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植物照明需求与应用现状分析

时间:2019-12-04 23:28来源:照明工业
光是植物生长发育的基本环境因素。光照不仅通过光合作用供应植物生长所需的能量,还是植物生长发育的重要调控因子。通过人工光补充或全人工光照射植物,可以促进植物生长,提

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光是植物生长发育的基本环境因素。光照不仅通过光合作用供应植物生长所需的能量,还是植物生长发育的重要调控因子。通过人工光补充或全人工光照射植物,可以促进植物生长,提高产量,改善产品形态、色泽,提升功能成分等,还可以减少病虫害的发生。今天将和大家一起分享植物照明产业的发展现状与趋势。

中国的人工光植物照明的发展伴随着人工光源的开发应用,种植业以及种植方式的升级改变而发展,同时也受到近五十年来大气,气候变化以及种植环境的变化而改变。

人工光源技术在植物照明领域的应用越来越广泛,LED以其光效高、发热低、体积小、寿命长等诸多优点,在植物照明领域应用的优势明显,植物照明灯也将逐渐以LED照明灯具为主。

中国是世界上设施农业种植面积最大的国家之一,也是种植品种最丰富的国家。设施农业的规模和方式的跨度也非常大,从最简易低矮的竹子塑料棚到超过10平方米的连栋文洛型玻璃温室都有植物照明产品在不同地域以不同方式针对不同作物的应用。

一、LED植物照明产业的发展现状

植物照明的应用需求主要来自于下述三个因数的驱动:

1.植物照明封装

1. 土地成本的上升,驱动设施农业从平面种植向垂直种植方向发展,需要对中下层的作物进行补光以确保光合作用所必须的光能。

在植物照明封装领域,封装器件种类繁多而无统一测量评判标准体系,国外大厂主要在大功率、COB和模组方向,兼顾植物照明白光系列,结合植物生长特性和人性化照明环境,较国内产品在可靠性、光效、不同植物不同生长周期光合辐照特性研究等方面有较大的技术优势,包括了各式不同尺寸的高功率、中功率及低功率产品,以满足各种植物在不同生长环境的需求,期望达到植物成长最大化及节能的目标。

2. 温室效应导致的太阳辐射的衰减,以及大气污染和气候变化所产生的弱光寡照效应,需要人工补光以确保作物的产量和质量

芯片外延片大量的核心专利仍掌握在日本日亚、美国科锐等早期领跑企业手中,国内芯片厂商仍缺乏具有市场竞争力的专利产品。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,如欧司朗薄膜芯片技术令芯片紧密地封装在一起,创造出大面积照明表面,基于该技术的波长为660nm的高效LED灯具系统可降低栽培区内40%的能耗。

3. 城镇化、以及食品安全等驱动都市农业全人工光植物工厂的发展和推广应用。

2.植物照明光谱与器件

一、中国设施农业的现状与植物照明需求

植物照明的光谱比较复杂,多样化,不同植物不同的生长周期甚至在不同的生长环境下,所需的光谱都存在较大的差异。为了满足这些差异化的需求,目前业界内有以下几种方案:①多种单色光组合方案,以对植物光合作用最有效的峰值为450nm、660nm的光谱和对植物开花诱导的730nm波段这三段光谱为主,再加525nm的绿光以及低于380nm的紫外波段,这几种光谱依照植物的不同需求而组合出最适宜的光谱。②全光谱方案,实现植物需求光谱全覆盖,以首尔半导体、三星为代表的SUNLIKE,此类光谱未必是最高效的,但适用于所有植物,而且成本较单色光组合方案低很多。③以全光谱白光为主,加上660nm的红光组合方案,来提高光谱的有效性。这种方案比较经济实用。

根据2017年12月国家统计局发布的《第三次全国农业普查主要数据公报》数据显示,2016年末,全国温室占地面积334千公顷,大棚占地面积981 公顷。

植物照明单色光(主要波长为450nm、660nm、730nm)封装器件,国内外多家公司均涵盖,而国内产品种类较为繁杂,规格较多,国外厂家产品较为标准化,同时在光合光子通量、光效等上国内与国外封装大厂仍存在较大差距。植物照明单色光封装器件除了主要波段为450nm、660nm、730nm的产品,很多厂家也在开发其他波段的新产品,实现产品完整的光合有效辐射(photo-synthetically active radiation,PAR)波长涵盖(450-730nm)。

我国已有温室中,连栋温室约4.6万公顷,占温室总面积的2.2%,日光温室约 70万公顷,占温室总面积的32.7%,其余为简易塑料大棚。

单色光LED植物生长灯并非适用于任何植物的生长,全光谱LED的优势因此而凸显,全光谱首先要达到可见光全光谱(400-700nm)全覆盖,另外要提高蓝绿光(470-510nm)、深红光(660-700nm)两波段的表现。用普通蓝光LED或者紫外LED芯片搭配荧光粉做到“全”光谱,其光合效率各有高低。植物照明白光LED封装器件大部分厂家采用Blue chip+荧光粉实现全光谱。植物照明封装器件除了单色光和蓝光或紫外芯片加荧光粉实现白光的封装模式外,还有一种使用两种或者两种以上波长芯片复合封装的模式,比如红十蓝/紫外、RGB、RGBW。这种封装模式在调光方面有很大优势。

中国幅员辽阔,与全球大部分地区类似,中国的地面太阳辐射都经历了一个从减少到增多的过程,即所谓的地球由“变暗”到“变亮”;中国各个地区发生相同的变化过程,大致以1990年为界,之前以减少趋势为主,之后逐渐增加,不同地区太阳辐射变化幅度有所差异;分析了城市类型和气溶胶厚度对太阳辐射变化的影响,多数大城市和工业城市的太阳辐射下降幅度大于中小型非工业城市,气溶胶 光学厚度的分布与太阳辐射下降趋势呈相似分布特征,说明城市工业化及其产生的气溶胶污染对太阳辐射的下降起着重要作用。

在窄波长LED产品方面,大部分封装供应商能够为客户提供365-740nm波段的各种波长产品。在荧光粉转换的植物照明光谱方面,绝大多数封装厂家都有多种光谱供客户选择。相比2016年,2017年其销售增长率取得了较大幅度的增长,其中660nm LED光源的增长率集中在20%-50%,而荧光粉转换植物LED光源的销售增长率达到50%-200%,即荧光粉转换植物LED光源的销售增长更快。

数据来源:中国气象科学研究院

所有封装公司都可以提供0.2-0.9 W和1-3 W的通用型封装产品,这些光源让灯具厂商在灯具设计时有很好的灵活性。此外部分厂商还提供更高功率集成封装产品。目前大部分厂商的出货超过80%都是0.2-0.9 W或1-3 W。其中,国际领先封装企业出货集中在1-3 W,而中小型封装企业的出货集中在0.2-0.9 W。

近50年来中国的地面太阳辐射都出现了先减少后增多趋势,与地球的先“变暗”后“变亮”过程相一致。太阳辐射的变化不只发生在大区域内,在小范围内同样会表现出不同的变化趋势。中国从1961—2010年地面太阳辐射总辐射变化整体上呈下降趋势,各分区的总辐射以减少为主,减少幅度略有不同,华东地区下降幅度大于其他地区。从20世纪60年代开始呈减少趋势至70年代初期变得非常显著,这一趋势一直持续到1991年,其后一直表现为增长趋势。近50年来中国地面总辐射的变化大体上可以分为两个阶段,各个地区从1961到1990年前后地面太阳总辐射量和直接辐射均以下降趋势为主,1990年至今地面太阳辐射量逐渐上升,与全球变化趋势相符。

3.植物照明应用的领域

近年来,国家对大气污染的整治力度不断加强,区域性的气溶胶导致的弱光寡照导致大面积减产的可能性正在逐步降低。

从应用的领域看,植物照明灯具主要应用在温室补光、全人工光植物工厂、植物组织培养、大田补光、家庭蔬菜及花卉种植以及实验室研究。

全人工光植物工厂的发展趋势近年来随着光质生物学的研究进展,以及国家863智能化植物工厂生产技术研究项目的结题并获得国家科技进步二等奖,国内外行业基金、风投、以及与国际垂直农业、植物工厂项目的融合引进、上游芯片、中游封装、下游灯具产品和系统解决方案供应商的参与,成本不断下降,效能不断提高,为产业化应用打下良好的基础。

①在日光温室和连栋温室中,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,而且采用金卤灯和高压钠灯在避免灼伤植物的同时,也为温室提供了约6%一8%的热能。而LED植物照明系统没有提供具体、有效的使用说明和数据支持,延缓了其在日光和连栋温室中的应用。目前仍旧以小规模的示范应用为主。由于LED属于冷光源,可以比较靠近植物冠面,产生较小的温度影响,在日光和连栋温室中LED植物照明的应用比较多的是株间补光灯具。

二、植物照明应用现状

②大田应用。设施农业的植物照明的渗透和应用进展相对缓慢,而户外的经济价值较高的长日照作物的LED植物照明系统的应用取得了高速发展。

1 塑料大棚

③植物工厂。植物照明系统目前应用最快速也最广泛的是全人工光植物工厂,按类别分为集中式多层以及分布式可移动的植物工厂。全人工光植物工厂在国内的发展非常迅猛。集中式多层全人工光植物工厂的投资主体并不是传统的农业公司,而更多的是从事半导体以及消费电子产品的公司,例如中科三安、富士康、松下苏州、京东,也有中粮、喜翠等新型现代农业公司。在分布式可移动的植物工厂,仍是以海运集装箱为标准载体。全人工植物工厂植物照明系统大多采用线性或者平板阵列照明灯具系统,种植品种数量不断扩展,各种实验性的光配方的LED光源开始广泛并大量应用,其上市的产品主要还是以绿叶蔬菜为止。

植物照明在温室中的应用比率仍旧非常的,而且以传统光源为主,其中占比高达62%的塑料大棚,一般都没有采用任何的补光手段,即使为数较少的塑料大棚采用了补光技术,仍旧以节能灯和白炽灯为主的光源,能耗较高,寿命较短,补光增产和光周期调控效果并不明显。

④家居植物种植。LED可应用于家用植物台灯、家庭植物种植架、家用蔬菜生长机等方面。

2 日光温室

⑤药用植物培育。药用植物的栽培如金线莲、铁皮石解等,这些市场的产品具有更高的经济价值,是目前植物照明应用较多的一个产业。另外,北美和欧洲部分地区大麻种殖的合法化促进了LED植物照明在大麻种殖领域的应用。

在占有量达32.7%的日光温室中,采用直管荧光灯和LED灯具进行育苗的比例持续上升,一般的日光温室和连栋温室都配置有育苗区完成育苗-练苗后直接定植和移植。

⑥花期灯。作为花卉园艺产业中调整花卉开花时间的必备工具,最早应用的花期灯具为白炽灯,随后的节能荧光灯,随着LED的产业化进展更多的LED类型花期灯具已经逐步取代传统灯具。

即使是在日光温室和连栋温室中,采用人工光进行植物光照进行补光的比例仍旧较低,即使采用人工光补光,也仍旧以金卤灯和高压钠灯为主,LED植物照明系统的渗透率仍旧较低,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,尽管能耗较高,预热时间较长,配电要求高,但是产出比较有预期。并且,日光温室和连栋温室的设计高度较高,采用金卤灯和高压钠灯在避免灼伤植物冠面的同 时,也为温室提供了约6-8%的热能,对东北和西北的冬季作物提供了必要的热能。

⑦植物组织培养。传统组织培养光源主要是白色荧光灯,其光效低、发热量大。LED由于低功耗、低发热和长寿命等显著特征,更适用于高效、可控和紧凑空间的植物组织培养。目前白光LED灯管正在逐步替代白色荧光灯。

而LED植物照明系统在日光温室和连栋温室中的实验刚刚开始,各种不同光配方的和形态的植物照明灯具倾泻而下,且没有提供具体的有效的使用说明和数据支持,也延缓了LED植物照明系统在日光和连栋温室中的应用。目前仍旧以小规模的示范应用为主以便取得相关的实验性作物生产数据。其中上海合鸣的LED植物照明顶部补光灯已经有较大规模的实验应用。

4.植物照明企业的区域分布情况

即使是在日光温室和连栋温室从平面向垂直种植升级,通过多层种植以提高单位面积产量从而降低土地成本的过程中,仍旧以采用机械移动种植架或采用梯形种植架以取得充分的光照,人工光补光的应用比率仍旧较低。

据统计,目前我国从事植物照明的企业已经超过300家,珠三角地区的植物照明企业占比超过50%,已处于主要位置;长三角地区的植物照明企业占比约为30%,依旧是重要的植物照明产品生产地区。传统类型植物灯企业主要分布在长三角、珠三角和环渤海地区,其中长三角地区占53%,珠三角和环渤海地区分别占24%和22%;LED植物照明生产企业主要分布区域为珠三角地区、长三角地区和环渤海地区。

在日光温室中LED植物照明的应用比较多的是以株间补光灯具为主,由于LED相对于金卤灯和高压钠灯属于冷光源,可以比较靠近植物冠面,产生较小的温度影响,因此在茄果类作物生产中LED植物照明开始试验性应用。但是,植物照明系统生产厂家由于对农业生产的不了解,在产品设计中一味以系统光效-节能为目标,导致植物光照的区域和珠间均匀性较差,作物产量和质量的改善的预期较低。厦门通秴科技有限公司的高均匀度珠间补光灯具在北美取得有效大规模作物生产数据后,已经开始在国内推广使用。

二、LED植物照明产业发展趋势

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1.专业化

3 大田应用

LED植物照明由于其具有光谱和光量可调,及整体发热小的发光特点,具有良好的防水性能,适合应用于各种场景的植物照明。同时由于自然环境的变化及人们对食物品质的追求,促进了设施农业和植物工厂的蓬勃发展,也使LED植物照明行业进人快速发展期,未来LED植物照明将会在提升农业生产效率、提高食品安全、改善蔬果品质方面发挥重要作用。植物照明用的LED光源会随着产业的逐步专业化进一步发展,向更加具有针对性的方向前进。

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