BEST 5: Led Grow Lights 2018
來源： 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。
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。
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