LED在植物照明中的应用研究

2021-12-25朱雅丽

农业开发与装备 2021年8期

朱雅丽

（昕诺飞（中国）投资有限公司，江苏南京 210000）

1 LED植物照明研究现状及发展趋势

自20世纪80年代，日本开始将LED应用于植物照明中，但仅仅采用了660 nm LED。20世纪90年代陆续有来了LED在太空中的植物栽培、LED在植物研究设施中的应用、NASA将LED作为航天飞机和太空站植物的生产光源，但仅仅作为研究，并未将LED植物照明产品化。直至2000年，日本出现了第一个商业化LED的植物照明产品，三年后即2003年，LED商业化室内植物照明灯具出现，LED在植物照明中才开始规模化应用，之后又有了温室LED补光原型的应用。

目前，LED红蓝植物照明装置成为主流，面向设施园艺的LED光源被应用于植物工厂，并对LED植物照明中安全要与性能提出更高地要求[1]。植物照明存在使用过程中需要进行封装处理，由于在植物照明封装器件种类多、且无统一的测量评价标准体系，国外大厂家主要在大功率，COB和模组方向、植物照明白光系列，与国内产品相比，其可靠性、光效、不同植物不同生长周期光合辐射特性研究等方面有较大的优势。芯片外延片大量的核心专利仍然掌握在欧美等企业手中，国内芯片技术仍然缺乏竞争力，同时很多公司在植物照明封装芯片领域也在开发新的技术。植物照明的光谱比较复杂，多样化，不同植物在不同的生长周期不同的生长环境下，所需的光照具有较大的差异。为了达到要求，目前行业内有以下几种方案：①多种单色光组合方案；②全光谱方案；③以全光谱白光为主，提高光谱的有效性。

综上所述，第三种方案比较经济适用。从应用领域，植物照明灯具主要应用温室不光，全人工植物工厂，植物组织培育、大田补光、家庭蔬菜及花卉种植以及实验室研究。在日光灯温室和连栋温室中，采用人工光进行补光的比例仍旧较低，而且以金卤灯和高压钠灯为主，LED植物照明系统的渗透率较低，但是增长速度随着成本的下降开始加速，主要原因是使用者对金卤灯和高压钠灯已经具有较长时间的使用经验，采用金卤灯和高压钠灯在避免烧伤的同时，也为温室提供了热能，而LED植物照明系统没有。

2 安全要求

安全性是LED植物照明最基本的要求，在应用该项技术时，需要对人或周围环境不产生危险，需要满足GB 7000.1安全检测标准，同时，也需要满足产品标准，GB 7000.201、GB 7000.202、GB 7000.204等。涉及的安全检测项目包含标记、结构、防触电保护、内外部接线、绝缘电阻和电气强度等。对于自镇流LED植物照明灯，GB 24906对意外接触带电部件防护的要求为：灯的防触电设计应保证当其安装在相应灯座中时，使用者不能触及灯头内或灯体内的金属部件、基本绝缘的外部金属部件和带电金属部件。对于自镇流LED植物照明灯，防触电保护不合格现象主要表现为灯头电触点的焊锡高度过高，当灯在旋入灯座安装好之后，带电部件裸露易被触及[2]。

第一，标记。标记是产品实际特征参数的重要信息，能够将产品信息直观地反映至消费者，是使用者是否决定购买及使用的依据。根据GB 7000.1，灯具上应清晰、耐久地标有以下强制性标记：来源信息、额定电压、额定最高环境温度、产品型号、功率、防护等级、II类灯具或III类灯具符号等，这类强制性标记必须清晰、持久地标记在灯具上，不能被轻易抹除。除此之外，标准还规定了部分补充信息如灯频率、特定条件、安装说明等，可在说明书中体现[3]。

第二，结构。灯具产品检验是否合格，其结构是否符合标准要求至关重要。如果灯具仅仅缺少标记，则只需要添加补贴，但如果一款灯具存在结构缺陷，那么灯具检验时就会判定为不合格产品，难以在市面上销售。因此，灯具在设计时，就应该严格按照照明标准要求进行结构设计。如可移动式LED植物照明灯具，在结构设计时，在移动、调节时应注意灯具电源线的不应损坏，因此使用载线座、线夹等装置固定，使得可移动式LED植物照明灯具使用时不易倾倒。

第三，防触电保护LED在植物照明中的灯具需具备防触电保护功能，保证使用者在安装使用过程中的安全。根据GB 7000.1防触电要求，灯具在正常安装使用或者替换时，灯具的带电部位不可触及，即使非徒手操作。基本绝缘部位不能应用至无防止意外接触措施的灯具外表面[3]。此处，防止意外接触措施为是否设有触电保护、是否具有双重绝缘、生产企业是否严格按照标准要求进行灯具的设计。

3 性能要求

LED植物照明灯具在应用于植物生长照明时，不仅要考量其安全要求，还应考虑LED光源的功率、光度、色度及辐射度等性能要求。植物的生长速度并非取决于光源数量，在于植物表面吸收光辐射能的量，即光照强度。不同光谱范围对植物生理影响不同，波长280～315 nm时，对形态与生理过程影响较小；波长315～420 nm时，叶绿素吸收少，影响光照效应，阻止茎生长；波长315～420 nm时，叶绿素与胡萝卜素吸收比例最大，对光合作用影响最大；波长500～620 nm时，色素吸收率低；波长620～750 nm时，叶绿素吸收率高，对光合作用于光周期效应有显著影响；波长750～1 000 nm时，吸收率低，刺激细胞延长，影响开花与种子发芽[2]。

第一，LED植物照明灯具工作时，实际功率因素应不大于制造的标称值0.05[4]。在灯具检验过程中，发现灯具实测功率远远小于标称功率，影响了灯具的光效以及光通量等参数。因此，制造企业在制造灯具时，应注意仪表的量程的影响[4]。

第二，光合作用有效辐射由波长400～780 nm内的可见光组成为光合作用有效辐射，用PAR表示，由于PAR非计量单位，因此，使用光合光子通量密度PPFD（μmol/m2·s）。

第三，光量子效应QE（μmol/J），表示LED植物照明灯具在380～780 nm波长范围内每焦耳电能转换为光量子数量的能力。QE与辐射效率波长相关，QE数值越高表示的照明灯具对光量子转换呢你越强，电能利用效率越高[5]。

4 LED植物照明产业发展趋势

专业化。LED可适用于不同场所的植物照明，具有光谱、光量可调以及整体发光，发热小的特点，并且具有良好的防水性。由于自然环境的变化以及人们对食物品质的追求，促进设施农业和植物工厂的发展，LED植物照明在提升农业生产效率，提高食品安全，改善食品品质方面发挥重要的作用。

高效化。与传统灯具相比，使用LED植物照明具有提升光效与能效的作用，植物所需光环境从苗期到收获期可实现动态化的调节，是未来农业高质量发展的必然趋势。同时，LED光照在提高植物产量方面，可根据植物的发育特征，结合光配方，分阶段、分区域地进行培育，是的各阶段的生产效率与产量，同时品质各方面都可得到提升。

智能化。随着数字时代的到来，植物照明对光质、光量可实时调控，利用物联网技术，结合多种单色光谱就，通过智能控制系统技术，实现实时控制光控，根据植物的生长状态适合调整光质、光量的输出，将成为未来植物照明的发展主趋势。

5 低成本低能耗，保证可持续生产

植物照明领域中，电费成本占比最大，决定了产品价格是否亲民、能否可持续地商业化量产，植物工厂最大的制约和挑战是设备成本和运行成本，引入LED作为补光光源成本过于昂贵，研究发现荧光灯有各种各样的问题。2014年开始运行的第一家植物工厂，安装了约12 000支昕诺飞LED产品，除了植物工厂内部运行成本的降低，生菜在种植都就在此地包装，减少了零售商运输成本和资源的浪费。为确保栽培室的卫生条件，工作人员必须经过两道消毒，风淋过程才可以进入。昕诺飞LED植物照明系统将光照设计成最佳的条件，人工只需按照流程工艺进行工作，就能实现农产品工业化生产模式，人力投入的减少也降低了蔬菜受污染的危害。这样全封闭式的培养，让蔬菜住进了避风港，有效杜绝了农药的使用，保障蔬菜的“绿色”本质，消费者可以尽情享用当地城市农场提供的优质、安全的食品。此外，通过调整灯光光谱，昕诺飞LED植物照明技术被广泛应用于城市农场、植物景观、育种照明三大方面，随着技术与市场的发展，其普及度将不断提升。大多数企业对植物照明领域的发展还处在观察试水和洽谈阶段，并没有对植物生长核心技术和下游销售渠道建设等方面进行大量的了解和投入，产品的发展规划也不太明确。