标签: 智慧植物照明

食者，民之本也。 有关未来移民，人类一直有一个重要的挑战就是如何在其他星球，例如火星，生产食物。因为在这些星球上，光合作用受限于环境影响将很难实现。 据悉，NASA几年前就已经和艾迈斯欧司朗合作，使用其不同波段的植物照明LED在宇宙飞船上做植物种植的试验。 “之前就有客户问我这个是真的吗？” 艾迈斯欧司朗半导体事业部技术应用经理迟光伟笑答道，“我说当然！” 1 、 植物照明初印象 植物照明， 隶属于农业照明， 是指利用LED植物照明方法削弱自然光环境对农业生产活动的制约，高效的植物光控方法能够促进植物生长发育，增强农业产出能力 。 业内将植物照明主要分类3大类：温室、室内照明和消费类。 温室中主要种植像花卉、西红柿、黄瓜、辣椒等；室内照明主要是绿叶青菜和一些特殊的经济作物；消费类植物照明包含一部分蔬菜，花卉和近年来深受追捧的多肉植物。 不同于通用照明，在植物照明中我们一般用另一套参数度量其能效： PPF：光合光子通量，它代表单位时间内该光源所发出的光子数，其单位是 μmol/s； PPE：光合光子通量效率， 其单位是μmol/J 。在植物照明中，一般用PPF和PPE来代表光的量以及光的效率。 在对应到达植物冠层的照度时，通常会使用PPFD——光合光子通量密度。“当然，植物照明的这些指标都可以跟通用照明一一对应，从而更好地理解植物照明的参数。” 2 、 背后驱动&未来前景 “想要衡量一个市场能否稳定发展，我们就需要先看一下支撑该市场发展的逻辑是否真实？是否坚实？是否长久？”迟光伟在谈及植物照明稳定发展背后的驱动力时说道。 从短期来看，一些特殊经济作物的全球化和合法化是刺激植物照明的最主要因素之一。 但从长期来看，极端天气变化频繁和疫情因素愈加突显了食品安全和在地化农作物生产供应的重要性—— 食品短缺、安全以及人口激增，成为植物照明发展的长久驱动力。 据机构预测，2050年全球人口预计增加40%到96亿人，而各类自然资源都非常有限，如何满足大家对于“食”的问题，是非常严峻的。因此，依托植物照明这样的新技术来满足人口激增后的食品需求成为关键。 其次，由于部分地区光资源分布不均匀，其光照强度长期不够，从而急需通过像植物照明这类的补光技术来确保农业的生产。“这一块的需求从过去几十年到现在一直都有，未来也只会逐步增强。” 另外，比如LED技术的突破，例如用LED灯取代传统的钠灯和HPS灯，还有城镇化和资源能源的匮乏等，这些因素在整体上都会支持植物照明短期、中期和长期的发展。 基于这些驱动因素再来看植物照明的全球市场趋势，下图为我们梳理了3点关键信息： 第一， 增长 ！从上图（左一图表）中可知，根据CSIL预计，从2018年到2023年，植物照明市场年复合增长率在25%。 2020年，Greenhouse（温室）的占比约为80%，另外比较重要的一部分便是Indoor farming（室内种植）。到2023 年，CSIL预估 室内种植的增长幅度更大，整体市场有大约5~6倍的增长，这也是目前的市场热点。 第二， LED植物照明的市场前景乐观 。上图（中间图表）的橙色部分代表LED的应用比例，在与传统技术的对比中，例如 2018 年，LED占整体市场的47%，而预计2023年LED的应用比率攀升到 94%。“全局来看，LED在植物照明应用中占比逐步上升的趋势，和我们上游厂商感知到的市场情况是比较匹配的，”迟光伟补充道。 第三， 彩光LED作用愈加凸显 。得益于温室和室内照明，特别是红光LED的广泛应用，彩光LED的市占率预计会从2021年的52%上升到2026年的67%。 3 、 光，如何影响植物生长？ 那么，光到底是如何影响植物的生长？才使得植物照明能保有如此有前景的未来？事实上，对于植物生长，光主要从以下两个方面发力： 一方面，就是 光合作用 ，即将无机物转化为有机物的过程，这是自然界非常重要的一个 能量转换 。 另一方面，就是光信号的作用，也叫 光形态建成 ，比如说发芽、幼苗、开花、结果这些不同关键节点，需要信号催化植物做出对应反应。 光形态建成本身是独立于光合作用，又相对糅合在一起共同作用于植物的生长 。可以说，植物的生长离不开光合作用和光形态建成这两个因素的相辅相成。 细分来看，到底哪些波段的光是影响植物生长的关键？——这也是植物照明设计环节中需要面对的最根本问题。 “植物照明中最重要的成分是 可见光 。” 据悉，太阳光谱中包括很多成分，从UV 到远红，在植物照明中，研究最多的是380-780nm的可见光波段。对于UV波段，近年来也多有研究，它具有一定的生物活性，对植物生长有一定的作用，但目前并非灯具设计的主流。 至于780nm以上的红外光成分，它对植物生长的作用微乎其微，特别是 1000nm以上的波段，主要是产生热效应。 以植物生长最重要的光合作用为例，叶绿体是光合作用发生的主要场所，光和植物的作用主要是在叶绿体中与叶绿素发生作用，实现从光能到化学能的转化。 从下图中可知，叶绿素A和叶绿素B（对应图中两条绿色的曲线）对光波段的吸收主要是在 400-500nm以及600-700nm 区间。 而对于光敏色素（对应图中两条红色的曲线）来说，主要的吸收峰值是在 660nm和730nm 波段。 因此，植物照明的设计也主要是依据于叶绿素和光敏色素对相应光谱的吸收。 4 、 因“物”制宜，不同配方才是“真爱” 有关不同波段对植物生长的作用，业界已经有了较统一的认知。 先划重点， 450nm、660nm和730nm 这三个波段，对植物生长发育以及开花、结果诱导最重要： 450nm为主的蓝光 ，对植物早期根系的生长很重要。 以 660nm为中心的红光 ，也是植物照明应用领域中最重要的波段之一，它对于开花、生长、结果这块的作用尤为关键。 下一个比较重要的波段就是 远红光 ，即以 730nm 为主的波段光源，它对于植物光信号，即植物开花、结果、发芽的促进作用很关键。远红光的光谱，也是植物照明的主力光谱之一。 “在这里补充一句，730nm的远红光和660nm的红光具有一定的相互转换情况。” 据悉，植物体内的光敏色素，会有激发态和惰性态两种不同的生物状态，通过660nm和730nm光源的照射，会使植物的光敏色素含量的激发态在整体的比例会有一定的调整效果。“所以说730nm对于光照进程的影响，主要是通过它对于植物中活性成分比例的控制，来实现促进植物开花、结果的作用。” 密歇根大学的教授基于一个实验为我们解读了“光配方对植物生长的重要影响”，如下图所示。图中显示蓝光的含量，从左边的荧光灯到右边 100%蓝光，然后在相同的光强度 160 PPFD 的情况下，对相同的植物，在其他条件例如二氧化碳、 水、营养物质都相同的背景下，只考察光谱对它的作用。 可以看到，在白光之下，它可能长得会高一点，但相对来说不是那么茂密，随着蓝光的成分越来越高，它整体的高度也在下降，但是它的茂盛程度也在改变。这是光谱对植物形态学的一个影响，也是光谱作用的一个体现。 据迟光伟介绍，当下市场是有多种植物灯方案。其中之一是 以彩光为主 ，尤其是450nm和660nm这2个叶绿素吸收的最高波段。 艾迈斯欧司朗的彩光方案是大功率的陶瓷封装，拥有最高的可靠性和耐腐蚀的防护，而且具有行业最长的维持率，其Q90大于10万小时。“这个彩光方案长期应用于温室环境，已经获得了种植者多年的认可。” 另外，即近年兴起的 白光方案 ，也有自己独有的优势，例如在白光条件下，对于工作人员会有更好的视觉体验，能够降低眼睛在单色光照射下的不适感和眩晕感，避免眼部疾病；同时白光条件下更有利于观察植物的病虫害，诊断植物的健康。 “不过，白光目前仍有其瓶颈，即如何提高它的WPE——光电转换效率。” 而且，由于白光LED多是EMC封装形式，其可靠性和耐腐蚀相对于陶瓷封装都属于中等程度，如果长期在高温、高湿的条件下使用，它的可靠性还需要时间的检验。 5 、 我们，能做些什么？ 如前所述，植物照明主要分为温室、室内种植、消费类3大块。温室照明由于较高的市场占比，是业内研究的重点。 在温室之中，因为有自然光的进入，它的照明主要是补充照明，里面的灯具模式也以Top-lighting和inter-lighting两个方式为主。需要补光的成分是 深红、深蓝和远红 ，其 LED以大功率为主导。整个灯具和系统更加关注高光效、长寿命、高可靠性，这就是温室照明最主要的需求。 对于室内和垂直种植，因为它是在地下或者密闭的环境中，自然光无法进来，因此完全是以人工光为主导，需要的光色主要是深红和白光。LED形式多是中功率和大功率结合。 对于消费类照明来说，补充或者唯一照明兼而有之，需要的光色也更加多元，有白光+深红、紫光或者其他。整个灯具和系统偏向中小功率，同时更注重低成本。 “对于艾迈斯欧司朗来说，我们紧密配合市场需求，推出温室、室内种植和家居种植3大类主要应用，它们的灯具照明形式也不一样，有顶棚照明、株间照明和垂直种植多种方式。” 比如对于温室之中，顶棚照明推荐较多的是OSLON® Square和 OSLON® Square BW产品系列，对于株间照明，有对应的OSLON® Optimal 和 OSLON® SSL产品等。 当然，每个系列会有自身产品设计及对应市场需求的针对性考虑，例如，OSLON® Optimal定位就是高效率和高性价比的结合；OSLON® Square BW主要是专注于均匀性的改善等。 “OSLON 这个系列产品组合是目前艾迈斯欧司朗最重要的植物灯应用产品，主要包括彩光和白光这两个系列，”迟光伟介绍道。 彩光系列包含660nm和445nm两大波段的产品，均配有OSLON® Square、OSLON® Square Batwing以及OSLON® Optimal三个系列的产品。对于730nm的远红光艾迈斯欧司朗未来将主打OSLON® Optimal的这款产品（如图中所示）。 对应白光，艾迈斯欧司朗对应推出了Horti White产品系列，它是区别于传统白光，专门用于植物照明的白光产品。这系列产品的一个关键是利用荧光粉技术，改变了光的输出。它替换了荧光粉转换部分的红光，然后在这个系统里面增加一些芯片发光的红光，所以说它对于整个效率的提升并不局限于这个器件本身，而是专注于整个系统效率的提升。 在介绍道艾迈斯欧司朗技术的领先性时，迟光伟更希望通过具体的产品展开。“以660nm深红系列中我们新推出的一款GH CSSRM5.24 产品（以下简称RM5）为例，”他介绍道：“这款产品的性能很能打。” 据悉，RM5的辐射通量是1064mW，WPE在700mA电流是76%，这是目前行业最高的光电转换水平。其PPF是5.82，PPE是4.16，这套参数都代表了行业里的最高水准。 10万小时。 当然，除了系列植物灯产品外，尽力为客户提供更加系统层级的解决方案也成为上游厂商的共同愿望，例如艾迈斯欧司朗推出能够进行光谱控制和灯具调谐的光谱传感器AS7343，如此让植物灯更加智能。“从某种程度来说，这就是智慧照明的应用了，以此达到优化作物生长和产量的目的。”