【深度解讀】LED植物照明應(yīng)用

2017-09-09 12:26:46 深圳市科特翎科技有限公司 151

生命科學(xué)應(yīng)用中，大功率LED帶來了革命性的優(yōu)勢，例如在園藝領(lǐng)域，LED優(yōu)勢明顯，表現(xiàn)在能量效率、低/無維護、光譜控制和光束控制。但是，植物需要從光中獲得不同的東西，同時一些度量標(biāo)準(zhǔn)，例如功效（流明/瓦/ W）或CRI，可能或不能提供給植物和花卉想要的結(jié)果。此外，植物與人類不同，它們有晝夜循環(huán)，并且各植物之間差異很大。

盡管如此，在溫室中，特別是在城市室內(nèi)或垂直農(nóng)場，種植者正在快速轉(zhuǎn)向使用固態(tài)照明，園藝行業(yè)從業(yè)者也正在研究植物的需求，希望可以開出不同的“光配方”，從而獲得最佳的植物生長和產(chǎn)量。

1 固態(tài)照明在園藝中的角色

LED在水果和蔬菜農(nóng)業(yè)中的用途主要是延長了生長季節(jié)，特別是在夏季較短的寒冷地區(qū)。過去，用于植物生長的人造照明主要是高壓鈉燈（HPS）。但是，基于LED的固態(tài)照明的一個明顯優(yōu)勢就是照明不產(chǎn)生熱量，種植者可以使用交互式照明，就是說把光放在植物中間或者旁邊，在垂直或水平方向上把光照射到植物的低層部分。

然而，LED產(chǎn)生最大影響的地方就是在生長綠葉蔬菜和藥草上，因為這些只能生長到以英寸衡量的高度，并且可以在架子上生長，每層架子都有專用的一組LED燈具靠近植物。這種分層的架子在所謂的城市或垂直農(nóng)場十分普遍，它們在人口中心附近的建筑物內(nèi)只占據(jù)相對較小的生長空間，而最佳的照明和技術(shù)，包括水耕栽培，可以比室外實現(xiàn)更短的生長周期。

圖1 美國芝加哥的Green Sense Farms在其垂直農(nóng)場里
種植微型蔬菜、萵苣、甜菜等

2 城市農(nóng)場

事實上，LED照明可能對園藝影響最大的是城市農(nóng)場。種植者在城市的大批量垂直農(nóng)場種植，意味著運輸成本會降低，消費者在某些情況下收割的當(dāng)天就可以吃到，而且產(chǎn)品的保質(zhì)期會更長。由于交通運輸縮短，而且也不需要傳統(tǒng)耕作所需的機械設(shè)備，農(nóng)業(yè)碳排放將大大減少。

LED園藝對消費者的好處也是越來越多。消費者可以獲得更新鮮的產(chǎn)品，所以味道也更甜美。此外，城市農(nóng)場一般也不含農(nóng)藥，產(chǎn)量可能甚至不需要洗，因為它們通常是在干凈的介質(zhì)中以水栽培的方式生長而不是在污垢中生長。以后，種植的方法趨向于節(jié)水，尤其是像干旱地區(qū)或者是地下水和/或土壤被污染的地區(qū)。

3 園藝照明方面的挑戰(zhàn)

當(dāng)然，任何新興技術(shù)方面都存在挑戰(zhàn)，基于LED的園藝照明方面也存在挑戰(zhàn)。目前，固態(tài)照明技術(shù)的經(jīng)驗仍然很淺，甚至是從事多年的園藝科學(xué)家們?nèi)匀辉谘芯恐参锏摹肮馀浞健?，目前這些新“配方”中的一些是不可行的。

Canoga Park照明制造公司的總經(jīng)理Rami Vardi表示，亞洲的照明制造商定位的市場通常是經(jīng)濟實惠但低端的產(chǎn)品，市場上許多低端產(chǎn)品缺乏相關(guān)認(rèn)證，如UL等級，以及LM-79燈具報告和LM-80 LED報告。Vardi說，許多種植者早期嘗試部署LED照明，但是由于燈具性能差，感到很受挫，因此高壓鈉燈仍然是該行業(yè)的黃金標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)然，市場上還有許多高品質(zhì)的照明產(chǎn)品，包括飛利浦、歐司朗和哈勃照明等。歐司朗和飛利浦花了多年時間與大學(xué)的和專門的研究組織團隊一起進行園藝研究。

然而，園藝和花藝種植者仍然需要與應(yīng)用相關(guān)的更好的度量標(biāo)準(zhǔn)。比如，美國農(nóng)業(yè)和生物工程師學(xué)會（ASABE）農(nóng)業(yè)照明委員會于2015年開始制定標(biāo)準(zhǔn)化度量標(biāo)準(zhǔn)問題。這項工作正在考慮與PAR（光合有效輻射）頻譜相關(guān)的度量標(biāo)準(zhǔn)。PAR范圍通常定義為400-700 nm的光譜帶，其中光子主動驅(qū)動光合作用。與PAR相關(guān)的常見度量包括光合光子通量（PPF）和光合光子通量密度（PPFD）。

4 “配方”和度量標(biāo)準(zhǔn)

“配方”和度量標(biāo)準(zhǔn)之間相互交錯，因為種植者需要度量標(biāo)準(zhǔn)，這樣能夠識別燈具是否提供強度和光譜功率分布（SPD），這里面就包括了“配方”。

早期的研究集中在葉綠素吸收于光譜功率的關(guān)系，因為葉綠素是光合作用過程的關(guān)鍵。實驗室研究表明，藍色和紅色光譜中的能量峰值匹配吸收峰，而綠色能量顯示不會影響吸收。早期的研究結(jié)果導(dǎo)致市場上粉紅色或紫色光的燈具過剩。

然而，目前的想法集中在可以在藍色和紅色光譜中提供峰值能量的照明，但同時也能發(fā)出像太陽光一樣廣泛光譜的照明。Cree LED產(chǎn)品開發(fā)負責(zé)人Paul Scheidt表示：“行業(yè)似乎正在向白光邁進?！?/p>

5 白光很重要

生物創(chuàng)新與優(yōu)化系統(tǒng)（BIOS）副總裁Neil Yorio評論說，“只使用紅色和藍色LED相當(dāng)過時了，當(dāng)你看到有該頻譜的產(chǎn)品時，它是基于較舊的科學(xué)，經(jīng)常被誤解”，“人們選擇藍色和紅色的原因是因為這些波長峰與在試管中分離的葉綠素a和b的吸收曲線相一致，我們今天知道PAR范圍所有波長的光對于驅(qū)動光合作用是有用的。毫無疑問，光譜很重要，但它與植物形態(tài)如大小和形狀有關(guān)?！?/p>

Yorio的觀點是研究表明，我們可以通過改變光譜來影響植物的高度和開花結(jié)果。一些種植者不斷調(diào)整光強度和SPD，因為植物確實有類似于晝夜節(jié)律的東西，大多數(shù)植物都有獨特的節(jié)奏和“配方”要求。

Spectrum King的Vardi表示，主要的紅色和藍色組合可能對于諸如萵苣等葉菜類來說相對較好。但他還說，對于開花類植物，包括西紅柿等，其強度要比專門的光譜強。Vardi表示，高壓鈉燈中90％的能量在黃色區(qū)域，而開花植物園藝燈具中的流明（lm），lux（lx）和功效可能比以PAR為中心的指標(biāo)更準(zhǔn)確。

Spectrum King在其燈具中使用90％的磷光體轉(zhuǎn)換白光LED，其余為紅色或遠紅色LED。 Vardi說，以白色LED為基礎(chǔ)的藍色照明提供了最佳生產(chǎn)所需的所有藍色能量。

圖2 高壓鈉燈的傳統(tǒng)形式

6 “配方”和影響

除了綠葉蔬菜的基本生產(chǎn)條件之外，白光很重要。接受采訪的多個人表示說，假如沒有綠色光譜帶的一些光，生菜可能不成熟，看起來不綠。另一方面，有時種植者可以控制光譜以產(chǎn)生新的顏色。例如，飛利浦照明公司全球農(nóng)業(yè)總監(jiān)Gus van der Feltz表示，種植戶可能希望長出紅色的特色生菜，白色LED中的藍色能量峰值是一個有利因素。

顯然，目前對“光配方”還沒有共識，研究人員和種植者也不斷努力推進科學(xué)發(fā)展。Colangelo說：“我們正在不斷研究每個品種的光配方?！?飛利浦的van der Feltz表示，每種植物的配方總是不一樣，但補充說：“你可以調(diào)整生長過程?！?在植物的生長階段，改變光線可能會對同一植物產(chǎn)生顯著的差異。Local Roots的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席運營官Matt Vail說：“我們每小時改變一下光?！?/p>

圖3 Local Roots的集裝箱農(nóng)場，里面裝有LED照明系統(tǒng)

“光配方”的開發(fā)過程很艱苦。飛利浦的van der Feltz表示，該公司的研究團隊在近一年時間內(nèi)研究了各種草莓，使用了不同的紅、深紅、藍光和白光混合。但是經(jīng)過漫長的努力，最終團隊找到了一個“配方”，在更好的品味和多汁性方面達到了20％的差距。

7 種植者想要什么？

隨著商業(yè)LED照明園藝設(shè)備的逐漸成熟，制造商對于種植者的需求將會更加明確。Green Sense公司的Robert Colangelo認(rèn)為有4點。首先，Colangelo想要優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，最大限度地提高能源效率。第二，他想要一個照明產(chǎn)品，對于每個品種能使用不同的光組合。Colangelo表示，Green Sense公司發(fā)現(xiàn)在植物生長周期中動態(tài)地改變照明并不能獲益，但是對于每個物種需要不同的“配方”。第三，燈具易于安裝。第四，Colangelo認(rèn)為經(jīng)濟負擔(dān)能力和融資很重要，因為他說燈是垂直農(nóng)場中最昂貴的元素。

并不是所有的商業(yè)種植者都能從商業(yè)LED照明廠商那里找到他們所需要的。例如，Local Roots公司設(shè)計并開始制造矩形尺寸的定制LED燈具。該公司正在裝備一個用過的運輸集裝箱，使其可以容納一個完整的農(nóng)場，其生產(chǎn)能力相當(dāng)于5英畝的傳統(tǒng)農(nóng)場。Local Roots公司用DC為其燈具供電，依靠單個交流電路。 Vail表示，該設(shè)計混合了單色和白色LED，并且定制的控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)0-100％控制每個LED的強度。

當(dāng)然，許多城市農(nóng)民都強調(diào)，園藝問題需要一種超越照明的系統(tǒng)級方法。這些大型城市農(nóng)場通常通過計算機測量溫度和濕度實現(xiàn)完全的環(huán)境控制，并且控制水培給料以及燈光。

而且，這些業(yè)務(wù)開發(fā)了新領(lǐng)域。例如，Green Sense使用一種由椰殼制成的獨特的生長介質(zhì)。一家名叫AeroFarms的紐約地區(qū)農(nóng)場（圖4）制作了一種由循環(huán)水瓶制成的定制基材或生長介質(zhì)。并且，AeroFarms使用了所謂的噴氣霧系統(tǒng)，該公司表示使用的水比水培系統(tǒng)少40％。