Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu itp. Źródło: Technologia inżynierii rolniczej (ogrodnictwo szklarniowe)

Fabryka roślin łączy nowoczesny przemysł, biotechnologię, hydroponikę odżywczą i technologie informatyczne, aby wdrożyć wysoce precyzyjną kontrolę czynników środowiskowych w obiekcie. Jest w pełni zamknięta, ma niskie wymagania środowiskowe, skraca okres zbiorów roślin, oszczędza wodę i nawozy, a dzięki zaletom produkcji bez pestycydów i braku odpadów, efektywność wykorzystania gruntów jest od 40 do 108 razy wyższa niż w przypadku uprawy na otwartym terenie. Wśród nich, inteligentne sztuczne źródło światła i jego regulacja środowiska świetlnego odgrywają decydującą rolę w wydajności produkcji.

Światło, jako ważny czynnik środowiskowy, odgrywa kluczową rolę w regulacji wzrostu roślin i metabolizmu materii. „Jedną z głównych cech fabryki roślin jest w pełni sztuczne źródło światła i realizacja inteligentnej regulacji środowiska świetlnego” – to stwierdzenie stało się powszechnym konsensusem w branży.

Potrzeba światła u roślin

Światło jest jedynym źródłem energii w procesie fotosyntezy roślin. Natężenie światła, jego jakość (widmo) i okresowe zmiany mają ogromny wpływ na wzrost i rozwój roślin, a natężenie światła ma największy wpływ na proces fotosyntezy roślin.

■ Intensywność światła

Natężenie światła może wpływać na morfologię roślin uprawnych, na przykład na kwitnienie, długość międzywęźli, grubość łodygi oraz wielkość i grubość liści. Wymagania roślin dotyczące natężenia światła można podzielić na rośliny światłolubne, średnio światłolubne i słabo tolerujące światło. Warzywa to głównie rośliny światłolubne, a ich punkty kompensacji światła i nasycenia światłem są stosunkowo wysokie. W fabrykach roślin do sztucznego oświetlenia, odpowiednie wymagania upraw dotyczące natężenia światła stanowią istotną podstawę doboru źródeł światła. Zrozumienie zapotrzebowania na światło różnych roślin jest istotne przy projektowaniu sztucznych źródeł światła. Jest to niezwykle istotne dla poprawy wydajności produkcyjnej systemu.

■ Jakość światła

Jakość światła (rozkład widmowy) ma również istotny wpływ na fotosyntezę i morfogenezę roślin (rysunek 1). Światło jest częścią promieniowania, a promieniowanie jest falą elektromagnetyczną. Fale elektromagnetyczne mają cechy falowe i kwantowe (cząstkowe). Kwant światła w ogrodnictwie nazywany jest fotonem. Promieniowanie o długości fali w zakresie 300–800 nm nazywane jest promieniowaniem fizjologicznie czynnym roślin, a promieniowanie o długości fali w zakresie 400–700 nm nazywane jest promieniowaniem fotosyntetycznie czynnym (PAR) roślin.

Chlorofil i karoteny to dwa najważniejsze pigmenty w fotosyntezie roślin. Rysunek 2 przedstawia widmo absorpcji każdego pigmentu fotosyntetycznego, w którym widmo absorpcji chlorofilu koncentruje się w pasmach czerwonym i niebieskim. System oświetlenia opiera się na spektralnym zapotrzebowaniu upraw na sztuczne uzupełnianie światła, aby wspomagać fotosyntezę roślin.

■ fotoperiod
Związek między fotosyntezą i fotomorfogenezą roślin a długością dnia (lub czasem fotoperiodu) nazywa się fotoperiodycznością roślin. Fotoperiod jest ściśle związany z liczbą godzin świetlnych, która odnosi się do czasu naświetlania rośliny. Różne rośliny potrzebują określonej liczby godzin światła, aby zakończyć fotoperiod i zakwitnąć i wydać owoce. Ze względu na różne fotoperiody, rośliny można podzielić na uprawy dnia długiego, takie jak kapusta itp., które wymagają więcej niż 12-14 godzin światła na pewnym etapie wzrostu; uprawy dnia krótkiego, takie jak cebula, soja itp., wymagają mniej niż 12-14 godzin światła; uprawy o średnim nasłonecznieniu, takie jak ogórki, pomidory, papryka itp., mogą kwitnąć i owocować przy dłuższym lub krótszym nasłonecznieniu.
Spośród trzech elementów środowiska, natężenie światła stanowi istotną podstawę doboru sztucznych źródeł światła. Obecnie istnieje wiele sposobów wyrażania natężenia światła, a wśród nich znajdują się głównie trzy poniższe.
（1）Oświetlenie odnosi się do gęstości powierzchniowej strumienia świetlnego (strumień świetlny na jednostkę powierzchni) padającego na oświetloną płaszczyznę, w luksach (lx).

(2) Promieniowanie fotosyntetycznie czynne, PAR, jednostka: W/m².

(3) Fotosyntetycznie efektywna gęstość strumienia fotonów (PPFD lub PPF) to liczba fotosyntetycznie efektywnego promieniowania, które dociera lub przechodzi przez jednostkę czasu i jednostkę powierzchni, w jednostce czasu: μmol/(m²·s). Odnosi się głównie do natężenia światła w zakresie 400–700 nm, bezpośrednio związanego z fotosyntezą. Jest to również najczęściej stosowany wskaźnik natężenia światła w produkcji roślinnej.

Analiza źródła światła w typowym systemie oświetlenia uzupełniającego
Uzupełnienie sztucznego światła polega na zwiększeniu natężenia światła w danym obszarze lub wydłużeniu czasu świecenia poprzez zainstalowanie systemu oświetlenia uzupełniającego w celu zaspokojenia zapotrzebowania roślin na światło. Ogólnie rzecz biorąc, system oświetlenia uzupełniającego obejmuje urządzenia oświetleniowe, obwody i układ sterowania. Dodatkowe źródła światła obejmują głównie kilka popularnych typów, takich jak żarówki, świetlówki, lampy metalohalogenkowe, lampy sodowe wysokoprężne i diody LED. Ze względu na niską sprawność elektryczną i optyczną żarówek, niską efektywność energetyczną fotosyntezy i inne wady, zostały one wyeliminowane z rynku, dlatego niniejszy artykuł nie zawiera szczegółowej analizy.

■ Lampa fluorescencyjna
Świetlówki należą do rodzaju niskociśnieniowych lamp wyładowczych. Szklana rura wypełniona jest parami rtęci lub gazem obojętnym, a wewnętrzna ścianka rury pokryta jest proszkiem fluorescencyjnym. Barwa światła zmienia się w zależności od materiału fluorescencyjnego, którym pokryta jest rura. Świetlówki charakteryzują się dobrymi parametrami widmowymi, wysoką skutecznością świetlną, niskim poborem mocy, dłuższą żywotnością (12 000 h) w porównaniu z lampami żarowymi oraz stosunkowo niskim kosztem. Ponieważ sama świetlówka emituje mniej ciepła, może być umieszczona blisko roślin w celu oświetlenia i nadaje się do upraw trójwymiarowych. Jednakże, rozkład widmowy świetlówki jest nieracjonalny. Najpopularniejszą metodą na świecie jest dodawanie odbłyśników w celu maksymalizacji efektywnego wykorzystania składników źródła światła upraw na danym obszarze uprawy. Japońska firma Adv-Agri opracowała również nowy typ dodatkowego źródła światła HEFL. HEFL w rzeczywistości należy do kategorii świetlówek. Jest to ogólne określenie lamp fluorescencyjnych z zimną katodą (CCFL) i lamp fluorescencyjnych z zewnętrzną elektrodą (EEFL). Jest to lampa fluorescencyjna z mieszaną elektrodą. Rurka HEFL jest niezwykle cienka, o średnicy zaledwie około 4 mm, a jej długość można regulować w zakresie od 450 mm do 1200 mm, w zależności od potrzeb uprawy. Jest to ulepszona wersja konwencjonalnej lampy fluorescencyjnej.

■ Lampa metalohalogenkowa
Lampa metalohalogenkowa to lampa wyładowcza o dużej intensywności, która może wzbudzać różne pierwiastki, wytwarzając fale o różnych długościach poprzez dodanie różnych metalohalogenków (bromku cyny, jodku sodu itp.) do lampy wyładowczej na bazie wysokoprężnej lampy rtęciowej. Lampy halogenowe charakteryzują się wysoką wydajnością świetlną, dużą mocą, dobrą barwą światła, długą żywotnością i szerokim spektrum. Jednakże, ze względu na niższą wydajność świetlną niż w przypadku lamp sodowych wysokoprężnych i krótszą żywotność niż w przypadku lamp sodowych wysokoprężnych, są one obecnie stosowane tylko w kilku fabrykach.

■ Lampa sodowa wysokoprężna
Wysokoprężne lampy sodowe należą do rodzaju wysokoprężnych lamp wyładowczych. Wysokoprężna lampa sodowa to lampa o wysokiej sprawności, w której rura wyładowcza wypełniona jest wysokoprężną parą sodu, a do lampy dodano niewielką ilość ksenonu (Xe) i metalohalogenku rtęci. Ponieważ wysokoprężne lampy sodowe charakteryzują się wysoką sprawnością konwersji elektrooptycznej przy niższych kosztach produkcji, są one obecnie najczęściej stosowane w oświetlaniu uzupełniającym w obiektach rolniczych. Jednak ze względu na niską wydajność fotosyntezy w widmie, mają one wadę w postaci niskiej efektywności energetycznej. Z drugiej strony, składowe widmowe emitowane przez wysokoprężne lampy sodowe koncentrują się głównie w żółto-pomarańczowym paśmie światła, w którym brakuje czerwonego i niebieskiego widma niezbędnego do wzrostu roślin.

■ Dioda elektroluminescencyjna
Jako nowa generacja źródeł światła, diody elektroluminescencyjne (LED) oferują wiele zalet, takich jak wyższa sprawność konwersji elektrooptycznej, regulowane widmo i wysoka wydajność fotosyntezy. Diody LED mogą emitować światło monochromatyczne, niezbędne do wzrostu roślin. W porównaniu ze zwykłymi świetlówkami fluorescencyjnymi i innymi dodatkowymi źródłami światła, diody LED oferują takie zalety, jak energooszczędność, ochrona środowiska, długa żywotność, światło monochromatyczne, zimne źródło światła itd. Dzięki dalszej poprawie sprawności elektrooptycznej diod LED i redukcji kosztów wynikających z efektu skali, systemy oświetlenia LED staną się powszechnym wyposażeniem uzupełniającym oświetlenie w obiektach rolniczych. W rezultacie, lampy LED do uprawy roślin są stosowane w ponad 99,9% fabryk roślin.

Dzięki porównaniu cech różnych dodatkowych źródeł światła można wyraźnie zrozumieć, jak pokazano w tabeli 1.

Mobilne urządzenie oświetleniowe
Intensywność światła jest ściśle związana ze wzrostem upraw. Uprawa trójwymiarowa jest często stosowana w fabrykach roślin. Jednak ze względu na ograniczenia konstrukcyjne regałów uprawowych, nierównomierny rozkład światła i temperatury między regałami wpłynie na plony, a okres zbiorów nie będzie zsynchronizowany. Firma z Pekinu z powodzeniem opracowała w 2010 roku ręczne urządzenie do podnoszenia dodatkowego oświetlenia (oprawa oświetleniowa HPS i oprawa oświetleniowa LED). Zasada działania polega na obracaniu wału napędowego i zamocowanego na nim nawijacza poprzez potrząsanie uchwytem, ​​co powoduje obrót małej rolki folii, a tym samym zwijanie i rozwijanie liny. Lina lampy jest połączona z kołem nawijającym podnośnika za pomocą wielu zestawów kół nawrotnych, co pozwala na regulację wysokości lampy. W 2017 roku wspomniana firma zaprojektowała i opracowała nowe mobilne urządzenie do doświetlania, które może automatycznie regulować wysokość doświetlania w czasie rzeczywistym, zgodnie z potrzebami wzrostu upraw. Urządzenie regulacyjne jest teraz zainstalowane na trójwarstwowym, podnoszonym stelażu do uprawy roślin. Górna warstwa urządzenia zapewnia najlepsze warunki oświetleniowe, dlatego jest wyposażona w wysokoprężne lampy sodowe; środkowa i dolna warstwa są wyposażone w lampy LED i system regulacji wysokości. System automatycznie reguluje wysokość lampy, aby zapewnić odpowiednie warunki oświetleniowe dla upraw.

W porównaniu z mobilnym urządzeniem doświetlającym, dostosowanym do upraw trójwymiarowych, Holandia opracowała poziomo przesuwane urządzenie doświetlające LED do uprawy roślin. Aby uniknąć wpływu cienia padającego na rośliny w słońcu, system oświetlenia można przesunąć w poziomie na obie strony wspornika za pomocą teleskopowej prowadnicy, tak aby rośliny były w pełni oświetlone światłem słonecznym. W pochmurne i deszczowe dni bez światła słonecznego, należy przesunąć system oświetlenia do środka wspornika, aby równomiernie oświetlić rośliny. Przesuwanie systemu oświetlenia poziomo za pomocą prowadnicy wspornika pozwala uniknąć częstego demontażu i demontażu systemu oświetlenia oraz zmniejszyć pracochłonność pracy, a tym samym skutecznie poprawić wydajność pracy.

Pomysły na projekt typowego systemu oświetlenia do uprawy roślin
Na podstawie projektu mobilnego urządzenia oświetleniowego łatwo zauważyć, że projekt systemu oświetlenia uzupełniającego w fabryce roślin zazwyczaj przyjmuje za podstawę projektu natężenie światła, jakość światła i parametry fotoperiodu w różnych okresach wzrostu upraw, a jego wdrożenie opiera się na inteligentnym systemie sterowania, dzięki czemu osiąga się ostateczny cel, jakim jest oszczędność energii i wysoka wydajność.

Obecnie projektowanie i konstrukcja dodatkowego światła dla warzyw liściowych stopniowo dojrzewają. Na przykład warzywa liściaste można podzielić na cztery etapy: etap siewki, średni wzrost, późny wzrost i etap schyłkowy; warzywa owocowe można podzielić na etap siewki, etap wzrostu wegetatywnego, etap kwitnienia i etap zbioru. Spośród atrybutów intensywności światła uzupełniającego, natężenie światła w etapie siewki powinno być nieco niższe, na poziomie 60~200 μmol/(m²·s), a następnie stopniowo wzrastać. Warzywa liściaste mogą osiągnąć do 100~200 μmol/(m²·s), a warzywa owocowe mogą osiągnąć 300~500 μmol/(m²·s), aby zapewnić wymagania dotyczące intensywności światła dla fotosyntezy roślin w każdym okresie wzrostu i zaspokoić potrzeby wysokich plonów; Pod względem jakości światła bardzo ważny jest stosunek czerwieni do błękitu. Aby zwiększyć jakość sadzonek i zapobiec nadmiernemu wzrostowi w fazie siewki, stosunek czerwieni do błękitu jest zazwyczaj ustalany na niskim poziomie [(1~2):1], a następnie stopniowo zmniejszany, aby sprostać potrzebom morfologii światła roślin. Stosunek czerwieni do błękitu w stosunku do warzyw liściastych można ustawić na (3~6):1. W przypadku fotoperiodu, podobnie jak natężenie światła, powinien on wykazywać tendencję wzrostową wraz z wydłużaniem się okresu wzrostu, tak aby warzywa liściaste miały więcej czasu na fotosyntezę. Projektowanie suplementacji świetlnej owoców i warzyw będzie bardziej skomplikowane. Oprócz wyżej wymienionych podstawowych praw, powinniśmy skupić się na ustawieniu fotoperiodu w okresie kwitnienia, a kwitnienie i owocowanie warzyw muszą być promowane, aby nie przyniosło to odwrotnego skutku.

Warto wspomnieć, że formuła świetlna powinna uwzględniać końcowe warunki oświetleniowe. Na przykład, ciągłe doświetlanie może znacznie poprawić plony i jakość sadzonek warzyw liściastych uprawianych hydroponicznie, a naświetlanie promieniami UV znacząco poprawić jakość odżywczą kiełków i warzyw liściastych (zwłaszcza sałaty o fioletowych liściach i czerwonej).

Oprócz optymalizacji doświetlania wybranych upraw, w ostatnich latach dynamicznie rozwinął się również system sterowania źródłami światła w niektórych fabrykach produkujących sztuczne oświetlenie. System ten opiera się zazwyczaj na strukturze B/S. Zdalne sterowanie i automatyczna kontrola czynników środowiskowych, takich jak temperatura, wilgotność, światło i stężenie CO2 podczas wzrostu upraw, odbywa się za pośrednictwem Wi-Fi, a jednocześnie produkcja nie jest ograniczona warunkami zewnętrznymi. Ten rodzaj inteligentnego systemu oświetlenia uzupełniającego wykorzystuje oprawę LED jako źródło światła uzupełniającego, w połączeniu ze zdalnym, inteligentnym systemem sterowania, co pozwala zaspokoić potrzeby dotyczące oświetlenia roślin o określonej długości fali. System ten jest szczególnie odpowiedni do kontrolowanych środowisk uprawy roślin i doskonale zaspokaja popyt rynkowy.

Uwagi końcowe
Fabryki roślin są uważane za istotny sposób na rozwiązanie światowych problemów związanych z zasobami, populacją i środowiskiem w XXI wieku, a także za istotny sposób na osiągnięcie samowystarczalności żywnościowej w przyszłych projektach high-tech. Jako nowy rodzaj metody produkcji rolnej, fabryki roślin wciąż znajdują się w fazie rozwoju i uczenia się, dlatego wymagają większej uwagi i badań. Niniejszy artykuł opisuje cechy i zalety powszechnie stosowanych metod oświetlenia uzupełniającego w fabrykach roślin oraz przedstawia koncepcje projektowe typowych systemów oświetlenia uzupełniającego upraw. Porównanie źródeł światła LED Grow nie jest trudne, ponieważ aby poradzić sobie ze słabym oświetleniem spowodowanym przez trudne warunki pogodowe, takie jak ciągłe zachmurzenie i mgła, oraz zapewnić wysoką i stabilną produkcję roślin, najlepiej sprawdzają się one w obecnych trendach rozwojowych.

Przyszły kierunek rozwoju fabryk roślin powinien koncentrować się na nowych, wysokoprecyzyjnych i tanich czujnikach, zdalnie sterowanych systemach oświetlenia o regulowanym spektrum oraz specjalistycznych systemach sterowania. Jednocześnie, przyszłe fabryki roślin będą nadal rozwijać się w kierunku rozwiązań niskokosztowych, inteligentnych i samoadaptacyjnych. Zastosowanie i popularyzacja źródeł światła LED do uprawy roślin gwarantuje precyzyjną kontrolę środowiska w fabrykach roślin. Regulacja środowiska oświetlenia LED to złożony proces obejmujący kompleksową regulację jakości światła, jego natężenia i fotoperiodu. Odpowiedni eksperci i naukowcy muszą przeprowadzić dogłębne badania, promując dodatkowe oświetlenie LED w fabrykach roślin ze sztucznym oświetleniem.