室內水耕栽培硬體裡最大的開銷之一就是是照明設備和所耗的電力。 照明對植物生長和品質有著重大影響。 光源不僅會影響成本,更因為種植者同時要考慮照明硬體的成本,還要考慮牽扯到與照明技術配合的環境控制,系統設計和替換成本等種種附加成本。

基本知識:

  當比較燈具之間的光質(Quality)時,我們要測量光所產生的光譜輸出或PAR輸出。

  當比較燈具之間的光量(Quantity)時,我們要測量每秒有多少光子(光子photon是輻射能量的最小單位)從光源落到一平方米的面積上。光子是非常小的量測單位,通常用微摩爾microMol(μmol)來表示有多少光子從光源發射抵達到植物表面。以夏季的太陽光作為參考,約是2000 μmol。

PAR 光合作用有效輻射量Photosynthetically Active Radiation

  植物藉由吸收光或光合作用有效輻射量(PAR)來行光合作用,PAR描述了可用於植物生長的太陽輻射光譜範圍 - 從400nm到700nm(深藍色到深紅色),並且大約是人肉眼可見的光的範圍。雖然400nm以下的波長(特別是UV-A和UV-B)和大於700nm(遠紅外光)的波長不被包含在PAR的量測範圍中,但是植物也使用PAR範圍外的光。 這些範圍外的光線可以增加荷爾蒙激素的輔助以及光合作用效率(艾默生效應)。 UV光對植物的天然色素和防禦機制物質的形成有著重要的作用。 用於量測PAR的最常見單位是PPF(Photosynthetic Photon Flux 光合作用光子通量)和PPFD(Photosynthetic Photon Flux Density 光合作用光子通量密度)。

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PPF  光合作用光子通量 Photosynthetic Photon Flux

  PPF量測每秒有多少PAR範圍內的光子從燈光光源射出的重要單位,以µmol/s (micromoles per second)表示。1µmol等於 602,214,150,000,000,000個光子(6.022x1017)。但PPF不能代表有多少光子確實落在植物上,它只是燈具的累積光子總輸出量。

PPFD 光合作用光子通量密度 Photosynthetic Photon Flux Density

PPFD通常用來表示光的強度,表示每秒有多少光子照射在1平方公尺的面積上,用 µmol/m2/s作為單位。PPFD對種植者而言是最重要的數字,它能告訴你有多少光子照到植物上。PPFD會依燈具的大小和燈到植物的距離長短而異。距離越長,強度密度越低。測量多個生長區域的 PPFD值並加以平均,以得知植物燈是否足夠有效是非常基本且必要的。想要比較各種植物燈時,也要多點測量PPFD才能幫助你做出決定。

相對量子效率  Relative Quantum Efficiency

  但PPFD值也不能給出特定波長的相對強度的完整訊息。植物生長燈的PPF/PPFD數字很高也不代表植物就會長的好。相對量子效率曲線也被稱作有效光量子通量Yield Photon Flux (YPF) 曲線或McCree曲線,被廣泛用來評估光合作用的有效光質與光量。曲線顯示在600-630nm之間的橙色和紅色光子比400-540nm之間的藍色光子多出25%的光合作用效率。 所以評估光的有效性時,需要考慮到光譜的分配。

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為了整體生長的效率,在植物的營養階段vegetative stage (長葉子以利行光合作用製造營養)會準備大量的根系生長和植株架構(枝節間距和整體莖幹強度)。光源要在這個階段為植物提供的能量以幫助植物做好未來開花結果的準備。種植者在這個階段可選擇許多人工光源技術來調整植物以提高產量,促進營養階段的光照就跟促進開花跟結果階段的光照一樣重要。因為人工光源就是我們給到植物所有生長階段的唯一能量來源,所以要怎麼選就變得至關重要。以下幫大家介紹並比較幾種常用於促進營養階段的燈,每種燈都有各自的優缺點。大部分種植者對 HID (金屬鹵燈Metal Halide與高壓鈉燈High Pressure Sodium lamps) 和 LED較為熟悉,但還有許多可用於室內栽培的不同型態與技術的燈大家也該來了解一下。

高強度氣體放電燈High Intensity Discharge (HID)

   HID從室內栽培的最初期就被開始使用了,HID藉著特殊設計、內部布塗石英的燈管,並透過兩端鎢電極打出來的加壓電弧,通過燈管後而發出光線。有HID還有多種形式:金屬鹵素燈 (MH),陶瓷金屬鹵化燈(CMH)和高壓鈉燈(HPS)等。種植高大樹狀作物的種植者通常會選用HID燈來提供營養階段的光源,其他種類的植物燈比較沒有讓高大植株的枝節生長更緊湊的效果。

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金屬鹵素燈 Metal Halide (MH) – MH燈發出的光有大量的藍色光譜。 藍色光譜光比較不太會拉伸並形成細長的節點間距,植物的生長態樣會較傾向矮而濃密。 

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高壓鈉燈High Pressure Sodium (HPS) – HPS燈發出的光有大量的紅色光譜,是開花與結果階段較喜愛的光譜。 HPS是HID中效率最高的燈,HPS的燈泡使用壽命較其他如MH之類的更久,且每瓦的輸出光亮更多。HID照明技術的進步 - 更具體地說,燈本身的設計和構造 - 目前已經製造出能有輸出更多全光譜的光HPS燈泡。

陶瓷金屬鹵素燈Ceramic Metal Halide ( CMH) -  CMH是使用陶瓷作為電弧管的改良金屬鹵素燈,比一般的金屬鹵素燈更節能。CMH所照射出來的光譜較自然,較接近於晴朗天氣的太陽光。CMH燈也會產生能夠刺激植物增加天然油脂和風味的UV-B光。但CMH燈泡的光與植物之間最好不要有任何阻隔,傳導才能達到最佳效果,反光裝置和光罩若有玻璃的話,會格擋掉UV-B光。

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優點:

  1. HID光的強度與穿透性較佳,能夠穿透高且壯的植物的受光面。

  2. 光譜分佈較為完整,適合作物的一般成長階段。

缺點:

  1. 光散射 - 所有光能量都從單一的燈管焦點發出,這導致光能在場域中的傳播不一致。 反光設備有助於讓光線更均勻分佈,但越靠近燈具才能獲得更多的光能。 讓作物輪替移動或讓燈具位置變成可移動的話可以幫助解決這一問題。

  2. 熱 – HID使用電弧來產生光,同時也會產上大量的熱,必須想辦法把熱從生長空間內排出。

T5 螢光燈 - T5 螢光燈的高輸出螢光能給植物非常好的生長能量。

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優點:

  1. 高輸出和光散射 - 植物生長專用的T5螢光燈有2尺和4尺兩種規格。燈管能跨過整個燈具的距離並發出均勻的光能。 在T5燈具下生長的所有植物都能獲得相同均勻的光能,使生長也整齊均勻,整齊且標種化也能帶來更高的回報。

  2. 散熱 - 與HID燈具相比,熒光燈的溫度較低。 燈可以放置在靠近植物頂部,讓更多的光能可以被植物所利用。 使植物會有更緊密的節點間距, 低矮而茂盛的作物在室內園藝裡比那些高瘦稀疏的作物更受歡迎,且產量也會更高。

缺點:

  1. 缺乏開花與結果所需的光譜 – T5植物燈對於開花結果階段而言不是最有效的選擇。

  2. 穿透力有限 – T5燈的強度較弱,必須足夠接近植物表面才能達到最佳效果。

  3. 需要反光設備 – T5燈管有360度的光照角度,所以需要高品質的反光設備來使光線指向植物。

  4. 壽命較短 - T5燈的電極壽命和能量輸出會隨著使用時間而衰退。

 

LED - 發光二極管Light Emitting Diodes - 固態半導體光源

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優點:

  1. 它們具有熱量非常低的特徵 – 植物可以被放置到很靠近光源的地方。

  2. 光譜客製化容易 - 可以為各種植物和生長階段設計製造特定的燈具以產生特定的光譜。

  3. LED光可以使植物產生更緊密的節點間距和並保證植物冠層的均勻性。

  4. 與HID或熒光燈相比,LED具有非常長的使用壽命。

缺點:

  1. 價格昂貴 – LED目前還是比HID或螢光燈貴,但做為長期投資,LED的節能、低功耗與長壽優勢將會逐漸使你回本。

電磁感應燈(無極燈)Induction Light – 螢光感應和等離子感應

  電磁感應燈運用電磁場轉換能量變成光源。是一種沒有電極和燈絲的照明設備,它通過燈管外的磁環產生電磁波激發燈管內的物質工作,燈泡完全密封且無污染物質。

  螢光感應燈 -  使用磷來發光的低壓燈泡。 能量通過感應傳輸到燈管中, 在燈管的內部,電子通過電磁發射而活躍,使得燈管中的磷發光。

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優點:從許多方面來說,螢光感應燈都是完美的植物成長燈。

  1. 不需預熱 - 可立即啟動和再啟動,多次開關不會有普通帶電極放電燈中的光衰現象

  2. 電氣性能優良 - 電流諧波低,恒電壓供電,輸出恒定的光通量。

  3. 沒有電極,發熱量低。

  4. 使用壽命長達15年以上,或6萬~10萬小時。

缺點:

  • 使用磷作為發光體以產生光譜輸出 – 有些磷光體取得不易,會限制燈光的亮度,光譜的完整性和壓縮度。

等離子燈Plasma lighting (LEP) 

  LEP是這幾年新出現的園藝栽培光源科技。LEP光是尼古拉 特斯拉在19世紀末所發明出來的。LEP是一種固態照明,和LED不同,LEP產生光是利用一個固態器件透過電磁RF(射頻)能量使密閉室裡的氣體產生等離子體光源。LEP產生的光譜比任何人工光源都還接近太陽光,對營養生長、開花和結果階段都很理想。燈泡裡的氣體色溫是 6,000K,太陽的表面色溫則是 5,777K。目前LEP的開發多是用於園藝栽培用途,LEP最終極有可能會成為室內栽培的標準光源設備。

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優點:

  1. 完整的PAR光譜 – 適合營養生長階段(靠近5500K)。

  2. 有能刺激植物生成天然油脂和增加風味的UV-A和UV-B光。

  3. 使用壽命可達3~4小時,甚至5萬小時。

  4. 比HID的流明密度和光效更高 – 更低的維護成本,與LED同屬於綠色環保光源。

  5. 比其他螢光燈和LED更高的穿透力。

  6. 比 HID更省電。

缺點:

  1. 穿透力低於HID生長光。

  2. 目前而言初始投資金額最高的人工光源。

  3. 熱量輸出較大,需要排風扇或散熱設備來將熱從燈具和種植空間排走。

LEP 與 HID光源比較:

  1. LEP是使用固態電子元件,非常可靠且可以精準操控。

  2. LEP沒有能量消耗在金屬電極上,燈組可以完全密封,無污染和持久的燈泡壽命。減少早期失效以及光衰問題。

  3. LEP光源是定向點光源,定向光源避免了燈具内部由於光線反射等因素引起的浪費。

  4. 可控制的固態驅動器和反應靈敏的光源發射器使LEP光源能夠在幾秒内通過數位或類比方式調光dimming。

  5. LEP維護和運作成本較低,能源效率較高。

  6. 每瓦的流明度比標準MH或HPS燈泡。

LEP 與 LED光源比較:

  1. LED目前仍缺乏全PAR光譜的輸出,LEP光卻有比PAR範圍更多的光譜。

  2. LEP燈的溫度較高,必須離作物距離較遠,以避免植物受傷。LED燈的輸出就比較多元可調整,讓使用者可以自行決定燈與作物間的空間距離。

LEP 與 其他感應燈(無極燈)比較:

  1. 流明密度更高

  2. 燈體更緊湊。

  3. 更有效率

  4. 比其他無電極的光源的演色指數更高。

  5. LEP的點光源具有很大的優勢,定向性極大地提高了燈具的效率,能夠輸送更多流明到目標區域。

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