Originalquelle: Houcheng Liu. Entwicklungsstand und Trends der LED-Pflanzenbeleuchtungsindustrie[J]. Journal of Illumination Engineering, 2018, 29(04): 8-9.
Artikelquelle: Material Once Deep

Licht ist der grundlegende Umweltfaktor für Wachstum und Entwicklung von Pflanzen. Es liefert nicht nur Energie für die Photosynthese, sondern reguliert auch maßgeblich deren Wachstum und Entwicklung. Künstliches Zusatzlicht oder die vollständige Bestrahlung mit künstlichem Licht kann das Pflanzenwachstum fördern, den Ertrag steigern, Form und Farbe der Produkte verbessern, funktionelle Inhaltsstoffe verstärken und das Auftreten von Krankheiten und Schädlingen reduzieren. Heute möchte ich Ihnen den aktuellen Stand und die Trends der Pflanzenbeleuchtungsindustrie vorstellen.
Künstliche Lichtquellen finden immer breitere Anwendung in der Pflanzenbeleuchtung. LEDs bieten zahlreiche Vorteile wie hohe Lichtausbeute, geringe Wärmeentwicklung, kompakte Bauweise und lange Lebensdauer. Sie bieten deutliche Vorteile in der Pflanzenbeleuchtung. Die Pflanzenbeleuchtungsindustrie wird daher nach und nach auf LED-Leuchten für den Pflanzenanbau umsteigen.

A. Der Entwicklungsstand der LED-Pflanzenbeleuchtungsindustrie 

1. LED-Paket für Pflanzenbeleuchtung

Im Bereich der LED-Verpackungen für Pflanzenbeleuchtung gibt es zahlreiche Verpackungsarten und kein einheitliches Mess- und Bewertungssystem. Ausländische Hersteller konzentrieren sich daher im Vergleich zu inländischen Produkten hauptsächlich auf Hochleistungs-, COB- und Modulbeleuchtung. Sie berücksichtigen dabei die Eigenschaften von Pflanzenwachstum und eine nutzerorientierte Beleuchtungsumgebung und bieten insbesondere Weißlicht-Pflanzenbeleuchtung an. Dadurch erzielen sie größere technische Vorteile hinsichtlich Zuverlässigkeit, Lichtausbeute und photosynthetischer Strahlungseigenschaften für verschiedene Pflanzen in unterschiedlichen Wachstumsphasen. Das Angebot umfasst verschiedene Leistungsklassen – von Hoch- über Mittel- bis Niedrigleistung – für Pflanzen unterschiedlicher Größe und deckt so die Bedürfnisse verschiedenster Pflanzen in unterschiedlichen Wachstumsumgebungen ab. Ziel ist es, maximales Pflanzenwachstum bei gleichzeitiger Energieeinsparung zu erreichen.

Zahlreiche Kernpatente für Chip-Epitaxie-Wafer befinden sich nach wie vor in den Händen führender Unternehmen wie dem japanischen Konzern Nichia und dem amerikanischen Unternehmen Career. Inländischen Chipherstellern fehlen weiterhin patentierte Produkte mit Wettbewerbsfähigkeit. Gleichzeitig entwickeln viele Unternehmen neue Technologien im Bereich der Chip-Gehäuse für Pflanzenbeleuchtung. So ermöglicht beispielsweise die Dünnschichtchip-Technologie von Osram die dichte Anordnung von Chips, wodurch eine großflächige Beleuchtung entsteht. Basierend auf dieser Technologie kann ein hocheffizientes LED-Beleuchtungssystem mit einer Wellenlänge von 660 nm den Energieverbrauch im Anbaubereich um 40 % senken.

2. Lichtspektrum und Geräte für den Anbau
Das Spektrum der Pflanzenbeleuchtung ist komplex und vielfältig. Verschiedene Pflanzenarten haben in unterschiedlichen Wachstumsphasen und sogar in verschiedenen Umgebungen sehr unterschiedliche Lichtspektren. Um diesen differenzierten Bedürfnissen gerecht zu werden, gibt es in der Industrie derzeit folgende Verfahren: ① Mehrere monochromatische Lichtkombinationen. Die drei effektivsten Spektren für die Photosynthese sind hauptsächlich das Spektrum mit Peaks bei 450 nm und 660 nm, das 730-nm-Band zur Anregung der Blütenbildung sowie das grüne Licht bei 525 nm und der ultraviolette Bereich unter 380 nm. Diese Spektren werden je nach Bedarf der Pflanzen kombiniert, um das optimale Spektrum zu erzeugen. ② Vollspektrum-Systeme decken den gesamten Lichtbedarf der Pflanzen ab. Dieses Spektrum, wie es beispielsweise im SUNLIKE-Chip von Seoul Semiconductor und Samsung verwendet wird, ist zwar möglicherweise nicht das effizienteste, eignet sich aber für alle Pflanzenarten und ist deutlich kostengünstiger als monochromatische Lichtkombinationen. ③ Verwenden Sie Vollspektrum-Weißlicht als Hauptquelle und ergänzen Sie es mit 660-nm-Rotlicht, um die Effektivität des Spektrums zu verbessern. Dieses Verfahren ist wirtschaftlicher und praktischer.

Die Verpackung von monochromatischen LED-Chips für Pflanzenbeleuchtung (Hauptwellenlängen: 450 nm, 660 nm, 730 nm) wird von zahlreichen in- und ausländischen Unternehmen angeboten. Inländische Produkte zeichnen sich durch eine größere Vielfalt und mehr Spezifikationen aus, während ausländische Produkte stärker standardisiert sind. Gleichzeitig besteht hinsichtlich photosynthetischem Photonenfluss, Lichtausbeute etc. noch eine erhebliche Diskrepanz zwischen in- und ausländischen Herstellern. Neben Produkten mit den Hauptwellenlängenbereichen von 450 nm, 660 nm und 730 nm entwickeln viele Hersteller auch neue Produkte für andere Wellenlängenbereiche, um den gesamten photosynthetisch aktiven Strahlungsbereich (PAR) von 450–730 nm abzudecken.

Monochromatische LED-Pflanzenlampen sind nicht für alle Pflanzenarten geeignet. Daher sind Vollspektrum-LEDs besonders vorteilhaft. Ein Vollspektrum muss zunächst das gesamte sichtbare Lichtspektrum (400–700 nm) abdecken und die Leistung in den Bereichen Blaugrün (470–510 nm) und Tiefrot (660–700 nm) erhöhen. Mit herkömmlichen blauen LEDs oder UV-LED-Chips mit Leuchtstoff lässt sich ein „Vollspektrum“ erzielen, dessen photosynthetische Effizienz jedoch variiert. Die meisten Hersteller von weißen LED-Pflanzenlampen verwenden daher blaue Chips mit Leuchtstoff. Neben der Kombination von monochromatischem Licht und blauen oder UV-Chips mit Leuchtstoff zur Erzeugung von Weißlicht gibt es auch Kombinationsmodelle mit zwei oder mehr Wellenlängen-Chips, z. B. Rot-Blau/UV, RGB oder RGBW. Diese Kombination bietet große Vorteile beim Dimmen.

Im Bereich schmalbandiger LED-Produkte bieten die meisten Gehäusehersteller ihren Kunden verschiedene Wellenlängen im Bereich von 365–740 nm an. Auch bei den durch Phosphor umgewandelten Pflanzenlichtspektren verfügen die meisten Hersteller über eine breite Palette an Spektren. Im Vergleich zu 2016 verzeichneten die Absatzzahlen 2017 ein deutliches Wachstum. Dabei lag die Wachstumsrate bei 660-nm-LED-Lichtquellen zwischen 20 % und 50 %, während die Absatzzahlen phosphorkonvertierter LED-Pflanzenlichtquellen 50 % bis 200 % erreichten – der Absatz dieser Produkte wuchs also deutlich schneller.

Alle Verpackungsunternehmen bieten Standardverpackungsprodukte mit 0,2–0,9 W und 1–3 W an. Diese Lichtquellen ermöglichen Leuchtenherstellern eine hohe Flexibilität bei der Lichtplanung. Darüber hinaus bieten einige Hersteller auch integrierte Verpackungsprodukte mit höherer Leistung an. Aktuell entfallen über 80 % der Lieferungen der meisten Hersteller auf Produkte mit 0,2–0,9 W oder 1–3 W. Führende internationale Verpackungsunternehmen konzentrieren sich dabei auf Produkte mit 1–3 W, während kleine und mittlere Verpackungsunternehmen hauptsächlich Produkte mit 0,2–0,9 W liefern.

3. Anwendungsgebiete der Pflanzenwachstumsbeleuchtung

Im Anwendungsbereich werden Pflanzenwachstumsbeleuchtungskörper hauptsächlich in Gewächshäusern, vollautomatisch beleuchteten Pflanzenfabriken, der Pflanzengewebekultur, der Freilandbeleuchtung, dem Anbau von Gemüse und Blumen im Haushalt sowie in der Laborforschung eingesetzt.

① In Solargewächshäusern und Mehrfeldgewächshäusern ist der Anteil künstlichen Lichts für die Zusatzbeleuchtung noch gering, wobei Metallhalogenlampen und Natriumdampf-Hochdrucklampen die gängigsten Leuchtmittel sind. Die Verbreitung von LED-Pflanzenbeleuchtungssystemen ist noch relativ gering, beschleunigt sich aber mit sinkenden Kosten. Dies liegt vor allem an der langjährigen Erfahrung der Anwender mit Metallhalogenlampen und Natriumdampf-Hochdrucklampen. Diese Lampen können etwa 6–8 % der Wärmeenergie für das Gewächshaus liefern, ohne die Pflanzen zu verbrennen. Da es für LED-Pflanzenbeleuchtungssysteme bisher keine spezifischen und effektiven Anleitungen und Daten gab, hat sich ihr Einsatz in Tageslichtgewächshäusern und Mehrfeldgewächshäusern verzögert. Derzeit beschränkt sich der Einsatz auf kleine Demonstrationsprojekte. Da LEDs Kaltlichtquellen sind, können sie relativ nah an den Pflanzen platziert werden, wodurch die Temperaturbelastung geringer ausfällt. In Tageslichtgewächshäusern und Mehrfeldgewächshäusern wird LED-Pflanzenbeleuchtung daher häufiger in der Zwischenpflanzenkultur eingesetzt.

② Anwendung im Freilandanbau. Die Verbreitung und Anwendung von Pflanzenbeleuchtung in der Gewächshauslandwirtschaft verlief vergleichsweise langsam, wohingegen die Anwendung von LED-Pflanzenbeleuchtungssystemen (Photoperiodensteuerung) für Freiland-Langtagkulturen mit hohem wirtschaftlichem Wert (wie z. B. Drachenfrucht) eine rasante Entwicklung erfahren hat.

③ Pflanzenfabriken. Das derzeit am schnellsten wachsende und am weitesten verbreitete Pflanzenbeleuchtungssystem ist die vollautomatische Pflanzenbeleuchtung. Diese lässt sich in zentralisierte, mehrstöckige und dezentrale, mobile Pflanzenfabriken unterteilen. Die Entwicklung von Pflanzenfabriken mit künstlicher Beleuchtung in China verläuft rasant. Hauptinvestoren in zentralisierte, mehrstöckige Pflanzenfabriken sind nicht mehr traditionelle Agrarunternehmen, sondern Unternehmen aus der Halbleiter- und Unterhaltungselektronikbranche wie Zhongke San'an, Foxconn, Panasonic Suzhou, Jingdong sowie COFCO, Xi Cui und andere moderne Agrarunternehmen. Bei dezentralen und mobilen Pflanzenfabriken werden weiterhin Seecontainer (neue oder umgebaute gebrauchte) als Standardtransporte eingesetzt. Die Beleuchtungssysteme für vollautomatische Pflanzen nutzen meist lineare oder flächige LED-Beleuchtung, und die Anzahl der angebauten Sorten wächst stetig. Verschiedene experimentelle LED-Lichtquellen finden zunehmend breite Anwendung. Die auf dem Markt erhältlichen Produkte sind hauptsächlich Blattgemüse.

④ Anpflanzen von Zimmerpflanzen. LEDs können in Tischlampen für Zimmerpflanzen, Pflanzregalen für Zimmerpflanzen, Gemüseanbaugeräten für den Hausgebrauch usw. verwendet werden.

⑤ Anbau von Heilpflanzen. Der Anbau von Heilpflanzen umfasst Pflanzen wie Anoectochilus und Lithospermum. Produkte in diesen Märkten haben einen höheren wirtschaftlichen Wert und stellen derzeit einen Wirtschaftszweig mit vermehrtem Einsatz von Pflanzenbeleuchtung dar. Darüber hinaus hat die Legalisierung des Cannabisanbaus in Nordamerika und Teilen Europas die Anwendung von LED-Pflanzenbeleuchtung im Cannabisanbau gefördert.

⑥ Blühleuchten. Als unverzichtbares Hilfsmittel zur Steuerung der Blütezeit von Blumen in der Gartenbaubranche wurden Blühleuchten zunächst mit Glühlampen und später mit Energiesparlampen eingesetzt. Mit der zunehmenden Industrialisierung der LED-Technologie haben LED-basierte Blühleuchten die traditionellen Lampen nach und nach ersetzt.

⑦ Pflanzengewebekultur. Traditionelle Lichtquellen für die Gewebekultur sind hauptsächlich weiße Leuchtstofflampen, die eine geringe Lichtausbeute und eine hohe Wärmeentwicklung aufweisen. LEDs eignen sich aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften wie geringem Stromverbrauch, geringer Wärmeentwicklung und langer Lebensdauer besser für eine effiziente, kontrollierbare und kompakte Pflanzengewebekultur. Derzeit werden weiße Leuchtstofflampen zunehmend durch weiße LED-Röhren ersetzt.

4. Regionale Verteilung der Anbieter von Pflanzenbeleuchtung

Statistiken zufolge gibt es in meinem Land derzeit über 300 Unternehmen für Pflanzenbeleuchtung. Mehr als die Hälfte davon sind im Perlflussdelta ansässig, das damit eine führende Position einnimmt. Im Jangtse-Delta sind etwa 30 % der Unternehmen vertreten, was es ebenfalls zu einem wichtigen Produktionsstandort für Pflanzenbeleuchtung macht. Traditionelle Hersteller von Pflanzenlampen konzentrieren sich hauptsächlich auf das Jangtse-Delta, das Perlflussdelta und die Bohai-Region. Der Anteil am Jangtse-Delta liegt bei 53 %, gefolgt vom Perlflussdelta mit 24 % und der Bohai-Region mit 22 %. Die Hauptvertriebsgebiete der Hersteller von LED-Pflanzenbeleuchtung sind das Perlflussdelta (62 %), das Jangtse-Delta (20 %) und die Bohai-Region (12 %).

B. Entwicklungstrend der LED-Pflanzenbeleuchtungsindustrie

1. Spezialisierung

LED-Pflanzenbeleuchtung zeichnet sich durch ein einstellbares Lichtspektrum und eine variable Lichtintensität, geringe Wärmeentwicklung und gute Wasserdichtigkeit aus und eignet sich daher für den Einsatz in verschiedenen Umgebungen. Gleichzeitig haben Veränderungen der natürlichen Umwelt und das gestiegene Bedürfnis nach Lebensmittelqualität die Entwicklung von Gewächshausanbau und Pflanzenfabriken vorangetrieben und der LED-Pflanzenbeleuchtungsbranche zu einem rasanten Wachstum verholfen. Zukünftig wird LED-Pflanzenbeleuchtung eine wichtige Rolle bei der Steigerung der landwirtschaftlichen Produktionseffizienz, der Verbesserung der Lebensmittelsicherheit und der Qualität von Obst und Gemüse spielen. Die LED-Lichtquelle für Pflanzenbeleuchtung wird sich mit der fortschreitenden Spezialisierung der Branche weiterentwickeln und gezielter eingesetzt werden.

2. Hohe Effizienz

Die Verbesserung der Licht- und Energieeffizienz ist der Schlüssel zur deutlichen Senkung der Betriebskosten von Pflanzenbeleuchtung. Der Einsatz von LEDs anstelle herkömmlicher Lampen sowie die dynamische Optimierung und Anpassung der Lichtverhältnisse an die individuellen Lichtbedürfnisse der Pflanzen vom Keimlingsstadium bis zur Ernte sind unumgängliche Trends der modernen Landwirtschaft. Zur Ertragssteigerung kann der Anbau in verschiedenen Phasen und Regionen erfolgen, wobei die Lichtformel an die Entwicklungseigenschaften der Pflanzen angepasst wird. So lassen sich Produktionseffizienz und Ertrag in jeder Phase optimieren. Hinsichtlich der Qualitätsverbesserung können Nährstoff- und Lichtregulierung eingesetzt werden, um den Gehalt an Nährstoffen und anderen gesundheitsfördernden Inhaltsstoffen zu erhöhen.

Schätzungen zufolge liegt der nationale Bedarf an Gemüsepflanzen derzeit bei 680 Milliarden, während die Produktionskapazität von Jungpflanzen aus der Fabrik weniger als 10 % beträgt. Die Jungpflanzenindustrie stellt hohe Anforderungen an die Umweltbedingungen. Die Produktionssaison erstreckt sich hauptsächlich über Winter und Frühling. Da das natürliche Licht schwach ist, wird künstliches Zusatzlicht benötigt. Pflanzenbeleuchtung zeichnet sich durch einen relativ hohen Input und Output sowie eine hohe Akzeptanz der Inputfaktoren aus. LED-Lampen bieten einzigartige Vorteile, da Obst- und Gemüsepflanzen (z. B. Tomaten, Gurken, Melonen) veredelt werden müssen. Das spezifische Lichtspektrum unter hoher Luftfeuchtigkeit fördert die Heilung der veredelten Jungpflanzen. Zusatzbeleuchtung für den Gemüseanbau im Gewächshaus kann den Mangel an natürlichem Licht ausgleichen, die Photosyntheseeffizienz der Pflanzen verbessern, die Blüte und Fruchtbildung fördern, den Ertrag steigern und die Produktqualität verbessern. LED-Pflanzenbeleuchtung bietet daher ein breites Anwendungsspektrum für die Gemüsepflanzenzucht und die Gewächshausproduktion.

3. Intelligent

Die Pflanzenbeleuchtung erfordert eine Echtzeitsteuerung von Lichtqualität und -menge. Dank verbesserter intelligenter Steuerungstechnik und dem Einsatz des Internets der Dinge können verschiedene monochromatische Spektren und intelligente Steuerungssysteme die Lichtzeit und -menge steuern. Die zeitgerechte Anpassung von Lichtqualität und -leistung an den Wachstumszustand der Pflanzen wird sich voraussichtlich als Haupttrend in der zukünftigen Entwicklung der Pflanzenbeleuchtungstechnologie erweisen.