LED在植物照明中的應用研究

朱雅麗

（昕諾飛（中國）投資有限公司，江蘇南京 210000）

1 LED植物照明研究現狀及發展趨勢

自20世紀80年代，日本開始將LED應用于植物照明中，但僅僅采用了660 nm LED。20世紀90年代陸續有來了LED在太空中的植物栽培、LED在植物研究設施中的應用、NASA將LED作為航天飛機和太空站植物的生產光源，但僅僅作為研究，并未將LED植物照明產品化。直至2000年，日本出現了第一個商業化LED的植物照明產品，三年后即2003年，LED商業化室內植物照明燈具出現，LED在植物照明中才開始規?；瘧茫笥钟辛藴厥襆ED補光原型的應用。

目前，LED紅藍植物照明裝置成為主流，面向設施園藝的LED光源被應用于植物工廠，并對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程中需要進行封裝處理，由于在植物照明封裝器件種類多、且無統一的測量評價標準體系，國外大廠家主要在大功率，COB和模組方向、植物照明白光系列，與國內產品相比，其可靠性、光效、不同植物不同生長周期光合輻射特性研究等方面有較大的優勢。芯片外延片大量的核心專利仍然掌握在歐美等企業手中，國內芯片技術仍然缺乏競爭力，同時很多公司在植物照明封裝芯片領域也在開發新的技術。植物照明的光譜比較復雜，多樣化，不同植物在不同的生長周期不同的生長環境下，所需的光照具有較大的差異。為了達到要求，目前行業內有以下幾種方案：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，第三種方案比較經濟適用。從應用領域，植物照明燈具主要應用溫室不光，全人工植物工廠，植物組織培育、大田補光、家庭蔬菜及花卉種植以及實驗室研究。在日光燈溫室和連棟溫室中，采用人工光進行補光的比例仍舊較低，而且以金鹵燈和高壓鈉燈為主，LED植物照明系統的滲透率較低，但是增長速度隨著成本的下降開始加速，主要原因是使用者對金鹵燈和高壓鈉燈已經具有較長時間的使用經驗，采用金鹵燈和高壓鈉燈在避免燒傷的同時，也為溫室提供了熱能，而LED植物照明系統沒有。

2 安全要求

安全性是LED植物照明最基本的要求，在應用該項技術時，需要對人或周圍環境不產生危險，需要滿足GB 7000.1安全檢測標準，同時，也需要滿足產品標準，GB 7000.201、GB 7000.202、GB 7000.204等。涉及的安全檢測項目包含標記、結構、防觸電保護、內外部接線、絕緣電阻和電氣強度等。對于自鎮流LED植物照明燈，GB 24906對意外接觸帶電部件防護的要求為：燈的防觸電設計應保證當其安裝在相應燈座中時，使用者不能觸及燈頭內或燈體內的金屬部件、基本絕緣的外部金屬部件和帶電金屬部件。對于自鎮流LED植物照明燈，防觸電保護不合格現象主要表現為燈頭電觸點的焊錫高度過高，當燈在旋入燈座安裝好之后，帶電部件裸露易被觸及[2]。

第一，標記。標記是產品實際特征參數的重要信息，能夠將產品信息直觀地反映至消費者，是使用者是否決定購買及使用的依據。根據GB 7000.1，燈具上應清晰、耐久地標有以下強制性標記：來源信息、額定電壓、額定最高環境溫度、產品型號、功率、防護等級、II類燈具或III類燈具符號等，這類強制性標記必須清晰、持久地標記在燈具上，不能被輕易抹除。除此之外，標準還規定了部分補充信息如燈頻率、特定條件、安裝說明等，可在說明書中體現[3]。

第二，結構。燈具產品檢驗是否合格，其結構是否符合標準要求至關重要。如果燈具僅僅缺少標記，則只需要添加補貼，但如果一款燈具存在結構缺陷，那么燈具檢驗時就會判定為不合格產品，難以在市面上銷售。因此，燈具在設計時，就應該嚴格按照照明標準要求進行結構設計。如可移動式LED植物照明燈具，在結構設計時，在移動、調節時應注意燈具電源線的不應損壞，因此使用載線座、線夾等裝置固定，使得可移動式LED植物照明燈具使用時不易傾倒。

第三，防觸電保護LED在植物照明中的燈具需具備防觸電保護功能，保證使用者在安裝使用過程中的安全。根據GB 7000.1防觸電要求，燈具在正常安裝使用或者替換時，燈具的帶電部位不可觸及，即使非徒手操作?；窘^緣部位不能應用至無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有觸電保護、是否具有雙重絕緣、生產企業是否嚴格按照標準要求進行燈具的設計。

3 性能要求

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

第一，LED植物照明燈具工作時，實際功率因素應不大于制造的標稱值0.05[4]。在燈具檢驗過程中，發現燈具實測功率遠遠小于標稱功率，影響了燈具的光效以及光通量等參數。因此，制造企業在制造燈具時，應注意儀表的量程的影響[4]。

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

第三，光量子效應QE（μmol/J），表示LED植物照明燈具在380～780 nm波長范圍內每焦耳電能轉換為光量子數量的能力。QE與輻射效率波長相關，QE數值越高表示的照明燈具對光量子轉換呢你越強，電能利用效率越高[5]。

4 LED植物照明產業發展趨勢

專業化。LED可適用于不同場所的植物照明，具有光譜、光量可調以及整體發光，發熱小的特點，并且具有良好的防水性。由于自然環境的變化以及人們對食物品質的追求，促進設施農業和植物工廠的發展，LED植物照明在提升農業生產效率，提高食品安全，改善食品品質方面發揮重要的作用。

高效化。與傳統燈具相比，使用LED植物照明具有提升光效與能效的作用，植物所需光環境從苗期到收獲期可實現動態化的調節，是未來農業高質量發展的必然趨勢。同時，LED光照在提高植物產量方面，可根據植物的發育特征，結合光配方，分階段、分區域地進行培育，是的各階段的生產效率與產量，同時品質各方面都可得到提升。

智能化。隨著數字時代的到來，植物照明對光質、光量可實時調控，利用物聯網技術，結合多種單色光譜就，通過智能控制系統技術，實現實時控制光控，根據植物的生長狀態適合調整光質、光量的輸出，將成為未來植物照明的發展主趨勢。

5 低成本低能耗，保證可持續生產

植物照明領域中，電費成本占比最大，決定了產品價格是否親民、能否可持續地商業化量產，植物工廠最大的制約和挑戰是設備成本和運行成本，引入LED作為補光光源成本過于昂貴，研究發現熒光燈有各種各樣的問題。2014年開始運行的第一家植物工廠，安裝了約12 000支昕諾飛LED產品，除了植物工廠內部運行成本的降低，生菜在種植都就在此地包裝，減少了零售商運輸成本和資源的浪費。為確保栽培室的衛生條件，工作人員必須經過兩道消毒，風淋過程才可以進入。昕諾飛LED植物照明系統將光照設計成最佳的條件，人工只需按照流程工藝進行工作，就能實現農產品工業化生產模式，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，讓蔬菜住進了避風港，有效杜絕了農藥的使用，保障蔬菜的“綠色”本質，消費者可以盡情享用當地城市農場提供的優質、安全的食品。此外，通過調整燈光光譜，昕諾飛LED植物照明技術被廣泛應用于城市農場、植物景觀、育種照明三大方面，隨著技術與市場的發展，其普及度將不斷提升。大多數企業對植物照明領域的發展還處在觀察試水和洽談階段，并沒有對植物生長核心技術和下游銷售渠道建設等方面進行大量的了解和投入，產品的發展規劃也不太明確。

6 結語

本文介紹了LED植物照明研究現狀及發展趨勢，結合現有發展趨勢，論述了LED植物照明中安全要求與性能要求，進一步推動了LED植物照明產業健康發展。同時，針對植物照明的應用做了一定的展望。