水耕栽培DIY與設備 15. 人工光源專題＠宅經濟-個人化汽車維修診斷

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水耕栽培DIY與設備 15. 人工光源專題

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水耕栽培DIY與設備
15. 人工光源專題 artificial lighting

　整理：俞健平
　更新紀錄：2017.05.28

＜目錄＞
　15.1 基本光學 optics
　15.2 光譜 spectrum
　15.3 植物光學概論 introduction
　15.4 光譜與植物生長
　15.5 商業LED燈
　15.6 光配方(實際光譜組合) Light recipe
　15.7 LED相關新聞報導與知識

15.1 基本光學
　光通量：光通量是指每單位時間內由光源所發出或由被照體所吸收的光能。
　單位：流明＝lumen，簡記為lm。

　光強度：點光源一個立體角(單位為 sr)所放射出來的光通量。
　單位：坎德拉＝Candela，簡記為cd。1cd ＝ 12.57 lm。

　照度：受光物體之表面亮暗程度稱為照度。
　　　　照度＝光通量/面積，是被照體表面每單位面積所接受可見光的光通量。
　單位：勒克斯＝Lux＝lm∕m2，Lux簡記為lx。

　光合光量子通量PPF：衡量一種光源是否適合光合作用的方法。
　單位：光合光量子通量＝PPF＝umol/s 微摩爾/秒

光源照度Lux

中午的太陽 1200000

無雲的晴空 10000

陰霾的天空 1000

60W白熾燈（相距1m） 100

　想要利用人工光源達到太陽光強度是不可能的，但即使在陽光充足的情況下，
　天然環境的水分養分及二氧化碳的來源卻很難及時補充。
　技術上，人工光源至少要達到1000Lux以上，配合適合的營養液及二氧化碳，可
　以做到，但商業上成本還很難攤平。

　Youtube影片：
　2016.01.12Understanding PAR for Indoor Farming
　2016.01.21Why are indoor farmers so excited about LEDs?
　網站：
　PAR Watts, Lumens, Photons, Lux and Watts
　光量子通量密度(PPFD)

15.2 光譜 spectrum15.3 植物光學概論 introduction

15.3.1植物抗逆生理 environmental stress
　葉綠素螢光 Chlorophyll fluorescence：研究植物抗逆生理，包含抗寒、抗凍、
　抗旱等。利用葉綠素對外在環境下螢光變化，作為植物受逆境脅迫程度的指標。

15.3.2 生理時鐘/生物鐘 Circadian clock ：
　日本大阪大學工程研究所2014年產學合作探討萵苣生理時鐘biological clock，
　分別以CFL，紅LED，藍LED，紅加藍LED測試比較。
　２４小時周期是植物萬年演化的結果，想縮短生長期，一天（亮＋暗）調整為
　２２小時甚至２０小時，發現雖然遺傳基因的本能會去適應環境（晴天陰天的變
　化），但最終只會打亂生理，使成長反而更慢，等同於揠苗助長。
　結論：Respect the rule of nature　請尊重大自然。
　
15.3.3 光周期控制 photoperiod：
　控制花期或打破冬季休眠狀態，例如菊花和草莓。
　低光照運輸，例如蘭花苗海運外銷orchid。
　不僅只是光照這麼簡單

15.3.4 愛默森(艾默生)效應 Emerson enhancement effect：
　紅光660nm與紅外光700~730nm 兩種波長，同時照射VS分別照射綠色植物，
　同時照射的光合作用效率比分別照射效率相加還高，雙光具有增益的效果。

15.4 光譜與植物生長
　人工栽培綠色植物，需要控制陽光，水，養份。
　雖然綠色植物都要需要陽光來成長，但是每一種植物對特殊光譜都有其偏好。
　而且不同成長階段，需要的光譜比例也不同。
　環境溫度和pH值都會影響吸收光譜的偏移。
　日本實驗證明660nm紅光LED對萵苣、蕃茄、草莓、日本芥末成長非常有效。
　葉綠素ａ吸收420~660nm範圍，但單提供窄波長660nm，植株會有些畸形。
　LED燈的波長、頻率，光照的時間和亮度，選擇性地加快植物生長、提高產量
　、增加甜度、提升口感，是傳統植物生長燈具無法比擬的優勢。不同植物的特
　性不同，不同生長階段給予不同的光照，將收到不同的效果。最佳方式就是給
　每種植物量身定製光照套餐。

　Light Absorption for Photosynthesis 植物吸收光譜
　Plant Lighting Fundamentals 植物光學概念
　What is LED? LED模擬日光光譜
　飛利浦案例研討
　2013.03.19Are household LED bulbs suitable as supplemental light for plants?吸收光譜
　2013.06.04讓植物長得更快
　2013.12.18Vegetation Analysis: Using Vegetation Indices in ENVI
　2014.08.03Choosing a Grow Light - Things to think about
　2015.09.02植物照明如何補光？補哪類光？如何測量？
　2015.09.10LED室內農業推手全歸功於它!
　2015.10.01《絕地救援》火星上種馬鈴薯 NASA怎麼看?
　2015.11.17如何最大效果發揮農業LED照明的作用 ?
　2016.01.04工研院設計LED燈輔助照明彰化葡萄園省下80%電費

　Youtube影片：
　2013.09.11拓墣林佩璇說明LED植物燈和一般LED照明燈的差異
　2014.01.15科技苑植物到底喜"啥7的光
　2014.04.16LED植物生長燈應用 Grow Light Applications ; 植物工廠植物燈系列
　2015.08.10Astronauts Take First Bites of Space-Grown Lettuce 國際太空站種生菜
　2016.04.04Low Watt LEDs vs T5 Grow Lights: Seed Starting / Lettuce Test

15.5 商業LED燈
15.5.1 應用於農業的LED 專利申請國家分佈和功能劃分
　2011年資料分析
　國家分布：中國25%,韓國31%,日本15%,美國7%,其它21%
　功能畫分：植物照明54%,誘魚27%,誘捕昆蟲10%,其他9%

15.5.2 LED規格
　台灣檢驗中心SGS說T8 LED燈管非強制認證(不論有沒有內含inverter)，根本沒
　有BSMI認證證書。
　台製晶片就很不錯了！台灣晶片、甚至是「晶元電子」的晶片、其實拿大陸三
　安的還算是不錯。比如一支四尺LED T8 22W 白光用了102顆燈珠，很多零售賣
　家說是台灣晶片，但零售價只有兩百多元，不肖廠商拿地溝油當橄欖油賣，賣
　家拿橄欖油當地溝油賣，真的是作公益來的。

　比如，2015.01月行情，台灣大廠普通室內照明用LED 5630 0.4~0.5W RA80白
　光，買10K的單價約NT$1.9~2.5，光是102顆燈珠都不只200元了，其他像鋁
　擠型燈管、鋁基板(基本NT$10000/平方米起跳)、SMT製造費用、品管、運輸
　包裝成本。您真相信賣家是用台製LED晶片嗎？更何況是特殊植物照明用的。
　所以挑選LED植物生長燈，買的價格不要只挑便宜的喔。

　LED光度強弱調整：
　建議採用SMD型調光IC精準控制電流的高性能調光器(Dimmer)。

　電源模組：
　建議採用LED專用電源模組或用工業級穩壓電源(通常是鐵殼)輸出較穩定。
　而且更重要的，不要搭配寬電壓範圍的電源供應器，比如燈管是DC12V，但電
　源號稱可以輸出DC12~46V。以物理及電子學角度看，因為轉換效率只有某一
　特定電壓值才會是最佳化，寬範圍的容易浪費電，也容易導致電流過高，根
　本用不到五萬小時，通常不超過１年就燒毀。

15.5.3 市面上常用LED磊晶：
　GaAsP三元紅光
　AlGaInP四元紅光(高亮度)
　InGaN三元藍光。

　Single wavelength LED：
　　Red: 620-630 nm
　　Red: 630-650 nm
　　Deep Red: 650-670 nm
　　Orange: 603-608 nm
　　Yellow: 585-595 nm
　　Green: 515-525 nm
　　Yellow-green: 565-575 nm
　　Blue: 465-475 nm
　　Purple: 370-410 nm
　　280nm以下 UV-C 短波紫外光殺菌消毒
　　280~320nm UV-B 中波紫外光
　　320~400nm UV-A 長波紫外光

　編號/顏色/波長：
　　V1 420nm 紫 violet
　　B1 430~440nm 紫藍/皇家藍 royal blue
　　B2 445~465nm 深藍 royal blue
　　B3 465~475nm 正藍 blue
　　O1 615~620nm 橙 orange
　　R1 630nm 正紅 red
　　R2 650nm 紅
　　R3 660nm 深紅/艷紅 deep red
　　R4 735nm 遠紅 far red
　　W0 10000K 晝白
　　W1 6500K 晝白/冷白 cool white
　　W2 6000K 正白
　　W3 4000K 暖白 warm white
　　W4 3000K 暖白
　　W5 2700K 暖白
　　五波長 V1+B1+B2+B3+O1+R1+R2+R3+W1
　　四波長 R2+B2+O1+W2。
　　四波長 DC37V 14W
　　　B2 47顆 4.8lux
　　　O1 76顆 7.1lux
　　　R1 76顆 7.3lux
　　　W2 24顆 7.5lux。
　　三波長 W1/W2
　　三波長 R3:B2:W0 =2:1:1 (阿里八八商品)
　　二波長 R1: B1=3:1~12:1 (舊型，通用型約 5:1 ~ 7:1)
　　二波長 R3: W2=9:4 (2013年新型，兼顧人員安全與照度要求，菇類亦適合)

　　2010年開始，因白光成本極高，大部份研究著重在紅藍組合。
　　2012年開始，因白光成本大幅下降，白光＋紅藍組合開始流行。
　　2014年開始，因白光光效散熱大幅提升，開始單以特殊光譜白光種植。
　　好的照明要能滿足更快開花，更快速成長，更方便現場視覺管理。

15.5.4 LED植物生長燈燈具
　LED植物燈不能取代T5螢光燈管原因的成本比較考量
　2013.05.23植物工廠技術趨勢初探 - 植物工廠專題之二
　2013.07.11LED Grow Light Review With Hydroponic Lettuce 225 紅+藍
　2013.07.29LED vs T5 Final Results by The Lettuce People
　2013.08.29LED Grow Light Testing GrowLight Versus a 400 & 600 Watt HPS
　2013.11.26LED提高農作物產量藍光、紅光作用大不同[譯]
　2014.02.04600w LED Grow Light REVIEW: Advance Spectrum MAX Pro-Series
　2014.05.13LED植物生長燈知識
　2014.07.07LED植物生長燈與有機蔬菜
　2014.07.23Grow Light Experiment:HID vs. LED vs. T5 Fluorescent
　2014.08.12LED Grow Lights: A True Buyers Guide
　2014.08.12LED植物燈溫室栽培加拿大年銷逾11億美元
　2014.09.1913000盞飛利浦LED植物燈打造新型植物工廠
　2014.09.28Grow Lights Explained CFL LED and HPS
　2014.10.23Illumitex LED照明技術種大麻 68天完美收成
　2014.11.04工研院LED光照技術有效提升蘆筍25%產量
　2014.11.17東芝改造閒置廠房成植物工廠 2015年3月前生產
　2014.12.10LED復購率下滑壽命長成為發展阻礙
　2014.12.22LED新藍海！2014年五大熱門高毛利市場
　2015.01.01照明達人的智識寶庫不成熟的 LED燈針對室內照明,不適植物
　2015.01.01照明達人的智識寶庫 LED燈泡串聯和並聯效率設計
　2015.12.09DIY LED Basics - theory and overview (pt 2/7)
　2016.12.10DIY LED basics : common configurations for your grow space (part 3/7)　
　2015.12.12DIY LED Basics - choosing your heatsink (part 4/7)
　2015.12.17DIY LED Basics: mounting leds/COBs to heatsinks (pt. 5/7)
　2015.12.18DIY LED Basics: wiring LEDs/COBs to driver (pt 6/7)
　2015.12.27DIY LED Basics: Optics & Dimming (pt 7/7)
　2016.03.07DIY LED basics: getting started building your own grow lights: (pt 1/7)
　2016.03.2110 Best LED Grow Lights 2016產品比較
　2016.03.25PlatinumLED Grow Lights P300 vs Kind L300 vs Mars Hydro vs Amare vs GalaxyHydro
　2016.04.04Low Watt LEDs vs T5 Grow Lights: Seed Starting / Lettuce Test
燈具選擇：
　發光率 - 燈具實際發光強度，消耗多少能量產生的 (lm/W)。
　性價比 - 使用壽命高低，是否為提高亮度，設計過大電流而減損壽命。
　吸收率 - 發光光譜中那些能被植物吸收，其他都是浪費能量。
　適用性 - 光譜組合適合哪個階段、生長速度、營養成分、還是口感(脆/嫩/香味)。
　目前中國大陸製最便宜，但相同亮度最耗電，有效光譜也最低。
　以2016.04現有低價(US$100以下)LED植物燈產品，約需提供25~35W/平方英尺。

燈具分類：
　1. 全光域LED燈：
　　single-chip solution:
　　[光合農場] 最新二代 LED水族燈管 LED植物燈管　接近太陽光率95%
　　Thorlab high-power broadband LED MCPCB
　　multi-chip solution:
　　Hands-on with LED Group Buy’s Lumia 5.2
　
　　根據The McCree curve，植物平均反映光譜average plant response，
　　以全光譜白光LED最接近。

　2. 促進開花及符合人員視覺 generic flowering and human visualization

　3. 促進發芽 germination

　4. 抑制徒長 height elongation suppression

　5. 其他光源偏差
　　針對光合作用，補紅光624nm
　6. 夜間干擾/種子發芽 night interruption
　　針對種子光敏素phytochrome反應
　　補紅光660nm

　7. 短生命期促進開花補遠紅光730nm
　　照射10分鐘會促使植物進入睡眠，如同夕陽西下效果。
　8.

15.6 光配方(實際光譜組合) Light recipe
15.6.1 蔬菜類 - 萵苣
　2009.07
　Effects of Red and Blue Light Emitting Diodes (LEDs) on the Growth and
　Development of Lettuce
　光源：LED 白，LED 紅，LED藍
　LED 白當對照組，LED 紅：藍=100%＋0% ~ 50%＋50%
　LED 白＝LED 紅90%＋藍10% (光合效果相同)
　LED 紅95%＋藍5% ~ 紅80%＋藍20% 有助增長，
　LED 紅75%＋藍25%藍 ~ 紅50%＋藍50% 對萵苣淨重有負面效果。
　提高淨重最佳化 LED 紅：藍＝90%：10%
　紅光助長高，藍光助橫向及根部成長且葉綠素及胡蘿蔔素較多。
　　
　2013.01.19(LEDs) for Miniature Hydroponic Lettuce
　營養液 N:P:K=8:15:36
　光源：CFL T8 (Philips)，LED藍，LED紅
　根成長：日光燈＞藍＞紅
　葉成長：日光燈＞藍＞紅
　高度：紅＞藍＞日光燈
　葉綠素濃度：藍＞日光燈＞紅

　2013.05.07 全自動生產育苗成長期LED照明，茁壯收割採溫室光照
　Deliscious colorful freshness!
　飛利浦 Green Power LED 遠紅：紅：藍＝１：２：２

　2013.11.26 LED提高農作物產量藍光、紅光作用大不同[譯]
　韓國忠北國立大學園藝科學系 Ki-Ho Son和 Myung-Min Oh
　紅葉萵苣和綠葉萵苣
　藍光與紅光比例分別為0:100、13:87、26:74、35:65、47:53、59:41
　紅光LED是提高萵苣生長速度的主要原因。
　藍光LED和紅光LED分別對植物體內抗氧化劑的酚類化合物的積累和萵苣的生長
　具有積極作用。
　單紅光照射能刺激萵苣植物提高生物量積累，但會誘導異常葉形，對多酚類和抗
　氧化劑產生消極影響。
　萵苣生長最佳的實驗組中藍、紅光比例分別為35:65、47:53、59:41

　2014.03.25
　LED VS T5 Lighting Arrangement Testing for Color and Growth
　T5，LED白，LED白+紅，LED Philips

　2014.06.12 昭和電工n植物工場 Showa Denko
　光源：日光燈CFL+LED紅+LED藍

　2014.06.12 Osaka Prefecture University
　光源：LED白，LED紅+藍

　2014.07.07 最大規模全LED照明植物工廠於日本投產 (宮城縣)
　日本 Mirai未透露與LED照明光線波長相關的具體技術。
　育苗室出來初期階段，照射白色和紅色LED光源混合在一起的偏白的光線來促進
　光合作用。
　促進葉子和根莖的生長，由配備紅藍色LED光源的偏紅的光線照射。
　臨近收穫期，再次照射偏白的光線來促進光合作用。
　這種方法，與只使用螢光燈時相比，耗電量減少40％，相同面積的收穫量也提高
　了50％。

15.6.2 一般農作物育苗
　Bailey Nurseries Inc 美國大型批發苗木果樹苗圃
　扦插發根,出芽,加速開花，成功率30%提升到85%。
　濕度98％，溫度23℃，光照16小時/天
　光源：飛利浦 Green Power LED
　LED 紅：藍＝5：１

15.6.3 蔬菜類 -蕃茄類
　2010.11 中國江蘇
　��LED光全生育期照射�1桃番茄果�品(的影�
　Effect of Irradiation with Blue and Red LED on Fruit Quality of Cherry
　Tomato during Growth Period
　LED 紅：藍＝4：6 數量和質量最大，游離氨基酸類黃酮蔗糖茄紅素比例都增大
　LED 紅：藍＝4：1 數量和質量最低

　2013.04.23Tomaten Kwekerij Jami Bergschenhoek

　2013.04.24First generation LED lighted tomatoes at Jami VOF
　荷蘭Growers associate Van Nature and Jami VOF
　溫室頂部HID補光，植株間側面LED補光，增加底層結果量
　光源：飛利浦 Green Power LED
　LED 紅：藍＝４：１

　2013.10.27
　光合作用時間-植物工廠實務
　光合作用最佳時間：下午

15.6.4 花卉類 - 伽藍菜類
　種植非洲肉質植物Kalanchoe，上層日照，下層LED
　荷蘭花農 Kwekerij Vreugdenberg
　飛利浦 Green Power LED 紅：藍＝5：2
　丹麥花農 Knud Jepsen A/S Queen
　飛利浦 Green Power LED 紅：藍＝5：2

15.6.5 花卉類 - 蘭花
　Is it finally time for LEDS?: Cree XP-G
　以Cree 3W LED(冷白+暖白)試種蘭花
　蘭花育苗期
　光源：飛利浦 Green Power LED 紅：藍＝5：2

15.6.6 水果類 - 草莓
　2002.10.17
　Responses of strawberry plantlets cultured in vitro under superbright
　red and blue light-emitting diodes (LEDs)
　光源：LED 紅660nm＝70,80,90, 100%
　光源：LED 藍450nm＝30, 20, 10, 0%
　紅70％：藍30% 最好，最佳光量 60umol M^-2S^-2。

　荷蘭果農 Wageningen UR
　飛利浦 Green Power LED 紅：藍＝5：２

　2010.
　The effect of red and blue light component on the growth and development
　of frigo strawberries (立陶宛Lithuania)
　光源：LED 紅640nm
　光源：LED 藍455nm
　單紅光：葉狹長，葉面積較小，莖細長，果實會偏小，
　需紅＋藍。

　2010.11
　An effect of light emitting diode (LED) irradiation treatment on the amplification
　of functional components of immature strawberry
　測試採收後儲存環境增加LED光源對可溶性/酸性/維生素C成分的影響。
　光源：LED 紅525nm/630nm＋LED 藍385nm/470nm
　可溶性：提高
　酸性：無影響
　維生素C：提高

　2012.05.21
　Effect of LED Supplemental Illumination on the Growth of Strawberry Plants
　光源：LED 橙：紅：藍＝3：2：1
　陽光型溫室每天LED補光 4小時，研究結果比紅：藍＝5：1還優異。

　2013.06.23
　植物工廠設備栽培草莓實務介紹[研究型植物生長機種植夏日草莓經驗分享]
　R:B=6:3 花朵分化量 2~3朵
　R:B=8:1 花朵分化量 8~10朵

　2013.10.27
　光合作用時間-植物工廠實務
　光合作用最佳時間：上午9~11點

15.6.7 藥用植物 - 金線蓮 Anoectochilus
　2013.01.不同 LED 光(�金��生的影�
　光強度＜6000Lux
　光源：自然光
　光源：LED 紅606~700nm, 波峰 660nm
　光源：LED 黃567~606nm, 波峰 588nm
　光源：LED 藍404~500nm, 波峰 450nm
　紅光黃光植株高瘦，葉綠素含量低落。
　藍光葉面積增大

　2014.07LED光照對藥用植物生長之影響—以金線蓮為例
　義守大學電子工程學系
　光源：LED 紅 660nm、850nm、940nm
　940nm波長的光能有最佳的助長效果，
　850nm波長的光能量對植物生長的幫助則次之
　660nm波長的光能量幫助生長的效果最少