關于led植物燈技術，本文圍繞下述問題展開：

1）哪些波段的光對植物的生長有影響？

2）led做植物燈有什么優(yōu)勢？

3）若以led為植物燈則如何選擇led光源參數？

4）有關led植物燈制備的專利是如何？

5）現在的led植物燈是什么樣子？

1、光對植物生長的影響

自然光譜中，不同波段的光譜對植物生理的影響為：

280 ~ 315nm 對形態(tài)與生理過程的影響極小；

315 ~ 400nnm 葉綠素吸收少，影響光周期效應，阻止莖伸長；

400 ~ 520nm（藍光） 葉綠素與類胡蘿卜素吸收比例Zui大，對光合作用影響Zui大；

520 ~ 610nm 色素的吸收率不高；

610 ~ 720nm（紅光） 葉綠素吸收率低，對光合作用與光周期效應有顯著影響；

720 ~ 1000nm 吸收率低，刺激細胞延長，影響開花與種子發(fā)芽；

＞1000nm 轉換成為熱量。

為了更形象的說明光譜對植物生長的影響，本文引用了以下三張來自研究論文的圖片，其中圖1展示的是太陽光譜與植物生長的關系，圖2展示可見光不同波段對植物光合作用大小的影響，圖3展示不可波段的光對植物發(fā)芽、開花、結果的影響。

圖1 太陽光對綠色植物光合作用的影響

圖2 可見光對綠色植物光合作用的影響

圖3 不同波段的光對綠色植物生長的影響

從上述三張圖片中我們可以形象的看到，在可見光波段400 ~ 520nm的藍光和610 ~ 720nm的紅光對植物的生長影響Zui大，而在藍光波段和紅光波段中又以450nm的藍光和660nm的紅光對植物的影響顯著。

2、led光源做植物燈的優(yōu)勢

由前面的分析我們知道，不同的波段對植物的生長發(fā)育具有不同的功效，當要抑制植物的莖生長時可以照射紫外光，當要增加植物光合作用的效益時可以加強藍光強度，若要調控開花或種子發(fā)芽可通過調配紅光的比例達到效果。

led具有體積小、重量輕、固態(tài)、壽命長、波長特殊、驅動電壓較低、光效率高、能耗小、安全、可靠耐用、不容易色衰的優(yōu)點，且紅光led光子具有較大的光通量。另外，led的發(fā)光是ⅲ、ⅴ族化合物的發(fā)光，具有較窄的波譜，波譜半寬范圍從幾納米到幾十納米，在±20 nm左右，波長正好與植物光合成和光形態(tài)形成的光譜范圍相吻合。因此以led作為植物特殊用途照明，不論在效率或功效都將比用傳統(tǒng)光源具有優(yōu)勢，因傳統(tǒng)光源一般都為全波段，若以日光燈為光源，需要加一過濾而取得所需特定波長的光，這將減少光的利用率且對于被過濾的光源將有可能轉化成熱的形式。下圖4為led燈和熒光燈影響植物生長的對比圖，由圖可見以led為光源栽培的蔬菜明顯要比以熒光燈栽培的蔬菜茁壯。

圖4 不同光源對植物的影響

3、led光源參數的選擇

對于光源參數的選擇，主要包括了紅光與藍光比例的選擇、光源強度的選擇以及功率的選擇。

3.1紅光led與藍光led比例的選擇

從植物生長對紅光和藍光的需求看，植物燈的紅藍燈色譜比例一般在5:1 ~ 10:1之間為宜，通?？蛇x7~ 9:1的比例。當然不同的植物對紅光和藍光的需求會不一樣，而不同的植物燈選用的紅光led和藍光led也不一樣，因此的比例應該是根據植物的種類和led的性能來選擇。

圖5 不同紅藍led比例對植物生長的影響

上述圖5是中國臺灣某機構用不同比例的紅藍led做的一組實驗，實驗表明與其它組實驗的蔬菜相比，當紅/藍光led的比例為90/10時，所得蔬菜的長勢，體重Zui重。

為了更形象的說明，紅光和藍光對植物生長的影響，本人引用文獻數據，對紅光和藍光對植物的影響作用做進一步分析。如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 藍光對植物根部生長的影響

圖7 紅光對植物莖部生長的影響

圖8 紅光對植物莖部生長的影響

由圖6可知，缺乏藍光，對植物的根部發(fā)育不利。由圖7和圖8可知，紅光尤其紅外光有利于植物莖部的伸長，但有紅外光時植物的莖部比較纖細。

3.2led光源光照強度的選擇

在設計植物燈強度時需要參考植物光合作用的兩個關鍵點，一個是光補償點，另一個是光飽和點，具體如圖9所示。

光補償點是指 隨著光照強度的降低，光合速率相應降低，當光照強度降低到某一數值時，葉片的光合速率等于呼吸速率，凈光合速率為零，這時的光照強度稱為光補償點。此時，若要繼續(xù)使植物進行光合作用，則需要額外光的補償。

光飽和點則指在光補償點以上，隨光照強度的增強，光合速率相應增大，當達到某一光強時，光合速率就不再隨光強的增強而增加，這種現象稱為光飽和現象。開始達到Zui大光合速率時的光強稱為光飽和點。如果外界光照強度大于植物的光飽和點，則會形成光的浪費。

圖9 植物光合作用的特點

表1 主要蔬菜品種光照飽和點和光照強度補償點

上述介紹了光合作用的光補償點和光飽和點以及一些主要蔬菜在這兩個點的值，其具體的作用是根據不同的植物，在制備led植物燈時對燈光強（或功率）的設定。

4、led植物燈的專利制備技術

4.1日本的專利技術

1）專利號jp2006050988a的日本專利公開了一種植物燈的制備方法。

具體為用發(fā)光強度相一致的360—410nm左右的紫光芯片、450--480nm左右的藍光芯片和640--670nm左右的紅光芯片按下圖14的形式進行封裝得到led植物燈。其中植物燈的脈沖電流工作，其脈沖頻率如圖15所示。

圖14 led植物燈的封裝形式

圖15 led植物燈的工作電流

2）專利號為jp2006261207a的日本專利植物燈的制備。具體用的led波長為藍色470nm、紅色680nm、以及735nm的紅外光，然后按不同的配比組合而成。

圖16 植物燈的發(fā)光波普

3）專利號為jp2001086860a 的日本專利公開了一種led植物燈的制備方法。

該發(fā)明以420—470nm的藍光、640—690nm的紅光經如圖17所示制備led植物燈。其中紅光的光強/藍光的光強在8:1—12:1的范圍。

圖18 紅、藍led的組合形式

其中燈具的光強分布設計為：

圖18 所得植物燈的光強特點

4.2美國的專利技術

1）專利號為us2004230102a1的美國專利公開了一種植物燈的制備。

該發(fā)明專利認為：藍/紅的選擇為6—8%，多于8% 的那部分藍光對光合作用沒有產生很大的益處。所以植物燈中l(wèi)ed的的組合方式是12只660nm的紅光led、6只612nm的橘紅色led和1只470nm的藍光led。同時，專利的實驗結果發(fā)現：光的照射度不同時，光合作用的效果也不一樣，在植物的垂直位置上方，以30°照射植物時，只有10%的光可有效進行光合作用，而以15°照射時，則有50%以上的光可以進行光合作用。

因此該發(fā)明的優(yōu)選是：植物燈led的組合為：12個15°視角的紅光led、12個30°視角的紅光led，6個15°視角的橘紅光led、6個30°視角的橘紅光led、2個30°視角的藍光led。組合如圖19、圖20所示。

圖19 led的排列

其中r為紅660nmled 15°、r –為紅660nmled 30°、o為橘紅612nmled 15°、o –為橘紅612nmled 30°、b為465nm藍led。

圖20 led的組合形式

2）專利號為us2010277078a1的美國專利公開了一種led植物燈的制備。

該專利認為在可見光譜中，葉綠素a在450nm附近和660nm附近有Zui大的吸收值，且這兩個波長范圍內的光合作用也是Zui大的。

因此該專利以440nm to 460nm的藍光led和650nm to 670nm的紅光led，按藍光占20% to 40%、紅光占60% to 80% （較優(yōu)為藍光25%、紅光75%）的配比在pcb電路板上制備led植物燈。其中燈具的光束角度為40°to 50°、led光源的光速角度為15° to 25°。

4.3中國的專利技術

1）申請?zhí)枮?00410035485.4的中國專利公開一種高效節(jié)能led植物生態(tài)燈的制備方法。

具體為由150-210只波長640nm-660nm的led或波長為450nm-460nm的led或以上述兩種波長的led組成，該植物生態(tài)燈有6-7節(jié)，每節(jié)25-30只led通過導線并聯(lián)，各節(jié)依次通過導線串聯(lián)，密封于750cm-1050cm長的現狀透明樹脂管中，并將各led聚光頭露出管外。如圖21所示。

圖21 led植物燈的組合及排列圖

2）申請?zhí)枮?007100132238.x的中國專利公開了一種高效大功率led光源的植物生長燈的制備方法。

該發(fā)明提供一種高效大功率led光源的植物生長燈，包括支架、恒流電源、控制電路及l(fā)ed光源。led光源采用1—10只1—5w的紅、藍光led發(fā)光二極管，由紅、藍芯片或復合芯片封裝形成光源。之后led光源通過高導熱膠貼裝在鋁基印刷電路板上，led光源中心裝有出光透鏡，鋁基印刷電路板與平板散熱器固定連接，平板散熱器的兩側則有高效率反光罩。具體如圖22所示。

圖22 led植物燈的結構圖

表2 上述結構的說明表

3）申請?zhí)枮?01010101729的中國專利提出了一種led植物燈的組合方式。

該發(fā)明提供一種用于led植物補光的led植物生長燈。具體為：采用紅、藍兩色燈珠搭配，均勻安裝與基板上。如圖23所示。

圖23 led植物燈的組合方式

4）申請?zhí)枮?00820115011.4 的中國專利公開了一種用于植物補光的led柔性燈帶

該柔性燈帶設有一根中空透明絕緣可任意彎曲的軟管，內穿一根電線，在電線上焊接led，其中每兩個紅色led（660nm）中間接一個藍色led(450nm)。燈帶長度可根據需要做相應的調整，其一端完全密封，另一端為電源插頭。如圖24所示。

圖24 柔性led植物燈條

4）申請?zhí)枮?00920059769.5 led的中國專利提出了一種植物燈補光燈具的形狀

該實用新型涉及一種led植物補光燈具，它包括led燈體，電源，其特殊之處是：所述的led燈體在兩端具有通孔的外殼內腔中，在所述的外殼通孔連接管道風機。該結構的優(yōu)點是：結構簡單、散熱快速、壽命長。

圖25 led植物燈的結構

5）申請?zhí)?01010173805.3的中國專利提出了一種太陽能供電的led植物燈

該專利的特點是：led植物燈以太陽能為供電電源，光源由620—625nm的紅光和460—465nm的藍光，在相同功率下，按紅光led與藍光led個數比為9:1—3的比例排列制備。

圖26 該led植物燈的結構組成

6）申請?zhí)枮?00710164834.6的中國專利公開了一種紅藍光比例均勻的發(fā)光二極管組合方法及其模塊。

該發(fā)明提供的led植物燈為：選擇半值角7°、直徑5mm、波長637nm、帶寬12nm、在標準工作電流10ma下發(fā)光強度為23.5坎德拉的超高亮度紅光led圓燈，選擇半值角7°、直徑5mm、波長459帶寬16m、在標準工作電流20ma下發(fā)光強度為6坎德拉的超高亮度藍光led圓燈。以行、列均為8顆led、且紅光led和藍光led一一間隔均勻排列，每顆led周圍必為另一色光的led，相鄰兩顆led的間距為≤2.5mm，并且將上述排列方式的64顆led組成8×8的方陣安裝在電路板上制成發(fā)光二極管組合模塊，并以此模塊作為一個單元模塊，可按需要進行縱向或橫向拼裝拓展，且不改變紅藍光量子通量之比r/b分布的均勻性。如圖27所示。

圖27 led植物燈的排列方式

從上述專利技術的分析可知，led植物燈的制備的關鍵是紅、藍及紅外led燈的比例選擇及排布方式，led燈可以直接安裝在電路板上。

5、led植物燈產品實例

為了更直觀的說明上述所述的內容，本文選擇了幾款現有的植物燈來說明。

1）產品的應用實例

2）產品實物（小功率）

3）產品實物（大功率）

4）產品實物（防水型）

6、總結

1）在可見光波段，400 ~ 520nm的藍（或藍綠）光和610 ~ 720nm的紅光對植物的生長Zui有利，而在上述藍光波段和紅光波段中又以450nm左右的藍光和660nm左右的紅光對植物生長的益處Zui顯著，紅光促進植物發(fā)芽、開花，藍光促進植物生長。

2）紅光可選用620-660nm波長的紅光led（640-660nm更佳），藍光可選用波長450-480nm的led（ 460-470nm更佳），可以外加710-730nm的紅外光led。植物燈的紅藍燈色譜比例一般在5:1 ~ 10:1之間為宜，通常優(yōu)選7:1~ 9:1的比例。

3）led植物燈光照強度以及功率的選擇，可以參考不同植物的光補償點和光飽和點而設定。

4）led植物制備技術不復雜，關鍵是解決led植物燈的散熱和配光。