Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu etc. Sursă media: Tehnologie inginerească agricolă (horticultură în seră)

Fabrica de plante combină industria modernă, biotehnologia, hidroponica nutrienților și tehnologia informației pentru a implementa un control de înaltă precizie al factorilor de mediu în cadrul instalației. Este complet închisă, are cerințe reduse față de mediul înconjurător, scurtează perioada de recoltare a plantelor, economisește apă și îngrășăminte și, datorită avantajelor producției fără pesticide și fără deversare de deșeuri, eficiența unității de utilizare a terenurilor este de 40 până la 108 ori mai mare decât cea a producției în câmp deschis. Printre acestea, sursa inteligentă de lumină artificială și reglarea mediului luminos joacă un rol decisiv în eficiența producției.

Ca factor important de mediu fizic, lumina joacă un rol cheie în reglarea creșterii plantelor și a metabolismului materialelor. „Una dintre principalele caracteristici ale fabricii de plante este sursa completă de lumină artificială și realizarea unei reglări inteligente a mediului luminos” a devenit un consens general în industrie.

Nevoia plantelor de lumină

Lumina este singura sursă de energie a fotosintezei plantelor. Intensitatea luminii, calitatea luminii (spectrul) și schimbările periodice ale luminii au un impact profund asupra creșterii și dezvoltării culturilor, dintre care intensitatea luminii are cel mai mare impact asupra fotosintezei plantelor.

■ Intensitatea luminii

Intensitatea luminii poate modifica morfologia culturilor, cum ar fi înflorirea, lungimea internodului, grosimea tulpinii și dimensiunea și grosimea frunzelor. Cerințele plantelor privind intensitatea luminii pot fi împărțite în plante iubitoare de lumină, plante iubitoare de lumină medie și plante tolerante la lumină scăzută. Legumele sunt în mare parte plante iubitoare de lumină, iar punctele lor de compensare a luminii și punctele de saturație a luminii sunt relativ ridicate. În fabricile de plante cu lumină artificială, cerințele relevante ale culturilor privind intensitatea luminii reprezintă o bază importantă pentru selectarea surselor de lumină artificială. Înțelegerea cerințelor de lumină ale diferitelor plante este importantă pentru proiectarea surselor de lumină artificială. Este extrem de necesară îmbunătățirea performanței de producție a sistemului.

■ Calitatea luminii

Distribuția calității luminii (spectrală) are, de asemenea, o influență importantă asupra fotosintezei și morfogenezei plantelor (Figura 1). Lumina face parte din radiație, iar radiația este o undă electromagnetică. Undele electromagnetice au caracteristici de undă și caracteristici cuantice (de particule). Cuanta de lumină se numește foton în domeniul horticulturii. Radiația cu un interval de lungimi de undă de 300~800nm ​​se numește radiație fiziologic activă a plantelor; iar radiația cu un interval de lungimi de undă de 400~700nm se numește radiație fotosintetic activă (PAR) a plantelor.

Clorofila și carotenii sunt cei mai importanți doi pigmenți în fotosinteza plantelor. Figura 2 prezintă spectrul de absorbție spectrală al fiecărui pigment fotosintetic, în care spectrul de absorbție al clorofilei este concentrat în benzile roșie și albastră. Sistemul de iluminare se bazează pe nevoile spectrale ale culturilor de a suplimenta artificial lumina, astfel încât să promoveze fotosinteza plantelor.

■ fotoperioadă
Relația dintre fotosinteză și fotomorfogeneza plantelor și durata zilei (sau timpul fotoperioadei) se numește fotoperioditatea plantelor. Fotoperioditatea este strâns legată de orele de lumină, care se referă la timpul în care cultura este iradiată cu lumină. Diferite culturi necesită un anumit număr de ore de lumină pentru a completa fotoperioada, pentru a înflori și a rodi. În funcție de diferitele fotoperioade, acestea pot fi împărțite în culturi de zi lungă, cum ar fi varza etc., care necesită mai mult de 12-14 ore de lumină într-un anumit stadiu al creșterii lor; culturi de zi scurtă, cum ar fi ceapa, soia etc., necesită mai puțin de 12-14 ore de iluminare; culturi cu soare mediu, cum ar fi castraveții, roșiile, ardeii etc., pot înflori și rodi sub o lumină solară mai lungă sau mai scurtă.
Printre cele trei elemente ale mediului înconjurător, intensitatea luminii este o bază importantă pentru selectarea surselor de lumină artificială. În prezent, există multe modalități de a exprima intensitatea luminii, inclusiv în principal următoarele trei.
(1) Iluminarea se referă la densitatea superficială a fluxului luminos (fluxul luminos pe unitatea de suprafață) recepționat pe planul iluminat, în lux (lx).

(2) Radiație fotosintetic activă, PAR, unitate: W/m².

(3) Densitatea fluxului de fotoni fotosintetic eficient (PPFD) sau PPF este numărul de radiații fotosintetic eficiente care ajung sau trec prin unitatea de timp și unitatea de suprafață, unitate: μmol/(m²·s). Se referă în principal la intensitatea luminii de 400~700nm direct legată de fotosinteză. Este, de asemenea, cel mai frecvent utilizat indicator al intensității luminii în domeniul producției vegetale.

Analiza sursei de lumină a unui sistem tipic de iluminare suplimentară
Suplimentarea cu lumină artificială are ca scop creșterea intensității luminii în zona țintă sau extinderea duratei de iluminare prin instalarea unui sistem de iluminare suplimentară pentru a satisface cererea de lumină a plantelor. În general, sistemul de iluminare suplimentară include echipamente de iluminare suplimentară, circuite și sistemul de control al acestora. Sursele de lumină suplimentară includ în principal câteva tipuri comune, cum ar fi lămpile incandescente, lămpile fluorescente, lămpile cu halogenuri metalice, lămpile cu sodiu de înaltă presiune și LED-urile. Datorită eficienței electrice și optice scăzute a lămpilor incandescente, a eficienței energetice fotosintetice scăzute și a altor deficiențe, acestea au fost eliminate de pe piață, așa că acest articol nu face o analiză detaliată.

■ Lampă fluorescentă
Lămpile fluorescente aparțin tipului de lămpi cu descărcare în gaz de joasă presiune. Tubul de sticlă este umplut cu vapori de mercur sau gaz inert, iar peretele interior al tubului este acoperit cu pulbere fluorescentă. Culoarea luminii variază în funcție de materialul fluorescent acoperit cu tub. Lămpile fluorescente au performanțe spectrale bune, eficiență luminoasă ridicată, putere redusă, durată de viață mai lungă (12000h) în comparație cu lămpile incandescente și cost relativ scăzut. Deoarece lampa fluorescentă în sine emite mai puțină căldură, poate fi aproape de plante pentru iluminat și este potrivită pentru cultivarea tridimensională. Cu toate acestea, dispunerea spectrală a lămpii fluorescente este nerezonabilă. Cea mai comună metodă din lume este adăugarea de reflectoare pentru a maximiza componentele eficiente ale sursei de lumină ale culturilor din zona de cultivare. Compania japoneză adv-agri a dezvoltat, de asemenea, un nou tip de sursă de lumină suplimentară HEFL. HEFL aparține de fapt categoriei de lămpi fluorescente. Este termenul general pentru lămpile fluorescente cu catod rece (CCFL) și lămpile fluorescente cu electrod extern (EEFL) și este o lampă fluorescentă cu electrod mixt. Tubul HEFL este extrem de subțire, cu un diametru de doar aproximativ 4 mm, iar lungimea poate fi ajustată de la 450 mm la 1200 mm în funcție de nevoile cultivării. Este o versiune îmbunătățită a lămpii fluorescente convenționale.

■ Lampă cu halogenuri metalice
Lampa cu halogenuri metalice este o lampă de descărcare de înaltă intensitate care poate excita diferite elemente pentru a produce diferite lungimi de undă prin adăugarea diverselor halogenuri metalice (bromură de staniu, iodură de sodiu etc.) în tubul de descărcare, pe baza unei lămpi cu mercur de înaltă presiune. Lămpile cu halogen au o eficiență luminoasă ridicată, putere mare, o culoare bună a luminii, o durată lungă de viață și un spectru larg. Cu toate acestea, deoarece eficiența luminoasă este mai mică decât cea a lămpilor cu sodiu de înaltă presiune, iar durata de viață este mai scurtă decât cea a lămpilor cu sodiu de înaltă presiune, în prezent este utilizată doar în câteva fabrici.

■ Lampă cu sodiu de înaltă presiune
Lămpile cu sodiu de înaltă presiune aparțin tipului de lămpi cu descărcare în gaz de înaltă presiune. Lampa cu sodiu de înaltă presiune este o lampă de înaltă eficiență în care tubul de descărcare este umplut cu vapori de sodiu de înaltă presiune și se adaugă o cantitate mică de xenon (Xe) și halogenuri metalice de mercur. Deoarece lămpile cu sodiu de înaltă presiune au o eficiență ridicată de conversie electro-optică cu costuri de fabricație mai mici, lămpile cu sodiu de înaltă presiune sunt în prezent cele mai utilizate în aplicarea luminii suplimentare în instalațiile agricole. Cu toate acestea, din cauza deficiențelor de eficiență fotosintetică scăzută în spectrul lor, acestea prezintă dezavantaje legate de eficiența energetică scăzută. Pe de altă parte, componentele spectrale emise de lămpile cu sodiu de înaltă presiune sunt concentrate în principal în banda de lumină galben-portocalie, căreia îi lipsesc spectrele roșu și albastru necesare creșterii plantelor.

■ Diodă emițătoare de lumină
Ca o nouă generație de surse de lumină, diodele emițătoare de lumină (LED-uri) au numeroase avantaje, cum ar fi o eficiență mai mare a conversiei electro-optice, spectrul reglabil și eficiența fotosintetică ridicată. LED-urile pot emite lumină monocromatică necesară creșterii plantelor. Comparativ cu lămpile fluorescente obișnuite și alte surse de lumină suplimentare, LED-urile au avantajele economisirii energiei, protecției mediului, duratei lungi de viață, luminii monocromatice, sursei de lumină rece și așa mai departe. Odată cu îmbunătățirea în continuare a eficienței electro-optice a LED-urilor și reducerea costurilor cauzate de efectul de scară, sistemele de iluminare cu LED pentru creșterea plantelor vor deveni echipamentul principal pentru suplimentarea luminii în instalațiile agricole. Drept urmare, lămpile cu LED pentru creștere au fost utilizate în peste 99,9% din fabricile de plante.

Prin comparație, caracteristicile diferitelor surse de lumină suplimentare pot fi înțelese clar, așa cum se arată în Tabelul 1.

Dispozitiv de iluminat mobil
Intensitatea luminii este strâns legată de creșterea culturilor. Cultivarea tridimensională este adesea utilizată în fabricile de plante. Cu toate acestea, din cauza limitărilor structurii suporturilor de cultivare, distribuția inegală a luminii și a temperaturii între suporturi va afecta randamentul culturilor, iar perioada de recoltare nu va fi sincronizată. O companie din Beijing a dezvoltat cu succes în 2010 un dispozitiv manual de supliment de lumină cu ridicare (corp de iluminat HPS și corp de iluminat cu LED pentru creștere). Principiul este de a roti arborele de acționare și înfășuratorul fixat pe acesta prin agitarea mânerului pentru a roti bobina mică de film pentru a atinge scopul de a retrage și derula cablul metalic. Cablul metalic al lămpii de creștere este conectat la roata de înfășurare a elevatorului prin mai multe seturi de roți inversoare, astfel încât să se obțină efectul de reglare a înălțimii lămpii de creștere. În 2017, compania menționată mai sus a proiectat și dezvoltat un nou dispozitiv mobil de supliment de lumină, care poate regla automat înălțimea suplimentului de lumină în timp real, în funcție de nevoile de creștere a culturilor. Dispozitivul de reglare este acum instalat pe suportul de cultivare tridimensional de tip ridicare cu sursă de lumină cu 3 straturi. Stratul superior al dispozitivului este cel cu cele mai bune condiții de lumină, așa că este echipat cu lămpi cu sodiu de înaltă presiune; stratul din mijloc și stratul inferior sunt echipate cu lumini LED de creștere și un sistem de reglare a ridicării. Acesta poate regla automat înălțimea lămpii de creștere pentru a oferi un mediu de iluminare adecvat culturilor.

Comparativ cu dispozitivul mobil de iluminare suplimentară, conceput pentru cultivarea tridimensională, Olanda a dezvoltat un dispozitiv de iluminare suplimentară cu LED-uri, mobil orizontal. Pentru a evita influența umbrei luminii de creștere asupra creșterii plantelor la soare, sistemul de iluminare poate fi împins pe ambele părți ale suportului prin glisiera telescopică în direcție orizontală, astfel încât soarele să fie complet iradiat asupra plantelor; în zilele înnorate și ploioase, fără lumină solară, împingeți sistemul de iluminare spre mijlocul suportului pentru ca lumina sistemului de iluminare să umple uniform plantele; deplasați sistemul de iluminare pe orizontală prin glisiera de pe suport, evitați demontarea și îndepărtarea frecventă a sistemului de iluminare și reduceți intensitatea muncii angajaților, îmbunătățind astfel eficient eficiența muncii.

Idei de design pentru un sistem tipic de iluminare pentru creștere
Nu este dificil de observat din proiectarea dispozitivului suplimentar de iluminat mobil că proiectarea sistemului de iluminat suplimentar al fabricii de plante ia de obicei ca element central al proiectării intensitatea luminii, calitatea luminii și parametrii fotoperioadei diferitelor perioade de creștere a culturilor, bazându-se pe implementarea unui sistem inteligent de control, atingând obiectivul final de economisire a energiei și randament ridicat.

În prezent, proiectarea și construcția luminii suplimentare pentru legumele cu frunze s-au maturizat treptat. De exemplu, legumele cu frunze pot fi împărțite în patru etape: stadiul de răsad, stadiul de creștere medie, stadiul de creștere târzie și stadiul final; legumele fructifere pot fi împărțite în stadiul de răsad, stadiul de creștere vegetativă, stadiul de înflorire și stadiul de recoltare. Din atributele intensității luminii suplimentare, intensitatea luminii în stadiul de răsad ar trebui să fie puțin mai mică, la 60~200 μmol/(m²·s), și apoi să crească treptat. Legumele cu frunze pot ajunge până la 100~200 μmol/(m²·s), iar legumele fructifere pot ajunge la 300~500 μmol/(m²·s) pentru a asigura cerințele de intensitate luminoasă ale fotosintezei plantelor în fiecare perioadă de creștere și pentru a satisface nevoile de randament ridicat; În ceea ce privește calitatea luminii, raportul dintre roșu și albastru este foarte important. Pentru a crește calitatea răsadurilor și a preveni creșterea excesivă în stadiul de răsad, raportul dintre roșu și albastru este în general setat la un nivel scăzut [(1~2):1], apoi redus treptat pentru a satisface nevoile morfologiei luminoase a plantei. Raportul dintre roșu și albastru și legumele cu frunze poate fi setat la (3~6):1. În ceea ce privește fotoperioada, similar cu intensitatea luminii, aceasta ar trebui să prezinte o tendință de creștere odată cu prelungirea perioadei de creștere, astfel încât legumele cu frunze să aibă mai mult timp fotosintetic pentru fotosinteză. Proiectarea suplimentelor luminoase pentru fructe și legume va fi mai complicată. Pe lângă legile de bază menționate mai sus, ar trebui să ne concentrăm pe stabilirea fotoperioadei în timpul perioadei de înflorire, iar înflorirea și fructificarea legumelor trebuie promovate, pentru a nu se întoarce împotriva lor.

Este de menționat că formula de lumină ar trebui să includă tratamentul final pentru mediul luminos. De exemplu, suplimentarea continuă cu lumină poate îmbunătăți considerabil randamentul și calitatea răsadurilor de legume cu frunze cultivate hidroponic sau utilizarea tratamentului UV poate îmbunătăți semnificativ calitatea nutrițională a germenilor și a legumelor cu frunze (în special a salatei cu frunze mov și a salatei roșii).

Pe lângă optimizarea suplimentării cu lumină pentru anumite culturi, sistemul de control al sursei de lumină al unor fabrici de plante cu lumină artificială s-a dezvoltat rapid în ultimii ani. Acest sistem de control se bazează, în general, pe structura B/S. Controlul de la distanță și controlul automat al factorilor de mediu, cum ar fi temperatura, umiditatea, lumina și concentrația de CO2 în timpul creșterii culturilor, sunt realizate prin WIFI și, în același timp, se realizează o metodă de producție care nu este restricționată de condițiile externe. Acest tip de sistem inteligent de iluminare suplimentară utilizează un corp de iluminat LED pentru creștere ca sursă suplimentară de lumină, combinat cu un sistem inteligent de control de la distanță, poate satisface nevoile de iluminare a plantelor cu lungimea de undă controlată, fiind potrivit în special pentru mediile de cultivare a plantelor cu lumină controlată și putând satisface cu succes cererea pieței.

Observații finale
Fabricile de plante sunt considerate o modalitate importantă de a rezolva problemele mondiale legate de resurse, populație și mediu în secolul XXI și o modalitate importantă de a atinge autosuficiența alimentară în viitoarele proiecte de înaltă tehnologie. Fiind un nou tip de metodă de producție agricolă, fabricile de plante se află încă în stadiul de învățare și dezvoltare și este nevoie de mai multă atenție și cercetare. Acest articol descrie caracteristicile și avantajele metodelor comune de iluminat suplimentar în fabricile de plante și introduce ideile de proiectare ale sistemelor tipice de iluminat suplimentar pentru culturi. Nu este dificil de găsit, prin comparație, echipamentele cu sursă de lumină LED Grow sunt cele mai în concordanță cu tendințele actuale de dezvoltare pentru a face față luminii slabe cauzate de vremea severă, cum ar fi norii și ceața persistentă, și pentru a asigura o producție ridicată și stabilă a culturilor din instalații.

Direcția viitoare de dezvoltare a fabricilor de plante ar trebui să se concentreze pe senzori noi de înaltă precizie și costuri reduse, sisteme de iluminat cu spectru reglabil și controlabil de la distanță, precum și pe sisteme de control expert. În același timp, fabricile de plante din viitor vor continua să se dezvolte către costuri reduse, inteligente și autoadaptabile. Utilizarea și popularizarea surselor de lumină LED pentru creștere oferă garanția unui control de înaltă precizie al mediului în fabricile de plante. Reglarea mediului de iluminat cu LED este un proces complex care implică o reglare cuprinzătoare a calității luminii, a intensității luminii și a fotoperioadei. Experții și cercetătorii relevanți trebuie să efectueze cercetări aprofundate, promovând iluminatul suplimentar cu LED în fabricile de plante cu lumină artificială.