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园艺行业: 引人注目的 LED 应用场合

2019/4/17 12:52:00      材料来源:CSC 化合物半导体

 

LED 正在逐渐地取代高压钠灯,因为它们可以通过优化照明加快植物的生长。

 

作者:Alexander Wilm,  欧司朗光电半导体公司

 

2016-2022 年之间,预计园艺行业中对封装式 LED 的需求量将有明显的增长。可以肯定地说,LED 产业取得的成长一直是显著的,而且丝毫没有停止的迹象。

 

园艺师之所以出资购入 LED 照明设备,虽然部分理由与我们大家在更换白炽灯和紧凑型荧光灯时所用的理由没有差别(我们所有的人都重视灯具的高效率和长寿命),但是说到农作物生长,则还存在着其他的考虑因素。其中最重要的显然是灯光对于农作物产量的影响。

 

园艺师毫不怀疑 LED 是目前市面上的终极光源。实现 LED 照明即将迎来新一波植物生长性能的改善。这些改善从照明成本到可调节能力,几乎存在于所有的方面。而且,不仅那些是使用 LED 园艺照明的作物种植者受益,就连与用于大规模作物生长的照明灯具打交道的研究人员和温室厂商,对这些额外的好处也是有所了解的。

 

优于高压钠灯

 

几十年来,在园艺植物生长照明方面,市场主导产品一直是一种高强度放电形式的光源:高压钠灯。其巨大的优势在于能够产生非常高的输出。不过,它有三个主要的弱点:它所发出的光分布在很宽的光谱范围内,因而并未针对植物的光合作用进行优化;它散发出巨大的热量,因此安放位置必须远离农作物,从而避免导致后者过热和脱水;而且,它的典型寿命为 8,000 小时。这种寿命水平无法与 LED 相提并论,LED 的工作寿命可达 50,000 小时,而且能量成本与现用照明灯相比减少了40%

 

照明设备制造商必须确定其产品能够在高温(比如:高达 75°C)环境中操作。LED 可满足该要求,而且还能在常常与植物生长密切相关的高湿度和高水分含量环境中正常工作。

 

园艺照明 LED 销售量的迅速增加还有另一个原因,就是它们能够利用相关技术所取得的进步。这可使作物的种植者比过去更直接地控制光源,从而提高作物产量。现在,可以在色谱、波长和入射功率方面优化作物的照明。园艺的方方面面如今几乎都由 LED 提供照明支持,原因是它们能在 450 nm660 nm、甚至 730 nm 波长为种植者提供优化的光发射,而且还可提供白光照明。通过为园艺师提供一种可调节光谱输出的照明光源,这些种植者在为其栽种的作物寻找理想照明条件时就能比以往任何时候都更加精确,如果需要连续光谱,他们甚至可以使用白光 LED。这种控制程度可凭借其自身推动 LED 在园艺市场上普及率的提升,因为该能力是高压钠灯无法有效具备的。

有经验的园艺师和产业规模较大的种植者常常在面积巨大的室内种植场里生产他们的作物。此类种植环境拥有诸多优势,包括能够避开专杀作物的有害动物、保护植物免受不良气候条件的损害,以及调节对植物有影响的光的光谱以最大限度地提高生长率。

 

优化光源

 

为了优化产量,种植者必须研究适合其作物的最佳照明条件。对于首次从事种植的人来说,这会是一个令人生畏的经历,因为他们将有许多需要反思的东西,同时还会遇到各种各样可能看似奇怪的度量单位。然而,他们必须认真地对待,旨在对规格表和性能计算有一个更加清楚的了解,这将为采购最合适的园艺照明设备提供一定的辅助作用。

 

种植者可以从查阅照明灯规格表开始,此类规格表一般采用流明作为其度量形式。但是对于粗心的人来说这会是一个“陷阱,因为流明是衡量人眼对于能量波长的响应性的尺度,而不是用于确定植物对于不同波长的光所做出反应的度量标准。

 

对于园艺师而言,他们感兴趣的用于评估 LED 光谱投影的度量单位有几种。包括微摩尔每秒 (μmol/s),这是用来表示从一个 LED 发射出的光子数量的单位。微摩尔通常是用 400700 nm 波长范围内的光合有效辐射来度量的。另外,还有光合光子通量密度,它指的是每秒到达一定面积内的微摩尔数量。

 

当种植者开展他们的研究时,将认识到光的颜色对农作物生长的重要性。一种常见的误解是,由于植物通常是在室外生长的,因此室内灯光应当尽力地模拟自然光。但是情况并非如此,实践证明,光谱成分会对植物生长产生剧烈的影响。事实上,正是这种对光发射分布 (emission profile) 的强烈依赖,解释了为什么 LED 给园艺行业带来了这么大的益处。需要注意的是,在种植植物的过程中,照明灯的瓦数(功率)也是一个相关的指标,不过它不是最重要的因素,因为每个 LED 和光源都具有不同的辐射照明效率,这取决于产品。

 

现今,许多工业规模的温室仍然采用高压钠灯提供照明。但是,如我们前文所述,这种老式技术并不具备 LED 那样的优势。后者将继续改进并大举进军园艺照明领域,在这里,随着种植者学会进一步利用 LED 的优势以加快作物生长速度和提高产量,LED 提供的好处将越来越多。

图注:

Oslon Square Hyper Red 原型是欧司朗在 2017 年底举办的美国照明展 (LIGHTFAIR) 上宣布推出的,其具有 660 nm 的波长,并能够控制植物开花阶段的生长。这款高功率 LED 内置一个集成的 2 mm x 2 mm 芯片,在电流为 700 mA、工作温度为 25 °C 时,其典型辐射功率可达到 905 mW,辐射效率则为 60%


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