Auteur: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, enz.Bronmedia: Agricultural Engineering Technology (glastuinbouw)

De plantenfabriek combineert moderne industrie, biotechnologie, hydrocultuur met voedingsstoffen en informatietechnologie om zeer nauwkeurige controle van omgevingsfactoren in de faciliteit te implementeren.Het is volledig omsloten, stelt lage eisen aan de omgeving, verkort de oogstperiode van de plant, bespaart water en kunstmest, en met de voordelen van niet-pesticideproductie en geen afvallozing, is de efficiëntie van het landgebruik per eenheid 40 tot 108 keer zo hoog. van vollegrondsproductie.Onder hen spelen de intelligente kunstmatige lichtbron en de regulering van de lichtomgeving een beslissende rol in de productie-efficiëntie.

Als belangrijke fysieke omgevingsfactor speelt licht een sleutelrol bij het reguleren van de plantengroei en de stofwisseling."Een van de belangrijkste kenmerken van de plantenfabriek is de volledige kunstmatige lichtbron en de realisatie van intelligente regeling van de lichtomgeving" is een algemene consensus geworden in de industrie.

De behoefte van planten aan licht

Licht is de enige energiebron van de fotosynthese van planten.Lichtintensiteit, lichtkwaliteit (spectrum) en periodieke lichtveranderingen hebben een grote invloed op de groei en ontwikkeling van gewassen, waarvan de lichtintensiteit de grootste invloed heeft op de fotosynthese van planten.

■ Licht intensiteit

De intensiteit van het licht kan de morfologie van gewassen veranderen, zoals de bloei, de lengte van de internodiën, de dikte van de stengel en de bladgrootte en -dikte.De eisen van planten aan lichtintensiteit kunnen worden onderverdeeld in lichtminnende, middelmatig lichtminnende en weinig lichttolerante planten.Groenten zijn meestal lichtminnende planten en hun lichtcompensatiepunten en lichtverzadigingspunten zijn relatief hoog.In kunstlichtplantenfabrieken zijn de relevante eisen van gewassen aan lichtintensiteit een belangrijke basis voor de keuze van kunstlichtbronnen.Het begrijpen van de lichtbehoeften van verschillende planten is belangrijk voor het ontwerpen van kunstmatige lichtbronnen. Het is uiterst noodzakelijk om de productieprestaties van het systeem te verbeteren.

■ Lichte kwaliteit

De lichtkwaliteit (spectrale) verdeling heeft ook een belangrijke invloed op de fotosynthese en morfogenese van planten (Figuur 1).Licht maakt deel uit van straling en straling is een elektromagnetische golf.Elektromagnetische golven hebben golfkarakteristieken en kwantum(deeltjes)karakteristieken.Het kwantum van licht wordt in de tuinbouw 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 in de fotosynthese van planten.Figuur 2 toont het spectrale absorptiespectrum van elk fotosynthetisch pigment, waarin het chlorofylabsorptiespectrum geconcentreerd is in de rode en blauwe banden.Het verlichtingssysteem is gebaseerd op de spectrale behoeften van gewassen om licht kunstmatig aan te vullen, om zo de fotosynthese van planten te bevorderen.

■ fotoperiode
De relatie tussen fotosynthese en fotomorfogenese van planten en daglengte (of fotoperiode) wordt fotoperioditeit van planten genoemd.De fotoperiodiciteit hangt nauw samen met de lichturen, wat verwijst naar de tijd dat het gewas wordt bestraald met licht.Verschillende gewassen hebben een bepaald aantal uren licht nodig om de fotoperiode te voltooien om te bloeien en vrucht te dragen.Volgens de verschillende fotoperioden kan het worden onderverdeeld in langedaggewassen, zoals kool, enz., Die meer dan 12-14 uur lichturen nodig hebben in een bepaald stadium van zijn groei;kortedaggewassen, zoals uien, sojabonen, enz., hebben minder dan 12-14 uur verlichting nodig;halfzongewassen, zoals komkommers, tomaten, paprika's enz., kunnen bloeien en vrucht dragen bij langer of korter zonlicht.
Van de drie elementen van de omgeving is lichtintensiteit een belangrijke basis voor het selecteren van kunstmatige lichtbronnen.Op dit moment zijn er veel manieren om de lichtintensiteit uit te drukken, waaronder voornamelijk de volgende drie.
(1) Verlichting verwijst naar de oppervlaktedichtheid van de lichtstroom (lichtstroom per oppervlakte-eenheid) ontvangen op het verlichte vlak, in lux (lx).

(2) Fotosynthetisch actieve straling, PAR, Eenheid: W/m²。

(3) De fotosynthetisch effectieve fotonfluxdichtheid PPFD of PPF is het aantal fotosynthetisch effectieve straling dat de tijdseenheid en oppervlakte-eenheid bereikt of passeert, eenheid: μmol/(m²·s)。 Verwijst voornamelijk naar de lichtintensiteit van 400~700nm direct gerelateerd aan fotosynthese.Het is ook de meest gebruikte lichtintensiteitsindicator op het gebied van plantproductie.

Lichtbronanalyse van typisch aanvullend lichtsysteem
Kunstlichtsupplement is om de lichtintensiteit in het doelgebied te verhogen of de lichttijd te verlengen door een aanvullend lichtsysteem te installeren om aan de lichtbehoefte van planten te voldoen.Over het algemeen omvat het aanvullende verlichtingssysteem aanvullende verlichtingsapparatuur, circuits en het bijbehorende besturingssysteem.Aanvullende lichtbronnen zijn vooral enkele veelvoorkomende soorten zoals gloeilampen, tl-lampen, halogeen-metaaldamplampen, hogedruknatriumlampen en leds.Vanwege de lage elektrische en optische efficiëntie van gloeilampen, lage fotosynthetische energie-efficiëntie en andere tekortkomingen, is deze door de markt geëlimineerd, dus dit artikel maakt geen gedetailleerde analyse.

■ Fluorescentielamp
Fluorescentielampen behoren tot het type lagedrukgasontladingslampen.De glazen buis is gevuld met kwikdamp of inert gas en de binnenwand van de buis is bedekt met fluorescerend poeder.De lichtkleur varieert met het fluorescerende materiaal dat in de buis is gecoat.Fluorescentielampen hebben goede spectrale prestaties, een hoog lichtrendement, een laag stroomverbruik, een langere levensduur (12000 uur) in vergelijking met gloeilampen en relatief lage kosten.Doordat de TL-lamp zelf minder warmte afgeeft, kan hij dicht bij de planten staan ​​voor verlichting en is hij geschikt voor driedimensionale teelt.De spectrale indeling van de fluorescentielamp is echter onredelijk.De meest gebruikelijke methode ter wereld is het toevoegen van reflectoren om de effectieve lichtbroncomponenten van de gewassen in het teeltgebied te maximaliseren.Het Japanse adv-agri-bedrijf heeft ook een nieuw type aanvullende lichtbron HEFL ontwikkeld.HEFL behoort eigenlijk tot de categorie fluorescentielampen.Het is de algemene term voor fluorescentielampen met koude kathode (CCFL) en fluorescentielampen met externe elektrode (EEFL), en is een fluorescentielamp met gemengde elektroden.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 TL-lamp.

■ Metaalhalogenidelamp
De metaalhalogenidelamp is een ontladingslamp met hoge intensiteit die verschillende elementen kan exciteren om verschillende golflengten te produceren door verschillende metaalhalogeniden (tinbromide, natriumjodide, enz.) In de ontladingsbuis toe te voegen op basis van een hogedrukkwiklamp.Halogeenlampen hebben een hoge lichtopbrengst, een hoog vermogen, een goede lichtkleur, een lange levensduur en een groot spectrum.Omdat de lichtopbrengst echter lager is dan die van hogedruknatriumlampen en de levensduur korter is dan die van hogedruknatriumlampen, wordt het momenteel slechts in enkele fabrieken gebruikt.

■ Hogedruknatriumlamp
Hogedruknatriumlampen behoren tot het type hogedrukgasontladingslampen.De hogedruknatriumlamp is een hoogrendementslamp waarbij hogedruknatriumdamp in de ontladingsbuis wordt gebracht en een kleine hoeveelheid xenon (Xe) en kwikmetaalhalogenide wordt toegevoegd.Omdat hogedruknatriumlampen een hoge elektro-optische conversie-efficiëntie hebben met lagere productiekosten, worden hogedruknatriumlampen momenteel het meest gebruikt bij de toepassing van aanvullend licht in landbouwfaciliteiten.Vanwege de tekortkomingen van een lage fotosynthese-efficiëntie in hun spectrum, hebben ze echter de tekortkomingen van een lage energie-efficiëntie.Aan de andere kant zijn de spectrale componenten van hogedruknatriumlampen voornamelijk geconcentreerd in de geeloranje lichtband, die de rode en blauwe spectra mist die nodig zijn voor plantengroei.

■ Lichtgevende diode
Als een nieuwe generatie lichtbronnen hebben light-emitting diodes (LED's) veel voordelen, zoals een hogere elektro-optische conversie-efficiëntie, een instelbaar spectrum en een hoge fotosynthese-efficiëntie.LED kan monochromatisch licht uitstralen dat nodig is voor plantengroei.Vergeleken met gewone fluorescentielampen en andere aanvullende lichtbronnen, heeft LED de voordelen van energiebesparing, milieubescherming, lange levensduur, monochromatisch licht, koude lichtbron enzovoort.Met de verdere verbetering van de elektro-optische efficiëntie van LED's en de verlaging van de kosten als gevolg van het schaaleffect, zullen LED-groeiverlichtingssystemen de reguliere uitrusting worden voor het aanvullen van licht in landbouwfaciliteiten.Als gevolg hiervan zijn LED-groeilampen toegepast in meer dan 99,9% plantfabrieken.

Door vergelijking kunnen de kenmerken van verschillende aanvullende lichtbronnen duidelijk worden begrepen, zoals weergegeven in tabel 1.

Mobiel verlichtingsapparaat
De intensiteit van het licht hangt nauw samen met de groei van gewassen.Driedimensionaal kweken wordt vaak toegepast in plantfabrieken.Door de beperking van de structuur van de teeltrekken zal de ongelijke verdeling van licht en temperatuur tussen de rekken echter invloed hebben op de opbrengst van de gewassen en zal de oogstperiode niet synchroon lopen.Een bedrijf in Beijing heeft in 2010 met succes een handmatig heflichtsupplement (HPS-verlichtingsarmatuur en LED-groeiverlichtingsarmatuur) ontwikkeld. Het principe is om de aandrijfas en de daarop bevestigde spoel te draaien door de hendel te schudden om de kleine filmrol te draaien om het doel te bereiken om de staalkabel in te trekken en af ​​te wikkelen.De draadkabel van het groeilicht is verbonden met het opwindwiel van de lift via meerdere sets omkeerwielen, om het effect te bereiken van het aanpassen van de hoogte van het groeilicht.In 2017 ontwierp en ontwikkelde het bovengenoemde bedrijf een nieuw mobiel apparaat voor lichtsupplementen, dat de hoogte van het lichtsupplement automatisch in realtime kan aanpassen aan de behoeften van de gewasgroei.Het verstelapparaat is nu geïnstalleerd op het 3-laags lichtbron heftype driedimensionaal kweekrek.De bovenste laag van het apparaat is het niveau met de beste lichtomstandigheden en is daarom uitgerust met hogedruknatriumlampen;de middelste laag en de onderste laag zijn voorzien van LED kweeklampen en een hefverstelsysteem.Het kan automatisch de hoogte van het groeilicht aanpassen om een ​​geschikte verlichtingsomgeving voor de gewassen te bieden.

In vergelijking met de mobiele lichtaanvullingsinrichting op maat gemaakt voor driedimensionale teelt, heeft Nederland een horizontaal beweegbare led-groeilichtaanvullingsbelichtingsinrichting ontwikkeld.Om de invloed van de schaduw van de kweeklamp op de groei van planten in de zon te voorkomen, kan het groeilichtsysteem door de telescopische slede in horizontale richting naar beide zijden van de beugel geschoven worden, zodat de zon volledig bestraald op de planten;op bewolkte en regenachtige dagen zonder zonlicht, duw het groeilichtsysteem naar het midden van de beugel om het licht van het groeilichtsysteem de planten gelijkmatig te laten vullen;verplaats het groeilichtsysteem horizontaal door de schuif op de beugel, vermijd frequente demontage en verwijdering van het groeilichtsysteem en verminder de arbeidsintensiteit van werknemers, waardoor de werkefficiëntie effectief wordt verbeterd.

Ontwerpideeën van een typisch groeilichtsysteem
Het is niet moeilijk om aan het ontwerp van het mobiele aanvullende verlichtingsapparaat te zien dat het ontwerp van het aanvullende verlichtingssysteem van de plantfabriek meestal de lichtintensiteit, lichtkwaliteit en fotoperiodeparameters van verschillende gewasgroeiperiodes als de kerninhoud van het ontwerp neemt , vertrouwend op het intelligente besturingssysteem om te implementeren, waarmee het uiteindelijke doel van energiebesparing en hoge opbrengst wordt bereikt.

Op dit moment is het ontwerp en de constructie van aanvullend licht voor bladgroenten geleidelijk volwassen geworden.Bladgroenten kunnen bijvoorbeeld worden onderverdeeld in vier stadia: zaailingstadium, middengroei, late groei en eindstadium;fruit-groenten kunnen worden onderverdeeld in zaailingstadium, vegetatieve groeifase, bloeifase en oogstfase.Gezien de kenmerken van aanvullende lichtintensiteit, zou de lichtintensiteit in het zaailingstadium iets lager moeten zijn, namelijk 60~200 μmol/(m²·s), en daarna geleidelijk toenemen.Bladgroenten kunnen oplopen tot 100~200 μmol/(m²·s) en fruitgroenten kunnen 300~500 μmol/(m²·s) bereiken om te voldoen aan de lichtintensiteitseisen van de fotosynthese van planten in elke groeiperiode en te voldoen aan de behoeften van hoge opbrengst;Qua lichtkwaliteit is de verhouding tussen rood en blauw erg belangrijk.Om de kwaliteit van zaailingen te verbeteren en overmatige groei in het zaailingstadium te voorkomen, wordt de verhouding tussen rood en blauw over het algemeen op een laag niveau ingesteld [(1~2):1] en vervolgens geleidelijk verlaagd om aan de behoeften van de plant te voldoen. lichte morfologie.De verhouding rood/blauw/bladgroente kan worden ingesteld op (3~6):1.Voor de fotoperiode zou deze, vergelijkbaar met de lichtintensiteit, een stijgende trend moeten vertonen met de verlenging van de groeiperiode, zodat bladgroenten meer fotosynthesetijd hebben voor fotosynthese.Het lichte supplementontwerp van groenten en fruit zal ingewikkelder zijn.Naast de bovengenoemde basiswetten, moeten we ons concentreren op het instellen van de fotoperiode tijdens de bloeiperiode en moet de bloei en vruchtvorming van groenten worden bevorderd, om geen averechts effect te hebben.

Het is vermeldenswaard dat de lichtformule de eindbehandeling voor lichte omgevingsinstellingen moet bevatten.Zo kan continue lichtsuppletie de opbrengst en kwaliteit van hydroponische bladgroentezaailingen aanzienlijk verbeteren, of een UV-behandeling gebruiken om de voedingskwaliteit van spruiten en bladgroenten (vooral paarse bladeren en rode bladsla) aanzienlijk te verbeteren.

Naast het optimaliseren van de lichtsuppletie voor geselecteerde gewassen, heeft ook het lichtbronregelsysteem van sommige fabrieken voor kunstlichtplanten zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld.Dit controlesysteem is over het algemeen gebaseerd op de B/S-structuur.Afstandsbediening en automatische controle van omgevingsfactoren zoals temperatuur, vochtigheid, licht en CO2-concentratie tijdens de groei van gewassen wordt gerealiseerd via WIFI, en tegelijkertijd wordt een productiemethode gerealiseerd die niet wordt beperkt door externe omstandigheden.Dit soort intelligent aanvullend lichtsysteem maakt gebruik van LED-groeilichtarmatuur als aanvullende lichtbron, gecombineerd met een intelligent besturingssysteem op afstand, kan voldoen aan de behoeften van plantgolflengteverlichting, is met name geschikt voor lichtgestuurde plantenteeltomgevingen en kan goed voldoen aan de marktvraag .

Afsluitende opmerkingen
Plantenfabrieken worden beschouwd als een belangrijke manier om de wereldproblemen op het gebied van hulpbronnen, bevolking en milieu in de 21e eeuw op te lossen, en een belangrijke manier om in toekomstige hightechprojecten zelfvoorzienend te worden op het gebied van voedsel.Plantenfabrieken zijn een nieuwe vorm van agrarische productiemethode en bevinden zich nog in de leer- en groeifase, en er is meer aandacht en onderzoek nodig.Dit artikel beschrijft de kenmerken en voordelen van gangbare aanvullende belichtingsmethoden in plantenfabrieken en introduceert de ontwerpideeën van typische aanvullende belichtingssystemen voor gewassen.Het is niet moeilijk om door middel van vergelijking te vinden dat LED Grow-lichtbronapparatuur het meest in overeenstemming is met de huidige ontwikkeling om het lage licht dat wordt veroorzaakt door zwaar weer, zoals aanhoudende bewolking en nevel, aan te kunnen en om een ​​hoge en stabiele productie van faciliteitsgewassen te garanderen trends.

De toekomstige ontwikkelingsrichting van fabrieksfabrieken moet gericht zijn op nieuwe, zeer nauwkeurige, goedkope sensoren, op afstand bestuurbare, instelbare spectrumverlichtingssystemen en deskundige besturingssystemen.Tegelijkertijd zullen de fabrieken van de toekomst zich blijven ontwikkelen in de richting van lage kosten, intelligent en zelfaanpassend.Het gebruik en de populariteit van LED-groeilichtbronnen bieden een garantie voor zeer nauwkeurige omgevingscontrole van plantenfabrieken.De regulering van de LED-lichtomgeving is een complex proces waarbij uitgebreide regulering van de lichtkwaliteit, lichtintensiteit en fotoperiode betrokken is.Relevante experts en geleerden moeten diepgaand onderzoek doen om aanvullende LED-verlichting in fabrieken voor kunstlichtinstallaties te promoten.