LED農業(yè)照明

科技部在深圳會展中心組織"十一五"國家863計劃半導體照明重大項目科技成果匯報展，全面展示"十一五"863計劃半導體照明重大項目取得的成果和科技創(chuàng)新成就?？萍疾扛辈块L曹健林親臨展會視察。

應科技部邀請，南京農業(yè)大學農學院徐志剛教授承擔的863計劃項目"半導體照明光源在植物組培中的應用研究"到會參展。南京農業(yè)大學展示的"LED植物組培燈"、"LED植物燈"、"LED智能生物培養(yǎng)箱"和"LED植物培育智能光控系統(tǒng)"等系列研究成果受到產業(yè)界廣泛關注，多家上市公司表達了合作研發(fā)意愿。曹健林在南京農業(yè)大學展位前駐足視察，聽取了南京農業(yè)大學承擔的863項目科研成果介紹，給予了熱情的鼓勵和稱贊。半導體照明重大項目首席專家、中科院半導體所所長李晉閩陪同視察。

在國家"十一五"863高技術研究計劃中，科技部創(chuàng)新性的開啟了LED在農業(yè)領域應用的研究進程，經過競爭答辯，南京農業(yè)大學成功獲得863課題立項和資助，這是"十一五"期間唯一得到國家立項的農業(yè)照明類課題。基于5年多的成果積累和組培室特征，該項目組通過優(yōu)化光譜能量參數(shù)、制造工藝和外形設計，研制出的LED組培燈，具有高效、節(jié)能、長壽命和安裝便捷的特征。

人工補光和照明是LED農業(yè)領域最重要的應用方式，根據動植物發(fā)育的不同需求，采用不同波長的單色光組合起來作為人工光源，并具有光照強度、照射頻率以及不同時間間隔靈活可調的特性,已經在生產中得到一定的推廣應用。LED光源的產品可根據生產需要和應用場合的不同，設計出不同的類型，據了解，應用較廣的有LED圓頭燈、LED光源板、LED燈管、LED柔性燈帶等。

市場上已經有大量的LED植物照明產品，但在畜牧養(yǎng)殖業(yè)中，LED照明燈具產品相對偏少。2010年2月,在亞特蘭大國際禽內養(yǎng)殖設備展上，ONCE公司AGRISHIFTTM推出漸變式禽類養(yǎng)殖LED燈，該LED采用定時器來實現(xiàn)光周期的控制，比較簡易，但不太符合不同禽類及不同生長階段對光色、光強和光周期的需要，畜牧養(yǎng)殖業(yè)的LED專用產品有待進一步開發(fā)。

國內的農業(yè)照明燈具用途與產品類型和國外基本相同，主要包括LED植物生長燈(LED圓頭燈、LED光源板、LED燈管、LED柔性燈帶)、LED農業(yè)害蟲誘捕燈、LED誘魚燈、LED畜禽場照明燈等。

與家居照明燈具比較而言，目前國內的LED農用照明燈具存在著產品雜亂，生產設計不規(guī)范，缺乏統(tǒng)一的產品標準和質量管理等問題。以目前應用市場最大的植物照明燈具為例，盡管都根據植物的需求選擇了以紅光和藍光為主的LED燈珠配置，但是在光質調節(jié)、光照強度設計方面缺乏科學統(tǒng)一的規(guī)范，更缺乏針對植物照明特殊的高溫、高濕環(huán)境所進行的防水、防電及耐腐蝕設計，從而造成了一些植物生長燈產品存在安全隱患，使用壽命也不長。

隨著LED應用逐漸向生物、醫(yī)療、健康等領域發(fā)展，LED在植物生長領域應用的巨大市場潛力已逐步得到重視，國際上一些公司開始涉足LED植物照明領域。業(yè)內人士表示，這些廠家的共同特點是資金和技術實力強大。其中一部分是自身具有芯片生產、封裝領域知識產權并同時具有植物照明領域核心自主知識產權的合作者，正計劃向LED植物照明光源方向發(fā)展的公司;另一部分是具有良好的品牌、客戶市場和銷售渠道的傳統(tǒng)植物生長光源廠家，并且在LED領域也具有強大實力，有潛力向LED植物照明光源方向發(fā)展的公司。

中國大陸方面，進軍農業(yè)照明應用領域的廠家很多，但絕大部分為小企業(yè)和私營企業(yè)，主要分布在深圳市和我國華南地區(qū)，但大都沒有形成銷售規(guī)模，尚處初級階段。

在農業(yè)應用上，我國政府一方面通過對科研項目的支持加快LED在農業(yè)應用領域的應用步伐，如"十一五"期間，通過863計劃設立了1項課題，"十二五"期間亦將有數(shù)個LED農業(yè)科研項目的立項支持。一些地方政府也通過建立農業(yè)科技示范園等形式，鼓勵引入節(jié)能高效的LED農業(yè)照明應用項目在園區(qū)使用。

對于當前國內LED在農業(yè)方面的應用，楊其長認為，總體上來看，國家對LED農業(yè)應用方面的政策支持及研發(fā)投入相對偏少，在一定程度上影響了LED在農業(yè)領域的推廣應用。LED光源在農業(yè)領域的研究還屬起步階段，缺乏系統(tǒng)完善的研究，相應的技術水平也較低，必須加大研究開發(fā)的力度，增加研發(fā)資金投入，加強示范應用與宣傳，提高行業(yè)的自主創(chuàng)新能力，全方位提升企業(yè)整體素質和行業(yè)整體競爭力。

根據國務院一號文件精神，創(chuàng)建現(xiàn)代農業(yè)示范區(qū)將是提高農業(yè)科技創(chuàng)新和推廣能力的重要途徑。有業(yè)內人士表示，增加LED在農業(yè)生態(tài)示范區(qū)，應該是促進LED在農業(yè)應用中發(fā)展的重要途徑。

多年來，國內外學者圍繞LED 光源在植物照明領域的應用進行了不懈的探索，取得了重要進展。首先，就紅藍光及其組合光源對植物生長發(fā)育的影響進行了研究，充分證明了紅藍光作為光源栽培植物的可行性[9 ~ 13]。Tanaka 等利用LED 進行植物栽培，結果表明，占空比達25% ~50%時，可加速植物生長。復合光質比單一光質更適合植物生長，可以正常培育植物。在我國，LED 在育苗、蔬菜栽培和溫室補光方面的應用效果也做了一些研究和報道，節(jié)能效果顯著。到目前為止，LED 已成功用于植物的栽培，并在植物補光、組培、植物工廠以及航天航空領域取得重要進展。

人工照明是畜禽養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境控制的重要手段之一。養(yǎng)殖業(yè)領域使用的人工光源難以實現(xiàn)針對畜禽的生理需求進行光質調控，制約著畜禽生產效率的提高。研究人員通過適當?shù)腖ED 光照調節(jié)，顯著促進了畜禽生長，并提高其免疫力，提升畜禽養(yǎng)殖的生產潛力。表明LED 在設施養(yǎng)殖業(yè)中的應用是可行的，具有很好的應用前景。劉衛(wèi)東等研究了紅光、白光分別在連續(xù)光照( 23L∶1D) 和間歇光照( 1L∶3D) 下對AA 商品肉仔雞生產性能的影響，結果表明，間歇光照可提高肉仔雞的飼料報酬，紅光既可提高肉仔雞的飼料報酬，又可提高肉仔雞的生長速度，在紅光和間歇光照的共同作用下，肉仔雞的飼料報酬最高，體重較大，經濟效益最好。

農業(yè)生物光生物學規(guī)律研究是農業(yè)半導體照明的基礎。作為新興研究領域，國際上起步晚，設施園藝半導體照明研發(fā)中尚存許多科學問題亟待解決。總結而言，科學問題之一是光質生物學。這里的光質是指對生物有作用的光質類型，包括可見光、UV和遠紅光等。(1)光質的生物學功能。主要研究內容包括弄清單一光質及復合光質對植物和食用菌生長發(fā)育和產量品質影響的生理代謝、分子生物學及蛋白組學機理;(2)生物種類及品種間光質適應性和利用差異性機理;(3)光質與環(huán)境其它因子互作的生物學機制;(4)設施生物光質數(shù)量屬性有效閾值和基準值(如補償點、飽和點與光脅迫閾值)?？茖W問題之二是逆境光質生物學。主要研究明確單色及復合光弱光、強光及連續(xù)光照下光合機構和代謝系統(tǒng)運轉效率的響應機理及其農學意義等。

我國是農業(yè)大國，當前農業(yè)技術發(fā)展的同時，農業(yè)發(fā)展面臨的問題也在不斷增加，比如氣候變化對農業(yè)生產的影響日益加大等，高技術、低耗、高效的現(xiàn)代化農業(yè)成為農業(yè)發(fā)展的重要方向，在我國農業(yè)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位，備受重視。2010年國務院一號文件《中共中央國務院關于加大統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展力度進一步夯實農業(yè)農村發(fā)展基礎的若干意見》也明確表明，要積極支持農業(yè)發(fā)展方式的轉變，提高農業(yè)科技創(chuàng)新和推廣能力等。

應該看到，隨著現(xiàn)代化農業(yè)的不斷發(fā)展，農業(yè)照明的需求和能耗在不斷擴大，對傳統(tǒng)農業(yè)照明燈具技術也提出了新的挑戰(zhàn)。LED作為新一代光源，除了環(huán)保節(jié)能的特點外，相較傳統(tǒng)農業(yè)領域常用熒光燈或高壓鈉燈等人工光源，具有光量可調整、光質可調整、冷卻負荷低與允許提高單位面積栽培量等特點，對封閉有環(huán)控的農業(yè)生產環(huán)境，如植物組織培養(yǎng)室等是一種非常適合的人工光源。同時在養(yǎng)殖，微藻培養(yǎng)等方面也擁有巨大的應用價值。

可以預見，LED的應用將會給農業(yè)帶來更多革新，比如植物工廠被認為是設施農業(yè)高級發(fā)展階段，集現(xiàn)代生物技術、信息技術、人工環(huán)境控制等多種高技術于一體，不僅產量高于露地栽培多倍，而且還可以在非可耕地上如戈壁、荒漠、海島、水面甚至城市大樓里進行生產，也被認為是未來解決人口、資源、環(huán)境等問題有效技術手段。

無論是從促進現(xiàn)代化農業(yè)發(fā)展的角度，還是實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的角度，LED應用于農業(yè)都具有非常重要的意義，而農業(yè)的地位及發(fā)展需求也為LED提供了發(fā)展機遇。

國內農業(yè)照明中已開始采用LED，比如國內一些農業(yè)示范區(qū)建立太陽能光伏LED植物工廠等。除了一些應用外，LED在農業(yè)領域應用的相關技術研發(fā)也日漸受到關注。2010年12月"植物工廠創(chuàng)新成果發(fā)布會"在中國農業(yè)科學院舉辦，中國農業(yè)科學院所屬高科技企業(yè)推出了家庭版植物工廠以及家庭園藝系列產品，并分別與數(shù)十家國際知名企業(yè)簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，就LED植物照明光源、工業(yè)控制、空調環(huán)境控制、營養(yǎng)液制劑等領域的技術創(chuàng)新、市場開發(fā)等達成一致，簽訂了戰(zhàn)略聯(lián)盟。發(fā)布會的召開不僅標志著國內首例家庭版植物工廠正式誕生，也預示著植物工廠研發(fā)的戰(zhàn)略聯(lián)盟正式形成。

另外，隨著LED技術的發(fā)展，美國、日本、韓國等國紛紛將LED農業(yè)照明應用作為重要的發(fā)展方向，積極布局。國內外的眾多廠商也紛紛進軍農業(yè)照明，LED在農業(yè)照明領域的競爭正在悄然進行。

傳統(tǒng)照明是視覺應用，是通過人工光或自然光組成的照明系統(tǒng)(照明裝置)將具有特定光度、色度要求的光，按科學設計的分布特性，傳遞到目標客體，供人類感知，獲取信息。農業(yè)照明是包含視覺和非視覺功能的照明應用方式，傳統(tǒng)農業(yè)照明是指按照農業(yè)生產各領域的生產目標要求，利用光電光源人為創(chuàng)造適宜光環(huán)境或彌補自然光照的不足，調控農業(yè)生物的生長發(fā)育和繁殖的一種農藝措施。LED的出現(xiàn)推動農業(yè)照明進入了新的發(fā)展階段，稱之為農業(yè)半導體照明，屬于現(xiàn)代農業(yè)照明的范疇的新型照明方式。農業(yè)半導體照明是指采用半導體電光源及其智能化管控裝備，按照農業(yè)生物的光環(huán)境需求規(guī)律和農業(yè)生產各領域的生產目標要求，人為創(chuàng)造適宜光環(huán)境或彌補自然光照的不足，調控農業(yè)生物的生長發(fā)育和繁殖，以實現(xiàn)優(yōu)質、高產、高效、穩(wěn)產生產目標的一種農藝措施。農業(yè)半導體照明的特征:

(1)農業(yè)半導體照明的電光源是第四代半導體固態(tài)光源-發(fā)光二極管等現(xiàn)代電光源;

(2)電光源光譜可精準調控，光強、光質和光周期可進行實時的管控;

(3)能夠滿足現(xiàn)代農業(yè)生產各個領域光環(huán)境調控的需求，實現(xiàn)高產、高效、優(yōu)質、穩(wěn)產的目標;

(4)農業(yè)半導體照明既包含視覺照明范疇，也包含了非視覺范疇。其中，植物和食用菌照明屬于前者，畜禽養(yǎng)殖照明屬于視覺范疇;

(5)農業(yè)半導體照明可徹底突破自然光照明的晝夜和年際光周期規(guī)律，按照需求完全控制光照條件;

(6)光環(huán)境調控需要與其它環(huán)境要素控制協(xié)同進行，綜合協(xié)同調控。設施園藝半導體照明是設施園藝工程學科的新興研究分支，是農業(yè)半導體照明的最重要組成部分，是半導體照明非視覺應用的重要領域，我國設施園藝需要大力研發(fā)半導體照明技術裝備，加快應用進程與產業(yè)化發(fā)展。

日本、韓國政府對于LED 在生物領域的應用高度重視，政府和大企業(yè)、大集團巨資投入該領域的研發(fā)與示范應用。盡管國家發(fā)展改革委、財政部、科技部、工業(yè)和信息化部、住房城鄉(xiāng)建設部等國家六部委出臺《半導體照明節(jié)能產業(yè)發(fā)展意見》，意見中明確提出: 發(fā)展醫(yī)療、農業(yè)等特殊用途的半導體照明產品。但是并沒有專項支持，我國政府LED 農業(yè)應用的項目支持只是在863 半導體照明專項中有零星的項目支持，在農業(yè)科技項目中還沒有任何專項給予支持，這與LED 農業(yè)領域存在的巨大應用潛力極不相稱。

LED 技術已經廣泛應用于顯示屏、背景光、交通訊號顯示光源、汽車用燈等多個領域，并取得成功，但LED 在我國農業(yè)領域的應用才剛剛起步。目研究已經證明LED 在農業(yè)領域應用的可行性，但是在農業(yè)LED 光源開發(fā)方面仍缺乏適用于農業(yè)生產的精確可靠的光源技術指標體系，這主要是國家在LED 農業(yè)應用研究方面的投入不夠，應用基礎研究力度不足所致，需要國家加大支持力度，對其作進一步深入的研究，形成一套成熟完善的農用LED 光源技術，為農業(yè)LED 光源的進一步開發(fā)利用提供理論依據與技術支持。

目前國內生產LED 農業(yè)照明燈具的企業(yè)中，生產中低端產品的中小企業(yè)占據了大多數(shù)，缺乏核心自主知識產權和系統(tǒng)性研究，能夠參與國際競爭的龍頭企業(yè)集團寥寥無幾。此外，LED 農業(yè)照明產品良莠不齊，產業(yè)化與標準化程度較低，成本較高，缺乏市場競爭力。

成本是一個產品能否具有市場競爭力的關鍵因素，也決定了這種產品能否得到用戶的認可，能否占據一定的市場份額。對于LED 農業(yè)照明光源來說，價格高是限制其發(fā)展的主要因素之一。

國家雖然制定了一系列促進LED 發(fā)展的措施，但仍缺乏有效的政策支持，這也是LED 農業(yè)照明未得到廣泛應用的重要因素。

結語

設施園藝半導體照明相關科學技術問題的解決最終目標是為研發(fā)與產業(yè)化服務，為設施園藝生產實踐服務。設施園藝半導體照明的目標:

(1)節(jié)能，提高農業(yè)生物的光能利用效率;

(2)優(yōu)質高產，獲得更高的生產效率和生物量，提高能源物質或健康有益物質;(3)穩(wěn)產，削減光環(huán)境逆境;

(4)視覺健康，不危害生產人員的視覺健康。

當前，設施園藝半導體照明方興未艾、發(fā)展如火如荼，但基于設施園藝生產的復雜性，設施園藝半導體照明在科學規(guī)律與技術研發(fā)方面尚有很長的路要走。但有理由相信，未來5-10年我國設施園藝半導體照明科學技術研發(fā)與應用將取得長足進步，也將極大地推進設施園藝半導體照明產業(yè)和學科發(fā)展。

對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。 1998 年發(fā)白光的 LED 開 發(fā)成功。這種 LED 是將 GaN 芯片和釔鋁石榴石( YAG )封裝在一起做成。 GaN 芯片發(fā)藍光( λ p =465nm ， Wd=30nm )，高溫燒結制成的含 Ce3+ 的 YAG 熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值 550nm 。藍光 LED 基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有 YAG 的樹脂薄層，約 200-500nm 。 LED 基片發(fā)出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光。對于 InGaN/YAG 白色 LED ，通過改變 YAG 熒光粉的化學組成和調節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫 3500-10000K 的各色白光。

藍光LED技術，簡單來說就是一種更為節(jié)能高效的燈光產生方式，同時也能應用到相機、手機等科技產品中。用藍光LED技術制造的照明設備，能效更高，大大降低地球能源使用量。根據已有的數(shù)據顯示，全世界的25%電力都被用于照明作用，而使用LED燈具之后，用于照明的電力降低到4%，而這無疑改變了整個世界。

從1907年LED效應發(fā)現(xiàn)到1993中村修二正式發(fā)明LED，再到1999年1W的LED燈正式商業(yè)化使用，LED經歷了將近一百年時間的發(fā)展。在此之前，人們一直使用的是上個世紀愛迪生發(fā)明的白熾燈泡，而白熾燈泡浪費了絕大部分能量在發(fā)熱上，大概有九成的電力都被浪費。

LED燈具的出現(xiàn)，極大地降低照明所需要的電力，同樣瓦數(shù)的LED燈，所需電力只有白熾燈泡的1/10，同時LED具有壽命長、環(huán)保、免維護等優(yōu)點，迅速取代白熾燈的位置。2012年，中國政府宣布，全面禁止銷售和進口100瓦以上的普通照明用白熾燈，陪伴老一輩中國人幾十年的白熾燈即將走到歷史的盡頭。

正如在諾貝爾物理學獎頒獎詞中寫到的那樣:"白熾燈照亮20世紀，而LED燈將照亮21世紀。"

1、高效節(jié)能

一千小時僅耗幾度電(普通60W白熾燈十七小時耗1度電，普通10W節(jié)能燈一百小時耗1度電)

2、超長壽命

半導體芯片發(fā)光，無燈絲，無玻璃泡，不怕震動，不易破碎，使用壽命可達五萬小時(普通白熾燈使用壽命僅有一千小時，普通節(jié)能燈使用壽命也只有八千小時)

3、健康

光線健康光線中不含紫外線和紅外線，不產生輻射(普通燈光線中含有紫外線和紅外線)

4、綠色環(huán)保:

不含汞和氙等有害元素，利于回收和，而且不會產生電磁干擾(普通燈管中含有汞和鉛等元素，節(jié)能燈中的電子鎮(zhèn)流器會產生電磁干擾)

5、保護視力

直流驅動，無頻閃(普通燈都是交流驅動，就必然產生頻閃)

6、光效率高

發(fā)熱小10%的電能轉化為可見光(普通白熾燈95%的電能轉化為熱能，僅有5%電能轉化為光能)

7、安全系數(shù)高

所需電壓、電流較小，發(fā)熱較小，不產生安全隱患，于礦場等危險場所

8、市場潛力大

低壓、直流供電，電池、太陽能供電，于邊遠山區(qū)及野外照明等缺電、少電場所。

1、LED燈在交流電驅動下和普通白熾燈一樣會有頻閃現(xiàn)象，而普通節(jié)能燈沒有頻閃現(xiàn)象。頻閃會使眼睛容易疲勞。

2、每個LED燈泡的光線過亮，會強烈刺激眼睛，不可直視，哪怕短時間，而普通節(jié)能燈相對要柔和些!

3、照射角度有限制，一般只能照射120°，而普通節(jié)能燈幾乎可照射360°。

4、照射房間的亮度并不比節(jié)能燈出色，因為led只在直視的狹小角度內有高亮度，而偏離該角度后光線迅速減弱。

因此，LED節(jié)能燈作為室內照明燈具的優(yōu)勢未必比普通節(jié)能燈明顯，但作為電筒、臺燈、射燈等只需照射狹小角度的燈具使用時還是非常優(yōu)秀的。

1、LED亮度(MCD)不同，價格不同。用于led燈具的LED應符合雷射等級Ⅰ類標準。

2、抗靜電能力抗靜電能力強的LED，壽命長，因而價格高。通?？轨o電大于 700V的LED才能用于LED燈飾。

3、波長一致的LED，顏色一致，如要求顏色一致，則價格高。沒有LED分光分色儀的生產商很難生產色彩純正的產品。

4、漏電電流LED是單向導電的發(fā)光體，如果有反向電流，則稱為漏電，漏電電流大的LED，壽命短，價格低。

5、發(fā)光角度用途不同的LED其發(fā)光角度不一樣。特殊的發(fā)光角度，價格較高。如全漫射角，價格較高。

6、壽命不同品質的關鍵是壽命，壽命由光衰決定。光衰小、壽命長，壽命長，價格高。

7、晶片LED的發(fā)光體為晶片，不同的晶片，價格差異很大。日本、美國的晶片較貴，一般臺灣及國產的晶片價格低于日、美(CREE)。

8、晶片大小晶片的大小以邊長表示，大晶片LED的品質比小晶片的要好。價格同晶片大小成正比。

9、膠體普通的LED的膠體一般為環(huán)氧樹脂，加有抗紫外線及防火劑的LED價格較貴，高品質的戶外LED燈飾應抗紫外線及防火。每一種產品都會有不同的設計，不同的設計適用于不同的用途，LED燈飾的可靠性設計方面包含:電氣安全、防火安全、適用環(huán)境安全、機械安全、健康安全、安全使用時間等因素。從電氣安全角度看，應符合相關的國際、國家標準。