植物生長燈使用之生物光源色溫與特性需求

  • 魏淑芳

DIGITIMES企劃

使用輔助光源刺激或引導農作物、植物生長,其實已是常見的種植技術,但傳統燈具雖在亮度、植物生長改善效益顯著,但傳統生長輔助燈具仍有耗能大、壽命短等問題,在節能與效益考量方面已不是LED植物生長輔助燈具的對手,LED植物生長輔助燈具在光源能耗優化、特定波長控制不僅更精確,使用效益也遠遠超越傳統輔助燈具效果…

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紅光/藍光LED混光組合的植物生長燈,會形成看起來極不舒適粉紅色光,但實際上卻是挹注植物光合作用最佳化的配光成果。(Roleadro)
不同燈具照明亮度對應之功耗。

在農業或是植物培育用途方面,使用人工光源輔助改善因為天候或日照問題、導致植物光合作用無法達到最大效用的用途,其實已相當普遍,但需注意的是植物用的輔助光源其實是有目的性的用途,設置的重點在改善植物生長的某些反應或成果,透過實務試作也能驗證人工光源對控制植物生長條件與對應改變,這也讓科技化種植的效益與需求逐漸產生。

人工光源可克服天候限制  改善作物產能

從實務的角度檢視,人工光源在不同色溫表現與亮度的流明數,其實不光只是人類視覺的效果差異,而是可以直接左右植物生長狀態,因為人工光源直接影響的是植物對「光」行光合作用的結果,不僅是可見光的光色差異,而是不同光譜範圍、流明數的差異,因此檢視人工光源的效益重心應該放在更具體的光源光譜、光照強度差異,反而人眼觀看的視覺差異就不是那麼重要。

透過反覆實驗驗證,植物生長對不同人工光源的光譜、照明強度,其實在不同波長光度照射下,其植物產生之光合作用影響是有很大的不同的,在植物所需的光照中,對400∼520nm、610∼720nm可對一般植物生長之光合作用有顯著效用。

綠色光線(520∼610nm)光照反而對植物行使光合作用的生長功效影響的比率相當低,甚至可以忽略不計,可以合理推斷,若是針對提升生長速度的經濟性農作物而言,自然可以導入藍、紅色對應光譜的人工光源輔助,加強其生長效益。

泛用型植物生長燈  鎖定紅/藍光混色LED光源

這也是為什麼,常見的泛用型植物生長燈,大多會鎖定400∼520nm(藍色)及610∼720nm(紅色)波長的光源,透過對植物生長有直接效益的光譜光源去提升其生長效果,一般這類人工光源的植物燈生長燈,大多會做成紅/藍色光組合、或是全藍/全紅色光等三種樣式,以提供可助長植物光合作生長效益的紅/藍波長光線,透過人造光源覆蓋植物種植面,以提升光合作用所需的光照波長範圍。而在實際應用場合,紅/藍光合成的人工光源,其實會產生人眼極不舒適的粉紅色混合光,雖然在人眼視覺體驗相當差,但實際對植物生長的助益卻是相對顯著。

實際在植物對不同人造光不同波段光譜照射的差異,也可透過驗證有更細分的差異表現。若以一般照明用的LED白光元件,最常見的是採用藍光晶片發光、搭配黃色之螢光粉調整光色,雖然產生了人體視覺上的白光體驗,但實際的照明光譜卻是落在445nm藍光區塊、550nm黃光區塊為主,反而是挹注植物成長的610∼720nm光譜範圍在助長效益反而不明顯,這也是為什麼使用白光LED照射植物卻無法達到如一般日照的植物成長效益的原因。

植物生長燈光源配置學問大  光源配置比例直接影響作物成長

檢視現有市售的植物生長燈,若是紅、藍光整合型輔助光源設計,會發現紅/藍光發光源的配置會在10:1或5:1比例上,一般來說紅光是對生長助益最顯著,其次為藍光,綜合下來的效果才有成長加乘的效用,混光的實際植物助長效益會依不同種類植物而略有差異,實際導入仍需視種植現況進行反覆測試與調試出最佳組合,需注意的是紅/藍色光的比例基準不應以發光元件數量進行對比,因為紅/藍光發光元件本身的光效率就有極大差距,應該以紅、藍光各自的流明數(亮度)對比參照,才能抓出較合理的混光比例。

應用人造光源加強生長的設置條件,人工光源若離植物過遠、會使光照效益遞減,人工光源亦不能與植物距離過近,一般在光源設置上會採取距離植物葉面高度約50公分上下,針對不同植物類型還需額外考量光照強度,避免影響其生長效率。

針對不同植物類型,有葉菜類、果實類、通用類型等,例如葉菜類光源紅光/藍光配置使用4:1為最佳化狀態,果實類如草莓或是類似果實經濟作物,則使用5:1紅/藍混光為優先,若是一般通用植物助長輔助,則可選7:1或8:1紅/藍光比例配置。

針對不同種植植物樣態  光源與照射型式也需注意

對植物助長輔助人工光源應用,可用於植物種苗培育、蔬果種植、園藝設施等場合,而利用LED光源效益相當多,例如透過LED光源可以搭配組合多種波長照明發光源,透過組合光源或混光,可以針對不同植物類型所需生長加速需求配置對應波長、照明亮度、配色比例等,當然輔助光源也可用單一光譜範圍進行人造光組態配置,或是透過混光組合進行配置,以獲得更純正的單色光、或是利用複合發光元件產生複合人造光源效果。

透過人造光源輔助,可以運用輔助光源讓日照不足的種植區域或是天候限制,透過人造光延長或仿日照時間拉長,增加光合作用效益,直接縮短作物產期,亦可調節作物之開花、結實速度,甚至透過亮度調校達到控制植栽株高與植物營養成分供給效用。

LED光源優勢  植物生長輔助效益提升

人造光源採LED光源後,其實優勢相當多,除了人工光源採LED可以更確實掌握光源提供的光譜範圍,同時,透過發光元件配置數量差異,精確調整配色光源的照射比例,而LED發光元件本身亦可在燈具散熱、發光效能、光源體積、光源壽命等達到比常規人造光源更優異的表現,也可因為極薄、低發熱的光源設計,讓植物種植槽架做最小化的光源空間配置,讓室內種植坪效更有效被發揮。

檢視光源特性會發現,LED光源擁有更高效的發光效率,其光源產生的90%光能均可被植栽所吸收,相較傳統高壓納燈與鹵素燈具較低的植物吸收率光效,甚至光衰更小、壽命長達5萬小時,在人工光源的耐用性、照明成本都能有效壓縮,令相關產業開始關注。

更進一步檢視植物生長燈具的技術參數,LED植物生長燈具在生產燈殼時,由於LED為點發光運行溫度集中於單點,多數會採金屬燈殼以利燈具整體散熱,配置電力系統也會針對不同區域需求,提供110V∼220V外部電力驅動光源設計,更便於部署於不同供電區域的配置需求。部分產品另配置主動散熱風扇,針對發光源LED產生的熱度進行主動散熱,提升光源電子電路與硬體的使用年限。

而使用LED光源的效益相當多,一方面LED可以產生與植物成長有助益的光譜範圍(300~800nm)範圍內的極窄光譜色光,因為不同LED配置,如晶片、螢光粉配置不同,就可以產生極精準的光譜範圍內的光色。

透過針對植物助長特性需求進行配置組合,即可達到所需的特殊光源要求,加上LED本身即具低溫光源特性,照射過程不會影響植物種植區塊的溫/濕度條件,加上直流電驅動發光、低電壓等特性,甚至可銜接自動控制模組組成智慧光源系統,達到環保、高效率、小體積等多項優勢,現在已經成為智慧植物種植的最佳化理想光源選項。

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