Algallikas: Houcheng Liu. LED-taimevalgustuse tööstuse arenguseisund ja trendid [J]. Journal of Illumination Engineering, 2018, 29 (04): 8-9.
Artikli allikas: Materjal kord sügaval

Valgus on taimede kasvu ja arengu peamine keskkonnategur. Valgus mitte ainult ei anna taimede kasvuks fotosünteesi kaudu energiat, vaid on ka oluline taimede kasvu ja arengu regulaator. Kunstliku valguse lisamine või täielik kunstliku valguse kiiritamine võib soodustada taimede kasvu, suurendada saagikust, parandada toodete kuju ja värvi, tugevdada funktsionaalseid komponente ning vähendada haiguste ja kahjurite esinemist. Täna jagan teiega taimevalgustuse tööstuse arenguseisu ja suundumusi.
Kunstliku valgusallika tehnoloogiat kasutatakse üha laialdasemalt taimede valgustamisel. LED-il on palju eeliseid, näiteks kõrge valgusviljakus, madal soojuseraldus, väike suurus, pikk eluiga ja palju muid eeliseid. Sellel on ilmsed eelised kasvuvalgustuse valdkonnas. Kasvuvalgustuse tööstus võtab järk-järgult kasutusele LED-valgustid taimede kasvatamiseks.

A. LED-kasvatusvalgustuse tööstuse arengustaatus 

1.LED-pakett kasvuvalgustuseks

Kasvuvalgustuse LED-pakendites on palju erinevaid pakkeseadmeid ning puudub ühtne mõõtmis- ja hindamisstandardite süsteem. Seetõttu keskenduvad välismaised tootjad võrreldes kodumaiste toodetega peamiselt suure võimsusega, varras- ja moodulisuundadele, võttes arvesse kasvuvalgustuse valge valguse seeriat, arvestades taimede kasvuomadusi ja humaniseeritud valguskeskkonda, ning neil on suuremad tehnilised eelised töökindluse, valgustõhususe ja fotosünteesi kiirguse omaduste osas erinevate taimede puhul erinevates kasvutsüklites, sealhulgas erinevat tüüpi suure, keskmise ja väikese võimsusega taimede puhul, mis vastavad mitmesuguste taimede vajadustele erinevates kasvukeskkondades, oodates taimede kasvu maksimeerimist ja energiasäästu.

Suur hulk kiibi epitaksiaalsete vahvlite põhipatente on endiselt selliste varajaste juhtivate ettevõtete nagu Jaapani Nichia ja American Career käes. Kodumaistel kiibitootjatel puuduvad endiselt turul konkurentsivõimelised patenteeritud tooted. Samal ajal arendavad paljud ettevõtted ka uusi tehnoloogiaid kasvuvalgustuse kiipide pakendamise valdkonnas. Näiteks Osrami õhukese kile tehnoloogia võimaldab kiipe tihedalt kokku pakkida, et luua suur valguspind. Sellel tehnoloogial põhinev suure tõhususega 660 nm lainepikkusega LED-valgustussüsteem võib vähendada kasvatuspiirkonna energiatarbimist 40%.

2. Kasvatage valgustusspektrit ja seadmeid
Taimede valgustusspekter on keerukam ja mitmekesisem. Erinevatel taimedel on erinevates kasvutsüklites ja isegi erinevates kasvukeskkondades vajalikud spektrid väga erinevad. Nende erinevate vajaduste rahuldamiseks on tööstuses praegu järgmised skeemid: ① Mitme monokromaatilise valguse kombinatsiooniskeemid. Kolm kõige tõhusamat spektrit taimede fotosünteesiks on peamiselt spekter, mille piigid on 450 nm ja 660 nm, 730 nm sagedusriba taimede õitsemise esilekutsumiseks, lisaks roheline valgus lainepikkusega 525 nm ja ultraviolettriba lainepikkusega alla 380 nm. Kombineerige neid spektreid vastavalt taimede erinevatele vajadustele, et moodustada kõige sobivam spekter. ② Täisspektri skeem taimede nõudlusspektri täielikuks katmiseks. Seda tüüpi spekter, mis vastab Seoul Semiconductori ja Samsungi esindatud SUNLIKE kiibile, ei pruugi olla kõige tõhusam, kuid see sobib kõigile taimedele ja on palju odavam kui monokromaatiliste valguse kombinatsioonilahenduste puhul. ③ Spektri efektiivsuse parandamiseks kasutage põhispektrina täisspektriga valget valgust ja kombineeritud skeemina 660 nm punast valgust. See skeem on säästlikum ja praktilisem.

Taimekasvatusvalgustuse monokromaatiliste valguskiipide (põhilainepikkused on 450 nm, 660 nm, 730 nm) pakendiseadmeid katavad paljud kodumaised ja välismaised ettevõtted, samas kui kodumaised tooted on mitmekesisemad ja neil on rohkem spetsifikatsioone ning välismaiste tootjate tooted on standardiseeritumad. Samal ajal on fotosünteetilise footonvoo, valgustõhususe jms osas kodumaiste ja välismaiste pakenditootjate vahel endiselt suur erinevus. Taimevalgustuse monokromaatiliste valguskiipide pakendiseadmete puhul arendavad paljud tootjad lisaks toodetele, mille peamised lainepikkuste vahemikud on 450 nm, 660 nm ja 730 nm, ka uusi tooteid teistes lainepikkuste vahemikes, et saavutada täielik fotosünteetiliselt aktiivse kiirguse (PAR) lainepikkuste (450–730 nm) katvus.

Monokromaatilised LED-taimekasvuvalgustid ei sobi kõigi taimede kasvuks. Seetõttu rõhutatakse täisspektriga LED-ide eeliseid. Täisspektri saavutamiseks tuleb kõigepealt saavutada nähtava valguse kogu spektri (400–700 nm) täielik katvus ja suurendada kahe spektririba – sinakasrohelise valguse (470–510 nm) ja sügavpunase valguse (660–700 nm) – toimivust. „Täisspektri“ saavutamiseks kasutatakse tavalist sinist LED-i või fosforiga ultraviolett-LED-kiipi ning fotosünteesi efektiivsusel on oma kõrge ja madal vahemik. Enamik taimevalgustuse valgete LED-pakendiseadmete tootjaid kasutab täisspektri saavutamiseks sinist kiipi ja fosforit. Lisaks monokromaatilise ja sinise valguse või ultraviolett-kiibi ja fosfori pakendamisrežiimile valge valguse realiseerimiseks on taimevalgustuse pakendamisseadmetel ka komposiitpakendamisrežiim, mis kasutab kahe või enama lainepikkusega kiipi, näiteks punane, kümme, sinine/ultraviolett, RGB, RGBW. Sellel pakendamisrežiimil on hämardamisel suured eelised.

Kitsalainepikkusega LED-toodete osas suudab enamik pakenditootjaid pakkuda klientidele erineva lainepikkusega tooteid lainepikkuste vahemikus 365–740 nm. Fosforiga muundatud taimede valgustusspektri osas pakub enamik pakenditootjaid klientidele laia valikut spektreid. Võrreldes 2016. aastaga on müügikasv 2017. aastal märkimisväärselt suurenenud. Nende hulgas on 660 nm LED-valgusallikate kasvumäär koondunud 20–50% vahemikku ja fosforiga muundatud taimede LED-valgusallikate müügikasv ulatub 50–200%-ni, mis tähendab, et fosforiga muundatud taimede LED-valgusallikate müük kasvab kiiremini.

Kõik pakendifirmad pakuvad 0,2–0,9 W ja 1–3 W üldpakenditooteid. Need valgusallikad võimaldavad valgustustootjatel valgustuse kujundamisel head paindlikkust. Lisaks pakuvad mõned tootjad ka suurema võimsusega integreeritud pakenditooteid. Praegu on enamiku tootjate saadetistest üle 80% 0,2–0,9 W või 1–3 W. Nende hulgas on juhtivate rahvusvaheliste pakendifirmade saadetised koondunud 1–3 W-sse, samas kui väikeste ja keskmise suurusega pakendifirmade saadetised on koondunud 0,2–0,9 W-sse.

3. Taimekasvatusvalgustuse rakendusvaldkonnad

Rakendusvaldkonnast lähtuvalt kasutatakse taimekasvatusvalgusteid peamiselt kasvuhoonete valgustuses, täielikult kunstliku valgustusega tehastes, taimekoekultuuris, välitingimustes põlluvalgustuses, koduköögiviljade ja lillede istutamisel ning laboriuuringutes.

①Päikeseenergial töötavates ja mitmeavalistes kasvuhoonetes on tehisvalgustuse osakaal lisavalgustusena endiselt väike ning peamised neist on metallhalogeniidlambid ja kõrgrõhunaatriumlambid. LED-kasvuhoonete valgustussüsteemide levik on suhteliselt madal, kuid kasvutempo hakkab hinna langedes kiirenema. Peamine põhjus on see, et kasutajatel on pikaajaline kogemus metallhalogeniidlampide ja kõrgrõhunaatriumlampide kasutamisel ning metallhalogeniidlampide ja kõrgrõhunaatriumlampide kasutamine võib anda umbes 6–8% kasvuhoone soojusenergiast, vältides samal ajal taimede põletusi. LED-kasvuhoonete valgustussüsteemi kohta puudusid konkreetsed ja tõhusad juhised ning andmetugi, mis lükkas edasi selle rakendamist päevavalguses ja mitmeavalistes kasvuhoonetes. Praegu on endiselt peamiseks probleemiks väikesemahulised demonstratsioonirakendused. Kuna LED on külmvalgusallikas, saab seda kasutada taimede võra lähedal, mille tulemuseks on väiksem temperatuurimõju. Päevavalguses ja mitmeavalistes kasvuhoonetes kasutatakse LED-kasvuhoonete valgustust sagedamini taimedevaheliseks kasvatamiseks.

② Välistingimustes põllukultuuride kasutamine. Taimevalgustuse levik ja kasutamine rajatiste põllumajanduses on olnud suhteliselt aeglane, samas kui LED-taimevalgustussüsteemide (fotoperioodi kontroll) rakendamine kõrge majandusliku väärtusega pikapäevakultuuride (näiteks draakonivilja) puhul on kiiresti arenenud.

③Taimetehased. Praegu on kiireim ja laialdasemalt kasutatav taimevalgustussüsteem täielikult tehisvalgustusega tehased, mis jagunevad kategooriate kaupa tsentraliseeritud mitmekihilisteks ja hajutatud teisaldatavateks tehaseteks. Kunstvalgustusega tehaste areng Hiinas on väga kiire. Tsentraliseeritud mitmekihiliste täielikult tehisvalgustusega tehaste peamine investeerimisobjekt ei ole traditsioonilised põllumajandusettevõtted, vaid pigem pooljuhtide ja tarbeelektroonikatoodetega tegelevad ettevõtted, nagu Zhongke San'an, Foxconn, Panasonic Suzhou, Jingdong, aga ka COFCO ja Xi Cui ning teised uued kaasaegsed põllumajandusettevõtted. Hajutatud ja mobiilsetes taimetehastes kasutatakse standardkandjatena endiselt konteinereid (uued konteinerid või kasutatud konteinerite rekonstrueerimine). Kõigi tehistaimede taimevalgustussüsteemides kasutatakse enamasti lineaarseid või lameekraanvalgustussüsteeme ning istutatavate sortide arv kasvab pidevalt. Laialdaselt on hakatud kasutama mitmesuguseid eksperimentaalseid valgusvalemiga LED-valgusallikaid. Turul olevad tooted on peamiselt rohelised lehtköögiviljad.

4. Kodumajapidamises kasutatavate taimede istutamine. LED-e saab kasutada kodumajapidamises kasutatavate taimede laualampide, kodumajapidamises kasutatavate taimede istutusrestide, kodumajapidamises kasutatavate köögiviljakasvatusmasinate jms jaoks.

⑤Ravimtaimede kasvatamine. Ravimtaimede kasvatamine hõlmab selliseid taimi nagu Anoectochilus ja Lithospermum. Nendel turgudel on toodetel suurem majanduslik väärtus ja need on praegu tööstusharu, kus on rohkem taimevalgustuse rakendusi. Lisaks on kanepikasvatuse legaliseerimine Põhja-Ameerikas ja Euroopa osades edendanud LED-kasvuvalgustuse kasutamist kanepikasvatuses.

6. Õitsevalgustid. Lilleaianduses lillede õitsemisaja reguleerimise asendamatu vahendina olid õitsevalgustite varaseim rakendus hõõglambid, millele järgnesid energiasäästlikud luminofoorlambid. LED-industrialiseerimise arenguga on traditsioonilised lambid järk-järgult asendatud LED-tüüpi õitsevalgustitega.

⑦Taimekoekultuur. Traditsioonilised koekultuuri valgusallikad on peamiselt valged luminofoorlambid, millel on madal valgusviljakus ja suur soojuseraldus. LED-id sobivad tänu oma silmapaistvatele omadustele, nagu madal energiatarve, madal soojuseraldus ja pikk eluiga, tõhusamaks, juhitavamaks ja kompaktsemaks taimekoekultuuriks. Praegu asendavad valged LED-torud järk-järgult valgeid luminofoorlampe.

4. Kasvuvalgustuse ettevõtete regionaalne jaotus

Statistika kohaselt on minu riigis praegu üle 300 kasvuvalgustuse ettevõtte ning Pärlijõe delta piirkonna kasvuvalgustuse ettevõtted moodustavad neist üle 50%, mis on neile juba suur positsioon. Jangtse jõe delta kasvuvalgustuse ettevõtted moodustavad umbes 30% ja see on endiselt oluline kasvuvalgustuse toodete tootmispiirkond. Traditsioonilised kasvulampide ettevõtted asuvad peamiselt Jangtse jõe delta, Pärlijõe delta ja Bohai äär piirkonnas, millest Jangtse jõe delta moodustab 53% ning Pärlijõe delta ja Bohai äär vastavalt 24% ja 22%. LED-kasvuvalgustuse tootjate peamised turustuspiirkonnad on Pärlijõe delta (62%), Jangtse jõe delta (20%) ja Bohai äär (12%).

B. LED-kasvatusvalgustuse tööstuse arengusuund

1. Spetsialiseerumine

LED-kasvuvalgustusel on reguleeritav spekter ja valgustugevus, madal üldine soojuseraldus ja hea veekindlus, mistõttu sobib see kasvuvalgustuseks erinevatesse keskkondadesse. Samal ajal on looduskeskkonna muutused ja inimeste püüdlused toidu kvaliteedi poole soodustanud põllumajandusettevõtete ja kasvuvabrikute jõulist arengut ning viinud LED-kasvuvalgustustööstuse kiire arengu perioodi. Tulevikus mängib LED-kasvuvalgustus olulist rolli põllumajandustootmise efektiivsuse parandamisel, toiduohutuse parandamisel ning puu- ja köögiviljade kvaliteedi parandamisel. Kasvuvalgustuse LED-valgusallikad arenevad edasi koos tööstuse järkjärgulise spetsialiseerumisega ja liiguvad sihipärasemas suunas.

2. Kõrge efektiivsus

Valgusefektiivsuse ja energiatõhususe parandamine on võtmetähtsusega taimede valgustuse tegevuskulude oluliseks vähendamiseks. LED-ide kasutamine traditsiooniliste lampide asendamiseks ning valguskeskkonna dünaamiline optimeerimine ja kohandamine vastavalt taimede valgusvalemi nõuetele seemiku staadiumist kuni saagikoristuseni on tuleviku rafineeritud põllumajanduse vältimatud trendid. Saagikuse parandamise seisukohast saab seda kasvatada etappide ja piirkondade kaupa, kombineerides valgusvalemit vastavalt taimede arenguomadustele, et parandada tootmise efektiivsust ja saagikust igas etapis. Kvaliteedi parandamise seisukohast saab toitainete ja muude tervisega seotud funktsionaalsete koostisosade sisalduse suurendamiseks kasutada toitumise ja valguse reguleerimist.

Hinnanguliselt on köögiviljaseemnete järele praegune riiklik nõudlus 680 miljardit, samas kui tehaseseemikute tootmisvõimsus on alla 10%. Seemikute tööstuses on kõrgemad keskkonnanõuded. Tootmisperiood on enamasti talv ja kevad. Looduslik valgus on nõrk ja vaja on kunstlikku lisavalgustust. Taimekasvatusvalgustusel on suhteliselt suur sisend- ja väljundvõimsus ning kõrge sisendi vastuvõtu aste. LED-il on ainulaadsed eelised, kuna puu- ja köögiviljad (tomatid, kurgid, melonid jne) vajavad pookimist ning spetsiifiline valgusspekter kõrge õhuniiskuse tingimustes võib soodustada poogitud seemikute paranemist. Kasvuhoone köögiviljade istutamise lisavalgustus võib korvata loomuliku valguse puudumist, parandada taimede fotosünteesi efektiivsust, soodustada õitsemist ja viljastumist, suurendada saagikust ja parandada toote kvaliteeti. LED-kasvuhoonevalgustusel on laialdased rakendusvõimalused köögiviljaseemnete ja kasvuhoonete tootmisel.

3. Intelligentne

Taimekasvatusvalgustuses on suur nõudlus valguse kvaliteedi ja hulga reaalajas juhtimise järele. Intelligentse juhtimistehnoloogia täiustumisega ja asjade interneti rakendamisega saavad mitmesugused monokromaatilised spektrid ja intelligentsed juhtimissüsteemid realiseerida ajakontrolli, valguse juhtimist ning vastavalt taimede kasvuseisundile saab valguse kvaliteedi ja valgusvoo õigeaegne reguleerimine taimekasvatusvalgustuse tehnoloogia edasise arengu peamiseks trendiks.