目前，農業照明被應用于微生物類的微藻培養、食用菌種植、禽類養殖、水產養殖、甲殼類寵物的養護，以及應用最廣泛的植物種植，應用的領域類型越來越多。尤其是植物照明，在植物工廠技術推出以后，進入了快速發展的階段。

 

　　一 、植物照明燈的種類

 

　　目前，植物照明燈的種類主要有白熾燈、鹵素燈、熒光燈、高壓鈉燈、LED燈。而LED以其光效高、發熱低、體積小、壽命長等諸多優點，在植物照明領域優勢明顯，植物照明燈也將逐漸以LED照明燈具為主。據智研咨詢發布的報告，預計2020年LED生長燈規模將占植物燈市場的61%，具體的規模比例見圖1。

 

 

 

來源:中國產業信息網、公開資料整理
圖1 預計2020年各種植物生長燈的市場規模和占比

 

 

　　目前，植物照明市場主要集中在在中東、美國、日本、中國、加拿大、荷蘭、越南、俄羅斯、韓國等地區。自2013年以來，全球LED植物照明市場進入快速發展時期。據LEDinside統計，2014年全球LED植物照明市場規模為1億美元，2016年市場規模為5.75億美元，預估至2020年將增長至14.24億美元，年均復合增速超過30%。據智研咨詢集團調研統計，全球植物工廠植物燈市場規模發展迅速，預測至2020年規模高達1912萬平方米。具體發展趨勢如圖2所示:

 

 

 

　　來源:智研咨詢圖2 全球植物照明市場規模趨勢圖

 

　　植物照明市場的前景廣闊，為越來越多的企業所青睞，據不完全統計，2017年，多家企業在植物照明市場有了新的動態。具體如表1所示:

 

 

 

表1:2017 年部分企業在植物照明領域的動態

信息來源:CSA Research整理

 

 

　　植物照明領域，作為近年來發展較快的農業照明領域之一。光主要從兩個方面對植物的生長發育起作用的，一是作為能量，參與植物的光合作用，促進植物能量的積累，二是作為信號調控植物的生長發育，如發芽、開花、莖的生長。從這個角度進行劃分，植物照明可以分為生長類照明與信號類照明，而生長類照明從人工光的使用方式，可以分為全人工光生長燈與補光燈;信號類照明也可以分為催芽燈、花期燈、著色燈等等。從應用的領域來區分，植物照明領域目前主要有育苗(包括組培育苗和種子育苗)、園藝景觀、植物工廠、大棚種植等等。

 

　　從表 1 中可以看到，植物工廠、大棚補光、家庭農場是植物照明應用的主要領域。

 

 

　　植物照明是一個綜合性、跨領域性很強的行業，植物的生長也是一個多因素作用的結果。植物照明用戶關注的技術 需求不僅僅是照明部分的，還包括其他的因素。下文將從兩個角度分析植物照明用戶的技術需求。分別為:(1)從專利的布局角度看技術需求。布局的專利一定程度上反映了企業、科研院所、專家對于技術發展的判斷，從而可以一定程度上反映植物照明用戶技術需求及需求趨勢;(2)從用戶的角度看技術需求。

 

　　1.從專利布局的角度看技術需求

 

　　據周德濤、許毅欽、張濤等人統計，全球在LED植物照明應用領域申請的專利中，前5位IPc技術分類如圖3所示，分別為(1)F21Y101/02:涉及到微型光源，例如發光二極管的發光裝置或照明系統;(2)A01G9/20: 在促成溫床中利用燈光栽培花卉、蔬菜或水稻;(3)F21s2/00:模塊化結構等的非便攜式照明裝置或其系統;

 

 

圖 3 全球在 LED 植物照明應用領域申請的前 5 位專利類型

 

　　(5)A01G7/04:用電或磁處理植物促進其生長。專利布局上來看，微型光源的改良、照明系統改良、系統種植方案、結構模塊化、裝置智能化、系統傻瓜化會是專利的布局的趨勢，很大程度上也反映植物照明用戶的技術需求和趨勢。

 

　　2.從用戶的角度看技術需求

 

　　植物照明用戶對于行業的接受程度，很大程度上影響了行業的發展。而對于植物照明用戶來講，投資成本和使用成本是其重點關注的問題。

 

　　2.1 從LED植物燈燈具成本看技術需求

 

　　LED燈具成本直接關系到用戶的投資成本。雖然，LED燈具的節能優勢，光譜優勢明顯，但相比于其他植物照明燈具的價格，LED燈具價格偏高。以大麻燈為例，同樣600w的燈，高壓鈉燈植物燈整套售價約300元，而LED植物燈大概在2000元左右。以廣東綠愛從2016 年至今的植物燈銷售數據分析，從不同功率的燈具銷售數量比例來看，50w以下的燈具銷售數量占了總數量的68%。大部分新生客戶更愿意從小功率的燈具小規模入手試用。

 

　　在燈具成本中，除了燈的外殼、驅動成本外，燈珠的成本相比于普通燈珠，價格偏貴。以 0.2wd的2835燈珠為例，植物照明燈珠的價格大概為通用照明燈珠的4-7倍。當然，LED燈珠價格趨勢逐年下降，襯底材料、熒光粉等原料以及外延片的價格逐年降低，芯片制造成本隨著生產效率的提升(2英寸片到4英寸片的升級)也有所降低。據智研咨詢發布的報告，如圖4所示，2020年的燈珠成本將降至2015年的40%左右。

 

　　2.2從LED植物燈的使用成本看技術需求

 

　　電力成本與電力績效，基本上是每個植物燈用戶都關心的問題。電力績效是指單位用量的電力投入與產出比。這里的產出是指產量和質量兩個方面。

 

　　2.2.1光

 

　　光作為影響植物生長發育的主要因素之一，光譜、光強、光周期等影響植物的生長發育。而光效則與電力績效密切相關。

 

　　(1)光譜

 

　　波長范圍為 300~800nm的輻射稱為植物的生理有效輻射(physiologically active radiation)，但 UVB(280-320nm)和UVc(220-280nm)波段對植物的生長發育(次生代謝產物的產生)有影響。在植物燈燈珠的波長類型上，歐司朗推出了450nm、660nm、730nm、617nm、623nm、6000k白光燈珠。EDIson推出了390-410nm、415-435nm、450-460nm、520-535nm、585-600nm、620-630nm、660nm和725-745nm波長的燈珠。在單色燈珠上，植物的生理有效輻射波長基本涵蓋，植物燈廠家通過不同燈珠的組合生成不同的適用光譜。但在UV波段的燈珠產品，或基于工藝的原因，或基于成本的原因，還未能像其他波長的燈珠一樣，在植物照明產品中被大量運用。

 

 

 

　　來源:智研咨詢圖
4 LED原材料和工藝的成本趨勢圖

 

　　雖然光譜可以通過單色燈珠的陣列組合，或者是芯片激發熒光粉來實現光譜的多樣化。但是不同的植物種類、不同階段(育苗、營養生長、生殖生長、花期誘導)、不同的運用場景，其需求的光譜都有差異。以綠愛的客戶要求舉例:花期燈的光譜，除了紅藍區域外，在730nm遠紅光波段的含量在光譜的設計范圍內，而且客戶對于節能效果有明確的要求，而這對于光譜的精準性和燈珠的高效性的要求就非常高;組培燈的光譜，在需要保證生長效果的前提下，為了方便及時干凈的處理污染苗，對于組培燈的顯色指數(Ra≥80)有要求;同樣是生長燈，室內用植物燈和大棚補光燈在光質種類和含量有所差異;育苗燈相比于生長燈，光譜設計上則更加注重苗的壯苗指數。

 

　　植物照明用戶的植物種類很多，就綠愛的客戶所提供的作物信息就有紅藜、沙拉生菜類、冰菜、火龍果、百香果、草莓、番茄、青瓜、玫瑰、秋葵、石斛、金線蓮、組培苗類、煙草苗、番薯育苗、秋葵、大麻、多肉植物等。他們對于光譜的區分與認知并不一定是都是專業的，但他們對于種植效果數據都是首要關注的。部分用戶對仿太陽光的植物照明產品很感興趣，認為和太陽光相近的光譜的適用對象會更廣。而這是在光譜的多樣性和精準性未能滿足客戶需求的情況下，客戶以加大能耗做出的妥協。

 

　　(2)光強

 

　　光強對植物生長的影響有兩個點，光的補償點和光的飽和點。對于用戶來說，光的飽和點在生產應用上來講并非一定是最佳的光強，需要考慮植物生長速度，還需要平衡生產的成本。不同的作物，不同的階段對于光強的需求亦有所差別。趙靜，周增產，卜云龍等指出:從植物工廠補光光照強度來說，苗期光照強度應略低，在60~200μmol/(m2·s)，隨后逐漸增大。葉菜最高可至100~200μmol/(m2·s)，果菜可達300~500μmol/(m2·s)。

 

 

表2幾家植物燈燈珠生產商的燈珠光效

 

　　用戶需要植物照明廠家提供一個最佳的光強以及達到這個光強所需要的組合方式和懸掛方式，而這大部分植物照明生產廠家是不具備提供這些技術參考的。

 

　　在光強上，作為信號類的植物燈對于光強的需求明顯低于作為能量的生長燈。作為信號燈，其最適光強遠遠低于生長燈的光強，其作用光強(PPFD)在3-30μmol/m2.s。

 

　　(3)光效

 

　　光效，是電能轉化為光能的能力。光效越高，電力績效越高，電力成本越低。植物照明用戶關注的是整燈光效(單位:μmol/J)。而作為植物燈供應商需要從燈珠光效，燈具的設計上提高植物燈的整燈光效。紅光(660nm)燈珠，市面上的光效高達3.17μmol/J，藍光(450nm)光效在2.5μmol/J左右。而在紫光波段的燈珠光效偏低。混色燈珠的光效最高則在2.5μmol/J左右。

 

　　(4)光的使用方式

 

　　植物照明，代替太陽光，但它是完全可控的。一天的光照時間、光強、光譜變化都是可控的。如何能通過控制光的使用方式來提高電力績效是大部分植物照明用戶都會關注的問題。光合輻射總量(DLI)，是指植物在單位面積(每平方米內)24 小時時間里所積累的光照總量。植物照明用戶，特別是植物工廠用戶，更加關注植物光合輻射總量的“飽和值”，以免造成光能，電能上的浪費。

 

　　2.2.2 系統方案

 

　　高投入、高生產成本的特點，要求植物工廠的作物生產必須高效。有別于傳統種植方式的種植環境，植物工廠的環境因素是完全可控的，這也是植物工廠高效生產的基礎。目前，行業主要從智能化的管理系統、專家化的種植技術、自動化的操作平臺上實現植物工廠的高效生產。

 

　　智能化的管理系統，比如基于物聯網的植物工廠智能化管控技術、基于PLC的植物工廠監控系統、基于嵌入式平臺的植物工廠控制系統。通過這些控制系統實現對植物工廠溫度、濕度、光照、co2濃度以及營養液Ec、pH、Do等要素的在線檢測、遠端訪問、程序更新及網絡化智能管控。

 

　　專家化的種植技術。植物工廠別于傳統的種植方式，無論是其他專業的人、或者傳統農業專業的人、投資或者管理植物工廠，專家化的種植技術需求和指導都是必不可少的。植物的生長發育是風、光、水、養、氣、菌因素互作的結果。目前，在光溫耦合、光溫CO2互作、營養元素的耦合上有研究資料，而更多因素間的互作方案則更加少見。這些系統都是基于生長因素互作的基礎上做的系統設計，但專家方案的形成則需要更多的種植數據支撐。

 

　　為了節省人工成本，自動化的操作系統也是行業關注的重點。徐賽超;毛罕平; 劉洋等設計和實驗了生菜采收末端執行機構;周亞波、毛平平、胡圣亮等人設計和試驗了植物工廠栽培板自動搬運裝置;京鵬環球科技研發的植物工廠自動立體栽培系統。

 

　　2.2.3 其他

 

　　另外，植物照明用戶對于燈具的防水等級、發光角度、散熱系統，燈具壽命，光譜有效壽命、光衰在使用上也有相應的技術需求。

 

 

　　隨著LED照明技術的成熟，LED成本的下降，科研力量和政府政策的介入，眾多企業紛紛從競爭慘烈的通用照明市場轉戰植物照明領域，中國市場也慢慢興起，對于植物照明的技術需求也會越來越明確。

 

　　中國植物照明應用存在的問題?

 

　　產品雜亂，生產設計不規范，銷售光譜缺乏實際驗證，逐漸地降低公眾對于植物照明行業的信任度，減緩植物照明行業市場的拓展和成熟。