Autor: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu, etc. Media sursă ： Tehnologia ingineriei agricole (horticultură cu efect de seră)

Fabrica de plante combină industria modernă, biotehnologia, hidroponia de nutrienți și tehnologia informației pentru a implementa un control de înaltă precizie al factorilor de mediu în instalație. Este complet închis, are cerințe scăzute în mediul înconjurător, scurtează perioada de recoltare a plantelor, economisește apă și îngrășământ și cu avantajele producției de non-pesticide și nu are descărcare de deșeuri, eficiența unității de utilizare a terenului este de 40 până la 108 ori din aceasta de producție de câmp deschis. Printre ei, sursa inteligentă de lumină artificială și reglementarea sa de mediu ușor joacă un rol decisiv în eficiența producției sale.

Ca un factor fizic important de mediu, lumina joacă un rol cheie în reglarea creșterii plantelor și a metabolismului materialului. „Una dintre principalele caracteristici ale fabricii de plante este sursa completă de lumină artificială și realizarea reglementării inteligente a mediului ușor” 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, printre care intensitatea luminii are cel mai mare impact asupra fotosintezei plantelor.

■ Intensitate ușoară

Intensitatea luminii poate schimba morfologia culturilor, cum ar fi înflorirea, lungimea internodului, grosimea tulpinii și dimensiunea și grosimea frunzelor. Cerințele plantelor pentru intensitatea luminii pot fi împărțite în plante iubitoare de lumină, iubitoare de lumină medie și tolerante la lumină scăzută. Legumele sunt în mare parte plante iubitoare de lumină, iar punctele lor de compensare ușoare și punctele de saturație ușoară sunt relativ mari. În fabricile de plante artificiale, cerințele relevante ale culturilor pentru intensitatea luminii sunt 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.

■ Calitate ușoară

Distribuția calității luminii (spectrale) are, de asemenea, o influență importantă asupra fotosintezei și morfogenezei vegetale (Figura 1). Lumina face parte din radiații, iar radiațiile sunt o undă electromagnetică. Undele electromagnetice au caracteristici de undă și caracteristici cuantice (particule). Cuantumul luminii se numește foton în câmpul horticulturii. Radiația cu un interval de lungime de undă de 300 ~ 800nm ​​se numește radiație fiziologic activă a plantelor; iar radiațiile cu un interval de lungime de undă de 400 ~ 700nm se numește radiații fotosintetice active (PAR) de plante.

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

■ Fotoperiod
Relația dintre fotosinteză și fotomorfogeneza plantelor și lungimea zilei (sau timpul fotoperiodului) se numește fotoperioditate a plantelor. Fotoperioditatea este strâns legată de orele de lumină, care se referă la momentul în care cultura este iradiată de lumină. Diferite culturi necesită un anumit număr de ore de lumină pentru a completa fotoperioada pentru a înflori și a da roade. Conform diferitelor fotoperioduri, acesta poate fi împărțit în culturi de lungă durată, cum ar fi varza etc., care necesită mai mult de 12-14 ore de ore de lumină într-o anumită etapă a creșterii sale; Culturile de zi scurtă, cum ar fi ceapa, soia etc., necesită mai puțin de 12-14 ore de iluminare; Culturile de soare mediu, cum ar fi castraveții, roșiile, ardeii etc., pot înflori și da fructe sub lumina soarelui mai lungă sau mai scurtă.
Printre cele trei elemente ale mediului, intensitatea luminii este o bază importantă pentru selectarea surselor de lumină artificială. În prezent, există multe modalități de a exprima intensitatea luminii, incluzând în principal următoarele trei.
（1） Iluminarea se referă la densitatea de suprafață a fluxului luminos (fluxul luminos pe unitatea de suprafață) primit pe planul iluminat, în Lux (LX).

（2） radiații fotosintetice active, par ， unitatea ： w/m²。

（3） Densitatea de densitate a fluxului de fotoni din punct de vedere fotonitetic PPFD sau PPF este numărul de radiații eficiente fotosintetic care ajunge sau trece prin timpul unitar și unitatea de unitate, unitate ： μmol/(m² · s)。 În mod mai în mod exagerat se referă la intensitatea luminii de 400 ~ 700Nm direct legat de fotosinteză. Este, de asemenea, cel mai des utilizat indicator de intensitate a luminii în domeniul producției de plante.

Analiza sursei de lumină a sistemului de lumină suplimentară tipic
Suplimentul de lumină artificială este de a crește intensitatea luminii în zona țintă sau de a prelungi timpul de lumină prin instalarea unui sistem de lumină suplimentară pentru a îndeplini cererea de lumină a plantelor. În general, sistemul de lumină suplimentară include echipamente de lumină suplimentară, circuite și sistemul său de control. Sursele de lumină suplimentare includ în principal mai multe tipuri comune, cum ar fi lămpi incandescente, lămpi fluorescente, lămpi cu halogenuri metalice, lămpi de sodiu de înaltă presiune și LED-uri. Datorită eficienței electrice și optice scăzute a lămpilor incandescente, a eficienței energetice fotosintetice scăzute și a altor deficiențe, a fost eliminată de piață, astfel încât acest articol nu face o analiză detaliată.

■ Lampa fluorescentă
Lămpile fluorescente aparțin tipului de lămpi de descărcare de 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 deschisă variază în funcție de materialul fluorescent acoperit în tub. Lămpile fluorescente au performanțe spectrale bune, eficiență luminoasă ridicată, putere redusă, viață mai lungă (12000H) în comparație cu lămpile incandescente și costuri relativ mici. 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, aspectul spectral al lămpii fluorescente este nerezonabil. Cea mai frecventă metodă din lume este adăugarea reflectoarelor 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 reglată de la 450mm la 1200mm în funcție de nevoile cultivării. Este o versiune îmbunătățită a lămpii fluorescente convenționale.

■ Lampa 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 diferitelor halogene metalice (bromură de staniu, iodură de sodiu etc.) în tubul de descărcare pe baza unei lămpi de mercur de înaltă presiune. Lămpile cu halogen au o eficiență luminoasă ridicată, putere ridicată, culoare ușoară bună, viață lungă și spectru mare. Cu toate acestea, deoarece eficiența luminoasă este mai mică decât cea a lămpilor de sodiu de înaltă presiune, iar durata de viață este mai scurtă decât cea a lămpilor de sodiu de înaltă presiune, este utilizată în prezent doar în câteva fabrici de plante.

■ Lampa de sodiu de înaltă presiune
Lămpile de sodiu de înaltă presiune aparțin tipului de lămpi de descărcare de gaz de înaltă presiune. Lampa de sodiu de înaltă presiune este o lampă de înaltă eficiență în care vaporii de sodiu de înaltă presiune este umplută în tubul de descărcare și se adaugă o cantitate mică de xenon (XE) și halogenură de metal de mercur. Deoarece lămpile de sodiu de înaltă presiune au o eficiență de conversie electro-optică ridicată cu costuri de fabricație mai mici, lămpile de sodiu de înaltă presiune sunt în prezent cele mai utilizate în aplicarea luminii suplimentare în instalațiile agricole. Cu toate acestea, datorită deficiențelor de eficiență fotosintetică scăzută în spectrul lor, acestea au deficiențele de eficiență energetică scăzută. Pe de altă parte, componentele spectrale emise de lămpile de sodiu de înaltă presiune sunt concentrate în principal în banda de lumină galbenă-portocaliu, care nu are spectre roșii și albastre necesare pentru creșterea plantelor.

■ Diodă cu emitere de lumină
Ca o nouă generație de surse de lumină, diodele care emit ușor (LED-urile) au multe avantaje, cum ar fi eficiența mai mare a conversiei electro-optice, spectrul reglabil și eficiența fotosintetică ridicată. LED -ul poate emite lumină monocromatică necesară pentru creșterea plantelor. În comparație cu lămpile fluorescente obișnuite și cu alte surse de lumină suplimentare, LED are avantajele economiei de energie, protecției mediului, a vieții lungi, a luminii monocromatice, a sursei de lumină rece și așa mai departe. Odată cu îmbunătățirea ulterioară a eficienței electro-optice a LED-urilor și reducerea costurilor cauzate de efectul la scară, sistemele de iluminare cu LED-uri vor deveni echipamentul principal pentru suplimentarea luminii în instalațiile agricole. Drept urmare, luminile cu LED -uri au fost aplicate peste 99,9% fabrici de plante.

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

Dispozitiv de iluminat mobil
Intensitatea luminii este strâns legată de creșterea culturilor. Cultivarea tridimensională este adesea folosită în fabricile de plante. Cu toate acestea, datorită limitării structurii rafturilor de cultivare, distribuția inegală a luminii și temperaturii dintre rafturi va afecta randamentul culturilor și perioada de recoltare nu va fi sincronizată. O companie din Beijing a dezvoltat cu succes un dispozitiv de supliment de ridicare a luminii manuale (corp de iluminat HPS și corp de iluminat cu LED -uri) în 2010. Principiul este să rotești arborele de acționare și să se fixeze pe el prin agitare a mânerului pentru a roti micuțul tambur de film mic pentru a atinge scopul retragerii și desfacerii frânghiei de sârmă. Frânghia de sârmă a luminii de creștere este conectată cu roata înfășurată a elevatorului prin mai multe seturi de roți inversate, astfel încât să obțină efectul reglării înălțimii luminii de creștere. În 2017, compania menționată mai sus a proiectat și dezvoltat un nou dispozitiv de supliment de lumină mobilă, care poate regla automat înălțimea suplimentului ușor în timp real, în funcție de nevoile de creștere a culturilor. Dispozitivul de reglare este acum instalat pe suportul de cultivare tridimensional al sursei de lumină cu 3 straturi. Stratul superior al dispozitivului este nivelul cu cea mai bună condiție de lumină, deci este echipat cu lămpi de sodiu de înaltă presiune; Stratul din mijloc și stratul de jos sunt echipate cu lumini de creștere a LED -urilor și un sistem de reglare a ridicatului. Poate regla automat înălțimea luminii de creștere pentru a oferi un mediu de iluminat adecvat pentru culturi.

În comparație cu dispozitivul de supliment de lumină mobilă, adaptat pentru cultivarea tridimensională, Olanda a dezvoltat un dispozitiv de lumină pentru LED-uri cu LED-uri mobile orizontal. Pentru a evita influența umbrei luminii de creștere asupra creșterii plantelor la soare, sistemul de lumină de creștere poate fi împins pe ambele părți ale pachetului prin intermediul diapozitivului telescopic în direcția orizontală, astfel încât soarele să fie pe deplin iradiat pe plante; În zilele înnorate și ploioase, fără lumina soarelui, împingeți sistemul de lumină de creștere până la mijlocul parantezei pentru a face lumina sistemului de lumină de creștere să umple uniform plantele; Mutați sistemul de lumină Grow Light pe orizontală prin diapozitivul de pe paranteză, evitați demontarea frecventă și îndepărtarea sistemului de lumină de creștere și reduceți intensitatea forței de muncă a angajaților, îmbunătățind astfel eficient eficiența muncii.

Idei de proiectare a sistemului tipic de lumină pentru creștere
Nu este dificil de observat din proiectarea dispozitivului suplimentar de iluminare mobilă că proiectarea sistemului suplimentar de iluminat al fabricii de plante ia de obicei intensitatea luminii, calitatea luminii și parametrii fotoperiod din diferite perioade de creștere a culturilor ca conținut de bază al proiectării , bazându -se pe sistemul de control inteligent de implementat, atingând obiectivul final de economisire a energiei și randament ridicat.

În prezent, proiectarea și construcția de lumină suplimentară pentru legumele cu frunze s -a maturizat treptat. De exemplu, legumele cu frunze pot fi împărțite în patru etape: stadiul de răsad, creșterea medie, creșterea târzie și stadiul final; Vegetabile fructe 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 ușor 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 cu fructe pot ajunge la 300 ~ 500 μmol/(m² · s) pentru a asigura cerințele de intensitate a luminii fotosintezei în fiecare perioadă de creștere și pentru a îndeplini nevoile nevoilor randament ridicat; În ceea ce privește calitatea luminii, raportul dintre roșu și albastru este foarte important. Pentru a crește calitatea răsadurilor și pentru a preveni creșterea excesivă în stadiul de răsad, raportul dintre roșu și albastru este, în general, stabilit la un nivel scăzut [(1 ~ 2): 1], apoi se reduce treptat pentru a răspunde nevoilor plantei Morfologie ușoară. Raportul dintre legume roșii și albastru și frunze poate fi setat la (3 ~ 6): 1. Pentru fotoperiod, similar cu intensitatea luminii, ar trebui să arate o tendință de creștere odată cu extinderea perioadei de creștere, astfel încât legumele cu frunze au mai mult timp fotosintetic pentru fotosinteză. Proiectarea suplimentului ușor de fructe și legume va fi mai complicat. În plus față de legile de bază menționate mai sus, ar trebui să ne concentrăm pe stabilirea fotoperiodului în perioada de înflorire, iar înflorirea și fructificarea legumelor trebuie promovate, pentru a nu face foc.

De menționat este faptul că formula ușoară ar trebui să includă tratamentul final pentru setările de mediu ușor. De exemplu, suplimentarea continuă a luminii poate îmbunătăți mult randamentul și calitatea răsadurilor vegetale cu frunze hidroponice sau poate utiliza tratamentul UV pentru a îmbunătăți semnificativ varza și legumele cu frunze (în special frunzele purpurii și salată de frunze roșii).

Pe lângă optimizarea suplimentării de lumină pentru culturile selectate, sistemul de control al sursei de lumină a unor fabrici de plante artificiale de lumină s -a dezvoltat rapid și 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 condiții externe. Acest tip de sistem de lumină suplimentară inteligentă folosește un corp de lumină LED pentru lumină ca sursă suplimentară de lumină, combinată cu un sistem de control inteligent la distanță, poate satisface nevoile iluminării lungimii de undă a plantelor, este deosebit de potrivit pentru mediul de cultivare a plantelor controlate de lumină și poate satisface cererea de piață a cererii de piață .

Observații finale
Fabricile de plante sunt considerate a fi o modalitate importantă de a rezolva problemele de resurse mondiale, populație și mediu în secolul XXI și o modalitate importantă de a obține autosuficiența alimentară în viitoarele proiecte de înaltă tehnologie. Ca un nou tip de metodă de producție agricolă, fabricile de plante sunt încă în stadiul de învățare și creștere și sunt necesare mai multă atenție și cercetare. Acest articol descrie caracteristicile și avantajele metodelor de iluminare suplimentară comune în fabricile de plante și introduce ideile de proiectare ale sistemelor tipice de iluminat suplimentar pentru culturi. Nu este dificil de găsit prin comparație, pentru a face față luminii scăzute cauzate de vreme severă, cum ar fi înnorat și ceață continuă și pentru a asigura o producție ridicată și stabilă a culturilor de instalații, echipamentele cu sursă de lumină cu LED este cel mai în concordanță cu dezvoltarea actuală Tendințe.

Direcția viitoare de dezvoltare a fabricilor de plante ar trebui să se concentreze pe noi senzori de înaltă precizie, cu costuri reduse, sisteme de dispozitiv de iluminare cu spectru reglabile de la distanță și sisteme de control expert. În același timp, viitoarele fabrici de plante vor continua să se dezvolte spre costuri reduse, inteligente și auto-adaptive. Utilizarea și popularizarea surselor de lumină cu LED-uri oferă o garanție pentru controlul de mediu de înaltă precizie al fabricilor de plante. Reglarea mediului luminos LED este un proces complex care implică o reglare cuprinzătoare a calității luminii, a intensității luminii și a fotoperiodului. Experții și savanții relevanți trebuie să efectueze cercetări aprofundate, promovând iluminatul suplimentar LED în fabricile de plante artificiale de lumină.