植物生长灯之设计实务
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100%
50%
植物 所吸收光能
55%
紅橙光佔植物吸收光能輻射85%
光通平台-植栽
從植物的角度來看吸收了那些輻射能量
◆ 波長為610~720nm的紅橙光輻射約佔被吸收 的生理輻射光能的85% ，具有最大的光譜活 性，可促使植物內幹物質的累積，促使鱗莖塊 根葉球及其他植物器官的形成 ◆ 波長為400~510nm的藍紫光輻射約佔被吸收 的生理輻射光能的12% ，對於植物的化學成分 有較強的影響，可延遲植物開花，促進營養器 官充分生長。 ◆ 波長為510~610nm的黃、綠光則很少吸收
註：能被綠色植物吸收的那一部分太陽輻射叫生理輻射光能
光通平台-植栽
生理輻射光能在紅橙光段被吸收的多
◆ 波長為610~720nm的紅橙光輻射約佔被吸收 的生理輻射光能的85% ，具有最大的光譜活 性，可促使植物內幹物質的累積，促使鱗莖塊 根葉球及其他植物器官的形成。 ◆ 波長為400~510nm的藍紫光輻射約佔被吸收 的生理輻射光能的12% ，對於植物的化學成分 有較強的影響，可延遲植物開花、促進營養器 官充分生長和氣孔的開閉等。
提供如下的參數(積分球量測光子數， μmol/ s) 1.LED 白光可調整電流範圍內 白光光譜 610~720nm區段的紅光光子數 白光光譜 400~510nm區段的藍光光子數 例如流經白光電流 5~35 mA 則藍光光子數的範圍是 0.0034~0.0178 μmol/ s 則紅光光子數的範圍是 0.0127~0.0697 μmol/ s 2.LED 紅光可調整電流範圍 紅光光譜 610~720nm區段的紅光光子數 例如流經白光電流 5~25mA 則紅光光子數的範圍是 0.0184~0.07 μmol/ s
葉綠素吸收
光通平台-植栽
生理輻射光能的 60~65% 被植物所吸收
光合作用有效能量區 域(生理輻射光能)
太陽光能到達地面的50% 可見光段的 光能只有 60%~65% 能夠被植 物所吸收。
光 合 作 用 段 的 光 能
到 達 地 面 的 太 陽 光 能
8% 60% ~ 65%
藍紫光佔植物吸收光能輻射12%
光通平台-植栽
Step 7 :總紅藍有效光子數 150 μmol/s ， 投射在50cmx50cm 面積上
光子 150 μmol/s
PPFD = =
150 μmol/s
A1
0.5m x 0.5m 600 μmol/m2s
A2
PPFD光合作用光子通量密度(光強度) 跟投射的面積有關係(A1 PPFD > A2 PPFD)
390
umole/(m2*s)
UV(300-399)
300
(7)
490
Blue(400-490)
400
(8)
600
Green(491-600)
491
(9)
PPF =
Red(601-700)
700 601
(10)
850
Near infrared(701-850)
701
(11)
光通平台-植栽
Step 3 : 不同電流下，藍紅光的PPF 值範圍
光通平台-植栽
Step 4 :光源內白光和紅光燈珠顆數比， m/n
(m ． PPFWR + n ． PPFR ) / m ． PPFWB = Ra m/n = PPFR / (Ra ． PPFWB - PPFWR )
(2)
Ra ：R/B (光源內紅色光子數和藍色光子數比值) ，一般 5~9
我們實務操作 時是調整Ra 值 當Ra 取不同值時可得到下表 m/n 的範圍
此白光和紅光混和光源該如何設計? 白光和紅光燈珠排列該如何設計?
光通平台-植栽
不同電流大小 光合有效輻射功率 (紅光段光子數)
紅光 LED
光通平台-植栽
實用的題目
1. 2. 3. 4. 5. 植物生長面積為 60x30cm 光源離葉面最大距離為 50cm PPFD > 833 μmol/m2s 總紅藍有效光子數 >150 μmol/s 紅光和藍光光子數比值，Ra值可調範圍 (4~9)
植物生長燈 之設計實務
10/May/2015
光通平台-植栽
目的 設計可連續調整紅藍光子數目比例 的LED植物光源 (白光和紅光混和光源設計)
經過多方農業專家研究和植物生理上的需求 1. 紅光與藍光光子數比在指定區間(4：1 ~9：1之間)連續可調來滿足 不同生長狀態下對光質成分數量的需要。 2. 必須要達到足夠的單位面積光合有效輻射所需的光量子數 。PPFD 光源內紅色光子數 光源內藍色光子數
Pw 為輻射功率總量， Wλ 為光譜功率密度，W/nm
△λ 為數據採集的間隔，使用積分球測量時，取值 1nm。
PwBR 為可見光範圍的總輻射功率，W PwB 為藍光部分的輻射功率，W PwR 為紅光部分的輻射功率，W
(4)
(5)
(6)
光通平台-植栽
Step 2 : 計算燈珠不同波段的光子通量 PPF ( μmol/ s)
當Ra = 5~9 時，0.26<m/n<3.63
光通平台-植栽
Step 5 : 不同m/n值下 可調節的總紅藍有效光子數， PPFRB
m ． PPFWR + n ． PPFR + m ． PPFWB = PPFRB
(1)
當Ra= 5~9 時，m/n =2 ，PPFRB 當Ra= 5~9 時，m/n =4 ，PPFRB
積分球量測光子數， μmol/ s 白光 LED
PAR
不同電流大小 光合有效輻射功率
計算不同電流下，藍紅光波段個別的PPF 值範圍
490
PPFWB
400
(8)
700
PPFWR
紅光 LED
不同電流大小 光合有效輻射功率
601
(10)
計算不同電流下，紅光波段的PPF 值範圍
700
PPFR
601
(10)
光通平台-植栽
光通平台-植栽
大幅將低光源的耗電量
■ 電費支出是植物工廠內，每個月龐大的固定支出。 ■ 從植物角度來看，如果適時適量的將植物所需的紅藍光子 數和其他色光的光子數，送到植物面前，則可以將光源效 率發揮到最大效率，栽種的植物長得好也可以讓光源耗電 量大幅降低。 ■ 採用白光和紅光封裝體比例混和的光源，可以將白光內的 藍光光子數全數給植物享受，藉由紅光LED的光子數來提 升光合作用所需的大量紅光光子，如此可以解決目前市面 上號稱全光譜白光植物光源的耗電量大的問題(部分藍光 轉成熱散逸掉了) 。
光通平台-植栽
範例(白光和紅光混和光源設計)
白光顆數* 白光 LED 的紅光光子數 紅光顆數* 紅光LED 的紅光光子數 + 白光顆數* 白光 LED 的藍光光子數 = 總紅藍有效光子數 一般我們所說紅藍比Ra
Ra =
光源內紅色光子數 光源內藍色光子數
不是紅光藍光能量比 (1) (2)
m ． PPFWR + n ． PPFR + m ． PPFWB = PPFRB (m ． PPFWR + n ． PPFR ) / m ． PPFWB = Ra
Ra =
,
紅藍比，Ra值可調範圍 (4~9)
光通平台-植栽
能量說
Байду номын сангаас
太陽光的光譜 (spectrum) 及 葉綠素 (chlorophyll) 的吸收光譜 (absorption spectrum)
■ 其中可見光段，佔整體到達 地面總能量的50% 。 ■ 可見光段的光能只有60%~65%能夠 被植物所吸收。 ■ 在被植物所吸收的光能中，其中波 長為610~720nm的紅橙光輻射約佔 被吸收的生理輻射光能的85% ；波 長為400~510nm的藍紫光輻射約佔 被吸收的生理輻射光能的12% 。
m ：白光燈珠顆數 n ：紅光燈珠顆數 (量測) PPFR ：紅光 LED光子數，μmol/ s (量測) PPFWR ：白光 LED 的紅光光子數，μmol/ s PPFWB ：白光 LED 的藍光光子數，μmol/ s (量測) PPFRB ：總紅藍有效光子數(維持足夠的單位面積光合有效輻射所需光子數， μmol/ s Ra ：光源內紅色光子數和藍色光子數比值
Step 3 : 不同電流下，藍紅光的PPF 值範圍
量測數值如下： 1. 紅光LED ，當電流範圍 5~25mA 時，紅光LED光子數 PPFR 範圍為 0.0184~0.07 μmol/ s ； 2. 白光LED 電流範圍 5~35mA 時，白光 LED 中的藍光 PPFWB 範圍為0.0034~0.0178 μmol/ s 3. 白光LED 電流範圍 5~35mA 時，白光 LED 中的紅光 PPFWR 範圍為0.0127~0.0697 μmol/ s
可調整範圍 0.06 ~ 0.19 μmol/ s 可調整範圍 0.10 ~ 0.37 μmol/ s
光通平台-植栽
PPFD需高於130-150 μmol/(m2*s)
日本廠商昭和電工提出對於植物照明 所需的光源要求，包括高發光效率， PPFD 需高於 130-150 μmol/(m2*s) ，且能提供 穩定的PPFD，光源距離須保持適度距離。
m/n ：光源內白光和紅光燈珠顆數比
光通平台-植栽
Step 1 : 用積分球量取燈珠各波段 PAR 值
LED 光譜能量分佈圖
光合作用有效輻射能量用來表達單位面積內特定 波長區域所輻射的總功率。 使用積分球可直接測出光源的光譜功率密度。 設定積分區間，得到不同波長範圍內的輻射功率 總量，公式如下 (3)
光通平台-植栽
Step 8 : 光源消耗功率計算
假設選用的白光LED最大功率為0.1W 假設選用的紅光LED最大功率為0.06W
256 x 0.06W + 512 x 0.1W = 66W
光源消耗最大功率為66W
光通平台-植栽
封裝廠應提供植物燈封裝體詳細資料
PAR 白光 LED
不同電流大小 光合有效輻射功率 (藍光和紅段光子數)
光通平台-植栽
Step 6 :總紅藍有效光子數 150 μmol/s， PPFRB 光源設計
m ． PPFWR + n ． PPFR + m ． PPFWB = PPFRB m/n=2 n=
PPFRB(150 μmol/ s) 2PPFWR + PPFR + 2 PPFWB
(1)
= 256 pcs 紅光 m = 512pcs 白光
光通平台-植栽
植物只需要400~700nm範圍內 8﹪的藍光能源
在自然陽光下，藍光能量佔400~700nm範圍內20﹪ ； 對人工光源而言，並不需要如此高的比例。對正常發育 的植物而言，多數植物只需要400~700nm範圍內8﹪的 藍光能源 ( 多的藍光能量轉成熱散逸出去 ) 。在自然陽光 下，已有此足夠藍光能量。因此人工光源不需要額外補 充更多的藍光光譜。但是在自然光源不足時（如冬天）， 人工光源需要增加藍光能量，否則藍色光源將成為植物 生長的限制影響因子。
50%
植物 所吸收光能
55%
紅橙光佔植物吸收光能輻射85%
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從植物的角度來看吸收了那些輻射能量
◆ 波長為610~720nm的紅橙光輻射約佔被吸收 的生理輻射光能的85% ，具有最大的光譜活 性，可促使植物內幹物質的累積，促使鱗莖塊 根葉球及其他植物器官的形成 ◆ 波長為400~510nm的藍紫光輻射約佔被吸收 的生理輻射光能的12% ，對於植物的化學成分 有較強的影響，可延遲植物開花，促進營養器 官充分生長。 ◆ 波長為510~610nm的黃、綠光則很少吸收
註：能被綠色植物吸收的那一部分太陽輻射叫生理輻射光能
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生理輻射光能在紅橙光段被吸收的多
◆ 波長為610~720nm的紅橙光輻射約佔被吸收 的生理輻射光能的85% ，具有最大的光譜活 性，可促使植物內幹物質的累積，促使鱗莖塊 根葉球及其他植物器官的形成。 ◆ 波長為400~510nm的藍紫光輻射約佔被吸收 的生理輻射光能的12% ，對於植物的化學成分 有較強的影響，可延遲植物開花、促進營養器 官充分生長和氣孔的開閉等。
提供如下的參數(積分球量測光子數， μmol/ s) 1.LED 白光可調整電流範圍內 白光光譜 610~720nm區段的紅光光子數 白光光譜 400~510nm區段的藍光光子數 例如流經白光電流 5~35 mA 則藍光光子數的範圍是 0.0034~0.0178 μmol/ s 則紅光光子數的範圍是 0.0127~0.0697 μmol/ s 2.LED 紅光可調整電流範圍 紅光光譜 610~720nm區段的紅光光子數 例如流經白光電流 5~25mA 則紅光光子數的範圍是 0.0184~0.07 μmol/ s
葉綠素吸收
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生理輻射光能的 60~65% 被植物所吸收
光合作用有效能量區 域(生理輻射光能)
太陽光能到達地面的50% 可見光段的 光能只有 60%~65% 能夠被植 物所吸收。
光 合 作 用 段 的 光 能
到 達 地 面 的 太 陽 光 能
8% 60% ~ 65%
藍紫光佔植物吸收光能輻射12%
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Step 7 :總紅藍有效光子數 150 μmol/s ， 投射在50cmx50cm 面積上
光子 150 μmol/s
PPFD = =
150 μmol/s
A1
0.5m x 0.5m 600 μmol/m2s
A2
PPFD光合作用光子通量密度(光強度) 跟投射的面積有關係(A1 PPFD > A2 PPFD)
390
umole/(m2*s)
UV(300-399)
300
(7)
490
Blue(400-490)
400
(8)
600
Green(491-600)
491
(9)
PPF =
Red(601-700)
700 601
(10)
850
Near infrared(701-850)
701
(11)
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Step 3 : 不同電流下，藍紅光的PPF 值範圍
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Step 4 :光源內白光和紅光燈珠顆數比， m/n
(m ． PPFWR + n ． PPFR ) / m ． PPFWB = Ra m/n = PPFR / (Ra ． PPFWB - PPFWR )
(2)
Ra ：R/B (光源內紅色光子數和藍色光子數比值) ，一般 5~9
我們實務操作 時是調整Ra 值 當Ra 取不同值時可得到下表 m/n 的範圍
此白光和紅光混和光源該如何設計? 白光和紅光燈珠排列該如何設計?
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不同電流大小 光合有效輻射功率 (紅光段光子數)
紅光 LED
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實用的題目
1. 2. 3. 4. 5. 植物生長面積為 60x30cm 光源離葉面最大距離為 50cm PPFD > 833 μmol/m2s 總紅藍有效光子數 >150 μmol/s 紅光和藍光光子數比值，Ra值可調範圍 (4~9)
植物生長燈 之設計實務
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目的 設計可連續調整紅藍光子數目比例 的LED植物光源 (白光和紅光混和光源設計)
經過多方農業專家研究和植物生理上的需求 1. 紅光與藍光光子數比在指定區間(4：1 ~9：1之間)連續可調來滿足 不同生長狀態下對光質成分數量的需要。 2. 必須要達到足夠的單位面積光合有效輻射所需的光量子數 。PPFD 光源內紅色光子數 光源內藍色光子數
Pw 為輻射功率總量， Wλ 為光譜功率密度，W/nm
△λ 為數據採集的間隔，使用積分球測量時，取值 1nm。
PwBR 為可見光範圍的總輻射功率，W PwB 為藍光部分的輻射功率，W PwR 為紅光部分的輻射功率，W
(4)
(5)
(6)
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Step 2 : 計算燈珠不同波段的光子通量 PPF ( μmol/ s)
當Ra = 5~9 時，0.26<m/n<3.63
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Step 5 : 不同m/n值下 可調節的總紅藍有效光子數， PPFRB
m ． PPFWR + n ． PPFR + m ． PPFWB = PPFRB
(1)
當Ra= 5~9 時，m/n =2 ，PPFRB 當Ra= 5~9 時，m/n =4 ，PPFRB
積分球量測光子數， μmol/ s 白光 LED
PAR
不同電流大小 光合有效輻射功率
計算不同電流下，藍紅光波段個別的PPF 值範圍
490
PPFWB
400
(8)
700
PPFWR
紅光 LED
不同電流大小 光合有效輻射功率
601
(10)
計算不同電流下，紅光波段的PPF 值範圍
700
PPFR
601
(10)
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大幅將低光源的耗電量
■ 電費支出是植物工廠內，每個月龐大的固定支出。 ■ 從植物角度來看，如果適時適量的將植物所需的紅藍光子 數和其他色光的光子數，送到植物面前，則可以將光源效 率發揮到最大效率，栽種的植物長得好也可以讓光源耗電 量大幅降低。 ■ 採用白光和紅光封裝體比例混和的光源，可以將白光內的 藍光光子數全數給植物享受，藉由紅光LED的光子數來提 升光合作用所需的大量紅光光子，如此可以解決目前市面 上號稱全光譜白光植物光源的耗電量大的問題(部分藍光 轉成熱散逸掉了) 。
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範例(白光和紅光混和光源設計)
白光顆數* 白光 LED 的紅光光子數 紅光顆數* 紅光LED 的紅光光子數 + 白光顆數* 白光 LED 的藍光光子數 = 總紅藍有效光子數 一般我們所說紅藍比Ra
Ra =
光源內紅色光子數 光源內藍色光子數
不是紅光藍光能量比 (1) (2)
m ． PPFWR + n ． PPFR + m ． PPFWB = PPFRB (m ． PPFWR + n ． PPFR ) / m ． PPFWB = Ra
Ra =
,
紅藍比，Ra值可調範圍 (4~9)
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能量說
Байду номын сангаас
太陽光的光譜 (spectrum) 及 葉綠素 (chlorophyll) 的吸收光譜 (absorption spectrum)
■ 其中可見光段，佔整體到達 地面總能量的50% 。 ■ 可見光段的光能只有60%~65%能夠 被植物所吸收。 ■ 在被植物所吸收的光能中，其中波 長為610~720nm的紅橙光輻射約佔 被吸收的生理輻射光能的85% ；波 長為400~510nm的藍紫光輻射約佔 被吸收的生理輻射光能的12% 。
m ：白光燈珠顆數 n ：紅光燈珠顆數 (量測) PPFR ：紅光 LED光子數，μmol/ s (量測) PPFWR ：白光 LED 的紅光光子數，μmol/ s PPFWB ：白光 LED 的藍光光子數，μmol/ s (量測) PPFRB ：總紅藍有效光子數(維持足夠的單位面積光合有效輻射所需光子數， μmol/ s Ra ：光源內紅色光子數和藍色光子數比值
Step 3 : 不同電流下，藍紅光的PPF 值範圍
量測數值如下： 1. 紅光LED ，當電流範圍 5~25mA 時，紅光LED光子數 PPFR 範圍為 0.0184~0.07 μmol/ s ； 2. 白光LED 電流範圍 5~35mA 時，白光 LED 中的藍光 PPFWB 範圍為0.0034~0.0178 μmol/ s 3. 白光LED 電流範圍 5~35mA 時，白光 LED 中的紅光 PPFWR 範圍為0.0127~0.0697 μmol/ s
可調整範圍 0.06 ~ 0.19 μmol/ s 可調整範圍 0.10 ~ 0.37 μmol/ s
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PPFD需高於130-150 μmol/(m2*s)
日本廠商昭和電工提出對於植物照明 所需的光源要求，包括高發光效率， PPFD 需高於 130-150 μmol/(m2*s) ，且能提供 穩定的PPFD，光源距離須保持適度距離。
m/n ：光源內白光和紅光燈珠顆數比
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Step 1 : 用積分球量取燈珠各波段 PAR 值
LED 光譜能量分佈圖
光合作用有效輻射能量用來表達單位面積內特定 波長區域所輻射的總功率。 使用積分球可直接測出光源的光譜功率密度。 設定積分區間，得到不同波長範圍內的輻射功率 總量，公式如下 (3)
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Step 8 : 光源消耗功率計算
假設選用的白光LED最大功率為0.1W 假設選用的紅光LED最大功率為0.06W
256 x 0.06W + 512 x 0.1W = 66W
光源消耗最大功率為66W
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封裝廠應提供植物燈封裝體詳細資料
PAR 白光 LED
不同電流大小 光合有效輻射功率 (藍光和紅段光子數)
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Step 6 :總紅藍有效光子數 150 μmol/s， PPFRB 光源設計
m ． PPFWR + n ． PPFR + m ． PPFWB = PPFRB m/n=2 n=
PPFRB(150 μmol/ s) 2PPFWR + PPFR + 2 PPFWB
(1)
= 256 pcs 紅光 m = 512pcs 白光
光通平台-植栽
植物只需要400~700nm範圍內 8﹪的藍光能源
在自然陽光下，藍光能量佔400~700nm範圍內20﹪ ； 對人工光源而言，並不需要如此高的比例。對正常發育 的植物而言，多數植物只需要400~700nm範圍內8﹪的 藍光能源 ( 多的藍光能量轉成熱散逸出去 ) 。在自然陽光 下，已有此足夠藍光能量。因此人工光源不需要額外補 充更多的藍光光譜。但是在自然光源不足時（如冬天）， 人工光源需要增加藍光能量，否則藍色光源將成為植物 生長的限制影響因子。