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打开农业未来的一把钥匙——LED植物照明

2019-01-20 23:08 来源:未知

  21 世纪是生态农业的世纪,而物理农业是实现生态农业的主要技术途径之一,在众多的物理技术手段中,光学技术起着至关重要的作用.

  现代农业“光的世纪”已悄然而至,节能、高效光源如LED的研发,也成为了实现人工光设施植物生产发展需要解决的首要问题。

  从2013年起,全球LED应用植物照明的产值开始呈现高速成长,预计2020年将增长至95亿元,年均复合增速超过30%(参照图1)。植物照明作为一块新兴的市场,引来大批国内外巨头开拓。

  图1 2014-2020年全球植物照明市场规模、增速及预测(单位:亿元、%)

  大量的研究表明红光和蓝光是植物生长最重要的两种光谱。植物一般依靠叶片中的叶绿素吸收照射光,其吸收波段一般处于蓝光和红光区域。因此,对于植物照明产品,首先应考量其吸收波段的辐照度,一般为400-500nm蓝光和600-700nm红光波段的辐照度,以及需要确定所选组合植物照明的光谱组成、范围、峰值波长和色温等。

  植物接受光照度不同,将直接影响植物的生长发育和结构特征。随着光照度增大,光合速率将不断上升,直至光饱和点。同时,光照度影响作物的形态结构、花芽分化和果实产量。光照度影响作物的生长发育,其影响程度因作物的种类和特性而不同,因植物对光照度需求的不同,可将植物分为阳生植物、阴生植物及中生植物,这些植物都需要合适的光照度才能良好生长。

  由于LED发光具有较强的方向性,且可能存在空间光色分布不均匀性,因此,在大面积种植场合,还应考察植物受照面上辐射照度均匀性,以获得高质量的均匀照明环境。

  光照度和特定的光谱波长显著地影响着植物的生长发育,同时光周期也对植物的生长发育产生着深远的影响。不仅影响植物的花芽分化、成花诱导和花性分化、植物的休眠,还影响植物的营养生长和生理分化。不同植物对光谱的需求不同,不同生长阶段对光谱的需求也不同,设施农业中的人工补光必须遵循植物的光生理特性,才能达到最佳的补光效果。因此,不仅需要准确测量LED光源的光谱组成,还要能够知悉照度随时间变化的情况。

  2000-2006年, LED植物照明处于技术的萌芽期,每年有零星的专利申请,且专利申请基本位于国外,国内研发较少;

  2007-2012年,LED植物照明处于技术的发展期,全球专利申请呈逐年递增趋势,国内和国外发展势头强劲;

  2013年-至今,LED植物照明处于技术的快速发展期,全球专利申请仍然呈逐年递增趋势,然而这一阶段专利增长主要是由国内申请的增长推动的,一方面由于国内加大了LED植物照明的技术投入,另一方面由于国家出台了一系列知识产权激励政策助推了专利的快速增长。

  LED植物照明相关专利的第一布局国为中国,超过了排名第2至第5位的韩国、美国、日本和德国之和。但是,国内专利布局和国内市场发展并不匹配,目前国内植物照明落后于国际市场,国内市场渗透率低,国内综合型人才缺乏、成本投入高、企业产出率低等问题都制约了LED植物照明的国内市场渗透。

  美国、日本、韩国等国在植物照明上处于领先地位,日本存在国土面积小、人口数量大、资源相对匮乏等问题,而植物照明先进的技术能很好地缓解粮食、能源、土地等资源紧张带来的压力。

  因此,植物照明技术在日本得到了高度重视,政府积极出台扶持政策,对建设植物工厂企业和个人给予50%以上补贴,目前日本拥有的现代化植物照明工厂数量为世界之最。

  LED植物照明相关的专利申请中,主要的IPC(限制到大组)技术分类如表3所示。

  植物组培、叶菜生产、温室补光、植物工厂、育苗工厂、药用植物栽培、食用菌工厂、藻类培养、植物保护、太空果蔬、花卉种植、驱杀蚊虫等。

  下面介绍某款应用于植物工厂的灯泡产品,该款产品预设了7种植物光谱,可以满足生活常见植物不同光照需求。

  该款产品采用了对植物生长影响最大的两个光谱波段(红光波段600nm-700nm和蓝光波段440nm-490nm),以红光为主蓝光为辅,其中蓝光可以促进植物的萌芽,红光可以促进植物的光合作用、萌芽、开花及结果。

  产品采用镂空雕刻型外观设计,光源与电源完全分离,同时具有高透光PC灯罩(参照图4)。

  该产品将LED芯片直接贴在陶瓷上,热量通过空气对流直接散发到环境中,散热性能远高于传统LED灯(LED芯片+PCB+导热胶+铝质散热体)(参见图5)。

  相信在不远的将来,中国农业必然也会走出靠天吃饭和靠化肥增产的阶段,进入物理农业时代,LED植物照明也必定会大放异彩。

  随着植物工厂的不断发展,LED植物照明的市场渗透率将会逐渐提升,未来20年中国将成为世界农业半导体照明技术装备产业及其应用大国和强国。植物照明的LED光源会随着产业的逐步专业化进一步发展,向更加具有针对性的方向前进。

  熟悉的稀土发光材料研发工作,精通材料的合成与制备、材料的结构与性能分析、材料改性

  擅长专利检索分析,包括竞争对手、行业或技术领域、稳定性检索和查新检索、企业数据库建立、分析报告撰写。曾参与企业多起重大项目立项前的专利检索分析,辅助领导决策

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