浅谈LED植物灯技术

 关于led植物灯技术，本文围绕下述问题展开：

1）哪些波段的光对植物的生长有影响？

2）led做植物灯有什么优势？

3）若以led为植物灯则如何选择led光源参数？

4）有关led植物灯制备的专利是如何？

5）现在的led植物灯是什么样子？

1、光对植物生长的影响

自然光谱中，不同波段的光谱对植物生理的影响为：

280 ~ 315nm 对形态与生理过程的影响极小；

315 ~ 400nnm 叶绿素吸收少，影响光周期效应，阻止茎伸长；

400 ~ 520nm（蓝光） 叶绿素与类胡萝卜素吸收比例zui大，对光合作用影响zui大；

520 ~ 610nm 色素的吸收率不高；

610 ~ 720nm（红光） 叶绿素吸收率低，对光合作用与光周期效应有显著影响；

720 ~ 1000nm 吸收率低，刺激细胞延长，影响开花与种子发芽；

＞1000nm 转换成为热量。

为了更形象的说明光谱对植物生长的影响，本文引用了以下三张来自研究论文的图片，其中图1展示的是太阳光谱与植物生长的关系，图2展示可见光不同波段对植物光合作用大小的影响，图3展示不可波段的光对植物发芽、开花、结果的影响。

图1 太阳光对绿色植物光合作用的影响

图2 可见光对绿色植物光合作用的影响

图3 不同波段的光对绿色植物生长的影响

从上述三张图片中我们可以形象的看到，在可见光波段400 ~ 520nm的蓝光和610 ~ 720nm的红光对植物的生长影响zui大，而在蓝光波段和红光波段中又以450nm的蓝光和660nm的红光对植物的影响显著。

2、led光源做植物灯的优势

由前面的分析我们知道，不同的波段对植物的生长发育具有不同的功效，当要抑制植物的茎生长时可以照射紫外光，当要增加植物光合作用的效益时可以加强蓝光强度，若要调控开花或种子发芽可通过调配红光的比例达到效果。

led具有体积小、重量轻、固态、寿命长、波长特殊、驱动电压较低、光效率高、能耗小、安全、可靠耐用、不容易色衰的优点，且红光led光子具有较大的光通量。另外，led的发光是ⅲ、ⅴ族化合物的发光，具有较窄的波谱，波谱半宽范围从几纳米到几十纳米，在±20 nm左右，波长正好与植物光合成和光形态形成的光谱范围相吻合。因此以led作为植物特殊用途照明，不论在效率或功效都将比用传统光源具有优势，因传统光源一般都为全波段，若以日光灯为光源，需要加一过滤而取得所需特定波长的光，这将减少光的利用率且对于被过滤的光源将有可能转化成热的形式。下图4为led灯和荧光灯影响植物生长的对比图，由图可见以led为光源栽培的蔬菜明显要比以荧光灯栽培的蔬菜茁壮。

图4 不同光源对植物的影响

3、led光源参数的选择

对于光源参数的选择，主要包括了红光与蓝光比例的选择、光源强度的选择以及功率的选择。

3.1红光led与蓝光led比例的选择

从植物生长对红光和蓝光的需求看，植物灯的红蓝灯色谱比例一般在5:1 ~ 10:1之间为宜，通常可选7~ 9:1的比例。当然不同的植物对红光和蓝光的需求会不一样，而不同的植物灯选用的红光led和蓝光led也不一样，因此的比例应该是根据植物的种类和led的性能来选择。

图5 不同红蓝led比例对植物生长的影响

上述图5是台湾某机构用不同比例的红蓝led做的一组实验，实验表明与其它组实验的蔬菜相比，当红/蓝光led的比例为90/10时，所得蔬菜的长势，体重zui重。

为了更形象的说明，红光和蓝光对植物生长的影响，本人引用文献数据，对红光和蓝光对植物的影响作用做进一步分析。如图6、图7和图8所示。

图6 蓝光对植物根部生长的影响

图7 红光对植物茎部生长的影响

图8 红光对植物茎部生长的影响

由图6可知，缺乏蓝光，对植物的根部发育不利。由图7和图8可知，红光尤其红外光有利于植物茎部的伸长，但有红外光时植物的茎部比较纤细。

3.2led光源光照强度的选择

在设计植物灯强度时需要参考植物光合作用的两个关键点，一个是光补偿点，另一个是光饱和点，具体如图9所示。

光补偿点是指 随着光照强度的降低，光合速率相应降低，当光照强度降低到某一数值时，叶片的光合速率等于呼吸速率，净光合速率为零，这时的光照强度称为光补偿点。此时，若要继续使植物进行光合作用，则需要额外光的补偿。

光饱和点则指在光补偿点以上，随光照强度的增强，光合速率相应增大，当达到某一光强时，光合速率就不再随光强的增强而增加，这种现象称为光饱和现象。开始达到zui大光合速率时的光强称为光饱和点。如果外界光照强度大于植物的光饱和点，则会形成光的浪费。

图9 植物光合作用的特点

表1 主要蔬菜品种光照饱和点和光照强度补偿点

上述介绍了光合作用的光补偿点和光饱和点以及一些主要蔬菜在这两个点的值，其具体的作用是根据不同的植物，在制备led植物灯时对灯光强（或功率）的设定。

4、led植物灯的专利制备技术

4.1日本的专利技术

1）专利号jp2006050988a的日本专利公开了一种植物灯的制备方法。

具体为用发光强度相一致的360—410nm左右的紫光芯片、450--480nm左右的蓝光芯片和640--670nm左右的红光芯片按下图14的形式进行封装得到led植物灯。其中植物灯的脉冲电流工作，其脉冲频率如图15所示。

图14 led植物灯的封装形式

图15 led植物灯的工作电流

2）专利号为jp2006261207a的日本专利植物灯的制备。具体用的led波长为蓝色470nm、红色680nm、以及735nm的红外光，然后按不同的配比组合而成。

图16 植物灯的发光波普

3）专利号为jp2001086860a 的日本专利公开了一种led植物灯的制备方法。

该发明以420—470nm的蓝光、640—690nm的红光经如图17所示制备led植物灯。其中红光的光强/蓝光的光强在8:1—12:1的范围。

图18 红、蓝led的组合形式

其中灯具的光强分布设计为：

图18 所得植物灯的光强特点

4.2美国的专利技术

1）专利号为us2004230102a1的美国专利公开了一种植物灯的制备。

该发明专利认为：蓝/红的选择为6—8%，多于8% 的那部分蓝光对光合作用没有产生很大的益处。所以植物灯中led的的组合方式是12只660nm的红光led、6只612nm的橘红色led和1只470nm的蓝光led。同时，专利的实验结果发现：光的照射度不同时，光合作用的效果也不一样，在植物的垂直位置上方，以30°照射植物时，只有10%的光可有效进行光合作用，而以15°照射时，则有50%以上的光可以进行光合作用。

因此该发明的优选是：植物灯led的组合为：12个15°视角的红光led、12个30°视角的红光led，6个15°视角的橘红光led、6个30°视角的橘红光led、2个30°视角的蓝光led。组合如图19、图20所示。

图19 led的排列

其中r为红660nmled 15°、r –为红660nmled 30°、o为橘红612nmled 15°、o –为橘红612nmled 30°、b为465nm蓝led。

图20 led的组合形式

2）专利号为us2010277078a1的美国专利公开了一种led植物灯的制备。

该专利认为在可见光谱中，叶绿素a在450nm附近和660nm附近有zui大的吸收值，且这两个波长范围内的光合作用也是zui大的。

因此该专利以440nm to 460nm的蓝光led和650nm to 670nm的红光led，按蓝光占20% to 40%、红光占60% to 80% （较优为蓝光25%、红光75%）的配比在pcb电路板上制备led植物灯。其中灯具的光束角度为40°to 50°、led光源的光速角度为15° to 25°。

4.3中国的专利技术

1）申请号为200410035485.4的中国专利公开一种高效节能led植物生态灯的制备方法。

具体为由150-210只波长640nm-660nm的led或波长为450nm-460nm的led或以上述两种波长的led组成，该植物生态灯有6-7节，每节25-30只led通过导线并联，各节依次通过导线串联，密封于750cm-1050cm长的现状透明树脂管中，并将各led聚光头露出管外。如图21所示。

图21 led植物灯的组合及排列图

2）申请号为2007100132238.x的中国专利公开了一种高效大功率led光源的植物生长灯的制备方法。

该发明提供一种高效大功率led光源的植物生长灯，包括支架、恒流电源、控制电路及led光源。led光源采用1—10只1—5w的红、蓝光led发光二极管，由红、蓝芯片或复合芯片封装形成光源。之后led光源通过高导热胶贴装在铝基印刷电路板上，led光源中心装有出光透镜，铝基印刷电路板与平板散热器固定连接，平板散热器的两侧则有高效率反光罩。具体如图22所示。

图22 led植物灯的结构图

表2 上述结构的说明表

3）申请号为201010101729的中国专利提出了一种led植物灯的组合方式。

该发明提供一种用于led植物补光的led植物生长灯。具体为：采用红、蓝两色灯珠搭配，均匀安装与基板上。如图23所示。

图23 led植物灯的组合方式

4）申请号为200820115011.4 的中国专利公开了一种用于植物补光的led柔性灯带

该柔性灯带设有一根中空透明绝缘可任意弯曲的软管，内穿一根电线，在电线上焊接led，其中每两个红色led（660nm）中间接一个蓝色led(450nm)。灯带长度可根据需要做相应的调整，其一端完全密封，另一端为电源插头。如图24所示。

图24 柔性led植物灯条

4）申请号为200920059769.5 led的中国专利提出了一种植物灯补光灯具的形状

该实用新型涉及一种led植物补光灯具，它包括led灯体，电源，其特殊之处是：所述的led灯体在两端具有通孔的外壳内腔中，在所述的外壳通孔连接管道风机。该结构的优点是：结构简单、散热快速、寿命长。

图25 led植物灯的结构

5）申请号201010173805.3的中国专利提出了一种太阳能供电的led植物灯

该专利的特点是：led植物灯以太阳能为供电电源，光源由620—625nm的红光和460—465nm的蓝光，在相同功率下，按红光led与蓝光led个数比为9:1—3的比例排列制备。

图26 该led植物灯的结构组成

6）申请号为200710164834.6的中国专利公开了一种红蓝光比例均匀的发光二极管组合方法及其模块。

该发明提供的led植物灯为：选择半值角7°、直径5mm、波长637nm、带宽12nm、在标准工作电流10ma下发光强度为23.5坎德拉的超高亮度红光led圆灯，选择半值角7°、直径5mm、波长459带宽16m、在标准工作电流20ma下发光强度为6坎德拉的超高亮度蓝光led圆灯。以行、列均为8颗led、且红光led和蓝光led一一间隔均匀排列，每颗led周围必为另一色光的led，相邻两颗led的间距为≤2.5mm，并且将上述排列方式的64颗led组成8×8的方阵安装在电路板上制成发光二极管组合模块，并以此模块作为一个单元模块，可按需要进行纵向或横向拼装拓展，且不改变红蓝光量子通量之比r/b分布的均匀性。如图27所示。

图27 led植物灯的排列方式

从上述专利技术的分析可知，led植物灯的制备的关键是红、蓝及红外led灯的比例选择及排布方式，led灯可以直接安装在电路板上。

5、led植物灯产品实例

为了更直观的说明上述所述的内容，本文选择了几款现有的植物灯来说明。

1）产品的应用实例

2）产品实物（小功率）

3）产品实物（大功率）

4）产品实物（防水型）

6、总结

1）在可见光波段，400 ~ 520nm的蓝（或蓝绿）光和610 ~ 720nm的红光对植物的生长zui有利，而在上述蓝光波段和红光波段中又以450nm左右的蓝光和660nm左右的红光对植物生长的益处zui显著，红光促进植物发芽、开花，蓝光促进植物生长。

2）红光可选用620-660nm波长的红光led（640-660nm更佳），蓝光可选用波长450-480nm的led（ 460-470nm更佳），可以外加710-730nm的红外光led。植物灯的红蓝灯色谱比例一般在5:1 ~ 10:1之间为宜，通常优选7:1~ 9:1的比例。

3）led植物灯光照强度以及功率的选择，可以参考不同植物的光补偿点和光饱和点而设定。

4）led植物制备技术不复杂，关键是解决led植物灯的散热和配光。