Forfatter: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu, osv. Kildemedier ： Agricultural Engineering Technology (Greenhouse Horticulture)

Anleggsfabrikken kombinerer moderne industri, bioteknologi, hydroponikk og informasjonsteknologi for å implementere høypresisjonskontroll av miljøfaktorer i anlegget. Det er helt lukket, har lave krav til omgivelsene, forkorter plantehøstperioden, sparer vann og gjødsel, og med fordelene med ikke-plantevernmiddelproduksjon og ikke avfallsutslipp, er enhetens arealbrukseffektivitet 40 til 108 ganger av det av åpen feltproduksjon. Blant dem spiller den intelligente kunstige lyskilden og dets lette miljøforordning en avgjørende rolle i sin produksjonseffektivitet.

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

Plantenes behov for lys

Lys er den eneste energikilden til plantefotosyntesen. Lysintensitet, lyskvalitet (spektrum) og periodiske lysforandringer har stor innvirkning på veksten og utviklingen av avlinger, hvorav lysintensiteten har størst innvirkning på plantefotosyntesen.

■ Lysintensitet

Lysintensiteten kan endre morfologien til avlinger, for eksempel blomstring, internodelengde, stammtykkelse og bladstørrelse og tykkelse. Kravene til planter for lysintensitet kan deles inn i lyselskende, middels lyselskende og lite lys-tolerante planter. Grønnsaker er stort sett lyselskende planter, og deres lyskompensasjonspunkter og lette metningspunkter er relativt høye. I kunstige lysplantefabrikker er de relevante kravene til avlinger for lysintensitet et viktig grunnlag for å velge kunstige lyskilder. Å forstå lysbehovene 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 plantefotosyntesen og morfogenesen (figur 1). Lys er en del av stråling, og stråling er en elektromagnetisk bølge. Elektromagnetiske bølger har bølgeegenskaper og kvante (partikkel) egenskaper. Lysmengden 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 plantefotosyntesen. Figur 2 viser det spektrale absorpsjonsspekteret til hvert fotosyntetisk pigment, der klorofyllabsorpsjonsspekteret er konsentrert i de røde og blå båndene. Belysningssystemet er basert på spektrale behov for avlinger for kunstig å supplere lys, for å fremme fotosyntesen av planter.

■ Fotoperasjon
Forholdet mellom fotosyntese og fotomorfogenese av planter og daglengde (eller fotoperasjonstid) kalles fotoperioditet av planter. Fotoperioditeten er nært beslektet med lysetiden, som refererer til tiden avlingen er bestrålet av lys. Ulike avlinger krever et visst antall timer med lys for å fullføre fotoperasjonen for å blomstre og bære frukt. I henhold til de forskjellige fotoperioder kan den deles inn i langdagsavlinger, for eksempel kål osv., Som krever mer enn 12-14 timer lystimer i et visst stadium av veksten; Kortdagsavlinger, for eksempel løk, soyabønner, etc., krever mindre enn 12-14 timers opplysetimer; Medium-sun-avlinger, som agurker, tomater, paprika osv., Kan blomstre og bære frukt under lengre eller kortere sollys.
Blant de tre elementene i miljøet er lysintensitet et viktig grunnlag for å velge kunstige lyskilder. For tiden er det mange måter å uttrykke lysintensitet, hovedsakelig inkludert de følgende tre.
（1） Belysning refererer til overflatetettheten av lysstrømning (lysende fluks 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 antallet fotosyntetisk effektiv stråling som når eller passerer gjennom enhetens tid og enhetsområde, enhet ： μmol/(m² · s) 。mainly refererer 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 utvide lysetiden ved å installere et supplement lyssystem for å oppfylle lysets etterspørsel fra planter. Generelt sett inkluderer det supplerende lyssystemet supplerende lysutstyr, kretser og dets kontrollsystem. Supplerende lyskilder inkluderer hovedsakelig flere vanlige typer som glødelamper, lysrør, metallhalogenidlamper, høyttrykksnatriumlamper og lysdioder. 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 lavtrykksgassutslippslamper. Glassrøret er fylt med kvikksølvdamp eller inert gass, og rørets indre vegg er belagt med lysstoffrør. Den lette fargen varierer med det lysstoffmaterialet belagt i røret. Fluorescerende lamper har god spektralytelse, høy lysende effektivitet, lav effekt, lengre levetid (12000H) sammenlignet med glødelamper og relativt lave kostnader. Fordi den lysrør i seg selv avgir mindre varme, kan den være i nærheten av plantene for belysning og er egnet for tredimensjonal dyrking. Imidlertid er den spektrale utformingen av den lysrør lampen urimelig. Den vanligste metoden i verden er å legge til reflekser for å maksimere de effektive lyskildekomponentene til avlingene i dyrkningsområdet. Det japanske adv-Agri-selskapet har også utviklet en ny type supplerende lyskilde HEFL. HEFL tilhører faktisk kategorien lysrør. Det er den generelle betegnelsen for kalde katodefluorescerende lamper (CCFL) og eksterne elektrodefluorescerende lamper (EEFL), og er en blandet elektrodefluorescerende lampe. HEFL -røret er ekstremt tynt, med en diameter på bare ca. 4mm, og lengden kan justeres fra 450 mm til 1200mm i henhold til dyrkingens behov. Det er en forbedret versjon av den konvensjonelle lysrør.

■ Metallhalogampelampe
Metallhalogenet lampen er en utslippslampe med høy intensitet som kan begeistre forskjellige elementer for å produsere forskjellige bølgelengder ved å tilsette forskjellige metallhalogenider (tinnbromid, natriumjodid, etc.) i utløpsrøret på grunnlag av en høytrykks kvikksølvlampe. Halogenlamper har høy lysende effektivitet, høy kraft, god lysfarge, lang levetid og stort spekter. Fordi den lysende effektiviteten er lavere enn for høyt trykk natriumlamper, og levetiden er kortere enn for høyt trykk natriumlamper, brukes den foreløpig bare i noen få plantefabrikker.

■ Sodiumlampe med høyt trykk
Høytrykks natriumlamper tilhører typen høytrykksgassutladningslamper. Høytrykks natriumlampe er en høyeffektiv lampe der høyttrykksnatriumdamp fylles ut utladningsrøret, og en liten mengde xenon (XE) og kvikksølvmetallhalogenid tilsettes. Fordi natriumlamper med høyt trykk har høy elektrooptisk konverteringseffektivitet med lavere produksjonskostnader, er natriumlamper med høyt trykk for øyeblikket de mest brukte i anvendelsen av supplerende lys i landbruksanlegg. På grunn av manglene ved lav fotosyntetisk effektivitet i deres spekter, har de imidlertid manglene på lav energieffektivitet. På den annen side er de spektrale komponentene som sendes ut av høytrykksnatriumlamper hovedsakelig konsentrert i det gule oransje lysbåndet, som mangler det røde og blå spektra som er nødvendig for plantevekst.

■ Lys avgir diode
Som en ny generasjon lyskilder har lysemitterende dioder (LED) mange fordeler som høyere elektrooptisk konverteringseffektivitet, justerbart spekter og høy fotosyntetisk effektivitet. LED kan avgi monokromatisk lys som er nødvendig for plantevekst. Sammenlignet med vanlige lysrør og andre supplerende lyskilder, har LED fordelene ved energisparing, miljøvern, lang levetid, monokromatisk lys, kald lyskilde og så videre. Med ytterligere forbedring av den elektrooptiske effektiviteten av LED og reduksjon av kostnader forårsaket av skalaeffekten, vil LED-vekstbelysningssystemer bli mainstream-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 lysenhet
Lysintensiteten er nært beslektet med veksten av avlinger. Tredimensjonal dyrking brukes ofte i plantefabrikker. På grunn av begrensningen av strukturen i dyrkingsstativene, vil imidlertid ujevn fordeling av lys og temperatur mellom stativene påvirke avlingene og høstingsperioden ikke synkroniseres. Et selskap i Beijing har med hell utviklet en manuell løftet Light Supplement -enhet (HPS Lighting Fixture og LED Grow Lighting Fixture) i 2010. Prinsippet er å rotere drivakselen og vinden festet på den ved å riste håndtaket for å rotere den lille filmkjolen for å oppnå formålet med å trekke tilbake og avvikle trådtauet. Styretauet på dyrkingslyset er forbundet med det svingete hjulet i heisen gjennom flere sett med omvendende hjul, for å oppnå effekten av å justere høyden på dyrkets lys. I 2017 designet det ovennevnte selskapet og utviklet en ny mobiltilskuddsenhet, som automatisk kan justere lystilskuddshøyden i sanntid i henhold til avlingsvekstbehov. Justeringsenheten er nå installert på 3-lags lyskildeløftetype tredimensjonalt dyrkingsstativ. Det øverste laget av enheten er nivået med den beste lystilstanden, så det er utstyrt med høyt trykk natriumlamper; Midtlaget og det nederste laget er utstyrt med LED -vekstlys og et løftjusteringssystem. Den kan automatisk justere høyden på voksen lys for å gi et passende belysningsmiljø for avlingene.

Sammenlignet med det mobile lystilskuddet som er skreddersydd for tredimensjonal dyrking, har Nederland utviklet en horisontalt bevegelig LED Grow Light Supplement Light-enhet. For å unngå påvirkning av skyggen av voksen lys over veksten av planter i sol bestrålet på plantene; På overskyede og regnfulle dager uten sollys, skyver du Grow Light -systemet til midten av braketten for å gjøre lyset fra Grow Light -systemet jevnt fyll plantene; Flytt Grow Light -systemet horisontalt gjennom lysbildet på braketten, unngå hyppig demontering og fjerning av Grow Light System, og reduser arbeidsintensiteten til ansatte, og forbedrer dermed arbeidseffektiviteten effektivt.

Designideer om typisk voksende lyssystem
Det er ikke vanskelig å se fra utformingen av den mobile belysningsutstyrte enheten at utformingen av det supplerende belysningssystemet til plantefabrikken vanligvis tar lysintensitet, lyskvalitet og fotoperasjonsparametere i forskjellige avlingsvekstperioder som kjerneinnholdet i designen , avhengig av det intelligente kontrollsystemet for å implementere, oppnå det endelige målet om energisparing og høyt utbytte.

For tiden har utformingen og konstruksjonen av supplerende lys for bladgrønnsaker gradvis modnet. For eksempel kan bladgrønnsaker deles inn i fire trinn: frøplantefase, midtvekst, sen vekst og sluttstadium; Frukt-vegetables kan deles inn i frøplantefase, vegetativ vekststadium, blomstringsstadium og høstingstrinn. Fra attributtene til supplerende lysintensitet, skal lysintensiteten i frøplantefasen være litt lavere, ved 60 ~ 200 μmol/(m² · s), og deretter gradvis øke. Bladede grønnsaker kan nå opp til 100 ~ 200 μmol/(m² · s), og fruktgrønnsaker kan nå 300 ~ 500 μmol/(m² · s) for å sikre lysintensitetskravene til plantefotosyntesen i hver vekstperiode og oppfylle behovene til behovene til høyt avkastning; Når det gjelder lyskvalitet, er forholdet mellom rød og blått veldig viktig. For å øke kvaliteten på frøplanter og forhindre overdreven vekst i frøplantefasen, settes forholdet mellom rød til blå vanligvis på et lavt nivå [(1 ~ 2): 1], og deretter gradvis redusert for å imøtekomme behovene til anlegget Lett morfologi. Forholdet mellom røde og blå til bladgrønnsaker kan settes til (3 ~ 6): 1. For fotoperasjonen, lik lysintensiteten, skal den vise en trend med å øke med utvidelsen av vekstperioden, slik at bladgrønnsaker har mer fotosyntetisk tid til fotosyntese. Lystilskuddsdesignet av frukt og grønnsaker vil være mer komplisert. I tillegg til de ovennevnte grunnlovene, bør vi fokusere på innstillingen av fotoperasjonen i blomstringsperioden, og blomstring og frukting av grønnsaker må fremmes, for ikke å slå tilbake.

Det er verdt å nevne at lysformelen skal omfatte sluttbehandling for innstillinger for lysmiljøer. For eksempel kan kontinuerlig lystilskudd forbedre utbyttet og kvaliteten på hydroponiske bladplanter, eller bruke UV -behandling for å forbedre spirer og bladgrønnsaker (spesielt lilla blader og rødbladsalat) ernæringskvalitet.

I tillegg til å optimalisere lystilskudd for utvalgte avlinger, har også lyskildekontrollsystemet til noen kunstige lysplantefabrikker utviklet seg raskt de siste årene. Dette kontrollsystemet er vanligvis 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 eksterne forhold. Denne typen intelligente supplerende lyssystem bruker LED Grow Light-inventar som tilleggslyskilde, kombinert med fjern intelligent kontrollsystem, kan imøtekomme behovene til plantebølgelengde-belysning, er spesielt egnet for lysstyrt plantedyrkingsmiljø, og kan godt imøtekomme markedets etterspørsel .

Avsluttende kommentarer
Plantefabrikker anses for å være en viktig måte å løse verdensressurs, befolkning og miljøproblemer i det 21. århundre, og en viktig måte å oppnå mat selvforsyning i fremtidige høyteknologiske prosjekter. Som en ny type landbruksproduksjonsmetode er plantefabrikker fremdeles 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 avlingstilskuddssystemer. 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, LED Grow Light Source -utstyr er mest i tråd med dagens utvikling Trender.

Den fremtidige utviklingsretningen til plantefabrikker bør fokusere på nye høye presisjonssensorer, eksternt kontrollerbare, justerbare spektrumbelysningsapparat og ekspertkontrollsystemer. Samtidig vil de fremtidige plantefabrikkene fortsette å utvikle seg mot rimelige, intelligente og selvtilpasningsdyktige. Bruk og popularisering av LED Grow lyskilder gir garanti for miljøkontroll av plantefabrikker med høy presisjon. LED -lysmiljøregulering er en kompleks prosess som involverer omfattende regulering av lyskvalitet, lysintensitet og fotoperasjon. Relevante eksperter og lærde må drive grundig forskning, og fremme LED-supplerende belysning i kunstige lysplantefabrikker.