高亮度LED在观赏水草养殖之应用-生物产业自动化教学及研究中心
LED应用于植物景观照明
LED用于植物景观照明于娟李雯雯王爱英（天津大学建筑学院300072）摘要：随着中国城市夜间环境不断提升，以及LED光源品质迅速进步，使得LED广泛应用于夜间环境照明。
现今LED已大量应用于植物景观照明，而相关的理论研究却相当匮乏。
本文论述LED应用于植物景观照明的现状，旨在了解该专题的最新研究动态，为提升植物景观照明设计质量和改善人们晚间生活休闲品质、提高城市整体形象贡献一份力量。
关键词：LED 植物景观照明前言：植物景观照明在夜景的塑造中有不可替代的作用，不管是在建筑周边、广场还是公园、绿地的夜景营造中，树木照明都是环境的重要组成部分，在植物公园中又作为照明的主角出现。
作为新一代光源并被广泛应用于夜景照明的LED，如何扬长避短发挥其优势应用到景观照明设计中，又如何影响植物景观照明设计等问题亟待研究和讨论。
本文讨论LED用于植物景观照明的优点，介绍我国植物景观照明存在的问题，总结植物照明的方式和特点，并给出LED应用于植物照明的原则和建议，旨在了解该专题的最新研究动态，为提升植物景观照明设计质量贡献一份力量。
1.LED用于植物景观照明的优点LED具有发光效率高、体积小、颜色可变、智能可控等一系列优点，针对植物景观照明，其有以下几项相较传统光源更具优势的优点：（1）出光具有一定的方向性，有利于控制光的分布和减少室外逸散光。
植物景观照明不仅需要塑造好的室外光环境氛围，更需注重光污染的控制。
（2）具有很好的单色性，可呈现饱和度很高的彩色光，营造绚丽的植物景观照明效果，如商业步行街区中常见的色彩绚丽的植物景观照明，烘托出商业街区热闹的氛围，这是使用传统光源进行植物照明不容易做到的。
（3）易对色彩及明暗进行调光和控制，实现即定和即时动态变化，此优点为植物照明实现节能环保，动态可变，打破传统照明效果单一等一系列提升照明品质需求提供了可能性。
（4）尺寸相对较小，容易实现安装隐蔽性。
植物景观照明对灯具的隐蔽性要求更高，且考虑树木的承载力更需要小巧轻便的灯具（5）LED使用低压电源，供电电压在3-24V之间，利于防范火灾，且使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多，利于植物本身生长。
用于植物水培的智能控制led照明装置
摘要为了解决未来人口的粮食问题，植物工厂应运而生。
而光照作为植物生长发育的重要因素，开发高效、无污染并且适宜植物生长的光源则成为重中之重。
随着发光二极管（Light Emitting Diode,LED）的迅速发展，LED以其节能、环保、冷光源并且光谱可调逐渐成为植物工厂的主流光源。
由于近些年红色荧光粉种类增多和稳定性不断提高，不同于传统将红蓝光LED芯片组合实现红蓝光的方式，本文提出一种新型红蓝光的实现方式：将红色荧光粉混合硅胶涂覆在蓝光LED芯片上，即荧光粉转化LED（phosphor converted LED,pc-LEDs），即可在单颗芯片实现植物所需红蓝光。
（一）为了得到理想的植物照明效果pc-LEDs器件，本文分别采用传统荧光粉点胶技术、自适应涂层技术实现红蓝光，并对器件进行结温测试、脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulation,PWM）调光测试、以及老化性能测试，结果显示：传统球形涂层结温为90℃，而自适应涂层结构结温在80℃左右；PWM调光下器件红蓝光量子数比基本不变；而随着时间的推移，红蓝光量子比从5.3衰减，在2000h 后稳定于5.0。
当粉胶比大于1:13时，传统球形荧光粉结构在空间红蓝光子比分布上呈现不均匀性，中心红蓝光子比偏小，边缘偏大；自适应涂层结构在-60~60°内呈现出比较高的均匀性，但由于杯碗的反射作用以及杯碗粘附的荧光粉，边缘区域呈现出不均匀性。
为了改善传统球形结构的空间红蓝光子比分布均匀性，采用改进的双冠型荧光粉涂层技术，在一定程度上提高了中心红蓝光子比，但效果不明显，边缘红蓝光子比依旧很高。
（二）为了得到空间红蓝光子比分布均匀的荧光粉层结构，本文采用蒙特卡洛思想借助matlab模拟该LED的光子传输过程：包括LED发光模型、吸收和散射模型、随机步长和随机波长的获得算法、荧光粉层离散化处理和出界判断算法。
通过仿真和实验对比确立仿真各项参数，其中散射系数为2.0mm-1，吸收系数为1.0mm-1，并在仿真模型上验证了球形结构的缺陷。
LED灯带在植物生长中的应用
LED灯带在植物生长中的应用白光LED的基本参数白光是复合光，可以用红、绿、蓝(R、G、B)三基色LED混合成白光。
1995年前后生产的一种集成LED白光灯(或称全色LED灯)由2个高亮度蓝光LED、15个绿光LED及5个红光LED组成。
一般来说，冷白光的色温为4500-10000K，主波长为5500Knm，典型光通量为150lm。
暖白光的色温为2850-3800K，主波长为3300Knm，典型光通量为135lm 。
蓝光的色温为20000K，主波长为470K，典型光通量为4.97lm。
光线光谱与植物光合作用的关系光谱范围对植物生理的影响：280 - 315nm 对形态与生理过程的影响极小315 -400nnm 叶绿素吸收少，影响光周期效应，阻止茎伸长400 -520nm（蓝）叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大，对光合作用影响最大520 -610nm 色素的吸收率不高610 -720nm（红）叶绿素吸收率低，对光合作用与光周期效应有显著影响720 -1000nm 吸收率低，刺激细胞延长，影响开花与种子发芽＞1000nm 转换成为热量Harry Stijger（《Flower Tech》2004年7（2））认为：事实上在光合作用过程中，光颜色的影响性并无不同，因此使用全光谱最有利于植物的发育。
植物对光谱的敏感性与人眼不同。
人眼最敏感的光谱为555nm，介于黄-绿光。
对蓝光区与红光区敏感性较差。
植物则不然，对于红光光谱最为敏感，对绿光较不敏感，但是敏感性的差异不似人眼如此悬殊。
植物对光谱最大的敏感地区为400-700nm。
此区段光谱通常称为光合作用有效能量区域。
阳光的能量约有45％位于此段光谱。
因此如果以人工光源以补充光量，光源的光谱分布也应该接近于此范围。
光源射出的光子能量因波长而不同。
例如波长400nm（蓝光）的能量为700nm（红光）能量的1.75倍。
但是对于光合作用而言，两者波长的作用结果则是相同。
蓝光LED对植物生长与开花的影响研究
蓝光LED对植物生长与开花的影响研究随着人们对可持续发展和环境保护的关注日益增加，研究人员开始关注如何利用人工光源来促进植物的生长与开花。
在众多人工光源中，蓝光LED（Light Emitting Diode）作为一种高效的光源，引起了研究者的广泛兴趣。
本文将探讨蓝光LED对植物生长与开花的影响，并对其机理进行解析。
首先，蓝光LED的光谱特点使其具有独特的作用于植物生长的能力。
蓝光被植物叶绿素吸收，并在光合作用过程中将其转化为能量。
蓝光主要参与植物光合作用的光反应，对于激活叶绿素和光合色素有重要作用。
此外，蓝光还可以调节植物的发育进程和激发植物的生理反应。
研究发现，在一定的辐射光照条件下，适量的蓝光可以提高植物的叶绿素含量和光合作用速率，促进光合产物的积累，从而促进植物的生长与开花。
然而，蓝光LED对植物的影响也存在一定的复杂性。
研究表明，蓝光对不同植物的影响是不同的，不同植物对蓝光LED的响应也有所差异。
有些植物对蓝光的敏感性较高，而另一些植物对蓝光的敏感性较低。
这可能与植物的生长习性、种类和生理状态等因素有关。
因此，对于不同的植物，需要进行具体的研究和实践，以了解蓝光LED对其生长和开花的最佳应用条件。
除了植物种类的差异外，光照强度和光周期也是影响蓝光LED对植物生长与开花影响的重要因素。
适宜的光照强度和光周期可以进一步提高蓝光LED的效果。
研究发现，在较低的光照强度下，适量的蓝光可以增加植物的叶绿素含量，并促进植物的生长。
此外，适宜的光周期调节可以改变植物的开花进程。
通过将蓝光LED的使用与其他光源结合，可以模拟特定的光周期，从而合理控制植物的开花时间和开花数量。
蓝光LED对植物的影响机理涉及多个方面的生理和遗传调控。
在分子水平上，蓝光通过激活特定的光受体来引起一系列信号转导和基因调控反应。
具体来说，蓝光能够激活一类叫做蓝光受体1（Cryptochrome 1，CRY1）的蛋白，进而激活与生长和开花相关的基因。
植物生长灯之LED在农业种植中的应用
谢谢
2012-3-15
KINGSUN
光质对亚硝酸盐的影响-LED补光植物亚硝 酸盐含量较自然生长低
KINGSUN
红光或红蓝组合有助于生菜的生 长，光质还可调控生菜的营养品质和安 全品质，并以红蓝光下生菜品质较好， 综合生长和品质指标认为，红蓝复合光 是高产优质栽培生菜的较好光源。
KINGSUN LED在根茎类植物中的应用
KINGSUN LED在药用植物中的应用
KINGSUN
光质对铁皮石斛幼苗培育的影响
技术参数：
红光LED： 660nm 半波宽±20nm 蓝光LED：450nm 半波宽±20nm 昼温：25±1℃ 夜温： 15±1℃ 相对湿度：60%-80% 光照时间：12h/d
KINGSUN 光质对铁皮石斛形态指标的影响
KINGSUN
LED在现代农业种植中 的应用
KINGSUN
“光、温、 水、肥、 气”是植 物生长发 育所需的 主要因子。 光居这些 因子的首 位！
KINGSUN
KINGSUN
KINGSUN
基于植物生 长发育合理 需求的电光 源产品及其 智能光控技 术的研发和 应用， 是今后植物 工厂及其栽 培方法革新 的核心内容。
KINGSUN
植物生长灯
• 光谱尽量接近叶绿素的吸收频谱
KINGSUN
KINGSUN
光质对植物作用的研究
KINGSUN LED在叶菜类植物中的应用
KINGSUN
光质对叶 菜生长的 影响-红 光与红蓝 光组合对 叶菜叶面 积有显著 作用。对 根系活力 也有很大 促进作用
KINGSUN
光质对叶 菜营养品 质的影响 -红光有 利于可溶 性糖的积 累。蓝光 促进Vc的 生成。 LED光照 有利于总 酚量的提 高
几张图教你看懂水草灯（各种水草灯光谱解析及LED详解）
几张图教你看懂水草灯（各种水草灯光谱解析及LED详解）很多人买水草灯一头雾水，只去看别人用的哪个牌子、色温、效果如何，却不懂得水草灯真正的奥秘在哪里。
我也是草缸新手，但是凡事喜欢研究明白，就给大家分享一下我看懂的东西，理解为什么这个灯好，红草怎样才会红...为了通俗易懂，我花几天画了一系列图，大家看了就明白。
首先来一个植物光合作用对光的需求，这是水草种植的最基础知识。
植物光合作用不需要的光谱，给再多也没用：光合作用主要需求是430-450纳米的蓝光和630-660纳米的红光，但是要注意红光很难穿透水，所以水草基本对红光的依赖比陆生植物低很多，就是说水草其实需要的就是450纳米左右的蓝光。
红草显色主要是因为类胡萝卜素较多，叶绿素较少。
看图会明白如何增加胡萝卜素的光合作用吧？就是加强相应光谱的蓝光。
图1解释一下我这个综合的光谱图，一部分是上面的植物光合作用光谱，两个波峰就是代表了植物实际的需求光谱；另一部分是某种灯具产生的实际光谱，如果光谱越满足植物需求就说明越高效，反之无效光谱过多则是浪费电。
来看看大家最常用的（T8/T5）三基色水草荧光灯管：荧光灯管的发光原理是高压电击穿灯管中的水银蒸气，使水银蒸气电离导电产生紫外线而激发管壁的萤光粉发光显色。
根据不同材料的荧光粉及配比可以获得不同颜色的光。
所以荧光灯所谓的“色温”只是用不同比例的荧光粉调配出偏暖色或偏冷色光谱。
这是水草灯的误区之一：用色温来代替光谱（只说色温不看光谱构成）。
所谓三基色，就是红绿蓝三色荧光粉发光，中和成白色。
还有专门的水草红光灯管和水草蓝光灯管，都是只用了一种单色荧光粉产生单色光谱，达到更高的光合效率。
在实际使用中，大家会发现开日光灯管会比卤素灯、LED灯、甚至自然日光的视觉效果更好，水草看起来会比其他灯更绿，我研究后觉得这主要是得益于三基色的绿色光谱使水草反射更多绿光。
非发光物体的颜色就说明他反射此光，当没有绿色光谱射入的时候，叶子是没有绿色的，我后面会有自己试验的图片给大家看沉木、生物、水草，在红绿蓝单色照射时是什么样子。
水草造景灯具之LED灯
水草造景灯具之LED灯LED的简介真正的三基色灯珠，最明显的标志就是6个引脚发光二极管（英语：Light-Emitting Diode，缩写：LED）是一种能发光的半导体电子元件，透过三价与五价元素所组成的复合光源。
此种电子元件早在1962年出现，早期只能够发出低光度的红光，被惠普买下专利后当作指示灯利用。
及后发展出其他单色光的版本，时至今日，能够发出的光已经遍及可见光、红外线及紫外线，光度亦提高到相当高的程度。
用途由初时的指示灯及显示板等逐渐发展至普通照明用途。
发光二极管只能够往一个方向导通（通电），叫作正向偏置（正向偏置），当电流流过时，电子与空穴在其内重合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体物料种类与故意掺入的元素杂质有关。
具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可靠性高等传统光源不及的优点。
白光LED的发光效率近年有所进步；每千流明成本，也因为大量的资金投入使价格下降，但成本仍远高于其他的传统照明。
虽然如此，近年仍然越来越多被用在照明用途上。
LED的发展史1961年，美国公司德州仪器的Robert Biard与Gary Pittman首次发现了砷化镓及其他半导体合金的红外放射作用。
1962年，通用电气公司的尼克·何伦亚克开发出第一种可实际应用的可见光发光二极管。
1993年，日本日亚化学工业（日语：日亜化学工業）（Nichia Corporation）工作的中村修二成功把镁掺入，造出了基于宽能隙半导体材料氮化镓和氮化铟镓（InGaN）、具有商业应用价值的蓝光发光二极管。
2014年凭借“发明高亮度蓝色发光二极管，带来了节能明亮的白色光源”，中村修二与天野浩及赤崎勇得到诺贝尔物理学奖。
有了蓝光发光二极管后，白光发光二极管也随即面世，之后LED 便朝增加光度的方向发展，当时一般的LED工作功率都小于30至60mW（毫瓦）。
1999年输入功率达1W（瓦）的发光二极管商品化。
LED光照在植物生长中的应用研究
LED光照在植物生长中的应用研究LED（Light Emitting Diode）是一种新型的电子器件，它具有低功耗、长寿命、小体积等优点。
随着LED技术的不断发展，LED已经开始广泛应用于照明领域。
同时，由于LED的可调性和高效性，它也成为了现代农业领域的重要技术，特别是在植物生长方面的应用研究。
植物生长通常需要依赖于光线、水分和温度等条件。
其中，光线是植物生长中最为重要的条件之一。
植物会利用太阳光进行光合作用，从而将光能转化为化学能，然后在代谢中利用这些化学能。
高强度的光照对于植物生长尤其重要。
然而，在室内栽培条件下，光照强度通常不能满足植物生长的需求。
此时，利用LED 来替代自然光照，成为了一种可行的方式。
根据植物对光线的不同需求，LED灯可以发出不同频率、不同波长的光线，从而满足植物不同时期的光化学需求。
例如，在植物的生长和发育阶段，蓝光和红光的比例对植物生长至关重要。
此外，在花开花落的时期，植物同样需要不同频率的光照来促进开花和结果。
而LED灯可以根据这些需求发出适当的光照，从而促进植物生长和发育。
除此之外，LED还可以通过控制发光时间和光照强度等条件，来影响植物的光周期和生理。
例如，在植物的成长季节中，通过控制LED灯的亮度和发光时间来模拟人工光周期，可以使得植物生长速度更快、植株更加健康。
另一方面，在植物的生长与休眠周期中，通过控制LED灯的发光时间来刺激植物的菌根发育，可以提高植物养分吸收和改善植物的抗病能力等。
在应用研究方面，LED的应用在植物生长领域已经成为一个热点话题。
通过对比自然光和LED灯的光谱，我们可以得出LED灯可以发出适合植物生长各个阶段需要的光照。
此外，对于不同作物的生长需求，根据LED灯的不同光谱，进一步为农业生产提供便利。
在实际生产中，LED灯已经可以广泛应用于各类植物的生长中。
例如，LED灯可以在蔬菜、水果和花卉的种植过程中，提供更加精确的光照环境，从而促进植物的生长和发育，同时可以节省一定的水和能源成本。
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紅蝴蝶對於環境條件十分敏感，在養成 期間葉片的顏色慢慢轉成綠色，觀賞價 值大幅降低
原因不一定只涉及光質，或許肥料濃度與比 例或者水中酸鹼度等都有可能
結論
LED耗電只有螢光燈管的一半，但亮度 達1.5倍以上，對水草的成長優於傳統螢 光燈管 以LED作為水族燈具極具發展潛力 針對維持紅蝴蝶葉片顏色的栽培模式仍 需進一步探討
試驗環境條件
螢光燈
LED
黑網
水草
選用兩種不同顏色的水草
綠色的虎耳(Bacopa caroliniana) 紅色的紅蝴蝶(Rotala macrandra)
每個處理，紅、綠色各10枝扦插 每週紀錄每枝株高、葉片數、莖節數
結果與討論
水深對LED光源穿透度之影響
0.40 0.35
自製高亮度LED條狀燈具
燈具(全長31 cm)上有32顆LED元件 每個元件: 4個紅色及2個藍色LED 功率：10 W 波長： 620 nm、460 nm
不同水深對光線穿透力試驗
可攜式光譜量測儀 (Spectroradiometer， LI-1800, LICOR, Inc., USA) 光線透過不同介質對光質光量之影響
空氣 玻璃 玻璃+水深10cm 玻璃+水深20cm 玻璃+水深30cm
光量（μmol/m2/s）
0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 300 400 500 600 700 800 900
1000
1100
波長（nm）
水深對螢光燈管光源穿透度的影響
0.06 0.05 空氣 玻璃 玻璃+水深10cm 玻璃+水深20cm 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 玻璃+水深30cm
台灣的優勢
Biblioteka 市場規模 水草為生態缸主角
光源是水草缸的重要限制因子
水草需行光合作用，光源是顯著的限制 因子，對於紅色水草尤甚
現有水族人工光源
螢光燈
便宜但光譜不完全 強度不足、會衰減 全光譜 價格昂貴 耗能大 大量發熱
白熱光源
高亮度發光二極體LED
光量（μmol/m2/s）
波長（nm）
水深對總光量的影響
空氣
LED 螢光燈
LED/螢光燈
玻璃
5.47 3.40 1.61
玻璃+
水深10 cm
玻璃+
水深20 cm
玻璃+
水深30 cm
5.32 3.49 1.52
5.01 2.99 1.67
5.86 3.11 1.89
10.36 5.13 2.02
單位：μmol/m2/s
水深越深似乎強化聚焦，惟真正原因仍待 進一步實驗探討
不同光源對地上部的影響
虎耳草 光源
株高增量 cm
紅蝴蝶 螢光燈
7.05
螢光燈
1.00
LED
1.05
LED
5.80
葉片增量
莖節增量 側芽數
1.8
1.4 0.3
3.6
1.6 1.3
18.7
12.9 0.8
21.8
10.9 3.3
不同光源對根系的影響
虎耳草 光源 發根數 平均根長 cm 螢光燈 3.25 LED 4.38 紅蝴蝶 螢光燈 4.75 LED 4.44
1.87
2.80
2.76
3.14
在株高、葉片數、莖節數，兩種光源對 於兩種水草的生長都有助益 LED在側芽及根系發育效果較明顯
是否和目前的波長組合對於分生組織的刺激 有效果，值得後續進一步探討
亮度高、耗能低、發熱少 波長可選擇 使用期間衰減少 使用壽命長，是螢光燈管10倍以上 已進入商業化規模生產
廣泛使用於照明、號誌、組織培養苗栽培，甚至 進入生物醫療產業
研究目的
探討利用高亮度LED做為觀賞水草生長 所需光源之可行性
螢光燈管
螢光燈管(AZOO 三波段太陽鹵素燈管) 功率：20 W 主要波長峰值，約在435、535、610 nm
高亮度LED在觀賞水草養殖之應用
宜大生機系 張明毅 台大生機系 方煒、朱元南
水族產業極具發展潛力
觀賞魚產業特色
低耗水量、高單位面積產值、全球性市場 氣候適宜 具水產種苗繁養殖基礎 台灣年產值新台幣16億元 全球觀賞魚貿易額超過50億美金 整體水族產業高達250億美金 生態缸概念盛行，水草躍升為生態水族缸的主體
空氣 空氣+10 mm玻璃 空氣+10 mm玻璃 +水深1、2、3、4、5、10、15、20、30 cm
水深對光源穿透度實驗
不同光源對水草生長試驗
110×40×40 cm的水槽 光源配置
左半部為螢光燈，右半部為LED燈源，以黑網隔開 光源距水面約20 cm，距水底55 cm 水面照度約為650 lux 光週期為於6 hr亮/6 hr暗 水溫於27 ℃ 定期加入追肥 照光期間供應CO2 水槽左右以沈水泵造成水流，讓左右兩邊水體能充分混合