【研究報(bào)告 | LED照明行業(yè)研究報(bào)告】

　　摘要：隨著全球變暖的不斷加劇，持續(xù)不斷的洪水、干旱正嚴(yán)重威脅著農(nóng)業(yè)種植。民以食為天，需要食物以維持生存的人類將糧食和蔬菜種植到室內(nèi)以保證糧食產(chǎn)量。因此，發(fā)明應(yīng)用于室內(nèi)農(nóng)業(yè)的高效人工照明，彌補(bǔ)惡劣天氣造成的作物歉收，成為人類前進(jìn)道路上的又一研究課題。

　　光是控制植物生長、發(fā)育、光合作用、光形態(tài)發(fā)生和光周期的最重要的環(huán)境因素之一。在過去幾十年中，無機(jī)肥料和農(nóng)藥的濫用導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境遭到破壞，由此影響了全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。因此，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)是保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和生態(tài)環(huán)境健康的必然選擇。基于這一趨勢，室內(nèi)植物栽培因其產(chǎn)量高、生產(chǎn)環(huán)境穩(wěn)定以及不受惡劣天氣條件影響等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。

　　植物照明LED

　　植物照明即燈具模仿太陽光對種植在室內(nèi)的植物進(jìn)行照明從而達(dá)到光合作用，進(jìn)而幫助植物更好地生長。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)不斷快速發(fā)展，對植物照明的能耗以及需求日益嚴(yán)格。較為傳統(tǒng)的植物照明光源主要包括金鹵燈、高壓鈉燈等，然而高壓鈉燈產(chǎn)生的光譜不能真正補(bǔ)充植物照明所需光源;金鹵燈成本又過高。相比之下，新興的由稀土元素?fù)诫s制備的無機(jī)植物照明LED具有質(zhì)量和體積相對較小、能耗較低、壽命較長、亮度高、特定波長和易于脈沖驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為室內(nèi)農(nóng)業(yè)中植物生長的新型人造光源，并且已廣泛用于室內(nèi)植物栽培，以促進(jìn)植物光合作用，控制光形態(tài)反應(yīng)，并增強(qiáng)植物化學(xué)物質(zhì)的分泌。同時(shí)，植物照明LED的使用也標(biāo)志著現(xiàn)有室內(nèi)植物照明的巨大進(jìn)步。

　　植物照明LED主要包括磷光體轉(zhuǎn)換器LED以及藍(lán)色芯片上涂覆各種類型的紅色磷光體的LED。通過對比，研究人員們發(fā)現(xiàn)后磷光體轉(zhuǎn)換器LED需要例如量子點(diǎn)、磷光體等各種類型的顏色轉(zhuǎn)換器，成本高。而通過在藍(lán)色芯片上涂覆各種類型的紅色磷光體而生產(chǎn)的LED更容易制造，且成本較低，光譜較為多樣性。因此，市場上應(yīng)用的這種植物照明LED多為這種復(fù)合材料，其最關(guān)鍵的部分是紅色熒光粉，它決定了植物生長燈的性能，如光譜、發(fā)光效率和壽命。

　　面臨的問題與對策

　　然而，現(xiàn)階段植物照明LED發(fā)展并不完善，應(yīng)用過程中常遇到多種問題。

　　① 裝配模式問題

　　對于通過在藍(lán)色芯片上涂覆各種類型的紅色磷光體而生產(chǎn)的LED，傳統(tǒng)的裝配模式是不合適的，因?yàn)橛袡C(jī)封裝劑很容易因?yàn)楦邷囟l(fā)生而發(fā)生老化，導(dǎo)致發(fā)光性能差。

　　現(xiàn)階段，研究人員們利用玻璃熒光粉(PiG)技術(shù)解決上述困境。PiG材料是熒光粉和玻璃基質(zhì)的復(fù)合物，通過相對低溫?zé)Y(jié)工藝(<1000°C)制備，這種復(fù)合物保持了玻璃基質(zhì)的穩(wěn)定性以及熒光粉的顯著光學(xué)性質(zhì)。PiG技術(shù)適用于植物照明LED需滿足兩個(gè)主要條件：一是擁有穩(wěn)定且可調(diào)節(jié)的發(fā)射;二是可由藍(lán)色或近紫外光有效激發(fā)。摻入合適稀土熒光粉的PiG可呈現(xiàn)出400-480 nm的藍(lán)色發(fā)射以及650-750nm深紅色和遠(yuǎn)紅色發(fā)射，更好地匹配植物生長所需。

　　②LED過熱的問題

　　盡管LED比傳統(tǒng)光源具有許多優(yōu)點(diǎn)，但LED長時(shí)間使用會(huì)出現(xiàn)溫度過高的情況，降低了植物照明LED的性能以及壽命。

　　研究人員們于2011年證明了使用冷卻系統(tǒng)的植物照明LED可以增加光合光子通量分布(PPF)，增加LED燈的照明效率。

　　③植物照明LED光譜調(diào)節(jié)

　　與傳統(tǒng)光源相比，植物照明LED窄帶發(fā)射且功耗低，因此在過去幾年中被認(rèn)為是植物栽培的最佳光源。植物照明LED需要能夠進(jìn)行真正光譜成分控制，使發(fā)射的波長與植物光感受器匹配，從而優(yōu)化植物形態(tài)和組成。

　　眾所周知，遠(yuǎn)紅光(650-750nm)接近葉綠素的吸收峰，在植物的光合作用中起關(guān)鍵作用。然而，植物光敏色素的吸收光譜不僅包括藍(lán)色(~460 nm)和深紅色光(~660 nm)，還包括遠(yuǎn)紅光(~730 nm)。換句話說，遠(yuǎn)紅光在植物生長過程中也起著至關(guān)重要的作用，對植物有重要的陰影避免反應(yīng)。例如：雖然綠色植物在只有深紅色光(~660 nm)照射時(shí)正常生長，但植物在被深紅色光和遠(yuǎn)紅色光(~730 nm)照射時(shí)，植物會(huì)像被光阻擋一樣響應(yīng)另一個(gè)更高的植物，所以植物將更難以突破陰影，導(dǎo)致植物雖然長更高但生物量較少。因此，有效的LED植物照明解決方案應(yīng)同時(shí)提供藍(lán)色，深紅色和遠(yuǎn)紅色光譜范圍，具有特定波長的光源可以有效提高室內(nèi)植物栽培的效率。

　　目前，研究人員們已經(jīng)在研發(fā)帶有藍(lán)色、綠色以及紅色LED的照明系統(tǒng)，用于研究植物的早期生長在基于LED的照明系統(tǒng)中，可以在不使用濾光器的情況下發(fā)射所需的光譜。

　　結(jié)語

　　目前，市場上需求的植物照明LED尤其需要475 ~ 510 nm以及650 ~ 800 nm波段發(fā)光的LED以彌補(bǔ)室內(nèi)植物照明所需光源。植物照明LED已經(jīng)成功運(yùn)用于高架栽培中草藥、蔬菜、花卉生產(chǎn)、幼苗培育、植物工廠等方面。未來的新農(nóng)業(yè)必將利用植物照明LED優(yōu)化農(nóng)作物以及植物的照明系統(tǒng)，提升農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量。