看领先的照明方案 如何改变植物照明

定制植物照明，使用合适的光源让植物生长大大受益，同时降低能源消耗，从而缩减种植成本。当今最高效的照明来自于LED灯具。创新研发的植物照明LED精准光谱，使光照更均匀地分布在植物上，进一步扩展了LED在植物照明中的优势。Cree LED凭借其在高性能LED领域的独特地位，一贯致力于植物照明领域的发展。在讨论植物照明LED产品之前，让我们先了解一些植物照明的背景知识。

植物照明的发展历程

根据专注于照明控制系统的非营利组织DesignLights Consortium (DLC)的调查显示，北美对当地生产食品需求的不断增长，加上大麻在医疗和娱乐领域的合法化，以及对弹性供应链的强烈需求，大力推动了受控环境农业(CEA)的发展[1]。

对于这些应用，LED灯具比以前使用的金属卤素灯、荧光灯，高压钠灯(HPS)或霓虹灯，光效更高、通用性更广泛。这意味着在既定的电力负荷下，光能利用率更高。此外，植物照明可以根据不同类型植物的特定需求进行定制和优化，降低种植成本，种植者获得更高收益。

凭借精确光谱控制的经验，LED技术开创了CEA照明的新时代。无与伦比的光效水平意味着通过节能来实现新的商业模式。植物照明研究人员一直在积极探索改进方案和可行性措施。

研究人员努力改进了光谱控制，发现不同植物对不同类型的照明做出不同的反应。一些植物在高光效、窄光谱照明下可茁壮成长，而另一些则需要宽谱照明来使产量最大化。

有研究显示，单色红光(R)和蓝光(B)不适合罗勒植物的生长、色素沉积和电子传输链的生物物理特性[2]。然而，在紫色和绿色罗勒品种中，红光和蓝光的组合(尤其是70R30B)有利于其生长和色素沉淀，并改善了罗勒植株的荧光参数。

农作物产量提高会一定程度上刺激经济增长。截至2026年，北美地区黄瓜、西红柿、辣椒、绿叶蔬菜和草莓的价值估计将高达80亿美元[3]。
2021年，温室种植农业产值仅占北美总产值（50亿-60亿美元）的20%。因此，投资农业发展市场的时机已经成熟。

植物照明的独特需求

当今，大多数LED器件都是为人类需求设计的，根据人眼对它们的感知来衡量标准的——从厨房里的灯、到电视/手机屏幕，再到音乐活动现场的显示屏。然而，植物对光照的反应机制与人眼完全不同。因此通用照明的光波对植物生长不太适宜，同时也会消耗过多的能量，效率低下。
在过去的10年里，许多生产商机智地开发了新系统，将人类视觉所提供的LED性能转换为植物照明性能。然而，这种转换实施起来比较费力，结果也不精确。

随着植物照明成为LED 一大重要应用领域，新的植物照明技术应运而生。不同的农作物在不同的生长环境、不同的植物生长周期中，可以使用不同颜色LED或不同颜色LED组合的光照来刺激其生长。

新一代高光效植物照明LED

Photophyll™Select LED是Cree LED在植物照明领域的突破性产品，不同于传统照明指标如色温（CCT）和显色指数（CRI）等，Photophyll™Select LED使用植物照明指标来衡量产品性能，例如光合光子通量(PPF)和红色PPF %，成为首个可以精确控制绿蓝比(GBR)的植物照明LED。

图1：Cree LED Photophyll™Select LEDs 专为植物照明优化光谱图例

图1显示了不同GBR对应的光谱图例。绿色波长(500- 600nm)经过优化，可分为三个GBR级别，红色值都已减少到典型的20%红色PPF。Photophyll™Select LED中的红色含量最小，可以最大限度地利用高效的660nm Photo red LED，与普通的白光＋红光方案相比，基于Photophyll™Select LED的白光＋红光，其系统PPF 与PPF/W值可提高6%左右。

图2：基于标准LED和Photophyll™ Select LED模组的性能参数对比

图2显示了两个不同LED灯具的参考性能数据对比，一个使用标准LED，另一个使用Photophyll™ Select LED。图中列出了与植物吸收光能和光谱息息相关LED的参数，包括PPF、PPE以及蓝绿比，其中PPF是表明有多少光合有效辐射量(PAR)产生，PPE是衡量灯具的效率。由图2可以看出，二维设计方法减少了复杂的光谱分析，简化了植物照明系统的设计。

参考设计(如图3和图4所示)采用双通道照明系统，由Photophyll™ Select LED加 660 nm Photo Red LED组成，光效性能提高6%， LED数量减少33%，从而降低了灯具系统成本，同时在相同的光输入功率下，保持相同的GBR和红色比例。Photophyll™ Select LED的更高性能意味着植物照明灯具可获得以下优势:

相同LED成本条件下，改善光输出和光效，提高光照性能

通过使用更少的LED降低成本，并保持相同的性能(光输出和光效不变)

图3：Photophyll™ Select LED 参考设计模组示意图

图4：Photophyll™ Select LED 参考设计灯具实际安装效果示例

LED植物照明的持续创新

Cree LED持续创新其他植物照明LED产品，除了Photophyll™ Select LED系列，新推出的J Series 系列JB3030C 和 JR5050C 白光LEDs，采用 3030和5050封装尺寸，光效也属业界领先水平。此外，大功率660nm陶瓷XLamp™XP-G3 Photo Red S Line产品电压更低，光输出更高，从而光效大大提高。

Cree LED植物照明LED系列也表现出了更高的抗硫性，包括XLamp™XP-G3 S Line白光和Royal Blue产品系列，以及XLamp™XP-E2 Far Red LED。根据植物生长所需的光谱或波长范围，Cree LED都能量“植”而制，满足其需求(见图5)。

图5：Cree LED 植物照明系列产品可选光谱分布和波长范围

Cree LED推出的XLamp™Horizon LED，拥有“蝙蝠翼”发光角，光源安装高度降低40%。与标准LED相比，农作物密度大大提高，光照更加均匀，同时抗硫性、耐腐蚀性也得到增强。目前XLamp®Horizon LED系列有5个光谱可供选择：White/Photophyll™ Select/Royal Blue/ Photo Red 和Far Red。

在垂直农业应用中，XLamp®Horizon LED可以实现多层植物生长支架范围光照，相同面积内种植更多农作物，从而降低农业种植成本，提高种植收益。

目前的温室种植农业领域，光分布是由灯具上的二次光学器件（塑料或玻璃制成的）进行控制的，它降低了光输出和光效。如果LED器件本身可以调整发光角，那么整体灯具成本降低，灯具效率也提高。

图6：XLamp®Horizon LED 发光角度的不断改善，使温室种植&垂直农业皆受益

植物照明的前景

Cree LED凭借其植物照明系列产品（包括Photophyll™ Select LED和XLamp®Horizon LED系列）的独特性和创新性，为现代农业提供一站式服务，优化农业投资、助力植物生长。

随着植物照明研发人员不断探索新的照明方案来改善植物生长光照条件，Cree LED也将在农业照明领域进一步变革，整体PPE会得到持续改善。目前植物照明LED光效在50-80%范围内，仍然有进步的空间。

参考文献：
[1] Technical Requirements for LED-Based Horticultural Lighting Version 3.0 https://www.designlights.org/news-events/news/final-release-horticultural-technical-requirements-v3/
[2]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6522611/
[3]The Controlled Environment Agriculture Opportunity Is Ripe for Investment | L.E.K. Consulting. (2022, September 23). Lek.com. https://www.lek.com/insights/ei/controlled-environment-agriculture-opportunity-ripe-investment
*原稿由 Cree LED 美国技术团队撰写
*文章刊登在美国AgriTech Tomorrow 杂志

TrendForce 2024全球LED照明市场分析报告

出刊时间: 2024年02月01日；2024年07月31日
语言: 繁体中文 / 英文
格式: PDF 与 EXCEL
页数：90-100(每次)