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植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

文章作者:照明工业 上传时间:2019-09-12

1. 国内外主流植物照明封装厂技术及产品研究现状

据统计,世界人口从1950年的25亿飙升到2016年的74亿,成长约3倍之巨。预估到2050年就会破100亿大关。毫无悬念地,人口爆炸必将造成资源吃紧。而在传统农业上,为因应激增的需求量,已陆续寻找高生产率及节能的解决方案。因此有人预期,植物工厂及农业照明将会在解决气候不稳定和供需平衡中担当重任。 有专家分析表示,LED应用于植物照明的市场前景相当乐观,预期市场规模将快速增长。2017年植物照明市场规模约为6.9亿美元,其中LED灯具为1.93亿美元,预估到2020年植物照明市场将成长至14.24亿美元,LED灯具将成长至3.56亿美元。 与此同时,我们可以看到,美国市场主要照明厂商已加紧布局植物照明与工程照明,并预计于2017年将有明显的营收提升,因此占比也将提高至35;包括中国的市场,在近两年也逐渐成为国内外厂商布局的区域市场,比如日本三菱化学要于2017年在中国建造50个植物工厂,而国内的中科三安也大笔投入植物工厂建设,将进一步拉动市场需求。中国市场占比从2016年的12上升到2017年的15。 无疑,LED植物照明作为植物工厂的重要一环,引来了为数不少LED照明相关企业跃跃欲试,纷纷布局植物照明领域。在本文里,小编将会综合介绍到近期几家LED国际巨头在植物照明方面的新动作及取得的成果。并将着重谈到以东芝为代表的日本LED植物工厂,在近年来的起落浮沉,所折射出植物工厂目前存在现实问题,以及对植物照明在未来前途命运的关注。以供参详。 热火朝天:大厂巨头积极进入植物照明领域 一、欧司朗:LED新产品树立植物照明领域多项新标准 欧司朗光电半导体近期发布的一款能促进植物健康生长的 LED 原型:Oslon Square Hyper Red,树立植物照明领域多项新标准,这款高功率LED集成的芯片更大,拥有更高的辐射通量,能为商业温室植物照明提供效率。由于这款第三代 2 W 级 LED 发射特性得到改善,光输出更高,耐腐蚀性出众,因此,采用 Oslon Square Hyper Red 的植物照明系统,将具有很高的性价比。新款高功率LED将会比之前的产品更加强大。此外,一个 Oslon Square Hyper Red 可替换两个 Oslon SSL LED。而且,由于其采用与现有 Oslon SSL 版本相同的封装尺寸,因此很容易进行替换。这款 LED 预计将于2017年底开始批量生产。 植物生长需要两种基本要素:水和光。如今,借助波长不同的LED,商业种植者可以控制植物生长的各个阶段。借助 Oslon Square Hyper Red 原型的 660 nm 波长,可以控制植物开花阶段的生长。加上 450 nm 的深蓝光版本和 730 nm 的远红光,欧司朗的 Oslon 系列足以涵盖了植物生长的整个过程。据介绍,这款高功率 LED 原型集成有2 m㎡的芯片,性能更加出色。开发人员采用了新技术,在电流为 700 mA、工作温度为 25℃ 时,典型辐射功率可达到 905 mW,辐射效率可达到 60。这意味着,与目前的 Oslon SSL 相比,辐射功率提高了 13,辐射效率提高了 25。Oslon Square Hyper Red 的光束角为 120。 二、亿光:全系列农业LEDs机种满足各种动植物生长需 亿光电子工业股份有限公司近日于美国展示了开发的全系列农业LEDs,当中包括了各式不同尺寸的高功率、中功率及低功率产品,以满足各种动植物在不同生长环境的需求,期望达到动植物成长大化及节能的目标。亿光农业照明LEDs的优势不仅仅是提供因时制宜地的波长、功率及尺寸,更是业界首次将单色光投入LM-80测试的公司,有效确保客户对LED使用寿命的要求。 该全系列农业LEDs波长涵盖完整的PAR 450nm~730nm。据介绍,其中高功率均使用专用陶瓷基板有效提升散热性,其中EAHP3535 (3.5x3.5x2.03mm) Royal Blue 450nm可操作到4.5W也可以达到WPE65,EAHP3535 (3.5x3.5x2.03mm) Deep Red 660nm 可达4.7的PPF,以利提供好的光合作用加速农作物生长。同时,它也推出两款中型中功率产品EAHP3030 (3.0x3.0x0.63mm) 及EAHP2835 (2.8x3.5x0.65mm),尺寸轻巧,适用于植物工厂或垂直式种植。客户可依据种植环境所需波长、功率、瓦数及尺寸等做应用。

光是植物生长发育的基本环境因素。光照不仅通过光合作用供应植物生长所需的能量,还是植物生长发育的重要调控因子。通过人工光补充或全人工光照射植物,可以促进植物生长,提高产量,改善产品形态、色泽,提升功能成分等,还可以减少病虫害的发生。今天将和大家一起分享植物照明产业的发展现状与趋势。

随着LED照明技术的发展,众多企业纷纷从竞争惨烈的通用照明市场转战植物、UV LED等特种照明应用领域,国内外照明巨头也纷纷布局植物照明领域,其应用市场逐渐成为LED行业发展的新方向。目前,LED植物照明应用市场主要集中在欧美、日本等LED技术前沿以及从事农业人员较少的国家 , 国内紧跟其后。国外公司主要包括:德国Osram、西门子,美国Cree、Lumileds,日本日亚、三菱、夏普等;国内公司主要包括:台湾亿光、鸿海、台积电, 大陆中科三安、鸿利、瑞丰、添光彩、巨宏光电等也一直在进行相关产品的开发。

人工光源技术在植物照明领域的应用越来越广泛,LED以其光效高、发热低、体积小、寿命长等诸多优点,在植物照明领域应用的优势明显,植物照明灯也将逐渐以LED照明灯具为主。

LED植物照明应用被认为是21世纪解决世界资源、人口和环境问题的重要途径。1949年,美国园艺学家和植物学家在加州建立了第一座人工气候室,其出现就是植物工厂的早期模型,为植物工厂的发展和完善进行了成功的探索和实践,并引发了模拟生态环境领域里的一场风暴。随后,日本和前苏联也先后建立了这种人工气候室。

一、LED植物照明产业的发展现状

从某种意义上说,1957年丹麦在哥本哈根市郊约克里斯顿农场真正建起了世界上第一座真正意义上的植物工厂,因为其规模达到了1000m?,采用人工光和太阳能并用技术,从播种到收获采用全自动传送带流水作业,且产400万袋水芹,而这些是植物工厂的重要特征。2009年,中环易达在吉林长春建成200m?植物苗工厂,此植物苗工厂采用LED光源。2010年,日本三菱化学用大型集装箱改造植物工厂,并以LED光源进行农作物的光合作用,2012年首套LED照明的植物工厂系统用来栽培莴苣和嫩叶菜,并于当年开始销售,从而拉开LED植物照明的帷幕。2014年松下在新加坡启动了该国政府批准的首座室内蔬菜工厂,生产品种为红叶生菜等10种蔬菜,年产量3.6吨。2015年,中科三安在福建安溪拟建植物工厂,2016年6月运用自有知识产权技术建成国际上单体面积最大的首栋1万平方米的生长环境全智慧控制的植物工厂并正式投产,日产绿色无污染、高质量蔬菜1.5吨,7月,首条金线莲生产线投产,标志中科三安开始药用植物工厂种植的产业化发展。2017年10月,飞利浦将HPS顶光照明和Philips GrennPower LED植株间照明模组高输出型结合,为新建温室安装超过26000个GreenPower LED植株间照明模组,覆盖10.6公顷总面积。目前,人工光源技术在植物照明领域的应用越来越广泛,特别是LED以其光效高、发热低、体积小、寿命长、调光技术等诸多优点,在植物照明领域优势越来越明显。

1.植物照明封装

植物灯的光谱主要为红蓝以及远红配合,常规光源光谱变化大,分布不均,而LED光源的光谱可以根据种植工艺要求进行设计,同时,LED光源的光谱可以通过调光技术实现可变光谱的控制,是目前唯一可以实现可变光谱的植物灯光源,可变光谱技术主要是针对光形态控制,普通植物灯通过光周期的调整也是可以调节,但应用成本会提高很多。随着植物照明快速发展,准确客观地评价照明产品以及现场照明环境越来越受到关注,有必要从两点出发考虑对植物照明的评价,一是植物健康生长需求,二是充分节能环保的照明。

在植物照明封装领域,封装器件种类繁多而无统一测量评判标准体系,国外大厂主要在大功率、COB和模组方向,兼顾植物照明白光系列,结合植物生长特性和人性化照明环境,较国内产品在可靠性、光效、不同植物不同生长周期光合辐照特性研究等方面有较大的技术优势,包括了各式不同尺寸的高功率、中功率及低功率产品,以满足各种植物在不同生长环境的需求,期望达到植物成长最大化及节能的目标。

在植物照明封装领域,封装器件种类繁多而无统一测量评判标准体系,涉及此领域的厂家包括深圳阿凡达旗下子公司添光彩的2835/5730系列单色光和白光产品等,深圳瑞丰光电子的PCT2835单色光以及XC3535红、蓝单色光产品等。台湾地区厂家包括各种尺寸的高功率、中功率及低功率产品,如亿光的2835/3030单色光与3535单色光和白光产品。国外大厂主要在大功率、COB和模组方向,兼顾植物照明白光系列,结合植物生长特性和人性化照明环境,较国内产品,其在可靠性、光效、不同植物不同生长周期光合辐照特性研究等方面有较大的技术优势。

芯片外延片大量的核心专利仍掌握在日本日亚、美国科锐等早期领跑企业手中,国内芯片厂商仍缺乏具有市场竞争力的专利产品。同时很多公司在植物照明封装芯片领域也在开发新的技术,如欧司朗薄膜芯片技术令芯片紧密地封装在一起,创造出大面积照明表面,基于该技术的波长为660nm的高效LED灯具系统可降低栽培区内40%的能耗。

Lumileds推出LUXEON SunPlus3030/2020/COB植物照明系列LED芯片,导入光合作用光子通量(Photosynthetic Photon Flux,PPF) 以确保能够系统设计出植物生长灯─提供特定的波长作为温室、垂直农场和其他植物生长应用。欧司朗光电半导体的陶瓷3030借助Oslon Square Hyper Red原型的660nm波长,再加上450nm的深蓝光和730nm的远红光,Oslon系列完美涵盖了植物生长的整个过程。2017年在美国费城举办的照明展上,欧司朗光电半导体展示一款能促进植物健康生长的LED原型:Oslon Square Hyper Red,这款第三代2W级LED发射特性得到改善,光输出更高,耐腐蚀性出众,采用Oslon Square Hyper Red的植物照明系统具有很高的性价比。台湾亿光在美国也展示了开发的波长涵盖完整的PAR 450nm ~ 730nm全系列农业LEDs,当中包括了各式不同尺寸的高功率、中功率及低功率产品,以满足各种植物在不同生长环境的需求,期望达到植物成长最大化及节能的目标。

2.植物照明光谱与器件

芯片外延片作为植物照明封装领域的重要组成部分,其大量的核心专利仍掌握在日本日亚、美国科锐等早期领跑企业手中,国内芯片厂商仍缺乏具有市场竞争力的专利产品。其中三安光电开发的基于Si衬底的AlGaInP R6(650-670nm)、R7(680-700nm)、R8(720- 740nm)系列植物照明应用封装芯片。台湾晶元AlGaInP 660nm芯片调整磊晶结构提升量子井发光效率外,在晶片制程端亦导入新的技术平台,提高外部发光效率,开发出WPE≈40~44%660nm LED产品 ,将产品效能再提升。国外芯片厂商利用核心专利拥有很大的市场占有率,同时很多公司在植物照明封装芯片领域也在开发新的技术,如欧司朗基于薄膜技术令芯片紧密地封装在一起,创造出大面积照明表面,将波长660nm的高效LED节能40%。

植物照明的光谱比较复杂,多样化,不同植物不同的生长周期甚至在不同的生长环境下,所需的光谱都存在较大的差异。为了满足这些差异化的需求,目前业界内有以下几种方案:①多种单色光组合方案,以对植物光合作用最有效的峰值为450nm、660nm的光谱和对植物开花诱导的730nm波段这三段光谱为主,再加525nm的绿光以及低于380nm的紫外波段,这几种光谱依照植物的不同需求而组合出最适宜的光谱。②全光谱方案,实现植物需求光谱全覆盖,以首尔半导体、三星为代表的SUNLIKE,此类光谱未必是最高效的,但适用于所有植物,而且成本较单色光组合方案低很多。③以全光谱白光为主,加上660nm的红光组合方案,来提高光谱的有效性。这种方案比较经济实用。

目前涉及植物照明产业链的公司和机构如下图所示:

植物照明单色光(主要波长为450nm、660nm、730nm)封装器件,国内外多家公司均涵盖,而国内产品种类较为繁杂,规格较多,国外厂家产品较为标准化,同时在光合光子通量、光效等上国内与国外封装大厂仍存在较大差距。植物照明单色光封装器件除了主要波段为450nm、660nm、730nm的产品,很多厂家也在开发其他波段的新产品,实现产品完整的光合有效辐射(photo-synthetically active radiation,PAR)波长涵盖(450-730nm)。

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单色光LED植物生长灯并非适用于任何植物的生长,全光谱LED的优势因此而凸显,全光谱首先要达到可见光全光谱(400-700nm)全覆盖,另外要提高蓝绿光(470-510nm)、深红光(660-700nm)两波段的表现。用普通蓝光LED或者紫外LED芯片搭配荧光粉做到“全”光谱,其光合效率各有高低。植物照明白光LED封装器件大部分厂家采用Blue chip 荧光粉实现全光谱。植物照明封装器件除了单色光和蓝光或紫外芯片加荧光粉实现白光的封装模式外,还有一种使用两种或者两种以上波长芯片复合封装的模式,比如红十蓝/紫外、RGB、RGBW。这种封装模式在调光方面有很大优势。

在窄波长LED产品方面,大部分封装供应商能够为客户提供365-740nm波段的各种波长产品。在荧光粉转换的植物照明光谱方面,绝大多数封装厂家都有多种光谱供客户选择。相比2016年,2017年其销售增长率取得了较大幅度的增长,其中660nm LED光源的增长率集中在20%-50%,而荧光粉转换植物LED光源的销售增长率达到50%-200%,即荧光粉转换植物LED光源的销售增长更快。

所有封装公司都可以提供0.2-0.9 W和1-3 W的通用型封装产品,这些光源让灯具厂商在灯具设计时有很好的灵活性。此外部分厂商还提供更高功率集成封装产品。目前大部分厂商的出货超过80%都是0.2-0.9 W或1-3 W。其中,国际领先封装企业出货集中在1-3 W,而中小型封装企业的出货集中在0.2-0.9 W。

3.植物照明应用的领域

从应用的领域看,植物照明灯具主要应用在温室补光、全人工光植物工厂、植物组织培养、大田补光、家庭蔬菜及花卉种植以及实验室研究。

①在日光温室和连栋温室中,采用人工光进行补光的比例仍旧较低,而且以金卤灯和高压钠灯为主,LED植物照明系统的渗透率较低,但是增长速度随着成本的下降开始加速,主要原因是使用者对金卤灯和高压钠灯已经具有较长时间的使用经验,而且采用金卤灯和高压钠灯在避免灼伤植物的同时,也为温室提供了约6%一8%的热能。而LED植物照明系统没有提供具体、有效的使用说明和数据支持,延缓了其在日光和连栋温室中的应用。目前仍旧以小规模的示范应用为主。由于LED属于冷光源,可以比较靠近植物冠面,产生较小的温度影响,在日光和连栋温室中LED植物照明的应用比较多的是株间补光灯具。

②大田应用。设施农业的植物照明的渗透和应用进展相对缓慢,而户外的经济价值较高的长日照作物的LED植物照明系统的应用取得了高速发展。

③植物工厂。植物照明系统目前应用最快速也最广泛的是全人工光植物工厂,按类别分为集中式多层以及分布式可移动的植物工厂。全人工光植物工厂在国内的发展非常迅猛。集中式多层全人工光植物工厂的投资主体并不是传统的农业公司,而更多的是从事半导体以及消费电子产品的公司,例如中科三安、富士康、松下苏州、京东,也有中粮、喜翠等新型现代农业公司。在分布式可移动的植物工厂,仍是以海运集装箱为标准载体。全人工植物工厂植物照明系统大多采用线性或者平板阵列照明灯具系统,种植品种数量不断扩展,各种实验性的光配方的LED光源开始广泛并大量应用,其上市的产品主要还是以绿叶蔬菜为止。

④家居植物种植。LED可应用于家用植物台灯、家庭植物种植架、家用蔬菜生长机等方面。

⑤药用植物培育。药用植物的栽培如金线莲、铁皮石解等,这些市场的产品具有更高的经济价值,是目前植物照明应用较多的一个产业。另外,北美和欧洲部分地区大麻种殖的合法化促进了LED植物照明在大麻种殖领域的应用。

⑥花期灯。作为花卉园艺产业中调整花卉开花时间的必备工具,最早应用的花期灯具为白炽灯,随后的节能荧光灯,随着LED的产业化进展更多的LED类型花期灯具已经逐步取代传统灯具。

⑦植物组织培养。传统组织培养光源主要是白色荧光灯,其光效低、发热量大。LED由于低功耗、低发热和长寿命等显著特征,更适用于高效、可控和紧凑空间的植物组织培养。目前白光LED灯管正在逐步替代白色荧光灯。

4.植物照明企业的区域分布情况

据统计,目前我国从事植物照明的企业已经超过300家,珠三角地区的植物照明企业占比超过50%,已处于主要位置;长三角地区的植物照明企业占比约为30%,依旧是重要的植物照明产品生产地区。传统类型植物灯企业主要分布在长三角、珠三角和环渤海地区,其中长三角地区占53%,珠三角和环渤海地区分别占24%和22%;LED植物照明生产企业主要分布区域为珠三角地区、长三角地区和环渤海地区。

二、LED植物照明产业发展趋势

1.专业化

LED植物照明由于其具有光谱和光量可调,及整体发热小的发光特点,具有良好的防水性能,适合应用于各种场景的植物照明。同时由于自然环境的变化及人们对食物品质的追求,促进了设施农业和植物工厂的蓬勃发展,也使LED植物照明行业进人快速发展期,未来LED植物照明将会在提升农业生产效率、提高食品安全、改善蔬果品质方面发挥重要作用。植物照明用的LED光源会随着产业的逐步专业化进一步发展,向更加具有针对性的方向前进。

2.高效化

光效与能效提升是大幅减少植物照明运行费用的关键,采用LED替代传统灯具并根据植物从苗期到收获期的光配方需求进行光环境的动态优化调节,是未来精致农业的必然趋势。在提高产量方面,可以根据植物的发育特征,分阶段、分区域结合光配方进行培育,以提高各阶段的生产效率和产量;在提高品质方面,可以通过营养调控和光调控等手段,提高营养成分含量以及其他保健功能成分含量。

据估算,目前全国蔬菜育苗需求量6800亿株,而工厂化育苗的生产能力不足10%。育苗产业对环境要求较高,生产季节多为冬春季,自然光照弱,需要人工补光,植物照明投人产出比较高,对投人的接受度高;果菜类(番茄、黄瓜、甜瓜等)需要嫁接,在高湿度条件下特定的光谱补光促进嫁接苗愈合,LED具备独特的优势。温室蔬菜种植补光,可弥补自然光照不足,提高植物光合效能,促进开花结果,提升产量,而且可以提高产品品质。LED植物照明在蔬菜育苗和温室生产中的应用前景广泛。

3.智能化

植物照明对光质光量可实时调控这种复杂的需求强烈,随着智能控制技术的提高、物联网的应用,多种单色光谱加智能控制系统实现时控、光控、根据植物的生长状态适时调整的光质光量输出,势必成为植物照明技术未来发展的主趋势。

资料来源:刘厚诚.LED植物照明产业的发展现状与趋势[J].照明工程学报,2018,29:8-9.

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