Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc. Mitjans d'origen: 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 completament tancada, té pocs requisits sobre l'entorn circumdant, escurça el període de collita de les plantes, estalvia aigua i fertilitzants i, amb els avantatges de la producció sense pesticides i sense abocament de residus, l'eficiència de l'ús unitari del sòl és de 40 a 108 vegades superior a la de la producció a camp obert. Entre elles, la font de llum artificial intel·ligent i la seva regulació de l'entorn lumínic tenen un paper decisiu en la seva eficiència de producció.

Com a factor ambiental físic important, la llum juga un paper clau en la regulació del creixement de les plantes i del metabolisme dels materials. "Una de les principals característiques de la fàbrica de plantes és la font de llum artificial completa i la realització d'una regulació intel·ligent de l'entorn lumínic" 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 vegetal. La intensitat lumínica, la qualitat de la llum (espectre) i els canvis periòdics de la llum tenen un impacte profund en el creixement i desenvolupament dels cultius, entre els quals la intensitat lumínica és la que té el major impacte en la fotosíntesi vegetal.

■ Intensitat de la llum

La intensitat de la llum pot canviar la morfologia dels cultius, com ara la floració, la longitud de l'internod, el gruix de la tija i la mida i el gruix de les fulles. Els requisits de les plantes pel que fa a la intensitat de la llum es poden dividir en plantes amants de la llum, plantes que prefereixen la llum de manera mitjana i plantes que toleren poca llum. Les hortalisses són majoritàriament plantes amants de la llum, i els seus punts de compensació de llum i punts de saturació de llum són relativament alts. A les fàbriques de plantes de llum artificial, els requisits rellevants dels cultius pel que fa 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 d'ona i característiques quàntiques (de partícula). El quàntum 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 vegetal. La figura 2 mostra l'espectre d'absorció espectral de cada pigment fotosintètic, en què 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 tal de promoure la fotosíntesi de les plantes.

■ fotoperíode
La relació entre la fotosíntesi i la fotomorfogènesi de les plantes i la durada del dia (o temps de fotoperíode) s'anomena fotoperioditat de les plantes. La fotoperioditat està estretament relacionada amb les hores de llum, que es refereixen al temps que el cultiu és irradiat per la llum. Diferents cultius requereixen un cert nombre d'hores de llum per completar el fotoperíode per florir i donar fruits. Segons els diferents fotoperíodes, es poden dividir en cultius de dia llarg, com la col, etc., que requereixen més de 12-14 hores de llum en una determinada etapa del seu creixement; cultius de dia curt, com la ceba, la soja, etc., requereixen menys de 12-14 hores d'il·luminació; cultius de sol mitjà, com els cogombres, els tomàquets, els pebrots, etc., poden florir i donar fruits sota una llum solar més llarga o més curta.
Entre els tres elements de l'entorn, la intensitat lumínica és una base important per seleccionar fonts de llum artificial. Actualment, hi ha moltes maneres d'expressar la intensitat lumínica, principalment les tres següents.
(1) La il·luminació es refereix a la densitat superficial del flux lluminós (flux lluminós per unitat de superfície) rebut al 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). Es refereix principalment a la intensitat lumínica de 400~700 nm directament relacionada amb la fotosíntesi. També és l'indicador d'intensitat lumínica més utilitzat en el camp de la producció vegetal.

Anàlisi de la font de llum d'un sistema de llum suplementària típic
El suplement de llum artificial consisteix a augmentar la intensitat de la llum a la zona objectiu o allargar el temps de llum instal·lant un sistema de llum suplementari per satisfer la demanda de llum de les plantes. En general, el sistema de llum suplementari inclou equips de llum suplementaris, circuits i el seu sistema de control. Les fonts de llum suplementàries inclouen principalment diversos tipus comuns com ara làmpades incandescents, làmpades fluorescents, làmpades d'halogenurs metàl·lics, 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, han estat eliminades pel mercat, per la qual cosa 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 amb pols fluorescent. El color de la llum varia segons el material fluorescent recobert al tub. Les làmpades fluorescents tenen un bon rendiment espectral, una alta eficiència lluminosa, baixa potència, una vida útil més llarga (12000 h) en comparació amb les làmpades incandescents i un cost relativament baix. Com que la làmpada fluorescent en si mateixa 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 làmpades fluorescents de càtode fred (CCFL) i làmpades fluorescents d'elèctrode extern (EEFL), i és una làmpada fluorescent d'elèctrode mixt. 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 del cultiu. És una versió millorada de la làmpada fluorescent convencional.

■ Làmpada d'halogenurs metàl·lics
La làmpada d'halogenurs metàl·lics és una làmpada de descàrrega d'alta intensitat que pot excitar diferents elements per produir diferents longituds d'ona afegint diversos halurs 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, alta potència, bon color de llum, llarga vida útil i un ampli 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 unes poques fàbriques.

■ 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 què s'omple el tub de descàrrega amb vapor de sodi d'alta pressió i s'hi 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 electroòptica amb costos de fabricació més baixos, les làmpades de sodi d'alta pressió són actualment les més utilitzades en l'aplicació de llum suplementària en instal·lacions agrícoles. Tanmateix, a causa de les deficiències de baixa eficiència fotosintètica en el seu espectre, tenen les deficiències d'una 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 vermells i blaus 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 electroòptica, un espectre ajustable i una alta eficiència fotosintètica. Els LED poden emetre llum monocromàtica necessària per al creixement de les plantes. En comparació amb les làmpades fluorescents ordinàries i altres fonts de llum suplementàries, els LED tenen els avantatges de l'estalvi d'energia, la protecció del medi ambient, la llarga vida útil, la llum monocromàtica, la font de llum freda, etc. Amb la millora addicional de l'eficiència electroòptica dels LED i la reducció dels costos causats per l'efecte d'escala, els sistemes d'il·luminació de cultiu LED es convertiran en l'equip principal per complementar la llum a les instal·lacions agrícoles. Com a resultat, els llums de cultiu LED s'han aplicat a més del 99,9% de les fàbriques de plantes.

Mitjançant la comparació, es poden entendre clarament les característiques de les 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 va desenvolupar amb èxit un dispositiu de suplement de llum d'elevació manual (il·luminació HPS i lluminària de cultiu LED) el 2010. El principi és girar l'eix d'accionament i el bobinador que hi està fixat sacsejant la maneta per girar el petit rodet de pel·lícula per aconseguir l'objectiu de retreure i desenrotllar el cable d'acer. El cable d'acer del llum de cultiu està connectat amb la roda d'enrotllament de l'elevador a través de múltiples conjunts de rodes inversores, per tal d'aconseguir l'efecte d'ajustar l'alçada del llum de cultiu. El 2017, l'empresa esmentada anteriorment 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 de tipus elevador de font de llum de 3 capes. La capa superior del dispositiu és la que té les millors condicions de lluminositat, per la qual cosa està equipat amb làmpades de sodi d'alta pressió; la capa mitjana i la capa inferior estan equipades amb llums de cultiu LED i un sistema d'ajust d'elevació. Pot ajustar automàticament l'alçada de la llum de cultiu 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 suplement de llum de cultiu LED que es pot moure horitzontalment. Per evitar la influència de l'ombra de la llum de cultiu sobre el creixement de les plantes al sol, el sistema de llum de cultiu es pot empènyer cap a banda i banda del suport a través de la corredissa telescòpica en direcció horitzontal, de manera que el sol irradiï completament les plantes; en dies ennuvolats i plujosos sense llum solar, empenyeu el sistema de llum de cultiu cap al centre del suport per fer que la llum del sistema de llum de cultiu ompli uniformement les plantes; moveu el sistema de llum de cultiu horitzontalment a través de la corredissa del suport, eviteu el desmuntatge i la retirada freqüents del sistema de llum de cultiu i reduïu la intensitat laboral dels empleats, millorant així eficaçment l'eficiència laboral.

Idees de disseny d'un sistema típic de llum de cultiu
No és difícil veure a partir del disseny del dispositiu suplementari d'il·luminació mòbil que el disseny del sistema d'il·luminació suplementària de la fàbrica de plantes sol prendre els paràmetres d'intensitat lumínica, qualitat de la llum i fotoperíode de diferents períodes de creixement dels cultius com a contingut central del disseny, confiant en el sistema de control intel·ligent per implementar-lo, aconseguint l'objectiu final d'estalvi d'energia i alt rendiment.

Actualment, el disseny i la construcció de llum suplementària per a verdures de fulla ha madurat gradualment. Per exemple, les verdures de fulla es poden dividir en quatre etapes: fase de plàntula, creixement mitjà, creixement tardà i fase final; les verdures de fruita 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 a la fase 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 verdures de fruita poden arribar a 300~500 μmol/(m²·s) per garantir els requisits d'intensitat de la llum de la fotosíntesi de les plantes en cada període de creixement i satisfer les necessitats d'alt rendiment; Pel que fa a la qualitat de la llum, la relació entre vermell i blau és molt important. Per augmentar la qualitat de les plàntules i evitar un creixement excessiu en l'etapa de plàntula, la proporció de vermell a blau generalment s'estableix a un nivell baix [(1~2):1], i després es redueix gradualment per satisfer les necessitats de la morfologia lumínica de la planta. La proporció de vermell a blau i verdures de fulla es pot establir a (3~6):1. Pel que fa al fotoperíode, de manera similar a la intensitat de la llum, hauria de mostrar una tendència a augmentar amb l'extensió del període de creixement, de manera que les verdures de fulla tinguin més temps fotosintètic per a la fotosíntesi. El disseny del suplement de llum de fruites i verdures serà més complicat. A més de les lleis bàsiques esmentades anteriorment, ens hem de centrar en l'establiment del fotoperíode durant el període de floració, i s'ha de promoure la floració i la fructificació de les verdures, per evitar que sigui contraproduent.

Val a dir que la fórmula de la llum hauria d'incloure el tractament final per a entorns de llum. Per exemple, la suplementació contínua amb llum pot millorar considerablement el rendiment i la qualitat de les plàntules de verdures 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 lumínica 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 generalment es basa en l'estructura B/S. El control remot i automàtic dels factors ambientals com la temperatura, la humitat, la llum i la concentració de CO2 durant el creixement dels cultius es realitzen mitjançant WIFI i, alhora, es realitza un mètode de producció que no està restringit per les condicions externes. Aquest tipus de sistema de llum suplementària intel·ligent utilitza llums de cultiu LED com a font de llum suplementària, combinada 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 un 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 fase d'aprenentatge i creixement, i cal més atenció i recerca. Aquest article descriu les característiques i els avantatges dels mètodes d'il·luminació suplementària comuns a les fàbriques de plantes i introdueix les idees de disseny dels sistemes típics d'il·luminació suplementària per a cultius. No és difícil de trobar mitjançant la comparació, per tal de fer front a la poca llum causada per condicions meteorològiques severes, com ara núvols i boirina continus, i per garantir una producció alta i estable dels cultius de les instal·lacions, els equips de font de llum LED Grow s'adapten millor a les tendències de desenvolupament actuals.

La direcció de desenvolupament futur de les fàbriques de plantes s'hauria de centrar en nous sensors d'alta precisió i baix cost, sistemes de dispositius d'il·luminació d'espectre ajustable i controlables remotament i sistemes de control expert. 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 LED per a cultius garanteixen un control ambiental d'alta precisió de les fàbriques de plantes. La regulació de l'entorn de 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 pertinents han de dur a terme una investigació en profunditat, promovent la il·luminació suplementària LED a les fàbriques de plantes amb llum artificial.