ＬＥＤ 植物燈光譜技術基礎應用

ＬＥＤ 植物燈光譜技術基礎應用

光的研究基礎是光譜，光的應用品質需要光譜分析，LED植物燈的光譜尤為重要，製造商對植物燈光譜的設計能力決定其市場競地位，LED植物燈光譜需要根據種植工藝專門設計而不能去仿製。

植物工廠是跨界產品，我們把植物工廠技術分為種植設備技術與種植工藝技術，植物燈光譜技術是種植設備與種植工藝的重要關聯點，需要明確的一點是種植工藝決定光譜設計，對植物燈的設計與製造是保證種植工藝所要求的光質能達到最佳效率，植物燈的這些特點決定了植物光譜設計具有複雜性和多樣性。

一、光譜的非視覺應用

光譜應用分視覺應用和非視覺應用，照明屬於視覺應用，植物光照屬於非視覺應用，視覺應用與非視覺應用就光譜本身的物理量綱都不相同，然而，目前仍然看到許多植物燈採用照明單位標註參數，這個會導致應用混亂的參數標註可能來源於「植物照明」的提法。

對植物光合作用的光譜研究實質是以波長為定義域的光輻射功率或光量子的分布形態與量值（光質）分析，這個分析是通過光譜數據和光譜圖實現的。

1.太陽光光譜

植物種植需要研究太陽光譜，地面上測試的太陽光譜屬於吸收光譜，標準的太陽光譜如圖AM1.5G（G173-03）所示，由於地理位置與季節不同，在地面測試到的光譜輻射量會有不同，但光譜的形態相同。

植物的光合作用，通常的理論是研究波長400nm-700nm範圍，把波長限制在這個範圍的AM1.5G（下圖）可以看出，光譜形態接近矩形。

為了提供人造光源的光譜設計參考，我們給出波長350-850nm範圍的AM1.5G圖供參考。

太陽光光譜對植物燈光譜設計有重要的參考作用，但不具備依賴性，試圖仿製太陽光光譜到植物燈，是一種徒勞而沒有效率的做法。

AM1.5G在400-700nm波長範圍內的紅光、綠光、藍光輻射比例為：

紅光佔32.62%，綠光佔35.38%，藍光佔32.69%。

分析某個種植地區的太陽光對本地區種植很重要，應該在當地通過專業儀器實際測量，這樣能準確分析。下圖是佛山南海2013年9月的相對光譜圖。

這個光譜圖在400-700nm波長範圍內的紅光、綠光、藍光輻射比例為：

紅光佔28.7%，綠光佔36.58%，藍光佔35.43%。

可以看出，地理位置的不同，光譜中紅綠藍成分有差別，這對太陽光型和混合型植物工廠的設計影響較大。

準確的分析當地的太陽光光譜，可以給太陽光型和混合型植物工廠的種植工藝提供科學的光合量參考，可以正確地提供補光燈的選用依據，對於太陽光型植物工廠，準確的光譜分析更加有利於SPA的方式。

需要注意的是太陽光譜與人造光源的光譜分析量綱有所不同，太陽光光譜適合採用輻射量綱描述，人造光源適合採用光量子量綱描述，關於這個問題，後續有專門的文章介紹。

2、LED光源的光譜與極限參數

把LED植物燈的光譜作為重點討論，是因為LED光源的光譜可以根據種植工藝要求進行設計，同時，LED光源的光譜通過調光技術可以實現可變光譜的控制，LED光源是目前唯一可以實現可變光譜的植物燈光源，植物燈可變光譜的技術主要是針對光形態控制，在節能方面作用不大，普通植物燈通過光周期的調整也是可以節能，可變光譜的應用成本會提高很多。

?根據LED的光譜形態可以推算最高的PPF

LED光源的光譜形態如下表所示：

植物燈光譜形態確定後，對應於這種光譜形態的最高YPF或PPF就可以計算出來，這對評估LED植物燈的應用非常重要，也是LED植物燈與其他類型的植物燈性能比較的主要方法，可以參考我們製作的下表：

目前的LED封裝技術批量供貨的最高輻射效率低於40%。

光源輻射效率 = （輻射功率/電功率）×100%

?LED植物燈的光譜設計體現製造商的品質能力

LED植物燈的光譜設計是對種植工藝要求的設備支持能力，關係到植物燈製造商的市場競爭力，是衡量製造商技術與工藝的主要特徵，植物燈的光譜設計體現出製造商對LED晶元與封裝的選擇，植物燈光譜分析與計算能力，燈具的配光設計，光量子場均勻度把控，驅動技術，散熱技術，產品可靠性控制，安裝結構設計等的綜合製造水平，標誌著製造商的產品在市場的技術實力，應用上述幾方面的內容去評估植物燈產品可以減小投資風險和採購風險。

二、LED植物燈的光譜設計要點

LED植物燈的光譜設計是針對種植工藝要求的技術表達能力，體現製造廠的製造資格。

1、 植物燈製造工藝影響PPFD值

通常，種植工藝需要提出基於某種光質的日輻射量，或者是種植面的PPFD值（有些種植工藝要求YPFD值）與光周期，日輻射量決定PPFD值與光周期，設計者根據PPFD值計算出LED光源的PPF值（或者YPF值），再進行光譜設計；這裡需要注意的是，在相同的光源PPF值下，不同的配光設計，散熱設計，驅動設計導致PPFD值有明顯的差別，製造工藝對植物燈的電能利用效率影響較大，這個影響可以用每瓦電功率的PPF值和PPFD值衡量，這個值越高越好。

對於LED光源：PPF/w，對於種植面：PPFD/w，對比相同光譜形態的植物燈的這兩個指標，可以評估製造商的製造工藝水平。

2、植物燈光譜沒有最好只有最合適

因為LED植物燈的光譜是可以設計的，LED植物燈的光譜才表現出多樣性，每種植物燈光譜都被設計者廣告為最好，在這裡我們強調一點，光譜沒有最好，只有最合適某種種植工藝，企圖把LED光譜做到通用並非是好的設計思路，兼容性高的光譜設計是以犧牲種植效率和浪費電能為代價。

3、注重輻射面的輻射場均勻度

對於多種單波長燈珠組合的植物燈光譜，多種輻射混合後在輻射面的均勻度需要考量，主要是燈珠的排布、配光設計、燈具的安裝高度等；輻射場的均勻度影響光合效率，對於層架結構的立體種植，盡量採用朗柏配光，對於有加透鏡的溫室補光植物燈，輻射場的均勻度更加需要注意，需要明確的是通過增加安裝高度去改善輻射面均勻度的結果是以距離的2次方速率降低PPFD值。

4、注重植物燈的燈具效率

植物燈的燈具效率是燈具的PPF值與光源的PPF值之比，這個值小於1，與二次光學的配光設計有關，LED植物燈燈具效率通常在0.9-0.5之間，燈具效率影響植物燈的耗能指標與種植效率，採用透鏡設計的植物燈燈具效率不會超過0.8。

5、關於植物燈光譜的加權

植物燈光譜加權（RQE）可以更好的解決植物吸收效率與能耗這個矛盾，與照明的視效函數作用相同的是植物的吸收效率函數（也稱作用曲線），有些植物燈的光譜加權是採用莫克利曲線（圖1）或日本傾向的在莫克利曲線基礎上增加植物品種的修正曲線（圖2），這裡需要注意的是，莫克利研究時不是採用的LED光源，同時，莫克利的研究是低輻射量和少數幾個品種的室內室外綜合種植數據歸納，儘管日本的修正曲線增加了植物品種，但上述問題仍然存在，對比德國工業標準，他們的權重卻是在藍光，我們認為，這些加權對於LED光源並非完全適合，我們針對LED光源做的光譜V加權（略）也僅是個思路，光譜如何加權仍然是各國研究的努力方向。

6、關於光譜配比

至今，許多植物燈在談論光譜配比時，仍然採用各種光譜的燈珠比來描述，由於燈珠比無法體現輻射量，這個問題需要了解LED晶元供貨規格，LED晶元是按照相同晶元尺寸的輻射功率大小來劃分等級與供貨，按照燈珠比提供的LED光譜可能會有30%的配比偏差，這也是相同產品的不同批次種植效果有差別的原因之一，正確的光譜配比是按照PAR的波長範圍對RGB波段進行輻射功率比，這樣提供的產品才會有數據依據，下面是我們對某產品進行的數據分析供大家參考。

7、需要加有UV與IR波段的光譜

增加UV與IR段的光譜，其種植工藝主要是對植物的光形態控制，對於增加了UV段和IR段的LED植物燈，在UV與IR段不宜採用微摩爾量表達，而是採用輻射參數表達，同時提供PPF和YPF值，否則，無法正確表達種植工藝提出的UV與IR輻射要求。

三、明確種植工藝決定植物燈光譜設計

植物燈的設計依據是種植工藝，如生菜的日輻射量過大，會導致生理障礙性鈣缺乏，也有可能會發生光抑制，合理的日光合量設定很重要，種植工藝包括：植物光合作用的日輻射量和種植周期的輻射總量、植物品種與種源以及是否LDP或SDP，種植方法與基質、種植環境與控制等；對於與種植緊密聯繫的植物燈光譜形態和日輻射量首先是由種植品種的種植工藝確定，我們的設計規範中，我們採用的是種植工藝專家系統，系統中的植物種植的日輻射量決定PPFD與光周期，PPFD決定PPF，PPF決定植物燈設計與工藝，PPFD決定燈具安裝高度與數量，PPFD還決定通風量與二氧化碳的補充，這些參數都可以通過計算得出，通過輻射總量可以推算出種植成本；這裡可以看出，光譜形態與輻射量（光質）首先需要確定在什麼環境下用什麼方法來種植什麼品種才能正確設計LED植物燈的光譜，植物種植工藝是把農業種植與工業控制緊密聯繫的內在因素，因此，植物燈的光譜設計依據只能來源於種植工藝要求。

1、混合式的溫室補光

對於採用太陽光與補光燈結合方式的溫室種植和混合式的植物工廠，準確的做法是需要做自然光的輻射場光譜分析，確定補光量，對於沒有條件進行光譜分析的場地，可以測試照度值的平均值，把照度的平均值除以55，就可以得出太陽光下種植面的PPFD值，用這個值確定植物燈的補光量，這個簡單方法對於項目規劃和成本核算非常有用，混合式的溫室補光可以減少或者不用綠光波段，是否需要綠光輻射補充需要通過測試太陽直射和散射光的綠光輻射量來決定，關於綠光輻射對植物種植的作用機理，我們會做作專題介紹。

2、完全人工環境下的光譜

在完全人工環境下的種植，儘管紅藍波段的光照對葉菜類的種植有明顯的效果，但水培蔬菜的口感仍然是提高蔬菜品質的關鍵，我們建議採用白光加紅光的光譜，完全人工環境下的光譜設計，需要綜合考慮二氧化碳濃度，通風量，環境溫度，基質或營養液的控制，層架結構設計等因素，許多層架式立體種植為了增加種植層數，盡量降低營養液槽高度，這種方法會降低營養液的均衡性，影響光譜的吸收效率，完全人工環境下的光譜設計重要目標是種植的品質控制，只是完成植物生長過程的種植是沒有市場競爭力的。

四、關於全光譜

有些LED植物燈標稱是全光譜，可能是想表述其光譜成分豐富，這裡有一個關鍵的概念，那就是全光譜的「全」是如何定義的，是由誰來定義的，波長範圍到底多寬才能稱之為「全」，儘管太陽光的光譜是最全的，在研究太陽光照下植物光合作用的時候，PAR值也只是在400nm-700nm範圍來描述，許多標稱全光譜的LED植物燈加有UV和IR部分波段，但還是用PPFD表達參數，由於PPFD並不描述UV與IR的輻射量，這種全光譜植物燈的參數描述表現出低級錯誤，我們認為，植物燈的波長範圍只是光譜吸收效率函數的定義域，而不是吸收效率函數的值域，光譜的吸收效率才是衡量光合作用效果的指標，把寬波段範圍或者多波段的光譜稱為全光譜，不能代表植物燈的有效性和兼容性，用全光譜表述植物燈不嚴謹，往往會誤導種植者的應用；光譜的波長定義域範圍的設定仍然與種植工藝相關，是種植工藝決定光譜設計的定義域，而不是基於光譜下的種植，植物燈與植物工廠是跨界產品，有些現象是工業人忙著研究種植，農業人忙著研究光譜，知識延伸只是為了溝通和理解，光譜設計的專業合作與專業分工更加有助於產業快速提升。

五、植物燈光譜研究的複雜性

就LED光源來說，相同的PPFD值，光譜形態可以不同；相同的PPFD，二次光學設計需要的光源ppf值也不同；相同的ppf值，燈具的效率不同，PPFD值也不同；ppfd相同，光譜的形態沒有做對，種植效率也不同；即便上面的條件相同，植物的種源不同，生長環境與基質不同，種植效果也不同；此外，相同的LED植物燈還受到二氧化碳濃度、通風量、溫度控制等環境因素影響種植效果，在種植效率與品質符合種植工藝要求下，植物燈最需要製造工藝來保證能耗指標降到最低，這一點是非常重要的，光譜研究的複雜性表現出目前植物燈的多樣性，由於目前沒有評估標準，市場上的植物燈才百花齊放，百家爭名。

六、通過與專業技術合作才是提升產業的最好方式

植物燈涉及的技術範疇很廣，屬於跨界產品，無論資金多麼雄厚，從開發成本考量，也難於集多學科人才為一體，企業需要從自身的條件出發，解決技術與成本問題，更重要的是解決產品售後技術支持問題，對於跨界產品，成熟的經驗是走合作開發的道路；農業人研究好種植工藝，這個是植物燈與植物工廠成敗的關鍵，工業人做好符合種植工藝要求的設備，這個影響種植成本與經濟效益，專業合作才能推動人工環境可控的新型農業種植的快速發展；思路正確才有機遇。

植物燈與照明燈不同，照明產品的應用對象是終端客戶，可以用概念與前瞻去營銷，而植物燈僅僅是農業種植的工具，是否有效果不是靠宣傳可以描述的，需要實際應用才能檢驗，植物燈的應用是否能達到預期的效果，不僅是植物燈本身的問題，還關聯其他技術因素很多，需要提供合理的技術解決方案，植物燈的營銷屬於技術支持為主要手段的產品營銷，成功的案例往往體現的是成功的技術服務，在沒有技術標準的現在，提供技術解決方案至關重要，企業需要認真面對。

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