【深度解读】LED植物照明应用

生命科学应用中,大功率LED带来了革命性的优势,例如在园艺领域,LED优势明显,表现在能量效率、低/无维护、光谱控制和光束控制。但是,植物需要从光中获得不同的东西,同时一些度量标准,例如功效(流明/瓦/ W)或CRI,可能或不能提供给植物和花卉想要的结果。此外,植物与人类不同,它们有昼夜循环,并且各植物之间差异很大。

尽管如此,在温室中,特别是在城市室内或垂直农场,种植者正在快速转向使用固态照明,园艺行业从业者也正在研究植物的需求,希望可以开出不同的“光配方”,从而获得最佳的植物生长和产量。

1 固态照明在园艺中的角色

LED在水果和蔬菜农业中的用途主要是延长了生长季节,特别是在夏季较短的寒冷地区。过去,用于植物生长的人造照明主要是高压钠灯(HPS)。但是,基于LED的固态照明的一个明显优势就是照明不产生热量,种植者可以使用交互式照明,就是说把光放在植物中间或者旁边,在垂直或水平方向上把光照射到植物的低层部分。

然而,LED产生最大影响的地方就是在生长绿叶蔬菜和药草上,因为这些只能生长到以英寸衡量的高度,并且可以在架子上生长,每层架子都有专用的一组LED灯具靠近植物。这种分层的架子在所谓的城市或垂直农场十分普遍,它们在人口中心附近的建筑物内只占据相对较小的生长空间,而最佳的照明和技术,包括水耕栽培,可以比室外实现更短的生长周期。

图1 美国芝加哥的Green Sense Farms在其垂直农场里
种植微型蔬菜、莴苣、甜菜等

2 城市农场

事实上,LED照明可能对园艺影响最大的是城市农场。种植者在城市的大批量垂直农场种植,意味着运输成本会降低,消费者在某些情况下收割的当天就可以吃到,而且产品的保质期会更长。由于交通运输缩短,而且也不需要传统耕作所需的机械设备,农业碳排放将大大减少。

LED园艺对消费者的好处也是越来越多。消费者可以获得更新鲜的产品,所以味道也更甜美。此外,城市农场一般也不含农药,产量可能甚至不需要洗,因为它们通常是在干净的介质中以水栽培的方式生长而不是在污垢中生长。以后,种植的方法趋向于节水,尤其是像干旱地区或者是地下水和/或土壤被污染的地区。

3 园艺照明方面的挑战

当然,任何新兴技术方面都存在挑战,基于LED的园艺照明方面也存在挑战。目前,固态照明技术的经验仍然很浅,甚至是从事多年的园艺科学家们仍然在研究植物的“光配方”,目前这些新“配方”中的一些是不可行的。

Canoga Park照明制造公司的总经理Rami Vardi表示,亚洲的照明制造商定位的市场通常是经济实惠但低端的产品,市场上许多低端产品缺乏相关认证,如UL等级,以及LM-79灯具报告和LM-80 LED报告。Vardi说,许多种植者早期尝试部署LED照明,但是由于灯具性能差,感到很受挫,因此高压钠灯仍然是该行业的黄金标准。

当然,市场上还有许多高品质的照明产品,包括飞利浦、欧司朗和哈勃照明等。 欧司朗和飞利浦花了多年时间与大学的和专门的研究组织团队一起进行园艺研究。

然而,园艺和花艺种植者仍然需要与应用相关的更好的度量标准。比如,美国农业和生物工程师学会(ASABE)农业照明委员会于2015年开始制定标准化度量标准问题。这项工作正在考虑与PAR(光合有效辐射)频谱相关的度量标准。PAR范围通常定义为400-700 nm的光谱带,其中光子主动驱动光合作用。与PAR相关的常见度量包括光合光子通量(PPF)和光合光子通量密度(PPFD)。

4 “配方”和度量标准

“配方”和度量标准之间相互交错,因为种植者需要度量标准,这样能够识别灯具是否提供强度和光谱功率分布(SPD),这里面就包括了“配方”。

早期的研究集中在叶绿素吸收于光谱功率的关系,因为叶绿素是光合作用过程的关键。实验室研究表明,蓝色和红色光谱中的能量峰值匹配吸收峰,而绿色能量显示不会影响吸收。早期的研究结果导致市场上粉红色或紫色光的灯具过剩。

然而,目前的想法集中在可以在蓝色和红色光谱中提供峰值能量的照明,但同时也能发出像太阳光一样广泛光谱的照明。Cree LED产品开发负责人Paul Scheidt表示:“行业似乎正在向白光迈进。”

5 白光很重要

生物创新与优化系统(BIOS)副总裁Neil Yorio评论说,“只使用红色和蓝色LED相当过时了,当你看到有该频谱的产品时,它是基于较旧的科学,经常被误解”,“人们选择蓝色和红色的原因是因为这些波长峰与在试管中分离的叶绿素a和b的吸收曲线相一致,我们今天知道PAR范围所有波长的光对于驱动光合作用是有用的。毫无疑问,光谱很重要,但它与植物形态如大小和形状有关。”

Yorio的观点是研究表明,我们可以通过改变光谱来影响植物的高度和开花结果。一些种植者不断调整光强度和SPD,因为植物确实有类似于昼夜节律的东西,大多数植物都有独特的节奏和“配方”要求。

Spectrum King的Vardi表示,主要的红色和蓝色组合可能对于诸如莴苣等叶菜类来说相对较好。但他还说,对于开花类植物,包括西红柿等,其强度要比专门的光谱强。Vardi表示,高压钠灯中90%的能量在黄色区域,而开花植物园艺灯具中的流明(lm),lux(lx)和功效可能比以PAR为中心的指标更准确。

Spectrum King在其灯具中使用90%的磷光体转换白光LED,其余为红色或远红色LED。 Vardi说,以白色LED为基础的蓝色照明提供了最佳生产所需的所有蓝色能量。

图2 高压钠灯的传统形式

6 “配方”和影响

除了绿叶蔬菜的基本生产条件之外,白光很重要。接受采访的多个人表示说,假如没有绿色光谱带的一些光,生菜可能不成熟,看起来不绿。另一方面,有时种植者可以控制光谱以产生新的颜色。例如,飞利浦照明公司全球农业总监Gus van der Feltz表示,种植户可能希望长出红色的特色生菜,白色LED中的蓝色能量峰值是一个有利因素。

显然,目前对“光配方”还没有共识,研究人员和种植者也不断努力推进科学发展。Colangelo说:“我们正在不断研究每个品种的光配方。” 飞利浦的van der Feltz表示,每种植物的配方总是不一样,但补充说:“你可以调整生长过程。” 在植物的生长阶段,改变光线可能会对同一植物产生显着的差异。Local Roots的联合创始人兼首席运营官Matt Vail说:“我们每小时改变一下光。”

图3 Local Roots的集装箱农场,里面装有LED照明系统

“光配方”的开发过程很艰苦。飞利浦的van der Feltz表示,该公司的研究团队在近一年时间内研究了各种草莓,使用了不同的红、深红、蓝光和白光混合。 但是经过漫长的努力,最终团队找到了一个“配方”,在更好的品味和多汁性方面达到了20%的差距。

7 种植者想要什么?

随着商业LED照明园艺设备的逐渐成熟,制造商对于种植者的需求将会更加明确。Green Sense公司的Robert Colangelo认为有4点。首先,Colangelo想要优质的产品,最大限度地提高能源效率。第二,他想要一个照明产品,对于每个品种能使用不同的光组合。Colangelo表示,Green Sense公司发现在植物生长周期中动态地改变照明并不能获益,但是对于每个物种需要不同的“配方”。第三,灯具易于安装。第四,Colangelo认为经济负担能力和融资很重要,因为他说灯是垂直农场中最昂贵的元素。

并不是所有的商业种植者都能从商业LED照明厂商那里找到他们所需要的。例如,Local Roots公司设计并开始制造矩形尺寸的定制LED灯具。该公司正在装备一个用过的运输集装箱,使其可以容纳一个完整的农场,其生产能力相当于5英亩的传统农场。Local Roots公司用DC为其灯具供电,依靠单个交流电路。 Vail表示,该设计混合了单色和白色LED,并且定制的控制系统可以实现0-100%控制每个LED的强度。

当然,许多城市农民都强调,园艺问题需要一种超越照明的系统级方法。这些大型城市农场通常通过计算机测量温度和湿度实现完全的环境控制,并且控制水培给料以及灯光。

而且,这些业务开发了新领域。例如,Green Sense使用一种由椰壳制成的独特的生长介质。一家名叫AeroFarms的纽约地区农场(图4)制作了一种由循环水瓶制成的定制基材或生长介质。并且,AeroFarms使用了所谓的喷气雾系统,该公司表示使用的水比水培系统少40%。

图4 纽约地区的AeroFarms农场

图5 飞利浦照明的GreenPower LED生产模块

▲公司表示,该模块包括红色、远红色、蓝色和白色LED,动态地为植物提供植物需要的主要颜色

图6 位于日本富士地区的Innovatus农场
每天可生产12000颗莴苣

图7

▲一家法国番茄农场在一排排的植物之间使用飞利浦灯具,以便向每颗植物的下部叶子提供所需的光谱能量。(编译:LEDinside James)

 

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