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植物照明用户的技术需求

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-10-30   来源:阿拉丁照明网  浏览次数:385
  目前,农业照明被应用于微生物类的微藻培养、食用菌种植、禽类养殖、水产养殖、甲壳类宠物的养护,以及应用最广泛的植物种植,应用的领域类型越来越多。尤其是植物照明,在植物工厂技术推出以后,进入了快速发展的阶段。
 
  一 、植物照明灯的种类
 
  目前,植物照明灯的种类主要有白炽灯、卤素灯、荧光灯、高压钠灯、LED灯。而LED以其光效高、发热低、体积小、寿命长等诸多优点,在植物照明领域优势明显,植物照明灯也将逐渐以LED照明灯具为主。据智研咨询发布的报告,预计2020年LED生长灯规模将占植物灯市场的61%,具体的规模比例见图1。
 
 
 
来源:中国产业信息网、公开资料整理
图1 预计2020年各种植物生长灯的市场规模和占比
 
  二、LED 植物照明市场现状及发展趋势
 
  目前,植物照明市场主要集中在在中东、美国、日本、中国、加拿大、荷兰、越南、俄罗斯、韩国等地区。自2013年以来,全球LED植物照明市场进入快速发展时期。据LEDinside统计,2014年全球LED植物照明市场规模为1亿美元,2016年市场规模为5.75亿美元,预估至2020年将增长至14.24亿美元,年均复合增速超过30%。据智研咨询集团调研统计,全球植物工厂植物灯市场规模发展迅速,预测至2020年规模高达1912万平方米。具体发展趋势如图2所示:
 
 
 
  来源:智研咨询图2 全球植物照明市场规模趋势图
 
  植物照明市场的前景广阔,为越来越多的企业所青睐,据不完全统计,2017年,多家企业在植物照明市场有了新的动态。具体如表1所示:
 
 

 
表1:2017 年部分企业在植物照明领域的动态
信息来源:CSA Research整理
 
  三、植物照明应用领域
 
  植物照明领域,作为近年来发展较快的农业照明领域之一。光主要从两个方面对植物的生长发育起作用的,一是作为能量,参与植物的光合作用,促进植物能量的积累,二是作为信号调控植物的生长发育,如发芽、开花、茎的生长。从这个角度进行划分,植物照明可以分为生长类照明与信号类照明,而生长类照明从人工光的使用方式,可以分为全人工光生长灯与补光灯;信号类照明也可以分为催芽灯、花期灯、着色灯等等。从应用的领域来区分,植物照明领域目前主要有育苗(包括组培育苗和种子育苗)、园艺景观、植物工厂、大棚种植等等。
 
  从表 1 中可以看到,植物工厂、大棚补光、家庭农场是植物照明应用的主要领域。
 
  四、植物照明用户的技术需求
 
  植物照明是一个综合性、跨领域性很强的行业,植物的生长也是一个多因素作用的结果。植物照明用户关注的技术 需求不仅仅是照明部分的,还包括其他的因素。下文将从两个角度分析植物照明用户的技术需求。分别为:(1)从专利的布局角度看技术需求。布局的专利一定程度上反映了企业、科研院所、专家对于技术发展的判断,从而可以一定程度上反映植物照明用户技术需求及需求趋势;(2)从用户的角度看技术需求。
 
  1.从专利布局的角度看技术需求
 
  据周德涛、许毅钦、张涛等人统计,全球在LED植物照明应用领域申请的专利中,前5位IPc技术分类如图3所示,分别为(1)F21Y101/02:涉及到微型光源,例如发光二极管的发光装置或照明系统;(2)A01G9/20: 在促成温床中利用灯光栽培花卉、蔬菜或水稻;(3)F21s2/00:模块化结构等的非便携式照明装置或其系统;
 
 
图 3 全球在 LED 植物照明应用领域申请的前 5 位专利类型
 
  (5)A01G7/04:用电或磁处理植物促进其生长。专利布局上来看,微型光源的改良、照明系统改良、系统种植方案、结构模块化、装置智能化、系统傻瓜化会是专利的布局的趋势,很大程度上也反映植物照明用户的技术需求和趋势。
 
  2.从用户的角度看技术需求
 
  植物照明用户对于行业的接受程度,很大程度上影响了行业的发展。而对于植物照明用户来讲,投资成本和使用成本是其重点关注的问题。
 
  2.1 从LED植物灯灯具成本看技术需求
 
  LED灯具成本直接关系到用户的投资成本。虽然,LED灯具的节能优势,光谱优势明显,但相比于其他植物照明灯具的价格,LED灯具价格偏高。以大麻灯为例,同样600w的灯,高压钠灯植物灯整套售价约300元,而LED植物灯大概在2000元左右。以广东绿爱从2016 年至今的植物灯销售数据分析,从不同功率的灯具销售数量比例来看,50w以下的灯具销售数量占了总数量的68%。大部分新生客户更愿意从小功率的灯具小规模入手试用。
 
  在灯具成本中,除了灯的外壳、驱动成本外,灯珠的成本相比于普通灯珠,价格偏贵。以 0.2wd的2835灯珠为例,植物照明灯珠的价格大概为通用照明灯珠的4-7倍。当然,LED灯珠价格趋势逐年下降,衬底材料、荧光粉等原料以及外延片的价格逐年降低,芯片制造成本随着生产效率的提升(2英寸片到4英寸片的升级)也有所降低。据智研咨询发布的报告,如图4所示,2020年的灯珠成本将降至2015年的40%左右。
 
  2.2从LED植物灯的使用成本看技术需求
 
  电力成本与电力绩效,基本上是每个植物灯用户都关心的问题。电力绩效是指单位用量的电力投入与产出比。这里的产出是指产量和质量两个方面。
 
  2.2.1光
 
  光作为影响植物生长发育的主要因素之一,光谱、光强、光周期等影响植物的生长发育。而光效则与电力绩效密切相关。
 
  (1)光谱
 
  波长范围为 300~800nm的辐射称为植物的生理有效辐射(physiologically active radiation),但 UVB(280-320nm)和UVc(220-280nm)波段对植物的生长发育(次生代谢产物的产生)有影响。在植物灯灯珠的波长类型上,欧司朗推出了450nm、660nm、730nm、617nm、623nm、6000k白光灯珠。EDIson推出了390-410nm、415-435nm、450-460nm、520-535nm、585-600nm、620-630nm、660nm和725-745nm波长的灯珠。在单色灯珠上,植物的生理有效辐射波长基本涵盖,植物灯厂家通过不同灯珠的组合生成不同的适用光谱。但在UV波段的灯珠产品,或基于工艺的原因,或基于成本的原因,还未能像其他波长的灯珠一样,在植物照明产品中被大量运用。
 
 
 
  来源:智研咨询图
4 LED原材料和工艺的成本趋势图
 
  虽然光谱可以通过单色灯珠的阵列组合,或者是芯片激发荧光粉来实现光谱的多样化。但是不同的植物种类、不同阶段(育苗、营养生长、生殖生长、花期诱导)、不同的运用场景,其需求的光谱都有差异。以绿爱的客户要求举例:花期灯的光谱,除了红蓝区域外,在730nm远红光波段的含量在光谱的设计范围内,而且客户对于节能效果有明确的要求,而这对于光谱的精准性和灯珠的高效性的要求就非常高;组培灯的光谱,在需要保证生长效果的前提下,为了方便及时干净的处理污染苗,对于组培灯的显色指数(Ra≥80)有要求;同样是生长灯,室内用植物灯和大棚补光灯在光质种类和含量有所差异;育苗灯相比于生长灯,光谱设计上则更加注重苗的壮苗指数。
 
  植物照明用户的植物种类很多,就绿爱的客户所提供的作物信息就有红藜、沙拉生菜类、冰菜、火龙果、百香果、草莓、番茄、青瓜、玫瑰、秋葵、石斛、金线莲、组培苗类、烟草苗、番薯育苗、秋葵、大麻、多肉植物等。他们对于光谱的区分与认知并不一定是都是专业的,但他们对于种植效果数据都是首要关注的。部分用户对仿太阳光的植物照明产品很感兴趣,认为和太阳光相近的光谱的适用对象会更广。而这是在光谱的多样性和精准性未能满足客户需求的情况下,客户以加大能耗做出的妥协。
 
  (2)光强
 
  光强对植物生长的影响有两个点,光的补偿点和光的饱和点。对于用户来说,光的饱和点在生产应用上来讲并非一定是最佳的光强,需要考虑植物生长速度,还需要平衡生产的成本。不同的作物,不同的阶段对于光强的需求亦有所差别。赵静,周增产,卜云龙等指出:从植物工厂补光光照强度来说,苗期光照强度应略低,在60~200μmol/(m2·s),随后逐渐增大。叶菜最高可至100~200μmol/(m2·s),果菜可达300~500μmol/(m2·s)。
 
 
表2几家植物灯灯珠生产商的灯珠光效
 
  用户需要植物照明厂家提供一个最佳的光强以及达到这个光强所需要的组合方式和悬挂方式,而这大部分植物照明生产厂家是不具备提供这些技术参考的。
 
  在光强上,作为信号类的植物灯对于光强的需求明显低于作为能量的生长灯。作为信号灯,其最适光强远远低于生长灯的光强,其作用光强(PPFD)在3-30μmol/m2.s。
 
  (3)光效
 
  光效,是电能转化为光能的能力。光效越高,电力绩效越高,电力成本越低。植物照明用户关注的是整灯光效(单位:μmol/J)。而作为植物灯供应商需要从灯珠光效,灯具的设计上提高植物灯的整灯光效。红光(660nm)灯珠,市面上的光效高达3.17μmol/J,蓝光(450nm)光效在2.5μmol/J左右。而在紫光波段的灯珠光效偏低。混色灯珠的光效最高则在2.5μmol/J左右。
 
  (4)光的使用方式
 
  植物照明,代替太阳光,但它是完全可控的。一天的光照时间、光强、光谱变化都是可控的。如何能通过控制光的使用方式来提高电力绩效是大部分植物照明用户都会关注的问题。光合辐射总量(DLI),是指植物在单位面积(每平方米内)24 小时时间里所积累的光照总量。植物照明用户,特别是植物工厂用户,更加关注植物光合辐射总量的“饱和值”,以免造成光能,电能上的浪费。
 
  2.2.2 系统方案
 
  高投入、高生产成本的特点,要求植物工厂的作物生产必须高效。有别于传统种植方式的种植环境,植物工厂的环境因素是完全可控的,这也是植物工厂高效生产的基础。目前,行业主要从智能化的管理系统、专家化的种植技术、自动化的操作平台上实现植物工厂的高效生产。
 
  智能化的管理系统,比如基于物联网的植物工厂智能化管控技术、基于PLC的植物工厂监控系统、基于嵌入式平台的植物工厂控制系统。通过这些控制系统实现对植物工厂温度、湿度、光照、co2浓度以及营养液Ec、pH、Do等要素的在线检测、远端访问、程序更新及网络化智能管控。
 
  专家化的种植技术。植物工厂别于传统的种植方式,无论是其他专业的人、或者传统农业专业的人、投资或者管理植物工厂,专家化的种植技术需求和指导都是必不可少的。植物的生长发育是风、光、水、养、气、菌因素互作的结果。目前,在光温耦合、光温CO2互作、营养元素的耦合上有研究资料,而更多因素间的互作方案则更加少见。这些系统都是基于生长因素互作的基础上做的系统设计,但专家方案的形成则需要更多的种植数据支撑。
 
  为了节省人工成本,自动化的操作系统也是行业关注的重点。徐赛超;毛罕平; 刘洋等设计和实验了生菜采收末端执行机构;周亚波、毛平平、胡圣亮等人设计和试验了植物工厂栽培板自动搬运装置;京鹏环球科技研发的植物工厂自动立体栽培系统。
 
  2.2.3 其他
 
  另外,植物照明用户对于灯具的防水等级、发光角度、散热系统,灯具寿命,光谱有效寿命、光衰在使用上也有相应的技术需求。
 
  五、结语
 
  随着LED照明技术的成熟,LED成本的下降,科研力量和政府政策的介入,众多企业纷纷从竞争惨烈的通用照明市场转战植物照明领域,中国市场也慢慢兴起,对于植物照明的技术需求也会越来越明确。
 
  中国植物照明应用存在的问题?
 
  产品杂乱,生产设计不规范,销售光谱缺乏实际验证,逐渐地降低公众对于植物照明行业的信任度,减缓植物照明行业市场的拓展和成熟。
 
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关键词: 植物照明
 
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