计更加简易并具有通用性。
 
  相较于 SunPlus20系列的高PPF值和高能量密度,SunPlus35更加适用于垂直农场使用多层次的生长盘 , 其 所需光照通常是一致性高、近距离的照明系统。 LUXEON SunPlus35系列共有蓝光(440-460nm),青柠色、深红、远红、白光以及三种不同光色的3.5x3.5mm紫色中功率LED芯片。LUMILEDS的紫光LED是利用高效的蓝光LED与特制荧光粉,制造高一致性的光源,利于作物快速生长。LUMILEDS的紫光LED芯片系列介于400-700nm 之间。根据蓝光占整个光谱的比重分为2.5%,12.5%和25%。紫光LED(2.5% 蓝光 )可以有效刺激植茎生长及开花,12.5%蓝光的紫光LED促进整体生长,而25%蓝光的LED能够刺激菜叶类的叶片发育。
 
  SunPlus COB系列包括12.5%蓝光的紫光COB,主要针对于高PPF强度的应用,例如天井灯,可以穿透大型植物,保证植物均衡生长。图三标识了SunPlus系列的光谱,包括蓝光、青柠色、白光、深红光、远红光以及三 种不同光色的紫色。植物生长需要的叶绿素a,叶绿素b,类胡萝卜素决定了植物的生长光合作用,其中叶绿素a的吸收峰值在430nm和662nm,叶绿素b的吸收峰值在453nm和642nm,类胡萝卜素的吸收峰值在420nm和485nm。SunPlus系列的光谱涵盖了植物生长需要的叶绿素a,叶绿素b,类胡萝卜素的吸收峰值,基本上满足了植物生长的光谱需求。
  与同类产品相比,LUMILEDS SunPlus系列具有以下优势:
 
  1.基于光合光子通量(PPF)分档及测试
 
  2.控制植物的内部时钟,可以在每个光周期结束时用作触发器,以促进短日植物开花(远红光720nm-750nm)
 
  3.提供植物吸收光子关键波长(蓝光450nm&深红光660nm)
 
  4.青柠光可提升整体效能,并可实现人性化的工作环境,避免紫光带来的不适
 
  5.多个封装选择(2.0mmx2.0mm、3.5mmx3.5mm和coB),确保设计自由
  SunPlus系列针对植物照明的功用如图四所示。其中蓝光有助于植物营养生长,深红光利于根茎生长和开花,青柠色、白光利于工作人员观察和辅助色素功能。三种不同光色的紫色包含3种红蓝光比例配方,有蓝光2.5%、蓝光12.5%和蓝光25%三种。此封装方式能直接替换现有的传统光源使用在t管、平板灯,方便客户更换使用。
 
  为了配合顾客调配自己的光配方,LUMILEDS提供了园艺照明计算小工具。凭借这款园艺照明计算器,灯具制造人员能够选择SunPlus系列中的芯片组合,通过程序 计算出该组合可以输出的园艺特异性指标,比如光合光子通量和全光谱功率分布等,在短时间内测试多种差异化的照明场景,快速地寻找最佳设计,最终达到高效投放市场的作用。
 
  植物照明是生物学、设施园艺学、蔬菜学、植物生理学、植物营养学、生物环境工程、LED照明、智能控制技术等多学科交叉和有机结合发展的产物。需要半导体、植物、智能化系统充分的协作和交叉研究应用,需要提供合理的技术 解决方案。LUMILEDS积极参与和组织相关领域的研究,提供完整技术解决方案。纽约州特洛伊市伦斯勒理工学院照 明驱动系统和应用中心(LESA)的高级研究员——Tessa Pocock博士针对LUXEON SunPlus系列的功效进行了相关的植物生长研究。此研究评估了LUMILEDs专为园艺设计的LUXEON SunPlus系列与Valoya和定制直接发射RGB LED相比之下的性能表现。目的是确定最近推出的荧光粉转换型 LED (sunPlus 系列)是否能提高红叶生菜的产量,同时使包括花青素和类胡萝卜素在内的关键营养素水平增高。研究检测了红叶生菜的产量(地上生物量)与营养质量之间的关系或平衡。
 
  选择光谱光子分布以在作物水平上提供光合光子通量密度(PPFD),灯具之间具有相同的红色(600-700nm)、蓝色(400-500nm)及绿色(500-600 nm) 波长范围(光谱比值)输出。在两个环境受控的生长箱(Adaptis 1000,conviron)内各安装两种灯具,如图五所示,通过设定光程序和/或调整作物距离使 PPFD 介于 217-242 μmol/m2s 之间。测量生长箱中心及生长区域某一网格内的光谱光子分布,以检查均匀性,如图六所示。将光合有效辐射(PAR)的光谱比值设计为相同;20%蓝光(400-500nm),20% 绿光(500-600nm)及60%红光(600-700nm)。但远红光区域 (700-800nm)的PPFD存在差异。在RGB直接照射光谱中不存在,但在Valoya Pc中为19μmol,在LUXEON SunPlus 绿黄光+紫光灯具中为25μmol,在LUXEON SunPlus紫光+LUXEON3535L绿光灯具中为28μmol,在 LUXEON SunPlus紫光灯具中为32μmol。图七中的光分析表明,光谱和PPFD的均匀性从生长箱一侧到另一侧平均较差,而从前到后则明显要好。安装较大的光条可改善这些均匀性的差异。光周期为16小时/天,持续14天,日/夜温度为23 ° c/18°c,相对湿度在50%至70%之间。植物采用改良的Hoagland溶液施肥。进行三项独立的重复操作,并确定光试验之间的统计差异(KruskalWallis ANOVA, SigmaPlot v11)。收割具有最大光均匀性之生长区域的样品进行测量。根据Pocock中的方法用分光光度法对花青素浓度进行定量。根据Lichtenthaler中的方法对类胡萝卜素和叶绿素浓度进行定量。



 
  LUXEON SunPlus绿黄光+紫光LED在产量(鲜 重)和抗氧化剂含量方面表现最佳。这种光源的光谱包括远红光(700-800nm) 范围波长的输出,可以提高生菜产量。 Valoya PC LED条件下产生的绿叶产量相当,但从统计上看,抗氧化剂的含量较低,表明磷光体下转换的光谱光子分布可能对作物质量有不同影响。总之,这些数据表明,使用LUXEon sunPlus绿黄光+紫光LED组合中具有蓝光、绿光、深红光及远红光组件的Pc LED 可优化植物的生长和营养。在产量(鲜重)和营养浓度方面均表现优异的光谱为LUXEON SunPlus系列绿黄光+紫光及紫光+绿光 LED。要在室内环境中有效栽培Rouxai 红叶生菜和类似作物,使用LUXEON SunPlus系列绿黄光+紫光及紫光+绿光LED可带来明显优势。
 
  从技术层面看,光效与能效提升是大幅减少运行费用的关键,采用LED替代传统灯具并根据植物从苗期到收获期的光配方需求进行光环境的动态优化调节,是未来精致农业的必然趋势,LUXEON SunPlus系列可以完美匹配此技术的需求。LUXEON SunPlus系列的产品有根据产量与品质方面研发对应的光配方。在提高产量方面,可以根据植物的发育特征,分阶段、分区域结合光配方进行培育,以提高各阶段的生产效率和产量;在提高品质方面,可以通过营养调控和光调控等手段,提高营养成分含量、可溶性糖以及其他功能品质。 植物照明是一个跨学科的系统工程,光源是其中至关重要的一环。LED基于其发光原理,具有光谱可自由组合,颜色纯度高,颜色丰富等优点。除了LUMILEDS之外,其他LED的供应商,例如Osram,Cree,Nichia, Everlight等也纷纷推出植物照明的LED产品系列,这里不一一列举。对于LED光源而言,相同的PPF值,光谱的构成可以不尽相同,针对不同的植物,或者是同一植物的不同生长阶段产生的效果也不同。只是单纯的追求PPF值 并不能达到植物生长的最优化方案。所以未来植物照明在更加专业化的细分市场要求下,会对LED光源提出新的要求,即如何实现有效的PPF。这就要求LED供应商和其他学科交流合作,研发出更有针对性光谱的光源。植物照明LED的封装种类也会更加多样化,满足各种植物照明的需求,从家庭式的入门级到植物工厂专业级全部覆盖,实现信价比的最优化方案。
 
  相信在不远的将来,随着植物工厂的不断发展,LED植物照明的市场渗透率将逐渐提升,技术与商业的有机结合,全球市场进入爆发期,未来20年中国将成为世界农业 半导体照明技术装备产业及其应用大国和强国。植物照明的LED光源会随着产业的逐步专业化进一步发展,向更加具有针对性的方向前进。
 
  (作者:刘洋)
 
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