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想进入LED植物照明行业,这些要牢记!

时间:2020-02-15 20:31

人类目前所面临的食物、能源、资源、环境和人口等问题的解决都与农业生产密切相关,而光照是影响植物生长发育的首要因素,因此,深入研究农业照明对光的需求特性、规律和光控基准,创新性地开发适宜于农业照明的智能控制补光系统,为农业照明提供高效的光照环境是1项重要工作。随着大气污染日益加重,大气透明系数不断下降,植物可接收的太阳光能越来越少,直接影响其生长发育。将补光调控技术用于农业栽培,可提高作物光合作用效率,促进生长并减少农药使用,利于发展高效无污染的现代农业。发展设施农业、观光农业、无土栽培和精准农业等现代生产经营模式,是现代农业模式的里程标志。

农业是国民经济的基础,日常生活中的肉蛋奶、蔬菜、花卉、瓜果、食用菌等农副产品的很大一部分都是在设施条件下生产出来的,其中农业照明起到了极为重要的作用。总体上来看,在现代农业的很多领域,如设施植物生产、集约化养殖业、水产捕捞、病虫害防治、食用菌生产及微藻繁殖等,都与人工照明有着极其密切的关系。

LED可发射出植物生理有效辐射300~800nm范围内的窄谱单色光,光质丰富、光源光谱可组合调制、光环境智能可控,LED光源具有环保、节能、体积小、冷光源、低电压、直流电等优势,被业界人士誉为设施农业的理想光源。

植物利用太阳光进行光合作用,吸收的可见光光谱在380~760 nm,其中吸收峰值区域为波长610~720 nm红橙光和400~510 nm的蓝紫光。而连续的阴雨天气影响植物生长发育乃致绝收,智能控制补光的研究及发展将解决这一问题,发展不受天气影响的农业种植技术将成为新的方向。

植物生产对人工照明的需求方面,俗话说万物生长靠太阳,光照是地球上生物赖以生存与繁衍的基础,作物的光合作用离不开光照,光照条件的好坏直接影响作物的产量和品质。自然界中,太阳的光照随地理纬度、季节和天气状况的不同而变化,高纬度地区冬季日长变短以及其它地区冬春季节连阴、雨、雪、雾天气等特定气候条件下,光照强度和光照时间不足的现象时有发生,因此,在现代植物生产系统中(如温室、大棚等)人工补光已经成为高效生产的重要手段。此外,在密闭式人工光生产系统,如植物工厂、组培车间、育苗工厂等,采用完全人工光进行光合作用,因此也离不开对人工照明光源的需求。

LED植物照明属于农业半导体照明范畴,可以理解为,它是采用半导体电光源及其智能化管控装备,按照植物生长的光环境需求规律和生产目标要求,利用人工光创造适宜光环境或弥补自然光照的不足,调控植物的生长,以实现“优质、高产、稳产、高校、生态、安全”生产目标的一种农业工程措施。

影响温室补光的主要因素有光质、光强和光周期等,农作物光合作用以冠层光强补偿达到1 000~3 000 lx为宜,各种农作物对红蓝光有特定要求,另外对自然界昼夜交替、周而复始的现象形成了光周期的要求,农作物在漫长的进化过程中适应了这种明暗变化。但是,在冬至前后或连阴天时,自然光照无法满足农作物生长发育需求,则需要通过人工补光来增加光照时间,近年来,温室补光已经成为农业生产的重要手段。

在养殖生产对人工照明的需求方面,集约化养鸡场、养猪场等都在封闭或半封闭环境下进行饲养,人工光源不仅能起到照明的作用,而且对畜禽生产性能也会产生重要影响。大量的研究表明,在畜禽养殖过程中,照明光源的颜色与波长、光照的时间与强度、光照期与黑暗期的配合等都会对畜禽的生产性能、生理特性、行为特性、体质健康等产生显著影响。适宜的人工照明,能够克服了畜禽繁殖生理机能季节性限制,使其遗传潜力能最大限度地发挥出来,增加畜禽养殖的经济效益。

LED植物照明属于LED在农业领域的创新性应用,目前国家对《植物生长用LED照明术语和定义》正在紧锣密鼓的编制中。

1.2 高效智能系统

在水产捕捞与灯光诱鱼对人工照明的需求方面,自公元8世纪开始,人们利用鱼对光的敏感性,就采用灯光进行集鱼与捕鱼。多年来,世界各地一直存在使用火或其他形式的灯光捕鱼的方法,如今这些捕鱼方法已经成为许多国家现代渔业的一个重要特征。一些学者还对不同颜色光源的诱鱼效果进行了试验,结果表明,蓝光具有更深的水体穿透性,使用以蓝色为主体的人工光源可以取得更好的捕捞效果。

LED植物照明应用

由控制前端、传感器、现场总线和LED灯组成的植物生长调控系统如图1所示。智能手机、平板电脑通过Wi-Fi无线网络连接控制平台对终端进行控制。终端内置专用通信模块通过ZigBee连接多达100个LED灯组网或单点访问,也可对传感器、增氧、浇灌及卷帘等装置进行系统控制。系统利用传感器监测环境温度、湿度和营养液pH值等数据,通过软件汇集到数据库,并指令施肥灌溉系统对植物进行定时、定量及分区分段的精准施肥灌溉,同时利用传感器进行系统监控。根据植物生长需求对LED灯的定时、开关、调光和调色等进行远程集中管理,并通过光配方对植物的生长和开花周期进行调控。

在人工微藻对照明的需求方面,近年来,随着全球资源、能源及环境危机的加剧,开发利用光合自养生物微藻,直接将太阳能及CO2转化成人们生产生活需要的医药、生物基化学品(如天然色素、异戊二烯等)和生物能源(如乙醇、丁醇、生物柴油等),已经成为世界各国关注的焦点。光照是影响微藻细胞生长及生化成分变化最重要的因子之一,对微藻的生长、繁殖、藻体颜色、细胞形态及代谢产物含量均有重要的影响,人工光源逐渐作为有效手段在微藻繁殖中得到广泛应用。

LED照明可以广泛应用在植物组培、叶菜生产、温室补光、植物工厂、育苗工厂、药用植物栽培、食用菌工厂、藻类培养、植物保护、太空果蔬、花卉种植、驱杀蚊虫等多领域,种植出来的果蔬、花卉、药材等植物可以满足军队边防哨所、高寒地区、水电资源匮乏地区、家庭办公园艺、海洋太空人员、特殊病人等地区或人群的需要。

针对不同应用方案及场所,LED补光照明产品可选品种较多。灯泡、面板灯、投光灯、灯带和灯条等是植物工厂的典型LED应用产品,结合应用智能控制系统使农业照明系统更高效节能。

此外,在现代农业生产过程中,众多领域,如病虫害防治、食用菌生产等,也对人工光源具有广泛的需求。

目前市场上已研发和生产出不少LED植物照明装置,例如LED植物生长灯、植物生长箱、宅用LED植物生长台灯、驱杀蚊虫灯等。其中LED植物生长灯常见的形态有灯泡、灯条、面板灯、灯带、筒灯、灯栅等。

1.3 提高密度与节能

长期以来,在农业照明领域使用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等,这些光源的突出缺点是能耗大、运行成本高,能耗费用约占系统运行成本的40%~60%。因此,开发出高光效、低能耗的节能光源一直是农业领域人工光照明应用的重要课题。近年来,随着LED技术的快速发展,使低能耗、高光效光源在农业领域的应用成为可能。与传统人工光源相比,LED不仅节能效果显著,而且还可进行光量、光质(红/蓝光比例或红/远红光比例等)的任意调整,以满足动植物生产的各种生理需求,实现高效化生产。因此,LED被认为是21世纪农业领域最有前途的人工光源,具有良好的发展前景。

目前我国从事LED植物照明的企业超过150家,主要分布在长三角和珠三角地区。

LED灯属于冷光源,其辐射光谱对植物的热效应小,可实现对植物的近距离补光且避免灼伤。在植物工厂或组培中,可缩短栽培层架之间的距离,提高空间利用率及植物单位空间的栽培密度。温室中的智能控制补光实验表明,使用传统光源每平方米需要配备0.5 kW的光源,而LED仅需0.27 kW,其节能量超过50 %。

一、LED农业照明领域研究进展

根据中国农科院的预判,包括LED植物照明在内的农业半导体照明市场前景非常广阔,根据我国现有农业产业规模估算,未来5年,农用LED照明灯具及其控制装备的需求量将达到几十亿元,10年内将达到百亿规模,年增长率达到20%~50%;农业半导体照明产业总规模上千亿元。还特别指出,植物种苗培育、植物组培苗生产、食用菌生产、畜禽养殖业将成为先导领域,用LED光源取代传统光源,植物工厂和温室补光是发展最快的半导体照明领域,技术含量高,装备智能化系统性强,是农业半导体照明产业发展的重点。

另外,有效利用自然光照、光环境智能控制、提升空间管理和移动反射利用等现代农业照明的技术创新,将有效提高光能利用效率,满足批量生产或提前库存的市场需求。

1.LED植物照明研究进展

LED植物照明技术在我国起步较晚,LED光源在植物工厂中的推广应用将逐年广泛,光生物学规律及LED光源装置和照明智能控制系统的产业化还依然有不少障碍,还需进一步研究。按照中国农科院推测,未来10-20年后,中国将成为世界农业半导体照明技术装备产业及其应用大国和强国。

通过引进新技术种植蔬菜、水果、花卉及育苗组培,拓展到生态餐厅、农业观光等一系列精准农业模式,采用用以智能控制为基础,由信息技术支持的整套智能农事操作技术与管理系统,是当今农业发展的风向标。

长期的研究表明,植物光合作用在可见光光谱(380~760nm)范围内所吸收的光能约占其生理辐射光能的60%~65%,其中主要以波长610~720nm(波峰为660nm)的红、橙光(约占生理辐射的55%左右)以及波长400~510nm(波峰为450nm)的蓝、紫光(约占生理辐射的8%左右)为吸收峰值区域。因此,开发出以这两个波段(特别是波峰)为主体的植物人工光源将会大大提高其光能利用效率。近年来,随着LED技术的不断进步,为实现这一目标提供了可能。LED能够发出植物生长所需要的单色光(如波峰为450nm的蓝光、波峰为660nm的红光等),光谱域宽仅为20nm,而且红、蓝光LED组合后,还能形成与植物光合作用与形态建成基本吻合的光谱,光能利用效率达80%~90%,节能效果极为显著。LED光源这种独特的性能,为其在植物生产系统,如温室大棚、植物组培、遗传育种、植物工厂等领域人工照明的应用,提供了广阔的发展空间。

以下是进入LED植物照明行业应该知道的6个基本点。

通过研究红光、蓝光和白光对家禽生产性能的影响,推出系统控制光周期的智能养鸡照明产品,实现渐变式禽类养殖控制,并在养鸡场投入使用。智能系统按特定指标控制色温、光强及照明时长,观察其对畜禽的行为习性、生理特性和生长发育产生影响,并有效促进畜禽的生产性能,因此,养殖业生产中的照明不仅要求低能耗和长寿命,而且还应具备LR的可控性。图2所示为补光在畜禽养殖业的应用。

LED用于植物栽培

一、LED植物照明市场需求那么大,如果想进入最大的难点在哪?

研究发现,在肉鸡生长前期采用绿光或蓝光照射,生长后期采用蓝光照射,能显着促进其生长发育并提高生产性能。若再前期选用绿光照明,可不同程度地改善肉鸡小肠黏膜结构,提高小肠吸收营养物质的能力。此项研究成果可用于改善畜禽的生理节律、摄食行为、生长发育及繁殖性能的技术指标体系,促进畜禽生长及生产潜力,并提高畜禽免疫力。

多年来,国内外学者围绕LED植物照明应用进行了不懈的探索,Bula等(1991)利用660nm红光LED与蓝色荧光灯组合,进行了莴苣的栽培试验,获得成功。以色列卡纳塔克邦大学设施技术发展研究中心(2001)用红光、蓝光及其组合LED对百合属植物的幼芽分化再生进行研究,结果表明红蓝光组合LED与其它光源相比更能促进花芽分化,更适合幼芽生长,植株大小和干、鲜重都有明显的增长。Yanagi等(1996)使用红光LED与蓝光LED来探讨光质与光量对莴苣生长与光形态建成的影响,将莴苣栽培于纯蓝光LED(170mol?m-2?s-1)的环境中,证实可分化生长,虽然干物重小于纯红光或红蓝光组合下的植株,但纯蓝光下的植株显得更加矮壮和健康。Kozai等(1999)使用LED脉冲光对莴苣的生长以及光合成反应的影响进行研究,结果表明,在周期为100s以下的脉冲光条件下,莴苣生长比连续光照射条件下的促进效果提高了20%,从而证实了采用不同频率脉冲光照射莴苣可以加速其生长的设想。Tanaka等(1994)通过对LED植物栽培的实用化研究,探讨了脉冲光照射周期与占空比对植物生长的影响,结果表明,占空比达25%~50%时,可加速植物生长。Heo等(2002)研究发现,荧光灯+红色LED,荧光灯+远红外LED复合光照处理,比单一荧光灯处理能显着提高万寿菊的气孔数量。Okamoto等(1996)使用超高亮度红光LED与蓝光LED,在红蓝光比值(R/B)为2:1时,可以正常培育莴苣。美国航空航天局(NASA,1992)针对宇宙基地闭锁式生命维持系统(ControlledEcologicalLifeSupportSystem,CELSS)的植物生产特点,把LED光源列为空间植物栽培系统首选光源,并委托Wisconsin大学等单位开展研究,探索利用最小面积生产出可供一个人在太空中生活的必需食物,目前已经研究出利用6~14m2就能提供一个人需要的面粉、豆、薯、菜、番茄、玉米等食物的生产模式。郭双生等(2003)在模拟空间舱内环境温度控制在22℃、相对湿度70%、CO2浓度500mol?mol-1、光照周期24h(亮)/0h(暗)的条件下,利用红、蓝光LED的4种不同组合作为照明光源,在多孔管和多孔陶瓷颗粒无土栽培装置下进行植物栽培试验,结果表明红蓝光LED组合下的植株生长基本正常,90%红光LED+10%蓝光LED更为适宜。这一结果对太空农业LED的应用也具有重要的参考价值。魏灵玲等(2007)利用红色LED(660nm)+蓝色LED(450nm)进行了黄瓜的育苗试验,结果表明,LED的红蓝光比值(R/B)为7:1时,黄瓜苗的各项生理指标最优,

LED植物照明是生物学、设施园艺学、蔬菜学、植物生理学、植物营养学、生物环境工程、LED照明、智能控制技术等多学科交叉和有机结合发展的产物。所以只擅长半导体、植物、智能化系统之一或两者的都是不够的,充分的协作和交叉研究应用至关重要。进入LED植物照明市场最大的难点是为了研发生产高产优质生态的LED植物光源或灯具,就需要同时解决光环境智能调控、植物光生物学、LED半导体技术三者如何融合与一体的发展问题。

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LED的能耗与荧光灯相比为1:2.73,节能效果显着。到目前为止,LED已成功用于多种植物的栽培试验,包括:莴苣、胡椒、胡瓜、小麦、菠菜、虎头兰、草莓、马铃薯、白鹤芋以及藻类等。上述研究表明,LED作为植物照明光源可以广泛应用于设施栽培、组培培养、植物工厂等众多领域,具有促进植物生长、调节植物形态以及节能环保等多方面优势。

二、植物光生物学是指什么?

2.LED养殖业照明研究进展

研究植物光生物学规律是LED植物照明的重要基础,包括研究光环境的数量属性(光强和光周期)、质量属性(光质和光谱)、电光源发光特性(占空比、频率)等。植物光生物学具有较高的复杂性和系统性。光质是指对生物有作用的光质类型,包括可见光、UV和远红光。光质生物学方面,我们要搞清楚以下问题:第一,光质的生物学功能,研究单一光质及复合光质对植物生长和产量品质影响的生理代谢,分子生物学及蛋白组学机理;第二,植物种类及品种间光质适应性和利用差异性机理;第三,光质与环境其他因子互动的生物学机制;第四,照明设施的光质数量属性有效阈值和基准值。另外,逆境光质生物学的明确弱光、强光及连续光照下光合机构运转效率的响应机理也需要研究。

人工照明是畜禽养殖业尤其是集约化畜禽舍环境控制的重要手段之一,长期以来,养殖业领域使用的人工光源主要有白炽灯、荧光灯等,不仅能耗较大,而且也难以实现针对畜禽的生理需求进行光质调控,影响畜禽生产效率的提高。近年来,随着LED等单色节能光源的出现,国内外学者围绕畜禽对光色、光强与光周期等光环境指标与生长性能的关系进行了深入研究,探明了畜禽对光环境需求的相关参数。通过研究发现,AA肉鸡生长前期采用绿光LED或蓝光LED照射,生长后期采用蓝光LED照射,能显著促进肉鸡的生长发育,提高生产性能;肉鸡生长早期(0-7d)选用绿光LED照明,可不同程度地改善肉鸡小肠黏膜结构,提高小肠对营养物质的吸收能力,从而促进肉鸡生长发育;蓝、绿光LED照明可使视网膜面积、视网膜节细胞(RGCs)总数增加;从视网膜的中央区到周边部,绿光组的RGCs密度梯度下降幅度和蓝光组的RGCs大小梯度增大幅度最明显。也有的学者研究发现,蓝光可在一定程度上抑制肉鸡因注射脂多糖(LPS)刺激引起的体增重下降以及应激激素和细胞因子IL-1水平的升高,并可提高细胞免疫和体液免疫功能。采用绿光LED、蓝光LED及其组合对Anak肉鸡生长影响的研究结果表明,4d后绿光下鸡增重最大,10d后用蓝光下也有进一步促进肉鸡增重的效果。我国学者通过LED光源对种鸡的光色、光强与光周期优化指标的系统研究,确定了调控光色、光强和光周期来改善鸡的生理节律、摄食行为、生长发育、繁殖性能的技术指标体系,消减了诸如禽产品污染(如药物残留、激素残留等)的负面影响,大大提高了鸡的生产潜力。以上这些研究表明,LED在畜牧业中的实际应用是可行的,通过适当的LED光照调节,能够显着促进畜禽生长,提高其免疫力,大大提高畜禽养殖的生产潜力。

三、为什么不同企业同一种植物的光照配方会不一样?

二、LED农业照明应用现状

建立各种植物生长发育、优质高产所需要的光照配方发展LED植物照明产业的基础。光照配方是以优质高产为目标,按照特点植物种类及品种生长发育各阶段所需的光质种类及其数量属性的参数集合。每种植物及不同生长阶段所适宜的光照配方都是不同的。为什么不同企业针对同一种植物的光照配方会不一样,甚至相差很大?这个主要和企业对植物生长目标有一定关系。简单点说,企业根据市场需求和企业自身发展需要,可以降低要求,只需要超过植物生长的最低光照配方需求,对生物生长的其他环境也放宽要求的话,不仅光照配方会不一样,对于环境控制系统也会很不一样。相反,企业也可以严格要求,尽量给植物创造最好的生长环境和条件,这样所研发的光照配方就好。未来随着我国LED植物照明领域相关标准和要求的陆续出台,光照配方讲逐步统一或保持基本条件的一致性。

人工补光与照明是LED农业领域最重要的应用方式,根据动植物发育的不同需求,采用不同波长的单色光组合起来形成农用照明光源,并通过对光强、光质和光周期的灵活调整,实现节能与高效生产,已经成为现代农业的重要应用方向。目前,LED在农业上的应用已经扩展到植物照明、畜禽养殖照明、食用菌生产、微藻繁殖、害虫诱捕、诱鱼等众多领域,前景极为诱人。

四、LED植物生长光源和灯具研发生产需要注意哪些原则?

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