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2018年9月10日 星期一

BEST 5: Led Grow Lights 2018

來源: 阿拉丁商城作者:刘洋



近幾年,LED逐步進入了普通人的生活之中,在通用照明的各個領域都不難看到LED的身影。


LED擁有傳統照明無法取代的優點,亦有更大的發展空間。照明市場,向基於半導體技術方向的演進,催生了眾多新的成長機會,其中之一便是植物照明。

據美國機構 Navigant Research預測,LED植物照明在2015年至2020年的年均成長率有83.3%,預估到2020年植物照明中的LED滲透率可高達85%。其中全球垂直農場使用LED燈具的市場裝置率,會從2017年的USD200M增加到2021年的USD1.2B, 如圖一所示。


LED植物照明的優點,例如提高作物生長速度,節約能源高達75%,節省水資源達90%,也廣泛地被業界認可。在全球氣候變遷下,精緻作物種植、養殖業、食物存放保鮮,食品安全等市場需求,都推動植物及園藝照明市場的發展前景。

目前通用照明市場競爭,已日益白熱化,LED植物照明被視為是一片新的發展空間,眾多LED相關企業,在植物照明領域都提前加緊佈局。

作為全球前5大LED廠家的 LUMILEDS,在植物與園藝照明領域的研發應用,有著多年的研發累積,對不同光配方、不同光照條件,以及不同生產方式,給植物生產帶來的影響,也有著非常豐富的經驗。

以下就以LUMILEDS的產品為例,簡要分析目前植物照明領域的LED光源的性能特點和種類。

LUMILEDS針對植物照明推出的產品系列是LUXEON SunPlus,可確保輕鬆設計園藝應用所需的系統,作為溫室、垂直農場或其他植物生長應用。


LUXEON SunPlus系列是LED業界,第一個基於光合作用光子通量(PPF)分檔及測試的LED。LUXEON SunPlus系列採用三種不同的封裝,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,具有可用於單驅動器解決方案,及多通道色彩可調解決方案的選項。

LUXEON SunPlus20系列,是基於大功率晶片的LED封裝,尺寸是2.0 x 2.0mm。適合應用於溫室栽植,尤其是輔助方式的天井燈,能夠提供全天24小時長時間的光照。

種植人員可以利用特定波長,發展出單一光照方案, 例如藍光(420-480nm)以及紅光 (620-670nm)。或者利用多重光照方案,搭配多顆LED形成理想的光輸出, 配合植物再不同生長階段所需的光照, 例如播種、發芽、生長和開花等階段的不同光照需求。

LUXEON SunPlus20涵蓋藍光(440-460nm)、深紅(655-675 nm)、遠紅 (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),使燈具的光學設計,更加簡易並具有通用性。

相較於 SunPlus20系列的高PPF值,和高能量密度,SunPlus35更加適用於垂直農場,使用多層次的生長盤 , 其 所需光照通常是一致性高、近距離的照明系統。

LUXEON SunPlus35系列共有藍光(440-460nm),青檸色、深紅、遠紅、白光以及三種不同光色的3.5 x 3.5mm紫色中功率LED晶片

LUMILEDS的紫光LED,是利用高效的藍光LED,與特製螢光粉,製造高一致性的光源,利於作物快速生長。LUMILEDS的紫光LED晶片系列介於400-700nm 之間。
根據藍光佔整個光譜的比重分為2.5%,12.5%和25%。紫光LED(2.5% 藍光 )可以有效刺激植莖生長及開花,12.5%藍光的紫光LED促進整體生長,而25%藍光的LED能夠刺激菜葉類的葉片發育。


SunPlus COB系列包括12.5%藍光的紫光COB,主要針對於高PPF強度的應用,例如天井燈,可以穿透大型植物,保證植物均衡生長。


圖三標識了SunPlus系列的光譜,包括藍光、青檸色、白光、深紅光、遠紅光以及三 種不同光色的紫色。植物生長需要的葉綠素a,葉綠素b,類胡蘿蔔素,決定了植物的生長光合作用,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,類胡蘿蔔素的吸收峰值在420nm和485nm。SunPlus系列的光譜,涵蓋了植物生長需要的葉綠素a,葉綠素b,類胡蘿蔔素的吸收峰值,基本上滿足了植物生長的光譜需求。

與同類產品相比,LUMILEDS SunPlus系列具有以下優勢:

1.基於光合光子通量(PPF)分檔及測試

2.控制植物的內部時鐘,可以在每個光週期結束時,用作觸發器,以促進短日植物開花(遠紅光720nm-750nm)

3.提供植物吸收光子關鍵波長(藍光450nm&深紅光660nm)

4.青檸光可提升整體效能,並可實現人性化的工作環境,避免紫光帶來的不適


5.多個封裝選擇(2.0mm x 2.0mm、3.5mm x 3.5mm和coB),確保設計自由






SunPlus系列針對植物照明的功用如圖四所示。其中藍光有助於植物營養生長,深紅光利於根莖生長和開花,青檸色、白光利於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種紅藍光比例配方,有藍光2.5%、藍光12.5%和藍光25%三種。此封裝方式能直接替換現有的傳統光源,使用在T管、平板燈,方便客戶更換使用。

為了配合顧客調配自己的光配方,LUMILEDS提供了園藝照明計算小工具。憑借這款園藝照明計算器,燈具製造人員,能夠選擇SunPlus系列中的晶片組合,透過程序 計算出該組合,可以輸出的園藝特異性指標,比如光合光子通量和全光譜功率分布等,在短時間內測試多種差異化的照明場景,快速地尋找最佳設計,最終達到高效投放市場的作用。

植物照明是生物學、設施園藝學、蔬菜學、植物生理學、植物營養學、生物環境工程、LED照明、智慧控制技術等多學科交叉,和有機結合發展的產物。需要半導體、植物、智慧化系統充分的協作,和交叉研究應用,需要提供合理的技術解決方案。

LUMILEDS積極參與和組織相關領域的研究,提供完整技術解決方案。紐約州特洛伊市倫斯勒理工學院照明驅動系統,和應用中心(LESA)的高級研究員——Tessa Pocock博士針對LUXEON SunPlus系列的功效,進行了相關的植物生長研究。

此研究評估了LUMILEDs專為園藝設計的LUXEON SunPlus系列,與Valoya和定制直接發射RGB LED,相比之下的性能表現。目的是確定最近推出的螢光粉轉換型 LED (sunPlus 系列)是否能提高紅葉生菜的產量,同時使包括花青素和類胡蘿蔔素在內的關鍵營養素水平增高。

研究檢測了紅葉生菜的產量(地上生物量)與營養品質之間的關係或平衡。






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)、藍色(400-500nm)及綠色(500-600 nm) 波長範圍(光譜比值)輸出。在兩個環境受控的生長箱(Adaptis 1000,conviron)內各安裝兩種燈具,如圖五所示,透過設定光程序和/或調整作物距離使 PPFD 介於 217-242 μmol/m2s 之間。

測量生長箱中心及生長區域某一網格內的光譜光子分布,以檢查均勻性,如圖六所示。

將光合有效輻射(PAR)的光譜比值,設計為相同;20%藍光(400-500nm),20% 綠光(500-600nm)及60%紅光(600-700nm)。但遠紅光區域 (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的均勻性從生長箱一側到另一側平均較差,而從前到後則明顯要好。

安裝較大的光條可改善這些均勻性的差異。光週期為16小時/天,持續14天,日/夜溫度為23 ° c/18°c,相對濕度在50%至70%之間。植物採用改良的Hoagland溶液施肥。進行三項獨立的重覆操作,並確定光試驗之間的統計差異(KruskalWallis ANOVA, SigmaPlot v11)。


收割具有最大光均勻性之,生長區域的樣品進行測量。根據Pocock中的方法,用分光光度法對花青素濃度進行定量。根據Lichtenthaler中的方法,對類胡蘿蔔素和葉綠素濃度進行定量。







LUXEON SunPlus綠黃光+紫光LED在產量(鮮 重)和抗氧化劑含量方面表現最佳。這種光源的光譜包括遠紅光(700-800nm) 範圍波長的輸出,可以提高生菜產量。 

Valoya PC LED條件下產生的綠葉產量相當,但從統計上看,抗氧化劑的含量較低,表明磷光體下轉換的光譜光子分布,可能對作物品質有不同影響。

總之,這些數據表明,使用LUXEon sunPlus綠黃光+紫光LED組合中具有藍光、綠光、深紅光及遠紅光組件的Pc LED ,可優化植物的生長和營養。

在產量(鮮重)和營養濃度方面,均表現優異的光譜為LUXEON SunPlus系列綠黃光+紫光及紫光+綠光 LED。要在室內環境中有效栽培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可帶來明顯優勢。






從技術層面看,光效與能效提升,是大幅減少運行費用的關鍵,採用LED替代傳統燈具,並根據植物從苗期到收穫期的光配方需求,進行光環境的動態優化調節,是未來精緻農業的必然趨勢,LUXEON SunPlus系列可以完美匹配此技術的需求。

LUXEON SunPlus系列的產品,有根據產量與品質方面,研發對應的光配方。

在提高產量方面,可以根據植物的發育特徵,分階段、分區域結合光配方進行培育,以提高各階段的生產效率和產量;在提高品質方面,可以透過營養調控和光調控等手段,提高營養成分含量、可溶性糖以及其他功能品質。

 植物照明是一個跨學科的系統工程,光源是其中至關重要的一環。LED基於其發光原理,具有光譜可自由組合,顏色純度高,顏色豐富等優點。

除了LUMILEDS之外,其他LED的供應商,例如Osram、Cree、Nichia、 Everlight等,也紛紛推出植物照明的LED產品系列,這裡不一一列舉。

對於LED光源而言,相同的PPF值,光譜的構成可以不盡相同,針對不同的植物,或者是同一植物的不同生長階段,產生的效果也不同。只是單純的追求PPF值,並不能達到植物生長的最優化方案。

所以未來植物照明,在更加專業化的細分市場要求下,會對LED光源提出新的要求,即如何實現有效的PPF。
這就要求LED供應商和其他學科交流合作,研發出更有針對性光譜的光源。植物照明LED的封裝種類,也會更加多樣化,滿足各種植物照明的需求,從家庭式的入門級,到植物工廠專業級全部覆蓋,實現信價比的最優化方案。

相信在不遠的將來,隨著植物工廠的不斷發展,LED植物照明的市場滲透率將逐漸提升,技術與商業的有機結合,全球市場進入爆發期,植物照明的LED光源,會隨著產業的逐步專業化進一步發展,向更加具有針對性的方向前進。

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