LED植物照明灯具技术发展及应用现状

汤 雄，王 鹏，吕玲玲

（上海亮威照明科技股份有限公司, 上海 200127）

现代农业“光的世纪”已悄然而至[1]。通过植物照明等技术手段，可以有效地在促进植物生长发育的同时提升其品质，植物照明已成为农业重点发展方向之一[1]。荧光灯、金属卤化物灯等是传统的植物照明光源，但其难以满足实际环境中大面积、高精准度的植物照明应用需求[2]。发光二极管（lightemitting diode，LED）具备高光效、易调控、长寿命等优点，已逐渐成为植物照明领域的主流产品[3]。随着LED灯具在植物照明领域的应用越来越广泛，植物照明LED灯具的功能特性和评价指标也越来越科学合理[4]。基于光生物学基本原理和植物光合响应光谱，科研人员和相关从业人员也已提炼出适用于植物照明的植物光子度量学光学评价体系[4-6]。通过先进的封装技术，将多色LED芯片按一定规律封装在一块模板上，通过分块或单独驱动，结合一定的控制理念，可以实现LED灯具的光质、光强和光周期随植物生产周期、外界光照变化等的精准调控，从而满足植物照明领域的多种需求[6]。目前，LED灯具已被广泛应用于家庭种植、温室补光、大田补光和植物工厂等植物照明领域[7]。

1 植物照明灯具重要光生物学参数

植物照明灯具是一种能够为植物提供所需光能的设备。在适用于植物照明的灯具设计中，光量子学参数比光度学以及色度学参数更加精准，从而提供更加精准的照明效果。植物照明灯具的重要光生物学参数主要包括光质、光合光子通量和光合光子通量密度、光能利用效率、植物光周期响应曲线、光合成速率和光子辐射效率。

1.1 光质

通常将光源的光谱分布称为光质[8]。在实际应用中，植物照明灯具的光质通常用其不同光谱的比例来表示，称为光质比。不同光质的光对植物生长起到不同的作用。红、橙光辐射主要通过光敏色素对其的应答反应来调控植物的生长发育[9]。蓝、紫光辐射对植物的化学成分有较强的影响，并可调控植物叶片的光合作用和根系的生长发育[10]。叶绿素对光有2个最强的吸收区：红光部分（波长范围为640～660 nm）和蓝紫光部分（波长范围为430～450 nm），另外在红光区700～750 nm处也有1个吸收区。因此相较于单色光，组合光更适合植物的生长发育。和普通照明灯相比，标称植物光照灯的红蓝色波段辐射率更高[5，11]。类太阳光的全光谱光源很适合植物生长，该类灯具的研发也成为行业热点之一[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）是一个描述照明装置输出能力的物理参数，记作Φp，单位为μmol/s。光合光子通量密度（photosynthetic photon flux density，PPFD）是指接受体单位面积接收到的光合光子通量，记作Ep，单位为μmol ·m-2s-1。可以用PPF和PPFD衡量光源的强度和功率，在选择合适光源和调节光照强度时作为参考[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参数，代表植物吸收的可用光子数与植物生物量的增长之间的比率，单位为g/mol。PUE是描述植物生长速度和光利用效率的重要参数，可以用其评估光源的效率，从而更好地优化光照策略，提高植物生产效率[13]。

1.4 植物光周期响应曲线

植物光周期响应曲线描述了植物对于不同光周期的反应。一般而言，植物被分为长日植物、短日植物和中性植物，其生长发育对应着不同的光周期。长日植物的生长发育需要较长的光周期，一般超过12 h，而短日植物则需要较短的光周期，一般在12 h以下，中性植物则在12 h左右。这个参数对于植物照明灯具的设计和应用非常重要，可以根据植物的种类和所需生长阶段来选择不同的光周期，以促进植物的生长发育和增产[14]。

1.5 光合成速率

光合成速率是指单位时间内植物通过光合作用将二氧化碳转化为有机物质的速率。光合作用是植物进行生长发育和产生能量的重要途径，光合成速率的高低直接影响着植物的生长发育和产量。因此，植物照明灯具的设计需要考虑如何提高光合作用的效率和光合成速率。一些研究表明，在红光和蓝光下光合成速率可能增强，而黄绿光则可能导致光合成速率降低[15]。

1.6 光子辐射效率/光子通量效率

光子辐射效率是评价植物光照灯具的重要指标之一[11]。植物每天受到的辐射量决定着种植成本与种植品质，需要根据实际情况选择符合要求的植物光照灯具[11]。

总的来说，上述光生物学参数对于植物照明灯具的设计和应用都具有重要的意义。在选择光源时需要考虑光谱、光强、光周期等因素，并结合不同植物的需求进行合理的灯具布设，以提高植物的生长发育和产量。

2 LED植物照明灯具技术发展

2.1 LED植物生长光源及灯具

2.1.1 光源光质调控类别

LED光源光色种类丰富，可根据植物生长周期的变化对植物光环境进行精准控制，以满足植物在不同时期对光的不同需求。目前光源方案主要有2种。

（1） 多种单色光组合方案。常见的方案为可调控或不可调控的红光[16]、蓝光[17]、黄光[18]、绿光[19]、远红外光、紫光与紫外光[20]等的组合，波长约为450～730 nm。

（2） 全光谱方案。全光谱LED光源方案主要包括2种，分别是蓝光/紫光芯片（单波长）+荧光粉组合（单色、多色）[21]，以及使用多种芯片复合封装的模式[22-23]。后者使用的芯片复合封装方案包括红+蓝/紫外、红+绿+蓝、白光光源+其他单色光源等，可将常用的芯片按照实际需求进行组合，便于调光调色，波长约为400～800 nm。

2.1.2 LED光源特性

（1） 常用的LED光源封装方式主要包括表面贴装器件（surface mounted devices，SMD）封装（中小功率）、单颗功率型封装（中大功率）、板上芯片（chips on board，COB）封装（多芯片、中大功率）和多芯片集成封装（多芯片、全光谱、大功率）等。单颗封装芯片具有普遍适用性，光谱配比方案简单，成本较低；但其用于线条状的植物灯时，混光不均匀，电路设计复杂，对人眼刺激大，光污染严重。COB封装LED光源，光谱配比科学合理，效率较高；但其成本较高，电路设计和结构设计复杂。多芯片集成封装光源，混光的均匀性好，效率较高，功率密度高，均匀性好；但是其光谱比例固定，不便调整。SMD封装的LED芯片功率一般为0.2～3 W，目前大部分厂商提供的此类商品，其功率多为0.2～0.9 W或1～3 W。COB和集成封装的LED芯片功率最大可达100 W。中小功率LED芯片可通过铝基板和灯体外壳进行散热，而COB和集成封装的LED就需要专用的散热设备，此设备一般是用铝材制作的散热翅片，翅片开口方向沿竖直方向，便于空气流动，利于散热。

2.1.3 LED植物照明灯具的结构

LED植物照明灯具按结构可分为整体式、分列式和组合式；按安装方式可分为悬吊式、吸顶式和侧照式；按形状又可以分为条形、圆形和方形[24]。例如以直条灯管为代表的条形LED植物照明灯、以工矿灯为代表的圆形植物照明灯、以平面面板灯为代表的方形植物照明灯。其中，条形LED植物照明灯在狭长区域可以获得较高的光照度，根据受光面积和不同的植物光照需求可设置单排、双排或多排灯珠，可进行不同波长灯珠的组合排列，目前光子辐射效率可达3 μmol/J，可用于顶部补光和株间补光。圆形LED植物照明灯一般为垂直安装，可在较大区域内获得较高光照度，适用于较大空间的植物工厂等使用，可采用多种安装方式，目前该类灯具光子辐射效率可达2 μmol/J。方形LED植物灯可获得较高的光强，适用于较大型植物，一般采用吸顶或吊装方式，具有安装方便、使用灵活等特点。方形LED植物照明灯包括2类，1类是单体方形灯，另1类是组合式植物灯。单体方形灯主要包括面板灯和大功率模组灯，面板灯一般由SMD或大功率灯珠按一定的红、蓝配比组成的多色阵列；大功率模组灯一般由高功率芯片按一定比例和规律排布进行集成封装，可获得较高的光强。组合式植物灯可由面板灯和大功率模组灯进行进一步组合，以满足植物照明的需求。目前该类灯具光子辐射效率可达2.7 μmol/J。

2.2 LED植物照明灯具设计

为了解决传统的LED光学结构不能满足多色LED灯珠混光混色均匀度的问题，研究者进行了大量的LED植物照明灯具配比排布和二次光学设计等工作。

LED灯珠的配比、距离和排布是影响LED植物照明灯具光照均匀度和强度分布的重要因素。梁依倩等[25]对红、蓝LED阵列型光源进行优化设计，通过对4种不同的LED阵列排布方式的比较，发现交错分布的阵列有利于提高光源阵列光谱的均一性。焦飞宇等[26]提出了LED植物光源高照明均匀度的植物光源系统。明振兴等[27]提出了方形矩阵等阵列排布方式，提高了光照均匀度。

仅对LED植物照明灯珠进行阵列排布，光线没有足够的距离进行耦合，会造成影响光照均匀性。如近距离受照面出现光斑，植物的均衡成长情况会受到影响。因此对LED植物照明灯具进行二次光学设计是非常必要的。靳肖林等[28]、张帅等[29]、赖丽萍等[30]分别设计了加装多根灯管和光纤透镜、棱锥状混光元件、鳞甲透镜等方案，使光照均匀度分别达到90%、91%、93%。近年来，研究者不断通过设计LED植物照明灯具的光学结构，在保证系统光效时，也能提高系统的光照均匀度。陈浩伟等[31]设计了一种具备自由曲面底板结构的LED植物组培灯，其光照均匀度约为80% 。卢允乐等[32]研究了一种倒置光源的植物培养架设计方案，将LED灯珠安置在曲面反射顶面，对LED发出的光线进行进一步均匀分配，照度均匀度为91.64%、混色均匀度为89.73%。

2.3 LED植物照明控制系统

行业内把植物对光质、光周期、光照强度、光照方式等需求的总和称为光配方[33]。简单的、固定式的红蓝LED灯珠组合，很难满足不同植物生长或同一植物不同生长阶段的多种光照需求，需要根据植物的生长情况对光环境进行精准调控。鞠红艳等[34]设计了一种微型植物工厂LED多光谱补光系统，该系统可控制25种不同波长的灯，实现LED光谱自由拟合。程敏等[35]设计了一种可以动态调配光照强度、光周期、光质的LED植物灯，使LED植物灯的相关参数能够依据植物不同的生长需要进行实时调节。

大面积植物补光具有系统性，对植物的调整要根据植物自身以及其生长环境的情况进行。灯光补给系统需要搭配循环系统等其他控制系统共同发挥作用，而且随着科学技术的发展和计算机的广泛应用，智能调控系统逐渐成熟。刘翔[36]设计的优化算法模型可提高设施光环境检测与智能调控系统效率。张海辉等[37]开发了植物自适应精准补光系统，通过精确调控分波长补光量，大大提高了光能利用率。鲍建宇等[38]设计了基于无线网络通信技术的LED植物照明系统、数据采集和远程管理系统，可对种植时的照明情况进行智能调控。

3 应用场景

3.1 家庭栽培

家庭蔬菜栽培满足了消费者对蔬菜的新鲜度高、种类多等需求[18]。其一般是无土栽培和水培的结合，在装置设计上包括灯光补给系统、控制系统、供给系统和灌溉系统等一系列自动化控制系统，可实现对植物生长所需的整体外界环境的实时调节，保证植物正常生长[19]。

3.2 温室大棚

利用智能化的LED补光系统，控制LED补光灯的光照强度和光照频谱等相关参数，可实现对温室大棚的精确补光[20]。通过监控模块和中央智能控制模块，将现代信息通讯系统与补光系统有机结合，温室大棚的智能补光系统通过对光照强度和光照频谱的调整，能够最大化地节约成本，获取最大的经济效益[21]。

3.3 植物工厂

植物工厂是现代新型高效农业形式之一，可精确调控水、光、温、气和肥等，通过取代不稳定的农业环境的方式提高作物种植效率和品质。可通过对植物生长过程进行实验得到相关光配方、环境配方的标准模型，再利用计算机技术，建立起集中化统一的服务模式[39]。

3.4 林下种植

林下光环境的异质性，能够有效地保护林下植物的多样性。在云南的西双版纳，橡胶林下“植物补光系统”大大改善了当地橡胶质量，提高了胶农的收入，并将原本物种较为单一的西双版纳橡胶林变成了物种丰富的种植基地。通过对青海地区林内光环境维持林下植被物种多样性关键因素的研究，发现林内光环境异质性能够直接影响林下植物的物种组成及其多样性[40]。

4 结语

LED灯具可通过对光质、光强和光周期随植物生产周期、外界光照变化等进行精准调控，满足植物照明领域的多种需求。随着光照技术的发展以及光生物学的不断深入和拓展，植物照明技术有望与生态保护、生态修复技术进一步紧密结合，前景十分广阔。