Fonte original: Houcheng Liu. Estado de desenvolvimento e tendência da indústria de iluminação de plantas LED[J].Journal of Illumination Engineering,2018,29(04):8-9.
Fonte do artigo: Material Once Deep

A luz é o fator ambiental básico para o crescimento e desenvolvimento das plantas. Ela não só fornece energia para o crescimento vegetal através da fotossíntese, como também é um importante regulador desse processo. A suplementação com luz artificial ou a irradiação completa com luz artificial podem promover o crescimento das plantas, aumentar a produtividade, melhorar a forma e a cor do produto, aprimorar os componentes funcionais e reduzir a incidência de doenças e pragas. Hoje, compartilharei com vocês o estado atual e as tendências da indústria de iluminação para plantas.
A tecnologia de fontes de luz artificial está sendo cada vez mais utilizada na iluminação para cultivo de plantas. O LED apresenta diversas vantagens, como alta eficiência luminosa, baixa geração de calor, tamanho reduzido, longa vida útil e muitas outras. Suas vantagens são evidentes no setor de iluminação para cultivo, que gradualmente adotará luminárias de LED para o cultivo de plantas.

A. O estado atual do desenvolvimento da indústria de iluminação LED para cultivo 

1. Pacote de LEDs para iluminação de cultivo

No setor de encapsulamento de LEDs para iluminação de cultivo, existem muitos tipos de dispositivos de encapsulamento, e não há um sistema unificado de padrões de medição e avaliação. Portanto, em comparação com os produtos nacionais, os fabricantes estrangeiros concentram-se principalmente em LEDs de alta potência, COB e módulos, levando em consideração a série de luz branca para iluminação de cultivo. Considerando as características de crescimento das plantas e um ambiente de iluminação humanizado, eles possuem maiores vantagens técnicas em termos de confiabilidade, eficiência luminosa e características de radiação fotossinteticamente adaptadas a diferentes plantas em diferentes ciclos de crescimento, incluindo diversos tipos de produtos de alta, média e baixa potência para plantas de diferentes tamanhos, atendendo às necessidades de uma variedade de plantas em diferentes ambientes de crescimento, com o objetivo de maximizar o crescimento das plantas e economizar energia.

Um grande número de patentes essenciais para wafers epitaxiais de chips ainda está nas mãos de empresas pioneiras como a japonesa Nichia e a americana Career. Os fabricantes nacionais de chips ainda carecem de produtos patenteados com competitividade de mercado. Ao mesmo tempo, muitas empresas também estão desenvolvendo novas tecnologias na área de encapsulamento de chips para iluminação de cultivo. Por exemplo, a tecnologia de chip de filme fino da Osram permite que os chips sejam encapsulados bem próximos uns dos outros para criar uma superfície de iluminação de grande área. Com base nessa tecnologia, um sistema de iluminação LED de alta eficiência com comprimento de onda de 660 nm pode reduzir em 40% o consumo de energia na área de cultivo.

2. Espectro de iluminação e dispositivos de cultivo
O espectro de iluminação para plantas é mais complexo e diversificado. Diferentes plantas apresentam grandes diferenças nos espectros necessários em diferentes ciclos de crescimento e até mesmo em diferentes ambientes de cultivo. Para atender a essas necessidades diferenciadas, existem atualmente os seguintes esquemas na indústria: ① Esquemas de combinação de múltiplas luzes monocromáticas. Os três espectros mais eficazes para a fotossíntese das plantas são principalmente o espectro com picos em 450 nm e 660 nm, a banda de 730 nm para induzir o florescimento, além da luz verde de 525 nm e da banda ultravioleta abaixo de 380 nm. Combinam-se esses tipos de espectro de acordo com as diferentes necessidades das plantas para formar o espectro mais adequado. ② Esquema de espectro completo para alcançar a cobertura total do espectro necessário para as plantas. Esse tipo de espectro, correspondente ao chip SUNLIKE representado pela Seoul Semiconductor e Samsung, pode não ser o mais eficiente, mas é adequado para todas as plantas e o custo é muito menor do que o das soluções de combinação de luz monocromática. ③Utilize luz branca de espectro completo como base, combinada com luz vermelha de 660 nm para melhorar a eficácia do espectro. Essa combinação é mais econômica e prática.

Dispositivos de encapsulamento para iluminação de plantas com chips de LED monocromáticos (principalmente com comprimentos de onda de 450 nm, 660 nm e 730 nm) são oferecidos por diversas empresas nacionais e estrangeiras. Os produtos nacionais apresentam maior diversidade e especificações, enquanto os produtos estrangeiros são mais padronizados. Contudo, em termos de fluxo de fótons fotossintéticos, eficiência luminosa, entre outros, ainda existe uma grande diferença entre os fabricantes nacionais e estrangeiros. Para dispositivos de encapsulamento de luz monocromática para iluminação de plantas, além dos produtos com as principais faixas de comprimento de onda de 450 nm, 660 nm e 730 nm, muitos fabricantes também estão desenvolvendo novos produtos em outras faixas de comprimento de onda para alcançar a cobertura completa da radiação fotossinteticamente ativa (PAR) (450-730 nm).

As luzes de LED monocromáticas para o cultivo de plantas não são adequadas para todas as espécies. Por isso, as vantagens dos LEDs de espectro completo são essenciais. Para obter um espectro completo, é necessário que o LED cubra todo o espectro da luz visível (400-700 nm) e que o desempenho das faixas azul-esverdeada (470-510 nm) e vermelha profunda (660-700 nm) seja otimizado. LEDs azuis ou ultravioleta comuns, combinados com fósforo, são utilizados para alcançar o espectro completo, porém sua eficiência fotossintética varia. A maioria dos fabricantes de dispositivos de iluminação LED branca para plantas utiliza chips azuis com fósforo para obter o espectro completo. Além da combinação de LEDs monocromáticos com chips azuis ou ultravioleta e fósforo para produzir luz branca, existem também dispositivos de iluminação para plantas com encapsulamento composto, que utilizam chips de dois ou mais comprimentos de onda, como RGB e RGBW. Esse encapsulamento oferece grandes vantagens em termos de dimerização.

Em termos de produtos LED de comprimento de onda estreito, a maioria dos fornecedores de embalagens pode oferecer aos clientes diversos produtos com diferentes comprimentos de onda na faixa de 365 a 740 nm. Quanto ao espectro de iluminação para plantas convertido por fósforo, a maioria dos fabricantes de embalagens oferece uma variedade de espectros para os clientes escolherem. Comparado a 2016, o crescimento das vendas em 2017 apresentou um aumento substancial. Dentre eles, o crescimento das fontes de luz LED de 660 nm se concentra entre 20% e 50%, enquanto o crescimento das vendas de fontes de luz LED para plantas convertidas por fósforo atinge de 50% a 200%, ou seja, as vendas de fontes de luz LED para plantas convertidas por fósforo estão crescendo mais rapidamente.

Todas as empresas de embalagens podem fornecer produtos de embalagem de uso geral de 0,2 a 0,9 W e de 1 a 3 W. Essas fontes de luz permitem que os fabricantes de iluminação tenham boa flexibilidade no design de iluminação. Além disso, alguns fabricantes também fornecem produtos de embalagem integrados de maior potência. Atualmente, mais de 80% dos envios da maioria dos fabricantes são de 0,2 a 0,9 W ou de 1 a 3 W. Entre eles, os envios das principais empresas internacionais de embalagens concentram-se em 1 a 3 W, enquanto os envios das pequenas e médias empresas de embalagens concentram-se em 0,2 a 0,9 W.

3. Campos de aplicação da iluminação para o cultivo de plantas

Em termos de aplicação, as luminárias para cultivo de plantas são utilizadas principalmente em iluminação de estufas, fábricas de plantas com iluminação totalmente artificial, cultura de tecidos vegetais, iluminação de campos agrícolas ao ar livre, plantio de hortaliças e flores em residências e pesquisa laboratorial.

① Em estufas solares e estufas de múltiplos vãos, a proporção de luz artificial para iluminação suplementar ainda é baixa, sendo as lâmpadas de iodetos metálicos e as lâmpadas de sódio de alta pressão as principais. A taxa de penetração dos sistemas de iluminação LED para cultivo é relativamente baixa, mas esse crescimento começa a acelerar à medida que o custo diminui. O principal motivo é que os usuários têm longa experiência com o uso de lâmpadas de iodetos metálicos e de sódio de alta pressão, e o uso dessas lâmpadas pode fornecer cerca de 6% a 8% da energia térmica necessária para a estufa, evitando queimaduras nas plantas. O sistema de iluminação LED para cultivo não oferecia instruções específicas e eficazes, nem suporte de dados, o que atrasou sua aplicação em estufas de luz natural e de múltiplos vãos. Atualmente, as aplicações demonstrativas em pequena escala ainda são predominantes. Como o LED é uma fonte de luz fria, ele pode ser posicionado relativamente próximo à copa das plantas, resultando em menor impacto térmico. Em estufas de luz natural e de múltiplos vãos, a iluminação LED para cultivo é mais comumente usada no cultivo entre plantas.

② Aplicação em campo aberto. A penetração e a aplicação da iluminação artificial em cultivos industriais têm sido relativamente lentas, enquanto a aplicação de sistemas de iluminação artificial com LED (controle de fotoperíodo) para culturas de dia longo de alto valor econômico (como a pitaya) tem apresentado rápido desenvolvimento.

③Fábricas de plantas. Atualmente, o sistema de iluminação para plantas mais rápido e amplamente utilizado é a fábrica de plantas com luz artificial, que se divide em fábricas centralizadas de múltiplos andares e fábricas móveis distribuídas. O desenvolvimento de fábricas de plantas com luz artificial na China é muito rápido. O principal investidor em fábricas centralizadas de múltiplos andares com luz artificial não são empresas agrícolas tradicionais, mas sim empresas dos setores de semicondutores e eletrônicos de consumo, como Zhongke San'an, Foxconn, Panasonic Suzhou, Jingdong, além de COFCO e Xi Cui, entre outras empresas agroindustriais modernas. Nas fábricas móveis distribuídas, contêineres marítimos (novos ou reformados) ainda são utilizados como suporte padrão. Os sistemas de iluminação para plantas artificiais utilizam principalmente sistemas de iluminação linear ou de painéis planos, e o número de variedades cultivadas continua a se expandir. Diversas fórmulas experimentais de fontes de luz LED começaram a ser amplamente utilizadas. Os produtos no mercado são principalmente hortaliças folhosas.

④ Cultivo de plantas domésticas. O LED pode ser usado em luminárias de mesa para plantas domésticas, suportes para plantio de plantas domésticas, máquinas de cultivo de hortaliças domésticas, etc.

⑤ Cultivo de plantas medicinais. O cultivo de plantas medicinais envolve plantas como Anoectochilus e Lithospermum. Os produtos nesses mercados têm maior valor econômico e atualmente representam uma indústria com mais aplicações de iluminação para plantas. Além disso, a legalização do cultivo de cannabis na América do Norte e em partes da Europa impulsionou a aplicação de iluminação LED para cultivo nesse setor.

⑥Luzes de floração. Como ferramenta indispensável para ajustar o tempo de floração na indústria de jardinagem, as primeiras aplicações de luzes de floração foram com lâmpadas incandescentes, seguidas pelas lâmpadas fluorescentes de baixo consumo. Com o desenvolvimento da industrialização do LED, luminárias de LED para iluminação de flores substituíram gradualmente as lâmpadas tradicionais.

⑦ Cultura de tecidos vegetais. As fontes de luz tradicionais para cultura de tecidos são principalmente lâmpadas fluorescentes brancas, que possuem baixa eficiência luminosa e grande geração de calor. Os LEDs são mais adequados para uma cultura de tecidos vegetais eficiente, controlável e compacta devido às suas características excepcionais, como baixo consumo de energia, baixa geração de calor e longa vida útil. Atualmente, os tubos de LED brancos estão gradualmente substituindo as lâmpadas fluorescentes brancas.

4. Distribuição regional de empresas de iluminação para cultivo

Segundo as estatísticas, existem atualmente mais de 300 empresas de iluminação para cultivo no meu país, sendo que as empresas da região do Delta do Rio das Pérolas representam mais de 50% desse total, consolidando-se como líderes no setor. As empresas do Delta do Rio Yangtzé representam cerca de 30%, sendo também uma importante área de produção de produtos para iluminação de cultivo. As empresas tradicionais de lâmpadas de cultivo estão concentradas principalmente no Delta do Rio Yangtzé, no Delta do Rio das Pérolas e na região do Mar de Bohai, sendo que o Delta do Rio Yangtzé responde por 53% das empresas, enquanto o Delta do Rio das Pérolas e a região do Mar de Bohai representam 24% e 22%, respectivamente. As principais áreas de distribuição dos fabricantes de iluminação LED para cultivo são o Delta do Rio das Pérolas (62%), o Delta do Rio Yangtzé (20%) e a região do Mar de Bohai (12%).

B. Tendências de desenvolvimento da indústria de iluminação LED para cultivo

1. Especialização

A iluminação LED para cultivo possui características como espectro e intensidade de luz ajustáveis, baixa geração de calor e boa resistência à água, sendo adequada para iluminação de cultivo em diversos ambientes. Ao mesmo tempo, as mudanças no meio ambiente e a busca por alimentos de melhor qualidade impulsionaram o desenvolvimento da agricultura em instalações fechadas e fábricas de cultivo, levando a indústria de iluminação LED para cultivo a um período de rápido crescimento. No futuro, a iluminação LED para cultivo desempenhará um papel importante na melhoria da eficiência da produção agrícola, na segurança alimentar e na qualidade de frutas e vegetais. A fonte de luz LED para iluminação de cultivo continuará a se desenvolver com a especialização gradual do setor e a se direcionar para aplicações mais específicas.

2. Alta eficiência

A melhoria da eficiência luminosa e energética é fundamental para reduzir significativamente os custos operacionais da iluminação agrícola. A substituição das lâmpadas tradicionais por LEDs e a otimização e ajuste dinâmicos do ambiente luminoso, de acordo com as necessidades de luz das plantas desde a fase de germinação até a colheita, são tendências inevitáveis ​​da agricultura refinada no futuro. Em termos de aumento da produtividade, o cultivo em estágios e regiões, combinado com a formulação de luz de acordo com as características de desenvolvimento das plantas, pode otimizar a eficiência e o rendimento em cada fase. Quanto à melhoria da qualidade, a regulação nutricional e luminosa pode ser utilizada para aumentar o teor de nutrientes e outros componentes funcionais benéficos à saúde.

Segundo estimativas, a demanda nacional atual por mudas de hortaliças é de 680 bilhões, enquanto a capacidade de produção de mudas em fábricas é inferior a 10%. A indústria de mudas possui exigências ambientais mais rigorosas. A estação de produção ocorre principalmente no inverno e na primavera, quando a luz natural é fraca e a iluminação artificial suplementar é necessária. A iluminação para o cultivo de plantas apresenta um custo relativamente alto de entrada e saída, além de um alto grau de aceitação do investimento. O LED possui vantagens exclusivas, pois frutas e hortaliças (tomates, pepinos, melões, etc.) necessitam de enxertia, e o espectro específico de luz suplementar em condições de alta umidade pode promover a cicatrização das mudas enxertadas. A iluminação suplementar para o cultivo de hortaliças em estufa pode compensar a falta de luz natural, melhorar a eficiência fotossintética das plantas, promover a floração e a frutificação, aumentar a produtividade e melhorar a qualidade do produto. A iluminação LED para o cultivo tem amplas perspectivas de aplicação na produção de mudas de hortaliças e em estufas.

3. Inteligente

A iluminação para cultivo de plantas exige um controle em tempo real da qualidade e quantidade de luz. Com o aprimoramento da tecnologia de controle inteligente e a aplicação da Internet das Coisas (IoT), diversos espectros monocromáticos e sistemas de controle inteligente permitem o controle temporal e de luminosidade, possibilitando o ajuste oportuno da qualidade e da intensidade da luz de acordo com o estágio de crescimento das plantas. Essa tendência certamente se tornará a principal tendência no desenvolvimento futuro da tecnologia de iluminação para cultivo de plantas.