Avtor: Jing Zhao，Zengchan Zhou，Yunlong Bu itd. Izvorni mediji: Tehnologija kmetijskega inženirstva (vrtnarstvo v rastlinjakih)

Tovarna združuje sodobno industrijo, biotehnologijo, hranilno hidroponiko in informacijsko tehnologijo za izvajanje visoko natančnega nadzora okoljskih dejavnikov v objektu. Je popolnoma zaprt, ima nizke zahteve glede okolice, skrajša čas žetve rastlin, prihrani vodo in gnojila, s prednostmi proizvodnje brez pesticidov in brez izpusta odpadkov pa je učinkovitost rabe zemljišča na enoto 40- do 108-krat večja od tiste pridelave na prostem. Med njimi imata inteligentni vir umetne svetlobe in njegova regulacija svetlobnega okolja odločilno vlogo pri učinkovitosti proizvodnje.

Svetloba ima kot pomemben fizični okoljski dejavnik ključno vlogo pri uravnavanju rasti rastlin in metabolizma snovi. "Ena od glavnih značilnosti tovarne je popoln umetni svetlobni vir in uresničitev inteligentne regulacije svetlobnega okolja", je postalo splošno soglasje v industriji.

Potreba rastlin po svetlobi

Svetloba je edini vir energije za fotosintezo rastlin. Jakost svetlobe, kakovost svetlobe (spekter) in periodične spremembe svetlobe močno vplivajo na rast in razvoj rastlin, med katerimi ima jakost svetlobe največji vpliv na fotosintezo rastlin.

■ Intenzivnost svetlobe

Intenzivnost svetlobe lahko spremeni morfologijo pridelkov, kot so cvetenje, dolžina internodijev, debelina stebla ter velikost in debelina listov. Zahteve rastlin po svetlobni jakosti lahko razdelimo na svetloljubne, srednje svetloljubne in slabo odporne na svetlobo. Vrtnine so večinoma svetloljubne rastline, njihove svetlobne kompenzacijske točke in svetlobne nasičenosti so relativno visoke. V tovarnah z umetno svetlobo so ustrezne zahteve posevkov glede intenzivnosti svetlobe pomembna osnova za izbiro virov umetne svetlobe. Razumevanje svetlobnih potreb različnih rastlin je pomembno za načrtovanje umetnih svetlobnih virov. Zelo je potrebno izboljšati proizvodno zmogljivost sistema.

■ Kakovost svetlobe

Kakovostna (spektralna) porazdelitev svetlobe ima pomemben vpliv tudi na fotosintezo in morfogenezo rastlin (slika 1). Svetloba je del sevanja, sevanje pa je elektromagnetno valovanje. Elektromagnetni valovi imajo valovne značilnosti in kvantne (delčne) značilnosti. Kvantu svetlobe se na področju vrtnarstva reče foton. Sevanje z valovno dolžino 300~800nm ​​imenujemo fiziološko aktivno sevanje rastlin; in sevanje z razponom valovnih dolžin od 400 do 700 nm imenujemo fotosintetično aktivno sevanje (PAR) rastlin.

Klorofil in karoten sta dva najpomembnejša pigmenta v rastlinski fotosintezi. Slika 2 prikazuje spektralni absorpcijski spekter vsakega fotosintetskega pigmenta, v katerem je absorpcijski spekter klorofila koncentriran v rdečem in modrem pasu. Sistem osvetlitve temelji na spektralnih potrebah pridelkov za umetno dopolnjevanje svetlobe, da bi spodbudili fotosintezo rastlin.

■ fotoperioda
Razmerje med fotosintezo in fotomorfogenezo rastlin ter dolžino dneva (ali časom fotoperiode) imenujemo fotoperiodnost rastlin. Fotoperiodičnost je tesno povezana s svetlobnimi urami, ki se nanašajo na čas, ko je pridelek obsut s svetlobo. Različni pridelki potrebujejo določeno število ur svetlobe, da zaključijo fotoobdobje za cvetenje in obroditev. Glede na različna fotoperioda ga lahko razdelimo na pridelke z dolgim ​​dnem, kot je zelje itd., ki potrebujejo več kot 12-14 ur svetlobe na določeni stopnji rasti; pridelki kratkega dne, kot so čebula, soja itd., potrebujejo manj kot 12-14 ur osvetlitve; srednje sončne kulture, kot so kumare, paradižniki, paprike ipd., lahko cvetijo in obrodijo ob daljši ali krajši sončni svetlobi.
Med tremi elementi okolja je jakost svetlobe pomembna osnova za izbiro umetnih virov svetlobe. Trenutno obstaja veliko načinov za izražanje jakosti svetlobe, predvsem pa vključujejo naslednje tri.
（1）Osvetljenost se nanaša na površinsko gostoto svetlobnega toka (svetlobni tok na enoto površine), prejetega na osvetljeni ravnini, v luksih (lx).

（2）Fotosintetično aktivno sevanje, PAR，Enota: W/m²。

(3) Fotosintetično učinkovita gostota pretoka fotonov PPFD ali PPF je število fotosintetsko učinkovitega sevanja, ki doseže ali preide skozi enoto časa in površine, enota: μmol/(m²·s). V glavnem se nanaša na jakost svetlobe 400~700 nm neposredno povezana s fotosintezo. Je tudi najpogosteje uporabljen indikator svetlobne jakosti na področju pridelave rastlin.

Analiza svetlobnega vira tipičnega sistema dodatne svetlobe
Dodatek umetne svetlobe je povečati intenzivnost svetlobe na ciljnem območju ali podaljšati čas osvetlitve z namestitvijo dodatnega svetlobnega sistema za izpolnitev potreb rastlin po svetlobi. Na splošno dodatni svetlobni sistem vključuje dodatno svetlobno opremo, tokokroge in njen nadzorni sistem. Dodatni svetlobni viri v glavnem vključujejo več običajnih vrst, kot so žarnice z žarilno nitko, fluorescenčne sijalke, metalhalogenidne sijalke, visokotlačne natrijeve sijalke in LED. Zaradi nizke električne in optične učinkovitosti žarnic z žarilno nitko, nizke fotosintetske energijske učinkovitosti in drugih pomanjkljivosti jo je trg izločil, zato ta članek ne predstavlja podrobne analize.

■ Fluorescentna sijalka
Fluorescentne sijalke spadajo v vrsto nizkotlačnih plinskih sijalk. Steklena cev je napolnjena z živosrebrnimi hlapi ali inertnim plinom, notranja stena cevi pa je prevlečena s fluorescenčnim prahom. Barva svetlobe se spreminja glede na fluorescentni material, prevlečen v cevi. Fluorescentne sijalke imajo dobre spektralne lastnosti, visoko svetlobno učinkovitost, nizko moč, daljšo življenjsko dobo (12000 ur) v primerjavi z žarnicami z žarilno nitko in relativno nizke stroške. Ker sama fluorescenčna sijalka oddaja manj toplote, je lahko blizu rastlin za osvetljevanje in je primerna za tridimenzionalno gojenje. Vendar pa je spektralna postavitev fluorescenčne sijalke nerazumna. Najpogostejša metoda na svetu je dodajanje reflektorjev za čim večjo učinkovitost komponent svetlobnega vira pridelkov na obdelovalnem območju. Japonsko podjetje adv-agri je razvilo tudi nov tip dodatnega svetlobnega vira HEFL. HEFL dejansko spada v kategorijo fluorescentnih sijalk. To je splošni izraz za fluorescenčne sijalke s hladno katodo (CCFL) in fluorescenčne sijalke z zunanjo elektrodo (EEFL) in je fluorescenčna sijalka z mešanimi elektrodami. HEFL cev je izredno tanka, s premerom le približno 4 mm, dolžino pa lahko prilagodite od 450 mm do 1200 mm glede na potrebe gojenja. Je izboljšana različica običajne fluorescenčne sijalke.

■ Metalhalogenidna žarnica
Metalhalogenidna sijalka je razelektritvena sijalka z visoko intenzivnostjo, ki lahko vzbudi različne elemente za proizvodnjo različnih valovnih dolžin z dodajanjem različnih kovinskih halidov (kositrov bromid, natrijev jodid itd.) v razelektritveno cev na podlagi visokotlačne živosrebrne sijalke. Halogenske žarnice imajo visoko svetlobno učinkovitost, visoko moč, dobro barvo svetlobe, dolgo življenjsko dobo in širok spekter. Ker pa je svetlobni izkoristek nižji kot pri visokotlačnih natrijevih žarnicah in je življenjska doba krajša kot pri visokotlačnih natrijevih žarnicah, se trenutno uporablja le v nekaj tovarnah.

■ Visokotlačna natrijeva svetilka
Visokotlačne natrijeve sijalke spadajo v vrsto visokotlačnih plinskih sijalk. Visokotlačna natrijeva sijalka je sijalka z visokim izkoristkom, pri kateri so visokotlačne natrijeve pare napolnjene v izpustno cev in dodane majhne količine ksenona (Xe) in živosrebrovega kovinskega halogenida. Ker imajo visokotlačne natrijeve sijalke visoko učinkovitost elektro-optične pretvorbe z nižjimi proizvodnimi stroški, se visokotlačne natrijeve sijalke trenutno najpogosteje uporabljajo pri uporabi dodatne svetlobe v kmetijskih objektih. Vendar pa imajo zaradi pomanjkljivosti nizke fotosintetske učinkovitosti v njihovem spektru pomanjkljivosti nizke energetske učinkovitosti. Po drugi strani pa so spektralne komponente, ki jih oddajajo visokotlačne natrijeve žarnice, večinoma koncentrirane v rumeno-oranžnem svetlobnem pasu, ki nima rdečega in modrega spektra, potrebnega za rast rastlin.

■ Svetleča dioda
Kot nova generacija svetlobnih virov imajo svetleče diode (LED) številne prednosti, kot so večja učinkovitost elektro-optične pretvorbe, nastavljiv spekter in visoka fotosintetska učinkovitost. LED lahko oddaja monokromatsko svetlobo, potrebno za rast rastlin. V primerjavi z navadnimi fluorescentnimi sijalkami in drugimi dodatnimi svetlobnimi viri ima LED prednosti varčevanja z energijo, zaščite okolja, dolge življenjske dobe, monokromatske svetlobe, hladnega vira svetlobe itd. Z nadaljnjim izboljšanjem elektro-optične učinkovitosti LED in zmanjšanjem stroškov, ki jih povzroča učinek obsega, bodo LED sistemi razsvetljave za rast postali glavna oprema za dopolnitev svetlobe v kmetijskih objektih. Kot rezultat, so bile LED luči za rast uporabljene v 99,9 % rastlinskih tovarn.

S primerjavo je mogoče jasno razumeti značilnosti različnih dodatnih svetlobnih virov, kot je prikazano v tabeli 1.

Mobilna svetlobna naprava
Intenzivnost svetlobe je tesno povezana z rastjo pridelkov. Tridimenzionalno gojenje se pogosto uporablja v rastlinskih tovarnah. Vendar pa bo zaradi omejitve strukture regalov za gojenje neenakomerna porazdelitev svetlobe in temperature med regali vplivala na pridelek pridelkov in obdobje žetve ne bo sinhronizirano. Podjetje v Pekingu je leta 2010 uspešno razvilo dopolnilno napravo za ročno dvigovanje luči (HPS svetilka in LED svetilka za rast) leta 2010. Načelo je vrtenje pogonske gredi in navijalnika, pritrjenega na njej, s tresenjem ročaja za vrtenje majhnega koluta filma. da bi dosegli namen navijanja in odvijanja žične vrvi. Žična vrv luči za rast je povezana z navijalnim kolesom dvigala prek več sklopov obračalnih koles, da se doseže učinek prilagajanja višine luči za rast. Leta 2017 je zgoraj omenjeno podjetje zasnovalo in razvilo novo mobilno napravo za dodajanje svetlobe, ki lahko samodejno prilagodi višino dodatka svetlobe v realnem času glede na potrebe rasti pridelka. Naprava za prilagajanje je zdaj nameščena na tridimenzionalnem stojalu za gojenje s 3-slojnim dvižnim virom svetlobe. Zgornja plast naprave je raven z najboljšimi svetlobnimi pogoji, zato je opremljena z visokotlačnimi natrijevimi žarnicami; srednja in spodnja plast sta opremljeni z LED lučmi za rast in sistemom za prilagajanje dviga. Samodejno lahko prilagodi višino svetlobe za rast, da zagotovi primerno svetlobno okolje za pridelke.

V primerjavi z mobilno svetlobno dodatno napravo, prilagojeno za tridimenzionalno gojenje, je Nizozemska razvila vodoravno premično LED svetlobno dodatno svetlobno napravo. Da bi se izognili vplivu sence rastne luči na rast rastlin na soncu, lahko sistem rastne luči potisnete na obe strani nosilca skozi teleskopski drsnik v vodoravni smeri, tako da je sonce popolnoma osvetljeno. obsevane na rastlinah; v oblačnih in deževnih dneh brez sončne svetlobe potisnite sistem rastne luči na sredino nosilca, da svetloba sistema rastne luči enakomerno zapolni rastline; premaknite sistem luči za rast vodoravno skozi drsnik na nosilcu, izogibajte se pogostemu razstavljanju in odstranjevanju sistema luči za rast ter zmanjšajte delovno intenzivnost zaposlenih in tako učinkovito izboljšajte delovno učinkovitost.

Oblikovalske ideje tipičnega sistema luči za rast
Iz zasnove mobilne naprave za dodatno razsvetljavo ni težko razbrati, da je zasnova sistema dodatne razsvetljave rastlinske tovarne običajno vzela intenzivnost svetlobe, kakovost svetlobe in parametre fotoperiode različnih obdobij rasti pridelkov kot temeljno vsebino zasnove. , ki se zanaša na inteligentni nadzorni sistem za izvajanje, doseganje končnega cilja varčevanja z energijo in visokega donosa.

Trenutno sta zasnova in konstrukcija dodatne svetlobe za listnato zelenjavo postopoma dozorela. Na primer, listnato zelenjavo lahko razdelimo na štiri stopnje: faza sadike, srednja rast, pozna rast in končna faza; sadje in zelenjavo lahko razdelimo na fazo sadik, fazo vegetativne rasti, fazo cvetenja in fazo obiranja. Glede na atribute dodatne intenzivnosti svetlobe mora biti intenzivnost svetlobe v fazi kaljenja nekoliko nižja, pri 60~200 μmol/(m²·s), nato pa postopoma naraščati. Listnata zelenjava lahko doseže do 100~200 μmol/(m²·s), sadna zelenjava pa lahko doseže 300~500 μmol/(m²·s), da zagotovi svetlobne zahteve fotosinteze rastlin v vsakem obdobju rasti in zadovolji potrebe visok donos; Z vidika kakovosti svetlobe je razmerje med rdečo in modro zelo pomembno. Da bi povečali kakovost sadik in preprečili prekomerno rast v fazi sadik, je razmerje med rdečo in modro na splošno nastavljeno na nizko raven [(1~2):1] in nato postopoma zmanjšano, da zadosti potrebam rastline. svetla morfologija. Razmerje med rdečo in modro ter listnato zelenjavo lahko nastavite na (3~6):1. Pri fotoperiodi, podobno kot pri jakosti svetlobe, naj bi kazal trend naraščanja s podaljšanjem rastne dobe, tako da ima listnata zelenjava več fotosinteznega časa za fotosintezo. Zasnova lahkega dodatka sadja in zelenjave bo bolj zapletena. Poleg omenjenih temeljnih zakonitosti se je treba osredotočiti na nastavitev fotoobdobja v času cvetenja, spodbujati je treba cvetenje in plodenje zelenjave, da ne pride do zapletov.

Omeniti velja, da mora svetlobna formula vključevati končno obdelavo za nastavitve svetlobnega okolja. Na primer, neprekinjeno dodajanje svetlobe lahko močno izboljša pridelek in kakovost hidroponičnih sadik listnate zelenjave ali uporaba UV obdelave za znatno izboljšanje prehranske kakovosti kalčkov in listnate zelenjave (zlasti vijoličnih listov in rdečelistne solate).

Poleg optimizacije dodajanja svetlobe za izbrane pridelke se je v zadnjih letih hitro razvil tudi sistem nadzora svetlobnega vira v nekaterih tovarnah rastlin z umetno svetlobo. Ta nadzorni sistem na splošno temelji na strukturi B/S. Daljinski nadzor in samodejni nadzor okoljskih dejavnikov, kot so temperatura, vlaga, svetloba in koncentracija CO2 med rastjo pridelkov, je realiziran preko WIFI, hkrati pa je realiziran proizvodni način, ki ni omejen z zunanjimi pogoji. Ta vrsta inteligentnega dodatnega svetlobnega sistema uporablja LED svetilko za rast kot dodatni vir svetlobe v kombinaciji z daljinskim inteligentnim nadzornim sistemom, lahko zadovolji potrebe po osvetlitvi rastlin z valovno dolžino, je še posebej primeren za svetlobno nadzorovano okolje gojenja rastlin in lahko zadovolji povpraševanje na trgu .

Sklepne opombe
Rastlinske tovarne veljajo za pomemben način reševanja svetovnih virov, prebivalstva in okoljskih problemov v 21. stoletju ter pomemben način za doseganje samooskrbe s hrano v prihodnjih visokotehnoloških projektih. Kot nova vrsta metode kmetijske proizvodnje so rastlinske tovarne še vedno v fazi učenja in rasti, zato je potrebna več pozornosti in raziskav. Ta članek opisuje značilnosti in prednosti običajnih metod dodatne razsvetljave v rastlinskih tovarnah in predstavlja oblikovalske zamisli tipičnih sistemov dodatne razsvetljave pridelkov. S primerjavo ni težko ugotoviti, da je za obvladovanje šibke svetlobe, ki jo povzročajo hude vremenske razmere, kot sta stalna oblačnost in meglica, ter za zagotovitev visoke in stabilne pridelave rastlinskih pridelkov, oprema za svetlobni vir LED Grow najbolj v skladu s trenutnim razvojem trendi.

Prihodnja razvojna usmeritev tovarn bi se morala osredotočiti na nove visoko natančne in poceni senzorje, sisteme svetlobnih naprav z daljinskim nadzorom in nastavljivim spektrom ter ekspertne nadzorne sisteme. Hkrati se bodo prihodnje tovarne še naprej razvijale v smeri nizkocenovnih, inteligentnih in samoprilagodljivih. Uporaba in popularizacija svetlobnih virov LED za rast zagotavljata jamstvo za visoko natančen nadzor okolja rastlinskih tovarn. Regulacija svetlobnega okolja LED je kompleksen proces, ki vključuje celovito regulacijo kakovosti svetlobe, jakosti svetlobe in fotoperiode. Ustrezni strokovnjaki in znanstveniki morajo opraviti poglobljene raziskave in spodbujati dodatno razsvetljavo LED v tovarnah z umetno svetlobo.