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

De fabrieksfabriek combineert de moderne industrie, biotechnologie, hydroponics en informatietechnologie voor voedingsstoffen om een ​​zeer nauwkeurige controle van omgevingsfactoren in de faciliteit te implementeren. Het is volledig ingesloten, heeft een lage vereisten aan de omliggende omgeving, verkort de plantenoogstperiode, bespaart water en meststoffen en met de voordelen van niet-pesticidenproductie en geen afvalafvoer, is de efficiëntie van het landgebruik 40 tot 108 keer daarvan van open veldproductie. Onder hen spelen de intelligente kunstmatige lichtbron en zijn lichtomgevingregulering een beslissende rol in de productie -efficiëntie.

Als een belangrijke fysieke omgevingsfactor speelt licht een sleutelrol bij het reguleren van de groei van planten en het materiaalmetabolisme. "Een van de belangrijkste kenmerken van de fabrieksfabriek is de volledige bron van kunstmatige licht en de realisatie van intelligente regulering van de lichtomgeving" is een algemene consensus geworden in de industrie.

De behoefte van planten aan licht

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

■ Lichtintensiteit

De intensiteit van het licht kan de morfologie van gewassen veranderen, zoals bloei, interne lengte, stengeldikte en bladgrootte en dikte. De vereisten van planten voor lichtintensiteit kunnen worden onderverdeeld in lichtminnende, medium-lichtminnende en laag lichttolerante planten. Groenten zijn meestal lichte planten en hun lichtcompensatiepunten en lichtverzadigingspunten zijn relatief hoog. In kunstmatige fabrieken van het licht zijn de relevante vereisten van gewassen voor lichtintensiteit een belangrijke basis voor het selecteren van kunstmatige lichtbronnen. Inzicht in de lichte vereisten van verschillende planten is belangrijk voor het ontwerpen van kunstmatige lichtbronnen, het is uiterst noodzakelijk om de productieprestaties van het systeem te verbeteren.

■ Lichtkwaliteit

De verdeling van de lichtkwaliteit (spectrale) heeft ook een belangrijke invloed op de fotosynthese van planten en morfogenese (figuur 1). Licht maakt deel uit van straling en straling is een elektromagnetische golf. Elektromagnetische golven hebben golfkarakteristieken en kwantum (deeltjes) kenmerken. De hoeveelheid licht wordt foton genoemd in het tuinbouwveld. 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 is geconcentreerd in de rode en blauwe banden. Het verlichtingssysteem is gebaseerd op de spectrale behoeften van gewassen om licht kunstmatig aan te vullen, om de fotosynthese van planten te bevorderen.

■ fotoperiode
De relatie tussen fotosynthese en fotomorfogenese van planten en daglengte (of fotoperiode tijd) wordt fotoperiode van planten genoemd. De fotoperiode is nauw verwant aan de lichturen, die verwijst naar de tijd dat het gewas wordt bestraald door licht. Verschillende gewassen vereisen een bepaald aantal uren licht om de fotoperiode te voltooien om te bloeien en fruit te dragen. Volgens de verschillende fotoperioden kan het worden onderverdeeld in langdaagse gewassen, zoals kool, enz., Die meer dan 12-14 uur lichturen vereisen in een bepaald stadium van de groei; Korte gewassen, zoals uien, sojabonen, enz., Vereisen minder dan 12-14 uur verlichtingstijden; Mediumzonde gewassen, zoals komkommers, tomaten, paprika's, enz., Kunnen bloeien en vruchten afhouden onder langer of korter zonlicht.
Van de drie elementen van de omgeving is lichtintensiteit een belangrijke basis voor het selecteren van kunstmatige lichtbronnen. Momenteel zijn er veel manieren om lichtintensiteit uit te drukken, voornamelijk inclusief de volgende drie.
（1） Verlichting verwijst naar de oppervlaktedichtheid van lichtstroom (lumineuze flux 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 een eenheidstijd en eenheidsgebied reikt of doorgaat, eenheid: ： μmol/(m² · s)。, verwijst naar de lichtintensiteit van 400 ~ 700 nm Direct gerelateerd aan fotosynthese. Het is ook de meest gebruikte lichtintensiteitsindicator op het gebied van plantproductie.

Lichtbronanalyse van typisch aanvullend lichtsysteem
Artificial Light Supplement is om de lichtintensiteit in het doelgebied te vergroten of de lichttijd te verlengen door een supplementlichtsysteem te installeren om de lichte vraag van planten te vervullen. Over het algemeen omvat het aanvullende lichtsysteem aanvullende lichtapparatuur, circuits en het besturingssysteem. Aanvullende lichtbronnen omvatten voornamelijk verschillende veel voorkomende typen zoals gloeilampen, fluorescentielampen, metalen halidemalen, natriumlampen met hoge druk en LED's. Vanwege de lage elektrische en optische efficiëntie van gloeilampen, lage fotosynthetische energie -efficiëntie en andere tekortkomingen, is het door de markt geëlimineerd, dus dit artikel maakt geen gedetailleerde analyse.

■ Fluorescentielamp
Fluorescerende lampen behoren tot het type lagedrukafvoerlampen met lage druk. 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 fluorescentiemateriaal dat in de buis is bekleed. Fluorescentielampen hebben een goede spectrale prestaties, hoge lichtefficiëntie, laag vermogen, langere levensduur (12000H) vergeleken met gloeilampen en relatief lage kosten. Omdat de fluorescentielamp zelf minder warmte uitzendt, kan deze dicht bij de planten zijn voor verlichting en is het geschikt voor driedimensionale teelt. De spectrale lay -out van de fluorescentielamp is echter onredelijk. De meest voorkomende methode ter wereld is om reflectoren toe te voegen 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 externe elektrode fluorescentielampen (EEFL) en is een gemengde elektrode fluorescentielamp. 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 volgens de behoeften van teelt. Het is een verbeterde versie van de conventionele fluorescentielamp.

■ metalen halogenide lamp
De metalen halidemamp is een lamp met een hoge intensiteit die verschillende elementen kan opwinden om verschillende golflengten te produceren door verschillende metalen haliden (tinbromide, natriumjodide, enz.) In de afvoerbuis toe te voegen op basis van een hoge druk kwiklamp. Halogeenlampen hebben een hoge lichtgevende efficiëntie, hoog vermogen, goede lichtkleur, lange levensduur en groot spectrum. Omdat de lichtgevende efficiëntie echter lager is dan die van hogedruknatriumlampen en de levensduur korter is dan die van hoge druk natriumlampen, wordt deze momenteel alleen gebruikt in een paar plantenfabrieken.

■ Hoge druk natriumlamp
Hoge druk natriumlampen behoren tot het type hogedrukgasafvoerlampen. De hogedruk natriumlamp is een hoog-efficiënte lamp waarin hogedruk natriumdamp in de afvoerbuis wordt gevuld en een kleine hoeveelheid xenon (XE) en kwikmetaalhalogenide worden toegevoegd. Omdat hogedruk natriumlampen een hoge elektro-optische conversie-efficiëntie hebben met lagere productiekosten, zijn natriumlampen met hoge druk momenteel het meest gebruikt bij de toepassing van aanvullend licht in landbouwfaciliteiten. Vanwege de tekortkomingen van lage fotosynthetische efficiëntie in hun spectrum hebben ze echter de tekortkomingen van lage energie -efficiëntie. Aan de andere kant zijn de spectrale componenten die worden uitgestoten door natriumlampen met hoge druk, voornamelijk geconcentreerd in de geel-oranje lichtband, die de rode en blauwe spectra mist die nodig is voor plantengroei.

■ Licht emitting diode
Als een nieuwe generatie lichtbronnen hebben licht-emitterende diodes (LED's) veel voordelen, zoals hogere elektro-optische conversie-efficiëntie, instelbaar spectrum en hoge fotosynthetische efficiëntie. LED kan monochromatisch licht uitzenden 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 veroorzaakt door het schaaleffect, worden LED-kweeklichtsystemen de reguliere apparatuur voor het aanvullen van licht in landbouwfaciliteiten. Als gevolg hiervan zijn LED -kweeklichten toegepast 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 is nauw verwant met de groei van gewassen. Driedimensionale teelt wordt vaak gebruikt in plantenfabrieken. Vanwege de beperking van de structuur van de teeltrekken, zal de ongelijke verdeling van het licht en de temperatuur tussen de rekken de opbrengst van de gewassen en de oogstperiode echter niet worden gesynchroniseerd. Een bedrijf in Beijing heeft in 2010 met succes een handmatig tillendicht supplementapparaat (HPS -verlichtingsarmatuur en LED -groeiverlichting) ontwikkeld. Het principe is om de aandrijfas te roteren en de Winder die erop is bevestigd door het handvat te schudden om de kleine filmpoel te roteren om de kleine filmpeel te draaien Om het doel van het intrekken en af ​​te wikkelen van het draadtouw te bereiken. Het draadtouw van het kweeklamp is verbonden met het wikkelwiel van de lift door meerdere sets van omkeerwielen, om het effect van het aanpassen van de hoogte van het kweeklamp te bereiken. In 2017 heeft het bovengenoemde bedrijf een nieuw apparaat voor mobiel licht supplement ontworpen en ontwikkeld, dat de hoogte van de lichtsupplementen in realtime automatisch kan aanpassen volgens de behoeften van de groei van de gewassen. Het aanpassingsapparaat is nu geïnstalleerd op het driedimensionale teeltrek van de 3-laags lichtbron. De bovenste laag van het apparaat is het niveau met de beste lichtconditie, dus het is uitgerust met hogedruk natriumlampen; De middelste laag en de onderste laag zijn uitgerust met LED -kweeklichten en een liftafstelsysteem. Het kan automatisch de hoogte van het kweeklicht aanpassen om een ​​geschikte verlichtingsomgeving voor de gewassen te bieden.

In vergelijking met het mobiele lichtsupplementapparaat op maat voor driedimensionale teelt, heeft Nederland een horizontaal beweegbare LED-led-lamp-supplement licht apparaat ontwikkeld. Om de invloed van de schaduw van het kweeklicht op de groei van planten in de zon te voorkomen, kan het kweeklampensysteem aan beide zijden van de beugel door de telescopische dia in de horizontale richting worden geduwd, zodat de zon volledig is bestraald op de planten; Duw op bewolkte en regenachtige dagen zonder zonlicht het kweeklampsysteem naar het midden van de beugel om het licht van het kweeklampsysteem de planten gelijkmatig te laten vullen; Verplaats het kweeklampsysteem horizontaal door de dia op de beugel, vermijd frequente demontage en verwijdering van het kweeklampensysteem en verminder de arbeidsintensiteit van werknemers, waardoor de werkefficiëntie effectief wordt verbeterd.

Ontwerp ideeën van typisch kweeklampsysteem
Het is niet moeilijk om te zien vanuit het ontwerp van het aanvullende apparaat van de mobiele verlichting dat het ontwerp van het aanvullende verlichtingssysteem van de plantfabriek meestal de lichtintensiteit, lichtkwaliteit en fotoperioD -parameters van verschillende groeiperioden van de gewas neemt als het kerngehalte van het ontwerp van het ontwerp , vertrouwend op het intelligente controlesysteem om te implementeren, het uiteindelijke doel van energiebesparing en hoge opbrengst te bereiken.

Momenteel is het ontwerp en de constructie van aanvullend licht voor bladgroenten geleidelijk gerijpt. Bladgroenten kunnen bijvoorbeeld worden verdeeld in vier fasen: zaailingstadium, middengroei, laat-groei en eindstadium; Fruit-vegetables kunnen worden onderverdeeld in het zaailingstadium, het vegetatieve groeifase, het bloeiende podium en het oogstfase. Uit de attributen van aanvullende lichtintensiteit moet de lichtintensiteit in de zaailingsfase iets lager zijn, bij 60 ~ 200 μmol/(m² · s), en vervolgens geleidelijk toenemen. Bladgroenten kunnen tot 100 ~ 200 μmol/(m² · s) bereiken, en fruitgroenten kunnen 300 ~ 500 μmol/(m² · s) bereiken om te zorgen hoge opbrengst; In termen van lichtkwaliteit is de verhouding rood tot blauw erg belangrijk. Om de kwaliteit van zaailingen te vergroten en overmatige groei in de zaailingsfase te voorkomen, wordt de verhouding van rood tot blauw in het algemeen op een laag niveau ingesteld [(1 ~ 2): 1], en vervolgens geleidelijk verlaagd om te voldoen aan de behoeften van de plant Lichte morfologie. De verhouding van rode tot blauwe tot blaadgroenten kan worden ingesteld op (3 ~ 6): 1. Voor de fotoperiode, vergelijkbaar met de lichtintensiteit, moet het een trend vertonen van toenemende verlenging van de groeiperiode, zodat bladgroenten meer fotosynthetische tijd hebben voor fotosynthese. Het lichtsupplementontwerp van groenten en fruit zal ingewikkelder zijn. Naast de bovengenoemde basiswetten moeten we ons concentreren op de setting van de fotoperiode tijdens de bloeiperiode, en de bloei en vruchten van groenten moeten worden gepromoot, om niet averechts te werken.

Het is vermeldenswaard dat de lichtformule de eindbehandeling moet omvatten voor lichtomgeving. Continu -lichtsuppletie kan bijvoorbeeld de opbrengst en kwaliteit van hydrocultuurblaadzaailingen aanzienlijk verbeteren of UV -behandeling gebruiken om spruiten en bladgroenten (vooral paarse bladeren en rode bladsla) voedingskwaliteit aanzienlijk te verbeteren.

Naast het optimaliseren van lichtsuppletie voor geselecteerde gewassen, heeft het lichtbronbesturingssysteem van sommige fabrieken voor kunstmatige lichtplanten de afgelopen jaren ook snel ontwikkeld. Dit besturingssysteem is over het algemeen gebaseerd op de B/S -structuur. De afstandsbediening en automatische controle van omgevingsfactoren zoals temperatuur, vochtigheid, licht en CO2 -concentratie tijdens de groei van gewassen worden gerealiseerd door WiFi, en tegelijkertijd wordt een productiemethode gerealiseerd die niet wordt beperkt door externe omstandigheden. Dit soort intelligente aanvullende lichtsysteem maakt gebruik van LED-groei-lamp armatuur als aanvullende lichtbron, gecombineerd met extern intelligent besturingssysteem, kan voldoen aan de behoeften van verlichting van plantengolflengte, is met name geschikt voor licht gecontroleerde planten teeltomgeving en kan goed voldoen aan de marktvraag .

Eindopmerkingen
Plantenfabrieken worden beschouwd als een belangrijke manier om wereldbronnen, bevolking en milieuproblemen in de 21e eeuw op te lossen, en een belangrijke manier om zelfvoorziening van voedsel te bereiken in toekomstige hightech-projecten. Als een nieuw type landbouwproductiemethode zijn plantenfabrieken nog steeds in de leer- en groeifase en zijn er meer aandacht en onderzoek nodig. Dit artikel beschrijft de kenmerken en voordelen van gemeenschappelijke aanvullende verlichtingsmethoden in plantfabrieken en introduceert de ontwerpideeën van typische aanvullende verlichtingssystemen voor gewassen. Het is niet moeilijk om door vergelijking te vinden, om het bij weinig licht te maken dat wordt veroorzaakt door ernstig weer, zoals continu bewolkt en waas en om een ​​hoge en stabiele productie van facilitaire gewassen te garanderen, LED -kweeklichtbronapparatuur is het meest in overeenstemming met de huidige ontwikkeling Trends.

De toekomstige ontwikkelingsrichting van plantenfabrieken zou moeten richten op nieuwe zeer nauwkeurige, goedkope sensoren, op afstand bestuurbare, verstelbare spectrumverlichtingsapparaatsystemen en expertcontrolesystemen. Tegelijkertijd zullen de toekomstige plantenfabrieken zich blijven ontwikkelen naar goedkope, intelligente en zelf-adaptief. Het gebruik en de popularisatie van LED-kweeklichtbronnen bieden garantie voor zeer nauwkeurige milieucontrole van fabrieken. LED -lichtomgevingregulatie is een complex proces met een uitgebreide regulering van lichtkwaliteit, lichtintensiteit en fotoperiode. Relevante experts en wetenschappers moeten diepgaand onderzoek uitvoeren en LED-aanvullende verlichting in kunstmatige fabrieken voor kunstlicht bevorderen.