劉洋 LUMILEDS 亞太區技術總監

　　《2018阿拉丁照明產業調研白皮書》顧問

　　摘要：LUMILEDS作為全球LED產業的領航者之一，致力于研究LED在植物照明領域的應用，并針對性地推出了SunPlus系列產品。本文簡要介紹了SunPlus系列的性能特點和對比性實驗分析研究，并分析了植物照明光源的需求和發展趨勢。

　　近幾年，LED逐步進入了普通人的生活之中，在通用照明的各個領域都不難看到LED的身影。LED擁有傳統照明無法取代的優點，亦有更大的發展空間，照明市場向基于半導體技術方向的演進催生了眾多新的增長機遇，其中之一便是植物照明。據美國機構 Navigant Research[1]預測，LED植物照明在2015年至2020年的年均增長率有83.3%，預估到2020年植物照明中的LED滲透率可高達85%。其中全球垂直農場使用LED燈具的市場分額會從2017年的USD200M增加到2021年的USD1.2B[2], 如圖一所示。LED植物照明的優點,例如提高作物生長速度,節約能源高達75%,節省水資源達90%,也廣泛地被業界認可。在全球氣候變遷下，精致作物種植、養殖業、食物存放保鮮,食品安全等市場需求，都推動植物及園藝照明市場的發展前景。

　　目前通用照明市場競爭已日益白熱化，LED植物照明被視為是一片新的發展空間，眾多LED相關企業在植物照明領域都提前加緊布局。作為全球前5大LED廠家的 LUMILEDS在植物與園藝照明領域的研發應用有著多年的研發累積，對不同光配方、不同光照條件以及不同生產方式給植物生產帶來的影響也有著非常豐富的經驗。以下就以LUMILEDS的產品為例，簡要分析目前植物照明領域的LED光源的性能特點和種類。

　　LUMILEDS針對植物照明推出的產品系列是LUXEON SunPlus，可確保輕松設計園藝應用所需的系統，作為溫室、垂直農場或其他植物生長應用。LUXEON SunPlus系列是LED業界第一個基于光合作用光子通量(PPF)分檔及測試的LED。LUXEON SunPlus系列采用三種不同的封裝，如圖二所示:LUXEON SunPlus20系列 (2.0mm x 2.0mm), LUXEON SunPlus35系列(3.5mm x 3.5mm)和 LUXEON COB系列。 LUXEON SunPlus系列具有可用于單驅動器解決方案及多通道色彩可調解決方案的選項。

　　LUXEON SunPlus20系列是基于大功率芯片的LED封裝，尺寸是2.0 x 2.0mm。適合應用于溫室栽植,尤其是輔助方式的天井燈,能夠提供全天24小時長時間的光照。種植人員可以利用特定波長發展出單一光照方案, 例如藍光(420-480nm)以及紅光 (620-670nm)。或者利用多重光照方案,搭配多顆LED形成理想的光輸出, 配合植物再不同生長階段所需的光照, 例如播種、發芽、生長和開花等階段的不同光照需求。LUXEON SunPlus20涵蓋藍光(440-460nm)、深紅(655-675 nm)、遠紅 (720-750nm)、青檸光 (寬光譜)和冷白光。SunPlus 20不同顏色的LED晶片具有相同的焦距(focal length)，使燈具的光學設計更加簡易并具有通用性。

　　相較于 SunPlus20系列的高PPF值和高能量密度，SunPlus35更加適用于垂直農場使用多層次的生長盤 , 其 所需光照通常是一致性高、近距離的照明系統。 LUXEON SunPlus35系列共有藍光(440-460nm)，青檸色、深紅、遠紅、白光以及三種不同光色的3.5x3.5mm紫色中功率LED芯片。LUMILEDS的紫光LED是利用高效的藍光LED與特制熒光粉，制造高一致性的光源，利于作物快速生長。LUMILEDS的紫光LED芯片系列介于400-700nm 之間。根據藍光占整個光譜的比重分為2.5%,12.5%和25%。紫光LED(2.5% 藍光 )可以有效刺激植莖生長及開花，12.5%藍光的紫光LED促進整體生長，而25%藍光的LED能夠刺激菜葉類的葉片發育。

　　SunPlus COB系列包括12.5%藍光的紫光COB，主要針對于高PPF強度的應用，例如天井燈，可以穿透大型植物，保證植物均衡生長。圖三標識了SunPlus系列的光譜，包括藍光、青檸色、白光、深紅光、遠紅光以及三 種不同光色的紫色。植物生長需要的葉綠素a，葉綠素b，類胡蘿卜素決定了植物的生長光合作用，其中葉綠素a的吸收峰值在430nm和662nm，葉綠素b的吸收峰值在453nm和642nm，類胡蘿卜素的吸收峰值在420nm和485nm。SunPlus系列的光譜涵蓋了植物生長需要的葉綠素a，葉綠素b，類胡蘿卜素的吸收峰值，基本上滿足了植物生長的光譜需求。

　　與同類產品相比，LUMILEDS SunPlus系列具有以下優勢:

　　1.基于光合光子通量(PPF)分檔及測試

　　2.控制植物的內部時鐘，可以在每個光周期結束時用作觸發器，以促進短日植物開花(遠紅光720nm-750nm)

　　3.提供植物吸收光子關鍵波長(藍光450nm&深紅光660nm)

　　4.青檸光可提升整體效能，并可實現人性化的工作環境，避免紫光帶來的不適

　　5.多個封裝選擇(2.0mmx2.0mm、3.5mmx3.5mm和coB)，確保設計自由

　　SunPlus系列針對植物照明的功用如圖四所示。其中藍光有助于植物營養生長，深紅光利于根莖生長和開花，青檸色、白光利于工作人員觀察和輔助色素功能。三種不同光色的紫色包含3種紅藍光比例配方，有藍光2.5%、藍光12.5%和藍光25%三種。此封裝方式能直接替換現有的傳統光源使用在t管、平板燈，方便客戶更換使用。

　　為了配合顧客調配自己的光配方，LUMILEDS提供了園藝照明計算小工具。憑借這款園藝照明計算器[3]，燈具制造人員能夠選擇SunPlus系列中的芯片組合，通過程序 計算出該組合可以輸出的園藝特異性指標，比如光合光子通量和全光譜功率分布等，在短時間內測試多種差異化的照明場景，快速地尋找最佳設計，最終達到高效投放市場的作用。

　　植物照明是生物學、設施園藝學、蔬菜學、植物生理學、植物營養學、生物環境工程、LED照明、智能控制技術等多學科交叉和有機結合發展的產物。需要半導體、植物、智能化系統充分的協作和交叉研究應用，需要提供合理的技術 解決方案。LUMILEDS積極參與和組織相關領域的研究，提供完整技術解決方案。紐約州特洛伊市倫斯勒理工學院照 明驅動系統和應用中心(LESA)的高級研究員——Tessa Pocock博士針對LUXEON SunPlus系列的功效進行了相關的植物生長研究。此研究評估了LUMILEDs專為園藝設計的LUXEON SunPlus系列與Valoya和定制直接發射RGB LED相比之下的性能表現。目的是確定最近推出的熒光粉轉換型 LED (sunPlus 系列)是否能提高紅葉生菜的產量，同時使包括花青素和類胡蘿卜素在內的關鍵營養素水平增高。研究檢測了紅葉生菜的產量(地上生物量)與營養質量之間的關系或平衡。

　　選擇光譜光子分布以在作物水平上提供光合光子通量密度(PPFD)，燈具之間具有相同的紅色(600-700nm)、藍色(400-500nm)及綠色(500-600 nm) 波長范圍(光譜比值)輸出。在兩個環境受控的生長箱(Adaptis 1000，conviron)內各安裝兩種燈具，如圖五所示，通過設定光程序和/或調整作物距離使 PPFD 介于 217-242 μmol/m2s 之間。

　　測量生長箱中心及生長區域某一網格內的光譜光子分布，以檢查均勻性，如圖六所示。將光合有效輻射(PAR)的光譜比值設計為相同;20%藍光(400-500nm)，20% 綠光(500-600nm)及60%紅光(600-700nm)。但遠紅光區域 (700-800nm)的PPFD存在差異。在RGB直接照射光譜中不存在，但在Valoya Pc中為19μmol，在LUXEON SunPlus 綠黃光+紫光燈具中為25μmol，在LUXEON SunPlus紫光+LUXEON3535L綠光燈具中為28μmol，在 LUXEON SunPlus紫光燈具中為32μmol。

　　圖七中的光分析表明，光譜和PPFD的均勻性從生長箱一側到另一側平均較差，而從前到后則明顯要好。安裝較大的光條可改善這些均勻性的差異。光周期為16小時/天，持續14天，日/夜溫度為23 ° c/18°c，相對濕度在50%至70%之間。植物采用改良的Hoagland溶液施肥。進行三項獨立的重復操作，并確定光試驗之間的統計差異(KruskalWallis ANOVA， SigmaPlot v11)。收割具有最大光均勻性之生長區域的樣品進行測量。根據Pocock中的方法用分光光度法對花青素濃度進行定量[4]。根據Lichtenthaler中的方法對類胡蘿卜素和葉綠素濃度進行定量[5]。

　　LUXEON SunPlus綠黃光+紫光LED在產量(鮮 重)和抗氧化劑含量方面表現最佳。這種光源的光譜包括遠紅光(700-800nm) 范圍波長的輸出，可以提高生菜產量。 Valoya PC LED條件下產生的綠葉產量相當，但從統計上看，抗氧化劑的含量較低，表明磷光體下轉換的光譜光子分布可能對作物質量有不同影響。總之，這些數據表明，使用LUXEon sunPlus綠黃光+紫光LED組合中具有藍光、綠光、深紅光及遠紅光組件的Pc LED 可優化植物的生長和營養。在產量(鮮重)和營養濃度方面均表現優異的光譜為LUXEON SunPlus系列綠黃光+紫光及紫光+綠光 LED。要在室內環境中有效栽培Rouxai 紅葉生菜和類似作物，使用LUXEON SunPlus系列綠黃光+紫光及紫光+綠光LED可帶來明顯優勢。

　　從技術層面看，光效與能效提升是大幅減少運行費用的關鍵，采用LED替代傳統燈具并根據植物從苗期到收獲期的光配方需求進行光環境的動態優化調節，是未來精致農業的必然趨勢，LUXEON SunPlus系列可以完美匹配此技術的需求。LUXEON SunPlus系列的產品有根據產量與品質方面研發對應的光配方。在提高產量方面，可以根據植物的發育特征，分階段、分區域結合光配方進行培育，以提高各階段的生產效率和產量;在提高品質方面，可以通過營養調控和光調控等手段，提高營養成分含量、可溶性糖以及其他功能品質。 植物照明是一個跨學科的系統工程，光源是其中至關重要的一環。LED基于其發光原理，具有光譜可自由組合，顏色純度高，顏色豐富等優點。除了LUMILEDS之外，其他LED的供應商，例如Osram，Cree，Nichia， Everlight等也紛紛推出植物照明的LED產品系列，這里不一一列舉。對于LED光源而言，相同的PPF值，光譜的構成可以不盡相同，針對不同的植物，或者是同一植物的不同生長階段產生的效果也不同。只是單純的追求PPF值 并不能達到植物生長的最優化方案。所以未來植物照明在更加專業化的細分市場要求下，會對LED光源提出新的要求，即如何實現有效的PPF。這就要求LED供應商和其他學科交流合作，研發出更有針對性光譜的光源。植物照明LED的封裝種類也會更加多樣化，滿足各種植物照明的需求，從家庭式的入門級到植物工廠專業級全部覆蓋，實現信價比的最優化方案。

　　相信在不遠的將來，隨著植物工廠的不斷發展，LED植物照明的市場滲透率將逐漸提升，技術與商業的有機結合，全球市場進入爆發期，未來20年中國將成為世界農業 半導體照明技術裝備產業及其應用大國和強國。植物照明的LED光源會隨著產業的逐步專業化進一步發展，向更加具有針對性的方向前進。

　　參考文獻

　　[1]https://www.navigantresearch.com/

　　[2]strategies Unlimited, March 2017

　　[3]https://www.lumileds.com/horticulture/calculator/

　　[4]Pocock,t.(2015)Advanced lighting technology in controlled environment agriculture.Lighting,Researchandtechnology.12/2015;DoI:10.1177/1477153515622681.

　　[5] Lichtenthaler, H.K. and c. Buschmann (2001) current Protocols in Food Analytical chemistry F4.3.1-F4.3.8.