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

Fabrica de plante combină industria modernă, biotehnologia, hidroponia nutrienților și tehnologia informației pentru a implementa un control de înaltă precizie al factorilor de mediu în instalație.Este complet închisă, are cerințe scăzute pentru mediul înconjurător, scurtează perioada de recoltare a plantelor, economisește apă și îngrășăminte și, având avantajele producției fără pesticide și fără descărcare de deșeuri, eficiența unității de utilizare a terenului este de 40 până la 108 de ori mai mare decât aceea. de producție în câmp deschis.Printre acestea, sursa de lumină artificială inteligentă și reglarea mediului luminii sale 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 materialului.„Una dintre principalele caracteristici ale fabricii de plante este sursa de lumină artificială completă, iar realizarea unei reglementări inteligente a mediului luminos” a devenit un consens general în industrie.

Nevoia de lumină a plantelor

Lumina este singura sursă de energie a fotosintezei plantelor.Intensitatea luminii, calitatea luminii (spectrul) și modificările 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 internodurilor, grosimea tulpinii și dimensiunea și grosimea frunzelor.Cerințele plantelor pentru intensitatea luminii pot fi împărțite în plante iubitoare de lumină, mediu iubitoare de lumină și plante slab tolerante la lumină.Legumele sunt în mare parte plante iubitoare de lumină, iar punctele lor de compensare a luminii și punctele de saturație a luminii sunt relativ mari.În fabricile de plante cu lumină artificială, cerințele relevante ale culturilor pentru 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.

■ Calitate luminii

Distribuția (spectrală) a calității luminii 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 unde și caracteristici cuantice (particule).Cuantumul de lumină se numește foton în domeniul horticulturii.Radiația cu un interval de lungimi de undă de 300~800nm ​​se numește radiație activă fiziologic 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 spectral al fiecărui pigment fotosintetic, în care spectrul de absorbție a clorofilei este concentrat în benzile roșii și albastre.Sistemul de iluminare se bazează pe nevoile spectrale ale culturilor de a suplimenta artificial lumina, astfel încât să favorizeze fotosinteza plantelor.

■ fotoperioada
Relația dintre fotosinteza și fotomorfogeneza plantelor și durata zilei (sau timpul fotoperioadei) 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 finaliza fotoperioada pentru a înflori și a da roade.În funcție de diferitele fotoperioade, poate fi împărțit în culturi de zi lungă, cum ar fi varza etc., care necesită mai mult de 12-14 ore de lumină la un anumit stadiu al creșterii sale;culturile de zi scurtă, cum ar fi ceapa, soia etc., necesită mai puțin de 12-14 ore de iluminare;culturile cu soare mediu, cum ar fi castraveții, roșiile, ardeii etc., pot înflori și da roade sub lumina soarelui mai lungă sau mai scurtă.
Dintre cele trei elemente ale mediului, intensitatea luminii este o bază importantă pentru selectarea surselor de lumină artificială.În prezent, există multe moduri de a exprima intensitatea luminii, inclusiv următoarele trei.
（1）Iluminarea se referă la densitatea de suprafață a fluxului luminos (flux luminos pe unitate de suprafață) recepționat pe planul iluminat, în lux (lx).

(2) Radiație activă fotosintetic, PAR，Unitate: W/m²。

(3) Densitatea fluxului fotonilor efective din punct de vedere fotosintetic PPFD sau PPF este numărul de radiații eficiente din punct de vedere fotosintetic care ajunge sau trece prin unitate de timp și unitate de suprafață, unitate: μmol/(m²·s)。Se referă în principal la intensitatea luminii de 400~700nm legate direct de fotosinteză.Este, de asemenea, cel mai des folosit indicator de intensitate a luminii în domeniul producției vegetale.

Analiza sursei de lumină a unui sistem 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 satisface cererea de lumină a plantelor.În general, sistemul de lumini suplimentar include echipamente luminoase suplimentare, circuite și sistemul său de control.Sursele de lumină suplimentare includ în principal mai multe 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 cu incandescență, eficienței energetice fotosintetice scăzute și a altor neajunsuri, aceasta a fost eliminată de 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 în tub.Lămpile fluorescente au performanțe spectrale bune, eficiență luminoasă ridicată, putere redusă, viață mai lungă (12000 h) în comparație cu lămpile incandescente și cost relativ scăzut.Deoarece lampa fluorescentă în sine emite mai puțină căldură, poate fi aproape de plante pentru iluminare și este potrivită pentru cultivarea tridimensională.Cu toate acestea, aspectul spectral al lămpii fluorescente este nerezonabil.Cea mai comună metodă din lume este adăugarea de reflectoare pentru a maximiza componentele eficiente ale sursei de lumină ale culturilor din zona de cultură.Compania japoneză adv-agri a dezvoltat, de asemenea, un nou tip de sursă suplimentară de lumină HEFL.HEFL aparține de fapt categoriei lămpilor fluorescente.Este termenul general pentru lămpile fluorescente cu catod rece (CCFL) și lămpile fluorescente cu electrod extern (EEFL) și este o lampă fluorescentă cu electrozi mixte.Tubul HEFL este extrem de subtire, avand un diametru de doar cca 4mm, iar lungimea poate fi reglata de la 450mm la 1200mm in functie de necesitatile de cultivare.Este o versiune îmbunătățită a lămpii fluorescente convenționale.

■ Lampă cu halogenuri metalice
Lampa cu halogenuri metalice este o lampă cu descărcare de mare intensitate care poate excita diferite elemente pentru a produce lungimi de undă diferite prin adăugarea diferitelor 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 eficiență luminoasă ridicată, putere mare, culoare bună a luminii, viață lungă și spectru mare.Cu toate acestea, deoarece eficiența luminoasă este mai mică decât cea a lămpilor cu sodiu de înaltă presiune și durata de viață este mai scurtă decât cea a lămpilor cu sodiu de înaltă presiune, este utilizat în prezent 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 de sodiu de înaltă presiune este o lampă de înaltă eficiență în care vaporii de sodiu de înaltă presiune sunt umpluți în tubul de descărcare și se adaugă o cantitate mică de xenon (Xe) și halogenură metalică de mercur.Deoarece lămpile cu sodiu de înaltă presiune au o eficiență mare de conversie electro-optică cu costuri de producție mai mici, lămpile cu sodiu de înaltă presiune sunt în prezent cele mai utilizate pe scară largă în aplicarea luminii suplimentare în instalațiile agricole.Cu toate acestea, din cauza deficiențelor eficienței fotosintetice scăzute în spectrul lor, au deficiențele eficienței energetice scăzute.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 roșii și albastre necesare creșterii plantelor.

■ Diodă emițătoare de lumină
Ca o nouă generație de surse de lumină, diodele emițătoare de lumină (LED-urile) au multe avantaje, cum ar fi o eficiență mai mare de conversie electro-optică, spectru reglabil și eficiență fotosintetică ridicată.LED-ul poate emite lumina monocromatică necesară creșterii plantelor.În comparație cu lămpile fluorescente obișnuite și alte surse de lumină suplimentare, LED-ul are avantajele de economisire a energiei, protecție a mediului, viață lungă, lumină monocromatică, sursă 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 iluminat cu LED-uri vor deveni echipamentele principale pentru completarea luminii în unitățile agricole.Ca rezultat, luminile de creștere cu LED-uri au fost aplicate peste 99,9% din fabrici de plante.

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

Dispozitiv mobil de iluminat
Intensitatea luminii este strâns legată de creșterea culturilor.Cultivarea tridimensională este adesea folosită în fabricile de plante.Cu toate acestea, din cauza limitării structurii rafturilor de cultură, distribuția neuniformă a luminii și a temperaturii între rafturi va afecta randamentul culturilor și perioada de recoltare nu va fi sincronizată.O companie din Beijing a dezvoltat cu succes un dispozitiv de suplimentare a luminii de ridicare manuală (corp de iluminat HPS și corp de iluminat pentru creștere cu LED) în 2010. Principiul este de a roti arborele de antrenare și bobinatorul fixat pe acesta, scuturând mânerul pentru a roti bobina de film mică. pentru a atinge scopul retragerii și desfășurării cablului de sârmă.Cablul de sârmă a luminii de creștere este conectat cu roata de înfășurare a ascensorului prin mai multe seturi de roți inversoare, astfel încât să se obțină efectul de reglare a înălțimii luminii 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 raftul de cultivare tridimensional cu ridicare a sursei de lumină cu 3 straturi.Stratul superior al dispozitivului este nivelul cu cea mai bună stare de lumină, deci este echipat cu lămpi de sodiu de înaltă presiune;stratul mijlociu și stratul inferior sunt echipate cu lumini de creștere LED și un sistem de reglare a ridicării.Poate regla automat înălțimea luminii de creștere pentru a oferi un mediu de iluminat potrivit pentru culturi.

În comparație cu dispozitivul mobil de supliment de lumină, adaptat pentru cultivarea tridimensională, Țările de Jos a dezvoltat un dispozitiv de supliment de lumină de creștere cu LED, mobil 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 suportului prin glisiera telescopică în direcția orizontală, astfel încât soarele să fie complet. iradiat pe plante;în zilele înnorate și ploioase fără lumina soarelui, împingeți sistemul de lumină de creștere la mijlocul suportului pentru a face lumina sistemului de lumină de creștere să umple uniform plantele;Deplasați sistemul de lumină de creștere orizontal prin glisiera de pe suport, evitați dezasamblarea și îndepărtarea frecventă a sistemului de lumină de creștere și reduceți intensitatea muncii angajaților, îmbunătățind astfel eficient eficiența muncii.

Idei de proiectare a unui sistem tipic de lumină de creștere
Nu este greu de observat din proiectarea dispozitivului de iluminat mobil suplimentar că proiectarea sistemului de iluminat suplimentar al fabricii de plante ia, de obicei, intensitatea luminii, calitatea luminii și parametrii fotoperioadei ai diferitelor perioade de creștere a culturilor drept conținut de bază al designului. , bazându-se pe sistemul de control inteligent pentru implementare, 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, de mijloc de creștere, de creștere târzie și de final;Legumele-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), apoi să crească treptat.Legumele cu frunze pot atinge 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 luminoasă ale fotosintezei plantelor în fiecare perioadă de creștere și pentru a îndeplini 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, stabilit la un nivel scăzut [(1~2:1], apoi redus treptat pentru a satisface nevoile plantei. morfologie ușoară.Raportul dintre roșu și albastru și legume cu frunze poate fi setat la (3~6):1.Pentru fotoperioada, similar cu intensitatea luminii, 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.Designul suplimentului ușor al fructelor și legumelor va fi mai complicat.Pe lângă legile de bază menționate mai sus, ar trebui să ne concentrăm pe stabilirea fotoperioadei în perioada de înflorire, iar înflorirea și fructificarea legumelor trebuie promovată, pentru a nu se contracara.

Este de menționat că formula luminii ar trebui să includă tratamentul final pentru setările de mediu luminoase.De exemplu, suplimentarea continuă cu lumină poate îmbunătăți foarte mult randamentul și calitatea răsadurilor de legume cu frunze hidroponice sau poate utiliza tratamentul UV pentru a îmbunătăți semnificativ calitatea nutrițională a mugurilor și legumelor cu frunze (în special frunzele violet și salata verde cu frunze roșii).

Pe lângă optimizarea suplimentării luminoase pentru culturile selectate, sistemul de control al sursei de lumină al unor fabrici de plante de 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 precum 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 lumină suplimentară folosește un corp de iluminat cu LED-uri ca sursă de lumină suplimentară, combinat cu un sistem de control inteligent de la distanță, poate satisface nevoile de iluminare a lungimii de undă a plantelor, este deosebit de potrivit pentru mediul de cultivare a plantelor controlat de lumină și poate satisface bine cererea pieței. .

Concluzii finale
Fabricile de plante sunt considerate a fi o modalitate importantă de rezolvare a problemelor legate de resursele mondiale, populația și mediul în secolul al XXI-lea și o modalitate importantă de a atinge 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 este nevoie de mai multă atenție și cercetare.Acest articol descrie caracteristicile și avantajele metodelor obișnuite de iluminare suplimentară în fabricile de plante și prezintă ideile de proiectare ale sistemelor de iluminat suplimentare tipice pentru culturi.Nu este greu de găsit prin comparație, pentru a face față luminii scăzute cauzate de vremea severă, cum ar fi norosul și ceața continuă și pentru a asigura o producție ridicată și stabilă a culturilor de instalații, echipamentele sursei de lumină LED Grow sunt cel mai în concordanță cu dezvoltarea actuală. tendinte.

Direcția viitoare de dezvoltare a fabricilor ar trebui să se concentreze pe noi senzori de înaltă precizie, cu costuri reduse, sisteme de dispozitive de iluminare cu spectru reglabil, controlabile de la distanță și sisteme de control expert.În același timp, viitoarele fabrici de fabrici vor continua să se dezvolte spre low-cost, inteligente și auto-adaptative.Utilizarea și popularizarea surselor de lumină cu LED-uri oferă garanție pentru controlul de înaltă precizie a mediului al fabricilor de plante.Reglarea mediului luminii cu LED-uri este un proces complex care implică reglarea cuprinzătoare a calității luminii, intensității luminii și fotoperioadei.Experții și savanții relevanți trebuie să efectueze cercetări aprofundate, promovând iluminarea suplimentară cu LED-uri în fabricile de plante cu lumină artificială.