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落入筊白筍田的省電燈泡,是農友不再看天吃飯的密技?-《為什麼非要創新不可》

編按:台灣的創新研發能量其實一直都存在,《為什麼非要創新不可》集結了36個工研院研發團隊堅持創新的精彩故事,這是以創新為產業開路的紀錄,也是與產業攜手合作並肩努力的成果,更傳達出在研發背後堅持不輕易妥協放棄的信念。本文選自第一章,省電的 LED 燈如何幫助農業加值升級?

將技術應用於農業對科技業來說是個新藍海,在人口成長導致糧食需求增加、土地及工資成本升高等壓力下,科技的加值,是讓農業升級轉型最迅速有效的途徑。

工研院中分院溫室系統技術中心主任黃添富原本專攻於 LED 光源技術研發,像是液晶薄型直下式背光模組及高效能電球型燈等,主要應用在工業與商用領域。但隨著產業景氣變化,研發團隊必須思考突破創新的技術應用。在面臨迫切轉型之際,正好代表工研院去埔里開了 LED 與農業應用有關的會議,討論怎麼靠人工光照來提高當地茭白筍的產量,但同時又要省電?

傳統的高壓鈉燈很耗電

早期茭白筍生長受到日光照射時間影響,產季約在每年 5 月到 11 月間,十多年前農民在行政院農業委員會農業試驗所黃晉興博士輔導下開始使用高壓鈉燈來進行夜晚補光,促進冬天茭白筍生長,使原本一年只能收成兩次的茭白筍可以收成三至四次,使冬天也能結筍。但是高壓鈉燈相當耗電,因此黃晉興博士希望能將原架設高壓鈉燈直接改成省電的 LED 燈。

由工研院最適化光源搭配適當栽培處理,茭白筍結筍尺寸較為均勻,助於採收工期較好控管。圖片來源:《為什麼非要創新不可》提供

省電實驗 LED 燈架作物上方

熟稔照明的黃添富當時指出,這麼做省電的機會不大,還可能會影響別的農地。因為原有高壓鈉燈是架設在田埂上,光照不均勻且會斜照到別人的田,如果鄰近農友的茭白筍要結筍了,再繼續照光就會再抽長,因此常造成兩方農友為此起衝突。

他認為,若能直接把 LED 燈架在農作物上方、讓光直接照在植物上才會最有效益,因為光的亮度和光源的距離平方成反比。如何使 LED 燈在合適的距離與間距達到植物成長效益最好,需要長期實驗且證實,才能達到省電的目標。農試所採納了黃添富的建議,協助工研院研發團隊在一甲地上試驗。

那段期間,只要經過埔里的茭白筍田,就會看到紅藍相間的光點如繁星般地散落其中,因為黃添富團隊正在試驗哪種波長的光,最適合茭白筍生長;不知情的人經過,還納悶怎麼多出個夜市!

彰化溪湖葡萄田,也開始使用工研院研發的LED燈進行冬季補光,葡萄生長品質較為一致,其中花青素提升10%,有助於提升整體收益。圖片來源:《為什麼非要創新不可》提供

光照電費 從一年五千萬降到五百萬

最後經過長期大面積驗證,工研院研發團隊的方法是對的,直接架在茭白筍上的 LED 燈和過去相比省下了 90% 的電,埔里地區一年用在光照茭白筍上的電費可從 5,000 萬元降低到 500 萬元。

然而,當時又面臨到另外一個問題,因為 LED 燈材成本、工程費用都很貴,農民已習慣政府補助,不太願意自行負擔。

擔心改革花錢 農友一度觀望

「改革碰到舊勢力,一向很難落實。」黃添富說,要先讓使用者體會到效益和美好,才有辦法說服他們投資;研發團隊先在埔里幫 10 甲地裝設 LED 燈,作為示範場域,而架設費用再由農友省下來的電費分期攤提回來。

後來農友發現,裝 LED 燈不只省電,對他們來說最大的效益是省工,因為之前的光照不均勻,導致茭白筍生長速度不一,他們得分好幾次採收;改用 LED 燈後採收期縮短,而且茭白筍長得比較大、產量也增加。

七年耕耘 成為台灣「科技加值農業」的起點

「要農友信服我們的技術,估計大概要花七年的時間。」黃添富老實說,這是台灣「科技加值農業」的起點,他希望將工業技術應用在農業生產上,讓農友不再那麼看天吃飯、收成不那麼被環境影響。

在此技術逐漸開花結果之後,近年來研發團隊更將 LED 光照植物技術應用到其他長日照作物的栽種上,例如彰化溪湖葡萄田,也漸漸將傳統的螺旋燈替換成工研院研發的 LED 燈,提高了葡萄的花青素,也相對提升了整體產值。除了台灣地區之外,工研院研發團隊更將技術國際化,和東京農工大學、東京理工大學以及千葉大學等機構合作。2013 年,探索頻道(Discovery)之「台灣無比精彩」節目,更特別採訪黃添富和其研發團隊,將埔里茭白筍田的成功經驗,拍成紀錄片,讓台灣的尖端農業成果登上國際。

黃添富說,他從小在台南農業改良場附近長大,總覺得農業改良場研究員很神奇、可以種出各種新奇食物,所以對投入農業一直很有興趣。然而起初,他對轉型農業應用其實「蠻糾葛的」,畢竟工研院的定位是協助產業應用發展,但是隨著產業趨勢變遷,勇於創新突破是必要的轉變。從工業技術投入農業科技應用,從技術研發到跨部會溝通,其實都不是容易的過程。

黃添富帶領的中分院溫室系統技術中心研發團隊,將環控系統技術,如:LED 光照,温控策略,植物栽培工法…等應用到農業栽種上,深厚的研發能量不僅在台灣的農業產出不一樣的成果,更將技術推廣到日本,和東京農工大學、東京理工大學以及千葉大學等機構合作。其團隊的研發成果更在 2013 年由國際知名的電視頻道 Discovery「台灣無比精彩」節目報導。(由左至右:溫室中心工程師黃佳霖、溫室中心經理花士豪、溫室中心主任黃添富、溫室中心工程師賴韋志、溫室中心工程師陳肇斌)。圖片來源:《為什麼非要創新不可》提供

科技農業 帶動新價值

「跨部會合作對農工發展相當重要,因為農業部門的人大部分是學農的,從他們的角度來看,會覺得農業機械相對次要,比較注重品質改良、精緻化,卻比較不像工業部門那樣注重產值。」黃添富指出,因為最近的這些碰撞,農業部門也開始改變價值觀、重視起產值。我國工業發展走到今天遇到瓶頸,下一步在哪?黃添富說,就從台灣的強項「農業」著手來轉型吧!

  • Innovative Idea:LED 光照栽種 可聚集有效光

工研院團隊於 2010 年冬季開始在埔里茭白筍田架設陣列式的 LED 光源,試驗最適合茭白筍生長的光波長;紅藍相間的光點如繁星般地散落其中,是當時十分特別的埔里夜景。LED 光照栽種可聚焦有效光由於 LED 燈非靠發熱來發光,因此照明效益高又省電,可以作為農業光照的新型光源,取代過去極耗電的傳統高壓鈉燈。根據試驗發現,紅光和藍光對植物來說是最能被葉綠素吸收、光合作用效益最高的光波長,因此可以發射特定波長的 LED 燈,可以只發出紅、藍兩種光,不像高壓鈉燈所有的頻譜都有,造成不必要的能量損耗。

工研院團隊於 2010 年冬季開始在埔里茭白筍田架設陣列式的 LED 光源,試驗最適合茭白筍生長的光波長;紅藍相間的光點如繁星般地散落其中,是當時十分特別的埔里夜景。圖片來源:《為什麼非要創新不可》提供
工研院團隊於 2010 年冬季開始在埔里茭白筍田架設陣列式的 LED 光源,試驗最適合茭白筍生長的光波長;紅藍相間的光點如繁星般地散落其中,是當時十分特別的埔里夜景。圖片來源:《為什麼非要創新不可》提供

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