Nguồn gốc: Houcheng Liu. Tình trạng phát triển và xu hướng của ngành công nghiệp chiếu sáng nhà máy LED[J].Tạp chí Kỹ thuật Chiếu sáng, 2018, 29(04):8-9.
Nguồn bài viết: Material Once Deep

Ánh sáng là yếu tố môi trường cơ bản cho sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Ánh sáng không chỉ cung cấp năng lượng cho sự sinh trưởng của cây thông qua quá trình quang hợp, mà còn là yếu tố điều hòa quan trọng đối với sự sinh trưởng và phát triển của cây. Bổ sung ánh sáng nhân tạo hoặc chiếu sáng hoàn toàn bằng ánh sáng nhân tạo có thể thúc đẩy sự sinh trưởng của cây, tăng năng suất, cải thiện hình dạng, màu sắc sản phẩm, tăng cường các thành phần chức năng và giảm sự xuất hiện của bệnh tật và sâu hại. Hôm nay, tôi sẽ chia sẻ với các bạn về tình trạng phát triển và xu hướng của ngành công nghiệp chiếu sáng cho cây trồng.
Công nghệ nguồn sáng nhân tạo ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực chiếu sáng cây trồng. Đèn LED có nhiều ưu điểm như hiệu suất chiếu sáng cao, sinh nhiệt thấp, kích thước nhỏ, tuổi thọ cao và nhiều ưu điểm khác. Nó mang lại những lợi thế rõ rệt trong lĩnh vực chiếu sáng trồng trọt. Ngành công nghiệp chiếu sáng trồng trọt sẽ dần dần áp dụng đèn LED cho việc canh tác cây trồng.

A. Tình trạng phát triển của ngành công nghiệp đèn LED chiếu sáng nông nghiệp 

1. Bộ đèn LED dùng cho chiếu sáng trồng cây

Trong lĩnh vực đóng gói đèn LED chiếu sáng nông nghiệp, có rất nhiều loại thiết bị đóng gói khác nhau, và chưa có hệ thống tiêu chuẩn đo lường và đánh giá thống nhất. Do đó, so với các sản phẩm trong nước, các nhà sản xuất nước ngoài chủ yếu tập trung vào các sản phẩm công suất cao, COB và module, có tính đến dòng đèn chiếu sáng trắng, xem xét đặc điểm sinh trưởng của cây và môi trường chiếu sáng nhân tạo, có ưu thế kỹ thuật vượt trội về độ tin cậy, hiệu suất ánh sáng, đặc điểm bức xạ quang hợp của các loại cây khác nhau ở các chu kỳ sinh trưởng khác nhau, bao gồm nhiều loại sản phẩm công suất cao, công suất trung bình và công suất thấp với kích thước khác nhau, nhằm đáp ứng nhu cầu của nhiều loại cây trong các môi trường sinh trưởng khác nhau, hướng tới mục tiêu tối đa hóa sự sinh trưởng của cây và tiết kiệm năng lượng.

Một lượng lớn bằng sáng chế cốt lõi về tấm wafer epitaxy chip vẫn nằm trong tay các công ty hàng đầu như Nichia của Nhật Bản và Career của Mỹ. Các nhà sản xuất chip trong nước vẫn thiếu các sản phẩm được cấp bằng sáng chế có tính cạnh tranh trên thị trường. Đồng thời, nhiều công ty cũng đang phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực đóng gói chip chiếu sáng nông nghiệp. Ví dụ, công nghệ chip màng mỏng của Osram cho phép các chip được đóng gói sát nhau để tạo ra bề mặt chiếu sáng diện tích lớn. Dựa trên công nghệ này, hệ thống chiếu sáng LED hiệu suất cao với bước sóng 660nm có thể giảm 40% mức tiêu thụ năng lượng trong khu vực trồng trọt.

2. Quang phổ ánh sáng và thiết bị trồng cây
Phổ ánh sáng cho cây trồng phức tạp và đa dạng hơn. Các loại cây khác nhau có nhu cầu về phổ ánh sáng khác nhau trong các chu kỳ sinh trưởng khác nhau và thậm chí trong các môi trường sinh trưởng khác nhau. Để đáp ứng những nhu cầu khác nhau này, hiện nay trong ngành có các phương án sau: ① Phương án kết hợp nhiều loại ánh sáng đơn sắc. Ba phổ hiệu quả nhất cho quá trình quang hợp của cây chủ yếu là phổ có đỉnh ở 450nm và 660nm, dải 730nm để kích thích cây ra hoa, cộng với ánh sáng xanh 525nm và dải tia cực tím dưới 380nm. Kết hợp các loại phổ này theo nhu cầu khác nhau của cây để tạo thành phổ phù hợp nhất. ② Phương án phổ đầy đủ để đáp ứng đầy đủ nhu cầu quang hợp của cây. Loại phổ này, tương ứng với chip SUNLIKE do Seoul Semiconductor và Samsung đại diện, có thể không phải là hiệu quả nhất, nhưng nó phù hợp với tất cả các loại cây và chi phí thấp hơn nhiều so với các giải pháp kết hợp ánh sáng đơn sắc. ③Sử dụng ánh sáng trắng toàn phổ làm nguồn chính, kết hợp với ánh sáng đỏ 660nm để nâng cao hiệu quả của quang phổ. Phương án này tiết kiệm và thiết thực hơn.

Các chip LED chiếu sáng đơn sắc dùng cho trồng cây (bước sóng chính là 450nm, 660nm, 730nm) được đóng gói bởi nhiều công ty trong và ngoài nước, trong đó sản phẩm trong nước đa dạng hơn và có nhiều thông số kỹ thuật hơn, còn sản phẩm của các nhà sản xuất nước ngoài thì tiêu chuẩn hóa hơn. Đồng thời, xét về quang thông quang hợp, hiệu suất ánh sáng, v.v., vẫn còn một khoảng cách lớn giữa các nhà sản xuất trong và ngoài nước. Đối với các thiết bị chiếu sáng đơn sắc dùng cho trồng cây, ngoài các sản phẩm có dải bước sóng chính là 450nm, 660nm và 730nm, nhiều nhà sản xuất cũng đang phát triển các sản phẩm mới ở các dải bước sóng khác để đáp ứng đầy đủ phạm vi bước sóng bức xạ hoạt động quang hợp (PAR) (450-730nm).

Đèn LED đơn sắc dùng cho trồng cây không phù hợp với tất cả các loại cây. Do đó, ưu điểm của đèn LED toàn phổ được nhấn mạnh. Đèn toàn phổ trước hết phải bao phủ toàn bộ phổ ánh sáng nhìn thấy (400-700nm), và tăng cường hiệu suất của hai dải tần: ánh sáng xanh lam-xanh lục (470-510nm), ánh sáng đỏ đậm (660-700nm). Sử dụng chip LED xanh lam hoặc LED tia cực tím thông thường với chất phát quang để đạt được phổ “toàn phần”, hiệu suất quang hợp của nó có cả cao và thấp. Hầu hết các nhà sản xuất thiết bị đèn LED trắng dùng cho trồng cây đều sử dụng chip xanh lam + chất phát quang để đạt được phổ toàn phần. Ngoài chế độ đóng gói ánh sáng đơn sắc và chip ánh sáng xanh lam hoặc tia cực tím cộng với chất phát quang để tạo ra ánh sáng trắng, các thiết bị đèn chiếu sáng cho trồng cây còn có chế độ đóng gói hỗn hợp sử dụng hai hoặc nhiều chip bước sóng, chẳng hạn như đỏ-xanh lam/tia cực tím, RGB, RGBW. Chế độ đóng gói này có ưu điểm vượt trội trong việc điều chỉnh độ sáng.

Đối với các sản phẩm LED bước sóng hẹp, hầu hết các nhà cung cấp bao bì đều có thể cung cấp cho khách hàng nhiều sản phẩm bước sóng khác nhau trong dải 365-740nm. Về phổ chiếu sáng thực vật được chuyển đổi bằng chất phát quang, hầu hết các nhà sản xuất bao bì đều có nhiều phổ khác nhau cho khách hàng lựa chọn. So với năm 2016, tốc độ tăng trưởng doanh số năm 2017 đã đạt được mức tăng đáng kể. Trong đó, tốc độ tăng trưởng của nguồn sáng LED 660nm tập trung ở mức 20%-50%, và tốc độ tăng trưởng doanh số của nguồn sáng LED thực vật chuyển đổi bằng chất phát quang đạt 50%-200%, tức là doanh số của nguồn sáng LED thực vật chuyển đổi bằng chất phát quang đang tăng trưởng nhanh hơn.

Tất cả các công ty sản xuất bao bì đều có thể cung cấp các sản phẩm bao bì thông dụng với công suất từ ​​0,2-0,9 W và 1-3 W. Các nguồn sáng này cho phép các nhà sản xuất thiết bị chiếu sáng có sự linh hoạt tốt trong thiết kế chiếu sáng. Ngoài ra, một số nhà sản xuất cũng cung cấp các sản phẩm bao bì tích hợp công suất cao hơn. Hiện nay, hơn 80% lượng hàng xuất xưởng của hầu hết các nhà sản xuất là loại 0,2-0,9 W hoặc 1-3 W. Trong đó, lượng hàng xuất xưởng của các công ty bao bì quốc tế hàng đầu tập trung vào loại 1-3 W, trong khi lượng hàng xuất xưởng của các công ty bao bì vừa và nhỏ tập trung vào loại 0,2-0,9 W.

3. Lĩnh vực ứng dụng của đèn chiếu sáng trồng cây

Về lĩnh vực ứng dụng, đèn chiếu sáng trồng cây chủ yếu được sử dụng trong chiếu sáng nhà kính, nhà máy trồng cây hoàn toàn bằng ánh sáng nhân tạo, nuôi cấy mô thực vật, chiếu sáng đồng ruộng ngoài trời, trồng rau và hoa trong gia đình, và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

①Trong nhà kính năng lượng mặt trời và nhà kính nhiều nhịp, tỷ lệ ánh sáng nhân tạo dùng để chiếu sáng bổ sung vẫn còn thấp, chủ yếu là đèn halogen kim loại và đèn natri cao áp. Tỷ lệ ứng dụng hệ thống chiếu sáng LED còn tương đối thấp, nhưng tốc độ tăng trưởng bắt đầu tăng nhanh khi chi phí giảm. Lý do chính là người dùng đã có kinh nghiệm lâu năm sử dụng đèn halogen kim loại và đèn natri cao áp, và việc sử dụng hai loại đèn này có thể cung cấp khoảng 6% đến 8% năng lượng nhiệt cho nhà kính mà vẫn tránh gây cháy lá. Hệ thống chiếu sáng LED chưa cung cấp hướng dẫn và dữ liệu hỗ trợ cụ thể và hiệu quả, điều này đã làm chậm quá trình ứng dụng của nó trong nhà kính ban ngày và nhà kính nhiều nhịp. Hiện nay, các ứng dụng trình diễn quy mô nhỏ vẫn là trụ cột chính. Vì LED là nguồn sáng lạnh, nó có thể được đặt tương đối gần tán cây, dẫn đến tác động nhiệt độ ít hơn. Trong nhà kính ban ngày và nhà kính nhiều nhịp, chiếu sáng LED thường được sử dụng nhiều hơn trong canh tác giữa các cây.

②Ứng dụng trong canh tác ngoài trời. Việc ứng dụng chiếu sáng cho cây trồng trong nông nghiệp nhà kính còn tương đối chậm, trong khi đó, việc ứng dụng hệ thống chiếu sáng LED (kiểm soát chu kỳ quang hợp) cho các loại cây trồng ngoài trời có ngày dài và giá trị kinh tế cao (như thanh long) đã phát triển nhanh chóng.

③ Nhà máy trồng cây. Hiện nay, hệ thống chiếu sáng cây trồng phát triển nhanh nhất và được sử dụng rộng rãi nhất là nhà máy trồng cây hoàn toàn bằng ánh sáng nhân tạo, được chia thành hai loại: nhà máy nhiều tầng tập trung và nhà máy di động phân tán. Sự phát triển của các nhà máy trồng cây bằng ánh sáng nhân tạo ở Trung Quốc rất nhanh chóng. Chủ thể đầu tư chính của các nhà máy trồng cây hoàn toàn bằng ánh sáng nhân tạo nhiều tầng tập trung không phải là các công ty nông nghiệp truyền thống, mà là các công ty hoạt động trong lĩnh vực bán dẫn và sản phẩm điện tử tiêu dùng, chẳng hạn như Zhongke San'an, Foxconn, Panasonic Tô Châu, Jingdong, và cả COFCO và Xi Cui cùng các công ty nông nghiệp hiện đại khác. Trong các nhà máy trồng cây phân tán và di động, container vận chuyển (container mới hoặc container cũ được cải tạo) vẫn được sử dụng làm phương tiện vận chuyển tiêu chuẩn. Hệ thống chiếu sáng cây trồng của các nhà máy hoàn toàn bằng ánh sáng nhân tạo chủ yếu sử dụng hệ thống chiếu sáng dạng tuyến tính hoặc dạng tấm phẳng, và số lượng giống cây trồng tiếp tục mở rộng. Các nguồn sáng LED với nhiều công thức chiếu sáng thử nghiệm khác nhau đã bắt đầu được sử dụng rộng rãi. Sản phẩm trên thị trường chủ yếu là rau lá xanh.

④ Trồng cây cảnh trong nhà. Đèn LED có thể được sử dụng trong đèn bàn trồng cây cảnh trong nhà, giá trồng cây cảnh trong nhà, máy trồng rau trong nhà, v.v.

⑤ Trồng cây dược liệu. Việc trồng cây dược liệu bao gồm các loại cây như Anoectochilus và Lithospermum. Các sản phẩm trong thị trường này có giá trị kinh tế cao hơn và hiện đang là một ngành công nghiệp có nhiều ứng dụng chiếu sáng cho cây trồng. Ngoài ra, việc hợp pháp hóa trồng cần sa ở Bắc Mỹ và một số khu vực ở châu Âu đã thúc đẩy việc ứng dụng đèn LED chiếu sáng trong lĩnh vực trồng cần sa.

⑥ Đèn chiếu sáng kích thích ra hoa. Là một công cụ không thể thiếu để điều chỉnh thời gian ra hoa trong ngành trồng hoa, ứng dụng sớm nhất của đèn chiếu sáng kích thích ra hoa là đèn sợi đốt, sau đó là đèn huỳnh quang tiết kiệm năng lượng. Với sự phát triển của công nghiệp LED, ngày càng nhiều thiết bị chiếu sáng kích thích ra hoa loại LED dần thay thế các loại đèn truyền thống.

⑦ Nuôi cấy mô thực vật. Các nguồn sáng truyền thống cho nuôi cấy mô chủ yếu là đèn huỳnh quang trắng, có hiệu suất phát sáng thấp và sinh nhiệt lớn. Đèn LED phù hợp hơn cho việc nuôi cấy mô thực vật hiệu quả, dễ điều khiển và nhỏ gọn nhờ các đặc điểm nổi bật như tiêu thụ điện năng thấp, sinh nhiệt thấp và tuổi thọ cao. Hiện nay, đèn LED trắng dạng ống đang dần thay thế đèn huỳnh quang trắng.

4. Phân bố khu vực của các công ty sản xuất đèn chiếu sáng nông nghiệp

Theo thống kê, hiện nay ở nước ta có hơn 300 công ty sản xuất đèn chiếu sáng nông nghiệp, trong đó các công ty ở khu vực Đồng bằng Châu Giang chiếm hơn 50% và đã chiếm vị trí chủ chốt. Các công ty ở Đồng bằng sông Dương Tử chiếm khoảng 30%, và vẫn là một khu vực sản xuất quan trọng cho các sản phẩm đèn chiếu sáng nông nghiệp. Các công ty sản xuất đèn trồng cây truyền thống chủ yếu phân bố ở Đồng bằng sông Dương Tử, Đồng bằng Châu Giang và Vành đai Bột Hải, trong đó Đồng bằng sông Dương Tử chiếm 53%, và Đồng bằng Châu Giang và Vành đai Bột Hải lần lượt chiếm 24% và 22%. Các khu vực phân bố chính của các nhà sản xuất đèn LED trồng cây là Đồng bằng Châu Giang (62%), Đồng bằng sông Dương Tử (20%) và Vành đai Bột Hải (12%).

B. Xu hướng phát triển của ngành công nghiệp đèn LED chiếu sáng nông nghiệp

1. Chuyên môn hóa

Đèn LED trồng cây có đặc điểm là quang phổ và cường độ ánh sáng có thể điều chỉnh, sinh nhiệt thấp và khả năng chống thấm nước tốt, do đó phù hợp để chiếu sáng trồng cây trong nhiều môi trường khác nhau. Đồng thời, những thay đổi trong môi trường tự nhiên và sự theo đuổi chất lượng thực phẩm của con người đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của nông nghiệp công nghiệp và các nhà máy trồng trọt, đưa ngành công nghiệp đèn LED trồng cây bước vào giai đoạn phát triển nhanh chóng. Trong tương lai, đèn LED trồng cây sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp, cải thiện an toàn thực phẩm và nâng cao chất lượng rau quả. Nguồn sáng LED dùng cho chiếu sáng trồng trọt sẽ tiếp tục phát triển cùng với sự chuyên môn hóa dần dần của ngành và hướng tới mục tiêu cụ thể hơn.

2. Hiệu quả cao

Việc nâng cao hiệu quả chiếu sáng và hiệu quả năng lượng là chìa khóa để giảm đáng kể chi phí vận hành chiếu sáng cây trồng. Việc sử dụng đèn LED để thay thế đèn truyền thống và việc tối ưu hóa, điều chỉnh động môi trường chiếu sáng theo yêu cầu công thức chiếu sáng của cây trồng từ giai đoạn cây con đến giai đoạn thu hoạch là xu hướng tất yếu của nông nghiệp tinh chế trong tương lai. Về việc nâng cao năng suất, có thể kết hợp canh tác theo từng giai đoạn và khu vực với công thức chiếu sáng theo đặc điểm phát triển của cây để nâng cao hiệu quả sản xuất và năng suất ở mỗi giai đoạn. Về việc nâng cao chất lượng, có thể sử dụng điều chỉnh dinh dưỡng và điều chỉnh ánh sáng để tăng hàm lượng chất dinh dưỡng và các thành phần chức năng chăm sóc sức khỏe khác.

Theo ước tính, nhu cầu quốc gia hiện nay về cây giống rau là 680 tỷ cây, trong khi năng lực sản xuất cây giống tại các nhà máy chỉ chiếm chưa đến 10%. Ngành công nghiệp cây giống có yêu cầu về môi trường cao hơn. Mùa vụ sản xuất chủ yếu là mùa đông và mùa xuân. Ánh sáng tự nhiên yếu và cần bổ sung ánh sáng nhân tạo. Chiếu sáng nhân tạo cho cây trồng có chi phí đầu vào và đầu ra tương đối cao và mức độ chấp nhận đầu vào cao. Đèn LED có những ưu điểm độc đáo, bởi vì các loại rau quả (cà chua, dưa chuột, dưa hấu, v.v.) cần phải ghép, và quang phổ ánh sáng bổ sung cụ thể trong điều kiện độ ẩm cao có thể thúc đẩy quá trình liền vết ghép. Ánh sáng bổ sung cho việc trồng rau trong nhà kính có thể bù đắp sự thiếu hụt ánh sáng tự nhiên, cải thiện hiệu quả quang hợp của cây, thúc đẩy ra hoa và kết trái, tăng năng suất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Chiếu sáng nhân tạo bằng đèn LED có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cây giống rau và nhà kính.

3. Thông minh

Hệ thống chiếu sáng trồng cây có nhu cầu cao về điều khiển chất lượng và cường độ ánh sáng theo thời gian thực. Với sự cải tiến của công nghệ điều khiển thông minh và ứng dụng Internet vạn vật, nhiều loại quang phổ đơn sắc và hệ thống điều khiển thông minh có thể thực hiện điều khiển theo thời gian, điều khiển ánh sáng, và dựa trên tình trạng sinh trưởng của cây, điều chỉnh kịp thời chất lượng và cường độ ánh sáng chắc chắn sẽ trở thành xu hướng chính trong sự phát triển của công nghệ chiếu sáng trồng cây trong tương lai.