LED在植物照明中的應(yīng)用研究

朱雅麗

（昕諾飛（中國(guó)）投資有限公司，江蘇南京 210000）

1 LED植物照明研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

自20世紀(jì)80年代，日本開(kāi)始將LED應(yīng)用于植物照明中，但僅僅采用了660 nm LED。20世紀(jì)90年代陸續(xù)有來(lái)了LED在太空中的植物栽培、LED在植物研究設(shè)施中的應(yīng)用、NASA將LED作為航天飛機(jī)和太空站植物的生產(chǎn)光源，但僅僅作為研究，并未將LED植物照明產(chǎn)品化。直至2000年，日本出現(xiàn)了第一個(gè)商業(yè)化LED的植物照明產(chǎn)品，三年后即2003年，LED商業(yè)化室內(nèi)植物照明燈具出現(xiàn)，LED在植物照明中才開(kāi)始規(guī)?；瘧?yīng)用，之后又有了溫室LED補(bǔ)光原型的應(yīng)用。

目前，LED紅藍(lán)植物照明裝置成為主流，面向設(shè)施園藝的LED光源被應(yīng)用于植物工廠，并對(duì)LED植物照明中安全要與性能提出更高地要求[1]。植物照明存在使用過(guò)程中需要進(jìn)行封裝處理，由于在植物照明封裝器件種類多、且無(wú)統(tǒng)一的測(cè)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，國(guó)外大廠家主要在大功率，COB和模組方向、植物照明白光系列，與國(guó)內(nèi)產(chǎn)品相比，其可靠性、光效、不同植物不同生長(zhǎng)周期光合輻射特性研究等方面有較大的優(yōu)勢(shì)。芯片外延片大量的核心專利仍然掌握在歐美等企業(yè)手中，國(guó)內(nèi)芯片技術(shù)仍然缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)很多公司在植物照明封裝芯片領(lǐng)域也在開(kāi)發(fā)新的技術(shù)。植物照明的光譜比較復(fù)雜，多樣化，不同植物在不同的生長(zhǎng)周期不同的生長(zhǎng)環(huán)境下，所需的光照具有較大的差異。為了達(dá)到要求，目前行業(yè)內(nèi)有以下幾種方案：①多種單色光組合方案；②全光譜方案；③以全光譜白光為主，提高光譜的有效性。

綜上所述，第三種方案比較經(jīng)濟(jì)適用。從應(yīng)用領(lǐng)域，植物照明燈具主要應(yīng)用溫室不光，全人工植物工廠，植物組織培育、大田補(bǔ)光、家庭蔬菜及花卉種植以及實(shí)驗(yàn)室研究。在日光燈溫室和連棟溫室中，采用人工光進(jìn)行補(bǔ)光的比例仍舊較低，而且以金鹵燈和高壓鈉燈為主，LED植物照明系統(tǒng)的滲透率較低，但是增長(zhǎng)速度隨著成本的下降開(kāi)始加速，主要原因是使用者對(duì)金鹵燈和高壓鈉燈已經(jīng)具有較長(zhǎng)時(shí)間的使用經(jīng)驗(yàn)，采用金鹵燈和高壓鈉燈在避免燒傷的同時(shí)，也為溫室提供了熱能，而LED植物照明系統(tǒng)沒(méi)有。

2 安全要求

安全性是LED植物照明最基本的要求，在應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)時(shí)，需要對(duì)人或周圍環(huán)境不產(chǎn)生危險(xiǎn)，需要滿足GB 7000.1安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，也需要滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，GB 7000.201、GB 7000.202、GB 7000.204等。涉及的安全檢測(cè)項(xiàng)目包含標(biāo)記、結(jié)構(gòu)、防觸電保護(hù)、內(nèi)外部接線、絕緣電阻和電氣強(qiáng)度等。對(duì)于自鎮(zhèn)流LED植物照明燈，GB 24906對(duì)意外接觸帶電部件防護(hù)的要求為：燈的防觸電設(shè)計(jì)應(yīng)保證當(dāng)其安裝在相應(yīng)燈座中時(shí)，使用者不能觸及燈頭內(nèi)或燈體內(nèi)的金屬部件、基本絕緣的外部金屬部件和帶電金屬部件。對(duì)于自鎮(zhèn)流LED植物照明燈，防觸電保護(hù)不合格現(xiàn)象主要表現(xiàn)為燈頭電觸點(diǎn)的焊錫高度過(guò)高，當(dāng)燈在旋入燈座安裝好之后，帶電部件裸露易被觸及[2]。

第一，標(biāo)記。標(biāo)記是產(chǎn)品實(shí)際特征參數(shù)的重要信息，能夠?qū)a(chǎn)品信息直觀地反映至消費(fèi)者，是使用者是否決定購(gòu)買及使用的依據(jù)。根據(jù)GB 7000.1，燈具上應(yīng)清晰、耐久地標(biāo)有以下強(qiáng)制性標(biāo)記：來(lái)源信息、額定電壓、額定最高環(huán)境溫度、產(chǎn)品型號(hào)、功率、防護(hù)等級(jí)、II類燈具或III類燈具符號(hào)等，這類強(qiáng)制性標(biāo)記必須清晰、持久地標(biāo)記在燈具上，不能被輕易抹除。除此之外，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了部分補(bǔ)充信息如燈頻率、特定條件、安裝說(shuō)明等，可在說(shuō)明書(shū)中體現(xiàn)[3]。

第二，結(jié)構(gòu)。燈具產(chǎn)品檢驗(yàn)是否合格，其結(jié)構(gòu)是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求至關(guān)重要。如果燈具僅僅缺少標(biāo)記，則只需要添加補(bǔ)貼，但如果一款燈具存在結(jié)構(gòu)缺陷，那么燈具檢驗(yàn)時(shí)就會(huì)判定為不合格產(chǎn)品，難以在市面上銷售。因此，燈具在設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該嚴(yán)格按照照明標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如可移動(dòng)式LED植物照明燈具，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在移動(dòng)、調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)注意燈具電源線的不應(yīng)損壞，因此使用載線座、線夾等裝置固定，使得可移動(dòng)式LED植物照明燈具使用時(shí)不易傾倒。

第三，防觸電保護(hù)LED在植物照明中的燈具需具備防觸電保護(hù)功能，保證使用者在安裝使用過(guò)程中的安全。根據(jù)GB 7000.1防觸電要求，燈具在正常安裝使用或者替換時(shí)，燈具的帶電部位不可觸及，即使非徒手操作。基本絕緣部位不能應(yīng)用至無(wú)防止意外接觸措施的燈具外表面[3]。此處，防止意外接觸措施為是否設(shè)有觸電保護(hù)、是否具有雙重絕緣、生產(chǎn)企業(yè)是否嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行燈具的設(shè)計(jì)。

3 性能要求

LED植物照明燈具在應(yīng)用于植物生長(zhǎng)照明時(shí)，不僅要考量其安全要求，還應(yīng)考慮LED光源的功率、光度、色度及輻射度等性能要求。植物的生長(zhǎng)速度并非取決于光源數(shù)量，在于植物表面吸收光輻射能的量，即光照強(qiáng)度。不同光譜范圍對(duì)植物生理影響不同，波長(zhǎng)280～315 nm時(shí)，對(duì)形態(tài)與生理過(guò)程影響較小；波長(zhǎng)315～420 nm時(shí)，葉綠素吸收少，影響光照效應(yīng)，阻止莖生長(zhǎng)；波長(zhǎng)315～420 nm時(shí)，葉綠素與胡蘿卜素吸收比例最大，對(duì)光合作用影響最大；波長(zhǎng)500～620 nm時(shí)，色素吸收率低；波長(zhǎng)620～750 nm時(shí)，葉綠素吸收率高，對(duì)光合作用于光周期效應(yīng)有顯著影響；波長(zhǎng)750～1 000 nm時(shí)，吸收率低，刺激細(xì)胞延長(zhǎng)，影響開(kāi)花與種子發(fā)芽[2]。

第一，LED植物照明燈具工作時(shí)，實(shí)際功率因素應(yīng)不大于制造的標(biāo)稱值0.05[4]。在燈具檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)燈具實(shí)測(cè)功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)稱功率，影響了燈具的光效以及光通量等參數(shù)。因此，制造企業(yè)在制造燈具時(shí)，應(yīng)注意儀表的量程的影響[4]。

第二，光合作用有效輻射由波長(zhǎng)400～780 nm內(nèi)的可見(jiàn)光組成為光合作用有效輻射，用PAR表示，由于PAR非計(jì)量單位，因此，使用光合光子通量密度PPFD（μmol/m2·s）。

第三，光量子效應(yīng)QE（μmol/J），表示LED植物照明燈具在380～780 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)每焦耳電能轉(zhuǎn)換為光量子數(shù)量的能力。QE與輻射效率波長(zhǎng)相關(guān)，QE數(shù)值越高表示的照明燈具對(duì)光量子轉(zhuǎn)換呢你越強(qiáng)，電能利用效率越高[5]。

4 LED植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

專業(yè)化。LED可適用于不同場(chǎng)所的植物照明，具有光譜、光量可調(diào)以及整體發(fā)光，發(fā)熱小的特點(diǎn)，并且具有良好的防水性。由于自然環(huán)境的變化以及人們對(duì)食物品質(zhì)的追求，促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)和植物工廠的發(fā)展，LED植物照明在提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高食品安全，改善食品品質(zhì)方面發(fā)揮重要的作用。

高效化。與傳統(tǒng)燈具相比，使用LED植物照明具有提升光效與能效的作用，植物所需光環(huán)境從苗期到收獲期可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化的調(diào)節(jié)，是未來(lái)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然趨勢(shì)。同時(shí)，LED光照在提高植物產(chǎn)量方面，可根據(jù)植物的發(fā)育特征，結(jié)合光配方，分階段、分區(qū)域地進(jìn)行培育，是的各階段的生產(chǎn)效率與產(chǎn)量，同時(shí)品質(zhì)各方面都可得到提升。

智能化。隨著數(shù)字時(shí)代的到來(lái)，植物照明對(duì)光質(zhì)、光量可實(shí)時(shí)調(diào)控，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合多種單色光譜就，通過(guò)智能控制系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制光控，根據(jù)植物的生長(zhǎng)狀態(tài)適合調(diào)整光質(zhì)、光量的輸出，將成為未來(lái)植物照明的發(fā)展主趨勢(shì)。

5 低成本低能耗，保證可持續(xù)生產(chǎn)

植物照明領(lǐng)域中，電費(fèi)成本占比最大，決定了產(chǎn)品價(jià)格是否親民、能否可持續(xù)地商業(yè)化量產(chǎn)，植物工廠最大的制約和挑戰(zhàn)是設(shè)備成本和運(yùn)行成本，引入LED作為補(bǔ)光光源成本過(guò)于昂貴，研究發(fā)現(xiàn)熒光燈有各種各樣的問(wèn)題。2014年開(kāi)始運(yùn)行的第一家植物工廠，安裝了約12 000支昕諾飛LED產(chǎn)品，除了植物工廠內(nèi)部運(yùn)行成本的降低，生菜在種植都就在此地包裝，減少了零售商運(yùn)輸成本和資源的浪費(fèi)。為確保栽培室的衛(wèi)生條件，工作人員必須經(jīng)過(guò)兩道消毒，風(fēng)淋過(guò)程才可以進(jìn)入。昕諾飛LED植物照明系統(tǒng)將光照設(shè)計(jì)成最佳的條件，人工只需按照流程工藝進(jìn)行工作，就能實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)模式，人力投入的減少也降低了蔬菜受污染的危害。這樣全封閉式的培養(yǎng)，讓蔬菜住進(jìn)了避風(fēng)港，有效杜絕了農(nóng)藥的使用，保障蔬菜的“綠色”本質(zhì)，消費(fèi)者可以盡情享用當(dāng)?shù)爻鞘修r(nóng)場(chǎng)提供的優(yōu)質(zhì)、安全的食品。此外，通過(guò)調(diào)整燈光光譜，昕諾飛LED植物照明技術(shù)被廣泛應(yīng)用于城市農(nóng)場(chǎng)、植物景觀、育種照明三大方面，隨著技術(shù)與市場(chǎng)的發(fā)展，其普及度將不斷提升。大多數(shù)企業(yè)對(duì)植物照明領(lǐng)域的發(fā)展還處在觀察試水和洽談階段，并沒(méi)有對(duì)植物生長(zhǎng)核心技術(shù)和下游銷售渠道建設(shè)等方面進(jìn)行大量的了解和投入，產(chǎn)品的發(fā)展規(guī)劃也不太明確。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了LED植物照明研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合現(xiàn)有發(fā)展趨勢(shì)，論述了LED植物照明中安全要求與性能要求，進(jìn)一步推動(dòng)了LED植物照明產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。同時(shí)，針對(duì)植物照明的應(yīng)用做了一定的展望。