Avtor: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu itd. Izvorni mediji: Kmetijska inženirska tehnologija (Vrtnarstvo v rastlinjakih)

Tovarna rastlin združuje sodobno industrijo, biotehnologijo, hidroponiko hranil in informacijsko tehnologijo za izvajanje visoko natančnega nadzora okoljskih dejavnikov v objektu. Je v celoti zaprt, ima nizke potrebe v okoliškem okolju, skrajša obdobje žetve rastlin, prihrani vodo in gnojila, s prednosti proizvodnje ne pesticidov in brez izcedka odpadkov, učinkovitost uporabe zemljišč je od 40 do 108-krat od tega proizvodnje odprtega polja. Med njimi imata inteligentni umetni svetlobni vir in njegova regulacija svetlobnega okolja odločilno vlogo pri njegovi proizvodni učinkovitosti.

Kot pomemben fizični okoljski dejavnik ima svetloba ključno vlogo pri uravnavanju rasti rastlin in materialnih presnovi. "Ena glavnih značilnosti tovarne rastlin je celoten vir umetnega svetlobe in uresničitev inteligentne regulacije svetlobnega okolja" je postalo splošno soglasje v industriji.

Potreba rastlin po svetlobi

Svetloba je edini vir energije rastlinske fotosinteze. Intenzivnost svetlobe, kakovost svetlobe (spekter) in periodične spremembe svetlobe močno vplivajo na rast in razvoj pridelkov, med katerimi ima intenzivnost svetlobe največji vpliv na rastlinsko fotosintezo.

■ Intenzivnost svetlobe

Intenzivnost svetlobe lahko spremeni morfologijo pridelkov, kot so cvetenje, dolžina internode, debelina stebla ter velikost in debelina listov. Zahteve rastlin za intenzivnost svetlobe lahko razdelimo na svetlobo, ljubeče s srednje svetlobo in rahlo svetlobo. Zelenjava so večinoma ljubeče rastline, njihove točke za kompenzacijo svetlobe in točke za nasičenost svetlobe pa so razmeroma visoke. V tovarnih umetnih svetlobnih rastlin so ustrezne zahteve pridelkov za intenzivnost svetlobe pomembna podlaga za izbiro umetnih virov svetlobe. Razumevanje svetlobnih potreb različnih rastlin je pomembno za oblikovanje umetnih svetlobnih virov, izjemno je treba izboljšati proizvodno zmogljivost sistema.

■ Kakovost svetlobe

Porazdelitev svetlobe (spektralna) ima pomemben vpliv tudi na rastlinsko fotosintezo in morfogenezo (slika 1). Svetloba je del sevanja, sevanje pa je elektromagnetni val. Elektromagnetni valovi imajo značilnosti valov in kvantne (delce) značilnosti. Kvant svetlobe se imenuje foton v polju vrtnarstva. Sevanje z območjem valovne dolžine 300 ~ 800NM se imenuje fiziološko aktivno sevanje rastlin; in sevanje z območjem valovne dolžine 400 ~ 700nm se imenuje fotosintetsko aktivno sevanje (PAR) rastlin.

Klorofil in karoteni sta dva najpomembnejša pigmenta v rastlinski fotosintezi. Slika 2 prikazuje spektralni absorpcijski spekter vsakega fotosintetskega pigmenta, v katerem je absorpcijski spekter klorofila koncentriran v rdečih in modrih pasovih. Sistem razsvetljave temelji na spektralnih potrebah pridelkov za umetno dopolnitev svetlobe, tako da spodbuja fotosintezo rastlin.

■ Fotoperiod
Razmerje med fotosintezo in fotomorfogenezo rastlin in dnevnim dolžino (ali fotoperiodnim časom) se imenuje fotoperiodičnost rastlin. Fotoperičnost je tesno povezana s svetlobnimi urami, ki se nanaša na čas, ko se pridelek obseva s svetlobo. Različni pridelki potrebujejo določeno število svetlobnih ur, da dokončajo fotoperiodo, da cveti in obrodi sadove. Glede na različne fotoperiode ga lahko razdelimo na dolgodnevne pridelke, kot so zelje itd., Ki potrebujejo več kot 12-14h svetlobnih ur v določeni fazi njegove rasti; Kratkodnevni pridelki, kot so čebula, soja itd., Zahtevajo manj kot 12-14h osvetlitve; Srednje sonce pridelki, kot so kumare, paradižnik, paprika itd., Lahko cveti in obrodi obrodi pod daljšo ali krajšo sončno svetlobo.
Med tremi elementi okolja je intenzivnost svetlobe pomembna podlaga za izbiro umetnih svetlobnih virov. Trenutno obstaja veliko načinov za izražanje intenzivnosti svetlobe, v glavnem vključno z naslednjimi tremi.
（1） Osvetlitev se nanaša na površinsko gostoto svetlobnega toka (svetleči tok na enoto površine), prejetih na osvetljeni ravnini, v Lux (LX).

（2） Fotosintetsko aktivno sevanje, par ， enota: w/m²。

（3） Fotosintetsko učinkovita gostota fotonskega toka PPFD ali PPF je število fotosintetsko učinkovitega sevanja, ki sega ali prehaja skozi enoto in območje enote, enota: μmol/(m² · s) se nanaša na intenzivnost svetlobe 400 ~ 700nm neposredno povezano s fotosintezo. Je tudi najpogosteje uporabljen indikator intenzivnosti svetlobe na področju proizvodnje rastlin.

Analiza svetlobnega vira tipičnega dodatnega svetlobnega sistema
Umetno svetlobno dopolnilo je, da poveča intenzivnost svetlobe na ciljnem območju ali podaljša čas svetlobe z namestitvijo dodatnega svetlobnega sistema za izpolnitev svetlobnega povpraševanja po rastlinah. Na splošno dodatni svetlobni sistem vključuje dodatno svetlobno opremo, vezja in njegov nadzorni sistem. Dopolnilni svetlobni viri vključujejo predvsem več skupnih vrst, kot so žarnice z žarilnimi žarnicami, fluorescentne svetilke, kovinske halogenidne svetilke, visokotlačne natrijeve svetilke in LED. Zaradi nizke električne in optične učinkovitosti žarnic, nizke fotosintetske energetske učinkovitosti in drugih pomanjkljivosti, jo je trg odpravil, zato ta članek ne opravi podrobne analize.

■ Fluorescentna svetilka
Fluorescentne svetilke spadajo v vrsto svetilk za praznjenje plina z nizkim tlakom. Steklena cev je napolnjena z živosrebrnimi pari ali inertnim plinom, notranja stena cevi pa je prevlečena s fluorescentnim prahom. Svetla barva se spreminja glede na fluorescenčni material, prevlečen v cevi. Fluorescentne svetilke imajo dobro spektralno zmogljivost, visoko svetlobno učinkovitost, nizko moč, daljšo življenjsko dobo (12000H) v primerjavi z žarnimi žarnicami in razmeroma nizkimi stroški. Ker sama fluorescentna svetilka oddaja manj toplote, je lahko blizu rastlin za osvetlitev in je primerna za tridimenzionalno gojenje. Vendar je spektralna postavitev fluorescentne svetilke nerazumna. Najpogostejša metoda na svetu je dodajanje reflektorjev, da bi povečali učinkovite komponente svetlobnega vira pridelkov na območju obdelovanja. Japonsko podjetje Adv-agri je razvilo tudi novo vrsto dodatnega svetlobnega vira HEFL. HEFL dejansko spada v kategorijo fluorescentnih svetilk. To je splošni izraz za fluorescentne svetilke hladne katodne katode (CCFL) in zunanje elektrodne fluorescentne žarnice (EEFL) in je mešana elektroda fluorescentna svetilka. Cev HEFL je izjemno tanka, s premerom le približno 4 mm, dolžino pa lahko prilagodimo od 450 mm do 1200 mm glede na potrebe gojenja. Gre za izboljšano različico običajne fluorescentne svetilke.

■ Žarnica za kovinske halogenide
Kovinska halogenidna svetilka je svetilka z visoko intenzivnostjo, ki lahko vzbudi različne elemente, da ustvari različne valovne dolžine z dodajanjem različnih kovinskih halomidov (kositer bromida, natrijevega jodida itd.) V cevi za praznjenje na podlagi visokotlačne živosne svetilke. Halogenske svetilke imajo visoko svetlobno učinkovitost, visoko moč, dobro svetlobo, dolgo življenjsko dobo in velik spekter. Ker pa je svetlobna učinkovitost nižja od učinkovitosti natrijevih svetilk z visokim tlakom, življenjska doba pa je krajša kot pri natrijevih svetilkah z visokim pritiskom, se trenutno uporablja le v nekaj tovarnah rastlin.

■ Natrijeva svetilka z visokim tlakom
Visokotlak natrijeve svetilke spadajo v vrsto svetilk z visokotlačnim plinom. Natrijeva svetilka z visokim tlakom je svetilka z visoko učinkovitostjo, v kateri se v cevi za izpustno cev napolni visokotlačna natrijeva para, dodana pa se majhna količina ksenona (XE) in živosrebrnega kovinskega halogenida. Ker imajo natrijeve svetilke z visoko tlakom visoko elektro-optično učinkovitost pretvorbe z nižjimi proizvodnimi stroški, se natrijeve svetilke z visokim tlakom trenutno najpogosteje uporabljajo pri uporabi dodatne svetlobe v kmetijskih objektih. Vendar pa imajo zaradi pomanjkljivosti nizke fotosintetske učinkovitosti v svojem spektru pomanjkljivosti nizke energetske učinkovitosti. Po drugi strani pa so spektralne komponente, ki jih oddajajo natrijeve svetilke z visokim tlakom, koncentrirane predvsem v rumeno-oranžnem svetlobnem pasu, ki nima rdečega in modrega spektra, potrebnega za rast rastlin.

■ lahka dioda
Kot nova generacija svetlobnih virov imajo svetlobne diode (LED) številne prednosti, kot so višja elektro-optična učinkovitost pretvorbe, nastavljiv spekter in visoka fotosintetska učinkovitost. LED lahko oddaja enobarvno svetlobo, potrebno za rast rastlin. V primerjavi z navadnimi fluorescentnimi svetilkami in drugimi dodatnimi svetlobnimi viri ima LED prednosti varčevanja z energijo, varstva okolja, dolge življenjske dobe, enobarvne svetlobe, hladne svetlobe in tako naprej. Z nadaljnjim izboljšanjem elektro-optične učinkovitosti LED in znižanjem stroškov, ki jih povzroča učinek obsega, bodo LED rastoči razsvetljavi postali glavna oprema za dopolnjevanje svetlobe v kmetijskih objektih. Posledično so bile uporabljene luči za rast LED več kot 99,9% rastlinskih tovarn.

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

Mobilna razsvetljava
Intenzivnost svetlobe je tesno povezana z rastjo pridelkov. Tridimenzionalna gojenje se pogosto uporablja v tovarnah rastlin. Vendar pa bo zaradi omejitve strukture gojenja stojala neenakomerna porazdelitev svetlobe in temperature med regali vplivala na donos pridelkov in obdobje nabiranja ne bo sinhronizirana. Podjetje v Pekingu je leta 2010 uspešno razvilo ročno napravo za dopolnjevanje svetlobe (HPS osvetlitev in LED pritrditev razsvetljave). Načelo je, da se pogonska gred in navijač pritrdi tako, da se stresa ročaj, da se zasuka majhni filmski kolut Da bi dosegli namen umaknjenja in odvijanja žične vrvi. Žična vrv rastoče svetlobe je povezana z vijugastim kolesom dvigala skozi več sklopov vzvratnih koles, da bi dosegla učinek prilagajanja višine rastoče svetlobe. V letu 2017 je zgoraj omenjeno podjetje zasnovalo in razvilo novo napravo za dopolnitev mobilne svetlobe, ki lahko samodejno prilagodi višino svetlobnega dodatka v realnem času glede na potrebe rasti pridelka. Naprava za nastavitev je zdaj nameščena na tridimenzionalni regal za gojenje 3-sloja svetlobnega vira. Zgornja plast naprave je raven z najboljšim svetlobnim stanjem, zato je opremljena z natrijevimi svetilkami z visokim pritiskom; Srednja plast in spodnja plast sta opremljena z LED lučmi in sistemom za nastavitev dviga. Lahko samodejno prilagodi višino rastočega svetlobe, da zagotovi primerno svetlobno okolje za pridelke.

V primerjavi z napravo za mobilno svetlobo, prilagojeno za tridimenzionalno gojenje, je Nizozemska razvila vodoravno premična LED rastoča svetlobna naprava. Da bi se izognili vplivu sence rastoče svetlobe na rast rastlin na soncu, lahko sistem rastoče obsevan na rastlinah; V oblačnih in deževnih dneh brez sončne svetlobe potisnite sistem Grow Light na sredino nosilca, da bo luč sistema rasti svetlobe enakomerno napolnila rastline; Skozi drsnik na nosilcu premikate sistem Gnow Light, se izogibajte pogostim demontaži in odstranjevanju sistema rastočih svetlobnih sistemov ter zmanjšajte delovno intenzivnost zaposlenih, s čimer učinkovito izboljšate delovno učinkovitost.

Oblikovalske ideje tipičnega rastočega svetlobnega sistema
Iz zasnove dodatne naprave za mobilno razsvetljavo ni težko razvijati, da zasnova dodatnega razsvetljavnega sistema tovarna rastlin običajno sprejme intenzivnost svetlobe, kakovost svetlobe in fotoperiodne parametre različnih obdobij rasti pridelkov kot vsebnost jedra v zasnovi , ki se zanaša na inteligentni nadzor nad izvajanjem, doseganje končnega cilja varčevanja z energijo in visokega donosa.

Trenutno je zasnova in konstrukcija dodatne svetlobe za listno zelenjavo postopoma dozorela. Na primer, listnato zelenjavo lahko razdelimo na štiri stopnje: stopnja sadik, srednjo rast, pozno rast in končna stopnja; Sadne vegetable lahko razdelimo na stopnjo sadik, stopnjo vegetativne rasti, fazo cvetenja in nabiranje. Iz atributov dodatne intenzivnosti svetlobe mora biti intenzivnost svetlobe v stopnji sadik nekoliko nižja, pri 60 ~ 200 μmol/(m² · s) in nato postopoma povečati. Listnata zelenjava lahko doseže do 100 do 200 μmol/(m² · s), sadna zelenjava visok donos; Glede na kakovost svetlobe je razmerje med rdečo in modro barvo zelo pomembno. Da bi povečali kakovost sadik in preprečili prekomerno rast v fazi sadike, je razmerje rdeče in modre barve običajno nastavljeno na nizki ravni [(1 ~ 2): 1], nato lahka morfologija. Razmerje zelenjave rdeče do modre in modre barve je mogoče nastaviti (3 ~ 6): 1. Za fotoperiodo, podobno kot intenzivnost svetlobe, bi moral pokazati trend povečevanja s podaljšanjem obdobja rasti, tako da ima listnata zelenjava več fotosintetskega časa za fotosintezo. Lahka dopolnilna zasnova sadja in zelenjave bo bolj zapletena. Poleg zgoraj omenjenih osnovnih zakonov bi se morali osredotočiti na postavitev fotoperioda v obdobju cvetenja, spodbujati pa je treba cvetenje in sadje zelenjave, da ne bi zaostajali.

Omeniti velja, da mora svetlobna formula vključevati končno obdelavo nastavitve lahkega okolja. Na primer, neprekinjeno dopolnjevanje svetlobe lahko močno izboljša donos in kakovost hidroponskih listnatih zelenjavnih sadik ali uporabi UV obdelavo za bistveno izboljšanje kalčkov in listnate zelenjave (zlasti vijolične liste in rdeče listne solate) prehranske kakovosti.

Poleg optimizacije svetlobnega dopolnjevanja za izbrane pridelke se je v zadnjih letih hitro razvijal tudi sistem nadzora svetlobnih virov nekaterih tovarn umetnih svetlobnih rastlin. Ta kontrolni 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, se realizirata z WiFi, hkrati pa se realizira proizvodna metoda, ki ga zunanji pogoji ne omejujejo. Ta vrsta inteligentnega dodatnega svetlobnega sistema uporablja LED- .

Zaključne pripombe
Tovarne rastlin veljajo za pomemben način za reševanje svetovnih virov, prebivalstva in okoljskih problemov v 21. stoletju in pomemben način za doseganje samooskrbe s hrano v prihodnjih visokotehnoloških projektih. Kot nova vrsta metode kmetijske proizvodnje so tovarne rastlin še vedno v fazi učenja in rasti, potrebnih pa je več pozornosti in raziskav. Ta članek opisuje značilnosti in prednosti skupnih dodatnih razsvetljavnih metod v tovarnah rastlin in uvaja oblikovalske ideje značilnih sistemov za dodatno razsvetljavo. Ni težko najti s primerjavo, da bi se spoprijeli s šibko svetlobo, ki jo povzroča hudo vreme, kot sta neprekinjeno oblačno in meglico ter zagotavljajo visoko in stabilno proizvodnjo pridelkov objekta trendi.

Prihodnja razvojna smeri tovarn rastlin bi se morala osredotočiti na nove visokocenostne, poceni senzorje, oddaljeno nadzorovano, nastavljive sisteme za razsvetljavo spektra in strokovni nadzor. Hkrati se bodo prihodnje tovarne rastlin še naprej razvijale do poceni, inteligentnih in samoaptivnih. Uporaba in popularizacija LED-rasti svetlobnih virov zagotavljajo jamstvo za visoko natančen okoljski nadzor rastlinskih tovarn. Regulacija LED svetlobnega okolja je zapleten postopek, ki vključuje celovito regulacijo kakovosti svetlobe, intenzivnosti svetlobe in fotoperioda. Ustrezni strokovnjaki in znanstveniki morajo opraviti poglobljene raziskave, s čimer spodbujajo dodatno osvetlitev LED v tovarnih umetnih svetlobnih rastlin.