Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu atď.Zdrojové médiá: Technológia poľnohospodárskeho inžinierstva (skleníkové záhradníctvo)

Závod kombinuje moderný priemysel, biotechnológiu, živnú hydropóniu a informačné technológie s cieľom implementovať vysoko presnú kontrolu environmentálnych faktorov v zariadení.Je úplne uzavretý, má nízke nároky na okolité prostredie, skracuje obdobie zberu rastlín, šetrí vodu a hnojivá a s výhodami produkcie bez pesticídov a bez vypúšťania odpadu je efektívnosť využívania pôdy 40 až 108 krát vyššia. výroby na otvorenom poli.Spomedzi nich zohráva rozhodujúcu úlohu pri efektívnosti výroby inteligentný zdroj umelého svetla a jeho regulácia svetelného prostredia.

Svetlo ako dôležitý fyzikálny environmentálny faktor zohráva kľúčovú úlohu pri regulácii rastu rastlín a látkovej výmeny.„Jednou z hlavných čŕt továrne je úplný zdroj umelého svetla a realizácia inteligentnej regulácie svetelného prostredia“ sa stalo všeobecným konsenzom v priemysle.

Potreba svetla rastlín

Svetlo je jediným zdrojom energie pri fotosyntéze rastlín.Intenzita svetla, kvalita svetla (spektrum) a periodické zmeny svetla majú zásadný vplyv na rast a vývoj plodín, spomedzi ktorých má intenzita svetla najväčší vplyv na fotosyntézu rastlín.

■ Ľahká intenzita

Intenzita svetla môže zmeniť morfológiu plodín, ako je kvitnutie, dĺžka internodia, hrúbka stonky a veľkosť a hrúbka listov.Požiadavky rastlín na intenzitu svetla môžeme rozdeliť na svetlomilné, stredne svetlomilné a slabo tolerantné rastliny.Zelenina sú väčšinou svetlomilné rastliny a ich body kompenzácie svetla a body nasýtenia svetlom sú pomerne vysoké.V továrňach na umelé osvetlenie sú relevantné požiadavky plodín na intenzitu svetla dôležitým základom pre výber umelých svetelných zdrojov.Pochopenie svetelných požiadaviek rôznych závodov je dôležité pre navrhovanie umelých svetelných zdrojov. Je mimoriadne potrebné zlepšiť produkčný výkon systému.

■ Kvalita svetla

Kvalita svetla (spektrálna) distribúcia má tiež dôležitý vplyv na fotosyntézu a morfogenézu rastlín (obrázok 1).Svetlo je súčasťou žiarenia a žiarenie je elektromagnetické vlnenie.Elektromagnetické vlny majú vlnové charakteristiky a kvantové (časticové) charakteristiky.Kvantum svetla sa v oblasti záhradníctva nazýva fotón.Žiarenie s rozsahom vlnových dĺžok 300~800nm ​​sa nazýva fyziologicky aktívne žiarenie rastlín;a žiarenie s rozsahom vlnových dĺžok 400~700nm sa nazýva fotosynteticky aktívne žiarenie (PAR) rastlín.

Chlorofyl a karotény sú dva najdôležitejšie pigmenty pri fotosyntéze rastlín.Obrázok 2 ukazuje spektrálne absorpčné spektrum každého fotosyntetického pigmentu, v ktorom je absorpčné spektrum chlorofylu koncentrované v červenom a modrom páse.Systém osvetlenia je založený na spektrálnych potrebách plodín umelo dopĺňať svetlo, aby sa podporila fotosyntéza rastlín.

■ fotoperióda
Vzťah medzi fotosyntézou a fotomorfogenézou rastlín a dĺžkou dňa (alebo časom fotoperiódy) sa nazýva fotoperiodita rastlín.Fotoperioda úzko súvisí so svetelnými hodinami, čo sa týka času, keď je plodina ožiarená svetlom.Rôzne plodiny vyžadujú určitý počet hodín svetla na dokončenie fotoperiódy kvitnutia a prinášania ovocia.Podľa rôznych fotoperiód sa môže rozdeliť na plodiny dlhého dňa, ako je kapusta atď., ktoré vyžadujú viac ako 12-14 hodín svetla v určitej fáze svojho rastu;plodiny na krátke dni, ako je cibuľa, sója atď., vyžadujú menej ako 12-14 hodín osvetlenia;plodiny so stredným slnkom, ako sú uhorky, paradajky, paprika atď., môžu pri dlhšom alebo kratšom slnečnom svetle kvitnúť a prinášať ovocie.
Spomedzi troch prvkov prostredia je dôležitým základom pre výber umelých svetelných zdrojov intenzita svetla.V súčasnosti existuje mnoho spôsobov vyjadrenia intenzity svetla, najmä tri nasledujúce.
(1) Osvetlenie sa vzťahuje na povrchovú hustotu svetelného toku (svetelný tok na jednotku plochy) prijímaného v osvetlenej rovine v luxoch (lx).

（2）Fotosynteticky aktívne žiarenie, PAR，jednotka：W/m².

（3）Fotosynteticky účinná hustota toku fotónov PPFD alebo PPF je počet fotosynteticky účinného žiarenia, ktoré dosiahne alebo prejde cez jednotku času a jednotku plochy, jednotka: μmol/(m²·s)。Vzťahuje sa hlavne na intenzitu svetla 400~700nm priamo súvisí s fotosyntézou.Je to tiež najčastejšie používaný indikátor intenzity osvetlenia v oblasti rastlinnej výroby.

Analýza svetelného zdroja typického doplnkového svetelného systému
Doplnok umelého osvetlenia má zvýšiť intenzitu svetla v cieľovej oblasti alebo predĺžiť dobu osvetlenia inštaláciou systému doplnkového osvetlenia, aby sa splnili požiadavky rastlín na svetlo.Všeobecne povedané, doplnkový svetelný systém zahŕňa doplnkové svetelné zariadenia, obvody a ich riadiaci systém.Doplnkové zdroje svetla zahŕňajú najmä niekoľko bežných typov ako sú žiarovky, žiarivky, halogenidové výbojky, vysokotlakové sodíkové výbojky a LED diódy.Vzhľadom na nízku elektrickú a optickú účinnosť žiaroviek, nízku fotosyntetickú energetickú účinnosť a ďalšie nedostatky bol trhom eliminovaný, preto tento článok neobsahuje podrobnú analýzu.

■ Žiarivka
Žiarivky patria medzi nízkotlakové plynové výbojky.Sklenená trubica je naplnená parami ortuti alebo inertným plynom a vnútorná stena trubice je pokrytá fluorescenčným práškom.Farba svetla sa mení podľa fluorescenčného materiálu potiahnutého v trubici.Žiarivky majú dobrý spektrálny výkon, vysokú svetelnú účinnosť, nízky výkon, dlhšiu životnosť (12 000 h) v porovnaní so žiarovkami a relatívne nízke náklady.Pretože samotná žiarivka vydáva menej tepla, môže byť na osvetlenie blízko rastlín a je vhodná na trojrozmerné pestovanie.Spektrálne usporiadanie žiarivky je však nerozumné.Najbežnejšou metódou na svete je pridanie reflektorov, aby sa maximalizovali účinné zložky svetelného zdroja plodín v pestovateľskej oblasti.Japonská spoločnosť adv-agri vyvinula aj nový typ doplnkového svetelného zdroja HEFL.HEFL vlastne patrí do kategórie žiariviek.Je to všeobecný pojem pre žiarivky so studenou katódou (CCFL) a žiarivky s externou elektródou (EEFL) a ide o žiarivku so zmiešanou elektródou.HEFL trubica je extrémne tenká, s priemerom len cca 4mm a dĺžku je možné nastaviť od 450mm do 1200mm podľa potrieb pestovania.Ide o vylepšenú verziu klasickej žiarivky.

■ Halogenidová výbojka
Metalhalogenidová výbojka je vysokointenzívna výbojka, ktorá môže excitovať rôzne prvky na vytváranie rôznych vlnových dĺžok pridaním rôznych halogenidov kovov (bromid cínu, jodid sodný atď.) do výbojky na báze vysokotlakovej ortuťovej výbojky.Halogénové žiarovky majú vysokú svetelnú účinnosť, vysoký výkon, dobrú farbu svetla, dlhú životnosť a široké spektrum.Pretože je však svetelná účinnosť nižšia ako u vysokotlakových sodíkových výbojok a životnosť je kratšia ako u vysokotlakových sodíkových výbojok, v súčasnosti sa používa iba v niekoľkých závodoch.

■ Vysokotlaková sodíková výbojka
Vysokotlakové sodíkové výbojky patria k typu vysokotlakových plynových výbojok.Vysokotlaková sodíková výbojka je vysokoúčinná výbojka, v ktorej sú vo výbojke naplnené vysokotlakové sodíkové pary a pridané malé množstvo xenónu (Xe) a halogenidu ortuti.Pretože vysokotlakové sodíkové výbojky majú vysokú účinnosť elektro-optickej konverzie s nižšími výrobnými nákladmi, vysokotlakové sodíkové výbojky sú v súčasnosti najrozšírenejšie pri aplikácii doplnkového svetla v poľnohospodárskych zariadeniach.Avšak vzhľadom na nedostatky nízkej fotosyntetickej účinnosti v ich spektre majú nedostatky nízkej energetickej účinnosti.Na druhej strane, spektrálne zložky vyžarované vysokotlakovými sodíkovými výbojkami sú sústredené hlavne v žlto-oranžovom páse svetla, ktorému chýbajú červené a modré spektrá potrebné pre rast rastlín.

■ Svetelná dióda
Ako nová generácia svetelných zdrojov majú svetelné diódy (LED) mnoho výhod, ako je vyššia účinnosť elektrooptickej konverzie, nastaviteľné spektrum a vysoká účinnosť fotosyntézy.LED môže vyžarovať monochromatické svetlo potrebné pre rast rastlín.V porovnaní s bežnými žiarivkami a inými doplnkovými zdrojmi svetla má LED výhody úspory energie, ochrany životného prostredia, dlhej životnosti, monochromatického svetla, zdroja studeného svetla atď.S ďalším zlepšovaním elektrooptickej účinnosti LED a znižovaním nákladov spôsobených efektom stupnice sa LED pestovateľské osvetľovacie systémy stanú hlavným zariadením na doplnenie svetla v poľnohospodárskych zariadeniach.Výsledkom je, že pestovateľské LED svetlá boli použité vo viac ako 99,9 % závodov.

Porovnaním možno jasne pochopiť charakteristiky rôznych doplnkových svetelných zdrojov, ako je uvedené v tabuľke 1.

Mobilné osvetľovacie zariadenie
Intenzita svetla úzko súvisí s rastom plodín.Trojrozmerné pestovanie sa často používa v továrňach na rastliny.Kvôli obmedzeniu štruktúry pestovateľských stojanov však nerovnomerné rozloženie svetla a teploty medzi stojanmi ovplyvní úrodu plodín a nebude synchronizované obdobie zberu.Spoločnosť v Pekingu v roku 2010 úspešne vyvinula ručné zdvíhacie svetelné doplnkové zariadenie (osvetľovacie zariadenie HPS a pestovateľské svietidlo LED) v roku 2010. Princípom je otáčanie hnacieho hriadeľa a navíjača, ktorý je na ňom pripevnený, zatrasením rukoväte, aby sa otáčal malý kotúč filmu na dosiahnutie účelu navíjania a odvíjania oceľového lana.Drôtené lano pestovateľského svetla je spojené s navíjacím kolesom výťahu prostredníctvom viacerých sád reverzných kolies, aby sa dosiahol efekt nastavenia výšky pestovateľského svetla.V roku 2017 vyššie uvedená spoločnosť navrhla a vyvinula nové mobilné zariadenie na doplnenie svetla, ktoré dokáže automaticky v reálnom čase prispôsobiť výšku svetelného doplnku podľa potrieb rastu plodín.Nastavovacie zariadenie je teraz nainštalované na trojrozmernom kultivačnom stojane typu zdvíhania 3-vrstvového zdroja svetla.Vrchná vrstva zariadenia je úroveň s najlepšími svetelnými podmienkami, preto je vybavená vysokotlakovými sodíkovými výbojkami;stredná vrstva a spodná vrstva sú vybavené LED rastovými svetlami a systémom nastavenia zdvihu.Dokáže automaticky upraviť výšku pestovateľského svetla, aby zabezpečilo vhodné osvetlenie pre plodiny.

V porovnaní s mobilným svetelným doplnkovým zariadením prispôsobeným na trojrozmerné pestovanie, Holandsko vyvinulo horizontálne pohyblivé LED pestovateľské svetelné doplnkové svetelné zariadenie.Aby sa zabránilo vplyvu tieňa rastového svetla na rast rastlín na slnku, je možné systém pestovateľského osvetlenia zasunúť na obe strany držiaka cez teleskopickú posuvnú lištu v horizontálnom smere, takže slnko je úplne ožiarené na rastliny;v zamračených a daždivých dňoch bez slnečného svetla zatlačte systém osvetlenia na pestovanie do stredu držiaka, aby svetlo systému osvetlenia na pestovanie rovnomerne naplnilo rastliny;posúvajte rastrový svetelný systém vodorovne cez posúvač na držiaku, vyhýbajte sa častému rozoberaniu a odstraňovaniu pestovateľského svetelného systému a znížte pracovnú náročnosť zamestnancov, čím efektívne zvýšite efektivitu práce.

Dizajnové nápady typického pestovateľského svetelného systému
Z návrhu mobilného osvetľovacieho prídavného zariadenia nie je ťažké vidieť, že návrh systému prídavného osvetlenia závodu zvyčajne berie do úvahy intenzitu svetla, kvalitu svetla a parametre fotoperiódy rôznych období rastu plodín ako hlavný obsah návrhu. , spoliehajúc sa na implementáciu inteligentného riadiaceho systému, dosiahnutie konečného cieľa úspory energie a vysokého výnosu.

V súčasnosti postupne dozrel dizajn a konštrukcia doplnkového svetla pre listovú zeleninu.Napríklad listovú zeleninu možno rozdeliť do štyroch štádií: štádium semenáčika, stredného rastu, neskorého rastu a konečného štádia;ovocie a zeleninu možno rozdeliť na štádium sadeníc, štádium vegetatívneho rastu, štádium kvitnutia a štádium zberu.Z atribútov doplnkovej intenzity svetla by mala byť intenzita svetla v štádiu sadeníc o niečo nižšia, na úrovni 60~200 μmol/(m²·s), a potom by sa mala postupne zvyšovať.Listová zelenina môže dosiahnuť až 100 až 200 μmol/(m²·s) a plodová zelenina môže dosiahnuť 300 až 500 μmol/(m²·s), aby sa zabezpečili požiadavky na intenzitu svetla fotosyntézy rastlín v každom období rastu a splnili sa potreby vysoký výnos;Z hľadiska kvality svetla je veľmi dôležitý pomer červenej a modrej.Aby sa zvýšila kvalita sadeníc a zabránilo sa nadmernému rastu v štádiu sadeníc, pomer červenej a modrej je vo všeobecnosti nastavený na nízku úroveň [(1~2:1] a potom sa postupne znižuje, aby vyhovoval potrebám rastlín. svetelná morfológia.Pomer červenej a modrej k listovej zelenine je možné nastaviť na (3~6):1.Pre fotoperiódu, podobne ako intenzita svetla, by mala vykazovať rastúci trend s predlžovaním doby rastu, aby listová zelenina mala viac fotosyntetického času na fotosyntézu.Dizajn ľahkého doplnku ovocia a zeleniny bude komplikovanejší.Okrem vyššie spomenutých základných zákonitostí by sme sa mali zamerať na nastavenie fotoperiódy v období kvitnutia a kvitnutie a rodenie zeleniny treba podporovať, aby sa to nevrátilo.

Stojí za zmienku, že svetelný vzorec by mal zahŕňať konečnú úpravu pre nastavenie svetelného prostredia.Napríklad nepretržité dopĺňanie svetla môže výrazne zlepšiť úrodu a kvalitu sadeníc hydroponickej listovej zeleniny alebo použiť UV ošetrenie na výrazné zlepšenie nutričnej kvality klíčkov a listovej zeleniny (najmä fialové listy a červený listový šalát).

Okrem optimalizácie doplnenia svetla pre vybrané plodiny sa v posledných rokoch rýchlo rozvíja aj systém riadenia svetelného zdroja niektorých závodov na výrobu umelého osvetlenia.Tento riadiaci systém je vo všeobecnosti založený na štruktúre B/S.Diaľkové ovládanie a automatická kontrola faktorov prostredia ako je teplota, vlhkosť, svetlo, koncentrácia CO2 počas rastu plodín sa realizuje prostredníctvom WIFI a zároveň sa realizuje výrobný spôsob, ktorý nie je obmedzený vonkajšími podmienkami.Tento druh inteligentného doplnkového svetelného systému využíva LED pestovateľské svietidlo ako doplnkový svetelný zdroj v kombinácii s diaľkovým inteligentným riadiacim systémom, môže spĺňať potreby osvetlenia vlnovej dĺžky rastlín, je obzvlášť vhodný pre prostredie na pestovanie rastlín riadené svetlom a môže dobre uspokojiť dopyt trhu. .

Záverečné poznámky
Rastlinné továrne sa považujú za dôležitý spôsob riešenia problémov svetových zdrojov, populácie a životného prostredia v 21. storočí a za dôležitý spôsob dosiahnutia potravinovej sebestačnosti v budúcich high-tech projektoch.Ako nový typ poľnohospodárskej výrobnej metódy sú továrne na rastliny stále v štádiu učenia a rastu a je potrebná väčšia pozornosť a výskum.Tento článok popisuje charakteristiky a výhody bežných metód doplnkového osvetlenia v továrňach na rastliny a predstavuje nápady na dizajn typických systémov doplnkového osvetlenia plodín.Nie je ťažké nájsť pomocou porovnania, aby sa vyrovnalo so slabým osvetlením spôsobeným nepriaznivým počasím, ako je nepretržitá oblačnosť a opar, a aby sa zabezpečila vysoká a stabilná produkcia plodín v prevádzke, vybavenie svetelného zdroja LED Grow najviac zodpovedá súčasnému vývoju. trendy.

Budúce smerovanie rozvoja závodov by sa malo zamerať na nové vysoko presné, nízkonákladové senzory, diaľkovo ovládateľné, nastaviteľné svetelné systémy spektra a expertné riadiace systémy.Budúce závody sa zároveň budú naďalej rozvíjať smerom k nízkonákladovým, inteligentným a samoprispôsobivým.Použitie a popularizácia LED pestovateľských svetelných zdrojov poskytuje záruku pre vysoko presné environmentálne riadenie závodov.Regulácia prostredia LED svetla je komplexný proces zahŕňajúci komplexnú reguláciu kvality svetla, intenzity svetla a fotoperiódy.Príslušní odborníci a učenci musia vykonať hĺbkový výskum a propagovať doplnkové LED osvetlenie v továrňach na umelé osvetlenie.