Autor: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu, etc. Source Media ： Tecnologia d'Enginyeria Agrícola (Horticultura d'hivernacle)

La fàbrica de plantes combina la indústria moderna, la biotecnologia, la hidropònica de nutrients i les tecnologies de la informació per implementar un control d’alta precisió dels factors ambientals a la instal·lació. Està completament tancat, té baixos requisits sobre l’entorn circumdant, redueix el període de la collita vegetal, estalvia aigua i fertilitzants i, amb els avantatges de la producció de no pesticides i sense descàrrega de residus, l’eficiència d’ús del sòl és de 40 a 108 vegades de producció de camp obert. Entre ells, la font de llum artificial intel·ligent i el seu reglament del medi ambient lleuger 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 del metabolisme material. "Una de les principals característiques de la fàbrica de plantes és la font de llum artificial completa i la realització de la regulació intel·ligent de l'entorn lleuger" s'ha convertit en un consens general de la indústria.

Necessitat de llum de les plantes

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

■ Intensitat de la llum

La intensitat de la llum pot canviar la morfologia dels cultius, com la floració, la longitud de l’internode, 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 de poca llum. Les verdures són principalment plantes amants de la llum i els seus punts de compensació de llum i els punts de saturació de la llum són relativament elevats. 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 artificials. Comprendre els requisits de llum de diferents plantes és important per dissenyar fonts de llum artificials, és extremadament necessari millorar el rendiment de producció del sistema.

■ Qualitat de la llum

La distribució de 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 (partícules). La quantitat de llum s’anomena fotó al camp d’horticultura. La radiació amb un rang de longitud d’ona de 300 ~ 800nm ​​s’anomena radiació fisiològicament activa de les plantes; i la radiació amb un rang de longitud d’ona de 400 ~ 700nm s’anomena radiació fotosintèticament activa (PAR) de 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 el qual l’espectre d’absorció de clorofil·la es concentra a les bandes vermelles i blaves. 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 longitud del dia (o el temps de fotoperíode) s’anomena fotoperioditat de les plantes. La fotoperioditat està estretament relacionada amb les hores de llum, cosa que fa referència al temps que el cultiu està irradiat per la llum. Diferents conreus 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 cultius de llarg dia, com la col, etc., que requereixen més de 12-14 hores en una fase determinada del seu creixement; Els cultius de curt dia, com ara les cebes, la soja, etc., requereixen menys de 12-14 hores d’il·luminació; Els conreus mitjans, com ara cogombres, tomàquets, pebrots, etc., poden florir i donar fruits a la llum del sol més llarga o més curta.
Entre els tres elements del medi ambient, la intensitat de la llum és una base important per seleccionar fonts de llum artificials. Actualment, hi ha moltes maneres d’expressar la intensitat de la llum, incloses principalment les tres següents.
（1） La il·luminació es refereix a la densitat superficial del flux luminós (flux luminós per unitat d’àrea) rebuda al pla il·luminat, a Lux (LX).

（2） Radiació fotosintèticament activa, par ， unitat ： w/m²。

（3） La densitat de flux de fotons o PPF o PPF és el nombre de radiacions fotosintèticament efectives que arriba o passa a través del temps i de la zona de la unitat, la unitat ： μmol/(m² · s)。 fa referència a la intensitat de la llum de 400 ~ 700nm Relacionat directament amb la fotosíntesi. És també l’indicador d’intensitat de llum més utilitzat en el camp de la producció de plantes.

Anàlisi de la font de llum del sistema de llum suplementari típic
El suplement de llum artificial és augmentar la intensitat de la llum a la zona objectiu o estendre el temps de llum mitjançant la instal·lació d’un sistema de llum de suplement per satisfer la demanda lleugera de les plantes. En general, el sistema de llum complementari inclou equips de llum suplementaris, 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’halur de metall, 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 mancances, ha estat eliminat pel mercat, de manera que aquest article no fa cap anàlisi detallada.

■ làmpada fluorescent
Les làmpades fluorescents pertanyen al tipus de làmpades de descàrrega de gas a baixa pressió. El tub de vidre s’omple de vapor de mercuri o gas inert, i la paret interior del tub està recoberta de pols fluorescent. El color clar varia amb el material fluorescent recobert al tub. Les làmpades fluorescents tenen un bon rendiment espectral, alta eficiència lluminosa, baixa potència, vida més llarga (12000h) en comparació amb làmpades incandescents i un cost relativament baix. Com que la làmpada fluorescent 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 és raonable. El mètode més comú del món és afegir reflectors per maximitzar els components efectius de la font de llum dels cultius a la zona de cultiu. La companyia 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 del 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 450mm a 1200mm segons les necessitats de cultiu. És una versió millorada de la làmpada fluorescent convencional.

■ làmpada de halur de metall
La làmpada de l’halur de metall és una làmpada de descàrrega d’alta intensitat que pot excitar diferents elements per produir diferents longituds d’ona afegint diversos halogenats 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 halògens tenen una alta eficiència lluminosa, alta potència, un bon color clar, una vida llarga i un gran espectre. No obstant això, com que l'eficiència lluminosa és inferior a la de les làmpades de sodi d'alta pressió, i la vida és més curta que la de les làmpades de sodi d'alta pressió, actualment només s'utilitza en poques 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 a alta pressió. La làmpada de sodi d’alta pressió és una làmpada d’alta eficiència en la qual s’omple vapor de sodi d’alta pressió al tub de descàrrega i s’afegeix una petita quantitat de xenó (XE) i halogenur de metall de mercuri. Com que les làmpades de sodi d’alta pressió tenen una alta eficiència de conversió electro-òptica amb menors costos de fabricació, les làmpades de sodi d’alta pressió són actualment les més utilitzades en l’aplicació de llum suplementària a les instal·lacions agrícoles. No obstant això, a causa de les mancances de baixa eficiència fotosintètica en el seu espectre, tenen les mancances de 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 de color groc-taronja, que no té els espectres vermells i blaus necessaris per al creixement de les plantes.

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

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

Dispositiu d’il·luminació mòbil
La intensitat de la llum està estretament relacionada amb el creixement de cultius. El cultiu tridimensional s’utilitza sovint en fàbriques vegetals. No obstant això, 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 recol·lecció no es sincronitzarà. Una empresa de Beijing ha desenvolupat amb èxit un dispositiu de suplement de llum manual d’elevació (dispositiu d’il·luminació HPS i llum d’il·luminació de cultiu de LED) el 2010. El principi és girar l’eix motriu i el bobina fixat al damunt agitant el mànec per girar el rodet de pel·lícula petita per aconseguir el propòsit de retractar i desfer la corda de filferro. La corda de filferro de la llum de cultiu està connectada amb la roda sinuosa de l’ascensor a través de diversos conjunts de rodes revertidores, per tal d’aconseguir l’efecte d’ajustar l’altura de la llum de cultiu. El 2017, l’empresa esmentada anteriorment va dissenyar i desenvolupar un nou dispositiu de suplement de llum mòbil, que pot ajustar automàticament l’alçada del suplement de llum en temps real segons les necessitats de creixement de cultius. El dispositiu d’ajust s’instal·la ara al rack de cultiu tridimensional de tipus d’elevació de la font de llum de 3 capes. La capa superior del dispositiu és el nivell amb la millor condició de llum, de manera que està equipada amb làmpades de sodi d’alta pressió; La capa mitjana i la capa inferior estan equipades amb llums de cultiu de 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 suplements de llum mòbil adaptat per al cultiu tridimensional, els Països Baixos han desenvolupat un dispositiu de llum de llum de llum LED Grow Horizontalment Movible. Per tal d’evitar la influència de l’ombra de la llum creix irradiat a les plantes; En dies ennuvolats i de pluja sense llum del sol, empeny el sistema de llum de cultiu al mig del suport per fer la llum del sistema de llum creixent uniformement omplir les plantes; Desplaceu el sistema de llum creixent horitzontalment a través del portaobjectes del suport, eviteu el desmuntatge freqüent i l’eliminació del sistema de llum de cultiu i reduïu la intensitat laboral dels empleats, millorant efectivament l’eficiència laboral.

Idees de disseny del sistema típic de llum de cultiu
No és difícil veure en el disseny del dispositiu complementari d’il·luminació mòbil que el disseny del sistema d’il·luminació suplementari de la fàbrica de plantes sol prendre la intensitat de llum, la qualitat de la llum i els paràmetres de fotoperíode de diferents períodes de creixement de cultius com a contingut bàsic del disseny , basant -se 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: etapa de plàntula, creixement mitjà, creixement tardà i etapa final; Els vegetables de fruites es poden dividir en fase de plàntula, etapa de creixement vegetatiu, etapa de floració i escenari de recol·lecció. A partir dels atributs de la intensitat de la llum suplementària, la intensitat de la llum en l’etapa de plàntula ha de ser lleugerament inferior, a 60 ~ 200 μmol/(m² · s) i, a continuació, augmentar gradualment. Les verdures frondoses poden arribar fins a 100 ~ 200 μmol/(m² · s), i les verdures de fruita poden arribar a 300 ~ 500 μmol/(m² · s) per assegurar els requisits d'intensitat de llum de la fotosíntesi vegetal en cada període de creixement i complir les necessitats de les necessitats de les necessitats rendiment alt; En termes de qualitat de la llum, la proporció de vermell a blau és molt important. Per tal d’augmentar la qualitat de les plàntules i evitar un creixement excessiu en l’etapa de plàntula, la proporció de vermell a blau s’estableix generalment a un nivell baix [(1 ~ 2): 1], i després es redueix gradualment a les necessitats de la planta Morfologia lleugera. La proporció de verdures vermelles a blaves a fulles es pot configurar a (3 ~ 6): 1. Per al fotoperíode, similar a la intensitat de la llum, hauria de mostrar una tendència d’augment amb l’extensió del període de creixement, de manera que les verdures de fulla tenen més temps fotosintètics per a la fotosíntesi. El disseny de suplements lleugeres de fruites i verdures serà més complicat. A més de les lleis bàsiques esmentades anteriorment, ens hauríem de centrar en la configuració del fotoperíode durant el període de floració, i s’ha de promoure la floració i la fructificació de les verdures, de manera que no es produeixi un retrocés.

Val la pena esmentar que la fórmula de llum ha d’incloure el tractament final per a la configuració de l’entorn lleuger. Per exemple, la suplementació de llum contínua pot millorar molt el rendiment i la qualitat de les plàntules de verdures de fulles hidropòniques o utilitzar el tractament amb UV per millorar significativament els brots i les verdures de fulla (sobretot les fulles de púrpura i les fulles vermelles).

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 a través de WiFi i, alhora, es realitza un mètode de producció que no està restringit per condicions externes. Aquest tipus de sistema de llum suplementari intel·ligent utilitza un equip de llum de cultiu de LED com a font de llum suplementària, combinada amb un sistema de control intel·ligent remot, pot satisfer les necessitats de la il·luminació de la longitud d’ona de les plantes, és particularment adequada per a l’entorn de cultiu de plantes controlat per la llum i pot satisfer la demanda del mercat .

Observacions finals
Es considera que les fàbriques vegetals són una manera important de resoldre 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 vegetals continuen en fase d’aprenentatge i creixement, i cal més atenció i investigació. Aquest article descriu les característiques i els avantatges dels mètodes d’il·luminació suplementaris comuns a les fàbriques de plantes i introdueix les idees de disseny dels sistemes d’il·luminació complementaris de cultius típics. No és difícil trobar -ho a través de la comparació, per tal de fer front a la baixa llum causada per un clima sever com ennuvolat continu i la bruma i per assegurar una producció elevada i estable de cultius de instal·lacions, els equips de font de llum LED Grow són més en línia amb el desenvolupament actual Tendències.

La futura direcció de desenvolupament de les fàbriques vegetals s’ha de centrar en nous sensors d’alta precisió i de baix cost, sistemes de dispositius d’il·luminació ajustables i de baix cost d’alta precisió i sistemes de control d’experts. Al mateix temps, les futures fàbriques vegetals continuaran desenvolupant-se cap a un baix cost, intel·ligent i autoadaptiu. L’ús i la popularització de les fonts de llum de cultiu de LED proporcionen garantia per al control ambiental d’alta precisió de les fàbriques vegetals. La regulació del medi ambient de llum LED és un procés complex que implica una regulació completa de la qualitat de la llum, la intensitat de la llum i el fotoperíode. Els experts i estudiosos rellevants han de realitzar investigacions en profunditat, promovent la il·luminació suplementària LED en fàbriques de plantes de llum artificial.