一、   市场规模

全球市场: 全球LED植物照明市场,2014年达到1亿美元,2017年预计可达5亿美元。

中国市场: 2013年,中国蔬菜种植面积达到3亿多亩,产值超过10000亿元。预计20年后,使用农业照明技术,由植物工厂种植的有机蔬菜的替代量将达到蔬菜种植量的30%,即1亿亩的种植面积,超2000万吨的产量。产值将达到15000亿元。按照每1万平米1.8万只LED灯的需求量计算,1 亿亩的种植面积将产生1200亿只LED红蓝光的市场需求。(数据来源:中国农科院 刘文科)

二、   发展现状

目前LED在农业照明领域的应用尚处于初始的萌芽期,但智能化照明与光环节精准调控是现代设施农业科技发展的必然趋势,以LED为人造光源对农作物生长进行智慧控制,改变了传统的靠天吃饭的传统农业生产模式,有着非常好的发展前景。据统计,中国目前LED农业照明企业仅有80余家。广东是LED农业照明企业分布的主要省份,在全国占比高达82%,其次是山东省,占比为9%,其他省份也有少数企业(2013年数据)。

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三、   产业发展驱动力

  • 太阳辐射量由于温室效应的影响逐年降低,雾霾以及其他恶劣天气的影响导致大规模的不可预期的减产;

  • 人口的增加,可耕地、洁净水资源的减少;

  • 设施农业、垂直农业及植物工厂等新兴现代都市农业形态的兴起;

  • LED半导体产业在所有可能的波段上电辐射转换效率的快速提升以及价格的急剧下降;

  • 光质生物学的突破性进展,从机理、定性,到定量以及和环境变量之间的相互关系的优化研究取得突破性的进展;

  • 移动互联网和物联网智能控制技术的商用化;

  • 分布式太阳能农业温室和植物工厂将扩大并开拓LED农业照明系统的应用。

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四、   农用LED的优势

在农业照明领域,相比传统光源,LED的优势表现在:

  • 单色光:LED发出的光为单色光,能够自由选择红光、蓝光等发光光谱,按照不同植物的需要将他们组合利用,可以提高植物对光能的吸收利用效率。

  • 冷光源:LED是一种冷光源,可以接近植物表面照射而不会出现叶片灼伤,而且它的体积小,可以自由地设计光源板形状,极大地提高光源利用率和土地使用效率,有利于形成多段氏紧凑型的栽培模式,适用于密闭植物工厂的集约型生产模式。

  • **节能、环保、寿命长:**LED的发光纯正,电能转化效率高,使用寿命长,能减少用于光源更换与维护的劳动力支出。

五、   应用方向

LED作为植物照明光源可以广泛应用于温室补光、植物工厂、育苗工厂、食用菌工厂、植物保护及畜禽与水产养殖领域。

  • **温室补光:**在玻璃温室、塑料大棚等栽培设施中,LED是对自然光的补充,精心调制的光配方能稳定并改善植物品质,增加产量。

  • **植物工厂:**植物工厂作为设施园艺的最高级发展阶段,可用于蔬菜、苗木(蔬菜苗、水稻、烟草等)、中草药等的规模化生产。人工光植物工厂叶菜生产效率是露地的108倍,能够实现周年连续生产,是植物工厂的发展方向,新型人工光源需求量大。

  • **育苗工厂:**在集约化育苗工厂中,为达到完全人工控制生长,在发芽阶段,需要使用人造光源控制生长, LED照明可以提高植株密度、缩短作物生长时间、改善整体植株健康。

  • **食用菌工厂:**食用菌工厂化程度高,多数食用菌对光强要求不高,但对光质要求苛刻,产量品质效应大,光环境调控非常重要。食用菌工厂产业化规模大,经济效益高,灯具投资相对较小,灯具更新换代与控制系统需求较大。

  • **植物保护:**LED诱虫灯是重要的物理防治工具,可减少农药使用量,维护生态安全。

  • **畜禽与水产养殖领域:**实验表明:绿光、蓝色光及其组合能显著促进肉鸡的生长发育。肉鸡场:采用连续光照可促进肉鸡生长。人工水产养殖:杀灭细菌,减少鱼类患病的可能。

六、   LED农业照明的开发流程

LED植物照明需因地制宜,对每个项目制定个性化解决方案。工作流程如下:

  • 了解客户需求:客户需要提高产量、减少能量消耗还是实现周年不断生产;

  • **提供光配方:**根据客户需要实现的效果,植物专家为客户定制光配方并打造理想的生长条件;

  • **产品生产、安装和应用:**为客户提供理想的照明解决方案、设计方案;

  • **跟进:**植物专家和客户经理定期维护。

七、   发展瓶颈

技术和成本是限制LED光源在农业上大规模应用的两大限制因素。

  • **技术层面:**调节光配方是农业照明的技术核心,调节光配方主要面临以下问题:

(1)农业照明的多学科性: 如果把植物照明与动物照明纳入农业照明范围内,则其所涉及的学科包括植物学、动物学、生物统计学、照明技术及控制技术等。其中,生物学领域的知识是进行农业照明的最重要部分。

**(2)农业照明的复杂性:**农业照明的复杂性包括农业和照明两个方面。前者研究的物种非常多,且每1个物种,影响的条件因素也非常多。如植物生长的几个基本要素,阳光、空气、水,除此之外,种子、土壤、周边环境如温度、湿度、气候的变化等,也影响植物的生长。在照明方面,也存在多个变数,包括照明的光谱、强度、时间与周期、光形式(稳态还是脉冲)等。

**(3)农业照明的试验难度:**影响植物生长的因素包括温度、湿度、空气、水分、营养成分、种子、光照等因素,其中,光照又包括照射强度、光谱、照射时间、照射周期、照射方式等。试验样本非常多、试验时间跨度很长,农业照明成为了费时、费力、费空间的研究。曾经报道过的铁皮石斛补光试验,在1个大棚里共6条苗床(占地一亩),安装以及调试了153只LED灯具和8盏荧光灯,644个样本的标记。数据采集进行了7个月,完成了3批近20万个数据,通过分析得到最佳光照条件。

**(4)评价指标的多样性:**农业照明关注的生命指标包括植物的生长、某些成分的含量等,进一步细化可以是植物的叶面积、根茎、总高、颜色等,成分方面包括糖分、叶绿素等多个指标。评价指标上的复杂性,增加了农业照明的研究难度

**(5)总之,**LED农业照明是一个集成的优化的系统工程,是一个跨行业的课题,而不仅仅是红光加蓝光芯片加灯具的简单的产品,农作物的生长在连续光谱下可以根据自身的生长阶段和环境获取所需要的光谱波段的能量进行生长发育,而如果仅仅生长在两个波段下是无法实现其食品品质的提升,单位面积产量的提高,最经济的能耗和物耗,实现最大的投资回报和社会效益的。

**成本因素:**LED的成本目前也是制约其在农业生产中大规模应用的瓶颈,因为使用成本过高,不仅是在国内,即便是大力推广LED照明农业应用的荷兰、以色列、日本等国家,LED照明也还局限于花卉、草药、叶菜等高附加值作物。

八、   各国科研支持项目

  • 日本 |日本政府于2009年提出“六次产业化(2009年),其核心是应用LED、太阳能发电等技术,建造“植物工厂”。

  • 韩国 | 韩国在2010年投资30亿韩元(约1600万人民币)研发IT-LED栽培核心配件和技术,系统的核心组成之一为LED植物人工光源。

  • 美国 | 美国农业部资助purdue大学488万美元用于一项为期4年的研究项目,以评估并提高LED在温室中的应用。

  • 荷兰 | 荷兰是目前植物工厂发展最好的国家。新型作物永续性节能温室,结合了LED光源,以及远程自动监控等。

  • 台湾 | 台湾工研院于2011年牵头成立了“台湾植物工厂产业发展协会”,晶电、亿光、鸿海等巨头联合开发LED植物工厂。

  • 中国 | 2013年,国家863计划“智能化植物工厂生产技术研究”总经费为4611万元,包括七个课题,涉及植物工厂LED节能光源、光温耦合节能环境控制、人工光植物工厂、自然光植物工厂集成示范等方面。

An abstract light painting shot featuring blue light trails twisting throughout a black background
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