固態(tài)LED照明技術(shù)在園藝方面的應(yīng)用

發(fā)光二極管（LED）照明的出現(xiàn)重塑了照明業(yè)務(wù)。由于LED燈的節(jié)能和長壽命特性，LED燈不僅成為傳統(tǒng)白熾燈泡的事實(shí)上的替代燈，而且還開辟了許多新的用例。它們的尺寸一直是關(guān)鍵考慮因素，它們在物理上比玻璃燈泡更堅(jiān)固。由于不斷增加的電費(fèi)，他們已經(jīng)在家中找到了應(yīng)用。許多國家政府組織已實(shí)施消費(fèi)者活動，逐步淘汰消耗過多電力的燈泡，以加快采用更節(jié)能的照明。隨著LED已經(jīng)被消費(fèi)者和工業(yè)應(yīng)用所接受，它們的開發(fā)也在不斷發(fā)展。優(yōu)化和制造LED以發(fā)出特定波長的光的能力是最近的一項(xiàng)創(chuàng)新，引起了園藝界的極大興趣。

在LED照明之前，有很多研究其他照明技術(shù)用于室內(nèi)園藝應(yīng)用。這項(xiàng)工作著眼于光波長和植物生長之間的復(fù)雜關(guān)系，建立了光生物學(xué)，生物化學(xué)和植物生理生理學(xué)的研究。由于LED具有節(jié)能特性，尺寸更小，驅(qū)動方式簡單，因此LED很快成為生長燈的理想選擇。相比之下，傳統(tǒng)的生長照明方法不僅能源效率低得多，而且還產(chǎn)生大量過剩的熱量，從而增加了溫室內(nèi)氣候控制的需求。

許多光生物學(xué)研究已經(jīng)確定并且重點(diǎn)關(guān)注植物對不同光波長的響應(yīng)，即所謂的光合有效輻射區(qū)域（PAR）。通常，就光合作用響應(yīng)而言，產(chǎn)生最大生長的波長在400nm至700nm的范圍內(nèi)。已經(jīng)鑒定出特定波長，其促進(jìn)每個質(zhì)子的大部分光合作用活性，而其他波長與控制發(fā)芽和開花有關(guān)。例如，650nm，橙紅色，提供最高量的光合作用。園藝研究中心，種植者和照明制造商之間的合作研究正在為建立標(biāo)準(zhǔn)鋪平道路，這些標(biāo)準(zhǔn)將植物生長的不同階段和不同植物作物的波長聯(lián)系起來。此外，考慮到高濕度生長燈運(yùn)行的環(huán)境條件，未來的標(biāo)準(zhǔn)將發(fā)展為增加光規(guī)格，操作和選擇。該研究還指導(dǎo)LED制造商生產(chǎn)適合特定類型工廠的設(shè)備。不同的植物品種需要不同的光譜和強(qiáng)度，以便在整個生命周期中實(shí)現(xiàn)最佳生長。例如，450nm（深藍(lán)色）光和660nm（超紅色）光產(chǎn)生最佳的光合作用結(jié)果，730nm（遠(yuǎn)紅色）通常用于控制植物發(fā)芽，而全光譜白光促進(jìn)綠色生長。/p>

圖1：來自歐司朗的OSLON系列LED發(fā)光器的光譜功率設(shè)計(jì)。

專門設(shè)計(jì)用于LED發(fā)光器的示例在園藝生長燈應(yīng)用中，Osram的OSLON SSL系列提供450 nm（深藍(lán)色），660 nm（超紅色）和730 nm（遠(yuǎn)紅色）的幾種不同的園藝照明顏色。該系列采用堅(jiān)固的3 mm x 3 mm耐腐蝕陶瓷封裝，并具有多種輻射角度選項(xiàng)（80,120或150度），適用于燈具內(nèi)的LED緊密聚集。陶瓷封裝的最高工作溫度為135°C，適用于大多數(shù)溫室環(huán)境無需額外冷卻的設(shè)計(jì)。它們的最大驅(qū)動電流為1 A.

該系列適用于各種不斷增長的安裝，如架空照明，機(jī)架照明和多層增長。它們可以作為光源的唯一光源，沒有任何自然光，也可以作為補(bǔ)充。

在相同封裝尺寸下構(gòu)建的各種波長LED的可用性為固態(tài)增長照明制造商提供了機(jī)會構(gòu)建具有不同波長比的燈具，而無需顯著改變PCB或燈具設(shè)計(jì)。而且，具有不同輻射角的LED的可用性可以消除設(shè)計(jì)透鏡以提供給定光束角度的需要。這不僅可以設(shè)計(jì)更簡單的燈具，而且還可以使用競爭技術(shù)的燈具重量的一小部分。

在許多行業(yè)中，縮小最終產(chǎn)品的規(guī)模是一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)。對于種植方法的多樣性正在增加的園藝照明應(yīng)用也是如此。消費(fèi)者對創(chuàng)建本地的，可持續(xù)的，為期一年的室內(nèi)種植方法更感興趣，例如使用垂直多個架子以在最小的空間內(nèi)最大化作物產(chǎn)量。該驅(qū)動器正在進(jìn)一步減小該市場種植燈具的尺寸。 LED制造商Cree提供其XLAMP XQ系列1.6 mm x 1.6 mm發(fā)光器，有助于設(shè)計(jì)最小和最高密度的燈具。該系列有白色，寶藍(lán)色和紅色可供選擇，也可作為高強(qiáng)度或高密度設(shè)備。一個例子，如圖2所示，是Cree XLAMP XQ-E紅色發(fā)射器。這種高密度LED發(fā)出波長為625 nm的光，輻射角為130度。高密度器件提供設(shè)計(jì)靈活性，無需犧牲流明輸出或可靠性，使制造商能夠降低燈具尺寸，同時保持與3.5 x 3.5 mm LED類似的性能特性。

高強(qiáng)度發(fā)射器版本利用整體光學(xué)元件，有助于從極其緊湊的占地面積中提供最大的輻射通量。

圖2：Cree的高密度和高強(qiáng)度XLAMP XQ系列。

對于采用流行的3.45 mm占位面積的設(shè)計(jì)，Cree XP和XT系列提供具有高流明和超高可靠性的變體。 XT-E L04是皇家藍(lán)（453 nm）器件的一個例子，其輻射角為140度。圖3顯示了其空間分布曲線，其中輻射強(qiáng)度相對于視角繪制。

圖3：Cree XT-E皇家藍(lán)的空間分布。

白色高效發(fā)射器的一個例子是Cree XLAMP XT-E 4500 K中性白色發(fā)射器。圖4顯示了XT-E白色系列器件的典型光譜功率分布。該系列的3.45 mm x 3.45 mm占地面積適用于已建立的燈具零件和PCB生態(tài)系統(tǒng)，可幫助制造商簡化設(shè)計(jì)流程并加快產(chǎn)品上市速度。

圖4：XT-E系列白光LED的光譜功率分布。

幫助設(shè)計(jì)工程師面對開發(fā)園藝照明應(yīng)用， Cree提供了上述產(chǎn)品組合的入門指南。這包括兩個燈具參考設(shè)計(jì)，展示了使用Cree LED產(chǎn)品系列的可能性。第一個是小型輕型線性燈具，以最高功率提供高達(dá)311 umol/s的速度。第二種設(shè)計(jì)突出了一種更高功率的燈具，與工業(yè)1 kW高壓鈉燈（HPS）相比，其設(shè)計(jì)可提供類似的輸出。相比之下，LED設(shè)計(jì)產(chǎn)生相當(dāng)水平的光合光子通量密度，功率的一半（553瓦）。此外，HPS燈的壽命通常為10,000小時，而Cree LED參考設(shè)計(jì)壽命超過90,000小時。此外，固態(tài)LED生長燈背后的概念是，由于它們包括單獨(dú)的LED發(fā)射器，因此可以設(shè)計(jì)滿足特定工廠所需的最佳光譜性能的燈具。這不是HPS燈的情況，因?yàn)椴豢赡苷{(diào)節(jié)燈的光譜輸出。

圖5顯示了1 kW HPS燈和Cree參考設(shè)計(jì)對McCree的光譜密度輸出最佳光合作用響應(yīng)的園藝研究曲線。

圖5：比較參考設(shè)計(jì)，HPS燈和麥克里曲線的光譜輸出。

另一家專為園藝應(yīng)用而設(shè)計(jì)的LED供應(yīng)商是LED Engin。其LZ1系列產(chǎn)品包括LZ1-00R202，一種660 nm深紅色發(fā)光體，功率為2.6 um/s，功耗為2.6 umol/s，采用表面貼裝陶瓷封裝，尺寸為4.4 mm x 4.4 mm。這種堅(jiān)固的設(shè)備適合高環(huán)境溫度和高濕度的應(yīng)用。最大驅(qū)動電流可達(dá)1.2 A。

為固態(tài)LED燈具供電需要恒流驅(qū)動器，如Cree LMD800。輸入電壓范圍為120 VAC至277 VAC，可提供高達(dá)2 A的恒定電流輸出，輸出電壓范圍為28 VDC至54 VDC。包括0至10 VDC模擬調(diào)光功能。在25°C的環(huán)境室溫下，預(yù)計(jì)的使用壽命為50,000小時。安裝螺柱提供了將104瓦驅(qū)動器直接連接到燈具或其支撐結(jié)構(gòu)的方法。該裝置的防護(hù)等級為IP20。

另一個LED驅(qū)動器示例是CUI的VLED15-120-1250。該恒流驅(qū)動器提供1.25安培的最大輸出電流和8至12 VDC的輸出電壓。對于那些需要更多功率的應(yīng)用，臺達(dá)電子最近推出了一款320瓦的外部驅(qū)動單元，即LNE-12V320WDAA。該電源適用于90 VAC至305 VAC的通用寬輸入電壓，提供12 VDC輸出，最大輸出功率為22.5安培。

有許多LED驅(qū)動器模塊供應(yīng)商可以提供幫助制造商選擇第二源產(chǎn)品。示例包括CUI，TDK-Lambda和XP Power。在選擇適合用于園藝應(yīng)用的驅(qū)動器時，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該檢查供電所需的環(huán)境特性，以及所需的電氣參數(shù)。這包括潮濕和流體進(jìn)入，這些情況很可能在許多不斷增長的應(yīng)用中遇到。此外，還需要決定電源是單獨(dú)封裝還是在PCB上封裝，還是外部安裝。此外，對于設(shè)計(jì)用于無人值守操作的許多增長照明系統(tǒng)，從主計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動器單元的能力將是有益的特征，使得系統(tǒng)集成成為更直接的任務(wù)。所有這些因素都需要仔細(xì)考慮。

結(jié)論

當(dāng)我們尋找更有創(chuàng)意的方式養(yǎng)活地球不斷增長的人口時，園藝發(fā)現(xiàn)自己處于植物和作物的前沿研究。無論是用于研究目的還是商業(yè)作物生產(chǎn)，固態(tài)LED照明技術(shù)的使用變得至關(guān)重要。利用這種節(jié)能光源，除了提高作物產(chǎn)量外，種植者還可以節(jié)省資金。

過去三十年來人工光源的使用及其對植物生長的影響已有很多研究，但只有最近LED技術(shù)的創(chuàng)新才能實(shí)現(xiàn)具有成本效益的增長照明。特別是，實(shí)現(xiàn)緊湊型發(fā)射器的高流明輸出以及能夠調(diào)節(jié)光譜輸出，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

通過這些創(chuàng)新，園藝業(yè)現(xiàn)在正在推進(jìn)家庭和社區(qū)的微型種植項(xiàng)目。除傳統(tǒng)的大規(guī)模溫室作物生產(chǎn)外。