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我国植物补光设备市场规模不断增长 预计下游需求增加将持续推动产业高速发展

一、行业基本概述

植物补光设备是人造光源,主要通过发射适合于光合作用的电磁波谱来刺激植物生长,包括HID植物补光设备、LED植物补光设备和其他植物补光设备如荧光灯等。其中HID植物补光设备适用于大型植物栽培和种植的照明,技术工艺成熟可靠,是目前植物生长照明领域应用最为广泛的光源之一。此外随着LED技术的发展,越来越多的下游产业开始使用LED植物补光设备。

光的作用及人工光的类型

光的作用

植物

植物照明的功能

人工光类型

作为能量,参与植物的光合作用

积累能量

生长类照明

全人工光生长灯

补光灯

作为信号调控植物的生长发育

发芽、开花、茎的生长

信号类照明

催芽灯

花期灯

着色灯

资料来源:观研天下数据中心整理

光作为环境信号调控植物一系列的生长发育行为,如种子萌发、形态建成、开花和次生代谢产物的合成。同时,植物光合作用吸收太阳光并将其转化成化学能以糖的形式储存,然后再利用这些能量进行生长。

植物照明主要包含两个部分:光源和配套控制系统。传统的植物照明一般采取单一传统光源加简单的静态控制系统模式,难以满足植物生长发育在不同时间、不同阶段变化的光质需求。随着光电技术和光环境控制技术的发展,目前已经形成了“多光源阵列+智能动态控制系统”的全自动化植物照明解决方案,结合光环境和作物需求实时调节光照,实现对植物生长全程监控以及周期性生产。

光源模块为植物照明系统的重要功能模块。植物照明智能系统通常涵盖上位机显示、控制电路、检测感应、电源驱动、光源等五大功能模块。植物照明智能系统全天候运转,首先通过检测感应模块感知外部环境数据,再由数据总线传输至控制电路模块进行处理,之后由控制模块指导电源驱动及调光模块改变光源模块对于作物的光照特征,在这个过程中,上位机模块则以可视化的人机交互方式实时显示光照和作物情况。

目前市场上主要存在四大类植物照明灯:LED灯、荧光灯、高压钠灯、白炽灯及卤灯。

常用植物照明光源特性对比

植物照明类型

发热量

光谱布局

电光转换效率

光合效率

寿命

环保性

荧光灯

热量小

50%绿光

较高

相对长(约12000h

玻璃管内充有水银蒸汽或惰性气体,不环保

高压钠灯

热量大

较多的红橙光和较少的蓝绿光

较高

相对长(约12000h

产生汞蒸气,不环保

金属卤化物灯

热量大

含较多远红光

比高压钠灯低

比高压钠灯短

含汞,不环保

LED植物照明

热量小

全光谱且光谱可调

环保且节能

资料来源:观研天下数据中心整理

二、行业发展历程回顾

我国植物补光设备技术研发起步较早,已经有20年的研究时间,以中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所、南京农业大学、中国科学院半导体研究所为代表的科研机构在植物工厂、植物组培、种苗培育、温室补光、畜禽养殖等领域LED光质生物学、LED光源装置创制、半导体照明控制系统等方面取得了大量有益的研究成果,获得近百项具有自主知识产权的专利,推出了多种系列化的灯带、灯管、面板灯、筒灯、行间补光灯、球泡灯等灯具产品,部分成果已经达到国际先进水平,为我国农业半导体照明技术研发与产业发展莫定了科学基础。

然而,由于研发资金缺乏,参与单位较少,我国在农业光生物学基础与应用基础方面的研究系统性、深入性不足;此外,由于企业积极性不高,相关人财物投人很少,我国在农用LED光源装置产品化方面极度欠缺,研究成果多停留在试验样品验证和田间试验阶段,推广应用尚需时日,需要更多科研投入和研发资金投入,以推进农业半导体照明产业的发展。

2010年起,我国的植物补光产业开始起步,但缺乏实力强的大中型企业参与,国家和企业的相关研发费用投入很低。农业生产的部分领域已经推出LED光源产品,但部分生产领域LED光源产品尚属空白,相比国际上飞利浦等照明公司,我国植物补光尚未形成产品合力与规模效应。与国际上相比,在光环境智能化控制技术与装备研发方面更是滞后,牵制了LED光源装置、产品的推广应用。

广东伟照业光电节能有限公司于2010年起步涉足植物补光光源的生产和研发,“白手”进行植物照明光谱光质的研究实验,积极和国内芯片生产公司合作,抱团发展壮大,一代一代地对LED照明光源进行更新换代升级,伴随着几年的艰苦发展,截至目前已经拥有成熟且完善的植物光谱数据库,千余中植物配光方案,二十余种适应不同种植环境的补光灯具产品。

根据观研报告网发布的《中国植物补光设备行业发展深度研究与未来前景预测报告(2022-2029年)》显示,近年来,农业经营者已经意识到农业植物补光的生产效益,应用积极性较高,但苦于高性价比LED照明装备和应用技术,导致全国植物补光设备应用规模较小,亟待提高。总之,我国植物补光装备与产业发展与国际水平差距明显,主要原因在于我国农业植物补光设备研发、照明产品及其智能化装备开发、照明产品推广应用链条未曾打通,产学研结合不足,国家扶植政策不到位,迟滞了产业的推进过程。但是伴随着这几年技术的成熟和进步,随之带来的成本降低,植物补光设备产品越来越多的被国人所接受,并且已经开始规模化的应用于室内园艺和农业生产。

三、行业市场规模

由于植物补光广阔的应用前景,随着光谱技术的突破并日益成熟,加之不同植物光配方的发布,使得植物补光得以产业化应用,在全球疫情带来的粮食危机、海外工业大麻合法化、能源补贴政策改革等一系列的催化因素下,植物补光在近五年来呈现出快速增长态势。

近年来,在技术的快速发展及政府政策的驱动下,众多照明企业向植物照明领域发展,植物补光设备领域成为发展较快的板块。从市场规模来看,2017年我国植物补光设备市场规模达19.65亿元,至2021年市场规模达47.68亿元,年均复合增长率为19.39%,预计2022年我国植物补光设备行业市场规模将达到61.96亿元。

随着现代农业的发展,温室大棚和植物工厂等新型农业形式将更加普及,植物补光设备的需求量将持续增长。

随着现代农业的发展,温室大棚和植物工厂等新型农业形式将更加普及,植物补光设备的需求量将持续增长。

数据来源:观研天下数据中心整理

其中我国LED植物补光设备技术快速发展,已经成为主要的植物补光设备之一,2015年LED植物补光设备市场规模为4.33亿元,到2021年达到20.66亿元,年复合增长率为36.67%。

其中我国LED植物补光设备技术快速发展,已经成为主要的植物补光设备之一,2015年LED植物补光设备市场规模为4.33亿元,到2021年达到20.66亿元,年复合增长率为36.67%。

数据来源:观研天下数据中心整理

HID植物补光设备方面:随着人们对植物产量需求的不断增长以及现代农业的发展,HID植物补光设备市场规模稳定增长,2017年我国HID植物补光设备市场规模为13.54亿元,到2021年市场规模达到25.53亿元。

HID植物补光设备方面:随着人们对植物产量需求的不断增长以及现代农业的发展,HID植物补光设备市场规模稳定增长,2017年我国HID植物补光设备市场规模为13.54亿元,到2021年市场规模达到25.53亿元。

数据来源:观研天下数据中心整理

商业温室大棚植物补光设备方面:随着温室大棚种植面积扩大,商业温室大棚植物补光设备需求持续增加,2015年我国商业温室大棚植物补光设备市场规模为14.62亿元,到2021年达到28.74亿元,年复合增长率为13.36%,预计随着我国温室种植面积进一步扩大,到2022年商业温室大棚植物补光设备市场规模将达到34.40亿元。

商业温室大棚植物补光设备方面:随着温室大棚种植面积扩大,商业温室大棚植物补光设备需求持续增加,2015年我国商业温室大棚植物补光设备市场规模为14.62亿元,到2021年达到28.74亿元,年复合增长率为13.36%,预计随着我国温室种植面积进一步扩大,到2022年商业温室大棚植物补光设备市场规模将达到34.40亿元。

数据来源:观研天下数据中心整理

家庭园艺植物补光设备方面:随着人们的生活水平提高,家庭园艺种植近年来得到快速发展,许多园艺种植爱好者通过植物补光设备进行植物种植。从市场规模来看,2017年我国家庭园艺植物补光设备市场规模为3.64亿元,2021年达到14.74亿元。

家庭园艺植物补光设备方面:随着人们的生活水平提高,家庭园艺种植近年来得到快速发展,许多园艺种植爱好者通过植物补光设备进行植物种植。从市场规模来看,2017年我国家庭园艺植物补光设备市场规模为3.64亿元,2021年达到14.74亿元。

数据来源:观研天下数据中心整理

植物工厂植物补光设备方面:随着各类资本加速涌入这一新兴领域,国内植物工厂的规模不断提升,植物补光设备作为植物工厂的调光设备,随着规模不断提升,植物工厂植物补光设备市场规模也得到快速增长。2017年我国植物工厂植物补光设备市场规模为0.62亿元,到2021年达到4.49亿元。预计随着我国植物工广的快速发展,到2022年市场规模将达到6.11亿元。

植物工厂植物补光设备方面:随着各类资本加速涌入这一新兴领域,国内植物工厂的规模不断提升,植物补光设备作为植物工厂的调光设备,随着规模不断提升,植物工厂植物补光设备市场规模也得到快速增长。2017年我国植物工厂植物补光设备市场规模为0.62亿元,到2021年达到4.49亿元。预计随着我国植物工广的快速发展,到2022年市场规模将达到6.11亿元。

数据来源:观研天下数据中心整理

四、下游产业发展现状

植物补光设备行业的下游产业主要影响植物补光设备行业的需求情况。目前植物补光设备下游主要应用于温室大棚、垂直农场、植物工厂和家庭园艺等领域。目前,植物补光设备属于种植领域重要的辅助工具。由于植物补光设备在技术方面逐步成熟,植物补光设备的销售情况主要取决于下游市场需求的波动。如果植物补光设备的主要应用领域需求增加,将会直接影响植物补光设备行业的发展。

结合我国植物补光设备行业发展现状来看,随着下游应用的逐渐增加,我国植物补光设备行业仍将保持中高速发展,更多的照明企业也将在植物照明行业进行布局。同时各大企业也将加快研发核心技术及加快下游渠道建设,推动我国植物补光设备行业快速发展。

1、温室大棚

温室大棚指有防寒、加温和透光等设施,供冬季培育喜温植物的房间。在不适宜植物生长的季节,能提供生育期和增加产量,多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等,也可用于非季节性或非地域性的植物栽培、科学研究、加代育种和观赏植物栽培等。

温室大棚指有防寒、加温和透光等设施,供冬季培育喜温植物的房间。在不适宜植物生长的季节,能提供生育期和增加产量,多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等,也可用于非季节性或非地域性的植物栽培、科学研究、加代育种和观赏植物栽培等。

数据来源:中国农业机械工业协会、观研天下数据中心整理

我国温室设施装备技术起步较晚,从20世纪80年代引进国外连栋温室及相关技术后,从引进走向自主研发逐步形成了具有自主知识产权的装备技术。近年在现代化连栋温室、日光温室及其配套工程技术、温室配套生产设施等方面发展日趋成熟。

温室大棚可以增强农业抗风险能力,提高种植效率,进而增加农户的收入。在农业农村部提出绿色设施农业后,绿色温室大棚成为未来农业发展的一个方向,高效的立体种植与绿色温室大棚的结合成为大势所趋,目前我国对绿色温室大棚的研究刚起步。近年来,中国温室面积不断下降,由2017年的210万公顷下降至2021年的204.9万公顷。

2、垂直农场

垂直农场是一种控制环境农业。是在完全封闭的环境中,通过技术手段模拟作物所需的水、阳光以及温度等生长环境,利用无土栽培配合生物有机肥,充分利用可再生的资源和温室技术的一种新型农业发展模式。

垂直农场的每亩地相较于传统农业可种植10-100倍的产品,能在适应气候变化的粮食系统中发挥重要作用。不依赖于气候的室内栽培环境使得作物全年都可生长,且几乎都能被收获。根据世界粮农组织估计,至2050年为了养活全球90亿人口,需将全球粮食产量提高70%,资源的减少、耕地的限制、人口的增加迫使人类必须采用更高效的粮食种植方式。80%的耕地都采用室内控制环境种植的荷兰只拥有美国1/270的土地,但农业出口量却只仅次于美国。荷兰一英亩的垂直农场绿叶蔬菜种植区可在一年内生产十英亩农田在室外生产的量。

垂直农场能够降低运营成本。根据ARTEMIS室内农业状况调查显示,在智能农场中使用软件系统每年每平方英尺能够降低约0.05-7美元的成本,其中花卉种植成本下降的空间较少,而大麻种植则存在更高的成本压缩空间。垂直农场可在更接近消费点的地方种植农产品。在靠近消费市场的地方种植农产品不仅可以节约运输费用,还可以减少运输过程中的食物变质,降低损耗率。

美国有超过40,000个种植传统农作物的室内农场,这些农场每年能产生约$148亿美元的经济价值。由于垂直农场能够缩短作物的成长时间,一些药物的生产也正在向垂直农场转移。同时,随着美国大麻合法化的推进,更多的大麻需要在垂直农场中种植,这些不断增长的行业都将带动垂直农场的增长。

全球各个国家和地区都在推行垂直农场。美国只是一个相对较小的垂直农场生产国,仅占全球温室蔬菜市场的0.2%左右。根据Rabbobank的统计数据表明,2018年,全球大概有500,000公顷的垂直农场。其中,西班牙拥有70,000公顷,中国拥有82,000公顷并处于不断增长中,荷兰拥有11,500公顷。

未来增长空间巨大的垂直农场将持续带动植物照明市场增长。根据Frost& Sullivan的统计数据,预计2024年全球植物补光设备应用于植物工厂板块的市场规模将达到14.7亿美元,20年至24年的年复合增长率将达44.2%。

3、植物工厂

植物工厂,从广义上讲涵盖了从利用自然光到人工光和混合光源的所有设施园艺,从狭义上讲则是专指利用环境自动控制、电子技术、生物技术、机器人和新材料等进行植物周年连续生产的系统,也就是利用计算机对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度和营养液等环境条件进行自动控制,使设施内植物生长不受自然气候制约的省力型生产。

从植物工厂技术体系来看,首先,植物工厂的目标之一是获得优质的农产品,这意味着其生产核心在于满足植物快速生长的需求。其中,光是环境信号和光合作用能量的唯一来源,是设施植物生长发育和产品品质形成所必须控制的环境要素。而为了达到植物栽培的理想光环境要求,人们开始根据设施植物的光照需求,设置人工光环境及管理策略,其后LED光质生物学及其植物工厂应用LED半导体光源逐渐发展了起来。

其次,立体多层无土栽培技术装备是人工光植物工厂必要的本质装备,也是太阳光植物工厂需要迫切发展的技术装备。立体多层无土栽培技术装备主要包括营养液储存供给系统,如营养液池、泵动系统、供液回液管路、定植床、控制系统等。几年前,以NFT和DFT技术为基础的多种立体多层无土栽培技术装备已开发出来,适合叶菜、根茎类植物生产。

最后,高效环保的环境调控技术是植物工厂技术研发的重点。在环境控制要素中,最重要的是养分和光照,其智能控制难度较大,控制策略具有时间和空间要求,也需要和其他环境要素耦合统筹控制,这是当下及今后很长一段时间研究开发的关键。此外,基于网络的智能化管理也是植物工厂近年来突破的又一重点。

五、发展趋势

近年来,在行业参与者、科研机构和下游市场的协作努力下,植物补光行业的技术水平持续发展。通过技术研发、工艺创新和经验积累,植物补光企业可以提供从光谱设计到成品的整套植物光环境落地解决方案,可根据不同植物光合需求精准组合不同光质光源形成补光阵列,进行“量体裁衣”式的定制,满足各种植物在不同生长环境的需求,达到植物成长最大化及节能的目标。根据植物从苗期到收获期的光配方需求进行光环境的动态优化调节,也是未来精致农业的重要趋势。在提高产量方面,可以根据植物的发育特征,分阶段、分区域结合光配方进行培育,以提高各阶段的生产效率和产量;在提高品质方面,可以通过营养调控和光调控等手段,提高营养成分含量以及其他保健功能成分含量。未来,随着市场对光质光量可实时调控这类复杂的需求逐渐强烈,得益于智能控制技术的提高、物联网的广泛应用,利用多种单色光谱加智能控制系统以实现根据植物的生长状态和培育需要进行适时即时的光质光量输出调整,将会成为未来植物补光技术发展的重要趋势。(WWTQ)

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