定制植物照明，使用合適的光源讓植物生長大大受益，同時降低能源消耗，從而縮減種植成本。當(dāng)今最高效的照明來自于LED燈具。創(chuàng)新研發(fā)的植物照明LED精準(zhǔn)光譜，使光照更均勻地分布在植物上，進(jìn)一步擴(kuò)展了LED在植物照明中的優(yōu)勢。Cree LED憑借其在高性能LED領(lǐng)域的獨(dú)特地位，一貫致力于植物照明領(lǐng)域的發(fā)展。在討論植物照明LED產(chǎn)品之前，讓我們先了解一些植物照明的背景知識。
植物照明的發(fā)展歷程
根據(jù)專注于照明控制系統(tǒng)的非營利組織DesignLights Consortium (DLC)的調(diào)查顯示，北美對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)食品需求的不斷增長，加上大麻在醫(yī)療和娛樂領(lǐng)域的合法化，以及對彈性供應(yīng)鏈的強(qiáng)烈需求，大力推動了受控環(huán)境農(nóng)業(yè)(CEA)的發(fā)展[1]。
對于這些應(yīng)用，LED燈具比以前使用的金屬鹵素?zé)?/span>、熒光燈，高壓鈉燈(HPS)或霓虹燈，光效更高、通用性更廣泛。這意味著在既定的電力負(fù)荷下，光能利用率更高。此外，植物照明可以根據(jù)不同類型植物的特定需求進(jìn)行定制和優(yōu)化，降低種植成本，種植者獲得更高收益。
憑借精確光譜控制的經(jīng)驗(yàn)，LED技術(shù)開創(chuàng)了CEA照明的新時代。無與倫比的光效水平意味著通過節(jié)能來實(shí)現(xiàn)新的商業(yè)模式。植物照明研究人員一直在積極探索改進(jìn)方案和可行性措施。
研究人員努力改進(jìn)了光譜控制，發(fā)現(xiàn)不同植物對不同類型的照明做出不同的反應(yīng)。一些植物在高光效、窄光譜照明下可茁壯成長，而另一些則需要寬譜照明來使產(chǎn)量最大化。
有研究顯示，單色紅光(R)和藍(lán)光(B)不適合羅勒植物的生長、色素沉積和電子傳輸鏈的生物物理特性[2]。然而，在紫色和綠色羅勒品種中，紅光和藍(lán)光的組合(尤其是70R30B)有利于其生長和色素沉淀，并改善了羅勒植株的熒光參數(shù)。
農(nóng)作物產(chǎn)量提高會一定程度上刺激經(jīng)濟(jì)增長。截至2026年，北美地區(qū)黃瓜、西紅柿、辣椒、綠葉蔬菜和草莓的價值估計(jì)將高達(dá)80億美元[3]。
2021年，溫室種植農(nóng)業(yè)產(chǎn)值僅占北美總產(chǎn)值（50億-60億美元）的20%。因此，投資農(nóng)業(yè)發(fā)展市場的時機(jī)已經(jīng)成熟。
植物照明的獨(dú)特需求
當(dāng)今，大多數(shù)LED器件都是為人類需求設(shè)計(jì)的，根據(jù)人眼對它們的感知來衡量標(biāo)準(zhǔn)的——從廚房里的燈、到電視/手機(jī)屏幕，再到音樂活動現(xiàn)場的顯示屏。然而，植物對光照的反應(yīng)機(jī)制與人眼完全不同。因此通用照明的光波對植物生長不太適宜，同時也會消耗過多的能量，效率低下。
在過去的10年里，許多生產(chǎn)商機(jī)智地開發(fā)了新系統(tǒng)，將人類視覺所提供的LED性能轉(zhuǎn)換為植物照明性能。然而，這種轉(zhuǎn)換實(shí)施起來比較費(fèi)力，結(jié)果也不精確。
隨著植物照明成為LED 一大重要應(yīng)用領(lǐng)域，新的植物照明技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。不同的農(nóng)作物在不同的生長環(huán)境、不同的植物生長周期中，可以使用不同顏色LED或不同顏色LED組合的光照來刺激其生長。
新一代高光效植物照明LED
Photophyll™Select LED是Cree LED在植物照明領(lǐng)域的突破性產(chǎn)品，不同于傳統(tǒng)照明指標(biāo)如色溫（CCT）和顯色指數(shù)（CRI）等，Photophyll™Select LED使用植物照明指標(biāo)來衡量產(chǎn)品性能，例如光合光子通量(PPF)和紅色PPF %，成為首個可以精確控制綠藍(lán)比(GBR)的植物照明LED。
圖1：Cree LED Photophyll™Select LEDs 專為植物照明優(yōu)化光譜圖例
圖1顯示了不同GBR對應(yīng)的光譜圖例。綠色波長(500- 600nm)經(jīng)過優(yōu)化，可分為三個GBR級別，紅色值都已減少到典型的20%紅色PPF。Photophyll™Select LED中的紅色含量最小，可以最大限度地利用高效的660nm Photo red LED，與普通的白光＋紅光方案相比，基于Photophyll™Select LED的白光＋紅光，其系統(tǒng)PPF 與PPF/W值可提高6%左右。
圖2：基于標(biāo)準(zhǔn)LED和Photophyll™ Select LED模組的性能參數(shù)對比
圖2顯示了兩個不同LED燈具的參考性能數(shù)據(jù)對比，一個使用標(biāo)準(zhǔn)LED，另一個使用Photophyll™ Select LED。圖中列出了與植物吸收光能和光譜息息相關(guān)LED的參數(shù)，包括PPF、PPE以及藍(lán)綠比，其中PPF是表明有多少光合有效輻射量(PAR)產(chǎn)生，PPE是衡量燈具的效率。由圖2可以看出，二維設(shè)計(jì)方法減少了復(fù)雜的光譜分析，簡化了植物照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
參考設(shè)計(jì)(如圖3和圖4所示)采用雙通道照明系統(tǒng)，由Photophyll™ Select LED加 660 nm Photo Red LED組成，光效性能提高6%， LED數(shù)量減少33%，從而降低了燈具系統(tǒng)成本，同時在相同的光輸入功率下，保持相同的GBR和紅色比例。Photophyll™ Select LED的更高性能意味著植物照明燈具可獲得以下優(yōu)勢:
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相同LED成本條件下，改善光輸出和光效，提高光照性能
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通過使用更少的LED降低成本，并保持相同的性能(光輸出和光效不變)
圖3：Photophyll™ Select LED 參考設(shè)計(jì)模組示意圖
圖4：Photophyll™ Select LED 參考設(shè)計(jì)燈具實(shí)際安裝效果示例
LED植物照明的持續(xù)創(chuàng)新
Cree LED持續(xù)創(chuàng)新其他植物照明LED產(chǎn)品，除了Photophyll™ Select LED系列，新推出的J Series 系列JB3030C 和 JR5050C 白光LEDs，采用 3030和5050封裝尺寸，光效也屬業(yè)界領(lǐng)先水平。此外，大功率660nm陶瓷XLamp®XP-G3 Photo Red S Line產(chǎn)品電壓更低，光輸出更高，從而光效大大提高。
Cree LED植物照明LED系列也表現(xiàn)出了更高的抗硫性，包括XLamp®XP-G3 S Line白光和Royal Blue產(chǎn)品系列，以及XLamp®XP-E2 Far Red LED。根據(jù)植物生長所需的光譜或波長范圍，Cree LED都能量“植”而制，滿足其需求(見圖5)。
圖5：Cree LED 植物照明系列產(chǎn)品可選光譜分布和波長范圍
Cree LED推出的XLamp®Horizon LED，擁有“蝙蝠翼”發(fā)光角，光源安裝高度降低40%。與標(biāo)準(zhǔn)LED相比，農(nóng)作物密度大大提高，光照更加均勻，同時抗硫性、耐腐蝕性也得到增強(qiáng)。目前XLamp®Horizon LED系列有5個光譜可供選擇：White/Photophyll™ Select/Royal Blue/ Photo Red 和Far Red。