Autor: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong BU itd. Izvorni mediji: Tehnologija poljoprivrednog inženjerstva (staklenička hortikultura)

Tvornica biljaka kombinira modernu industriju, biotehnologiju, hidroponiku hranjivih tvari i informacijsku tehnologiju za primjenu visoke preciznosti kontrole okolišnih čimbenika u objektu. Potpuno je zatvoren, ima niske zahtjeve za okolno okruženje, skraćuje razdoblje berbe biljaka, štedi vodu i gnojivo, te s prednostima proizvodnje ne-pesticida i bez otpada otpada, učinkovitost upotrebe zemljišta je 40 do 108 puta od toga proizvodnje otvorenog polja. Među njima, inteligentni izvor umjetne svjetlosti i njegova regulacija svjetlosnog okruženja igraju odlučujuću ulogu u njegovoj proizvodnoj učinkovitosti.

Kao važan fizički faktor okoliša, svjetlost igra ključnu ulogu u regulaciji rasta biljaka i metabolizma materijala. „Jedna od glavnih značajki tvornice biljaka je puni izvor umjetne svjetlosti i realizacija inteligentne regulacije svjetlog okoliša“ postala je opći konsenzus u industriji.

Potreba biljaka za svjetlošću

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

■ Intenzitet svjetlosti

Intenzitet svjetlosti može promijeniti morfologiju usjeva, kao što su cvjetanje, duljina internode, debljina stabljike i veličina i debljina lišća. Zahtjevi biljaka za intenzitet svjetlosti mogu se podijeliti na svjetlosne, srednje svjetlosti i biljke koje se slažu i tolerancije na slabo osvjetljenje. Povrće uglavnom su biljke koje vole svjetlost, a njihove točke kompenzacije svjetla i točke zasićenja svjetla relativno su visoke. U tvornicama umjetnih svjetlosnih biljaka, relevantni zahtjevi usjeva za intenzitet svjetlosti važni su za odabir izvora umjetne svjetlosti. Razumijevanje zahtjeva svjetlosti različitih biljaka važno je za dizajniranje izvora umjetne svjetlosti, izuzetno je potrebno poboljšati proizvodne performanse sustava.

■ Kvaliteta svjetlosti

Raspodjela kvalitete svjetlosti (spektralna) 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 (čestice) karakteristike. Kvant svjetlosti naziva se fotonom u polju hortikulture. Zračenje s rasponom valne duljine od 300 ~ 800Nm naziva se fiziološki aktivno zračenje biljaka; a zračenje s rasponom valne duljine od 400 ~ 700Nm naziva se fotosintetski aktivno zračenje (PAR) biljaka.

Klorofil i karoteni su dva najvažnija pigmenta u biljnoj fotosintezi. Na slici 2 prikazan je spektralni spektrijski spektar svakog fotosintetskog pigmenta, u kojem je spektar apsorpcije klorofila koncentriran u crvenoj i plavoj traci. Sustav rasvjete temelji se na spektralnim potrebama usjeva kako bi umjetno nadopunili svjetlost, kako bi se promovirala fotosinteza biljaka.

■ Fotoperiod
Odnos fotosinteze i fotomorfogeneze biljaka i duljine dana (ili vremena fotoperioda) naziva se fotoperiodom biljaka. Fotoperiodičnost je usko povezana sa svjetlosnim satima, što se odnosi na vrijeme kada je usjev ozračeno svjetlošću. Različitim usjevima zahtijeva određeni broj sati svjetlosti da bi se fotoperiod dovršio kako bi procvjetao i uronio plodom. Prema različitim fotoperiodima, može se podijeliti u dugodnevne usjeve, poput kupusa itd., Koji zahtijevaju više od 12-14h svjetlosnih sati u određenoj fazi rasta; Kupci kratkog dana, poput luka, soje itd., zahtijevaju manje od 12-14h sati osvjetljenja; Usjevi srednjeg sunca, poput krastavaca, rajčice, paprike itd., mogu cvjetati i uroniti voćem pod duljim ili kraćim sunčevim svjetlom.
Među tri elementa okoliša, intenzitet svjetlosti je važna osnova za odabir izvora umjetne svjetlosti. Trenutno postoji mnogo načina za izražavanje intenziteta svjetlosti, uglavnom uključujući sljedeće tri.
（1） Osvjetljenje se odnosi na površinsku gustoću svjetlucavog toka (svjetlosni tok po jedinici površine) primljene na osvijetljenoj ravnini, u Lux (LX).

（2） fotosintetski aktivno zračenje, par ， jedinica: w/m²。

（3） fotosintetski učinkovita gustoća toka fotona PPFD ili PPF je broj fotosintetski učinkovitog zračenja koje doseže ili prolazi kroz jediničnu vremensku i jediničnu površinu, jedinica: µmol/(m² · s)。 najvažnije se odnosi na intenzitet svjetlosti od 400 ~ 700 nmm izravno povezano s fotosintezom. To je ujedno i najčešće korišteni indikator intenziteta svjetlosti u polju biljne proizvodnje.

Analiza izvora svjetlosti tipičnog dodatnog sustava svjetla
Umjetna dodatka svjetlosti je povećati intenzitet svjetlosti u ciljnom području ili produžiti svjetlo svjetlo instaliranjem sustava Supplement Light kako bi se ispunila lagana potražnja biljaka. Općenito govoreći, dodatni svjetlosni sustav uključuje dodatnu svjetlosnu opremu, krugove i njegov upravljački sustav. Dodatni izvori svjetla uglavnom uključuju nekoliko uobičajenih tipova kao što su žarulje sa žarnom niti, fluorescentne svjetiljke, metalne halogeničke svjetiljke, natrijeve svjetiljke i LED visokog tlaka. Zbog niske električne i optičke učinkovitosti žarulja žarulje, niske fotosintetske energetske učinkovitosti i drugih nedostataka, tržište je eliminirano, tako da ovaj članak ne daje detaljnu analizu.

■ Fluorescentna svjetiljka
Fluorescentne svjetiljke pripadaju vrsti lampica za ispuštanje plina s niskim tlakom. Staklena cijev napunjena je živom parom ili inertnim plinom, a unutarnji zid cijevi obložena je fluorescentnim prahom. Lagana boja varira s fluorescentnim materijalom obloženim u cijevi. Fluorescentne svjetiljke imaju dobre spektralne performanse, visoku svjetlosnu učinkovitost, malu snagu, duži vijek (12000h) u usporedbi s žaruljama sa žarnom niti i relativno niske troškove. Budući da sama fluorescentna svjetiljka emitira manje topline, može biti blizu biljaka za osvjetljenje i prikladna je za trodimenzionalno uzgoj. Međutim, spektralni izgled fluorescentne svjetiljke je nerazuman. Najčešća metoda na svijetu je dodavanje reflektora kako bi maksimizirali učinkovite komponente izvora svjetla u usjevima u području uzgoja. Japanska Adv-Agri Company također je razvila novu vrstu dodatnog HFL-a. Hefl zapravo pripada kategoriji fluorescentnih svjetiljki. To je opći izraz za fluorescentne svjetiljke hladne katode (CCFL) i fluorescentne svjetiljke vanjske elektrode (EEFL), a fluorescentna je svjetiljka miješana elektroda. Hefl cijev je izuzetno tanka, promjera samo oko 4 mm, a duljina se može podesiti od 450 mm do 1200 mm prema potrebama uzgoja. To je poboljšana verzija konvencionalne fluorescentne svjetiljke.

■ Metalna halidna svjetiljka
Metalna halogenidna svjetiljka je lampica visokog intenziteta koja može pobuditi različite elemente da bi se stvorile različite valne duljine dodavanjem različitih metalnih halogenida (limenog bromida, natrijevog jodida itd.) U cijevi za pražnjenje na temelju žive svjetiljke visokog tlaka. Halogene svjetiljke imaju visoku svjetlosnu učinkovitost, veliku snagu, dobru svjetlosnu boju, dugi život i veliki spektar. Međutim, budući da je svjetlucava učinkovitost niža od one kod natrijevih svjetiljki visokog tlaka, a životni vijek je kraći od natrijevih svjetiljki visokog tlaka, trenutno se koristi samo u nekoliko tvornica biljaka.

■ Natrijeva svjetiljka visokog tlaka
Natrijeve svjetiljke visokog tlaka pripadaju vrsti visokotlačnih svjetiljki za ispuštanje plina. Natrijeva svjetiljka visokog tlaka je svjetiljka visoke učinkovitosti u kojoj se natrijeva para visokog tlaka napuni u cijevi za pražnjenje, a dodana je mala količina ksenona (XE) i metal halogenida žive. Budući da natrijeve svjetiljke visokog tlaka imaju visoku učinkovitost pretvorbe elektro-optičke s nižim troškovima proizvodnje, natrijeve svjetiljke visokog tlaka trenutno se najčešće koriste u primjeni dodatne svjetlosti u poljoprivrednim objektima. Međutim, zbog nedostataka niske fotosintetske učinkovitosti u njihovom spektru, oni imaju nedostatke niske energetske učinkovitosti. S druge strane, spektralne komponente koje emitiraju natrijeve svjetiljke visokog tlaka uglavnom su koncentrirane u žuto-narančastom svjetlosnom pojasu, kojima nedostaje crveni i plavi spektri potrebni za rast biljaka.

■ Svjetlost koja emitira diodu
Kao nova generacija izvora svjetlosti, diode koje emitiraju svjetlost (LED) imaju brojne prednosti kao što su veća učinkovitost pretvorbe elektro-optičke, podesivi spektar i visoka fotosintetska učinkovitost. LED može emitirati jednobojnu svjetlost potrebnu za rast biljaka. U usporedbi s običnim fluorescentnim svjetiljkama i drugim dodatnim izvorima svjetla, LED ima prednosti uštede energije, zaštite okoliša, dugog života, monokromatskog svjetla, izvora hladnog svjetla i tako dalje. Daljnjim poboljšanjem elektro-optičke učinkovitosti LED-ova i smanjenjem troškova uzrokovanih efektom skale, LED sustavi rasvjete za rast postat će glavna oprema za dopunu svjetla u poljoprivrednim objektima. Kao rezultat toga, LED svjetla za rast primijenjena su u 99,9% tvornica biljaka.

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

Mobilni uređaj za rasvjetu
Intenzitet svjetlosti usko je povezan s rastom usjeva. Trodimenzionalni uzgoj često se koristi u tvornicama biljaka. Međutim, zbog ograničenja strukture uzgojnih stalka, neravnomjerna raspodjela svjetla i temperature između regala utjecat će na prinos usjeva i razdoblje berbe neće biti sinkronizirano. Tvrtka u Pekingu uspješno je razvila ručni uređaj za dodavanje svjetla za podizanje svjetla (HPS rasvjetno učvršćenje i učvršćenja rasvjete LED -a) u 2010. godini. Princip je okretanje pogonskog osovine i namotaja fiksiranog na njega drhtajući ručicu kako bi zakrenula malu filmsku kolutu Da bi se postigla svrha povlačenja i odmotavanja žičanog konopa. Žičana konop svjetlosti rasta povezana je s namotanim kotačem dizala kroz više setova kotača za preokret, tako da se postigne učinak podešavanja visine svjetla uzgajanja. U 2017. godini, gore spomenuta tvrtka dizajnirala je i razvila novi uređaj za dodatak mobilnog svjetla, koji može automatski prilagoditi visinu dodataka svjetlu u stvarnom vremenu prema potrebama rasta usjeva. Uređaj za podešavanje sada je instaliran na trodimenzionalnom stalku za uzgoj 3-sloja. Gornji sloj uređaja je razina s najboljim svjetlosnim stanjem, tako da je opremljen natrijevim svjetiljkama visokog pritiska; Srednji sloj i donji sloj opremljeni su LED svjetlima uzgajanja i sustavom za podešavanje dizanja. Može automatski prilagoditi visinu svjetla uzgajanja kako bi osigurao odgovarajuće rasvjetno okruženje za usjeve.

U usporedbi s uređajem za dodatak mobilne svjetlosti prilagođenim za trodimenzionalno uzgoj, Nizozemska je razvila horizontalno pomični LED uređaj za svjetlo svjetlosnog uređaja. Kako bi se izbjegao utjecaj sjene svjetlosti rasta na rast biljaka na suncu, sustav svjetla rasta može se gurnuti na obje strane nosača kroz teleskopski tobogan u vodoravnom smjeru, tako da je sunce u potpunosti ozračeno na biljkama; U oblačnim i kišnim danima bez sunčeve svjetlosti gurnite sustav rasta svjetla do sredine nosača kako bi svjetlost sustava rast svjetla ravnomjerno ispunila biljke; Pomaknite sustav rasta svjetla vodoravno kroz klizač na nosaču, izbjegavajte često rastavljanje i uklanjanje sustava rasta svjetla i smanjiti intenzitet rada zaposlenika, čime učinkovito poboljšava radnu učinkovitost.

Dizajn ideje tipičnog sustava rasta svjetla
Nije teško vidjeti iz dizajna dodatnog uređaja za mobilnu rasvjetu da dizajn dodatnog sustava rasvjete tvornice biljke obično uzima intenzitet svjetlosti, kvalitetu svjetlosti i fotoperiod parametre različitih razdoblja rasta usjeva kao temeljni sadržaj dizajna u dizajnu , oslanjajući se na inteligentni upravljački sustav za provedbu, postižući krajnji cilj uštede energije i visokog prinosa.

Trenutno je dizajn i konstrukcija dodatne svjetlosti za lisnato povrće postupno sazrijevao. Na primjer, lisnato povrće može se podijeliti u četiri faze: faza sadnice, srednji rast, kasni rast i krajnji stupanj; Voćne vegetacije mogu se podijeliti u fazu sadnice, vegetativnu fazu rasta, fazu cvjetanja i fazu berbe. Iz atributa dodatnog intenziteta svjetlosti, intenzitet svjetlosti u stupnju sadnice trebao bi biti nešto niži, na 60 ~ 200 µmol/(m² · s), a zatim se postupno povećava. Lisnato povrće može doseći do 100 ~ 200 µmol/(m² · s), a voćno povrće može doseći 300 ~ 500 µmol/(m² · s) kako bi se osigurao zahtjevi intenziteta svjetlosti biljne fotosinteze u svakom razdoblju rasta i ispuniti potrebe od visoki prinos; U pogledu kvalitete svjetlosti, omjer crvene i plave vrlo je važan. Kako bi se povećala kvaliteta sadnica i spriječila pretjerani rast u fazi sadnica, omjer crvene i plave obično se postavlja na niskoj razini [(1 ~ 2): 1], a zatim se postupno smanjuje kako bi se zadovoljile potrebe biljaka Svjetlosna morfologija. Omjer crvenog i plavog i lisnatog povrća može se postaviti na (3 ~ 6): 1. Za fotoperiod, sličan intenzitetu svjetlosti, trebao bi pokazati trend povećanja s produljenjem razdoblja rasta, tako da lisnato povrće ima više fotosintetskog vremena za fotosintezu. Dizajn dodataka svjetlu voća i povrća bit će složeniji. Pored gore spomenutih osnovnih zakona, trebali bismo se usredotočiti na postavljanje fotoperioda tijekom razdoblja cvatnje, a cvjetanje i plod povrća moraju se promovirati, kako ne bi požar.

Vrijedno je napomenuti da bi lagana formula trebala uključivati ​​krajnji tretman za postavke lakih okoliša. Na primjer, kontinuirana dodatka svjetlosti može uvelike poboljšati prinos i kvalitetu hidroponskih sadnica lisnatog povrća ili koristiti UV tretman za značajno poboljšanje klice i lisnatog povrća (posebno ljubičastog lišća i crvene listne salate) prehrambene kvalitete.

Osim optimizacije dodavanja svjetlosti za odabrane usjeve, sustav kontrole izvora svjetlosti nekih tvornica umjetnih svjetlosnih biljaka također se brzo razvio posljednjih godina. Ovaj se upravljački sustav uglavnom temelji na B/S strukturi. Daljinski upravljač i automatsko upravljanje okolišnim čimbenicima kao što su temperatura, vlaga, svjetlost i koncentracija CO2 tijekom rasta usjeva ostvaruju se putem WiFi -a, a istovremeno se realira metoda proizvodnje koja nije ograničena vanjskim uvjetima. Ova vrsta inteligentnog dodatnog sustava svjetlosnog svjetla koristi LED učvršćeni učvršćivanje kao dodatni izvor svjetlosti, u kombinaciji s udaljenim inteligentnim upravljačkim sustavom, može zadovoljiti potrebe osvjetljenja biljne valne duljine, posebno je prikladna za okruženje za uzgoj biljaka koji kontrolira svjetlo i može dobro zadovoljiti potražnju tržišta na tržištu potražnje na tržištu potražnje na tržištu .

Završne primjedbe
Tvornice biljaka smatraju se važnim načinom rješavanja svjetskih resursa, stanovništva i okolišnih problema u 21. stoljeću i važan način za postizanje samodostatnosti hrane u budućim projektima visokotehnološke tehnologije. Kao nova vrsta metode poljoprivredne proizvodnje, tvornice biljaka još uvijek su u fazi učenja i rasta, a potrebno je više pažnje i istraživanja. Ovaj članak opisuje karakteristike i prednosti uobičajenih dodatnih metoda osvjetljenja u tvornicama biljaka i uvodi dizajnerske ideje tipičnih sustava za dodatnu rasvjetu. Nije teško pronaći usporedbu, kako bi se nosio s niskim svjetlom uzrokovanim teškim vremenskim prilikama, poput kontinuiranog oblaka i izmaglice i osigurati visoku i stabilnu proizvodnju objektnih usjeva, LED oprema za uzgoj svjetla najviše je u skladu s trenutnim razvojem Trendovi.

Budući razvoj tvornica biljaka trebao bi se usredotočiti na nove visoko precizne, jeftine senzore, daljinski upravljani, podesivi sustavi uređaja za rasvjetu spektra i stručne upravljačke sustave. U isto vrijeme, buduće tvornice biljaka nastavit će se razvijati prema niskobudžetnim, inteligentnim i samoadaptivnim. Upotreba i popularizacija LED izvora svjetla uzgajaju jamstvo za visoko precizno kontrolu okolišnih tvornica biljaka. Regulacija LED svjetlosti je složen proces koji uključuje sveobuhvatnu regulaciju kvalitete svjetlosti, intenziteta svjetlosti i fotoperioda. Relevantni stručnjaci i znanstvenici moraju provesti dubinska istraživanja, promičući LED dodatnu rasvjetu u tvornicama umjetnih svjetlosnih biljaka.