Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu atď. Zdroj: Poľnohospodárska inžinierska technológia (skleníkové záhradníctvo)

Továreň na pestovanie rastlín kombinuje moderný priemysel, biotechnológiu, hydroponiku s živinami a informačné technológie s cieľom implementovať vysoko presnú kontrolu environmentálnych faktorov v zariadení. Je plne uzavretá, má nízke nároky na okolité prostredie, skracuje obdobie zberu rastlín, šetrí vodu a hnojivá a vďaka výhodám produkcie bez pesticídov a žiadneho vypúšťania odpadu je účinnosť využitia pôdy na jednotku 40 až 108-krát vyššia ako pri produkcii na otvorenom poli. Medzi nimi zohráva rozhodujúcu úlohu v efektívnosti výroby inteligentný zdroj umelého svetla a jeho regulácia svetelného prostredia.

Svetlo ako dôležitý fyzikálny faktor prostredia zohráva kľúčovú úlohu v regulácii rastu rastlín a metabolizmu látok. „Jednou z hlavných vlastností rastlinnej továrne je plne umelý zdroj svetla a realizácia inteligentnej regulácie svetelného prostredia“ sa stala všeobecným konsenzom v tomto odvetví.

Potreba rastlín na svetlo

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

■ Intenzita svetla

Intenzita svetla môže zmeniť morfológiu plodín, ako je kvitnutie, dĺžka internódia, hrúbka stonky a veľkosť a hrúbka listov. Požiadavky rastlín na intenzitu svetla možno rozdeliť na svetlomilné, stredne svetlomilné a málo svetlotolerantné rastliny. Zelenina je prevažne svetlomilná rastlina a jej body kompenzácie svetla a body nasýtenia svetla sú relatívne vysoké. V závodoch na umelé osvetlenie sú relevantné požiadavky plodín na intenzitu svetla dôležitým základom pre výber umelých svetelných zdrojov. Pochopenie svetelných požiadaviek rôznych rastlín je dôležité pre navrhovanie umelých svetelných zdrojov a je mimoriadne potrebné zlepšiť produkčný výkon systému.

■ Kvalita svetla

Rozloženie kvality svetla (spektrálne) má tiež dôležitý vplyv na fotosyntézu a morfogenézu rastlín (obrázok 1). Svetlo je súčasťou žiarenia a žiarenie je elektromagnetická vlna. Elektromagnetické vlny majú vlnové charakteristiky a kvantové (časticové) charakteristiky. Kvantové množstvo svetla sa v záhradníctve nazýva fotón. Žiarenie s vlnovou dĺžkou 300~800 nm sa nazýva fyziologicky aktívne žiarenie rastlín; a žiarenie s vlnovou dĺžkou 400~700 nm sa nazýva fotosynteticky aktívne žiarenie (PAR) rastlín.

Chlorofyl a karotény sú dva najdôležitejšie pigmenty vo fotosyntéze rastlín. Obrázok 2 znázorňuje spektrálne absorpčné spektrum každého fotosyntetického pigmentu, v ktorom je absorpčné spektrum chlorofylu sústredené v červenom a modrom pásme. Osvetľovací systém 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 fotoperiódou) sa nazýva fotoperioda rastlín. Fotoperioda úzko súvisí s počtom svetelných hodín, čo je čas, počas ktorého je plodina ožiarená svetlom. Rôzne plodiny potrebujú určitý počet hodín svetla na dokončenie fotoperiódy, aby mohli kvitnúť a prinášať plody. Podľa rôznych fotoperiód ich možno rozdeliť na dlhodenné plodiny, ako je kapusta atď., ktoré vyžadujú v určitom štádiu rastu viac ako 12 – 14 hodín svetelných hodín; krátkodenné plodiny, ako je cibuľa, sója atď., vyžadujú menej ako 12 – 14 hodín osvetlenia; a stredne slnečné plodiny, ako sú uhorky, paradajky, paprika atď., môžu kvitnúť a prinášať plody za dlhšieho alebo kratšieho slnečného žiarenia.
Spomedzi troch prvkov prostredia je intenzita svetla dôležitým základom pre výber umelých svetelných zdrojov. V súčasnosti existuje mnoho spôsobov vyjadrenia intenzity svetla, medzi ktoré patria najmä nasledujúce tri.
(1) Osvetlenie sa vzťahuje na povrchovú hustotu svetelného toku (svetelný tok na jednotku plochy) dopadajúceho na osvetlenú rovinu v luxoch (lx).

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

(3) Fotosynteticky efektívna hustota toku fotónov PPFD alebo PPF je množstvo fotosynteticky efektívneho žiarenia, ktoré dosiahne alebo prejde jednotkou času a jednotkou plochy, jednotka: μmol/(m²·s). Vzťahuje sa hlavne na intenzitu svetla 400~700 nm priamo súvisiacu s fotosyntézou. Je tiež najbežnejšie používaným indikátorom intenzity svetla v oblasti rastlinnej výroby.

Analýza svetelného zdroja typického doplnkového svetelného systému
Doplnkové umelé svetlo slúži na zvýšenie intenzity svetla v cieľovej oblasti alebo predĺženie doby osvetlenia inštaláciou doplnkového svetelného systému, ktorý uspokojí svetelné potreby rastlín. Vo všeobecnosti doplnkový svetelný systém zahŕňa doplnkové svetelné zariadenia, obvody a ich riadiaci systém. Medzi doplnkové svetelné zdroje patrí 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 boli z trhu eliminované, takže tento článok neposkytuje podrobnú analýzu.

■ Žiarivka
Žiarivky patria do typu nízkotlakových plynových výbojok. Sklenená trubica je naplnená ortuťovými parami alebo inertným plynom a vnútorná stena trubice je potiahnutá fluorescenčným práškom. Farba svetla sa mení v závislosti od fluorescenčného materiálu potiahnutého v trubici. Žiarivky majú dobrý spektrálny výkon, vysokú svetelnú účinnosť, nízky výkon, dlhšiu životnosť (12 000 hodín) v porovnaní so žiarovkami a relatívne nízke náklady. Pretože samotná žiarivka vyžaruje menej tepla, môže byť umiestnená blízko rastlín na osvetlenie a je vhodná na trojrozmerné pestovanie. Spektrálne rozloženie žiarivky je však nepraktické. Najbežnejšou metódou na svete je pridanie reflektorov na maximalizáciu účinných svetelných zdrojov plodín v pestovateľskej oblasti. Japonská spoločnosť adv-agri tiež vyvinula nový typ doplnkového svetelného zdroja HEFL. HEFL v skutočnosti patrí do kategórie žiariviek. Je to všeobecný termín pre žiarivky so studenou katódou (CCFL) a žiarivky s vonkajšou elektródou (EEFL) a je to žiarivka so zmiešanou elektródou. Trubica HEFL je extrémne tenká, s priemerom iba približne 4 mm a jej dĺžku je možné nastaviť od 450 mm do 1200 mm podľa potrieb pestovania. Ide o vylepšenú verziu konvenčnej žiarivky.

■ Halogenidová výbojka
Halogenidová výbojka je vysokointenzívna výbojka, ktorá dokáže excitovať rôzne prvky a vytvárať rôzne vlnové dĺžky pridaním rôznych halogenidov kovov (bromidu cínu, jodidu sodného atď.) do výbojky na báze vysokotlakovej ortuťovej výbojky. Halogénové výbojky majú vysokú svetelnú účinnosť, vysoký výkon, dobrú farbu svetla, dlhú životnosť a široké spektrum. Keďže je však svetelná účinnosť nižšia ako u vysokotlakových sodíkových výbojok a životnosť je kratšia ako u vysokotlakových sodíkových výbojok, v súčasnosti sa používajú len v niekoľkých továrňach.

■ Vysokotlaková sodíková lampa
Vysokotlakové sodíkové výbojky patria do typu vysokotlakových plynových výbojok. Vysokotlaková sodíková výbojka je vysokoúčinná výbojka, v ktorej je výbojka naplnená vysokotlakovými sodíkovými parami a pridané je malé množstvo xenónu (Xe) a halogenidu ortuti. Vďaka vysokej elektrooptickej účinnosti premeny vysokotlakových sodíkových výbojok s nižšími výrobnými nákladmi sa v súčasnosti najpoužívajú na doplnkové osvetlenie v poľnohospodárskych zariadeniach, pretože vysokotlakové sodíkové výbojky majú vysokú účinnosť elektrooptickej konverzie s nižšími výrobnými nákladmi. Avšak kvôli nízkej fotosyntetickej účinnosti v ich spektre majú nízku energetickú účinnosť. Na druhej strane, spektrálne zložky vyžarované vysokotlakovými sodíkovými výbojkami sú sústredené prevažne v žltooranžovom svetelnom pásme, 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 fotosyntetická účinnosť. LED diódy dokážu vyžarovať monochromatické svetlo potrebné pre rast rastlín. V porovnaní s bežnými žiarivkami a inými doplnkovými svetelnými zdrojmi majú LED diódy výhody ako úspora energie, ochrana životného prostredia, dlhá životnosť, monochromatické svetlo, zdroj studeného svetla atď. S ďalším zlepšovaním elektrooptickej účinnosti LED diód a znižovaním nákladov spôsobených efektom rozsahu sa LED pestovateľské osvetľovacie systémy stanú hlavným zariadením na doplnenie svetla v poľnohospodárskych zariadeniach. V dôsledku toho sa LED pestovateľské svetlá používajú vo viac ako 99,9 % závodov na výrobu rastlín.

Porovnaním je možné 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 rastlinných továrňach. Avšak kvôli obmedzeniam štruktúry pestovateľských stojanov nerovnomerné rozloženie svetla a teploty medzi stojanmi ovplyvní výnos plodín a obdobie zberu nebude synchronizované. Spoločnosť v Pekingu v roku 2010 úspešne vyvinula manuálne zdvíhacie zariadenie na doplnenie svetla (osvetľovacie zariadenie HPS a LED pestovateľské osvetlenie). Princíp spočíva v otáčaní hnacieho hriadeľa a navíjačky, ktorá je na ňom upevnená, trasením rukoväte, čím sa otáča malá cievka s fóliou, čím sa dosiahne účel navíjania a odvíjania oceľového lana. Oceľové lano pestovateľského svetla je spojené s navíjacím kolesom výťahu prostredníctvom viacerých súprav reverzných kolies, čím sa dosiahne efekt nastavenia výšky pestovateľského svetla. V roku 2017 vyššie uvedená spoločnosť navrhla a vyvinula nové mobilné zariadenie na doplnenie svetla, ktoré dokáže automaticky nastavovať výšku doplnenia svetla v reálnom čase podľa potrieb rastu plodín. Nastavovacie zariadenie je teraz nainštalované na trojvrstvovom zdvíhacom trojrozmernom pestovateľskom stojane so zdrojom svetla. Vrchná vrstva zariadenia je na úrovni s najlepšími svetelnými podmienkami, takže je vybavená vysokotlakovými sodíkovými výbojkami; stredná a spodná vrstva sú vybavené LED pestovateľskými svetlami a systémom nastavenia zdvihu. Systém dokáže automaticky nastaviť výšku pestovateľského svetla, aby poskytol vhodné svetelné prostredie pre plodiny.

V porovnaní s mobilným doplnkovým osvetlením určeným na trojrozmerné pestovanie vyvinuli v Holandsku horizontálne pohyblivé doplnkové LED osvetlenie pre pestovateľov. Aby sa predišlo vplyvu tieňa svetla na rast rastlín na slnku, systém svetla sa dá posunúť horizontálne na obe strany držiaka pomocou teleskopického posúvača, aby boli rastliny plne ožiarené slnkom. V zamračených a daždivých dňoch bez slnečného svetla sa systém svetla posúva do stredu držiaka, aby svetlo rovnomerne osvetľovalo rastliny. Posúvaním systému svetla horizontálne cez posúvač na držiaku sa predíde častému rozoberaniu a odstraňovaniu svetla a zníži sa pracovná náročnosť zamestnancov, čím sa efektívne zvýši efektivita práce.

Nápady na dizajn typického systému pestovateľského osvetlenia
Z návrhu doplnkového mobilného osvetľovacieho zariadenia nie je ťažké vidieť, že návrh doplnkového osvetľovacieho systému závodu zvyčajne berie ako základný obsah návrhu intenzitu svetla, kvalitu svetla a parametre fotoperiódy rôznych období rastu plodín, pričom sa spolieha na implementáciu inteligentného riadiaceho systému, čím sa dosahuje konečný cieľ úspory energie a vysokého výnosu.

V súčasnosti sa návrh a konštrukcia doplnkového osvetlenia pre listovú zeleninu postupne vyvíja. Napríklad listovú zeleninu možno rozdeliť do štyroch štádií: štádium sadeníc, stredné štádium rastu, neskoré štádium rastu a konečné štádium; ovocnú zeleninu možno rozdeliť na štádium sadeníc, štádium vegetatívneho rastu, štádium kvitnutia a štádium zberu. Z atribútov intenzity doplnkového svetla by mala byť intenzita svetla v štádiu sadeníc o niečo nižšia, na úrovni 60 až 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 300 až 500 μmol/(m²·s), aby sa zabezpečili požiadavky na intenzitu svetla pre fotosyntézu rastlín v každom období rastu a splnili sa požiadavky na vysoký výnos; Z hľadiska kvality svetla je veľmi dôležitý pomer červenej a modrej farby. Aby sa zvýšila kvalita sadeníc a zabránilo sa nadmernému rastu v štádiu sadeníc, pomer červenej a modrej sa vo všeobecnosti nastavuje na nízku úroveň [(1 ~ 2): 1] a potom sa postupne znižuje, aby sa vyhovelo potrebám svetelnej morfológie rastlín. Pomer červenej a modrej k listovej zelenine sa môže nastaviť na (3 ~ 6): 1. Fotoperióda by mala, podobne ako intenzita svetla, vykazovať trend zvyšovania sa s predlžovaním obdobia rastu, takže listová zelenina má viac fotosyntetického času na fotosyntézu. Návrh doplnkového svetla pre ovocie a zeleninu bude zložitejší. Okrem vyššie uvedených základných zákonov by sme sa mali zamerať na nastavenie fotoperiódy počas obdobia kvitnutia a podporovať kvitnutie a plodenie zeleniny, aby sa predišlo opačnému efektu.

Za zmienku stojí, že svetelná receptúra ​​by mala zahŕňať aj konečné ošetrenie pre svetelné prostredie. Napríklad nepretržité dopĺňanie svetla môže výrazne zlepšiť výnos a kvalitu hydroponických sadeníc listovej zeleniny alebo použitie UV žiarenia na výrazné zlepšenie nutričnej kvality klíčkov a listovej zeleniny (najmä fialovolistého a červenolistého šalátu).

Okrem optimalizácie doplnkového svetla pre vybrané plodiny sa v posledných rokoch rýchlo vyvinul aj systém riadenia svetelného zdroja v niektorých továrňach na umelé osvetlenie. Tento riadiaci systém je vo všeobecnosti založený na štruktúre B/S. Diaľkové ovládanie a automatické riadenie environmentálnych faktorov, ako je teplota, vlhkosť, svetlo a koncentrácia CO2 počas rastu plodín, sa realizuje prostredníctvom Wi-Fi a zároveň sa realizuje výrobná metóda, ktorá nie je obmedzená vonkajšími podmienkami. Tento druh inteligentného doplnkového osvetlenia využíva LED pestovateľské svietidlo ako doplnkový zdroj svetla v kombinácii s diaľkovým inteligentným riadiacim systémom, čo dokáže uspokojiť potreby osvetlenia rastlín v závislosti od vlnovej dĺžky, je obzvlášť vhodný pre prostredie pestovania rastlín s riadeným svetlom a dokáže dobre uspokojiť dopyt trhu.

Záverečné poznámky
Rastlinné továrne sa považujú za dôležitý spôsob riešenia svetových problémov so zdrojmi, populáciou a životným prostredím v 21. storočí a za dôležitý spôsob dosiahnutia potravinovej sebestačnosti v budúcich high-tech projektoch. Rastlinné továrne, ako nový typ poľnohospodárskej výrobnej metódy, sú stále vo fáze učenia sa a rastu a je potrebná väčšia pozornosť a výskum. Tento článok opisuje charakteristiky a výhody bežných metód doplnkového osvetlenia v rastlinných továrňach a predstavuje nápady na dizajn typických systémov doplnkového osvetlenia plodín. Nie je ťažké porovnaním nájsť LED svetelné zdroje, ktoré najviac zodpovedajú súčasným vývojovým trendom, aby sa vyrovnali so slabým osvetlením spôsobeným nepriaznivým počasím, ako je nepretržitá oblačnosť a opar, a aby sa zabezpečila vysoká a stabilná produkcia rastlinných plodín.

Budúci vývoj závodov na výrobu rastlín by sa mal zamerať na nové vysoko presné, lacné senzory, diaľkovo ovládateľné systémy osvetlenia s nastaviteľným spektrom a expertné riadiace systémy. Zároveň sa budúce závody na výrobu rastlín budú naďalej vyvíjať smerom k nízkonákladovým, inteligentným a samoadaptabilným systémom. Používanie a popularizácia LED svetelných zdrojov pre pestovanie rastlín zaručuje vysoko presné riadenie prostredia v závodoch na výrobu rastlín. Regulácia LED svetelného prostredia je zložitý proces zahŕňajúci komplexnú reguláciu kvality svetla, intenzity svetla a fotoperiódy. Príslušní odborníci a vedci musia vykonať hĺbkový výskum, ktorý by podporil doplnkové LED osvetlenie v závodoch na výrobu rastlín s umelým osvetlením.