Autorius: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu ir kt. Šaltinis žiniasklaida ： Žemės ūkio inžinerijos technologija (šiltnamio efektą sukelianti sodininkystė)

Augalų gamykla sujungia šiuolaikinę pramonę, biotechnologijas, maistinių medžiagų hidroponiką ir informacines technologijas, kad būtų galima kontroliuoti aplinkos veiksnius įrenginyje. Jis yra visiškai uždaras, turi žemus aplinkos reikalavimus, sutrumpina augalų derliaus periodą, taupo vandenį ir trąšas, o ne pesticidų gamybos pranašumai ir jokių atliekų išmetimas, žemės naudojimo efektyvumas yra nuo 40 iki 108 kartų. atvirojo lauko gamybos. Tarp jų intelektualus dirbtinis šviesos šaltinis ir jo šviesos aplinkos reguliavimas vaidina lemiamą vaidmenį jo gamybos efektyvume.

Kaip svarbus fizinės aplinkos veiksnys, šviesa vaidina pagrindinį vaidmenį reguliuojant augalų augimą ir medžiagų metabolizmą. „Vienas iš pagrindinių augalų gamyklos bruožų yra visas dirbtinis šviesos šaltinis ir intelektualiojo šviesos aplinkos reguliavimo realizavimas“ tapo bendra sutarimu pramonėje.

Augalų poreikis šviesai

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

■ Šviesos intensyvumas

Šviesos intensyvumas gali pakeisti pasėlių morfologiją, tokią kaip žydėjimas, vidinio tipo ilgis, stiebo storis, lapų dydis ir storis. Augalų reikalavimus šviesos intensyvumui galima suskirstyti į šviesą mylinčius, vidutinio šviesos mylinčius ir mažai šviesiai tolerantiškus augalus. Daržovės dažniausiai yra šviesiai mylintys augalai, o jų lengvos kompensacijos taškai ir lengvos sodrumo taškai yra palyginti dideli. Dirbtiniuose šviesos augalų gamyklose svarbūs augalų reikalavimai šviesos intensyvumui yra svarbus pagrindas renkantis dirbtinius šviesos šaltinius. Suprantant įvairių augalų šviesos reikalavimus, svarbu projektuoti dirbtinius šviesos šaltinius, ypač būtina pagerinti sistemos gamybos našumą.

■ Šviesos kokybė

Šviesos kokybės (spektrinis) pasiskirstymas taip pat daro didelę įtaką augalų fotosintezei ir morfogenezei (1 paveikslas). Šviesa yra radiacijos dalis, o radiacija yra elektromagnetinė banga. Elektromagnetinės bangos turi bangų charakteristikas ir kvantines (dalelių) charakteristikas. Šviesos kiekis sodininkystės lauke vadinamas fotonu. Radiacija, kurios bangos ilgio diapazonas yra 300 ~ 800 nm, vadinama fiziologiškai aktyvia augalų spinduliuote; ir radiacija, kurios bangos ilgio diapazonas yra 400 ~ 700 nm, vadinama fotosintetiškai aktyvia augalų radiacija (PAR).

Chlorofilas ir karotenai yra du svarbiausi augalų fotosintezės pigmentai. 2 paveiksle parodytas kiekvieno fotosintetinio pigmento spektrinės absorbcijos spektras, kuriame chlorofilo absorbcijos spektras yra sutelktas į raudoną ir mėlyną juostų. Apšvietimo sistema yra pagrįsta spektriniais augalų poreikiais dirbtinai papildyti šviesą, kad būtų skatinama augalų fotosintezė.

■ Fotoperiodas
Ryšys tarp augalų fotosintezės ir fotomorfogenezės ir dienos ilgio (arba fotoperiodo laikas) yra vadinamas augalų fotoperiodiškumu. Fotoperiodija yra glaudžiai susijusi su šviesos valandomis, o tai reiškia, kad pasėlis yra švitinamas šviesa. Skirtingi pasėliai reikalauja tam tikro skaičiaus šviesos valandų, kad fotoperiodas užbaigtų, kad žydėtų ir duotų vaisių. Remiantis skirtingais fotoperiodais, juos galima suskirstyti į ilgą dieną pasėlius, tokius kaip kopūstai ir kt., Kuriems tam tikrame jo augimo etape reikia daugiau nei 12–14 valandų šviesos valandos; Trumpos dienos pasėliams, tokiems kaip svogūnai, sojos pupelės ir kt., Reikia mažiau nei 12–14 valandų apšvietimo valandos; Vidutinės ir tautos pasėliai, tokie kaip agurkai, pomidorai, pipirai ir kt., Gali žydėti ir duoti vaisių ilgesniu ar trumpesniu saulės spinduliu.
Tarp trijų aplinkos elementų šviesos intensyvumas yra svarbus pagrindas renkantis dirbtinius šviesos šaltinius. Šiuo metu yra daugybė būdų, kaip išreikšti šviesos intensyvumą, daugiausia įskaitant šiuos tris.
（1） Apšvietimas reiškia šviečiančio srauto paviršiaus tankį (šviečiantį srautą, esantį ploto vienete), gautą apšviestoje plokštumoje, LUX (LX).

（2） Fotosintetiškai aktyvi radiacija, PAR ， UNIT ： W/M²。

（3） Fotosintetiškai efektyvus fotono srauto tankis PPFD arba PPF yra fotosintetiškai efektyvios radiacijos, pasiekiančios arba einantis per vieneto laiką ir vieneto plotą, skaičius, vienetas ： μmol/(m² · s)。 。ainly reiškia 400 ~ 700 nm šviesos intensyvumą. Tiesiogiai susijęs su fotosinteze. Tai taip pat dažniausiai naudojamas šviesos intensyvumo indikatorius augalų gamybos srityje.

Šviesos šaltinio analizė Tipinės papildomos šviesos sistemos analizė
Dirbtinis šviesos priedas yra padidinti šviesos intensyvumą tikslinėje srityje arba prailginti šviesos laiką, įdiegdamas papildomos šviesos sistemą, kad patenkintų augalų šviesos poreikį. Apskritai, papildomą šviesos sistemą sudaro papildoma šviesos įranga, grandinės ir jos valdymo sistema. Papildomi šviesos šaltiniai daugiausia apima keletą įprastų tipų, tokių kaip kaitrinės lempos, fluorescencinės lempos, metalinės halogenido lempos, aukšto slėgio natrio lempos ir šviesos diodai. Dėl mažo elektros ir optinio kaitrinių lempų efektyvumo, mažo fotosintetinio energijos vartojimo efektyvumo ir kitų trūkumų, rinka ją pašalino, todėl šis straipsnis neatlieka išsamios analizės.

■ Fluorescencinė lempa
Fluorescencinės lempos priklauso mažo slėgio dujų išleidimo lempų tipui. Stiklinis vamzdis užpildytas gyvsidabrio garais arba inertinėmis dujomis, o vidinė vamzdžio siena padengta fluorescenciniais milteliais. Šviesos spalva kinta priklausomai nuo fluorescencinės medžiagos, padengtos vamzdyje. Fluorescencinės lempos pasižymi geru spektriniu našumu, dideliu šviesos efektyvumu, maža galia, ilgesnis tarnavimo laikas (12000 val.), Palyginti su kaitinamosiomis lempomis, ir palyginti mažos išlaidos. Kadangi pati fluorescencinė lempa skleidžia mažiau šilumos, ji gali būti arti augalų apšvietimui ir tinkama trimatei auginimui. Tačiau fluorescencinės lempos spektrinis išdėstymas yra nepagrįstas. Labiausiai paplitęs metodas pasaulyje yra pridėti atšvaitus, kad būtų maksimaliai padidinti auginamojo ploto pasėlių efektyvūs šviesos šaltinio komponentai. Japonijos „Adv-AGRI“ įmonė taip pat sukūrė naujo tipo papildomą šviesos šaltinį HELF. Hefl iš tikrųjų priklauso fluorescencinių lempų kategorijai. Tai yra bendras terminas šaltų katodo fluorescencinių lempų (CCFL) ir išorinių elektrodo fluorescencinių lempų (EEFL) ir yra mišrus elektrodų fluorescencinė lemputė. „Hefl“ vamzdis yra ypač plonas, jo skersmuo yra tik apie 4 mm, o ilgis gali būti sureguliuotas nuo 450 mm iki 1200 mm pagal auginimo poreikius. Tai yra patobulinta įprastos fluorescencinės lempos versija.

■ Metalinė halogenido lemputė
Metalinė halogenido lemputė yra didelio intensyvumo išleidimo lemputė, kuri gali sužadinti skirtingus elementus, kad susidarytų skirtingi bangos ilgiai, pridedant įvairių metalinių halogenidų (alavo bromido, natrio jodido ir kt.) Išlydžio vamzdyje, remiantis aukšto slėgio gyvsidabrio lempute. Halogeninės lempos pasižymi dideliu šviesos efektyvumu, didele galia, gera šviesos spalva, ilga tarnavimo laikas ir didelis spektras. Tačiau kadangi šviečiausias efektyvumas yra mažesnis nei aukšto slėgio natrio lempos, o gyvavimo laikas yra trumpesnis nei aukšto slėgio natrio lempos, šiuo metu jis naudojamas tik keliose augalų gamyklose.

■ Aukšto slėgio natrio lemputė
Aukšto slėgio natrio lempos priklauso aukšto slėgio dujų išleidimo lempų tipui. Aukšto slėgio natrio lemputė yra didelio efektyvumo lemputė, kurioje aukšto slėgio natrio garai užpildomi išleidimo vamzdyje, pridedant nedidelį kiekį ksenono (Xe) ir gyvsidabrio metalo halogenido. Kadangi aukšto slėgio natrio lempos turi didelį elektro-optinio konversijos efektyvumą ir mažesnes gamybos sąnaudas, aukšto slėgio natrio lempos šiuo metu yra plačiausiai naudojamos naudojant papildomą šviesą žemės ūkio įstaigose. Tačiau dėl mažo fotosintetinio efektyvumo trūkumų jų spektre, jie turi mažo energijos vartojimo efektyvumo trūkumus. Kita vertus, spektriniai komponentai, kuriuos skleidžia aukšto slėgio natrio lempos, daugiausia koncentruojami geltonai oranžinės šviesos juostoje, kuriai trūksta raudonos ir mėlynos spalvos spektrų, reikalingų augalų augimui.

■ Šviesos skleidžiantis diodas
Kaip naujos kartos šviesos šaltiniai, šviesos diodai (šviesos diodai) turi daugybę pranašumų, tokių kaip didesnis elektro-optinio konversijos efektyvumas, reguliuojamas spektras ir didelis fotosintetinis efektyvumas. LED gali skleisti monochromatinę šviesą, reikalingą augalų augimui. Palyginti su įprastais fluorescencinėmis lempomis ir kitais papildomais šviesos šaltiniais, LED turi energijos taupymo, aplinkos apsaugos, ilgo tarnavimo, monochromatinės šviesos, šalto šviesos šaltinio ir pan. Privalumus. Toliau pagerinus LED šviesos diodų elektromoptinį efektyvumą ir sumažinant mastelio efekto sukeltas išlaidas, LED auginimo apšvietimo sistemos taps pagrindine įranga, skirta papildyti šviesą žemės ūkio įrenginiuose. Dėl to LED auginimo žibintai buvo uždėti daugiau nei 99,9% augalų gamyklų.

Palyginus, skirtingų papildomų šviesos šaltinių charakteristikos gali būti aiškiai suprantamos, kaip parodyta 1 lentelėje.

Mobiliojo apšvietimo įtaisas
Šviesos intensyvumas yra glaudžiai susijęs su pasėlių augimu. Trimatis auginimas dažnai naudojamas augalų gamyklose. Tačiau dėl auginimo lentynų struktūros apribojimo netolygus šviesos ir temperatūros pasiskirstymas tarp stelažų paveiks pasėlių derlių, o derliaus nuėmimo laikotarpis nebus sinchronizuotas. Pekino įmonė sėkmingai sukūrė rankinį kėlimo šviesos papildymo įtaisą (HPS apšvietimo įrenginį ir LED auginimo apšvietimo įrenginį) 2010 m. Principas yra pasukti pavaros veleną, o „Winder“ pritvirtintas ant jo, sukrėsdamas rankeną, kad pasuktų mažą plėvelės ritę Norint pasiekti vielos virvę, atsiimti ir atsipalaiduoti. Grožės lemputės vielos virvė yra sujungta su lifto apvijos ratu per kelis atbulinių ratų rinkinius, kad būtų galima sureguliuoti auginimo šviesos aukštį. 2017 m. Aukščiau paminėta įmonė suprojektavo ir sukūrė naują mobiliojo šviesos papildymo įrenginį, kuris realiu laiku gali automatiškai sureguliuoti šviesos papildo aukštį pagal pasėlių augimo poreikius. Reguliavimo įtaisas dabar įdiegtas ant 3 sluoksnių šviesos šaltinio kėlimo tipo trimatės auginimo lentynos. Viršutinis prietaiso sluoksnis yra lygis, turintis geriausią šviesos būklę, todėl jame yra aukšto slėgio natrio lempos; Vidurinis ir apatinis sluoksnis yra aprūpinti LED auginimo žibintais ir kėlimo reguliavimo sistema. Jis gali automatiškai sureguliuoti auginimo lemputės aukštį, kad būtų tinkama augalų apšvietimo aplinkas.

Palyginti su mobiliojo šviesos papildymo įtaisu, pritaikytu trijų matmenų auginimui, Nyderlandai sukūrė horizontaliai kilnojamąjį LED auginimo šviesos šviesos įtaisą. Norint išvengti auginimo šviesos šešėlio įtakos augalų augimui saulėje, auginimo šviesos sistemą galima nustumti į abi laikiklio puses per teleskopinę skaidrę horizontalia kryptimi, kad saulė būtų visiškai apšvitinta ant augalų; Debesuotomis ir lietingomis dienomis be saulės spindulių pastumkite auginimo šviesos sistemą į laikiklio vidurį, kad auginimo šviesos sistemos šviesa būtų tolygiai užpildytų augalus; Perkelkite horizontaliai augimo šviesos sistemą per skliaustelio skaidrę, venkite dažnai išmontuoti ir pašalinti auginimo šviesos sistemą bei sumažinti darbuotojų darbo intensyvumą, taip efektyviai pagerinti darbo efektyvumą.

Tipiškos auginimo šviesos sistemos dizaino idėjos
Iš mobiliojo apšvietimo papildomo prietaiso dizaino nėra sunku pastebėti, kad augalų gamyklos papildomos apšvietimo sistemos dizainas paprastai užima skirtingų pasėlių augimo laikotarpių šviesos intensyvumą, šviesos kokybę ir fotoperiodų parametrus, kaip pagrindinį dizaino turinį. , remdamiesi intelektualia kontrolės sistema, kad įgyvendintumėte, pasiekus galutinį energijos taupymo ir didelio pajamingumo tikslą.

Šiuo metu lapinių daržovių papildomos šviesos projektavimas ir konstrukcija pamažu subrendo. Pavyzdžiui, lapines daržoves galima suskirstyti į keturis etapus: sodinuko stadiją, vidutinį augimą, vėlyvą augimą ir galinę stadiją; Vaisių vardinius prekes galima suskirstyti į sodinukų stadiją, vegetatyvinį augimo stadiją, žydėjimo stadiją ir derliaus nuėmimo stadiją. Remiantis papildomo šviesos intensyvumo požymiais, šviesos intensyvumas sodinuko stadijoje turėtų būti šiek tiek mažesnis, esant 60 ~ 200 μmol/(m² · s), o po to palaipsniui didėja. Leafy vegetables can reach up to 100~200 μmol/(m²·s), and fruit vegetables can reach 300~500 μmol/(m²·s) to ensure the light intensity requirements of plant photosynthesis in each growth period and fulfill the needs of didelis derlius; Šviesos kokybės atžvilgiu labai svarbus raudonos ir mėlynos spalvos santykis. Siekiant padidinti sodinukų kokybę ir užkirsti kelią per dideliam augimo daigų stadijoje, raudonos ir mėlynos spalvos santykis paprastai nustatomas žemo lygio [(1 ~ 2): 1], o po to palaipsniui sumažinamas, kad būtų patenkinti augalo poreikiai Šviesos morfologija. Raudonos ir mėlynos ir lapinės daržovių santykis gali būti nustatytas (3 ~ 6): 1. Fotoperiodui, panašiai kaip šviesos intensyvumas, jis turėtų parodyti tendenciją, kad padidėja augimo laikotarpis, kad lapinės daržovės turėtų daugiau fotosintezės laiko fotosintezei. Šviesos vaisių ir daržovių papildymo dizainas bus sudėtingesnis. Be aukščiau paminėtų pagrindinių įstatymų, turėtume sutelkti dėmesį į fotoperiodo nustatymą žydėjimo laikotarpiu, o daržovių žydėjimas ir vaisiai turi būti skatinami, kad neatsitrauktų.

Verta paminėti, kad šviesos formulėje turėtų būti galutinis gydymas šviesos aplinkos nustatymams. Pavyzdžiui, nuolatinis šviesos papildymas gali žymiai pagerinti hidroponinių lapinių daržovių sodinukų išeigą ir kokybę arba naudoti UV gydymą, kad žymiai pagerintumėte daigus ir lapines daržoves (ypač purpurinius lapus ir raudonųjų lapų salotas) mitybos kokybę.

Be to, kad pastaraisiais metais taip pat greitai vystėsi ir tam tikrų dirbtinių šviesos augalų gamyklų šviesos šaltinio valdymo sistema optimizuoti šviesos papildymą, taip pat greitai vystėsi. Ši valdymo sistema paprastai grindžiama B/S struktūra. Nuotolinio valdymo ir automatinis aplinkos veiksnių, tokių kaip temperatūra, drėgmė, šviesa ir CO2 koncentracija augant pasėliams, kontrolė yra realizuojami per „WiFi“, o tuo pačiu metu realizuojamas gamybos metodas, kurio neapriboja išorinės sąlygos. Tokia intelektualioji papildoma šviesos sistema naudoja LED auginimo šviestuvą kaip papildomą šviesos šaltinį kartu su nuotoline intelektualioji valdymo sistema, gali patenkinti augalų bangos ilgio apšvietimo poreikius, ypač tinkamas šviesai kontroliuojamai augalų auginimo aplinkai ir gali patenkinti rinkos paklausą. .

Baigiamosios pastabos
Augalų gamyklos yra laikomos svarbiu būdu išspręsti pasaulio išteklius, gyventojų ir aplinkos problemas XXI amžiuje ir svarbų būdą pasiekti maisto savarankiškumą būsimuose aukštųjų technologijų projektuose. Kaip naujo tipo žemės ūkio gamybos metodas, augalų gamyklos vis dar mokosi ir augimo stadijoje, todėl reikia daugiau dėmesio ir tyrimų. Šiame straipsnyje aprašomos įprastų papildomo apšvietimo metodų charakteristikos ir pranašumai augalų gamyklose ir pristato tipinių pasėlių papildomų apšvietimo sistemų projektavimo idėjas. Nereikia rasti palyginimo metu, kad būtų galima susidoroti su silpnu orais, tokiais kaip nuolatinė debesuota ir migla, ir užtikrinti aukštą ir stabilią įrenginių augalų gamybą, LED auginimo šviesos šaltinio įranga labiausiai atitinka dabartinę plėtrą tendencijos.

Ateities augalų gamyklų kūrimo kryptis turėtų būti sutelkta į naujus didelio tikslumo, pigių jutiklių, nuotoliniu būdu valdomų, reguliuojamų spektro apšvietimo įrenginių sistemų ir ekspertų valdymo sistemų. Tuo pačiu metu būsimos augalų gamyklos toliau vystysis pigių, protingų ir savarankiškų savarankiškų. LED auginimo šviesos šaltinių naudojimas ir populiarinimas suteikia garantiją augalų gamyklų didelės tikslumo aplinkos kontrolei. LED šviesos aplinkos reguliavimas yra sudėtingas procesas, apimantis išsamų šviesos kokybės, šviesos intensyvumo ir fotoperiodo reguliavimą. Atitinkami ekspertai ir mokslininkai turi atlikti nuodugnius tyrimus, skatindami LED papildomą apšvietimą dirbtiniuose šviesos augalų gamyklose.