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

Fabryka roślin łączy nowoczesny przemysł, biotechnologię, hydroponikę składników odżywczych i technologie informacyjne w celu wdrożenia precyzyjnej kontroli czynników środowiskowych w obiekcie. Jest w pełni zamknięty, ma niskie wymagania dotyczące otaczającego środowiska, skraca okres zbioru rośliny, oszczędza wodę i nawóz, a dzięki zaletom produkcji niezwiązanej z pestycydami i braku odpadów, wydajność użytkowania gruntów jednostkowych wynosi 40 do 108 razy produkcji otwartej pola. Wśród nich inteligentne sztuczne źródło światła i regulacja środowiska światła odgrywają decydującą rolę w jego wydajności produkcji.

Jako ważny fizyczny czynnik środowiskowy światło odgrywa kluczową rolę w regulacji wzrostu roślin i metabolizmu materialnego. „Jedną z głównych cech fabryki roślin jest pełne sztuczne źródło światła i realizacja inteligentnej regulacji środowiska światła” stała się ogólnym konsensusem w branży.

Potrzeba światła roślin

Światło jest jedynym źródłem energii fotosyntezy roślin. Intensywność światła, jakość światła (spektrum) i okresowe zmiany światła mają głęboki wpływ na wzrost i rozwój upraw, w tym intensywność światła ma największy wpływ na fotosynteza roślin.

■ Intensywność światła

Intensywność światła może zmienić morfologię upraw, takiej jak kwitnienie, długość międzywczesla, grubość łodygi oraz wielkość i grubość liści. Wymagania roślin o intensywności światła można podzielić na rośliny kochające światło, kochające średnio światło i tolerancyjne na słabo światło. Warzywa to głównie rośliny kochające światło, a ich lekkie punkty kompensacji i punkty nasycenia światłem są stosunkowo wysokie. W fabrykach roślin sztucznych światła odpowiednie wymagania upraw do intensywności światła są ważną podstawą do wyboru sztucznych źródeł światła. Zrozumienie wymagań światła różnych roślin jest ważne dla projektowania sztucznych źródeł światła, niezwykle konieczne jest poprawa wydajności produkcji 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 fali i charakterystykę kwantową (cząsteczką). Kwota światła nazywa się fotonem w polu ogrodniczym. Promieniowanie o zakresie długości fali 300 ~ 800 nm nazywa się fizjologicznie aktywnym promieniowaniem roślin; a promieniowanie o zakresie długości fali 400 ~ 700 nm nazywane jest promieniowaniem fotosyntetycznie (PAR) roślin.

Chlorofil i karoteny to dwa najważniejsze pigmenty w fotosyntezy roślin. Rycina 2 pokazuje widmo absorpcji spektralnej każdego pigmentu fotosyntetycznego, w którym widmo absorpcji chlorofilu jest skoncentrowane w czerwonych i niebieskich pasmach. System oświetlenia opiera się na spektralnych potrzebach upraw do sztucznego uzupełnienia światła, aby promować fotosyntezę roślin.

■ Foteriod
Związek między fotosyntezą a fotomorfogenezą roślin a długością dnia (lub czas fotoperiodu) nazywany jest fotoperiacją roślin. Fotoperialność jest ściśle związana z godzinami świetlnymi, co odnosi się do czasu, w którym upraw jest napromieniowany światłem. Różne uprawy wymagają pewnej liczby godzin światła, aby ukończyć fotoperiod, aby kwitnąć i przynieść owoce. Zgodnie z różnymi fotoperiodami można go podzielić na uprawy długotrwały, takie jak kapusta itp., Które wymagają ponad 12-14 godzin światła na pewnym etapie jego wzrostu; uprawy krótkie, takie jak cebula, soja itp., wymagają mniej niż 12-14 godzin godzin oświetlenia; Posunięte uprawy, takie jak ogórki, pomidory, papryka itp., Mogą kwitnąć i przynosić owoce pod dłuższym lub krótszym światłem słonecznym.
Wśród trzech elementów środowiska intensywność światła jest ważną podstawą do wyboru sztucznych źródeł światła. Obecnie istnieje wiele sposobów wyrażania intensywności światła, w tym głównie następujące trzy.
（1） Iluminacja odnosi się do gęstości powierzchniowego strumienia światła (strumień świetlisty na jednostkę powierzchni) otrzymanego na płaszczyźnie oświetlonej, w Lux (LX).

（2） Fotosyntetycznie aktywne promieniowanie, par, jednostka ： W/m²。

（3） Fotosyntetycznie efektywny gęstość strumienia fotonu PPFD lub PPF to liczba fotosyntetycznie skutecznego promieniowania, które dociera lub przechodzi przez czas jednostki i powierzchnię jednostki, jednostka ： μmol/(m² · s)。 Maille odnosi się do intensywności światła 400 ~ 700 nm bezpośrednio związane z fotosyntezą. Jest to również najczęściej stosowany wskaźnik intensywności światła w dziedzinie produkcji roślin.

Analiza źródła światła typowego dodatkowego systemu światła
Sztuczny suplement światła polega na zwiększeniu intensywności światła w obszarze docelowym lub wydłużenie czasu światła poprzez zainstalowanie systemu światła suplementu w celu zaspokojenia zapotrzebowania światła roślin. Ogólnie rzecz biorąc, dodatkowy system światła obejmuje dodatkowy sprzęt do światła, obwody i jego system sterowania. Uzupełniające źródła światła obejmują głównie kilka typów typowych, takich jak lampy żarowe, lampy fluorescencyjne, metalowe lampy halogenkowe, lampy sodowe pod wysokim ciśnieniem i diody LED. Ze względu na niską wydajność elektryczną i optyczną lamp żarowych, niską efektywność energetyczną fotosyntetyczną i inne niedociągnięcia, został wyeliminowany przez rynek, więc ten artykuł nie dokonuje szczegółowej analizy.

■ lampa fluorescencyjna
Lampy fluorescencyjne należą do rodzaju lampy zrzutowej niskociśnieniowej. Szklana rurka jest wypełniona oparą rtęci lub gazem obojętnym, a wewnętrzna ściana rurki jest pokryta fluorescencyjnym proszkiem. Kolor jasny zmienia się w zależności od materiału fluorescencyjnego pokrytego w rurce. Lampy fluorescencyjne mają dobrą wydajność widmową, wysoką wydajność świetlistą, niską moc, dłuższą żywotność (12000H) w porównaniu z lampami żarowymi i stosunkowo niski koszt. Ponieważ sama lampa fluorescencyjna emituje mniej ciepła, może być blisko roślin do oświetlenia i nadaje się do trójwymiarowej uprawy. Jednak układ spektralny lampy fluorescencyjnej jest nieuzasadniony. Najczęstszą metodą na świecie jest dodanie odbłyśników, aby zmaksymalizować skuteczne elementy źródła światła upraw w obszarze uprawy. Japońska firma ADV-AGRI opracowała również nowy rodzaj dodatkowego źródła światła Hefl. Hefl faktycznie należy do kategorii lamp fluorescencyjnych. Jest to ogólny termin dla zimnych lamp fluorescencyjnych katodowych (CCFL) i zewnętrznych lamp fluorescencyjnych elektrody (EEFL) i jest mieszaną lampą fluorescencyjną elektrody. Rurka Hefl jest wyjątkowo cienka, o średnicy tylko około 4 mm, a długość można regulować z 450 mm do 1200 mm zgodnie z potrzebami uprawy. Jest to ulepszona wersja konwencjonalnej lampy fluorescencyjnej.

■ Metalowa lampa halogenkowa
Metalowa lampa halogenkowa to lampa wyładowań o wysokiej intensywności, która może wzbudzić różne elementy, aby wytwarzać różne długości fali poprzez dodanie różnych halogenków metalowych (bromek cyny, jodek sodu itp.) W rurce wyładowczej na podstawie lampy rtęci o wysokim ciśnieniu. Lampy halogenowe mają wysoką wydajność świetlistą, dużą moc, dobry kolor, długą żywotność i duże spektrum. Ponieważ jednak wydajność świetlistej jest niższa niż w przypadku wysokociśnieniowych lamp sodowych, a czas życia jest krótszy niż w przypadku lamp sodowych pod wysokim ciśnieniem, jest obecnie stosowany tylko w kilku fabrykach roślin.

■ Lampka sodowa pod wysokim ciśnieniem
Lampy sodowe pod wysokim ciśnieniem należą do rodzaju wysokociśnieniowych lamp wyładowczych gazowych. Lampa sodowa pod wysokim ciśnieniem jest lampy wysokowydajnej, w której wysokociśnieniowe para sodu jest wypełniona w rurce wyładowczej i dodaje się niewielką ilość ksenonu (XE) i halogenku metalu rtęci. Ponieważ lampy sodowe pod wysokim ciśnieniem mają wysoką wydajność konwersji elektrooptycznej przy niższych kosztach produkcji, lampy sodowe pod wysokim ciśnieniem są obecnie najczęściej stosowane w stosowaniu dodatkowego światła w obiektach rolniczych. Jednak ze względu na niedociągnięcia niskiej wydajności fotosyntetycznej w ich spektrum mają one niedociągnięcia niskiej wydajności energetycznej. Z drugiej strony elementy spektralne emitowane przez lampy sodowe pod wysokim ciśnieniem są głównie skoncentrowane w opasce lekkiej żółtej pomarańczowej, w którym brakuje czerwonych i niebieskich widm niezbędnych do wzrostu roślin.

■ Dioda emitująca światło
Jako nowa generacja źródeł światła diody emitujące światło (LED) mają wiele zalet, takich jak wyższa efektywność konwersji elektrooptycznej, widmo regulowane i wysoka wydajność fotosyntetyczna. LED może emitować światło monochromatyczne 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 światła zimnego i tak dalej. Wraz z dalszą poprawą efektywności elektrooptycznej diod LED i zmniejszeniem kosztów spowodowanych efektem skali, systemy oświetlenia Grow LED stanie się głównym nurtem do uzupełnienia światła w obiektach rolnych. W rezultacie lampy uprawy LED zastosowano w 99,9% fabryk roślin.

Poprzez porównanie cechy różnych dodatkowych źródeł światła można wyraźnie zrozumieć, jak pokazano w tabeli 1.

Mobilne urządzenie oświetleniowe
Intensywność światła jest ściśle związana ze wzrostem upraw. Kultywacja trójwymiarowa jest często stosowana w fabrykach roślin. Jednak ze względu na ograniczenie struktury stojaków uprawnych nierównomierny rozkład światła i temperatury między stojakami wpłynie na wydajność upraw, a okres zbioru nie zostanie zsynchronizowany. Firma w Pekinie z powodzeniem opracowała ręczne urządzenie do suplementu światła podnoszenia (urządzenie oświetleniowe HPS i LED Hoder Entertaining) w 2010 roku. Zasada jest obrócenie wału napędowego, a wietrznik przymocował go, wstrząsając uchwytem w celu obrócenia małej kołowrotka filmowego Aby osiągnąć cel cofania i odwijania liny drutu. Lina druciana światła uprawnego jest połączona z krętym kołem windy przez wiele zestawów kół odwracających, aby osiągnąć efekt dostosowania wysokości światła uprawy. W 2017 r. Wyżej wymieniona firma zaprojektowała i opracowała nowe urządzenie mobilnego suplementu światła, które może automatycznie dostosować wysokość suplementu światła w czasie rzeczywistym zgodnie z potrzebami wzrostu upraw. Urządzenie regulacyjne jest teraz instalowane na trójwymiarowym stojaku uprawy w 3-warstwowym źródle światła. Górna warstwa urządzenia jest poziom o najlepszym stanie światła, więc jest wyposażona w wysokociśnieniowe lampy sodowe; Środkowa warstwa i dolna warstwa są wyposażone w lampy uprawy LED i system regulacji podnoszenia. Może automatycznie dostosować wysokość światła uprawy, aby zapewnić odpowiednie środowisko oświetleniowe dla upraw.

W porównaniu z urządzeniem mobilnego suplementu światła dostosowanego do trójwymiarowej uprawy, Holandia opracowała urządzenie światła LED w sposób ruchomy poziomo LED. Aby uniknąć wpływu cienia światła uprawy na wzrost roślin na słońcu, system światła uprawnego można wypchnąć na obie strony wspornika przez slajd teleskopowy w kierunku poziomym, tak aby słońce było w pełni napromieniowane na roślinach; W pochmurne i deszczowe dni bez światła słonecznego pchnij system światła uprawnego na środek wspornika, aby światło układu światła wyrównane równomiernie wypełniły rośliny; Poruszaj układ światła uprawy w poziomie przez zjeżdżalnię na wsporniku, unikaj częstego demontażu i usuwania układu światła uprawnego oraz zmniejsz intensywność pracy pracowników, a tym samym skutecznie poprawiając wydajność pracy.

Pomysły projektowe typowego systemu światła uprawy
Nie jest trudno zobaczyć z projektowania urządzenia uzupełniającego mobilnego oświetlenia, że ​​projektowanie dodatkowego systemu oświetlenia fabryki zakładu zwykle przyjmuje intensywność światła, jakość światła i fotoperiod różnych okresów wzrostu upraw jako podstawową zawartość projektu projektu , polegając na wdrożeniu inteligentnego systemu kontroli, osiągając ostateczny cel oszczędności energii i wysokiej wydajności.

Obecnie projekt i budowa dodatkowego światła dla warzyw liściastych stopniowo dojrzewa. Na przykład warzywa liściaste można podzielić na cztery etapy: etap sadzonki, śródmienny wzrost, późny wzrost i etap końcowy; Owocowe wegetable można podzielić na etap sadzonki, wegetatywny etap wzrostu, etap kwitnienia i etap zbioru. Z atrybutów dodatkowej intensywności światła intensywność światła w stadium sadzonki powinna być nieco niższa, przy 60 ~ 200 μmol/(m² · s), a następnie stopniowo rosnąć. Warzywa liściaste mogą osiągnąć do 100 ~ 200 μmol/(m² · s), a warzywa owocowe mogą osiągnąć 300 ~ 500 μmol/(m² · s), aby zapewnić wymagania intensywności światła w fotosyntezy roślin w każdym okresie wzrostu i zaspokoić potrzeby wysoka wydajność; Pod względem jakości światła stosunek czerwonego do niebieskiego jest bardzo ważny. W celu zwiększenia jakości sadzonek i zapobiegania nadmiernemu wzrostowi w etapie sadzonki, stosunek czerwonego do niebieskiego jest ogólnie ustawiany na niskim poziomie [(1 ~ 2): 1], a następnie stopniowo zmniejszany, aby zaspokoić potrzeby rośliny Morfologia światła. Stosunek czerwonego do niebieskiego do warzyw liściastych można ustawić na (3 ~ 6): 1. W przypadku fotoperiodu, podobnie jak intensywność światła, powinien pokazać trend wzrostu wraz z rozszerzeniem okresu wzrostu, aby warzywa liściaste mają więcej fotosyntetycznego czasu na fotosynteza. Projekt suplementu światła owoców i warzyw będzie bardziej skomplikowany. Oprócz wyżej wymienionych podstawowych przepisów powinniśmy skupić się na ustawieniu fotoperiodu w okresie kwitnienia, a kwitnienie i owocowanie warzyw należy promować, aby nie cofnąć się.

Warto wspomnieć, że formuła światła powinna obejmować leczenie końcowe dla środowiska światła. Na przykład ciągła suplementacja światła może znacznie poprawić wydajność i jakość hydroponicznych sadzonek warzyw liściastych lub zastosować obróbkę UV w celu znacznej poprawy kiełków i warzyw liściastych (zwłaszcza fioletowych liści i sałaty czerwonej liści).

Oprócz optymalizacji suplementacji światła dla wybranych upraw, system kontroli źródła światła niektórych fabryk roślin sztucznych światła również szybko rozwinął się w ostatnich latach. Ten system sterowania jest ogólnie oparty na strukturze B/S. Zdalne sterowanie i automatyczna kontrola czynników środowiskowych, takich jak temperatura, wilgotność, światło i CO2 podczas wzrostu upraw, są realizowane przez Wi -Fi, a jednocześnie realizowana jest metoda produkcji, która nie jest ograniczona przez warunki zewnętrzne. Ten rodzaj inteligentnego uzupełniającego systemu światła wykorzystuje oprawę światła LED jako dodatkowe źródło światła, w połączeniu z zdalnym inteligentnym systemem sterowania, może zaspokoić potrzeby oświetlenia fali roślin, jest szczególnie odpowiednie dla środowiska uprawy roślin i może zaspokoić zapotrzebowanie na rynek popytu na rynku .

Uwagi końcowe
Fabryki roślin są uważane za ważny sposób rozwiązania światowych zasobów, problemów populacyjnych i środowiskowych w XXI wieku oraz ważnym sposobem na osiągnięcie samowystarczalności żywności w przyszłych projektach zaawansowanych technologii. Jako nowy rodzaj metody produkcji rolniczej fabryki roślin wciąż znajdują się na etapie uczenia się i wzrostu, a potrzeba większej uwagi i badań. W tym artykule opisano cechy i zalety wspólnych dodatkowych metod oświetlenia w fabrykach roślin oraz wprowadza pomysły projektowe typowych dodatkowych systemów oświetlenia upraw. Nie jest trudne do znalezienia poprzez porównanie, aby poradzić sobie z niskim światłem spowodowanym trudną pogodą, takimi jak ciągła pochmurna i mgła oraz zapewnić wysoką i stabilną produkcję upraw obiektów, sprzęt do źródła światła LED jest najbardziej zgodny z obecnym programem rozwojowym trendy.

Przyszły kierunek rozwoju fabryk roślin powinien koncentrować się na nowych, bardzo precyzyjnych, tanich czujnikach, zdalnie kontrolowanych, regulowanych systemach urządzeń oświetleniowych i systemach kontroli ekspertów. Jednocześnie przyszłe fabryki roślin będą nadal rozwijać się w kierunku taniego, inteligentnego i samozaprażającego się. Zastosowanie i popularyzacja źródeł światła LED daje gwarancję wysokiej precyzyjnej kontroli środowiska fabryk roślin. Regulacja środowiska światła LED jest złożonym procesem obejmującym kompleksową regulację jakości światła, intensywności światła i fotoperiod. Odpowiedni eksperci i uczeni muszą przeprowadzić dogłębne badania, promując dodatkowe oświetlenie LED w fabrykach roślin sztucznych.