Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc. Mitjans font: Tecnologia d'enginyeria agrícola (horticultura d'hivernacle)

La fàbrica de plantes combina la indústria moderna, la biotecnologia, la hidroponia de nutrients i la tecnologia de la informació per implementar un control d'alta precisió dels factors ambientals a la instal·lació. Està totalment tancat, té baixos requisits per al medi ambient, escurça el període de collita de plantes, estalvia aigua i fertilitzants i, amb els avantatges de la producció sense pesticides i sense descàrrega de residus, l'eficiència de l'ús de la terra és de 40 a 108 vegades. de producció en camp obert. Entre ells, la font de llum artificial intel·ligent i la seva regulació ambiental tenen un paper decisiu en la seva eficiència de producció.

Com a factor ambiental físic important, la llum té un paper clau en la regulació del creixement de les plantes i el metabolisme dels materials. "Una de les característiques principals de la fàbrica de plantes és la font de llum artificial completa i la realització d'una regulació intel·ligent de l'entorn de llum" s'ha convertit en un consens general a la indústria.

Necessitat de llum de les plantes

La llum és l'única font d'energia de la fotosíntesi de les plantes. La intensitat de la llum, la qualitat de la llum (espectre) i els canvis periòdics de llum tenen un impacte profund en el creixement i desenvolupament dels cultius, entre els quals la intensitat de la llum té el major impacte en la fotosíntesi de les plantes.

■ Intensitat de la llum

La intensitat de la llum pot canviar la morfologia dels cultius, com ara la floració, la longitud dels entrenus, el gruix de la tija i la mida i el gruix de les fulles. Els requisits de les plantes per a la intensitat de la llum es poden dividir en plantes amants de la llum, amants de la llum mitjana i plantes poc tolerants a la llum. Les verdures són majoritàriament plantes amants de la llum, i els seus punts de compensació de la llum i els punts de saturació de la llum són relativament alts. A les fàbriques de plantes de llum artificial, els requisits rellevants dels cultius per a la intensitat de la llum són una base important per seleccionar fonts de llum artificial. Comprendre els requisits de llum de les diferents plantes és important per dissenyar fonts de llum artificial, és extremadament necessari millorar el rendiment de producció del sistema.

■ Qualitat de la llum

La distribució de la qualitat de la llum (espectral) també té una influència important en la fotosíntesi i la morfogènesi de les plantes (figura 1). La llum forma part de la radiació, i la radiació és una ona electromagnètica. Les ones electromagnètiques tenen característiques ondulatòries i característiques quàntiques (partícules). El quàntic de llum s'anomena fotó en el camp de l'horticultura. La radiació amb un rang de longitud d'ona de 300 ~ 800 nm s'anomena radiació fisiològicament activa de les plantes; i la radiació amb un rang de longitud d'ona de 400 ~ 700 nm s'anomena radiació fotosintèticament activa (PAR) de les plantes.

La clorofil·la i els carotens són els dos pigments més importants en la fotosíntesi de les plantes. La figura 2 mostra l'espectre d'absorció espectral de cada pigment fotosintètic, en el qual l'espectre d'absorció de clorofil·la es concentra a les bandes vermella i blava. El sistema d'il·luminació es basa en les necessitats espectrals dels cultius per complementar artificialment la llum, per afavorir la fotosíntesi de les plantes.

■ fotoperíode
La relació entre la fotosíntesi i la fotomorfogènesi de les plantes i la durada del dia (o temps del fotoperíode) s'anomena fotoperiodit de les plantes. La fotoperiodat està íntimament relacionada amb les hores de llum, que fa referència al temps en què el cultiu és irradiat per la llum. Els diferents cultius requereixen un cert nombre d'hores de llum per completar el fotoperíode per florir i donar fruits. Segons els diferents fotoperíodes, es pot dividir en conreus de dia llarg, com la col, etc., que requereixen més de 12-14h hores de llum en una determinada etapa del seu creixement; els cultius de dies curts, com la ceba, la soja, etc., requereixen menys de 12-14h Hores d'il·luminació; Els cultius de sol mitjà, com ara cogombres, tomàquets, pebrots, etc., poden florir i donar fruits sota la llum solar més llarga o més curta.
Entre els tres elements de l'entorn, la intensitat de la llum és una base important per seleccionar fonts de llum artificial. Actualment, hi ha moltes maneres d'expressar la intensitat de la llum, incloent-hi principalment les tres següents.
（1）La il·luminació es refereix a la densitat superficial del flux lluminós (flux lluminós per unitat d'àrea) rebut en el pla il·luminat, en lux (lx).

（2）Radiació fotosintèticament activa, PAR，Unitat: W/m².

(3) La densitat de flux de fotons fotosintèticament efectiva PPFD o PPF és el nombre de radiació fotosintèticament efectiva que arriba o passa per unitat de temps i unitat d'àrea, unitat: μmol/(m²·s)。Fa referència principalment a la intensitat de la llum de 400~700nm. directament relacionats amb la fotosíntesi. També és l'indicador d'intensitat de llum més utilitzat en l'àmbit de la producció vegetal.

Anàlisi de fonts de llum d'un sistema de llum suplementari típic
El suplement de llum artificial és augmentar la intensitat de la llum a l'àrea objectiu o allargar el temps de llum mitjançant la instal·lació d'un sistema de llum suplementària per satisfer la demanda de llum de les plantes. En termes generals, el sistema d'il·luminació suplementari inclou equips de llum suplementari, circuits i el seu sistema de control. Les fonts de llum complementàries inclouen principalment diversos tipus comuns, com ara làmpades incandescents, làmpades fluorescents, làmpades d'halogenur metàl·lic, làmpades de sodi d'alta pressió i LED. A causa de la baixa eficiència elèctrica i òptica de les làmpades incandescents, la baixa eficiència energètica fotosintètica i altres deficiències, ha estat eliminat pel mercat, de manera que aquest article no fa una anàlisi detallada.

■ Làmpada fluorescent
Les làmpades fluorescents pertanyen al tipus de làmpades de descàrrega de gas de baixa pressió. El tub de vidre està ple de vapor de mercuri o gas inert i la paret interior del tub està recoberta de pols fluorescent. El color de la llum varia amb el material fluorescent recobert al tub. Les làmpades fluorescents tenen un bon rendiment espectral, alta eficiència lluminosa, baixa potència, vida útil més llarga (12000 h) en comparació amb les làmpades incandescents i un cost relativament baix. Com que la làmpada fluorescent en si emet menys calor, pot estar a prop de les plantes per a la il·luminació i és adequada per al cultiu tridimensional. Tanmateix, la disposició espectral de la làmpada fluorescent no és raonable. El mètode més comú al món és afegir reflectors per maximitzar els components efectius de la font de llum dels cultius a la zona de cultiu. L'empresa japonesa adv-agri també ha desenvolupat un nou tipus de font de llum suplementària HEFL. HEFL pertany en realitat a la categoria de làmpades fluorescents. És el terme general per a les làmpades fluorescents de càtode fred (CCFL) i les làmpades fluorescents d'elèctrodes externs (EEFL), i és una làmpada fluorescent d'elèctrodes mixtes. El tub HEFL és extremadament prim, amb un diàmetre de només uns 4 mm, i la longitud es pot ajustar de 450 mm a 1200 mm segons les necessitats de cultiu. És una versió millorada de la làmpada fluorescent convencional.

■ Làmpada d'halogenurs metàl·lics
La làmpada d'halogenur metàl·lic és una làmpada de descàrrega d'alta intensitat que pot excitar diferents elements per produir diferents longituds d'ona afegint diversos halogenurs metàl·lics (bromur d'estany, iodur de sodi, etc.) al tub de descàrrega sobre la base d'una làmpada de mercuri d'alta pressió. Les làmpades halògenes tenen una alta eficiència lluminosa, gran potència, bon color de llum, llarga vida i un gran espectre. Tanmateix, com que l'eficiència lluminosa és inferior a la de les làmpades de sodi d'alta pressió i la vida útil és més curta que la de les làmpades de sodi d'alta pressió, actualment només s'utilitza en algunes fàbriques de plantes.

■ Làmpada de sodi d'alta pressió
Les làmpades de sodi d'alta pressió pertanyen al tipus de làmpades de descàrrega de gas d'alta pressió. La làmpada de sodi d'alta pressió és una làmpada d'alta eficiència en la qual s'omple vapor de sodi a alta pressió al tub de descàrrega i s'afegeix una petita quantitat de xenó (Xe) i halogenur metàl·lic de mercuri. Com que les làmpades de sodi d'alta pressió tenen una alta eficiència de conversió electro-òptica amb costos de fabricació més baixos, les làmpades de sodi d'alta pressió són actualment les més utilitzades en l'aplicació de llum suplementària a les instal·lacions agrícoles. Tanmateix, a causa de les deficiències de la baixa eficiència fotosintètica en el seu espectre, tenen les deficiències de la baixa eficiència energètica. D'altra banda, els components espectrals emesos per les làmpades de sodi d'alta pressió es concentren principalment a la banda de llum groc-taronja, que no té els espectres vermell i blau necessaris per al creixement de les plantes.

■ Díode emissor de llum
Com a nova generació de fonts de llum, els díodes emissors de llum (LED) tenen molts avantatges, com ara una major eficiència de conversió electro-òptica, espectre ajustable i alta eficiència fotosintètica. El LED pot emetre la llum monocromàtica necessària per al creixement de les plantes. En comparació amb les làmpades fluorescents normals i altres fonts de llum addicionals, el LED té els avantatges d'estalvi d'energia, protecció del medi ambient, llarga vida, llum monocromàtica, font de llum freda, etc. Amb la millora encara més de l'eficiència electroòptica dels LED i la reducció dels costos causats per l'efecte d'escala, els sistemes d'il·luminació LED de creixement es convertiran en l'equip principal per complementar la llum a les instal·lacions agrícoles. Com a resultat, s'han aplicat llums de cultiu LED al 99,9% de les fàbriques de plantes.

Mitjançant la comparació, es poden entendre clarament les característiques de diferents fonts de llum suplementàries, tal com es mostra a la taula 1.

Dispositiu d'il·luminació mòbil
La intensitat de la llum està estretament relacionada amb el creixement dels cultius. El cultiu tridimensional s'utilitza sovint a les fàbriques de plantes. Tanmateix, a causa de la limitació de l'estructura dels bastidors de cultiu, la distribució desigual de la llum i la temperatura entre els bastidors afectarà el rendiment dels cultius i el període de collita no es sincronitzarà. Una empresa de Pequín ha desenvolupat amb èxit un dispositiu de suplement de llum d'elevació manual (il·luminació HPS i il·luminació LED de creixement) l'any 2010. El principi és girar l'eix motriu i l'enrotllador fixat en ell agitant el mànec per girar la bobina de pel·lícula petita. per aconseguir el propòsit de retreure i desenrotllar la corda. La corda de filferro de la llum de creixement està connectada amb la roda de bobina de l'ascensor a través de diversos jocs de rodes invertides, per aconseguir l'efecte d'ajustar l'alçada de la llum de creixement. El 2017, l'empresa esmentada va dissenyar i desenvolupar un nou dispositiu mòbil de suplement de llum, que pot ajustar automàticament l'alçada del suplement de llum en temps real segons les necessitats de creixement dels cultius. El dispositiu d'ajust ara està instal·lat al bastidor de cultiu tridimensional d'elevació de font de llum de 3 capes. La capa superior del dispositiu és el nivell amb les millors condicions de llum, de manera que està equipat amb làmpades de sodi d'alta pressió; la capa mitjana i la capa inferior estan equipades amb llums de creixement LED i un sistema d'ajust d'elevació. Pot ajustar automàticament l'alçada de la llum de creixement per proporcionar un entorn d'il·luminació adequat per als cultius.

En comparació amb el dispositiu de suplement de llum mòbil dissenyat per al cultiu tridimensional, els Països Baixos han desenvolupat un dispositiu de llum de suplement de llum LED mòbil horitzontal. Per tal d'evitar la influència de l'ombra de la llum de creixement en el creixement de les plantes al sol, el sistema de llum de creixement es pot empènyer a ambdós costats del suport a través del tobogan telescòpic en direcció horitzontal, de manera que el sol estigui completament irradiat a les plantes; en dies ennuvolats i plujosos sense llum solar, empeny el sistema de llum de creixement al centre del suport per fer que la llum del sistema de llum de creixement ompli uniformement les plantes; moveu el sistema de llum de creixement horitzontalment a través de la corredissa del suport, eviteu el desmuntatge i l'eliminació freqüents del sistema de llum de creixement i reduïu la intensitat laboral dels empleats, millorant així eficaçment l'eficiència del treball.

Idees de disseny del sistema de llum de creixement típic
No és difícil veure des del disseny del dispositiu addicional d'il·luminació mòbil que el disseny del sistema d'il·luminació suplementari de la fàbrica de plantes sol tenir la intensitat de la llum, la qualitat de la llum i els paràmetres de fotoperíode de diferents períodes de creixement de cultius com a contingut bàsic del disseny. , confiant en el sistema de control intel·ligent per implementar, aconseguint l'objectiu final d'estalvi d'energia i alt rendiment.

En l'actualitat, el disseny i la construcció de llum suplementària per a verdures de fulla ha anat madurant gradualment. Per exemple, les hortalisses de fulla es poden dividir en quatre etapes: fase de plàntula, de creixement mitjà, de creixement tardà i fase final; Les fruites i hortalisses es poden dividir en fase de plàntula, fase de creixement vegetatiu, fase de floració i fase de collita. A partir dels atributs de la intensitat de la llum suplementària, la intensitat de la llum en l'etapa de plàntula hauria de ser lleugerament inferior, a 60 ~ 200 μmol/(m²·s), i després augmentar gradualment. Les verdures de fulla poden arribar fins a 100 ~ 200 μmol/(m²·s), i les fruites hortalisses poden arribar a 300~500 μmol/(m²·s) per garantir els requisits d'intensitat de llum de la fotosíntesi de les plantes en cada període de creixement i satisfer les necessitats de alt rendiment; Pel que fa a la qualitat de la llum, la relació entre el vermell i el blau és molt important. Per tal d'augmentar la qualitat de les plàntules i evitar un creixement excessiu en l'etapa de plàntules, la proporció de vermell a blau s'estableix generalment a un nivell baix [(1 ~ 2): 1], i després es redueix gradualment per satisfer les necessitats de la planta. morfologia lleugera. La proporció de vermell a blau i verdures de fulla es pot establir en (3 ~ 6): 1. Per al fotoperíode, semblant a la intensitat de la llum, hauria de mostrar una tendència d'augment amb l'extensió del període de creixement, de manera que els vegetals de fulla tinguin més temps fotosintètic per a la fotosíntesi. El disseny de suplements lleugers de fruites i verdures serà més complicat. A més de les lleis bàsiques esmentades anteriorment, hem de centrar-nos en la fixació del fotoperíode durant el període de floració, i s'ha de promoure la floració i la fructificació de les hortalisses, per no ser contraproduent.

Val la pena esmentar que la fórmula de la llum hauria d'incloure el tractament final per a la configuració de l'entorn lleuger. Per exemple, la suplementació contínua de llum pot millorar considerablement el rendiment i la qualitat de les plàntules d'hortalisses de fulla hidropònica, o utilitzar el tractament UV per millorar significativament la qualitat nutricional dels brots i les verdures de fulla (especialment les fulles morades i l'enciam de fulla vermella).

A més d'optimitzar la suplementació de llum per a cultius seleccionats, el sistema de control de la font de llum d'algunes fàbriques de plantes de llum artificial també s'ha desenvolupat ràpidament en els darrers anys. Aquest sistema de control es basa generalment en l'estructura B/S. El control remot i el control automàtic de factors ambientals com la temperatura, la humitat, la llum i la concentració de CO2 durant el creixement dels cultius es realitzen mitjançant WIFI i, al mateix temps, es realitza un mètode de producció que no està restringit per condicions externes. Aquest tipus de sistema de llum suplementari intel·ligent utilitza un aparell de llum LED de creixement com a font de llum suplementària, combinat amb un sistema de control intel·ligent remot, pot satisfer les necessitats d'il·luminació de longitud d'ona de les plantes, és especialment adequat per a l'entorn de cultiu de plantes controlat per la llum i pot satisfer bé la demanda del mercat. .

Observacions finals
Les fàbriques de plantes es consideren una manera important de resoldre els problemes mundials de recursos, població i medi ambient al segle XXI, i una manera important d'aconseguir l'autosuficiència alimentària en futurs projectes d'alta tecnologia. Com a nou tipus de mètode de producció agrícola, les fàbriques de plantes encara es troben en l'etapa d'aprenentatge i creixement, i cal més atenció i investigació. Aquest article descriu les característiques i els avantatges dels mètodes d'il·luminació suplementari comuns a les fàbriques de plantes i introdueix les idees de disseny dels sistemes d'il·luminació suplementari de cultius típics. No és difícil de trobar a través de la comparació, per fer front a la poca llum causada pel clima sever, com ara ennuvolat i boira contínua i per garantir una producció alta i estable de cultius de les instal·lacions, l'equip de font de llum LED Grow està més en línia amb el desenvolupament actual. tendències.

La direcció de desenvolupament futura de les fàbriques de plantes hauria de centrar-se en nous sensors d'alta precisió i baix cost, sistemes de dispositius d'il·luminació d'espectre regulables i controlables de forma remota i sistemes de control experts. Al mateix temps, les futures fàbriques de plantes continuaran desenvolupant-se cap a un baix cost, intel·ligent i autoadaptatiu. L'ús i la popularització de fonts de llum de cultiu LED ofereixen una garantia per al control ambiental d'alta precisió de les fàbriques de plantes. La regulació de l'entorn de la llum LED és un procés complex que implica una regulació integral de la qualitat de la llum, la intensitat de la llum i el fotoperíode. Els experts i acadèmics rellevants han de dur a terme una investigació en profunditat, promovent la il·luminació suplementària LED a les fàbriques de plantes de llum artificial.