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植物照明产业研究:促进高效种植,行业前景广阔

2021
07/21
09:40
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  一、人工光源改变种植模式,植物照明市场持续扩容

  (一)提升光能利用率,照明促进植物高效高质量成长

  植物照明是指利用人工光环境代替阳光来保证植物的健康生长。植物的生长发育离 不开光的作用。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。

  光谱分析表明,在七色光中,植物主要吸收红光和蓝光进行光合作用。而绿光、黄 橙光和远红光等微量光则参与植物生长的其它代谢过程。植物可利用的光合有效辐 射位于可见光的范围。而太阳光的波长范围覆盖了从X射线到无线电波的整个电磁波 谱。相较于太阳,植物照明最大的优势是它的可控性,它不会随着白天或是黑夜、 夏天或是冬天、雨天或是晴天而改变强度,能为植物提供稳定一致的光。

  不同植物对光的“识别”和“喜好”,为人工光栽培植物提供了理论指导。太阳光 为万物共享,不会偏爱任何一种植物,只能植物去适应它。而植物照明可以针对每 一种植物或者每一个发育阶段,精准设计、量身定制植物的光配方,更高效地培育植物,为植物生长提供足够的“光肥”。

  植物照明为照明产业在农业领域的应用开拓了广阔持久的下游市场。其不仅可以促 进植物的光能利用率,提高产量,还能改善植物的形态色泽、内在成分等,因而在 粮食生产、果蔬培育、花卉种植、药用植物栽培、食用菌、藻类工厂、驱蚊杀虫等 领域都得到了广泛应用。适宜高效的植物照明灯具,配备上智能优化的光控策略, 使得作物培育不再受到自然光条件的拘束,对于增强农业产出、保障农产品安全具 有非常重要的意义。  

  (二)植物照明发展迅速,市场规模不断增长

  在北美特殊经济作物的合法商用化、疫情促使全球增强粮食危机意识、土地短缺以 及植物工厂兴起等多重因素推动下,近年来植物照明发展迅速。根据Frost& Sullivan 的统计数据,全球植物补光设备市场规模从2015的17.6亿美元上升至2019年的37.9 亿美元,年均复合增长率为21.1%。Frost& Sullivan预计2020年至2024年全球植物 补光设备行业市场规模的年复合增长率将维持在25.5%,市场规模将在2024年将达 到115.0亿美元。

  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。根据OFweek产业研究院预测,到2021年,全球LED植物生长灯的市场占比将 达到60%,预计未来LED光源渗透率将进一步提升,占据植物照明领域的主流。  

  当前全球LED植物照明下游应用市场仍主要集中在日本、美国、荷兰等国。根据高 工产研LED研究所数据统计,2020年我国LED植物灯具出口金额超5亿美元,比上年 同期增长426.3%。智研咨询的数据表明,2019年我国LED植物照明系统及灯具市场 产量分布为为10.83万套和40.90万套,国内需求仅为14,957套和59,846套,海外市 场需求占比达八分之七。

  我国的LED植物照明存量需求市场相对较小,未来增长空间巨大。同比于18年,19 年我国LED植物照明系统及灯具市场需求增长较快,同比增长率分别达21.94%及 22.46%。中国农科院预测,根据我国现有农业产业规模估算,未来5年农用LED照 明灯具及其控制装备的需求量将达到几十亿元。  

  二、核心组件驱动创新,植物照明迈向成熟

  (一)LED 光源

  由于传统植物灯成本较低,因此在植物照明中仍有使用。但随着人工光源技术的成 熟,有更多优点的LED光源逐步取代传统光源,逐步成为植物照明的主要光源。

  LED光源与传统灯具在发光原理上存在本质差别。白炽灯通过对灯丝加热而发光,将会浪费大部分电能。高压钠灯、金卤灯、荧光灯等气体放电灯,其光谱特性主要 由气体成分本身的特性决定。LED为固态光源,核心是由半导体制成的PN结,通过 PN结的电子与空穴的迁移与复合而发光,制造PN结的化合物不同,其发光特性也 不同。

  LED光源植物灯光更高效、节能。农业照明对灯具的使用密度相对于通用照明来说 是极高的。三安中科的研究表明,高光需的植物每平方米种植面积的用电功率高达 500-1000W,这对植物灯的电光转换效率提出了严苛的要求。目前,LED植物灯的 电光转换效率是白炽灯的20倍以上、荧光灯的3倍、高压钠灯的近2倍。LED光源灯 光强且发热少,可以近距离接触植物而不灼烧到植物叶片和操作人员,适用于室内 多层种植等场景。

  LED光谱波段覆盖范围广,易获得单色光及全光谱,且光谱可调性强。LED可覆盖 200-950 nm的波长范围,存在数十种单色光LED。这有利于提高植物对红光和蓝光 的利用率,且可实现不同植物的光谱定制。通过单色LED芯片激发荧光粉扩宽单色 光的半波宽,可获得全光谱的白光;对不同光色的LED进行电流大小的分别控制, 还可调控光谱。  

  LED寿命长,光衰小,可控性强,智能控制潜力大。LED灯的理论寿命高达10万小 时以上。根据三安中科的数据,高端LED植物灯工作36000小时后的光衰仍然小于 10%,且在每秒钟30000次的快速开关条件下仍能正常工作。

  不似传统光源灯泡的360度发光,LED封装后一般为180度单面发光,更容易形成小 角度发光的投光灯将光线集中照射到植物上,还可被制成近距离照射时光照仍特别 均匀的面板式植物灯。

  国内企业纷纷快速布局植物照明业务,2020年我国从事植物照明的企业已经超过 300家。上游芯片制造商如三安光电、华灿光电、乾照光电等均已布局植物照明LED 光源细分市场,中游封装企业如国星光电、鸿利智汇、亿光电子等龙头企业均纷纷 聚焦植物照明技术。

  (二)驱动电源

  LED驱动电源指将外界一次电能转换为LED所需二次电能的电源供应器。LED驱动 电源的输入电能包括交流电和直流电,而输出电能一般为可随LED正向电压变化而 改变电压的恒定电流。

  LED驱动电源主要应用于LED照明、LED显示屏和LED背光领域,其中LED照明对于 驱动控制技术要求最高,是LED驱动电源目前最主要的应用领域,市场前景最为广阔。

  LED植物照明驱动电源在转化效率、温度控制、精准调光、质保寿命等方面的要求 相对于其他LED驱动电源更为严格。

  在转化效率上,LED植物照明驱动电源效率越高,损失的电能以及以热量形式散发的 损失效率就会越低。对于终端种植而言,不仅可以节省电费支出,还能控制植物工厂内 的温度,不会导致过高的温度影响植物的最佳生长。

  在精准调光上,LED植物照明驱动电源通过提供光谱可调、智能编程等功能,实现植物 照明系统根据不同植物的光谱需求最终输出所种植植物需要的光照。

  在质保寿命上,植物照明需要电源更长的质保寿命,因此对于驱动电源的可靠性和质 量要求有更高的要求。

  按产品的功率范围划分,LED驱动电源可以分为大功率、中功率和小功率三种类型。 一般情况下,在中、大功率LED照明产品的整体成本中占比相对较高。LED驱动电 源在LED照明产品的整体成本中占比约为20%-30%,LED植物照明驱动电源在整体 成本中占比一般为30%。

  中国LED驱动电源产值占据全球首位,未来市场空间广阔。根据崧盛股份招股书所 引用的高工产研LED研究所(GGII)的统计,2018年中国LED驱动电源产值规模为 280亿元,占全球LED驱动电源产值规模403亿元的69.5%,2015-2018年期间中国 LED驱动电源产值在全球市场占有率提升了将近9.8个百分点。2020年中国LED照明 驱动电源市场规模达389亿元,同比增速10.3%。  

  三、下游市场需求爆发,植物照明进入发展快车道

  (一)北美大麻合法化

  大麻的主导成瘾成分是四氢大麻酚(THC),THC可以让使用者在获得愉悦感的同时吸食成瘾。四氢大麻酚含量是当前界定娱乐大麻、医用大麻和工业大麻的直接标 准。工业大麻四氢大麻酚含量极低,普遍界定为低于0.3%,医用大麻THC含量介于 0.3%-0.5%,娱乐大麻的THC含量则高于0.5%。

  大麻的医疗效用,可有效用于多种疾病。目前可合法使用医疗大麻的国家和地区包 括:美国部分州、阿根廷、澳大利亚、加拿大、德国、希腊、以色列、意大利、荷 兰、新西兰、葡萄牙、瑞士和泰国等等国家地区。

  近十年来,娱乐用大麻产业逐渐开始合法化。大多数国家禁止将大麻用于娱乐目的, 法律除了禁止种植、销售和吸食大麻外,还对合法种植、销售大麻的企业和个人施 加重税。但荷兰一直对大麻实施非正式地去犯罪化政策。13年,乌拉圭率先成为全 球首个大麻销售、种植合法化的国家;18年10月加拿大紧随其后。目前,娱乐性大 麻合法化的国家有如加拿大、格鲁吉亚和乌拉圭,以及美国的部分州。

  至2019年,近12%的美国居民正在稳定消费娱乐用大麻。且近年来美国大麻 产品的活性效力显著增强。据Mehmedic et. al.的调查报告显示:在华盛顿州其 所销售的大麻产品中的THC比例高达20%以上。更高的THC比例意味着更强地 吸食成瘾性和更高增长率的需求市场。预计未来大麻将被广泛用作酒精和烟草的 替代品。  

  从政策上来看,美国目前已有38个州和哥伦比亚特区已将大麻的医疗用途合法化,已有18个州实现了娱乐大麻合法化。2018年5月,美国有30个州实现医用大麻合 法化,9个州实现娱乐大麻合法化。今年以来,纽约州、新墨西哥州和弗吉尼亚州通 过了成人用娱乐大麻合法化。该娱乐大麻合法化法案创立了大麻生产商和分销商牌 照制度。根据预测,阿拉巴马州有望成为美国第39个实现药用大麻合法化的州。未 来康涅狄格州、明尼苏达州和夏威夷州也将可能实现娱乐用大麻合法化。

  当纽约州开始合法销售成人使用大麻时,它将成为全美最大的娱乐用大麻市场。纽约州大幅扩大了大麻的医疗覆盖范围,且将允许医用大麻公司进入娱乐市场。 根据纽约医用大麻工业协会的一项研究表明,由21岁及以上成年人居民和游客 支撑起的纽约大麻市场需求大概为46亿美元,预计到2027年将增长到58亿美 元。此外,新泽西州、纽约州和康涅狄格州将在美国东岸和内陆引起多米诺骨牌效应,创造出一个世界上最大的成人吸食大麻的地区。

  仅为满足纽约市大麻种植的需要,22年大麻种植面积需扩增至139平方英尺。 预计2022年至2027年大麻种植面积需要翻42倍,至27年增长至600万平方英 尺。绝大部分大麻都需要在室内种植,这些增需求都将带动植物工厂的增长,从而 带动植物照明市场的需求。  

  美国为全球大麻最主要消费市场。根据Solar Botanicals公司的数据,2020年全美大麻市场规模约为157-190亿美元,其中医用大麻的市场规模约55-68亿美 元,娱乐用102-122美元。预计到2023年美国合法大麻市场可能达到304亿美 元。其中成人使用的娱乐大麻有望达220亿美元,医用大麻将占剩下的84亿美 元。  

  北美市场娱乐大麻需求爆发将带动植物照明市场持续高增长。据BDSA统计, 2020年全球大麻合法销售市场近213亿美元,相比于2019年的144亿美元,同比增 长48%。预计未来随着美国娱乐用大麻合法化进程的推进,至2026年,全球大麻需求市场将达559美元。  

  (二)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%。  

  四、技术标准实施,推动行业有序发展

  2019年2月,中国成立植物照明咨询顾问组,首次开启植物照明相关的IEC标准规划工作。为更好地促进科技成果产业化应用,在国家电光源质量监督检验中心(北京) 的强力推动下,国际电工委员会照明技术委员会(IEC TC34)成立了植物照明咨询 顾问组(编号AG15)。IEC TC34/AG15的成立对于全球植物照明产业发展具有里程碑 的意义,也标志着我国在植物照明国际标准制定中发挥着举足轻重的作用。

  2020年11月,中国农业农村部组织制定的《温室植物补光灯质量评价技术规范》正 式实施,对温室植物补光灯质量评价的性能指标及其检测方法进行了规范。该标准 明确规定了温室植物补光灯的术语、基本要求、质量要求、检测方法等,适用于植 物生长用的高压钠灯和LED灯的质量评定,其他光源植物补光灯也可参照使用。该 标准对植物补光产品的三大性能指标——电气特征、光学特征、寿命做出了明确要 求。该标准的制定有利于引导植物补光灯与设施园艺两大产业的健康发展。

  2020年9月,美国DLC发布了植物灯V2.0标准的正式版,并将于2021年3月21日开 始实施。2021年6月,DLC发布了园艺照明技术要求的更新版本2.1,此更新添加了 其他符合条件的产品类型,将于21年9月生效。使用LED 的园艺照明产品必须符合 V2.1的规定,才有资格列入DLC固态园艺照明合格产品清单QPL。

  随着更多技术标准的发布与实施,全球各地植物照明市场的各个技术空白将得到填 补,让更多的用户的在植物照明产品的采购中有据可依,促进全球植物照明产业更加健康、有序发展。

  五、重点公司分析

  (一)英飞特

  英飞特是国际领先的LED驱动电源龙头企业,从事LED驱动电源的研发、生产、销售和技术服务。目前以提供技术要求相对较高的中大功率LED驱动电源为主。公司 目前是UL 8800标准技术小组(STP)标委会中首家和唯一一家中国LED驱动电源成 员。公司积极布局植物照明市场,2020年度,英飞特植物照明相关电源营收约1.3 亿元,较往年有大幅增长,在公司LED驱动电源业务总收入约占14%左右。

  英飞特参股Agrify,提升产业协同效应。Agrify是垂直农业整体系统解决方案提供商,已在美国纳斯达克证券交易所完成IPO并挂牌上市。Agrify的硬件设备垂直种植单元 (VFU)中可以充分整合英飞特的LED驱动电源,Agrify已经并将持续向英飞特采购电 源产品。  

  (二)崧盛股份

  崧盛股份是目前国内中、大功率LED驱动电源产品的主要供应商之一,自成立以来一直专注于中、大功率LED驱动电源产品的研发、生产和销售业务。公司产品主要 供应下游LED照明生产厂商用于制造中、大功率LED照明产品,终端产品主要应用 于城市路桥、高速公路、隧道、机场等大型户外LED照明设施,以及工业厂房、仓 库等工业LED照明设施,同时正向植物照明等新兴应用领域拓展。

  崧盛股份于2018年积极布局LED植物照明驱动电源产品的研发,并不断大力度重点开发LED植物照明领域市场。2021年Q1,公司实现LED植物照明驱动电源产品收入 1.12亿元,超过2020年度的3,318.88万元,占营业收入的比重从2020年的12.30%大 幅提升至46.51%,拉动崧盛股份整体业务收入的快速增长。

  (三)三安光电

  三安光电是LED外延片和芯片龙头企业。公司主要从事化合物半导体材料的研发与 应用,以砷化镓、氮化镓、碳化硅、磷化铟、氮化铝、蓝宝石等半导体新材料所涉 及的外延片、芯片为核心主业,产品主要应用于照明、显示、背光、农业、医疗、 微波射频、激光通讯、功率器件、光通讯、感应传感等领域是国内产销规模首位的 全色系超高亮度LED外延片及芯片的生产企业。三安光电规模化LED芯片产能约占 全球芯片产能的19.72%,拥有1400多项专利,其芯片覆盖了植物生长所需的 210-850n波段。

  三安集团和中科院植物共同发起成立中科三安,是一家面向全球市场的光生物系统 技术提供商,主要将LED光谱技术应用在注光生物学应用、室内农业人工智能技术、 植物生长照明与环境控制等领域。  

  六、风险提示

  大麻娱乐用合法化进展不及预期:美国各州大麻合法化的推进关系到植物照明市场的短期爆发,如果美国各州的大麻合法化进展不及预期,则LED植物照明行业增速可能不及预期。

  行业竞争加剧:目前植物照明占LED的下游应用的市场规模还相对较小,而整个LED 产业链已经比较成熟,全球LED龙头厂商都在重点布局植物照明,市场竞争加剧可能对行业内公司盈利能力产生不利影响。

  产品价格下降:电子产品普遍呈现同款产品价格逐年下降的趋势。长期来看,随着市场竞争的加剧、供求关系的影响、生产效率的提高及生产成本的下降,LED光源 及驱动电源公司的产品价格存在下降趋势,若公司不能通过有效降低产品生产成本 来抵消价格下降的风险,或无法持续进行产品结构的升级,则公司产品价格的下降 将导致产品毛利率的下降,并最终影响盈利能力。


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