LED植物照明燈具技術發展及應用現狀

湯 雄，王 鵬，呂玲玲

（上海亮威照明科技股份有限公司, 上海 200127）

現代農業“光的世紀”已悄然而至[1]。通過植物照明等技術手段，可以有效地在促進植物生長發育的同時提升其品質，植物照明已成為農業重點發展方向之一[1]。熒光燈、金屬鹵化物燈等是傳統的植物照明光源，但其難以滿足實際環境中大面積、高精準度的植物照明應用需求[2]。發光二極管（lightemitting diode，LED）具備高光效、易調控、長壽命等優點，已逐漸成為植物照明領域的主流產品[3]。隨著LED燈具在植物照明領域的應用越來越廣泛，植物照明LED燈具的功能特性和評價指標也越來越科學合理[4]。基于光生物學基本原理和植物光合響應光譜，科研人員和相關從業人員也已提煉出適用于植物照明的植物光子度量學光學評價體系[4-6]。通過先進的封裝技術，將多色LED芯片按一定規律封裝在一塊模板上，通過分塊或單獨驅動，結合一定的控制理念，可以實現LED燈具的光質、光強和光周期隨植物生產周期、外界光照變化等的精準調控，從而滿足植物照明領域的多種需求[6]。目前，LED燈具已被廣泛應用于家庭種植、溫室補光、大田補光和植物工廠等植物照明領域[7]。

1 植物照明燈具重要光生物學參數

植物照明燈具是一種能夠為植物提供所需光能的設備。在適用于植物照明的燈具設計中，光量子學參數比光度學以及色度學參數更加精準，從而提供更加精準的照明效果。植物照明燈具的重要光生物學參數主要包括光質、光合光子通量和光合光子通量密度、光能利用效率、植物光周期響應曲線、光合成速率和光子輻射效率。

1.1 光質

通常將光源的光譜分布稱為光質[8]。在實際應用中，植物照明燈具的光質通常用其不同光譜的比例來表示，稱為光質比。不同光質的光對植物生長起到不同的作用。紅、橙光輻射主要通過光敏色素對其的應答反應來調控植物的生長發育[9]。藍、紫光輻射對植物的化學成分有較強的影響，并可調控植物葉片的光合作用和根系的生長發育[10]。葉綠素對光有2個最強的吸收區：紅光部分（波長范圍為640～660 nm）和藍紫光部分（波長范圍為430～450 nm），另外在紅光區700～750 nm處也有1個吸收區。因此相較于單色光，組合光更適合植物的生長發育。和普通照明燈相比，標稱植物光照燈的紅藍色波段輻射率更高[5，11]。類太陽光的全光譜光源很適合植物生長，該類燈具的研發也成為行業熱點之一[12]。

1.2 光合光子通量和光合光子通量密度

光合光子通量（photosynthetic photon flux，PPF）是一個描述照明裝置輸出能力的物理參數，記作Φp，單位為μmol/s。光合光子通量密度（photosynthetic photon flux density，PPFD）是指接受體單位面積接收到的光合光子通量，記作Ep，單位為μmol ·m-2s-1。可以用PPF和PPFD衡量光源的強度和功率，在選擇合適光源和調節光照強度時作為參考[11]。

1.3 光能利用效率

光能利用效率（photosynthetic use efficiency，PUE）是描述光能被植物利用效率的參數，代表植物吸收的可用光子數與植物生物量的增長之間的比率，單位為g/mol。PUE是描述植物生長速度和光利用效率的重要參數，可以用其評估光源的效率，從而更好地優化光照策略，提高植物生產效率[13]。

1.4 植物光周期響應曲線

植物光周期響應曲線描述了植物對于不同光周期的反應。一般而言，植物被分為長日植物、短日植物和中性植物，其生長發育對應著不同的光周期。長日植物的生長發育需要較長的光周期，一般超過12 h，而短日植物則需要較短的光周期，一般在12 h以下，中性植物則在12 h左右。這個參數對于植物照明燈具的設計和應用非常重要，可以根據植物的種類和所需生長階段來選擇不同的光周期，以促進植物的生長發育和增產[14]。

1.5 光合成速率

光合成速率是指單位時間內植物通過光合作用將二氧化碳轉化為有機物質的速率。光合作用是植物進行生長發育和產生能量的重要途徑，光合成速率的高低直接影響著植物的生長發育和產量。因此，植物照明燈具的設計需要考慮如何提高光合作用的效率和光合成速率。一些研究表明，在紅光和藍光下光合成速率可能增強，而黃綠光則可能導致光合成速率降低[15]。

1.6 光子輻射效率/光子通量效率

光子輻射效率是評價植物光照燈具的重要指標之一[11]。植物每天受到的輻射量決定著種植成本與種植品質，需要根據實際情況選擇符合要求的植物光照燈具[11]。

總的來說，上述光生物學參數對于植物照明燈具的設計和應用都具有重要的意義。在選擇光源時需要考慮光譜、光強、光周期等因素，并結合不同植物的需求進行合理的燈具布設，以提高植物的生長發育和產量。

2 LED植物照明燈具技術發展

2.1 LED植物生長光源及燈具

2.1.1 光源光質調控類別

LED光源光色種類豐富，可根據植物生長周期的變化對植物光環境進行精準控制，以滿足植物在不同時期對光的不同需求。目前光源方案主要有2種。

（1） 多種單色光組合方案。常見的方案為可調控或不可調控的紅光[16]、藍光[17]、黃光[18]、綠光[19]、遠紅外光、紫光與紫外光[20]等的組合，波長約為450～730 nm。

（2） 全光譜方案。全光譜LED光源方案主要包括2種，分別是藍光/紫光芯片（單波長）+熒光粉組合（單色、多色）[21]，以及使用多種芯片復合封裝的模式[22-23]。后者使用的芯片復合封裝方案包括紅+藍/紫外、紅+綠+藍、白光光源+其他單色光源等，可將常用的芯片按照實際需求進行組合，便于調光調色，波長約為400～800 nm。

2.1.2 LED光源特性

（1） 常用的LED光源封裝方式主要包括表面貼裝器件（surface mounted devices，SMD）封裝（中小功率）、單顆功率型封裝（中大功率）、板上芯片（chips on board，COB）封裝（多芯片、中大功率）和多芯片集成封裝（多芯片、全光譜、大功率）等。單顆封裝芯片具有普遍適用性，光譜配比方案簡單，成本較低；但其用于線條狀的植物燈時，混光不均勻，電路設計復雜，對人眼刺激大，光污染嚴重。COB封裝LED光源，光譜配比科學合理，效率較高；但其成本較高，電路設計和結構設計復雜。多芯片集成封裝光源，混光的均勻性好，效率較高，功率密度高，均勻性好；但是其光譜比例固定，不便調整。SMD封裝的LED芯片功率一般為0.2～3 W，目前大部分廠商提供的此類商品，其功率多為0.2～0.9 W或1～3 W。COB和集成封裝的LED芯片功率最大可達100 W。中小功率LED芯片可通過鋁基板和燈體外殼進行散熱，而COB和集成封裝的LED就需要專用的散熱設備，此設備一般是用鋁材制作的散熱翅片，翅片開口方向沿豎直方向，便于空氣流動，利于散熱。

2.1.3 LED植物照明燈具的結構

LED植物照明燈具按結構可分為整體式、分列式和組合式；按安裝方式可分為懸吊式、吸頂式和側照式；按形狀又可以分為條形、圓形和方形[24]。例如以直條燈管為代表的條形LED植物照明燈、以工礦燈為代表的圓形植物照明燈、以平面面板燈為代表的方形植物照明燈。其中，條形LED植物照明燈在狹長區域可以獲得較高的光照度，根據受光面積和不同的植物光照需求可設置單排、雙排或多排燈珠，可進行不同波長燈珠的組合排列，目前光子輻射效率可達3 μmol/J，可用于頂部補光和株間補光。圓形LED植物照明燈一般為垂直安裝，可在較大區域內獲得較高光照度，適用于較大空間的植物工廠等使用，可采用多種安裝方式，目前該類燈具光子輻射效率可達2 μmol/J。方形LED植物燈可獲得較高的光強，適用于較大型植物，一般采用吸頂或吊裝方式，具有安裝方便、使用靈活等特點。方形LED植物照明燈包括2類，1類是單體方形燈，另1類是組合式植物燈。單體方形燈主要包括面板燈和大功率模組燈，面板燈一般由SMD或大功率燈珠按一定的紅、藍配比組成的多色陣列；大功率模組燈一般由高功率芯片按一定比例和規律排布進行集成封裝，可獲得較高的光強。組合式植物燈可由面板燈和大功率模組燈進行進一步組合，以滿足植物照明的需求。目前該類燈具光子輻射效率可達2.7 μmol/J。

2.2 LED植物照明燈具設計

為了解決傳統的LED光學結構不能滿足多色LED燈珠混光混色均勻度的問題，研究者進行了大量的LED植物照明燈具配比排布和二次光學設計等工作。

LED燈珠的配比、距離和排布是影響LED植物照明燈具光照均勻度和強度分布的重要因素。梁依倩等[25]對紅、藍LED陣列型光源進行優化設計，通過對4種不同的LED陣列排布方式的比較，發現交錯分布的陣列有利于提高光源陣列光譜的均一性。焦飛宇等[26]提出了LED植物光源高照明均勻度的植物光源系統。明振興等[27]提出了方形矩陣等陣列排布方式，提高了光照均勻度。

僅對LED植物照明燈珠進行陣列排布，光線沒有足夠的距離進行耦合，會造成影響光照均勻性。如近距離受照面出現光斑，植物的均衡成長情況會受到影響。因此對LED植物照明燈具進行二次光學設計是非常必要的。靳肖林等[28]、張帥等[29]、賴麗萍等[30]分別設計了加裝多根燈管和光纖透鏡、棱錐狀混光元件、鱗甲透鏡等方案，使光照均勻度分別達到90%、91%、93%。近年來，研究者不斷通過設計LED植物照明燈具的光學結構，在保證系統光效時，也能提高系統的光照均勻度。陳浩偉等[31]設計了一種具備自由曲面底板結構的LED植物組培燈，其光照均勻度約為80% 。盧允樂等[32]研究了一種倒置光源的植物培養架設計方案，將LED燈珠安置在曲面反射頂面，對LED發出的光線進行進一步均勻分配，照度均勻度為91.64%、混色均勻度為89.73%。

2.3 LED植物照明控制系統

行業內把植物對光質、光周期、光照強度、光照方式等需求的總和稱為光配方[33]。簡單的、固定式的紅藍LED燈珠組合，很難滿足不同植物生長或同一植物不同生長階段的多種光照需求，需要根據植物的生長情況對光環境進行精準調控。鞠紅艷等[34]設計了一種微型植物工廠LED多光譜補光系統，該系統可控制25種不同波長的燈，實現LED光譜自由擬合。程敏等[35]設計了一種可以動態調配光照強度、光周期、光質的LED植物燈，使LED植物燈的相關參數能夠依據植物不同的生長需要進行實時調節。

大面積植物補光具有系統性，對植物的調整要根據植物自身以及其生長環境的情況進行。燈光補給系統需要搭配循環系統等其他控制系統共同發揮作用，而且隨著科學技術的發展和計算機的廣泛應用，智能調控系統逐漸成熟。劉翔[36]設計的優化算法模型可提高設施光環境檢測與智能調控系統效率。張海輝等[37]開發了植物自適應精準補光系統，通過精確調控分波長補光量，大大提高了光能利用率。鮑建宇等[38]設計了基于無線網絡通信技術的LED植物照明系統、數據采集和遠程管理系統，可對種植時的照明情況進行智能調控。

3 應用場景

3.1 家庭栽培

家庭蔬菜栽培滿足了消費者對蔬菜的新鮮度高、種類多等需求[18]。其一般是無土栽培和水培的結合，在裝置設計上包括燈光補給系統、控制系統、供給系統和灌溉系統等一系列自動化控制系統，可實現對植物生長所需的整體外界環境的實時調節，保證植物正常生長[19]。

3.2 溫室大棚

利用智能化的LED補光系統，控制LED補光燈的光照強度和光照頻譜等相關參數，可實現對溫室大棚的精確補光[20]。通過監控模塊和中央智能控制模塊，將現代信息通訊系統與補光系統有機結合，溫室大棚的智能補光系統通過對光照強度和光照頻譜的調整，能夠最大化地節約成本，獲取最大的經濟效益[21]。

3.3 植物工廠

植物工廠是現代新型高效農業形式之一，可精確調控水、光、溫、氣和肥等，通過取代不穩定的農業環境的方式提高作物種植效率和品質。可通過對植物生長過程進行實驗得到相關光配方、環境配方的標準模型，再利用計算機技術，建立起集中化統一的服務模式[39]。

3.4 林下種植

林下光環境的異質性，能夠有效地保護林下植物的多樣性。在云南的西雙版納，橡膠林下“植物補光系統”大大改善了當地橡膠質量，提高了膠農的收入，并將原本物種較為單一的西雙版納橡膠林變成了物種豐富的種植基地。通過對青海地區林內光環境維持林下植被物種多樣性關鍵因素的研究，發現林內光環境異質性能夠直接影響林下植物的物種組成及其多樣性[40]。

4 結語

LED燈具可通過對光質、光強和光周期隨植物生產周期、外界光照變化等進行精準調控，滿足植物照明領域的多種需求。隨著光照技術的發展以及光生物學的不斷深入和拓展，植物照明技術有望與生態保護、生態修復技術進一步緊密結合，前景十分廣闊。