Autorius: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu ir kt.Šaltinio žiniasklaida: žemės ūkio inžinerijos technologija (šiltnamių sodininkystė)

Augalų gamykla sujungia modernią pramonę, biotechnologijas, maistinių medžiagų hidroponiką ir informacines technologijas, kad objekte būtų įdiegta itin tiksli aplinkos veiksnių kontrolė.Jis yra visiškai uždaras, kelia žemus reikalavimus supančiai aplinkai, sutrumpina augalų derliaus laikotarpį, taupo vandenį ir trąšas, o naudojant nepesticidų gamybos ir atliekų išmetimo privalumus, vieneto žemės naudojimo efektyvumas yra nuo 40 iki 108 kartų didesnis. gamyba atvirame lauke.Be to, išmanusis dirbtinės šviesos šaltinis ir jo šviesos aplinkos reguliavimas atlieka lemiamą vaidmenį gamybos efektyvumui.

Kaip svarbus fizinis aplinkos veiksnys, šviesa atlieka pagrindinį vaidmenį reguliuojant augalų augimą ir medžiagų apykaitą.„Viena iš pagrindinių gamyklos ypatybių yra pilnas dirbtinės šviesos šaltinis ir išmanaus šviesos aplinkos reguliavimo įgyvendinimas“ tapo bendru sutarimu pramonėje.

Augalų šviesos poreikis

Šviesa yra vienintelis augalų fotosintezės energijos šaltinis.Šviesos intensyvumas, šviesos kokybė (spektras) ir periodiniai šviesos pokyčiai turi didelę įtaką pasėlių augimui ir vystymuisi, iš kurių didžiausią įtaką augalų fotosintezei turi šviesos intensyvumas.

■ Šviesos stiprumas

Šviesos intensyvumas gali pakeisti pasėlių morfologiją, pvz., žydėjimą, tarpmazgių ilgį, stiebo storį ir lapų dydį bei storį.Augalų reikalavimus šviesos intensyvumui galima suskirstyti į šviesamėgius, vidutiniškai šviesamėgius ir silpną šviesą tolerantiškus augalus.Daržovės dažniausiai yra šviesamėgiai augalai, jų šviesos kompensavimo taškai ir šviesos prisotinimo taškai yra gana aukšti.Dirbtinės šviesos augalų gamyklose atitinkami pasėlių reikalavimai šviesos intensyvumui yra svarbus pagrindas renkantis dirbtinės šviesos šaltinius.Projektuojant dirbtinius šviesos šaltinius svarbu suprasti skirtingų augalų apšvietimo reikalavimus, be galo būtina pagerinti sistemos gamybos našumą.

■ Šviesos kokybė

Šviesos kokybės (spektrinis) pasiskirstymas taip pat turi didelę įtaką augalų fotosintezei ir morfogenezei (1 pav.).Šviesa yra spinduliuotės dalis, o spinduliuotė yra elektromagnetinė banga.Elektromagnetinės bangos turi bangų charakteristikas ir kvantines (dalelių) charakteristikas.Šviesos kvantas sodininkystės srityje vadinamas fotonu.300–800 nm bangų ilgio spinduliuotė vadinama fiziologiškai aktyvia augalų spinduliuote;o spinduliuotė, kurios bangų ilgių diapazonas yra 400–700 nm, vadinama augalų fotosintetiškai aktyvia spinduliuote (PAR).

Chlorofilas ir karotenai yra du svarbiausi augalų fotosintezės pigmentai.2 paveiksle parodytas kiekvieno fotosintetinio pigmento spektrinis sugerties spektras, kuriame chlorofilo sugerties spektras yra sutelktas raudonoje ir mėlynoje juostose.Apšvietimo sistema pagrįsta pasėlių spektriniais poreikiais dirbtinai papildyti šviesą, kad būtų skatinama augalų fotosintezė.

■ fotoperiodas
Ryšys tarp augalų fotosintezės ir fotomorfogenezės bei dienos trukmės (arba fotoperiodo laiko) vadinamas augalų fotoperiodiškumu.Fotoperiodiškumas yra glaudžiai susijęs su šviesos valandomis, kurios reiškia laiką, kai pasėliai yra apšvitinami šviesa.Skirtingoms kultūroms reikalingas tam tikras šviesos valandų skaičius, kad užbaigtų fotoperiodą, kad žydėtų ir duotų vaisių.Pagal skirtingus fotoperiodus jis gali būti suskirstytas į ilgadienius augalus, tokius kaip kopūstai ir kt., kuriems tam tikrame augimo etape reikia daugiau nei 12-14 valandų šviesos valandų;trumpadieniams pasėliams, tokiems kaip svogūnai, sojos pupelės ir kt., reikia mažiau nei 12–14 valandų Apšvietimo valandų;Vidutinio saulės poveikio augalai, tokie kaip agurkai, pomidorai, paprikos ir kt., gali žydėti ir duoti vaisių esant ilgesniam ar trumpesniam saulės spinduliui.
Tarp trijų aplinkos elementų šviesos intensyvumas yra svarbus pagrindas renkantis dirbtinius šviesos šaltinius.Šiuo metu yra daug būdų, kaip išreikšti šviesos intensyvumą, įskaitant šiuos tris.
(1) Apšvietimas reiškia šviesos srauto (šviesos srauto ploto vienetui) paviršiaus tankį, gaunamą apšviestoje plokštumoje, liuksais (lx).

(2) Fotosintetiškai aktyvi spinduliuotė, PAR, vienetas: W/m².

(3) Fotosintetinio efektyvumo fotonų srauto tankis PPFD arba PPF yra fotosintetiškai efektyvios spinduliuotės, kuri pasiekia arba praeina per laiko vienetą ir ploto vienetą, skaičius: μmol/(m²·s). Daugiausia reiškia 400–700 nm šviesos intensyvumą. tiesiogiai susiję su fotosinteze.Tai taip pat dažniausiai naudojamas šviesos intensyvumo indikatorius augalininkystės srityje.

Tipiškos papildomos šviesos sistemos šviesos šaltinio analizė
Dirbtinės šviesos papildymas skirtas padidinti šviesos intensyvumą tikslinėje srityje arba pailginti šviesos laiką, įrengiant papildomos šviesos sistemą, kad būtų patenkintas augalų šviesos poreikis.Paprastai tariant, papildomos šviesos sistema apima papildomą apšvietimo įrangą, grandines ir jos valdymo sistemą.Papildomi šviesos šaltiniai daugiausia apima keletą įprastų tipų, pvz., kaitinamosios lempos, fluorescencinės lempos, metalų halogenų lempos, aukšto slėgio natrio lempos ir šviesos diodai.Dėl žemo kaitrinių lempų elektrinio ir optinio efektyvumo, žemo fotosintezės energijos efektyvumo ir kitų trūkumų rinkoje jis buvo pašalintas, todėl šiame straipsnyje išsamiai neanalizuojama.

■ Liuminescencinė lempa
Liuminescencinės lempos priklauso žemo slėgio dujų išlydžio lempų tipui.Stiklinis vamzdelis užpildytas gyvsidabrio garais arba inertinėmis dujomis, o vidinė vamzdelio sienelė padengta fluorescenciniais milteliais.Šviesos spalva skiriasi priklausomai nuo fluorescencinės medžiagos, padengtos vamzdeliu.Liuminescencinės lempos pasižymi geromis spektrinėmis savybėmis, dideliu šviesos efektyvumu, maža galia, ilgesniu tarnavimo laiku (12000h), palyginti su kaitrinėmis lempomis, ir palyginti mažomis sąnaudomis.Kadangi pati fluorescencinė lempa skleidžia mažiau šilumos, ji gali būti arti augalų apšvietimui ir tinkama trimačiai auginimui.Tačiau fluorescencinės lempos spektrinis išdėstymas yra nepagrįstas.Labiausiai paplitęs metodas pasaulyje yra pridėti atšvaitų, kad būtų maksimaliai padidintas veiksmingų augalų šviesos šaltinio komponentas auginimo plote.Japonijos adv-agri kompanija taip pat sukūrė naujo tipo papildomą šviesos šaltinį HEFL.HEFL iš tikrųjų priklauso liuminescencinių lempų kategorijai.Tai bendras terminas šaltojo katodo liuminescencinėms lempoms (CCFL) ir išorinėms fluorescencinėms lempoms (EEFL) ir yra mišrių elektrodų fluorescencinė lempa.HEFL vamzdis yra ypač plonas, jo skersmuo yra tik apie 4 mm, o ilgį galima reguliuoti nuo 450 mm iki 1200 mm pagal auginimo poreikius.Tai patobulinta įprastos fluorescencinės lempos versija.

■ Metalo halogenidinė lempa
Metalo halogenidų lempa yra didelio intensyvumo išlydžio lempa, kuri gali sužadinti skirtingus elementus, kad sukurtų skirtingus bangos ilgius, pridedant įvairių metalų halogenidų (alavo bromido, natrio jodido ir kt.) į išlydžio vamzdį aukšto slėgio gyvsidabrio lempos pagrindu.Halogeninės lempos turi didelį šviesos efektyvumą, didelę galią, gerą šviesos spalvą, ilgą tarnavimo laiką ir didelį spektrą.Tačiau kadangi šviesos efektyvumas yra mažesnis nei aukšto slėgio natrio lempų, o tarnavimo laikas trumpesnis nei aukšto slėgio natrio lempų, šiuo metu jis naudojamas tik keliose gamyklose.

■ Aukšto slėgio natrio lempa
Aukšto slėgio natrio lempos priklauso aukšto slėgio dujų išlydžio lempų tipui.Aukšto slėgio natrio lempa yra didelio efektyvumo lempa, kurios išlydžio vamzdyje pripildomi aukšto slėgio natrio garai ir pridedamas nedidelis ksenono (Xe) ir gyvsidabrio metalo halogeno kiekis.Kadangi aukšto slėgio natrio lempos pasižymi dideliu elektrooptinio konversijos efektyvumu ir mažesnėmis gamybos sąnaudomis, aukšto slėgio natrio lempos šiuo metu yra plačiausiai naudojamos papildomos šviesos taikymui žemės ūkio įrenginiuose.Tačiau dėl žemo fotosintezės efektyvumo savo spektre trūkumų jie turi mažo energijos vartojimo efektyvumo trūkumus.Kita vertus, aukšto slėgio natrio lempų skleidžiami spektriniai komponentai daugiausia koncentruojasi geltonai oranžinėje šviesos juostoje, kurioje trūksta augalams augti būtinų raudonų ir mėlynų spektrų.

■ Šviesos diodas
Kaip naujos kartos šviesos šaltiniai, šviesos diodai (LED) turi daug privalumų, tokių kaip didesnis elektrooptinės konversijos efektyvumas, reguliuojamas spektras ir aukštas fotosintezės efektyvumas.LED gali skleisti vienspalvę šviesą, reikalingą augalų augimui.Lyginant su įprastomis fluorescencinėmis lempomis ir kitais papildomais šviesos šaltiniais, LED turi energijos taupymo, aplinkos apsaugos, ilgaamžiškumo, monochromatinės šviesos, šalto šviesos šaltinio ir pan.Toliau gerėjant šviesos diodų elektrooptiniam efektyvumui ir mažėjant masto efekto sąlygotoms sąnaudoms, LED auginimo apšvietimo sistemos taps pagrindine žemės ūkio objektų apšvietimo papildymo įranga.Dėl to daugiau nei 99,9% augalų gamyklų buvo naudojami LED auginimo žibintai.

Palyginus, galima aiškiai suprasti skirtingų papildomų šviesos šaltinių charakteristikas, kaip parodyta 1 lentelėje.

Mobilus apšvietimo įrenginys
Šviesos intensyvumas glaudžiai susijęs su pasėlių augimu.Augalų gamyklose dažnai naudojamas trimatis auginimas.Tačiau dėl auginimo stelažų konstrukcijos ribotumo, netolygus šviesos ir temperatūros pasiskirstymas tarp stelažų turės įtakos pasėlių derliui ir derliaus nuėmimo laikotarpis nebus sinchronizuojamas.Pekino įmonė 2010 m. sėkmingai sukūrė rankinį kėlimo šviesos papildymo įrenginį (HPS apšvietimo įtaisą ir LED augimą). Principas yra sukti pavaros veleną ir ant jo pritvirtintą vyniotuvą, purtant rankenėlę, kad būtų sukama maža plėvelės ritė. kad būtų pasiektas vielinio lyno įtraukimo ir išvyniojimo tikslas.Auginimo lemputės vielinis lynas sujungiamas su lifto apvijančiu ratu per kelis atbulinės eigos ratų rinkinius, kad būtų pasiektas auginimo šviesos aukščio reguliavimo efektas.2017 metais minėta įmonė suprojektavo ir sukūrė naują mobilų šviesos papildymo įrenginį, kuris realiu laiku gali automatiškai reguliuoti šviesos priedo aukštį pagal pasėlių augimo poreikius.Reguliavimo įtaisas dabar sumontuotas ant 3 sluoksnių šviesos šaltinio kėlimo tipo trimačio kultivavimo stelažo.Viršutinis įrenginio sluoksnis yra geriausio apšvietimo lygio, todėl jame sumontuotos aukšto slėgio natrio lempos;Viduriniame ir apatiniame sluoksnyje yra LED auginimo lemputės ir kėlimo reguliavimo sistema.Jis gali automatiškai reguliuoti augimo šviesos aukštį, kad būtų sukurta tinkama apšvietimo aplinka pasėliams.

Palyginti su mobiliuoju šviesos papildomu įrenginiu, pritaikytu trimačiui auginimui, Nyderlandai sukūrė horizontaliai judantį LED auginimo šviesos papildomo apšvietimo įrenginį.Siekiant išvengti augimo šviesos šešėlio įtakos augalų augimui saulėje, augimo šviesos sistemą per teleskopinį čiuožyklą galima stumti į abi laikiklio puses horizontalia kryptimi, kad saulė būtų pilnai. apšvitintas ant augalų;debesuotomis ir lietingomis dienomis be saulės šviesos pastumkite auginimo šviesos sistemą į laikiklio vidurį, kad auginimo šviesos sistemos šviesa tolygiai užpildytų augalus;perkelkite auginimo šviesos sistemą horizontaliai per slankiklį ant kronšteino, venkite dažno auginimo šviesos sistemos išmontavimo ir nuėmimo bei sumažinkite darbuotojų darbo intensyvumą, taip efektyviai pagerindami darbo efektyvumą.

Tipiškos auginimo šviesos sistemos dizaino idėjos
Iš mobiliojo papildomo apšvietimo įrenginio konstrukcijos nesunku pastebėti, kad augalų gamyklos papildomo apšvietimo sistemos projekte dažniausiai atsižvelgiama į skirtingų pasėlių augimo periodų šviesos intensyvumą, šviesos kokybę ir fotoperiodinius parametrus kaip pagrindinį dizaino turinį. , pasikliaujant įdiegta išmaniąja valdymo sistema, siekiant galutinio energijos taupymo ir didelio derlingumo tikslo.

Šiuo metu pamažu subrendo lapinių daržovių papildomos šviesos projektavimas ir konstrukcija.Pavyzdžiui, lapines daržoves galima suskirstyti į keturias stadijas: daigų tarpsnį, vidutinio augimo, vėlyvojo augimo ir galutinį etapą;vaisius-daržoves galima suskirstyti į sodinukų, vegetatyvinio augimo, žydėjimo ir derliaus nuėmimo stadijas.Atsižvelgiant į papildomo šviesos intensyvumo požymius, šviesos intensyvumas daigų stadijoje turėtų būti šiek tiek mažesnis, 60–200 μmol/(m²·s), o vėliau palaipsniui didėti.Lapinės daržovės gali siekti iki 100–200 μmol/(m²·s), o vaisinės – 300–500 μmol/(m²·s), kad būtų užtikrinti augalų fotosintezės šviesos intensyvumo reikalavimai kiekvienu augimo periodu ir patenkinti didelis derlius;Kalbant apie šviesos kokybę, labai svarbus raudonos ir mėlynos spalvos santykis.Siekiant pagerinti sodinukų kokybę ir užkirsti kelią pernelyg dideliam augimui sodinukų stadijoje, raudonos ir mėlynos spalvos santykis paprastai nustatomas žemai [(1–2):1], o po to palaipsniui mažinamas, kad atitiktų augalų poreikius. šviesos morfologija.Raudonos ir mėlynos spalvos ir lapinių daržovių santykį galima nustatyti į (3–6):1.Fotoperiodui, panašiai kaip šviesos intensyvumas, jis turėtų didėti ilgėjant augimo periodui, kad lapinės daržovės turėtų daugiau fotosintezės laiko fotosintezei.Lengvas vaisių ir daržovių papildų dizainas bus sudėtingesnis.Be minėtų pagrindinių dėsnių, didžiausią dėmesį turėtume skirti fotoperiodo nustatymui žydėjimo laikotarpiu, taip pat turi būti skatinamas daržovių žydėjimas ir derėjimas, kad nenukentėtų.

Verta paminėti, kad šviesos formulė turėtų apimti galutinį šviesos aplinkos nustatymų apdorojimą.Pavyzdžiui, nuolatinis šviesos papildymas gali labai pagerinti hidroponinių lapinių daržovių sodinukų derlių ir kokybę arba naudoti UV apdorojimą, kad žymiai pagerintų daigų ir lapinių daržovių (ypač purpurinių lapų ir raudonųjų lapinių salotų) maistinę kokybę.

Pastaraisiais metais sparčiai vystėsi kai kurių dirbtinių šviesos augalų gamyklų šviesos šaltinio valdymo sistema, be optimizavimo tam tikroms kultūroms.Ši valdymo sistema paprastai yra pagrįsta B/S struktūra.Per WIFI realizuojamas nuotolinis ir automatinis aplinkos veiksnių, tokių kaip temperatūra, drėgmė, šviesa, CO2 koncentracija pasėlių augimo metu, valdymas, o kartu realizuojamas ir išorinių sąlygų nevaržomas gamybos būdas.Tokia išmanioji papildomos šviesos sistema naudoja LED auginimo šviestuvą kaip papildomą šviesos šaltinį, kartu su nuotolinio intelektualaus valdymo sistema, gali patenkinti augalų bangos ilgio apšvietimo poreikius, ypač tinka šviesa valdomai augalų auginimo aplinkai ir gali gerai patenkinti rinkos poreikius. .

Baigiamosios pastabos
Augalų gamyklos laikomos svarbiu būdu sprendžiant pasaulio išteklių, gyventojų ir aplinkosaugos problemas XXI amžiuje bei svarbiu būdu siekiant apsirūpinti maistu būsimuose aukštųjų technologijų projektuose.Augalų gamyklos, kaip naujos rūšies žemės ūkio gamybos būdas, vis dar yra mokymosi ir augimo stadijoje, todėl reikia daugiau dėmesio ir tyrimų.Šiame straipsnyje aprašomos augalų gamyklose įprastų papildomo apšvietimo metodų charakteristikos ir pranašumai bei pristatomos tipiškų pasėlių papildomo apšvietimo sistemų dizaino idėjos.Nesunku rasti palyginus, kad būtų galima susidoroti su silpnu apšvietimu, kurį sukelia atšiaurūs orai, pvz., nuolatinis debesuotumas ir migla, ir užtikrinti aukštą bei stabilų augalų derlių, LED Grow šviesos šaltinių įranga labiausiai atitinka dabartinę plėtrą. tendencijas.

Ateities gamyklų plėtros kryptis turėtų būti orientuota į naujus didelio tikslumo, nebrangius jutiklius, nuotoliniu būdu valdomas, reguliuojamo spektro apšvietimo prietaisų sistemas ir ekspertų valdymo sistemas.Tuo pačiu metu būsimos gamyklos toliau vystysis pigių, protingų ir savarankiškai prisitaikančių link.LED auginimo šviesos šaltinių naudojimas ir populiarinimas užtikrina itin tikslią augalų gamyklų aplinkos kontrolę.LED šviesos aplinkos reguliavimas yra sudėtingas procesas, apimantis visapusišką šviesos kokybės, šviesos intensyvumo ir fotoperiodo reguliavimą.Atitinkami ekspertai ir mokslininkai turi atlikti nuodugnius tyrimus, skatinančius LED papildomą apšvietimą dirbtinės šviesos augalų gamyklose.