Автор: Цзин Чжао, Цзэнчан Чжоу, Юньлун Бу и др.Источник Media：Сельскохозяйственные технологии (тепличное садоводство)

Завод-фабрика сочетает в себе современную промышленность, биотехнологии, питательную гидропонику и информационные технологии для реализации высокоточного контроля экологических факторов на объекте.Он полностью закрыт, имеет низкие требования к окружающей среде, сокращает период сбора урожая растений, экономит воду и удобрения, а благодаря преимуществам производства без пестицидов и сброса отходов эффективность использования единицы земли 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 вещественного обмена.«Одной из основных особенностей фабрики растений является полный искусственный источник света и реализация интеллектуального регулирования световой среды» стало общим консенсусом в отрасли.

Потребность растений в свете

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

■ Интенсивность света

Интенсивность света может изменить морфологию сельскохозяйственных культур, например, цветение, длину междоузлий, толщину стебля, а также размер и толщину листьев.Требования растений к интенсивности света можно разделить на светолюбивые, средне-светолюбивые и малосветоустойчивые растения.Овощи в большинстве своем светолюбивые растения, и их баллы светокомпенсации и баллы светонасыщения относительно высоки.На заводах по производству искусственного света соответствующие требования культур к интенсивности света являются важной основой для выбора источников искусственного света.Понимание требований к свету различных растений важно для проектирования источников искусственного света. Это крайне необходимо для улучшения производственных характеристик 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 в диапазоне длин волн 300~800 нм называют физиологически активным излучением растений;а излучение с диапазоном длин волн 400~700 нм называют фотосинтетически активным излучением (ФАР) растений.

Хлорофилл и каротины являются двумя наиболее важными пигментами 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 для искусственного дополнения света, чтобы способствовать фотосинтезу растений.

■ фотопериод
Связь между фотосинтезом и фотоморфогенезом растений и длиной дня (или временем фотопериода) называется фотопериодом растений.Фотопериод тесно связан со световыми часами, которые относятся к времени, в течение которого культура облучается светом.Разным культурам требуется определенное количество часов света, чтобы завершить фотопериод для цветения и плодоношения.По разным фотопериодам его можно разделить на длиннодневные культуры, например капуста и др., требующие на определенной стадии своего роста более 12—14 часов светового дня;культурам короткого дня, таким как лук, соя и др., требуется менее 12-14 часов освещения;среднесолнечные культуры, 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 искусственных источников света.В настоящее время существует множество способов выражения интенсивности света, в основном включая следующие три.
（1）Под освещенностью понимается поверхностная плотность светового потока (световой поток на единицу площади), полученного на освещаемой плоскости, в люксах (лк).

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

（3）Плотность фотосинтетически эффективного потока фотонов PPFD или PPF представляет собой количество фотосинтетически эффективного излучения, которое достигает или проходит через единицу времени и единицу площади, единица：мкмоль/(м²·с). В основном относится к интенсивности света 400~700 нм. непосредственно связан 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 низкого электрического и оптического КПД ламп накаливания, низкой энергоэффективности фотосинтеза и других недостатков он был устранен 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 люминесцентным порошком.Цвет света варьируется в зависимости от флуоресцентного материала, покрытого трубкой.Люминесцентные лампы имеют хорошие спектральные характеристики, высокую светоотдачу, малую мощность, более длительный срок службы (12000 ч) по сравнению с лампами накаливания и относительно низкую стоимость.Поскольку сама люминесцентная лампа излучает меньше тепла, она может располагаться близко к растениям 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 культур в зоне возделывания.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 очень тонкая, ее диаметр составляет всего около 4 мм, а длину можно регулировать от 450 мм до 1200 мм в соответствии с потребностями выращивания.Это улучшенная версия обычной люминесцентной лампы.

■ Металлогалогенная лампа
Металлогалогенная лампа представляет собой газоразрядную лампу высокой интенсивности, которая может возбуждать различные элементы для создания различных длин волн за счет добавления в газоразрядную трубку различных галогенидов металлов (бромида олова, йодида натрия и т. д.) на основе ртутной лампы высокого давления.Галогенные лампы имеют высокую светоотдачу, большую мощность, хорошую цветопередачу, долгий срок службы и широкий спектр.Однако, поскольку светоотдача ниже, чем у натриевых ламп высокого давления, а срок службы меньше, чем у натриевых ламп высокого давления, в настоящее время они используются только на нескольких заводах.

■ 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, а также добавлено небольшое количество ксенона (Xe) и галогенида металла 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 для дополнительного освещения в сельскохозяйственных объектах.Однако из-за недостатков низкой фотосинтетической эффективности в их спектре они имеют недостатки 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.

■ Светодиод
Как новое поколение источников света, светоизлучающие диоды (СИД) имеют много 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 такими преимуществами, как энергосбережение, защита окружающей среды, длительный срок службы, монохроматический свет, источник холодного света и так далее.С дальнейшим улучшением электрооптической эффективности светодиодов и снижением затрат, вызванным эффектом масштаба, светодиодные системы освещения для выращивания растений станут основным оборудованием для дополнительного освещения сельскохозяйственных объектов.В результате светодиодные лампы для выращивания растений используются более чем 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 культивирование часто используется на заводах по производству растений.Однако из-за ограниченности конструкции стеллажей для выращивания неравномерное распределение света и температуры между стеллажами повлияет на урожайность культур, и период сбора урожая не будет синхронизирован.В 2010 году компания в Пекине успешно разработала дополнительное устройство для подъема ручного света (осветительный прибор HPS и светодиодный светильник для выращивания растений). Принцип заключается в вращении приводного вала и закрепленного на нем наматывающего устройства путем встряхивания ручки для вращения небольшой катушки с пленкой. для достижения цели втягивания и разматывания троса.Проволочный трос светильника для выращивания растений соединен с намоточным колесом подъемника через несколько наборов реверсивных колес, чтобы добиться эффекта регулировки высоты светильника для выращивания растений.В 2017 году вышеупомянутая компания спроектировала и разработала новое мобильное устройство для добавления света, которое может автоматически регулировать высоту освещения в режиме реального времени в соответствии с потребностями роста урожая.Регулировочное устройство теперь установлено на трехмерной стойке для выращивания подъемного типа с трехслойным источником света.Верхний слой прибора – это уровень с наилучшей освещенностью, поэтому он оснащен натриевыми лампами высокого давления;средний слой и нижний слой оснащены светодиодными лампами для выращивания и системой регулировки подъема.Он может автоматически регулировать высоту света для выращивания, чтобы обеспечить подходящую среду освещения для сельскохозяйственных культур.

По сравнению с мобильным устройством дополнительного освещения, предназначенным для трехмерного выращивания, Нидерланды разработали горизонтально перемещаемое устройство дополнительного освещения на светодиодах для выращивания растений.Во избежание влияния тени от лампы для выращивания на рост растений на солнце, систему освещения для выращивания можно сдвинуть к обеим сторонам кронштейна через телескопическую направляющую в горизонтальном направлении, чтобы солнце полностью освещалось. облучение растений;в пасмурные и дождливые дни без солнечного света придвиньте систему освещения для выращивания к середине кронштейна, чтобы свет системы освещения для выращивания равномерно заполнял растения;перемещайте систему освещения для выращивания горизонтально через направляющую на кронштейне, избегайте частой разборки и снятия системы освещения для выращивания и снижайте трудоемкость сотрудников, тем самым эффективно повышая эффективность работы.

Идеи дизайна типичной системы освещения для выращивания
Из конструкции мобильного устройства дополнительного освещения нетрудно увидеть, что конструкция системы дополнительного освещения завода обычно берет интенсивность света, качество света и параметры фотопериода различных периодов роста сельскохозяйственных культур в качестве основного содержания конструкции. , полагаясь на интеллектуальную систему управления для реализации, достижения конечной цели энергосбережения и высокой производительности.

В настоящее время проектирование и строительство дополнительного света для листовых овощей постепенно совершенствуется.Например, листовые овощи можно разделить на четыре стадии: стадия рассады, стадия среднего роста, стадия позднего роста и конечная стадия;Фрукты-овощи можно разделить на стадию рассады, стадию вегетативного роста, стадию цветения и стадию сбора урожая.Судя по атрибутам интенсивности дополнительного света, интенсивность света на стадии проростков 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 требования к интенсивности 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.Для фотопериода, как и для интенсивности света, она должна иметь тенденцию к увеличению с увеличением периода роста, так что листовые овощи имеют больше фотосинтетического времени для фотосинтеза.Дизайн легкой добавки из фруктов и овощей будет более сложным.В дополнение к вышеупомянутым основным законам, 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 света должна включать окончательную обработку для настроек световой среды.Например, непрерывное освещение может значительно повысить урожайность и качество рассады гидропонных листовых овощей, или использование УФ-обработки для значительного улучшения питательной ценности проростков и листовых овощей (особенно фиолетовых листьев и красного листового салата).

В дополнение к оптимизации световых добавок для отдельных культур в последние годы также 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, свет и концентрация CO2 во время выращивания сельскохозяйственных культур, реализуются через WIFI, и в то же время реализуется метод производства, не ограниченный внешними условиями.Этот тип интеллектуальной системы дополнительного освещения использует светодиодный светильник для выращивания растений в качестве дополнительного источника света в сочетании с дистанционной интеллектуальной системой управления, может удовлетворить потребности в освещении с длиной волны для растений, особенно подходит для среды выращивания растений с контролируемым освещением и может хорошо удовлетворить рыночный спрос. .

Заключительные замечания
Фабрики растений считаются важным способом решения мировых проблем ресурсов, населения и окружающей среды в 21 веке, а также важным способом достижения продовольственной самообеспеченности в будущих высокотехнологичных проектах.Как новый метод сельскохозяйственного производства, заводы по производству растений все еще находятся на стадии обучения и роста, и им требуется больше внимания и исследований.В этой статье описываются характеристики и преимущества распространенных методов дополнительного освещения на заводах, а также представлены конструктивные идеи типичных систем дополнительного освещения сельскохозяйственных культур.Нетрудно найти путем сравнения, 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 источника света LED Grow наиболее соответствует текущим разработкам. тенденции.

Будущее направление развития заводских предприятий должно быть сосредоточено на новых высокоточных, недорогих датчиках, дистанционно управляемых системах осветительных приборов с регулируемым спектром и экспертных системах управления.В то же время будущие заводы-фабрики будут продолжать развиваться в направлении недорогих, интеллектуальных и самоадаптирующихся.Использование и популяризация светодиодных источников света для выращивания растений гарантируют высокоточный экологический контроль растений.Регулирование световой среды светодиодов представляет собой сложный процесс, включающий всестороннее регулирование качества света, интенсивности света и фотопериода.Соответствующим экспертам и ученым необходимо провести углубленные исследования, продвигая дополнительное светодиодное освещение на заводах по производству искусственного освещения.