基本介紹
- 中文名：LED農業照明
- 外文名：LED agricultural lighting
- 主要部件：LED
- 效果：照明,
- 行業：照明
- 適應行業：農業
現狀,意義,發展,開發與推廣,開發,推廣,差距及問題,研究投入不足,技術成熟度不高,企業競爭力不強,成本依然偏高,缺乏政策扶持,
現狀
多年來，國內外學者圍繞LED 光源在植物照明領域的套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。複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套用效果也做了一些研究和報導，節能效果顯著。到目前為止，LED 已成功用於植物的栽培，並在植物補光、組培、植物工廠以及航天航空領域取得重要進展。
人工照明是畜禽養殖業環境控制的重要手段之一。養殖業領域使用的人工光源難以實現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。研究人員通過適當的LED 光照調節，顯著促進了畜禽生長，並提高其免疫力，提升畜禽養殖的生產潛力。表明LED 在設施養殖業中的套用是可行的，具有很好的套用前景。劉衛東等研究了紅光、白光分別在連續光照( 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。
農業生物光生物學規律研究是農業半導體照明的基礎。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。這裡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複合光質對植物和食用菌生長發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)光質與環境其它因子互作的生物學機制;(4)設施生物光質數量屬性有效閾值和基準值(如補償點、飽和點與光脅迫閾值)。科學問題之二是逆境光質生物學。主要研究明確單色及複合光弱光、強光及連續光照下光合機構和代謝系統運轉效率的回響機理及其農學意義等。
意義
我國是農業大國，當前農業技術發展的同時，農業發展面臨的問題也在不斷增加，比如氣候變化對農業生產的影響日益加大等，高技術、低耗、高效的現代化農業成為農業發展的重要方向，在我國農業發展中具有重要的戰略地位，備受重視。2010年國務院一號檔案《中共中央國務院關於加大統籌城鄉發展力度進一步夯實農業農村發展基礎的若干意見》也明確表明，要積極支持農業發展方式的轉變，提高農業科技創新和推廣能力等。
應該看到，隨著現代化農業的不斷發展，農業照明的需求和能耗在不斷擴大，對傳統農業照明燈具技術也提出了新的挑戰。LED作為新一代光源，除了環保節能的特點外，相較傳統農業領域常用螢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，對封閉有環控的農業生產環境，如植物組織培養室等是一種非常適合的人工光源。同時在養殖，微藻培養等方面也擁有巨大的套用價值。
可以預見，LED的套用將會給農業帶來更多革新，比如植物工廠被認為是設施農業高級發展階段，集現代生物技術、信息技術、人工環境控制等多種高技術於一體，不僅產量高於露地栽培多倍，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、環境等問題有效技術手段。
無論是從促進現代化農業發展的角度，還是實現節能環保的角度，LED套用於農業都具有非常重要的意義，而農業的地位及發展需求也為LED提供了發展機遇。
國內農業照明中已開始採用LED，比如國內一些農業示範區建立太陽能光伏LED植物工廠等。除了一些套用外，LED在農業領域套用的相關技術研發也日漸受到關注。2010年12月“植物工廠創新成果發布會”在中國農業科學院舉辦，中國農業科學院所屬高科技企業推出了家庭版植物工廠以及家庭園藝系列產品，並分別與數十家國際知名企業簽署戰略合作協定，就LED植物照明光源、工業控制、空調環境控制、營養液製劑等領域的技術創新、市場開發等達成一致，簽訂了戰略聯盟。發布會的召開不僅標誌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的戰略聯盟正式形成。
另外，隨著LED技術的發展，美國、日本、韓國等國紛紛將LED農業照明套用作為重要的發展方向，積極布局。國內外的眾多廠商也紛紛進軍農業照明，LED在農業照明領域的競爭正在悄然進行。
傳統照明是視覺套用，是通過人工光或自然光組成的照明系統(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。農業照明是包含視覺和非視覺功能的照明套用方式，傳統農業照明是指按照農業生產各領域的生產目標要求，利用光電光源人為創造適宜光環境或彌補自然光照的不足，調控農業生物的生長發育和繁殖的一種農藝措施。LED的出現推動農業照明進入了新的發展階段，稱之為農業半導體照明，屬於現代農業照明的範疇的新型照明方式。農業半導體照明是指採用半導體電光源及其智慧型化管控裝備，按照農業生物的光環境需求規律和農業生產各領域的生產目標要求，人為創造適宜光環境或彌補自然光照的不足，調控農業生物的生長發育和繁殖，以實現優質、高產、高效、穩產生產目標的一種農藝措施。農業半導體照明的特徵：
(1)農業半導體照明的電光源是第四代半導體固態光源-發光二極體等現代電光源;
(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)能夠滿足現代農業生產各個領域光環境調控的需求，實現高產、高效、優質、穩產的目標;
(4)農業半導體照明既包含視覺照明範疇，也包含了非視覺範疇。其中，植物和食用菌照明屬於前者，畜禽養殖照明屬於視覺範疇;
(5)農業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律，按照需求完全控制光照條件;
(6)光環境調控需要與其它環境要素控制協同進行，綜合協同調控。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，是農業半導體照明的最重要組成部分，是半導體照明非視覺套用的重要領域，我國設施園藝需要大力研發半導體照明技術裝備，加快套用進程與產業化發展。
發展
科技部在深圳會展中心組織“十一五”國家863計畫半導體照明重大項目科技成果匯報展，全面展示“十一五”863計畫半導體照明重大項目取得的成果和科技創新成就。科技部副部長曹健林親臨展會視察。
應科技部邀請，南京農業大學農學院徐志剛教授承擔的863計畫項目“半導體照明光源在植物組培中的套用研究”到會參展。南京農業大學展示的“LED植物組培燈”、“LED植物燈”、“LED智慧型生物培養箱”和“LED植物培育智慧型光控系統”等系列研究成果受到產業界廣泛關注，多家上市公司表達了合作研發意願。曹健林在南京農業大學展位前駐足視察，聽取了南京農業大學承擔的863項目科研成果介紹，給予了熱情的鼓勵和稱讚。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高技術研究計畫中，科技部創新性的開啟了LED在農業領域套用的研究進程，經過競爭答辯，南京農業大學成功獲得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照明類課題。基於5年多的成果積累和組培室特徵，該項目組通過最佳化光譜能量參數、製造工藝和外形設計，研製出的LED組培燈，具有高效、節能、長壽命和安裝便捷的特徵。
開發與推廣
開發
人工補光和照明是LED農業領域最重要的套用方式，根據動植物發育的不同需求，採用不同波長的單色光組合起來作為人工光源，並具有光照強度、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套用。LED光源的產品可根據生產需要和套用場合的不同，設計出不同的類型，據了解，套用較廣的有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，但在畜牧養殖業中，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殖設備展上，ONCE公司AGRISHIFTTM推出漸變式禽類養殖LED燈，該LED採用定時器來實現光周期的控制，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，畜牧養殖業的LED專用產品有待進一步開發。
國內的農業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，生產設計不規範，缺乏統一的產品標準和質量管理等問題。以目前套用市場最大的植物照明燈具為例，儘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、光照強度設計方面缺乏科學統一的規範，更缺乏針對植物照明特殊的高溫、高濕環境所進行的防水、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。
推廣
隨著LED套用逐漸向生物、醫療、健康等領域發展，LED在植物生長領域套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晶片生產、封裝領域智慧財產權並同時具有植物照明領域核心自主智慧財產權的合作者，正計畫向LED植物照明光源方向發展的公司;另一部分是具有良好的品牌、客戶市場和銷售渠道的傳統植物生長光源廠家，並且在LED領域也具有強大實力，有潛力向LED植物照明光源方向發展的公司。
中國大陸方面，進軍農業照明套用領域的廠家很多，但絕大部分為小企業和私營企業，主要分布在深圳市和我國華南地區，但大都沒有形成銷售規模，尚處初級階段。
在農業套用上，我國政府一方面通過對科研項目的支持加快LED在農業套用領域的套用步伐，如“十一五”期間，通過863計畫設立了1項課題，“十二五”期間亦將有數個LED農業科研項目的立項支持。一些地方政府也通過建立農業科技示範園等形式，鼓勵引入節能高效的LED農業照明套用項目在園區使用。
對於當前國內LED在農業方面的套用，楊其長認為，總體上來看，國家對LED農業套用方面的政策支持及研發投入相對偏少，在一定程度上影響了LED在農業領域的推廣套用。LED光源在農業領域的研究還屬起步階段，缺乏系統完善的研究，相應的技術水平也較低，必須加大研究開發的力度，增加研發資金投入，加強示範套用與宣傳，提高行業的自主創新能力，全方位提升企業整體素質和行業整體競爭力。
根據國務院一號檔案精神，創建現代農業示範區將是提高農業科技創新和推廣能力的重要途徑。有業內人士表示，增加LED在農業生態示範區，應該是促進LED在農業套用中發展的重要途徑。
差距及問題
研究投入不足
日本、韓國政府對於LED 在生物領域的套用高度重視，政府和大企業、大集團巨資投入該領域的研發與示範套用。儘管國家發展改革委、財政部、科技部、工業和信息化部、住房城鄉建設部等國家六部委出台《半導體照明節能產業發展意見》，意見中明確提出: 發展醫療、農業等特殊用途的半導體照明產品。但是並沒有專項支持，我國政府LED 農業套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，在農業科技項目中還沒有任何專項給予支持，這與LED 農業領域存在的巨大套用潛力極不相稱。
技術成熟度不高
LED 技術已經廣泛套用於顯示屏、背景光、交通訊號顯示光源、汽車用燈等多個領域，並取得成功，但LED 在我國農業領域的套用才剛剛起步。目研究已經證明LED 在農業領域套用的可行性，但是在農業LED 光源開發方面仍缺乏適用於農業生產的精確可靠的光源技術指標體系，這主要是國家在LED 農業套用研究方面的投入不夠，套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LED 光源的進一步開發利用提供理論依據與技術支持。
企業競爭力不強
目前國內生產LED 農業照明燈具的企業中，生產中低端產品的中小企業占據了大多數，缺乏核心自主智慧財產權和系統性研究，能夠參與國際競爭的龍頭企業集團寥寥無幾。此外，LED 農業照明產品良莠不齊，產業化與標準化程度較低，成本較高，缺乏市場競爭力。
成本依然偏高
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。對於LED 農業照明光源來說，價格高是限制其發展的主要因素之一。
缺乏政策扶持
國家雖然制定了一系列促進LED 發展的措施，但仍缺乏有效的政策支持，這也是LED 農業照明未得到廣泛套用的重要因素。
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與產業化服務，為設施園藝生產實踐服務。設施園藝半導體照明的目標：
(1)節能，提高農業生物的光能利用效率;
(2)優質高產，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)穩產，削減光環境逆境;
(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、發展如火如荼，但基於設施園藝生產的複雜性，設施園藝半導體照明在科學規律與技術研發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與套用將取得長足進步，也將極大地推進設施園藝半導體照明產業和學科發展。
