Auteurs: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, enz. Bron: Landbouwkundige technologie (glashuisteelt)

De plantenfabriek combineert moderne industrie, biotechnologie, hydrocultuur met voedingsstoffen en informatietechnologie om zeer nauwkeurige controle van omgevingsfactoren in de faciliteit te realiseren. De volledig gesloten constructie stelt lage eisen aan de omgeving, verkort de oogstperiode, bespaart water en meststoffen en biedt de voordelen van pesticidevrije productie en geen afvallozing. De efficiëntie van het landgebruik per eenheid is 40 tot 108 keer hoger dan bij openluchtteelt. De intelligente kunstmatige lichtbron en de bijbehorende lichtregeling spelen hierbij een cruciale rol in de productie-efficiëntie.

Als belangrijke fysieke omgevingsfactor speelt licht een cruciale rol in de regulering van plantengroei en stofwisseling. "Een van de belangrijkste kenmerken van een plantenfabriek is de volledige kunstmatige lichtbron en de realisatie van intelligente regulering van de lichtomgeving" is een algemeen aanvaarde stelling in de sector.

De behoefte van planten aan licht

Licht is de enige energiebron voor fotosynthese bij planten. Lichtintensiteit, lichtkwaliteit (spectrum) en periodieke veranderingen in het licht hebben een grote invloed op de groei en ontwikkeling van gewassen, waarbij de lichtintensiteit de grootste impact heeft op de fotosynthese van planten.

■ Lichtintensiteit

De lichtintensiteit kan de morfologie van gewassen beïnvloeden, zoals bloei, internodiumlengte, stengeldikte en bladgrootte en -dikte. De lichtbehoefte van planten kan worden onderverdeeld in lichtminnende, gemiddeld lichtminnende en lichttolerante planten. Groenten zijn over het algemeen lichtminnende planten en hun lichtcompensatie- en lichtverzadigingspunten liggen relatief hoog. In kunstlichtkwekerijen vormen de specifieke lichtbehoeftes van gewassen een belangrijke basis voor de selectie van kunstlichtbronnen. Inzicht in de lichtbehoefte van verschillende planten is essentieel voor het ontwerpen van kunstlichtbronnen en is cruciaal voor het verbeteren van de productieprestaties van het systeem.

■ Lichtkwaliteit

De lichtkwaliteit (spectrale verdeling) heeft ook een belangrijke invloed op de fotosynthese en morfogenese van planten (Figuur 1). Licht is een onderdeel van straling, en straling is een elektromagnetische golf. Elektromagnetische golven hebben golfkarakteristieken en kwantumkarakteristieken (deeltjeskarakteristieken). Het kwantum van licht wordt in de tuinbouw een foton genoemd. Straling met een golflengtebereik van 300-800 nm wordt fysiologisch actieve straling van planten genoemd; en straling met een golflengtebereik van 400-700 nm wordt fotosynthetisch actieve straling (PAR) van planten genoemd.

Chlorofyl en carotenen zijn de twee belangrijkste pigmenten bij de fotosynthese van planten. Figuur 2 toont het spectrale absorptiespectrum van elk fotosynthetisch pigment, waarbij het absorptiespectrum van chlorofyl geconcentreerd is in de rode en blauwe banden. Het verlichtingssysteem is gebaseerd op de spectrale behoeften van gewassen om kunstmatig licht aan te vullen en zo de fotosynthese van planten te bevorderen.

■ fotoperiode
De relatie tussen fotosynthese en fotomorfogenese van planten en de daglengte (of fotoperiode) wordt fotoperiodiek van planten genoemd. De fotoperiodiek is nauw verbonden met het aantal lichturen, oftewel de tijd dat een gewas aan licht wordt blootgesteld. Verschillende gewassen hebben een bepaald aantal lichturen nodig om de fotoperiode te voltooien, te bloeien en vrucht te dragen. Afhankelijk van de fotoperiode kunnen gewassen worden onderverdeeld in langdaggewassen, zoals kool, die in een bepaald groeistadium meer dan 12-14 uur licht nodig hebben; kortdaggewassen, zoals uien en sojabonen, die minder dan 12-14 uur licht nodig hebben; en gewassen die een gemiddelde zonduur nodig hebben, zoals komkommers, tomaten en paprika's, die zowel bij langere als kortere zonlichtperioden kunnen bloeien en vrucht dragen.
Van de drie omgevingsfactoren is lichtintensiteit een belangrijke basis voor de keuze van kunstmatige lichtbronnen. Er zijn momenteel veel manieren om lichtintensiteit uit te drukken, waarvan de belangrijkste de volgende drie zijn.
(1) Verlichting verwijst naar de oppervlaktedichtheid van de lichtstroom (lichtstroom per oppervlakte-eenheid) die op het verlichte vlak wordt ontvangen, in lux (lx).

(2) Fotosynthetisch actieve straling, PAR, eenheid: W/m².

(3) De fotosynthetisch effectieve fotonenfluxdichtheid PPFD of PPF is de hoeveelheid fotosynthetisch effectieve straling die een eenheid tijd en een eenheid oppervlakte bereikt of passeert, eenheid: μmol/(m²·s). Het verwijst hoofdzakelijk naar de lichtintensiteit van 400~700 nm die direct verband houdt met fotosynthese. Het is ook de meest gebruikte indicator voor lichtintensiteit in de plantenteelt.

Analyse van de lichtbron van een typisch aanvullend verlichtingssysteem
Kunstmatige lichtaanvulling houdt in dat de lichtintensiteit in het doelgebied wordt verhoogd of de lichtduur wordt verlengd door een aanvullend lichtsysteem te installeren om aan de lichtbehoefte van planten te voldoen. Over het algemeen bestaat een aanvullend lichtsysteem uit aanvullende lichtapparatuur, circuits en een besturingssysteem. Aanvullende lichtbronnen omvatten hoofdzakelijk verschillende gangbare typen, zoals gloeilampen, fluorescentielampen, metaalhalogeenlampen, hogedruk-natriumlampen en ledlampen. Vanwege de lage elektrische en optische efficiëntie, de lage fotosynthetische energie-efficiëntie en andere tekortkomingen van gloeilampen, zijn deze van de markt verdwenen en worden ze in dit artikel niet verder geanalyseerd.

■ Fluorescentielamp
Fluorescentielampen behoren tot het type lagedrukgasontladingslampen. De glazen buis is gevuld met kwikdamp of inert gas en de binnenwand van de buis is bekleed met fluorescerend poeder. De lichtkleur varieert afhankelijk van het fluorescerende materiaal waarmee de buis is bekleed. Fluorescentielampen hebben goede spectrale prestaties, een hoge lichtopbrengst, een laag stroomverbruik, een langere levensduur (12.000 uur) in vergelijking met gloeilampen en zijn relatief goedkoop. Omdat de fluorescentielamp zelf weinig warmte afgeeft, kan deze dicht bij de planten worden geplaatst voor belichting en is hij geschikt voor driedimensionale teelt. De spectrale opstelling van de fluorescentielamp is echter niet optimaal. De meest gangbare methode wereldwijd is het toevoegen van reflectoren om de effectieve lichtbroncomponenten voor de gewassen in het teeltgebied te maximaliseren. Het Japanse bedrijf adv-agri heeft ook een nieuw type aanvullende lichtbron ontwikkeld: HEFL. HEFL valt eigenlijk onder de categorie fluorescentielampen. Het is de algemene term voor koudkathodefluorescentielampen (CCFL) en externe elektrodefluorescentielampen (EEFL), en is een gemengde elektrodefluorescentielamp. De HEFL-buis is extreem dun, met een diameter van slechts ongeveer 4 mm, en de lengte kan worden aangepast van 450 mm tot 1200 mm, afhankelijk van de behoeften van de teelt. Het is een verbeterde versie van de conventionele fluorescentielamp.

■ Metaalhalogeenlamp
De metaalhalidelamp is een hogedrukontladingslamp die verschillende elementen kan exciteren om verschillende golflengten te produceren door diverse metaalhaliden (tinbromide, natriumjodide, enz.) toe te voegen aan de ontladingsbuis, gebaseerd op een hogedrukkwiklamp. Halogeenlampen hebben een hoge lichtopbrengst, een hoog vermogen, een goede lichtkleur, een lange levensduur en een breed spectrum. Omdat de lichtopbrengst echter lager is dan die van hogedruknatriumlampen en de levensduur korter is, worden ze momenteel slechts in een beperkt aantal fabrieken gebruikt.

■ Hogedruk-natriumlamp
Hogedruk-natriumlampen behoren tot het type hogedruk-gasontladingslampen. De hogedruk-natriumlamp is een zeer efficiënte lamp waarbij hogedruk-natriumdamp in de ontladingsbuis wordt gebracht, waaraan een kleine hoeveelheid xenon (Xe) en kwikmetaalhalide wordt toegevoegd. Omdat hogedruk-natriumlampen een hoge elektro-optische conversie-efficiëntie hebben met lagere productiekosten, worden ze momenteel het meest gebruikt voor aanvullende verlichting in landbouwbedrijven. Vanwege de lage fotosynthetische efficiëntie in hun spectrum hebben ze echter een lage energie-efficiëntie. Bovendien zijn de spectrale componenten die door hogedruk-natriumlampen worden uitgezonden voornamelijk geconcentreerd in de geel-oranje lichtband, waardoor de rode en blauwe spectra die nodig zijn voor plantengroei ontbreken.

■ Lichtgevende diode
Als een nieuwe generatie lichtbronnen hebben lichtgevende diodes (LED's) vele voordelen, zoals een hogere elektro-optische conversie-efficiëntie, een instelbaar spectrum en een hoge fotosynthetische efficiëntie. LED's kunnen monochromatisch licht produceren, wat essentieel is voor plantengroei. Vergeleken met gewone TL-lampen en andere aanvullende lichtbronnen, hebben LED's voordelen zoals energiebesparing, milieuvriendelijkheid, een lange levensduur, monochromatisch licht en een koud lichteffect. Door de verdere verbetering van de elektro-optische efficiëntie van LED's en de kostenverlaging als gevolg van schaalvoordelen, zullen LED-groeiverlichtingssystemen de standaard worden voor aanvullende verlichting in de landbouw. ​​Hierdoor wordt LED-groeiverlichting al in meer dan 99,9% van de plantenkwekerijen toegepast.

Door de verschillende aanvullende lichtbronnen met elkaar te vergelijken, kunnen de kenmerken ervan duidelijk worden begrepen, zoals weergegeven in tabel 1.

Mobiel verlichtingsapparaat
De lichtintensiteit is nauw verbonden met de groei van gewassen. Driedimensionale teelt wordt vaak gebruikt in plantenfabrieken. Door de beperkingen van de structuur van de teeltrekken kan de ongelijke verdeling van licht en temperatuur tussen de rekken echter de opbrengst van de gewassen beïnvloeden en de oogstperiode niet synchroon laten verlopen. Een bedrijf in Peking heeft in 2010 met succes een handmatig hefsysteem voor lichtaanvulling (HPS-lampen en LED-groeilampen) ontwikkeld. Het principe is dat door aan een hendel te draaien, de aandrijfas en de daarop bevestigde oprolinrichting roteert, waardoor de kleine filmrol wordt opgerold en afgerold. De kabel van de groeilamp is via meerdere keerwielen verbonden met het oprolwiel van de lift, waardoor de hoogte van de groeilamp kan worden aangepast. In 2017 ontwierp en ontwikkelde hetzelfde bedrijf een nieuw mobiel lichtaanvullingssysteem dat de hoogte van de lichtaanvulling automatisch en in realtime kan aanpassen aan de groeibehoeften van het gewas. Dit verstelsysteem is nu geïnstalleerd op de drielaagse, hefbare driedimensionale teeltrekken. De bovenste laag van het apparaat is de laag met de beste lichtomstandigheden en is daarom uitgerust met hogedruk-natriumlampen; de middelste en onderste laag zijn voorzien van LED-groeilampen en een in hoogte verstelbaar systeem. Dit systeem kan de hoogte van de groeilampen automatisch aanpassen om een ​​geschikte lichtomgeving voor de gewassen te creëren.

In tegenstelling tot het mobiele lichtaanvullingssysteem dat speciaal is ontworpen voor driedimensionale teelt, heeft Nederland een horizontaal verplaatsbaar LED-groeilichtsysteem ontwikkeld. Om de invloed van schaduw op de plantengroei in de zon te minimaliseren, kan het groeilichtsysteem via een telescopische geleider horizontaal naar beide zijden van de beugel worden geschoven, zodat de planten optimaal van de zon worden voorzien. Op bewolkte en regenachtige dagen zonder zonlicht kan het groeilichtsysteem naar het midden van de beugel worden geschoven, zodat het licht de planten gelijkmatig belicht. Door het groeilichtsysteem horizontaal te verplaatsen via de geleider op de beugel, wordt frequent demonteren en verwijderen van het systeem voorkomen en de arbeidsintensiteit van de medewerkers verminderd, wat de efficiëntie aanzienlijk verbetert.

Ontwerpideeën voor een typisch kweeklampensysteem
Aan het ontwerp van het mobiele aanvullende verlichtingsapparaat is duidelijk te zien dat bij het ontwerp van een aanvullend verlichtingssysteem voor plantenkwekerijen de parameters lichtintensiteit, lichtkwaliteit en fotoperiode voor verschillende groeistadia van de gewassen centraal staan. Door middel van een intelligent besturingssysteem worden deze parameters geïmplementeerd, met als uiteindelijk doel energiebesparing en een hoge opbrengst.

Het ontwerp en de constructie van aanvullende verlichting voor bladgroenten zijn inmiddels geleidelijk aan volwassen geworden. Bladgroenten kunnen bijvoorbeeld worden onderverdeeld in vier groeistadia: zaailingstadium, middengroei, late groei en eindstadium; vruchtgroenten kunnen worden onderverdeeld in zaailingstadium, vegetatieve groeifase, bloeifase en oogstfase. Wat betreft de eigenschappen van de intensiteit van de aanvullende verlichting, moet de lichtintensiteit in het zaailingstadium iets lager zijn, tussen de 60 en 200 μmol/(m²·s), en vervolgens geleidelijk toenemen. Bladgroenten kunnen een intensiteit van 100 tot 200 μmol/(m²·s) bereiken en vruchtgroenten 300 tot 500 μmol/(m²·s) om te voldoen aan de lichtintensiteitsbehoeften voor fotosynthese in elke groeifase en om een ​​hoge opbrengst te garanderen. Wat betreft de lichtkwaliteit is de verhouding tussen rood en blauw licht zeer belangrijk. Om de kwaliteit van zaailingen te verbeteren en overmatige groei in het zaailingstadium te voorkomen, wordt de verhouding rood tot blauw licht over het algemeen laag ingesteld (1-2):1) en vervolgens geleidelijk verlaagd om aan de lichtbehoeften van de plant te voldoen. Voor bladgroenten kan de verhouding rood tot blauw licht worden ingesteld op 3-6:1. Net als de lichtintensiteit moet de fotoperiode toenemen naarmate de groeiperiode langer wordt, zodat bladgroenten meer tijd hebben voor fotosynthese. Het ontwerpen van lichtsupplementen voor fruit en groenten is complexer. Naast de bovengenoemde basisprincipes moeten we ons ook richten op het instellen van de fotoperiode tijdens de bloeiperiode. De bloei en vruchtvorming van groenten moeten worden bevorderd om averechtse effecten te voorkomen.

Het is belangrijk te vermelden dat de lichtformule ook de uiteindelijke behandeling voor de lichtomstandigheden moet omvatten. Continue lichttoevoeging kan bijvoorbeeld de opbrengst en kwaliteit van hydrocultuur-bladgroentezaailingen aanzienlijk verbeteren, of UV-behandeling kan de voedingswaarde van kiemen en bladgroenten (met name paarse en rode sla) aanzienlijk verbeteren.

Naast het optimaliseren van de lichttoevoer voor geselecteerde gewassen, heeft ook het besturingssysteem voor de lichtbron van sommige kunstmatige lichtplantenkwekerijen zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld. Dit besturingssysteem is over het algemeen gebaseerd op een B/S-structuur. Via wifi worden omgevingsfactoren zoals temperatuur, luchtvochtigheid, licht en CO2-concentratie tijdens de groei van gewassen op afstand en automatisch geregeld. Tegelijkertijd wordt een productiemethode gerealiseerd die niet afhankelijk is van externe omstandigheden. Dit intelligente aanvullende lichtsysteem maakt gebruik van LED-groeilampen als aanvullende lichtbron. In combinatie met een intelligent besturingssysteem op afstand kan het voldoen aan de behoeften van planten op het gebied van lichtintensiteit, is het bijzonder geschikt voor lichtgecontroleerde plantenteelt en sluit het goed aan op de marktvraag.

Afsluitende opmerkingen
Plantenfabrieken worden beschouwd als een belangrijke manier om wereldwijde problemen op het gebied van grondstoffen, bevolking en milieu in de 21e eeuw op te lossen, en als een belangrijke manier om voedselzelfvoorziening te bereiken in toekomstige hightechprojecten. Als een nieuwe vorm van landbouwproductie bevinden plantenfabrieken zich nog in een leer- en groeifase, en is meer aandacht en onderzoek nodig. Dit artikel beschrijft de kenmerken en voordelen van gangbare aanvullende verlichtingsmethoden in plantenfabrieken en introduceert ontwerpideeën voor typische aanvullende verlichtingssystemen voor gewassen. Uit een vergelijking blijkt al snel dat LED-groeilichtapparatuur het meest aansluit bij de huidige ontwikkelingstrends om de lage lichtomstandigheden als gevolg van extreme weersomstandigheden zoals aanhoudende bewolking en mist te compenseren en een hoge en stabiele productie van gewassen in de fabriek te garanderen.

De toekomstige ontwikkelingsrichting van plantenkwekerijen moet zich richten op nieuwe, zeer nauwkeurige en goedkope sensoren, op afstand bedienbare, instelbare spectrumverlichtingssystemen en geavanceerde besturingssystemen. Tegelijkertijd zullen toekomstige plantenkwekerijen zich blijven ontwikkelen naar een kostenefficiënte, intelligente en zelfaanpassende omgeving. Het gebruik en de popularisering van LED-groeilampen bieden een garantie voor een zeer nauwkeurige omgevingscontrole in plantenkwekerijen. De regulering van de LED-lichtomgeving is een complex proces dat een alomvattende regeling van lichtkwaliteit, lichtintensiteit en fotoperiode omvat. Relevante experts en wetenschappers moeten diepgaand onderzoek verrichten om de toepassing van LED-aanvullende verlichting in plantenkwekerijen met kunstmatige verlichting te bevorderen.