植物照明,近年来照明行业越来越火的一个词汇。作为植物生长的人工光源,LED 植物照明的发展与植物工厂的商业化息息相关。近年来,得益于植物工厂商业化加速,国内 LED 植物照明快速发展。在去年的光亚展和双创周上都出现了“植物工厂+”的概念产品,并得到了广大参展商的关注。

如今,植物照明广泛应用于植物工厂、植物景观以及育种照明三个领域,而目前最主要的市场是植物工厂。在植物工厂中,万物生长靠灯光,只需要弄清楚不同植物对水、光、肥的需要,就可以定制生长条件,打破它的地域性、季节性限制,只要温度、光照等因素合适,冬吃西瓜夏吃柿,也是完全没问题滴。

上期,我们主要探讨了植物照明的机制和特性,本期我们再来跟随许东老师的脚步来深入探讨 LED 植物灯的秘密。

什么是 LED?

LED 是发光二级管(Light Emitting Diode)的英文缩写,属于半导体器件,1962 年 LED 开始应用,1993 年以前,LED 只有红光、绿光、黄光器件,主要用作指示灯,1993 年蓝光 LED 实现了工业化生产,四元素红光 LED 与蓝光 LED 应用在植物种植中逐渐得到发展,LED 应用在照明领域称之为半导体固态照明 SSL(Solid State Lighting),LED 应用在植物种植称之为植物人工辐射源 PARS(LED Plant Artificial Radiation Sources)。

LED 用于植物种植具有以下特点:

1、可以制造出不同波长组合的人工辐射源。

2、电功率到辐射功率的转换效率高。

3、LED 属于冷光源,发出的光无热辐射。

4、单面发光方式,光辐射利用率最高。

5、辐射量的输出可以通过驱动电流调节。

6、辐射量衰减率低,平均寿命达3万小时以上。

7、耗电功率低,种植成本低。

8、可以低压直流驱动,可以实现数字化规模控制。

9、可以方便接入太阳能、风能供电系统。

10、LED 器件的生产工艺不会造成环境污染。

11、产品造价高,初始投入大。

用于植物光合作用的 LED 光谱图

对于植物灯的研制,我们依据的是太阳辐射与植物光合作用的体系进行的。所以,对于 LED 光源也需要从 LED 的光谱分析开始,图8是 LED 植物灯常用的波长的光谱图,可以看出,每种波长的光谱中,波形单一平滑,无其他杂波,波形态与植物光合作用的峰值波长形态接近,可以提供多波段的组合。

图8:各种波长的 LED 的光谱图

针对不同的植物,按照其吸收光谱的特性,把这些不同波长的 LED 按比例组合在一起,形成多波段的人工辐射源,波长的组合和辐射量大小与植物品种有关,不同波长的 LED 辐射能量与 LED 本身的辐射特性有关,LED 辐射效率与封装厂的品质有关,需要专业仪器进行物理分析才能确定配比组合。

图9是 LED 植物灯的光谱对比图,从图中可以看出,LED 植物灯的光谱图与植物色素吸收光谱形态接近,但 LED 植物灯不能仿制色素吸收光谱图,需要参考莫克利曲线与科学实验得出。

图9:LED 植物灯与色素光谱图对比关系

LED 植物灯的一些技术需求

对于 LED 植物灯的关键技术是结构散热和二次光学设计,其他方面可以参考《LED 植物灯光谱该如何设计?》文章。这里,只是介绍我们设计植物灯的技术支撑。

目前灯具散热技术已较为成熟,灯具内的散热支架可以配备反射杯和透镜,实现多种光学输出角度,同时,还具备防静电能力,使产品寿命得到根本保证。图11是各种光输出角度的散热支架。

图11:各种光输出角度的散热支架

辐射效率方面,在反射杯的反射面涂有特殊的反射涂层大大提高了光的输出效率,同时,通过光学设计的手法,使得反射中心与边缘的光强度趋于均匀化,辐射面的辐射均匀度得到极大的改善。如图12所示,合理的光学设计生成最适合植物生长的配光曲线。

图12:二次光学设计

在产品应用评估方面,一般在产品研制前,都需要通过仿真技术来做仿真模拟,预先分析产品应用的光分布数据与效果。图13是这些分析的图示。

图13:设计效果的工业仿真技术

图:仿真与产品应用

LED 植物灯的参数标注内容

以采用模组化的光学引擎(light engine)概念设计的 BG5D 产品为例。

模组在集装箱植物工厂种植的应用,每平方米需要 68W 的耗电功率,DLA 达到 10,蔬菜种植效果良好,右边是育苗的应用。

以上参数为植物灯最基本的参数标注,是专业的表达方式,应用者根据这些参数才能较好的应用产品,如果光质包括 UV 或者 IR,可以参考《LED植物灯光谱该如何设计?》文章。

植物人工辐射源最终设计目标是实现低能耗且高效率的植物种植,因此,植物灯设计相比照明产品设计过程要复杂很多,首先需要了解种植工艺的要求,温室应用需要测试种植环境的 DLI,植物灯的光谱形态与二次光学设计需要专业设计,植物灯的设计依赖设计经验与技术支撑能力。

目前,植物灯的光谱设计的光质与光量均属于企业相对保密的内容,所以,具体的光质与光量与应用这里没有过多的叙述,可以有这样的共识:企业需要面向市场去盈利,要有技术服务与技术能力,植物灯光谱很容易被破解,但技术服务与技术能力不在破解范畴,只有自身具备优秀的技术,市场营销才能有保证。植物灯在种植工艺里仅仅是条件之一,并非唯一,植物灯只有符合种植工艺的要求,才能发挥最佳的效果。