完全人工光型植物工廠的植物栽培用LED設計需求與發展

 

刊登日期:2015/3/5
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LED進入植物工廠產業的背景及應用問題點
日本在開發完全人工光型植物工廠的光源時,LED光源還未普及用在民生照明上,因此目前中大型完全人工光植物工廠仍以螢光燈較多,專門用在植物栽培用的 LED則一直被開發與改良,完全採用 LED燈的大型完全人工光型植物工廠真正在日本國內營運大約在 2013年以後。日本開發植物栽培用 LED燈的背景與台灣有些許不同,相同的理由是 LED燈較螢光燈省電,但日本廠商開發植物栽培用 LED燈最大的因素是要改善螢光燈在植物工廠的不足。由於螢光燈的波長在最適合植物生長的紅光與藍光的比例偏低,造成與一般露天栽種的蔬菜相比,容易發生營養價值較低或是比較不好吃的情形,目前透過多年的研發及其他環境控制,此情形已大幅改善。但為了解決螢光燈先天條件上的不足,日本的 LED廠商開始針對植物栽培用 LED照明產品做開發。因此 LED燈應用於植物照明,在大型植物工廠的發展上仍只是近期的事情。

LED燈被用在植物栽培上的發展比預測中還要慢的原因有許多,以下就現有的問題來做分析。對於植物生長最重要的光合作用而言,葉綠體最好的吸收光波長在 660 nm左右的紅光,然而一般生活照明所使用的白光LED,其實是用藍光 LED裡塗上黃色螢光粉,因此所呈現的光譜以藍光(450 nm)為主,而植物生長所需的 660nm 紅光則明顯得不足(圖一)。另外,隨著現在一般生活中所使用的 620~630 nm 波長的紅光可被大量量產後,660 nm的紅光 LED則變成特製品,造成植物栽培用 LED的價格居高不下。以日本昭和電工所生產的 LED紅光晶片為例,在 2012年時,專門用於植物栽培的 LED紅光晶片價格比一般紅光晶片要高出將近 10倍。
 

圖一、
LED的光譜分佈圖
 
使用LED燈源在植物栽培照明的開發手法及注意點
早期研究植物工廠栽種的專家並不熟悉 LED的特性,因此採用的 LED照明其實大多不適合於植物工廠的環境,使用數月後,光強度減少的非常快速(即光衰現象非常地嚴重),造成一般植物栽種的專家認為,與其使用擁有適合植物生長波長的 LED燈源,但在光強度不穩定下,不如使用螢光燈來的穩定。這是 LED燈照明設計的缺陷,造成 LED燈的優點無法展現在植物工廠的栽種現場,導致 LED燈在完全人工光型植物工廠的市場推展有一定的難度。 
1. 決定LED波長的組合以及光量
首先,將不同波長的LED裝置在可以調光及調色的實驗裝置下,找出所要栽種的蔬菜、作物的最佳化光質以及光量,光量的測量非常重要,通常是量LED光源下約25公分左右,25公分為大部分葉菜類可以栽培的高度。光量的測量採用光合作用光子通量密度(PPFD)來計算,單位為μmol/m2。完全人工光型植物工廠生產的蔬菜,不僅要注意植物生長(意指整株蔬菜的重量要增重)之外,植物的長相及味道也是非常重要,這些都會嚴重影響到蔬菜的商品價值。因此不僅只有選擇 660 nm紅光讓植物行光合作用、讓植物生長型態良好的藍光(約 450~470 nm左右)的組合,由紅光配合白光可以讓蔬菜的葉子較柔軟,較沒有蔬菜特有的苦味,甚至白光還可由紅、藍、綠光等不同比率來做調整。 s
2. LED發光晶片品質的挑選
在建置LED完全人工光型植物工廠時,所需要的 LED發光晶片可高達 50萬至 100萬片左右,就算是 LED的消費電力較少,其實在整個運轉時,也需要消耗不少電力。換個角度來看,原來家電或是一般生活空間使用的照明設計裡,完全不太需要在乎的發光效率的個體誤差值,若放大數十萬倍時,那所誤差的消耗電力就不得不重視了,在植物栽培用的 LED照明設計裡,必須選擇正向工作電壓VF越接近理論值的優秀結晶品質的 LED晶片,此環節成為開發植物栽培用 LED燈很重要的工作。
 
3. LED配置設計及光利用效率探討
照射均一性的設計上,除了上述的光強度均一之外,還有同時使用不同波長 LED燈來做混色的設計時,其各種不同的波長也能均一地分佈在植物栽種的空間裡。例如紅光與藍光的混合比為 9:1,若是 LED燈源配置不當,混色方法不適當時,10%的藍光不會顯現出對植物生長該有的生長效果,必須在設計初期要配置較原來多的藍光,才能真正達到紅藍光比為 9:1的效果。或是在照明裝置外再加裝透鏡蓋( Lens Cover )、導光板、反射板等手法,找出最適合的混色及配光設計。圖三為強化植物對於光利用率的設計探討……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。
 

圖三、提升光利用率的設計條件探討
 
作者:林意雀/工研院產業服務中心
★完整內容請見下方附檔。

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