【技术干货】研制植物灯不得不知道的五大点

植物灯，顾名思义为植物而开发的灯具，而不同于我们人类日常工作生活用于照明的灯具。植物生长需要太阳光，而植物生长灯就是利用太阳光的原理，灯光代替太阳光给植物生长发育环境的一种灯具。植物生长LED光源或植物LED灯，不仅能补光，在植物生长过程中能促进多发侧枝和芽的分化，加快根茎叶生长，加快植物碳水化合物和维生素的合成，还具有节能、绿色环保、寿命长、发光效率高、耐振动、响应时间快、色彩鲜明，辨识度高、光波可智控等优势，影响着植物的光合作用、植物的光形态建成和次生代谢。问题来了，太阳光可没那么容易模仿，在考虑市场需求和成本效益问题后，植物灯该怎么设计呢......

目录

⊙太阳光谱介绍

⊙植物的光合作用

⊙植物对光谱的吸收情况

⊙LED植物灯光谱设计要点

⊙植物灯应注意的参数

一、太阳光谱介绍

太阳光是一切生物赖以生存的源泉，我们居住的星球如此的生机勃勃，都是源于太阳光，我们看到的太阳光是太阳电磁辐射的可见光部分，电磁辐射是当振动是以光速传播时的物理现象。电磁辐射与可见光的关系如下图：

在可见光范围里，人眼观察到不同颜色的光是视觉呈现的。这些颜色的光混合在一起，就是我们通常看到的白光，白光是用色温表示的，如图1的2000K-9000K。我们在地球表面上能测试到的太阳辐射的波段范围大约为280nm-2500nm，低于280nm和大于2500nm波长的太阳辐射，因地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的强烈吸收，地面上观察不到。当波长在400nm-750nm范围内，人眼都可以感受到这些波长发出的光，我们称之为可见光，太阳辐射主要集中在可见光部分，太阳辐射对于地球一切生物的生命演化中具有重要的作用；科学家采用光谱来分析电磁辐射和可见光，我们研究太阳光、人造光源、植物吸收的光都离不开光谱图。

图2的太阳光谱波长范围是280nm-1100nm，我们把这个范围的光谱划分为几部分：紫外线——波长从280nm到400nm；可见光——波长从400nm至750nm；红外线——波长从750nm至1100nm。在农业种植方面，我们研究波长从300nm-1100nm这个范围的应用，图2的太阳辐射光谱分布图在研究太阳对植物的辐射作用时具有参考作用。图2的颜色分段对应着不同范围的辐射波长的视觉颜色，太阳光是由不同颜色的光组成的，太阳光的可见光部分主要是由红光、绿光、蓝光混合而成的，红光、绿光、蓝光称为三种基本光色，人造光源也是采用这三种基本光色混合而成的白光。在可见光范围里，人眼最敏感的光（也就是我们感觉最亮的光）是黄色光（峰值是555nm），人眼最不敏感的光是蓝色的光。人眼最敏感的光和最不敏感的光，是人眼的视觉功能决定的，并不意味着光辐射能量的大小，蓝光携带的能量就大于黄光，但人眼对黄光感觉最亮，对植物提供人工辐射时，不能由人眼的感受到的光的明暗来判断植物光合作用的效果。之所以看到蓝光明显，是因为照相机的感光与人眼是有区别的。我们人眼看到的光是由人眼内部的柱状细胞和锥状细胞感觉到的，人眼看到的光是用视觉函数推导来的，而植物“看”到的光却是需要用电磁辐射进行度量。因为植物不仅能“看”到400nm-750nm的可见光，植物还能“看”到不可见光，如紫外线和红外线。

二、植物的光合作用

植物是唯一能够把太阳光能量转化为质量的生物，植物的光合作用是地球上一切生命的基础，植物不仅给人类提供了生存必须的氧气，还给人类提供了食物和能量。目前，人们已知的植物约有30余万种。植物把太阳辐射能转化为有机物的过程就叫做植物的光合作用，确切的说，光合作用是指植物、藻类和某些细菌通过光合色素，利用光能将二氧化碳(或硫化氢)和水转化为有机物，并释放出氧气(或氢气)的生化过程，图3是植物光合作用的理论基础。

植物是通过光合色素进行能量转化，这些色素包括叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素等；根据能量转化守恒定律，植物在进行光合作用时，把光能转换成有机物质储存起来。植物是通过光合色素进行能量转化。植物的光合作用需要二氧化碳和水才能完成，植物在光合作用时，吸收二氧化碳和水，释放出氧气并产生有机物，植物叶片内的叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。

植物的光合作用只发生在叶绿体内，上图是从高倍显微镜里看到的植物叶片的组织结构，图中的绿色颗粒就是叶绿体，植物叶叶片内有大量的叶绿体；叶绿体是植物光合作用的场所。大部分植物的叶绿体内主要含有叶绿素（叶绿素a和叶绿素b）、β-类胡萝卜素（胡萝卜素和叶黄素），光敏素（Pfr，Pr）。这些色素均参与光合作用。

图5是叶绿体对光的吸收和反射过程，叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，光敏素主要吸收红光和远红外光；绿色植物的叶绿素含量最多，而且，叶绿素吸收绿光少，大部分的绿光被反射出来，所以叶绿体呈现绿色。植物的叶片组织里主要成分是叶绿体，所以，植物的叶片也是呈绿色的。

三、植物受光谱的影响及吸收情况

光谱对植物生理的影响

植物对光谱的吸收情况

从图6可以看出，叶绿素a和叶绿素b对太阳光的吸收有两个峰值，一个发生在波长为430nm-450nm之间，另一个峰值发生在620nm-660nm之间，β-类胡萝卜素吸收440nm-500nm之间，光敏素吸收峰值是380nm、660nm、730nm。通过对植物色素吸收光谱的分析，我们可以使用与太阳辐射相同波长的植物灯对植物进行辐射，从而达到与太阳光一样的植物光合作用的效果，这就是植物灯的基本构思。

四、LED植物灯光谱设计要点

植物能区别辐射是太阳的还是LED的么

植物灯（我们称人工辐射源PARS）与太阳辐射在辐射的物理原理是一样的，并没有差异，植物对电磁辐射的吸收只是对特定的波长的电磁辐射的需求，植物并不能区分这些波长的电磁辐射是来自太阳电磁辐射还是人造的电磁辐射源，因此，根本不存在植物灯对植物的光合作用产生变异。植物灯与太阳辐射相比，唯一的差别是植物灯的光谱形态无法做到像太阳辐射那样波长峰值变化小，由于色素的吸收光谱只集中在几个峰值，居于这一点，LED植物灯可以对植物光合作用更加有效，当然，植物灯是要增加植物种植成本。针对不同的植物，按照其吸收光谱的特性，把这些不同波长的LED按比例组合在一起，形成多波段的人工辐射源，波长的组合和辐射量大小与植物品种有关，不同波长的LED辐射能量与LED本身的辐射特性有关，LED辐射效率与封装厂的品质有关，需要专业仪器进行物理分析才能确定配比组合。

LED植物灯光谱设计要点

LED植物灯的光谱设计能力是种植工艺要求的设备支持能力、LED芯片与封装技术，植物灯光谱分析与计算能力，灯具的配光设计，光量子场均匀度把控，驱动技术，散热技术，产品可靠性控制，安装结构设计等的综合制造水平的综合能力的表现。

1、植物灯制造工艺影响PPFD值

通常，种植工艺需要提出基于某种光质的日辐射量，或者是种植面的PPFD值（有些种植工艺要求YPFD值）与光周期，日辐射量决定PPFD值与光周期，设计者根据PPFD值计算出LED光源的PPF值（或者YPF值），再进行光谱设计；这里需要注意的是，在相同的光源PPF值下，不同的配光设计，散热设计，驱动设计导致PPFD值有明显的差别，制造工艺对植物灯的电能利用效率影响较大，这个影响可以用每瓦电功率的PPF值和PPFD值衡量，这个值越高越好。对于LED光源：PPF/w，对于种植面：PPFD/w，对比相同光谱形态的植物灯的这两个指标，可以评估制造商的制造工艺水平。

2、植物灯光谱没有最好只有最合适

因为LED植物灯的光谱是可以设计的，LED植物灯的光谱才表现出多样性，每种植物灯光谱都被设计者广告为最好，在这里我们强调一点，光谱没有最好，只有最合适某种种植工艺，企图把LED光谱做到通用并非是好的设计思路，兼容性高的光谱设计是以牺牲种植效率和浪费电能为代价。

3、注重辐射面的辐射场均匀度

对于多种单波长灯珠组合的植物灯光谱，多种辐射混合后在辐射面的均匀度需要考量，主要是灯珠的排布、配光设计、灯具的安装高度等；辐射场的均匀度影响光合效率，对于层架结构的立体种植，尽量采用朗柏配光，对于有加透镜的温室补光植物灯，辐射场的均匀度更加需要注意，需要明确的是通过增加安装高度去改善辐射面均匀度的结果是以距离的2次方速率降低PPFD值。

4、注重植物灯的灯具效率

植物灯的灯具效率是灯具的PPF值与光源的PPF值之比，这个值小于1，与二次光学的配光设计有关，LED植物灯灯具效率通常在0.9-0.5之间，灯具效率影响植物灯的耗能指标与种植效率，采用透镜设计的植物灯灯具效率不会超过0.8。

5、关于光谱配比

至今，许多植物灯在谈论光谱配比时，仍然采用各种光谱的灯珠比来描述，由于灯珠比无法体现辐射量，这个问题需要了解LED芯片供货规格，LED芯片是按照相同芯片尺寸的辐射功率大小来划分等级与供货，按照灯珠比提供的LED光谱可能会有30%的配比偏差，这也是相同产品的不同批次种植效果有差别的原因之一，正确的光谱配比是按照PAR的波长范围对RGB波段进行辐射功率比，这样提供产品才会有数据依据。

6、需要加有UV与IR波段的光谱

增加UV与IR段的光谱，其种植工艺主要是对植物的光形态控制，对于增加了UV段和IR段的LED植物灯，在UV与IR段不宜采用微摩尔量表达，而是采用辐射参数表达，同时提供PPF和YPF值，否则，无法正确表达种植工艺提出的UV与IR辐射要求。

LED植物灯光谱设计需要考虑的重中之重

植物灯的设计依据是种植工艺，如生菜的日辐射量过大，会导致生理障碍性钙缺乏，也有可能会发生光抑制，合理的日光合量设定很重要，种植工艺包括：植物光合作用的日辐射量和种植周期的辐射总量、植物品种与种源以及是否LDP或SDP，种植方法与基质、种植环境与控制等；对于与种植紧密联系的植物灯光谱形态和日辐射量首先是由种植品种的种植工艺确定种植工艺系统中的植物种植的日辐射量决定PPFD与光周期，PPFD决定PPF，PPF决定植物灯设计与工艺，PPFD决定灯具安装高度与数量，PPDF还决定通风量与二氧化碳的补充，这些参数都可以通过计算得出，通过辐射总量可以推算出种植成本；这里可以看出，光谱形态与辐射量（光质）首先需要确定在什么环境下用什么方法来种植什么品种才能正确设计LED植物灯的光谱，植物种植工艺是把农业种植与工业控制紧密联系的内在因素，因此，植物灯的光谱设计依据只能来源于种植工艺要求。

1、混合式的温室补光

对于采用太阳光与补光灯结合方式的温室种植和混合式的植物工厂，准确的做法是需要做自然光的辐射场光谱分析，确定补光量，对于没有条件进行光谱分析的场地，可以测试照度值的平均值，把照度的平均值除以55，就可以得出太阳光下种植面的PPFD值，用这个值确定植物灯的补光量，这个简单方法对于项目规划和成本核算非常有用，混合式的温室补光可以减少或者不用绿光波段，是否需要绿光辐射补充需要通过测试太阳直射和散射光的绿光辐射量来决定。

2、完全人工环境下的光谱

在完全人工环境下的种植，尽管红蓝波段的光照对叶菜类的种植有明显的效果，但水培蔬菜的口感仍然是提高蔬菜品质的关键，我们建议采用白光加红光的光谱，完全人工环境下的光谱设计，需要综合考虑二氧化碳浓度，通风量，环境温度，基质或营养液的控制，层架结构设计等因素，许多层架式立体种植为了增加种植层数，尽量降低营养液槽高度，这种方法会降低营养液的均衡性，影响光谱的吸收效率，完全人工环境下的光谱设计重要目标是种植的品质控制，只是完成植物生长过程的种植是没有市场竞争力的。

3、关于全光谱

有些LED植物灯标称是全光谱，可能是想表述其光谱成分丰富，这里有一个关键的概念，那就是全光谱的“全”是如何定义的，是由谁来定义的，波长范围到底多宽才能称之为“全”，尽管太阳光的光谱是最全的，在研究太阳光照下植物光合作用的时候，PAR值也只是在400nm-700nm范围来描述，许多标称全光谱的LED植物灯加有UV和IR部分波段，但还是用PPFD表达参数，由于PPFD并不描述UV与IR的辐射量，这种全光谱植物灯的参数描述表现出低级错误，我们认为，植物灯的波长范围只是光谱吸收效率函数的定义域，而不是吸收效率函数的值域，光谱的吸收效率才是衡量光合作用效果的指标，把宽波段范围或者多波段的光谱称为全光谱，不能代表植物灯的有效性和兼容性，用全光谱表述植物灯不严谨，往往会误导种植者的应用；光谱的波长定义域范围的设定仍然与种植工艺相关，是种植工艺决定光谱设计的定义域，而不是基于光谱下的种植，植物灯与植物工厂是跨界产品，有些现象是工业人忙着研究种植，农业人忙着研究光谱，知识延伸只是为了沟通和理解，光谱设计的专业合作与专业分工更加有助于产业快速提升。

4、植物灯光谱研究的复杂性

就LED光源来说，相同的PPFD值，光谱形态可以不同；相同的PPFD，二次光学设计需要的光源ppf值也不同；相同的ppf值，灯具的效率不同，PPFD值也不同；ppfd相同，光谱的形态没有做对，种植效率也不同；即便上面的条件相同，植物的种源不同，生长环境与基质不同，种植效果也不同；此外，相同的LED植物灯还受到二氧化碳浓度、通风量、温度控制等环境因素影响种植效果，在种植效率与品质符合种植工艺要求下，植物灯最需要制造工艺来保证能耗指标降到最低，这一点是非常重要的，光谱研究的复杂性表现出目前植物灯的多样性，由于目前没有评估标准，市场上的植物灯才百花齐放，百家争名。

5、通过与专业技术合作才是提升产业的最好方式

植物灯涉及的技术范畴很广，属于跨界产品，无论资金多么雄厚，从开发成本考量，也难于集多学科人才为一体，企业需要从自身的条件出发，解决技术与成本问题，更重要的是解决产品售后技术支持问题，对于跨界产品，成熟的经验是走合作开发的道路；农业人研究好种植工艺，这个是植物灯与植物工厂成败的关键，工业人做好符合种植工艺要求的设备，这个影响种植成本与经济效益，专业合作才能推动人工环境可控的新型农业种植的快速发展；思路正确才有机遇。植物灯与照明灯不同，照明产品的应用对象是终端客户，可以用概念与前瞻去营销，而植物灯仅仅是农业种植的工具，是否有效果不是靠宣传可以描述的，需要实际应用才能检验，植物灯的应用是否能达到预期的效果，不仅是植物灯本身的问题，还关联其他技术因素很多，需要提供合理的技术解决方案，植物灯的营销属于技术支持为主要手段的产品营销，成功的案例往往体现的是成功的技术服务，在没有技术标准的现在，提供技术解决方案至关重要，企业需要认真面对。

五、LED植物灯应注意的参数

以好亮固体光源研究所的模组化的光学引擎(light engine)概念设计的BG5D产品为例：

产品参数

输入电压：180-240VAC

耗电功率：5 w（单片）

功率因数：0.48

配光角度：90度

二次光学：反射杯

灯具效率：87%

配光图 ：参见使用说明书

PPF=YPF：8 umol/s （单片）

PPF/w ：1.6

LQ ：430nm，640nm，660nm

辐射比B/R：1:4

光谱图 ：参见使用说明书

防水等级：IP51

结构散热：铝合金结构

植物灯应用，组合式应用

应用场合：育苗，家庭种植。

植物灯的完整参数标注应该是这样，否则农业专家是无法应用产品。这个单片的5W的植物灯模组，在距离种植面150mm处PPFD值可以达到88。可以利用前面分享的计算公式进行计算，计算误差3%模组在集装箱植物工厂种植的应用，每平方米需要68W的耗电功率，DLA达到10，蔬菜种植效果良好，右边是育苗的应用。

以上参数为植物灯最基本的参数标注，是专业的表达方式，应用者根据这些参数才能较好的应用产品

来源：特别鸣谢佛山好亮固体光源研究所所长许东的分享

下面介绍一些小编所在单位，以期望对植物工厂事业感兴趣的朋友们一起交流碰撞。

北京大学高安研究院以第三代半导体材料应用技术创新研发和产业化为核心，以满足国家重大需求、高安区域发展需要、市场需求为导向，汇集国内外优秀人才，在开展应用创新研究的同时，打造一个集科技成果转化、高科技产业孵化、创新创业、人才培养与交流、行业资讯与技术咨询、科技金融、企业知识产权服务为一体的国际化的高端研发与创新平台。积极探索政府、科研机构、企业、资本有效结合的创新运营模式，充分调动各方积极因素，营造孵化新型产业的生态环境，建设一个高新产业生态智慧园区。坚持以人为本，采用合作共赢发展的激励机制，搭建人才与服务公共平台，为高安光电产业发展和产业转型、升级提供支撑。

一个平台：北京大学高安研究院这一科研服务平台。 六个服务中心：平台下设光电产业公共服务中心、植物工厂产业服务中心、光伏+产业服务中心、北大燕园众创服务中心、创投与产业基金服务中心和北大创新产业园区服务中心。 一个基地：北大创新产业园，研究院和服务中心均设在此基地。该基地是智能管理+智慧制造+创新工作+时尚生活的自然人文生态智慧园区。

北大创新产业园（距离高安高铁站500米，去南昌15分钟）

该

介

绍

我

了

江西省植物工厂产业服务中心

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江西省植物工厂产业服务中心（筹），是北京大学宽禁带半导体研究中心高安研究院为打造植物工厂产业链，促进现代农业与光电、物联网等多产业的融合发展而建，是北京大学高安研究院六大服务中心之一。该中心与国内外知名大学、科研院所、商协会、渠道联盟、人才培养机构、投融资机构、财税法务机构等力量紧密合作，以市场为导向，围绕植物工厂产业发展对外提供植物生长光源、植物灯具、城市家庭园艺与种植、光电传感器、营养液、育苗工厂、人才培养、生态农庄、观光农业、产业发展规划、植物工厂策划设计及施工等服务。LED植物生长光源及灯具是我们最具竞争力领域。

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我们团队的成果：

01

烟草育苗光照系统解决方案实验获得成功

经过对比实验，使用LED烟草专用植物生长灯对烟草育苗进行补光在缩短生长周期、优化烟苗长势、促进根系发育以及光合作用改善等方面有明显的效果，具有推广价值。具体如下：

1 缩短生长周期：可较无LED补光灯的情况缩短2～3天，按约45天的育 苗周期，提高幅度达5％左右。

2 优化烟苗长势：在各个阶段显著地改善了烟苗的长势

3 促进根系发育：根系无论在数量密度、长度方面都由明显的优势，对以后移植成活率、移植后的抗病虫害能力有积极意义。

02

成功研发批量生产适合3-12岁小孩的“果果飞船”-——护眼、种植、即食、益智、自动

独创植物生长儿童护眼双功能植物灯：华南农业大学优质种苗、安全营养液配方、独特舷窗见证根系每一时刻成长变化、一键式按钮设计、隐藏式水泵循环系统、机翼感应24小时监控飞船、可调节伸缩杆、270灯头旋转、无频闪、显色指数95以上更接近自然光、独特4000k柔和暖光、几十种花卉果蔬种苗、透过舷窗还可以看小鱼游泳等。

03

成功研发全光谱LED智能植物光照灯，植物品类超过50种

2013年，团队就研究出了第三代全光谱可调光LED智能植物光照灯，领先国内率先红蓝光光强和比例可调万瓦级控制系统，同时光谱中加入了紫光和红外光，这样基本达到了全光谱要求和光强满足多数植物的整个生长阶段。

04

可提供区域植物工厂产业发展规划、植物工厂系统设计、建设、施工方案，可为政府和企业提供全套服务

此外，团队早在2013年7月承接了中国航天城飞船中植物光环境系统，并成功交付使用;2013年8月公司承接月宫一号光环境的光源研究及配套电源解决方案的工作，并作为北京航天航空大学月宫一号植物光照系统唯一提供商。

我们正在加大力度研究和打造植物工厂产业链，如果您是植物、园艺、营养液、传感器、系统工程等植物工厂或设施农业领域专家或能手，欢迎任何时间来电和留言，我们将第一时间予以回复和联络。

如果您想购买植物生长光源、植物生长箱、果果飞船，想要定制植物工厂产业发展规划和植物工厂设计施工方案，那就和我们联系吧。

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