Forfatter: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc. Kildemedier: Agricultural Engineering Technology (drivhushagebruk)

Plantefabrikken kombinerer moderne industri, bioteknologi, næringshydroponikk og informasjonsteknologi for å implementere høypresisjonskontroll av miljøfaktorer i anlegget. Den er helt lukket, har lave krav til det omkringliggende miljøet, forkorter høstingsperioden for planter, sparer vann og gjødsel, og med fordelene med ikke-sprøytemiddelproduksjon og ingen avfallsutslipp, er enhetens arealbrukseffektivitet 40 til 108 ganger så stor. av åpen feltproduksjon. Blant dem spiller den intelligente kunstige lyskilden og dens lysmiljøregulering en avgjørende rolle for produksjonseffektiviteten.

Som en viktig fysisk miljøfaktor spiller lys en nøkkelrolle i å regulere plantevekst og materialmetabolisme. "En av hovedtrekkene til fabrikken er den fulle kunstige lyskilden og realiseringen av intelligent regulering av lysmiljøet" har blitt en generell konsensus i bransjen.

Planters behov for lys

Lys er den eneste energikilden til plantefotosyntese. Lysintensitet, lyskvalitet (spektrum) og periodiske endringer av lys har en dyp innvirkning på vekst og utvikling av avlinger, blant disse har lysintensiteten størst innvirkning på plantens fotosyntese.

■ Lysintensitet

Lysintensiteten kan endre morfologien til avlinger, slik som blomstring, internodelengde, stilktykkelse og bladstørrelse og -tykkelse. Kravene til planter for lysintensitet kan deles inn i lyselskende, middels lyselskende og lite lystolerante planter. Grønnsaker er for det meste lyselskende planter, og deres lyskompensasjonspunkter og lysmetningspunkter er relativt høye. I kunstige lysplantefabrikker er relevante krav til avlinger for lysintensitet et viktig grunnlag for å velge kunstige lyskilder. Å forstå lyskravene til forskjellige planter er viktig for å designe kunstige lyskilder. Det er ekstremt nødvendig å forbedre produksjonsytelsen til systemet.

■ Lett kvalitet

Lyskvalitetsfordelingen (spektral) har også en viktig innflytelse på plantenes fotosyntese og morfogenese (Figur 1). Lys er en del av stråling, og stråling er en elektromagnetisk bølge. Elektromagnetiske bølger har bølgekarakteristikk og kvante(partikkel)karakteristikker. Kvantumet av lys kalles foton i hagebruksfeltet. Stråling med et bølgelengdeområde på 300~800nm ​​kalles fysiologisk aktiv stråling av planter; og stråling med et bølgelengdeområde på 400~700nm kalles fotosyntetisk aktiv stråling (PAR) av planter.

Klorofyll og karotener er de to viktigste pigmentene i plantefotosyntese. Figur 2 viser det spektrale absorpsjonsspekteret til hvert fotosyntetisk pigment, der klorofyllabsorpsjonsspekteret er konsentrert i de røde og blå båndene. Lyssystemet er basert på de spektrale behovene til avlinger for å kunstig supplere lys, for å fremme fotosyntesen til planter.

■ fotoperiode
Forholdet mellom fotosyntese og fotomorfogenese av planter og daglengde (eller fotoperiodetid) kalles fotoperioditet for planter. Fotoperioditeten er nært knyttet til lystimene, som refererer til tiden avlingen blir bestrålt av lys. Ulike avlinger krever et visst antall timer med lys for å fullføre fotoperioden for å blomstre og bære frukt. I henhold til de forskjellige fotoperiodene kan den deles inn i langdagsavlinger, som kål, etc., som krever mer enn 12-14 timer lystimer på et visst stadium av veksten; kortdagsavlinger, som løk, soyabønner, etc., krever mindre enn 12-14 timer. medium-sol avlinger, som agurker, tomater, paprika, etc., kan blomstre og bære frukt under lengre eller kortere sollys.
Blant de tre elementene i miljøet er lysintensiteten et viktig grunnlag for å velge kunstige lyskilder. For tiden er det mange måter å uttrykke lysintensitet på, hovedsakelig inkludert følgende tre.
（1）Belysning refererer til overflatetettheten til lysstrøm (lysstrøm per arealenhet) mottatt på det opplyste planet, i lux (lx).

（2） Fotosyntetisk aktiv stråling, PAR，Enhet: W/m².

（3）Den fotosyntetisk effektive fotonflukstettheten PPFD eller PPF er antall fotosyntetisk effektiv stråling som når eller passerer gjennom enhetstid og enhetsareal, enhet：μmol/(m²·s)。Refererer hovedsakelig til lysintensiteten på 400~700nm direkte relatert til fotosyntese. Det er også den mest brukte lysintensitetsindikatoren innen planteproduksjon.

Lyskildeanalyse av typisk supplerende lyssystem
Kunstig lystilskudd er å øke lysintensiteten i målområdet eller forlenge lystiden ved å installere et supplementlyssystem for å oppfylle lysbehovet til planter. Generelt sett inkluderer det supplerende lyssystemet supplerende lysutstyr, kretser og dets kontrollsystem. Supplerende lyskilder inkluderer hovedsakelig flere vanlige typer som glødelamper, lysrør, metallhalogenlamper, høytrykksnatriumlamper og LED. På grunn av den lave elektriske og optiske effektiviteten til glødelamper, lav fotosyntetisk energieffektivitet og andre mangler, har den blitt eliminert av markedet, så denne artikkelen gjør ikke en detaljert analyse.

■ Fluorescerende lampe
Fluorescerende lamper tilhører typen lavtrykksgassutladningslamper. Glassrøret er fylt med kvikksølvdamp eller inertgass, og den indre veggen av røret er belagt med fluorescerende pulver. Lysfargen varierer med det fluorescerende materialet som er belagt i røret. Lysrør har god spektral ytelse, høy lyseffektivitet, lav effekt, lengre levetid (12000h) sammenlignet med glødelamper, og relativt lave kostnader. Fordi selve lysrøret avgir mindre varme, kan den stå nær plantene for belysning og egner seg for tredimensjonal dyrking. Den spektrale utformingen av lysstoffrøret er imidlertid urimelig. Den vanligste metoden i verden er å legge til reflektorer for å maksimere de effektive lyskildekomponentene til avlingene i dyrkingsområdet. Japansk adv-agri-selskap har også utviklet en ny type supplerende lyskilde HEFL. HEFL tilhører faktisk kategorien fluorescerende lamper. Det er den generelle betegnelsen for kaldkatodelysrør (CCFL) og eksterne elektrodelysrør (EEFL), og er en blandet elektrodelysrør. HEFL-røret er ekstremt tynt, med en diameter på kun ca. 4 mm, og lengden kan justeres fra 450 mm til 1200 mm i henhold til dyrkingens behov. Det er en forbedret versjon av den konvensjonelle fluorescerende lampen.

■ Metallhalogenlampe
Metallhalogenidlampen er en utladningslampe med høy intensitet som kan eksitere ulike elementer for å produsere ulike bølgelengder ved å tilsette ulike metallhalogenider (tinnbromid, natriumjodid, etc.) i utladningsrøret på grunnlag av en høytrykks kvikksølvlampe. Halogenlamper har høy lyseffektivitet, høy effekt, god lysfarge, lang levetid og stort spektrum. Men fordi lyseffektiviteten er lavere enn høytrykksnatriumlamper, og levetiden er kortere enn høytrykksnatriumlamper, brukes den foreløpig kun i noen få fabrikker.

■ Høytrykksnatriumlampe
Høytrykksnatriumlamper tilhører typen høytrykksgassutladningslamper. Høytrykksnatriumlampen er en høyeffektiv lampe der høytrykksnatriumdamp fylles i utladningsrøret, og en liten mengde xenon (Xe) og kvikksølvmetallhalogenid tilsettes. Fordi høytrykksnatriumlamper har høy elektro-optisk konverteringseffektivitet med lavere produksjonskostnader, er høytrykksnatriumlamper for tiden de mest brukte i påføring av supplerende lys i landbruksanlegg. På grunn av manglene med lav fotosyntetisk effektivitet i spekteret deres, har de imidlertid manglene med lav energieffektivitet. På den annen side er spektralkomponentene som sendes ut av høytrykksnatriumlamper hovedsakelig konsentrert i det gul-oransje lysbåndet, som mangler de røde og blå spektrene som er nødvendige for plantevekst.

■ Lysdiode
Som en ny generasjon lyskilder har lysemitterende dioder (LED) mange fordeler som høyere elektro-optisk konverteringseffektivitet, justerbart spektrum og høy fotosyntetisk effektivitet. LED kan avgi monokromatisk lys som er nødvendig for plantevekst. Sammenlignet med vanlige fluorescerende lamper og andre supplerende lyskilder, har LED fordelene med energisparing, miljøvern, lang levetid, monokromatisk lys, kald lyskilde og så videre. Med den ytterligere forbedringen av den elektro-optiske effektiviteten til LED og reduksjonen av kostnadene forårsaket av skaleringseffekten, vil LED-vekstbelysningssystemer bli det vanlige utstyret for å supplere lys i landbruksanlegg. Som et resultat har LED-vekstlys blitt brukt over 99,9% plantefabrikker.

Gjennom sammenligning kan egenskapene til forskjellige supplerende lyskilder forstås tydelig, som vist i tabell 1.

Mobil belysningsenhet
Lysintensiteten er nært knyttet til veksten av avlinger. Tredimensjonal dyrking brukes ofte i plantefabrikker. Men på grunn av begrensningen i strukturen til dyrkingsstativene, vil den ujevne fordelingen av lys og temperatur mellom stativene påvirke utbyttet av avlingene og høstingsperioden vil ikke bli synkronisert. Et selskap i Beijing har med suksess utviklet en manuell løftelystilskuddsenhet (HPS-lysarmatur og LED-vekst-lysarmatur) i 2010. Prinsippet er å rotere drivakselen og viklingen festet på den ved å riste håndtaket for å rotere den lille filmspolen for å oppnå formålet med å trekke inn og vikle av ståltauet. Ståltauet til vekstlyset er koblet til heisens viklingshjul gjennom flere sett med reverserende hjul, for å oppnå effekten av å justere høyden på vekstlyset. I 2017 designet og utviklet det ovennevnte selskapet en ny mobil lystilskuddsenhet, som automatisk kan justere lystilskuddshøyden i sanntid i henhold til avlingsvekstbehov. Justeringsanordningen er nå installert på 3-lags lyskildeløftetype tredimensjonale dyrkingsstativ. Det øverste laget av enheten er nivået med den beste lystilstanden, så den er utstyrt med høytrykksnatriumlamper; mellomlaget og bunnlaget er utstyrt med LED-vekstlys og løftejusteringssystem. Den kan automatisk justere høyden på vekstlyset for å gi et passende lysmiljø for avlingene.

Sammenlignet med den mobile lystilskuddsenheten skreddersydd for tredimensjonal dyrking, har Nederland utviklet en horisontalt bevegelig LED-vekstlystilskuddslysenhet. For å unngå påvirkningen av vekstlysets skygge på veksten av planter i solen, kan vekstlyssystemet skyves til begge sider av braketten gjennom teleskopsleiden i horisontal retning, slik at solen står helt bestrålt på plantene; på overskyede og regnfulle dager uten sollys, Skyv vekstlyssystemet til midten av braketten for å få lyset til vekstlyssystemet til å fylle plantene jevnt; flytt vekstlyssystemet horisontalt gjennom lysbildet på braketten, unngå hyppig demontering og fjerning av vekstlyssystemet, og reduser arbeidsintensiteten til ansatte, og forbedrer dermed effektivt arbeidseffektiviteten.

Designideer av typiske vekstlyssystem
Det er ikke vanskelig å se fra utformingen av den mobile belysnings-tilleggsenheten at utformingen av det supplerende belysningssystemet til plantefabrikken vanligvis tar lysintensiteten, lyskvaliteten og fotoperiodeparametrene til forskjellige avlingsvekstperioder som kjerneinnholdet i designet , stole på det intelligente kontrollsystemet for å implementere, for å oppnå det endelige målet om energisparing og høy avkastning.

For tiden har design og konstruksjon av supplerende lys for bladgrønnsaker gradvis modnet. For eksempel kan bladgrønnsaker deles inn i fire stadier: frøplantestadium, midtvekst, senvekst og sluttstadium; frukt-grønnsaker kan deles inn i frøplantestadium, vegetativt vekststadium, blomstringsstadium og høstingsstadium. Ut fra attributtene til supplerende lysintensitet, bør lysintensiteten i frøplantestadiet være litt lavere, ved 60~200 μmol/(m²·s), og deretter øke gradvis. Bladgrønnsaker kan nå opptil 100~200 μmol/(m²·s), og fruktgrønnsaker kan nå 300~500 μmol/(m²·s) for å sikre lysintensitetskravene til plantefotosyntese i hver vekstperiode og oppfylle behovene til høyt utbytte; Når det gjelder lyskvalitet, er forholdet mellom rødt og blått veldig viktig. For å øke kvaliteten på frøplanter og forhindre overdreven vekst i frøplantestadiet, settes forholdet mellom rødt og blått generelt til et lavt nivå [(1~2):1], og deretter gradvis redusert for å møte plantens behov. lys morfologi. Forholdet mellom røde og blå og bladgrønnsaker kan settes til (3~6):1. For fotoperioden, i likhet med lysintensiteten, bør den vise en trend til å øke med forlengelsen av vekstperioden, slik at bladgrønnsaker får mer fotosyntetisk tid for fotosyntese. Den lette supplementdesignen til frukt og grønnsaker vil være mer komplisert. I tillegg til de ovennevnte grunnleggende lovene, bør vi fokusere på innstillingen av fotoperioden i blomstringsperioden, og blomstring og frukting av grønnsaker må fremmes for ikke å slå tilbake.

Det er verdt å nevne at lysformelen bør inkludere sluttbehandlingen for lysmiljø. For eksempel kan kontinuerlig lystilskudd i stor grad forbedre utbyttet og kvaliteten på hydroponiske bladgrønnsaksfrøplanter, eller bruk UV-behandling for å forbedre ernæringskvaliteten for spirer og bladgrønnsaker (spesielt lilla blader og rødbladsalat).

I tillegg til å optimalisere lystilskuddet for utvalgte avlinger, har lyskildekontrollsystemet til enkelte kunstlysplantefabrikker også utviklet seg raskt de siste årene. Dette kontrollsystemet er generelt basert på B/S-strukturen. Fjernkontroll og automatisk kontroll av miljøfaktorer som temperatur, fuktighet, lys og CO2-konsentrasjon under vekst av avlinger realiseres gjennom WIFI, og samtidig realiseres en produksjonsmetode som ikke er begrenset av ytre forhold. Denne typen intelligente supplerende lyssystem bruker LED-vekstlysarmatur som supplerende lyskilde, kombinert med fjernstyrt intelligent kontrollsystem, kan møte behovene til plantebølgelengdebelysning, er spesielt egnet for lyskontrollert plantedyrkingsmiljø og kan godt møte markedets etterspørsel .

Avsluttende bemerkninger
Plantefabrikker anses å være en viktig måte å løse verdens ressurs-, befolknings- og miljøproblemer i det 21. århundre, og en viktig måte å oppnå selvforsyning med mat i fremtidige høyteknologiske prosjekter. Som en ny type landbruksproduksjonsmetode er plantefabrikker fortsatt i lærings- og vekststadiet, og mer oppmerksomhet og forskning er nødvendig. Denne artikkelen beskriver egenskapene og fordelene ved vanlige supplerende belysningsmetoder i plantefabrikker, og introduserer designideene til typiske supplerende belysningssystemer for avlinger. Det er ikke vanskelig å finne gjennom sammenligning, for å takle det lave lyset forårsaket av hardt vær som kontinuerlig overskyet og dis og for å sikre høy og stabil produksjon av anleggsavlinger, er LED Grow-lyskildeutstyr mest i tråd med dagens utvikling trender.

Den fremtidige utviklingsretningen for anleggsfabrikker bør fokusere på nye høypresisjons- og lavkostnadssensorer, fjernstyrbare, justerbare spektrumbelysningssystemer og ekspertkontrollsystemer. Samtidig vil fremtidens plantefabrikker fortsette å utvikle seg mot rimelige, intelligente og selvtilpassede. Bruken og populariseringen av LED-vekstlyskilder gir garanti for høypresisjon miljøkontroll av plantefabrikker. LED-lysmiljøregulering er en kompleks prosess som involverer omfattende regulering av lyskvalitet, lysintensitet og fotoperiode. Relevante eksperter og forskere må utføre grundig forskning, fremme LED-tilleggsbelysning i fabrikker for kunstig lys.