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

Fabryka roślin łączy w sobie nowoczesny przemysł, biotechnologię, hydroponikę składników odżywczych i technologię informatyczną w celu wdrożenia bardzo precyzyjnej kontroli czynników środowiskowych w obiekcie.Jest w pełni ogrodzony, ma niewielkie wymagania w stosunku do otaczającego środowiska, skraca okres zbioru roślin, oszczędza wodę i nawozy, a dzięki zaletom produkcji bez pestycydów i braku zrzutów odpadów jednostkowa efektywność użytkowania gruntów jest od 40 do 108 razy większa niż produkcji polowej.Wśród nich decydującą rolę w wydajności produkcji odgrywa inteligentne sztuczne źródło światła i jego regulacja środowiska świetlnego.

Jako ważny fizyczny czynnik środowiskowy, światło odgrywa kluczową rolę w regulacji wzrostu roślin i metabolizmie materiałów.„Jedną z głównych cech fabryki roślin jest pełne sztuczne źródło światła i realizacja inteligentnej regulacji środowiska świetlnego” stało się powszechnym konsensusem w branży.

Zapotrzebowanie roślin na światło

Światło jest jedynym źródłem energii fotosyntezy roślin.Natężenie światła, jego jakość (widmo) oraz okresowe zmiany światła mają ogromny wpływ na wzrost i rozwój roślin uprawnych, wśród których natężenie światła ma największy wpływ na fotosyntezę roślin.

■ Natężenie światła

Intensywność światła może zmienić morfologię upraw, na przykład kwitnienie, długość międzywęźli, grubość łodygi oraz wielkość i grubość liści.Wymagania roślin dotyczące intensywności światła można podzielić na rośliny światłolubne, średniolubne i słabo tolerujące światło.Warzywa to w większości rośliny światłolubne, a ich punkty kompensacji światła i nasycenia światłem są stosunkowo wysokie.W zakładach produkujących sztuczne światło odpowiednie wymagania upraw dotyczące natężenia światła są ważną podstawą doboru sztucznych źródeł światła.Zrozumienie wymagań świetlnych różnych roślin jest ważne przy projektowaniu sztucznych źródeł światła. Niezwykle konieczne jest poprawienie wydajności produkcyjnej systemu.

■ Jakość światła

Rozkład jakości światła (spektralny) ma również istotny wpływ na fotosyntezę i morfogenezę roślin (ryc. 1).Światło jest częścią promieniowania, a promieniowanie jest falą elektromagnetyczną.Fale elektromagnetyczne mają charakterystykę falową i charakterystykę kwantową (cząsteczkową).Kwant światła w ogrodnictwie nazywany jest fotonem.Promieniowanie o długości fali w zakresie 300~800nm ​​nazywane jest fizjologicznie aktywnym promieniowaniem roślin;a promieniowanie o długości fali w zakresie 400 ~ 700 nm nazywane jest promieniowaniem aktywnym fotosyntetycznie (PAR) roślin.

Chlorofil i karoteny to dwa najważniejsze barwniki w fotosyntezie roślin.Rysunek 2 przedstawia widmowe widmo absorpcji każdego pigmentu fotosyntetycznego, w którym widmo absorpcji chlorofilu jest skoncentrowane w pasmach czerwonym i niebieskim.System oświetleniowy oparty jest na spektralnych potrzebach upraw w celu sztucznego uzupełnienia światła, tak aby wspomóc fotosyntezę roślin.

■ fotoperiod
Zależność między fotosyntezą i fotomorfogenezą roślin a długością dnia (lub czasem fotoperiodu) nazywana jest fotoperiodycznością roślin.Fotoperiodyczność jest ściśle związana z godzinami świetlnymi, które odnoszą się do czasu, w którym uprawa jest naświetlana światłem.Różne uprawy wymagają określonej liczby godzin światła, aby zakończyć fotoperiod, aby zakwitły i wydały owoce.Według różnych fotoperiodów można go podzielić na uprawy dnia długiego, takie jak kapusta itp., które na pewnym etapie wzrostu wymagają więcej niż 12-14 godzin świetlnych;uprawy dnia krótkiego, takie jak cebula, soja itp., wymagają mniej niż 12-14 godzin godzin oświetlenia;uprawy o średnim nasłonecznieniu, takie jak ogórki, pomidory, papryka itp., mogą kwitnąć i owocować przy dłuższym lub krótszym nasłonecznieniu.
Spośród trzech elementów otoczenia, natężenie światła jest ważną podstawą doboru sztucznych źródeł światła.Obecnie istnieje wiele sposobów wyrażania natężenia światła, w tym głównie trzy poniższe.
(1) Oświetlenie odnosi się do gęstości powierzchniowej strumienia świetlnego (strumienia świetlnego na jednostkę powierzchni) odbieranego na oświetlanej płaszczyźnie, w luksach (lx).

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

（3）Fotosyntetycznie skuteczna gęstość strumienia fotonów PPFD lub PPF to liczba fotosyntetycznie efektywnego promieniowania, które dociera lub przechodzi przez jednostkę czasu i jednostkę powierzchni, jednostka: μmol/(m²·s). Głównie odnosi się do natężenia światła 400~700nm bezpośrednio związane z fotosyntezą.Jest to również najczęściej stosowany wskaźnik natężenia światła w dziedzinie produkcji roślinnej.

Analiza źródła światła typowego systemu oświetlenia dodatkowego
Uzupełnienie sztucznego światła ma na celu zwiększenie natężenia światła w docelowym obszarze lub wydłużenie czasu świecenia poprzez zainstalowanie dodatkowego systemu oświetlenia w celu zaspokojenia zapotrzebowania roślin na światło.Ogólnie rzecz biorąc, dodatkowy system oświetleniowy obejmuje dodatkowy sprzęt oświetleniowy, obwody i jego system sterowania.Dodatkowe źródła światła obejmują głównie kilka popularnych typów, takich jak żarówki, lampy fluorescencyjne, lampy metalohalogenkowe, wysokoprężne lampy sodowe i diody LED.Ze względu na niską sprawność elektryczną i optyczną żarówek, niską efektywność energetyczną fotosyntezy i inne niedociągnięcia, został on wyeliminowany przez rynek, dlatego w artykule nie ma miejsca na szczegółową analizę.

■ Lampa fluorescencyjna
Świetlówki należą do rodzaju niskoprężnych lamp wyładowczych.Szklana rurka jest wypełniona parami rtęci lub gazem obojętnym, a wewnętrzna ścianka rurki jest pokryta proszkiem fluorescencyjnym.Barwa światła zmienia się w zależności od materiału fluorescencyjnego pokrytego rurką.Lampy fluorescencyjne mają dobre parametry spektralne, wysoką skuteczność świetlną, małą moc, dłuższą żywotność (12000h) w porównaniu z lampami żarowymi i stosunkowo niski koszt.Ponieważ sama świetlówka emituje mniej ciepła, może być umieszczona blisko roślin do oświetlenia i nadaje się do uprawy trójwymiarowej.Jednak układ widmowy świetlówki jest nieracjonalny.Najbardziej powszechną metodą na świecie jest dodawanie odbłyśników w celu zmaksymalizowania efektywnych składników źródła światła upraw na obszarze uprawy.Japońska firma adv-agri opracowała również nowy typ dodatkowego źródła światła HEFL.HEFL właściwie należy do kategorii lamp fluorescencyjnych.Jest to ogólny termin określający lampy fluorescencyjne z zimną katodą (CCFL) i lampy fluorescencyjne z elektrodami zewnętrznymi (EEFL) i jest lampą fluorescencyjną z elektrodą mieszaną.Rura HEFL jest niezwykle cienka, ma średnicę 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 świetlówki.

■ Lampa metalohalogenkowa
Lampa metalohalogenkowa jest lampą wyładowczą o dużej intensywności, która może wzbudzać różne pierwiastki w celu wytworzenia różnych długości fal poprzez dodanie różnych halogenków metali (bromku cyny, jodku sodu itp.) do rury wyładowczej na podstawie wysokociśnieniowej lampy rtęciowej.Lampy halogenowe charakteryzują się wysoką skutecznością świetlną, dużą mocą, dobrą barwą światła, długą żywotnością i dużym widmem.Ponieważ jednak skuteczność świetlna jest mniejsza niż w przypadku wysokoprężnych lamp sodowych, a żywotność jest krótsza niż w przypadku wysokoprężnych lamp sodowych, jest ona obecnie stosowana tylko w kilku zakładach.

■ Wysokoprężna lampa sodowa
Wysokoprężne lampy sodowe należą do rodzaju wysokoprężnych lamp wyładowczych.Wysokoprężna lampa sodowa jest lampą o wysokiej wydajności, w której rura wyładowcza jest wypełniona parą sodową pod wysokim ciśnieniem i dodana jest niewielka ilość ksenonu (Xe) i metalohalogenku rtęci.Ponieważ wysokoprężne lampy sodowe charakteryzują się wysoką wydajnością konwersji elektrooptycznej przy niższych kosztach produkcji, wysokoprężne lampy sodowe są obecnie najczęściej stosowane w zastosowaniu oświetlenia dodatkowego w obiektach rolniczych.Jednak ze względu na wady niskiej wydajności fotosyntezy w swoim widmie mają wady niskiej efektywności energetycznej.Z drugiej strony składowe widmowe emitowane przez wysokoprężne lampy sodowe koncentrują się głównie w żółto-pomarańczowym paśmie światła, w którym brakuje widm czerwonych i niebieskich niezbędnych do wzrostu roślin.

■ Dioda elektroluminescencyjna
Jako nowa generacja źródeł światła, diody elektroluminescencyjne (LED) mają wiele zalet, takich jak wyższa sprawność konwersji elektrooptycznej, regulowane widmo i wysoka wydajność fotosyntezy.Diody LED mogą emitować monochromatyczne światło potrzebne do wzrostu roślin.W porównaniu ze zwykłymi lampami fluorescencyjnymi i innymi dodatkowymi źródłami światła, LED ma zalety oszczędzania energii, ochrony środowiska, długiej żywotności, światła monochromatycznego, źródła zimnego światła i tak dalej.Wraz z dalszą poprawą sprawności elektrooptycznej diod LED oraz redukcją kosztów spowodowanych efektem skali, systemy oświetlenia LED do uprawy roślin staną się głównym wyposażeniem uzupełniającym oświetlenie w obiektach rolniczych.W rezultacie oświetlenie LED do uprawy zostało zastosowane w 99,9% fabryk roślin.

Dzięki porównaniu charakterystyki różnych dodatkowych źródeł światła można łatwo zrozumieć, jak pokazano w tabeli 1.

Mobilne urządzenie oświetleniowe
Intensywność światła jest ściśle związana ze wzrostem roślin.Uprawa trójwymiarowa jest często stosowana w fabrykach roślin.Jednak ze względu na ograniczenia konstrukcji regałów uprawowych, nierównomierny rozkład światła i temperatury pomiędzy regałami wpłynie na plonowanie roślin i okres zbiorów nie zostanie zsynchronizowany.Firma z Pekinu z powodzeniem opracowała ręczne urządzenie do podnoszenia światła (oprawa oświetleniowa HPS i oprawa oświetleniowa LED do uprawy) w 2010 roku. Zasada polega na obracaniu wału napędowego i zamocowanej na nim nawijarki poprzez potrząsanie uchwytem w celu obrócenia rolki małej folii aby osiągnąć cel zwijania i rozwijania liny.Lina stalowa światła do uprawy jest połączona z kołem nawijającym windy za pomocą wielu zestawów kół cofania, aby uzyskać efekt regulacji wysokości światła do uprawy.W 2017 roku wyżej wymieniona firma zaprojektowała i opracowała nowe mobilne urządzenie doświetlające, które może automatycznie dostosowywać wysokość doświetlacza w czasie rzeczywistym w zależności od potrzeb wzrostu upraw.Urządzenie do regulacji jest teraz zainstalowane na trójwymiarowym stojaku do uprawy typu podnoszącego 3-warstwowe źródło światła.Górna warstwa urządzenia to poziom o najlepszych warunkach świetlnych, dlatego jest wyposażona w wysokoprężne lampy sodowe;warstwa środkowa i dolna są wyposażone w oświetlenie LED do uprawy i system regulacji podnoszenia.Może automatycznie regulować wysokość światła do uprawy, aby zapewnić odpowiednie warunki oświetleniowe dla upraw.

W porównaniu z mobilnym urządzeniem uzupełniającym oświetlenie dostosowanym do uprawy trójwymiarowej, Holandia opracowała poziomo ruchome urządzenie uzupełniające oświetlenie LED.Aby uniknąć wpływu cienia światła na wzrost roślin w słońcu, system oświetlenia można przesunąć na obie strony wspornika przez prowadnicę teleskopową w kierunku poziomym, tak aby słońce było w pełni napromieniowane na rośliny;w pochmurne i deszczowe dni bez światła słonecznego, popchnij system oświetlenia do środka wspornika, aby światło systemu oświetlenia do uprawy równomiernie wypełniło rośliny;przesuwaj system oświetlenia do uprawy poziomo przez suwak na wsporniku, unikaj częstego demontażu i usuwania systemu oświetlenia do uprawy oraz zmniejsz pracochłonność pracowników, skutecznie poprawiając w ten sposób wydajność pracy.

Pomysły na projekt typowego systemu oświetlenia do uprawy
Nietrudno zauważyć na podstawie projektu mobilnego dodatkowego urządzenia oświetleniowego, że projekt systemu dodatkowego oświetlenia fabryki roślin zwykle przyjmuje parametry natężenia światła, jakości światła i fotoperiodu różnych okresów wzrostu upraw jako podstawową treść projektu , opierając się na inteligentnym systemie sterowania do wdrożenia, osiągając ostateczny cel, jakim jest oszczędność energii i wysoka wydajność.

Obecnie projektowanie i budowa oświetlenia dodatkowego do warzyw liściastych stopniowo dojrzewa.Na przykład warzywa liściaste można podzielić na cztery etapy: etap siewki, średni wzrost, późny wzrost i faza końcowa;Warzywa owocowe można podzielić na fazę sadzonek, fazę wzrostu wegetatywnego, fazę kwitnienia i fazę zbioru.Z atrybutów dodatkowego natężenia światła wynika, że ​​natężenie światła w fazie siewki powinno być nieco niższe, na poziomie 60~200 μmol/(m²·s), a następnie stopniowo wzrastać.Warzywa liściaste mogą osiągać do 100 ~ 200 μmol/(m²·s), a warzywa owocowe mogą osiągnąć 300 ~ 500 μmol/(m²·s), aby zapewnić światło wymagane do fotosyntezy roślin w każdym okresie wzrostu i zaspokoić potrzeby wysoka wydajność;Jeśli chodzi o jakość światła, bardzo ważny jest stosunek czerwieni do błękitu.W celu podniesienia jakości sadzonek i zapobieżenia nadmiernemu wzrostowi w fazie sadzonek, stosunek barwy czerwonej do niebieskiej jest na ogół ustalany na niskim poziomie [(1~2):1], a następnie stopniowo zmniejszany w celu zaspokojenia potrzeb roślin Lekka morfologia.Stosunek warzyw czerwonych do niebieskich i liściastych można ustawić na (3~6): 1.Dla fotoperiodu, podobnie jak natężenie światła, powinno wykazywać tendencję wzrostową wraz z wydłużaniem okresu wzrostu, tak aby warzywa liściaste miały więcej czasu fotosyntezy na fotosyntezę.Lekki projekt suplementu owoców i warzyw będzie bardziej skomplikowany.Oprócz wyżej wymienionych podstawowych praw, powinniśmy skupić się na ustawieniu fotoperiodu w okresie kwitnienia, a kwitnienie i owocowanie warzyw musi być promowane, aby nie obrócić się przeciwko niemu.

Warto wspomnieć, że lekka formuła powinna obejmować obróbkę końcową dla ustawień jasnego środowiska.Na przykład ciągła suplementacja światłem może znacznie poprawić wydajność i jakość hydroponicznych sadzonek warzyw liściastych lub zastosować obróbkę UV, aby znacznie poprawić jakość odżywczą kiełków i warzyw liściastych (zwłaszcza purpurowych liści i czerwonej sałaty liściastej).

Oprócz optymalizacji doświetlania wybranych upraw, w ostatnich latach szybko rozwinął się również system sterowania źródłem światła w niektórych fabrykach roślin sztucznego oświetlenia.Ten system sterowania jest generalnie oparty na strukturze B/S.Zdalne i automatyczne sterowanie czynnikami środowiskowymi, takimi jak temperatura, wilgotność, światło i stężenie CO2 podczas wzrostu upraw, realizowane jest za pośrednictwem WIFI, a jednocześnie realizowany jest sposób produkcji, który nie jest ograniczony warunkami zewnętrznymi.Ten rodzaj inteligentnego dodatkowego systemu oświetleniowego wykorzystuje oprawę oświetleniową LED do uprawy jako dodatkowe źródło światła, w połączeniu ze zdalnym inteligentnym systemem sterowania, może zaspokoić potrzeby oświetlenia długości fali roślin, jest szczególnie odpowiedni do kontrolowanego światłem środowiska uprawy roślin i może dobrze zaspokoić popyt rynkowy .

Uwagi końcowe
Fabryki roślinne są uważane za ważny sposób rozwiązywania światowych problemów związanych z zasobami, populacją i środowiskiem w XXI wieku oraz ważny sposób na osiągnięcie samowystarczalności żywnościowej w przyszłych projektach zaawansowanych technologii.Fabryki roślinne, jako nowy typ metody produkcji rolnej, wciąż znajdują się na etapie uczenia się i rozwoju, dlatego potrzebne są więcej uwagi i badań.W artykule opisano charakterystykę i zalety typowych metod oświetlenia dodatkowego w fabrykach roślin oraz przedstawiono idee projektowe typowych systemów oświetlenia dodatkowego dla upraw.Nietrudno jest znaleźć poprzez porównanie, aby poradzić sobie ze słabym oświetleniem spowodowanym trudnymi warunkami pogodowymi, takimi jak ciągłe zachmurzenie i zamglenie oraz zapewnić wysoką i stabilną produkcję roślin uprawnych, sprzęt LED Grow jest najbardziej zgodny z obecnym rozwojem trendy.

Przyszły kierunek rozwoju fabryk roślinnych powinien koncentrować się na nowych, precyzyjnych, tanich czujnikach, zdalnie sterowanych systemach urządzeń oświetleniowych o regulowanym spektrum i eksperckich systemach sterowania.Jednocześnie przyszłe fabryki roślinne będą nadal rozwijać się w kierunku tanich, inteligentnych i samodostosowujących się.Zastosowanie i upowszechnienie źródeł światła LED do uprawy daje gwarancję bardzo precyzyjnej kontroli warunków środowiskowych fabryk roślinnych.Regulacja środowiska świetlnego LED to złożony proces obejmujący kompleksową regulację jakości światła, natężenia światła i fotoperiodu.Odpowiedni eksperci i naukowcy muszą przeprowadzić dogłębne badania, promując dodatkowe oświetlenie LED w fabrykach roślin sztucznego światła.