Автор: Цзин Чжао, Цзэнчан Чжоу, Юньлун Бу и др. Источник: Технологии сельскохозяйственного машиностроения (тепличное садоводство)

Завод-фабрика сочетает в себе современную промышленность, биотехнологии, питательную гидропонику и информационные технологии для осуществления высокоточного контроля факторов окружающей среды на объекте. Он полностью закрытый, имеет низкие требования к окружающей среде, сокращает период сбора урожая, экономит воду и удобрения, а благодаря преимуществам производства без пестицидов и отсутствия сброса отходов эффективность использования земли в единицу составляет от 40 до 108 раз производства в открытом грунте. Среди них интеллектуальный источник искусственного света и регулирование его световой среды играют решающую роль в эффективности производства.

Как важный физический фактор окружающей среды, свет играет ключевую роль в регулировании роста растений и метаболизма веществ. «Одной из основных особенностей завода является наличие полностью искусственного источника света и реализация интеллектуального регулирования световой среды», — стало общим мнением в отрасли.

Потребность растений в свете

Свет — единственный источник энергии фотосинтеза растений. Интенсивность света, качество света (спектр) и периодические изменения света оказывают глубокое влияние на рост и развитие сельскохозяйственных культур, среди которых интенсивность света оказывает наибольшее влияние на фотосинтез растений.

■ Интенсивность света

Интенсивность света может изменить морфологию сельскохозяйственных культур, например цветение, длину междоузлий, толщину стебля, а также размер и толщину листьев. По требованиям растений к интенсивности света можно разделить на светолюбивые, среднесветолюбивые и слабоосвещенные. Овощи в большинстве своем являются светолюбивыми растениями, и их показатели светокомпенсации и светонасыщения относительно высоки. На заводах по производству искусственного освещения соответствующие требования сельскохозяйственных культур к интенсивности света являются важной основой для выбора источников искусственного освещения. Понимание требований различных растений к освещению важно для проектирования источников искусственного света. Это крайне необходимо для улучшения производственных показателей системы.

■ Качество света

Распределение качества света (спектральное) также оказывает важное влияние на фотосинтез и морфогенез растений (рис. 1). Свет — это часть излучения, а излучение — это электромагнитная волна. Электромагнитные волны имеют волновые характеристики и квантовые (частичные) характеристики. Квант света в садоводстве называется фотоном. Излучение с диапазоном длин волн 300–800 нм называют физиологически активным излучением растений; а излучение с диапазоном длин волн 400–700 нм называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР) растений.

Хлорофилл и каротины — два наиболее важных пигмента в фотосинтезе растений. На рис. 2 показан спектральный спектр поглощения каждого фотосинтетического пигмента, в котором спектр поглощения хлорофилла сосредоточен в красной и синей полосах. Система освещения основана на спектральных потребностях сельскохозяйственных культур и искусственно дополняет свет, чтобы способствовать фотосинтезу растений.

■ фотопериод
Связь между фотосинтезом и фотоморфогенезом растений и длиной дня (или временем фотопериода) называется фотопериодом растений. Фотопериодичность тесно связана со световым временем, которое относится к времени облучения урожая светом. Разным культурам требуется определенное количество часов света для завершения фотопериода, чтобы они зацвели и принесли плоды. По различному фотопериоду ее можно разделить на длиннодневные культуры, например капусту и др., которым на определенной стадии роста требуется более 12—14 ч светового дня; короткодневные культуры, такие как лук, соя и т.д., требуют менее 12-14 часов освещения; культуры со средним светом, такие как огурцы, помидоры, перец и т. д., могут цвести и плодоносить при более длительном или коротком солнечном свете.
Среди трех элементов окружающей среды интенсивность света является важной основой для выбора источников искусственного света. В настоящее время существует множество способов выражения интенсивности света, в основном следующие три.
（1）Освещенность – это поверхностная плотность светового потока (световой поток на единицу площади), получаемого на освещаемой плоскости, в люксах (лк).

（2）Фотосинтетически активное излучение, ФАР，Единица измерения: Вт/м²。

(3) Плотность фотосинтетически эффективного потока фотонов PPFD или PPF — это количество фотосинтетически эффективного излучения, которое достигает или проходит через единицу времени и единицу площади, единица измерения: мкмоль/(м²·с). В основном относится к интенсивности света 400 ~ 700 нм. напрямую связано с фотосинтезом. Это также наиболее часто используемый индикатор интенсивности света в растениеводстве.

Анализ источника света типичной системы дополнительного освещения
Дополнительное искусственное освещение предназначено для увеличения интенсивности света в целевой области или продления времени освещения путем установки системы дополнительного освещения для удовлетворения потребности растений в свете. Вообще говоря, система дополнительного освещения включает в себя дополнительное световое оборудование, схемы и систему его управления. Дополнительные источники света в основном включают несколько распространенных типов, таких как лампы накаливания, люминесцентные лампы, металлогалогенные лампы, натриевые лампы высокого давления и светодиоды. Из-за низкой электрической и оптической эффективности ламп накаливания, низкой фотосинтетической энергоэффективности и других недостатков она была устранена рынком, поэтому в данной статье не проводится детальный анализ.

■ Люминесцентная лампа
Люминесцентные лампы относятся к типу газоразрядных ламп низкого давления. Стеклянная трубка заполнена парами ртути или инертным газом, а внутренняя стенка трубки покрыта флуоресцентным порошком. Цвет света зависит от флуоресцентного материала, нанесенного на трубку. Люминесцентные лампы обладают хорошими спектральными характеристиками, высокой светоотдачей, малой мощностью, более длительным сроком службы (12000 часов) по сравнению с лампами накаливания и относительно низкой стоимостью. Поскольку сама люминесцентная лампа излучает меньше тепла, ее можно размещать вблизи растений для освещения и подходит для трехмерного выращивания. Однако спектральная схема люминесцентной лампы неразумна. Самый распространенный метод в мире – это добавление отражателей, чтобы максимизировать эффективность компонентов источника света сельскохозяйственных культур в зоне выращивания. Японская компания adv-agri также разработала новый тип дополнительного источника света HEFL. HEFL фактически относится к категории люминесцентных ламп. Это общий термин для люминесцентных ламп с холодным катодом (CCFL) и люминесцентных ламп с внешним электродом (EEFL), а также люминесцентных ламп со смешанными электродами. Трубка HEFL чрезвычайно тонкая, диаметром всего около 4 мм, а длину можно регулировать от 450 мм до 1200 мм в зависимости от потребностей выращивания. Это улучшенная версия обычной люминесцентной лампы.

■ Металлогалогенная лампа
Металлогалогенная лампа представляет собой газоразрядную лампу высокой интенсивности, способную возбуждать различные элементы для получения различных длин волн за счет добавления в газоразрядную трубку различных галогенидов металлов (бромида олова, йодида натрия и др.) на основе ртутной лампы высокого давления. Галогенные лампы имеют высокую светоотдачу, большую мощность, хороший цвет света, длительный срок службы и большой спектр. Однако, поскольку светоотдача ниже, чем у натриевых ламп высокого давления, а срок службы короче, чем у натриевых ламп высокого давления, в настоящее время они используются лишь на нескольких заводах-фабриках.

■ Натриевая лампа высокого давления
Натриевые лампы высокого давления относятся к типу газоразрядных ламп высокого давления. Натриевая лампа высокого давления представляет собой высокоэффективную лампу, в которой газоразрядная трубка заполнена парами натрия под высоким давлением и добавлено небольшое количество ксенона (Xe) и металлогалогенида ртути. Поскольку натриевые лампы высокого давления обладают высокой эффективностью электрооптического преобразования при более низких производственных затратах, натриевые лампы высокого давления в настоящее время наиболее широко используются в качестве дополнительного освещения на сельскохозяйственных объектах. Однако из-за недостатков низкой эффективности фотосинтеза в их спектре они обладают недостатком низкой энергетической эффективности. С другой стороны, спектральные компоненты, излучаемые натриевыми лампами высокого давления, в основном сосредоточены в желто-оранжевой полосе света, в которой отсутствуют красный и синий спектры, необходимые для роста растений.

■ Светоизлучающий диод
Являясь источником света нового поколения, светоизлучающие диоды (СИД) имеют множество преимуществ, таких как более высокая эффективность электрооптического преобразования, регулируемый спектр и высокая эффективность фотосинтеза. Светодиод может излучать монохроматический свет, необходимый для роста растений. По сравнению с обычными люминесцентными лампами и другими дополнительными источниками света светодиоды обладают преимуществами энергосбережения, защиты окружающей среды, длительного срока службы, монохроматического света, источника холодного света и т. д. С дальнейшим улучшением электрооптической эффективности светодиодов и снижением затрат, вызванных эффектом масштаба, светодиодные системы освещения для выращивания растений станут основным оборудованием для дополнительного освещения на сельскохозяйственных объектах. В результате светодиодные светильники для выращивания растений используются на 99,9% заводов.

Путем сравнения можно четко понять характеристики различных дополнительных источников света, как показано в Таблице 1.

Мобильное осветительное устройство
Интенсивность света тесно связана с ростом сельскохозяйственных культур. Трехмерное выращивание часто используется на заводах по производству растений. Однако из-за ограничений конструкции стеллажей для выращивания неравномерное распределение света и температуры между стеллажами повлияет на урожайность сельскохозяйственных культур, и период сбора урожая не будет синхронизирован. В 2010 году компания в Пекине успешно разработала дополнительное устройство для ручного подъема освещения (осветительный прибор HPS и светодиодный светильник для выращивания растений). Принцип заключается в том, чтобы вращать приводной вал и закрепленное на нем намоточное устройство, встряхивая ручку, чтобы вращать небольшую катушку с пленкой. для достижения цели втягивания и разматывания троса. Трос лампы для выращивания растений соединен с намоточным колесом лифта через несколько комплектов реверсивных колес, чтобы добиться эффекта регулировки высоты лампы для выращивания растений. В 2017 году вышеупомянутая компания спроектировала и разработала новое мобильное устройство для подачи света, которое может автоматически регулировать высоту подачи света в режиме реального времени в соответствии с потребностями роста сельскохозяйственных культур. Устройство регулировки теперь установлено на стойке для трехмерного выращивания трехслойного источника света подъемного типа. Верхним слоем устройства является уровень с лучшими световыми условиями, поэтому он оснащен натриевыми лампами высокого давления; средний и нижний уровни оснащены светодиодными светильниками для выращивания растений и системой регулировки подъема. Он может автоматически регулировать высоту освещения для обеспечения подходящей освещенности для сельскохозяйственных культур.

По сравнению с мобильным дополнительным световым устройством, предназначенным для трехмерного выращивания, Нидерланды разработали горизонтально перемещаемое светодиодное дополнительное осветительное устройство для выращивания растений. Чтобы избежать влияния тени источника света на рост растений на солнце, систему освещения для выращивания растений можно сдвинуть с обеих сторон кронштейна через телескопические направляющие в горизонтальном направлении, чтобы солнце полностью освещалось. облучённые растения; в пасмурные и дождливые дни без солнечного света переместите систему освещения для выращивания растений в середину кронштейна, чтобы свет системы освещения для выращивания растений равномерно освещал растения; перемещайте систему освещения для выращивания растений горизонтально через направляющую на кронштейне, избегайте частой разборки и снятия системы освещения для выращивания растений, а также снижайте трудоемкость сотрудников, тем самым эффективно повышая эффективность работы.

Идеи дизайна типичной системы освещения для выращивания растений
Из конструкции мобильного дополнительного осветительного устройства нетрудно увидеть, что при проектировании системы дополнительного освещения завода обычно в качестве основного содержания конструкции учитываются интенсивность света, качество света и параметры фотопериода в разные периоды роста сельскохозяйственных культур. , полагаясь на интеллектуальную систему управления, достигая конечной цели - энергосбережения и высокой производительности.

В настоящее время разработка и изготовление дополнительного освещения для листовых овощей постепенно совершенствуются. Например, листовые овощи можно разделить на четыре стадии: стадия рассады, средняя стадия роста, поздняя стадия роста и конечная стадия; Фруктовые овощи можно разделить на стадию рассады, стадию вегетативного роста, стадию цветения и стадию сбора урожая. Судя по атрибутам дополнительной интенсивности света, интенсивность света на стадии рассады должна быть немного ниже, на уровне 60 ~ 200 мкмоль/(м²·с), а затем постепенно увеличиваться. Листовые овощи могут достигать 100–200 мкмоль/(м²·с), а фруктовые овощи могут достигать 300–500 мкмоль/(м²·с), чтобы обеспечить необходимую интенсивность света для фотосинтеза растений в каждый период роста и удовлетворить потребности растений. высокая урожайность; С точки зрения качества света очень важно соотношение красного и синего. Чтобы повысить качество рассады и предотвратить чрезмерный рост на стадии рассады, соотношение красного и синего обычно устанавливается на низком уровне [(1~2):1], а затем постепенно снижается для удовлетворения потребностей растений. легкая морфология. Соотношение красных, синих и листовых овощей можно установить на (3~6):1. Фотопериод, как и интенсивность света, должен иметь тенденцию к увеличению с увеличением периода роста, так что у листовых овощей будет больше фотосинтетического времени для фотосинтеза. Разработка легкой добавки из фруктов и овощей будет более сложной. Помимо вышеупомянутых основных законов, мы должны сосредоточиться на настройке фотопериода в период цветения, а также способствовать цветению и плодоношению овощей, чтобы не иметь неприятных последствий.

Стоит отметить, что формула освещения должна включать в себя окончательную обработку настроек световой среды. Например, постоянное добавление света может значительно улучшить урожайность и качество рассады гидропонных листовых овощей или использовать УФ-обработку для значительного улучшения питательных качеств проростков и листовых овощей (особенно фиолетовых листьев и красного листового салата).

Помимо оптимизации освещения для отдельных культур, в последние годы быстро развивалась система управления источниками света на некоторых заводах по производству искусственного освещения. Эта система управления обычно основана на структуре B/S. Дистанционное управление и автоматический контроль факторов окружающей среды, таких как температура, влажность, освещенность и концентрация CO2 во время роста сельскохозяйственных культур, реализуются через WIFI, и в то же время реализуется метод производства, не ограниченный внешними условиями. Этот вид интеллектуальной дополнительной системы освещения использует светодиодный светильник для выращивания растений в качестве дополнительного источника света в сочетании с интеллектуальной системой дистанционного управления, может удовлетворить потребности растений в освещении длины волны, особенно подходит для условий выращивания растений с контролируемым освещением и может хорошо удовлетворить рыночный спрос. .

Заключительные замечания
Заводы по производству растений считаются важным способом решения мировых ресурсных, демографических и экологических проблем в 21 веке, а также важным способом достижения продовольственной самообеспеченности в будущих высокотехнологичных проектах. Фабрики растений, являясь новым типом метода сельскохозяйственного производства, все еще находятся на стадии обучения и развития, и требуют большего внимания и исследований. В этой статье описываются характеристики и преимущества распространенных методов дополнительного освещения на заводах-производителях, а также представлены идеи проектирования типичных систем дополнительного освещения сельскохозяйственных культур. С помощью сравнения несложно определить, что для того, чтобы справиться с низкой освещенностью, вызванной суровыми погодными условиями, такими как постоянная облачность и дымка, а также для обеспечения высокого и стабильного производства сельскохозяйственных культур, оборудование для освещения LED Grow наиболее соответствует текущим разработкам. тенденции.

Будущее направление развития заводов-фабрик должно быть сосредоточено на новых высокоточных и недорогих датчиках, системах освещения с дистанционным управлением и регулируемым спектром и экспертных системах управления. В то же время будущие фабрики-заводы будут продолжать развиваться в направлении недорогих, интеллектуальных и самоадаптирующихся. Использование и популяризация светодиодных источников света для выращивания растений обеспечивают гарантию высокоточного экологического контроля на заводах по выращиванию растений. Регулирование среды светодиодного освещения — это сложный процесс, включающий комплексное регулирование качества света, его интенсивности и фотопериода. Соответствующим экспертам и ученым необходимо провести углубленные исследования по продвижению светодиодного дополнительного освещения на заводах по производству искусственного освещения.