Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, itd. Izvor Mediji: Tehnologija poljoprivredne tehnike (hortikultura staklenika)

Tvornica postrojenja kombinira modernu industriju, biotehnologiju, hranjivu hidroponiku i informacijsku tehnologiju za implementaciju visokoprecizne kontrole čimbenika okoliša u objektu. Potpuno je zatvoren, ima niske zahtjeve na okolni okoliš, skraćuje razdoblje berbe biljaka, štedi vodu i gnojivo, a uz prednosti proizvodnje bez pesticida i bez ispuštanja otpada, jedinična učinkovitost korištenja zemljišta je 40 do 108 puta veća od one proizvodnje na otvorenom polju. Među njima, inteligentni umjetni izvor svjetlosti i njegova regulacija svjetlosnog okruženja igraju odlučujuću ulogu u njegovoj učinkovitosti proizvodnje.

Kao važan fizički čimbenik okoliša, svjetlost igra ključnu ulogu u regulaciji rasta biljaka i metabolizma materijala. "Jedna od glavnih značajki tvornice postrojenja je potpuni umjetni izvor svjetlosti i realizacija inteligentne regulacije svjetlosnog okruženja" postao je opći konsenzus u industriji.

Potreba biljaka za svjetlom

Svjetlost je jedini izvor energije za fotosintezu biljaka. Intenzitet svjetlosti, kvaliteta svjetlosti (spektar) i periodične promjene svjetlosti imaju veliki utjecaj na rast i razvoj usjeva, među kojima intenzitet svjetlosti ima najveći utjecaj na fotosintezu biljaka.

■ Intenzitet svjetlosti

Intenzitet svjetlosti može promijeniti morfologiju usjeva, poput cvatnje, duljine internodija, debljine stabljike te veličine i debljine lista. Zahtjevi biljaka za intenzitetom svjetlosti mogu se podijeliti na biljke koje vole svjetlost, biljke koje vole srednje svjetlost i biljke otporne na slabu svjetlost. Povrće je uglavnom svjetloljubivo, a njihove točke kompenzacije svjetlosti i točke zasićenja svjetlošću su relativno visoke. U tvornicama za proizvodnju umjetne rasvjete relevantni zahtjevi usjeva za intenzitetom svjetlosti važna su osnova za odabir izvora umjetne svjetlosti. Razumijevanje svjetlosnih zahtjeva različitih postrojenja važno je za projektiranje umjetnih izvora svjetlosti. Izuzetno je potrebno poboljšati proizvodne performanse sustava.

■ Kvaliteta svjetla

Kvaliteta (spektralna) distribucija svjetla također ima važan utjecaj na fotosintezu i morfogenezu biljaka (Slika 1). Svjetlost je dio zračenja, a zračenje je elektromagnetski val. Elektromagnetski valovi imaju valne karakteristike i kvantne (čestične) karakteristike. Kvant svjetlosti se u polju hortikulture naziva foton. Zračenje s rasponom valnih duljina od 300~800nm ​​naziva se fiziološki aktivno zračenje biljaka; a zračenje s rasponom valnih duljina od 400~700nm naziva se fotosintetski aktivno zračenje (PAR) biljaka.

Klorofil i karoten su dva najvažnija pigmenta u fotosintezi biljaka. Slika 2 prikazuje spektralni apsorpcijski spektar svakog fotosintetskog pigmenta, u kojem je apsorpcijski spektar klorofila koncentriran u crvenoj i plavoj vrpci. Sustav rasvjete temelji se na spektralnim potrebama usjeva za umjetno dopunjavanje svjetla, kako bi se pospješila fotosinteza biljaka.

■ fotoperiod
Odnos između fotosinteze i fotomorfogeneze biljaka i duljine dana (ili vremena fotoperioda) naziva se fotoperioditet biljaka. Fotoperiodnost je usko povezana sa svjetlosnim satima, što se odnosi na vrijeme kada je usjev obasjan svjetlom. Različiti usjevi zahtijevaju određeni broj sati svjetlosti kako bi dovršili fotoperiod kako bi procvjetali i donijeli plod. Prema različitim fotoperiodima, može se podijeliti na usjeve dugog dana, kao što je kupus, itd., koji zahtijevaju više od 12-14 sati svjetlosnog sata u određenoj fazi svog rasta; usjevi kratkog dana, kao što su luk, soja itd., zahtijevaju manje od 12-14 sati osvjetljenja; srednje osunčane kulture, kao što su krastavci, rajčice, paprike itd., mogu cvjetati i donositi plodove pod duljom ili kraćom sunčevom svjetlošću.
Među tri elementa okoliša, intenzitet svjetlosti je važna osnova za odabir umjetnih izvora svjetlosti. Trenutačno postoji mnogo načina za izražavanje intenziteta svjetlosti, uključujući sljedeća tri.
（1）Osvjetljenje se odnosi na površinsku gustoću svjetlosnog toka (svjetlosni tok po jedinici površine) primljenog na osvijetljenoj ravnini, u luksima (lx).

（2）Fotosintetski aktivno zračenje, PAR，Jedinica: W/m²。

（3）Fotosintetski učinkovita gustoća toka fotona PPFD ili PPF broj je fotosintetski učinkovitog zračenja koje doseže ili prolazi kroz jedinicu vremena i jedinicu površine, jedinica：μmol/(m²·s).。Uglavnom se odnosi na intenzitet svjetlosti od 400~700nm izravno povezana s fotosintezom. Ujedno je i najčešće korišten indikator intenziteta svjetlosti u području biljne proizvodnje.

Analiza izvora svjetlosti tipičnog sustava dodatnog svjetla
Dodatak umjetnog svjetla je povećati intenzitet svjetla u ciljnom području ili produljiti vrijeme osvjetljenja ugradnjom sustava dodatnog svjetla kako bi se zadovoljile potrebe biljaka za svjetlom. Općenito govoreći, sustav dodatnog svjetla uključuje opremu dodatnog svjetla, strujne krugove i njegov sustav upravljanja. Dodatni izvori svjetlosti uglavnom uključuju nekoliko uobičajenih tipova kao što su žarulje sa žarnom niti, fluorescentne svjetiljke, metalhalogene žarulje, visokotlačne natrijeve žarulje i LED. Zbog niske električne i optičke učinkovitosti žarulja sa žarnom niti, niske fotosintetske energetske učinkovitosti i drugih nedostataka, tržište ju je eliminiralo, pa ovaj članak ne donosi detaljnu analizu.

■ Fluorescentna svjetiljka
Fluorescentne svjetiljke pripadaju vrsti niskotlačnih plinskih žarulja. Staklena cijev ispunjena je živinim parama ili inertnim plinom, a unutarnja stijenka cijevi obložena je fluorescentnim prahom. Boja svjetla varira ovisno o fluorescentnom materijalu obloženom u cijevi. Fluorescentne svjetiljke imaju dobre spektralne performanse, visoku svjetlosnu učinkovitost, malu snagu, duži vijek trajanja (12000h) u usporedbi sa žaruljama sa žarnom niti i relativno nisku cijenu. Budući da sama fluorescentna svjetiljka emitira manje topline, može biti blizu biljaka za rasvjetu i pogodna je za trodimenzionalni uzgoj. Međutim, spektralni raspored fluorescentne svjetiljke je nerazuman. Najčešća metoda u svijetu je dodavanje reflektora kako bi se maksimizirale učinkovite komponente izvora svjetlosti usjeva u području uzgoja. Japanska tvrtka adv-agri također je razvila novi tip dodatnog izvora svjetlosti HEFL. HEFL zapravo spada u kategoriju fluorescentnih svjetiljki. To je opći naziv za fluorescentne svjetiljke s hladnom katodom (CCFL) i fluorescentne svjetiljke s vanjskom elektrodom (EEFL), te je fluorescentna svjetiljka s mješovitom elektrodom. HEFL cijev je izuzetno tanka, promjera svega oko 4 mm, a duljina se može podešavati od 450 mm do 1200 mm prema potrebama uzgoja. To je poboljšana verzija konvencionalne fluorescentne svjetiljke.

■ Metalhalogena žarulja
Metalhalogena žarulja je žarulja s izbojem visokog intenziteta koja može pobuditi različite elemente za proizvodnju različitih valnih duljina dodavanjem različitih metalnih halogenida (kositreni bromid, natrijev jodid itd.) u izbojnu cijev na temelju visokotlačne živine žarulje. Halogene žarulje imaju visoku svjetlosnu učinkovitost, veliku snagu, dobru boju svjetla, dug životni vijek i širok spektar. Međutim, budući da je svjetlosna učinkovitost niža nego kod visokotlačnih natrijevih žarulja, a životni vijek kraći nego kod visokotlačnih natrijevih žarulja, trenutno se koristi samo u nekoliko tvornica.

■ Visokotlačna natrijeva lampa
Visokotlačne natrijeve žarulje pripadaju vrsti visokotlačnih plinskih žarulja. Visokotlačna natrijeva žarulja je visokoučinkovita žarulja u kojoj se visokotlačna natrijeva para puni u ispusnu cijev i dodaje se mala količina ksenona (Xe) i živinog metal-halida. Budući da visokotlačne natrijeve žarulje imaju visoku učinkovitost elektro-optičke pretvorbe uz niže troškove proizvodnje, visokotlačne natrijeve žarulje trenutno se najčešće koriste u primjeni dodatnog svjetla u poljoprivrednim objektima. Međutim, zbog nedostataka niske fotosintetske učinkovitosti u svom spektru, imaju nedostatke niske energetske učinkovitosti. S druge strane, spektralne komponente koje emitiraju visokotlačne natrijeve lampe uglavnom su koncentrirane u žuto-narančastom svjetlosnom pojasu, kojem nedostaju crveni i plavi spektri potrebni za rast biljaka.

■ Svjetleća dioda
Kao nova generacija izvora svjetlosti, diode koje emitiraju svjetlost (LED) imaju mnoge prednosti kao što su veća učinkovitost elektro-optičke pretvorbe, prilagodljiv spektar i visoka fotosintetska učinkovitost. LED može emitirati monokromatsko svjetlo potrebno za rast biljaka. U usporedbi s običnim fluorescentnim svjetiljkama i drugim dodatnim izvorima svjetlosti, LED ima prednosti uštede energije, zaštite okoliša, dugog vijeka trajanja, monokromatskog svjetla, izvora hladnog svjetla i tako dalje. S daljnjim poboljšanjem elektro-optičke učinkovitosti LED dioda i smanjenjem troškova uzrokovanih efektom razmjera, LED sustavi rasvjete za uzgoj postat će glavna oprema za dopunu svjetla u poljoprivrednim objektima. Kao rezultat toga, LED svjetla za uzgoj primijenjena su u 99,9% tvornica biljaka.

Usporedbom se jasno mogu razumjeti karakteristike različitih dodatnih izvora svjetlosti, kao što je prikazano u tablici 1.

Mobilni rasvjetni uređaj
Intenzitet svjetlosti usko je povezan s rastom usjeva. Trodimenzionalni uzgoj često se koristi u tvornicama biljaka. Međutim, zbog ograničenja strukture regala za uzgoj, neravnomjerna raspodjela svjetla i temperature između regala utjecat će na prinos usjeva i razdoblje berbe neće biti sinkronizirano. Tvrtka u Pekingu je 2010. godine uspješno razvila dopunski uređaj za ručno podizanje svjetla (HPS rasvjetno tijelo i LED rasvjetno tijelo za rast) 2010. godine. Princip je rotirati pogonsku osovinu i navijač koji je pričvršćen na nju potresanjem ručke da se okrene mali filmski kolut kako bi se postigla svrha uvlačenja i odmotavanja žičane užadi. Žičano uže svjetla za uzgoj povezano je s kotačem za namatanje dizala putem višestrukih setova kotača za preokret, kako bi se postigao učinak podešavanja visine svjetla za uzgoj. U 2017. gore spomenuta tvrtka dizajnirala je i razvila novi mobilni uređaj za dopunu svjetla, koji može automatski prilagoditi visinu dopune svjetlosti u stvarnom vremenu prema potrebama rasta usjeva. Uređaj za podešavanje sada je instaliran na trodimenzionalnu kultivacijsku stalak s troslojnim podiznim izvorom svjetlosti. Gornji sloj uređaja je razina s najboljim svjetlosnim uvjetima, stoga je opremljen visokotlačnim natrijevim svjetiljkama; srednji sloj i donji sloj opremljeni su LED svjetlima za uzgoj i sustavom za podešavanje podizanja. Može automatski prilagoditi visinu svjetla za uzgoj kako bi osigurao prikladno svjetlosno okruženje za usjeve.

U usporedbi s mobilnim uređajem za dopunsko osvjetljenje skrojenim za trodimenzionalni uzgoj, Nizozemska je razvila vodoravno pomični LED uređaj za dopunsko svjetlo za rast. Kako bi se izbjegao utjecaj sjene rasvjete na rast biljaka na suncu, sustav rasvjete se može gurnuti na obje strane nosača kroz teleskopski klizač u vodoravnom smjeru, tako da je sunce potpuno osvijetljeno. ozračeni na biljkama; u oblačnim i kišnim danima bez sunčeve svjetlosti, gurnite sustav rasvjete za rast do sredine nosača kako bi svjetlost sustava rasvjete za rast ravnomjerno ispunila biljke; pomaknite sustav rasvjete za uzgoj vodoravno kroz klizač na nosaču, izbjegavajte često rastavljanje i uklanjanje sustava rasvjete za uzgoj i smanjite intenzitet rada zaposlenika, čime se učinkovito poboljšava radna učinkovitost.

Ideje dizajna tipičnog sustava rasvjete za uzgoj
Nije teško vidjeti iz dizajna mobilnog uređaja za dopunsku rasvjetu da dizajn sustava dopunske rasvjete tvornice biljaka obično uzima intenzitet svjetlosti, kvalitetu svjetlosti i parametre fotoperioda različitih razdoblja rasta usjeva kao temeljni sadržaj dizajna. , oslanjajući se na inteligentni sustav upravljanja za implementaciju, postizanje krajnjeg cilja uštede energije i visokog prinosa.

Trenutno je dizajn i konstrukcija dodatnog svjetla za lisnato povrće postupno sazrijela. Na primjer, lisnato povrće može se podijeliti u četiri faze: faza sadnice, srednji rast, kasni rast i završna faza; voće-povrće se može podijeliti na fazu sadnica, fazu vegetativnog rasta, fazu cvatnje i fazu berbe. Od atributa dodatnog intenziteta svjetla, intenzitet svjetla u fazi klijanja trebao bi biti nešto niži, na 60~200 μmol/(m²·s), a zatim postupno povećavati. Lisnato povrće može doseći do 100~200 μmol/(m²·s), a voćno povrće može doseći 300~500 μmol/(m²·s) kako bi se osigurali zahtjevi intenziteta svjetlosti fotosinteze biljaka u svakom razdoblju rasta i ispunile potrebe visok prinos; Što se tiče kvalitete svjetla, vrlo je važan omjer crvene i plave boje. Kako bi se povećala kvaliteta sadnica i spriječio prekomjerni rast u fazi sadnica, omjer crvene i plave općenito je postavljen na nisku razinu [(1~2):1], a zatim se postupno smanjuje kako bi se zadovoljile potrebe biljke morfologija svjetla. Omjer crvenog prema plavom i lisnatom povrću može se postaviti na (3~6):1. Za fotoperiod, slično kao i intenzitet svjetlosti, trebao bi pokazivati ​​trend povećanja s produljenjem perioda rasta, tako da lisnato povrće ima više fotosintetskog vremena za fotosintezu. Dizajn svjetlosnog dodatka voća i povrća bit će kompliciraniji. Uz gore navedene temeljne zakonitosti treba se usredotočiti na postavljanje fotoperioda u razdoblju cvatnje, a treba pospješiti cvatnju i plodonošenje povrća, kako ne bi došlo do povratnog učinka.

Vrijedno je spomenuti da bi formula za svjetlo trebala uključivati ​​završni tretman za postavke svjetlosnog okruženja. Na primjer, kontinuirana dopuna svjetlom može uvelike poboljšati prinos i kvalitetu hidroponskih sadnica lisnatog povrća ili koristiti UV tretman za značajno poboljšanje nutritivne kvalitete klica i lisnatog povrća (osobito ljubičastog lišća i crvene salate).

Uz optimizaciju dodavanja svjetlosti za odabrane usjeve, sustav kontrole izvora svjetlosti nekih tvornica za proizvodnju umjetnog svjetla također se brzo razvio posljednjih godina. Ovaj sustav upravljanja općenito se temelji na B/S strukturi. Putem WIFI-a ostvaruje se daljinsko upravljanje i automatska kontrola čimbenika okoline kao što su temperatura, vlaga, svjetlost i koncentracija CO2 tijekom rasta usjeva, a ujedno se ostvaruje način proizvodnje koji nije ograničen vanjskim uvjetima. Ova vrsta inteligentnog dodatnog rasvjetnog sustava koristi LED rasvjetno tijelo kao dodatni izvor svjetla, u kombinaciji s daljinskim inteligentnim sustavom upravljanja, može zadovoljiti potrebe za osvjetljenjem valne duljine biljaka, posebno je pogodno za okruženje uzgoja biljaka kontrolirano svjetlom i može dobro zadovoljiti potražnju na tržištu .

Zaključna razmatranja
Tvornice biljaka smatraju se važnim načinom rješavanja problema svjetskih resursa, stanovništva i okoliša u 21. stoljeću te važnim načinom postizanja samodostatnosti hranom u budućim visokotehnološkim projektima. Kao nova vrsta metode poljoprivredne proizvodnje, tvornice biljaka su još uvijek u fazi učenja i rasta te je potrebno više pažnje i istraživanja. Ovaj članak opisuje karakteristike i prednosti uobičajenih metoda dopunske rasvjete u tvornicama biljaka i predstavlja ideje dizajna tipičnih sustava dopunske rasvjete usjeva. Usporedbom nije teško pronaći, kako bi se nosili sa slabim svjetlom uzrokovanim lošim vremenskim uvjetima kao što su kontinuirana oblačnost i izmaglica i kako bi se osigurala visoka i stabilna proizvodnja usjeva u objektu, LED Grow oprema za izvor svjetla najviše je u skladu s trenutnim razvojem trendovi.

Smjer budućeg razvoja tvornica trebao bi se usredotočiti na nove visokoprecizne, jeftine senzore, daljinski upravljive sustave rasvjetnih uređaja s prilagodljivim spektrom i ekspertne upravljačke sustave. U isto vrijeme, buduće tvornice postrojenja nastavit će se razvijati prema jeftinim, inteligentnim i samoprilagodljivim. Korištenje i popularizacija LED izvora svjetla za uzgoj jamči visokopreciznu kontrolu okoliša tvornica biljaka. Regulacija LED svjetlosnog okruženja je složen proces koji uključuje sveobuhvatnu regulaciju kvalitete svjetlosti, intenziteta svjetlosti i fotoperioda. Relevantni stručnjaci i znanstvenici trebaju provesti dubinska istraživanja, promičući dopunsku LED rasvjetu u tvornicama za proizvodnju umjetnog svjetla.