Autore: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, ecc. Fonte Media: Tecnologia di ingegneria agricola (orticoltura in serra)

La fabbrica di piante combina l'industria moderna, la biotecnologia, l'idroponica dei nutrienti e la tecnologia dell'informazione per implementare un controllo ad alta precisione dei fattori ambientali nella struttura. È completamente chiuso, ha requisiti minimi per l'ambiente circostante, accorcia il periodo di raccolta delle piante, risparmia acqua e fertilizzanti e, con i vantaggi dell'assenza di produzione di pesticidi e dell'assenza di scarico di rifiuti, l'efficienza unitaria di utilizzo del terreno è da 40 a 108 volte superiore della produzione in pieno campo. Tra questi, la sorgente luminosa artificiale intelligente e la regolazione dell'ambiente luminoso svolgono un ruolo decisivo nell'efficienza produttiva.

Essendo un importante fattore fisico-ambientale, la luce svolge un ruolo chiave nella regolazione della crescita delle piante e del metabolismo dei materiali. "Una delle caratteristiche principali dell'impianto di fabbrica è la fonte di luce completamente artificiale e la realizzazione di una regolazione intelligente della luce ambientale" è diventato un consenso generale nel settore.

Il bisogno di luce delle piante

La luce è l’unica fonte di energia della fotosintesi delle piante. L'intensità della luce, la qualità della luce (spettro) e i cambiamenti periodici della luce hanno un profondo impatto sulla crescita e sullo sviluppo delle colture, tra cui l'intensità della luce ha il maggiore impatto sulla fotosintesi delle piante.

■ Intensità della luce

L'intensità della luce può modificare la morfologia delle colture, come la fioritura, la lunghezza degli internodi, lo spessore dello stelo e la dimensione e lo spessore delle foglie. I requisiti delle piante per l'intensità della luce possono essere suddivisi in piante che amano la luce, che amano la luce media e che tollerano la luce scarsa. Le verdure sono per lo più piante che amano la luce e i loro punti di compensazione e saturazione della luce sono relativamente alti. Nelle fabbriche di piante con illuminazione artificiale, i requisiti rilevanti delle colture in termini di intensità luminosa rappresentano una base importante per la selezione delle sorgenti luminose artificiali. Comprendere i fabbisogni luminosi dei diversi impianti è importante per la progettazione delle sorgenti luminose artificiali, è estremamente necessario per migliorare le performance produttive del sistema.

■ Qualità della luce

Anche la distribuzione della qualità della luce (spettrale) ha un'influenza importante sulla fotosintesi e sulla morfogenesi delle piante (Figura 1). La luce fa parte della radiazione e la radiazione è un'onda elettromagnetica. Le onde elettromagnetiche hanno caratteristiche ondulatorie e caratteristiche quantistiche (particellari). Il quanto di luce in orticoltura si chiama fotone. La radiazione con una gamma di lunghezze d'onda di 300~800 nm è chiamata radiazione fisiologicamente attiva delle piante; e la radiazione con un intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 400 e 700 nm è chiamata radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) delle piante.

La clorofilla e i caroteni sono i due pigmenti più importanti nella fotosintesi delle piante. La Figura 2 mostra lo spettro di assorbimento spettrale di ciascun pigmento fotosintetico, in cui lo spettro di assorbimento della clorofilla è concentrato nelle bande del rosso e del blu. Il sistema di illuminazione si basa sulle esigenze spettrali delle colture per integrare artificialmente la luce, così da favorire la fotosintesi delle piante.

■ fotoperiodo
La relazione tra fotosintesi e fotomorfogenesi delle piante e durata del giorno (o tempo del fotoperiodo) è chiamata fotoperiodo delle piante. Il fotoperiodo è strettamente correlato alle ore di luce, che si riferiscono al tempo in cui la coltura viene irradiata dalla luce. Diverse colture richiedono un certo numero di ore di luce per completare il fotoperiodo per fiorire e fruttificare. A seconda dei diversi fotoperiodi si può suddividere in colture a giorno lungo, come cavoli, ecc., che richiedono più di 12-14 ore di luce ad un certo stadio della crescita; le colture a giornata corta, come cipolle, soia, ecc., richiedono meno di 12-14 ore di illuminazione; le colture a medio sole, come cetrioli, pomodori, peperoni, ecc., possono fiorire e dare frutti sotto una luce solare più o meno lunga.
Tra i tre elementi dell'ambiente, l'intensità della luce è una base importante per la scelta delle sorgenti luminose artificiali. Al momento esistono molti modi per esprimere l’intensità della luce, principalmente i tre seguenti.
（1）L'illuminazione si riferisce alla densità superficiale del flusso luminoso (flusso luminoso per unità di superficie) ricevuto sul piano illuminato, in lux (lx).

（2）Radiazione fotosinteticamente attiva, PAR, Unità: W/m².

(3) La densità del flusso fotonico fotosinteticamente efficace PPFD o PPF è il numero di radiazioni fotosinteticamente efficaci che raggiungono o attraversano l'unità di tempo e l'unità di area, unità:μmol/(m²·s). Si riferisce principalmente all'intensità della luce di 400~700 nm direttamente correlato alla fotosintesi. È anche l'indicatore di intensità luminosa più comunemente utilizzato nel campo della produzione vegetale.

Analisi della sorgente luminosa di un tipico sistema di illuminazione supplementare
L'integrazione di luce artificiale consiste nell'aumentare l'intensità della luce nell'area target o estendere il tempo di illuminazione installando un sistema di illuminazione supplementare per soddisfare la richiesta di luce delle piante. In generale, l'impianto di illuminazione supplementare comprende gli apparecchi di illuminazione supplementare, i circuiti ed il relativo sistema di controllo. Le sorgenti luminose supplementari comprendono principalmente diversi tipi comuni come lampade a incandescenza, lampade fluorescenti, lampade ad alogenuri metallici, lampade al sodio ad alta pressione e LED. A causa della bassa efficienza elettrica e ottica delle lampade a incandescenza, della bassa efficienza energetica fotosintetica e di altri difetti, è stata eliminata dal mercato, quindi questo articolo non effettua un'analisi dettagliata.

■ Lampada fluorescente
Le lampade fluorescenti appartengono al tipo delle lampade a scarica di gas a bassa pressione. Il tubo di vetro è riempito con vapori di mercurio o gas inerte e la parete interna del tubo è rivestita con polvere fluorescente. Il colore della luce varia a seconda del materiale fluorescente rivestito nel tubo. Le lampade fluorescenti hanno buone prestazioni spettrali, elevata efficienza luminosa, basso consumo, maggiore durata (12000 ore) rispetto alle lampade a incandescenza e un costo relativamente basso. Poiché la lampada fluorescente stessa emette meno calore, può essere posizionata vicino alle piante per l'illuminazione ed è adatta per la coltivazione tridimensionale. Tuttavia, la disposizione spettrale della lampada fluorescente non è ragionevole. Il metodo più comune al mondo è quello di aggiungere riflettori per massimizzare le componenti efficaci della sorgente luminosa delle colture nell'area di coltivazione. L'azienda giapponese adv-agri ha sviluppato anche un nuovo tipo di sorgente luminosa supplementare HEFL. HEFL appartiene effettivamente alla categoria delle lampade fluorescenti. È il termine generale per le lampade fluorescenti a catodo freddo (CCFL) e le lampade fluorescenti a elettrodo esterno (EEFL) ed è una lampada fluorescente a elettrodi misti. Il tubo HEFL è estremamente sottile, con un diametro di soli 4 mm circa, e la lunghezza può essere regolata da 450 mm a 1200 mm a seconda delle esigenze di coltivazione. È una versione migliorata della lampada fluorescente convenzionale.

■ Lampada ad alogenuri metallici
La lampada ad alogenuri metallici è una lampada a scarica ad alta intensità che può eccitare diversi elementi per produrre diverse lunghezze d'onda aggiungendo vari alogenuri metallici (bromuro di stagno, ioduro di sodio, ecc.) nel tubo a scarica sulla base di una lampada al mercurio ad alta pressione. Le lampade alogene hanno un'elevata efficienza luminosa, alta potenza, buon colore della luce, lunga durata e ampio spettro. Tuttavia, poiché l'efficienza luminosa è inferiore a quella delle lampade al sodio ad alta pressione e la durata è inferiore a quella delle lampade al sodio ad alta pressione, attualmente viene utilizzata solo in pochi impianti.

■ Lampada al sodio ad alta pressione
Le lampade al sodio ad alta pressione appartengono al tipo di lampade a scarica di gas ad alta pressione. La lampada al sodio ad alta pressione è una lampada ad alta efficienza in cui nel tubo di scarica viene riempito vapore di sodio ad alta pressione e vengono aggiunte una piccola quantità di xeno (Xe) e alogenuri metallici di mercurio. Poiché le lampade al sodio ad alta pressione hanno un'elevata efficienza di conversione elettro-ottica con costi di produzione inferiori, le lampade al sodio ad alta pressione sono attualmente le più utilizzate nell'applicazione della luce supplementare negli impianti agricoli. Tuttavia, a causa dei limiti della bassa efficienza fotosintetica nel loro spettro, presentano i difetti di una bassa efficienza energetica. Le componenti spettrali emesse dalle lampade al sodio ad alta pressione si concentrano invece principalmente nella banda della luce giallo-arancione, dove mancano gli spettri rosso e blu necessari per la crescita delle piante.

■ Diodo emettitore di luce
Essendo una nuova generazione di sorgenti luminose, i diodi emettitori di luce (LED) presentano molti vantaggi come una maggiore efficienza di conversione elettro-ottica, uno spettro regolabile e un'elevata efficienza fotosintetica. Il LED può emettere luce monocromatica necessaria per la crescita delle piante. Rispetto alle normali lampade fluorescenti e ad altre sorgenti luminose supplementari, il LED presenta i vantaggi di risparmio energetico, protezione ambientale, lunga durata, luce monocromatica, sorgente di luce fredda e così via. Con l’ulteriore miglioramento dell’efficienza elettro-ottica dei LED e la riduzione dei costi causati dall’effetto di scala, i sistemi di illuminazione per la coltivazione a LED diventeranno le apparecchiature principali per integrare la luce nelle strutture agricole. Di conseguenza, le luci di coltivazione a LED sono state applicate nel 99,9% delle fabbriche di piante.

Attraverso il confronto è possibile comprendere chiaramente le caratteristiche delle diverse sorgenti luminose supplementari, come mostrato nella Tabella 1.

Dispositivo di illuminazione mobile
L’intensità della luce è strettamente correlata alla crescita delle colture. La coltivazione tridimensionale viene spesso utilizzata nelle fabbriche di piante. Tuttavia, a causa della struttura limitata dei graticci di coltivazione, la distribuzione non uniforme della luce e della temperatura tra i graticci influenzerà la resa dei raccolti e il periodo di raccolta non sarà sincronizzato. Una società di Pechino ha sviluppato con successo un dispositivo supplementare per la luce di sollevamento manuale (apparecchio di illuminazione HPS e apparecchio di illuminazione per coltivazione a LED) nel 2010. Il principio è quello di ruotare l'albero motore e l'avvolgitore fissato su di esso scuotendo la maniglia per ruotare la piccola bobina di pellicola per raggiungere lo scopo di ritrarre e svolgere la fune metallica. La fune metallica della luce di coltivazione è collegata alla ruota di avvolgimento dell'ascensore tramite più serie di ruote di retromarcia, in modo da ottenere l'effetto di regolare l'altezza della luce di coltivazione. Nel 2017, la suddetta società ha progettato e sviluppato un nuovo dispositivo mobile per l'integrazione della luce, in grado di regolare automaticamente l'altezza dell'integrazione della luce in tempo reale in base alle esigenze di crescita delle colture. Il dispositivo di regolazione è ora installato sul rack di coltivazione tridimensionale del tipo a sollevamento della sorgente luminosa a 3 strati. Lo strato superiore del dispositivo è il livello con la migliore condizione di luce, quindi è dotato di lampade al sodio ad alta pressione; lo strato intermedio e quello inferiore sono dotati di luci di coltivazione a LED e di un sistema di regolazione del sollevamento. Può regolare automaticamente l'altezza della luce di coltivazione per fornire un ambiente di illuminazione adatto alle colture.

Rispetto al dispositivo di illuminazione supplementare mobile su misura per la coltivazione tridimensionale, i Paesi Bassi hanno sviluppato un dispositivo di illuminazione supplementare di luce di coltivazione a LED mobile orizzontalmente. Per evitare l'influenza dell'ombra della luce di coltivazione sulla crescita delle piante al sole, il sistema di luce di coltivazione può essere spinto su entrambi i lati della staffa attraverso la guida telescopica in direzione orizzontale, in modo che il sole sia completamente irradiato sulle piante; nelle giornate nuvolose e piovose senza luce solare, spingere il sistema di luce di coltivazione al centro della staffa per fare in modo che la luce del sistema di luce di coltivazione riempia uniformemente le piante; spostare il sistema di luce di coltivazione orizzontalmente attraverso la guida sulla staffa, evitare frequenti smontaggi e rimozioni del sistema di luce di coltivazione e ridurre l'intensità di lavoro dei dipendenti, migliorando così efficacemente l'efficienza del lavoro.

Idee di progettazione del tipico sistema di illuminazione da coltivazione
Non è difficile vedere dalla progettazione del dispositivo di illuminazione supplementare mobile che la progettazione del sistema di illuminazione supplementare dello stabilimento vegetale prende solitamente l'intensità della luce, la qualità della luce e i parametri del fotoperiodo dei diversi periodi di crescita delle colture come contenuto principale della progettazione , basandosi sul sistema di controllo intelligente da implementare, raggiungendo l'obiettivo finale di risparmio energetico e rendimento elevato.

Attualmente è progressivamente maturata la progettazione e realizzazione di luci supplementari per ortaggi in foglia. Ad esempio, le verdure a foglia possono essere suddivise in quattro fasi: fase di piantina, crescita media, crescita tardiva e fase finale; gli ortaggi da frutto possono essere suddivisi in fase di piantina, fase di crescita vegetativa, fase di fioritura e fase di raccolta. Dalle caratteristiche dell'intensità della luce supplementare, l'intensità della luce nella fase di piantina dovrebbe essere leggermente inferiore, a 60~200 μmol/(m²·s), per poi aumentare gradualmente. Le verdure a foglia possono raggiungere fino a 100~200 μmol/(m²·s) e le verdure a frutto possono raggiungere 300~500 μmol/(m²·s) per garantire i requisiti di intensità luminosa della fotosintesi delle piante in ogni periodo di crescita e soddisfare le esigenze di alto rendimento; In termini di qualità della luce, il rapporto tra rosso e blu è molto importante. Al fine di aumentare la qualità delle piantine e prevenire una crescita eccessiva nella fase di piantina, il rapporto tra rosso e blu è generalmente impostato a un livello basso [(1~2:1], quindi ridotto gradualmente per soddisfare le esigenze della pianta morfologia leggera. Il rapporto tra verdure rosse, blu e a foglia può essere impostato su (3~6):1. Per il fotoperiodo, analogamente all'intensità luminosa, dovrebbe mostrare un andamento crescente con il prolungarsi del periodo di crescita, in modo che le verdure a foglia abbiano più tempo fotosintetico per la fotosintesi. La progettazione degli integratori leggeri di frutta e verdura sarà più complicata. Oltre alle leggi fondamentali sopra citate, occorre concentrarsi sull'impostazione del fotoperiodo durante il periodo della fioritura, e bisogna favorire la fioritura e la fruttificazione degli ortaggi, in modo da non ritorcersi contro.

Vale la pena ricordare che la formula della luce dovrebbe includere il trattamento finale per le impostazioni dell'ambiente luminoso. Ad esempio, l'integrazione continua di luce può migliorare notevolmente la resa e la qualità delle piantine di ortaggi a foglia idroponici o utilizzare il trattamento UV per migliorare significativamente la qualità nutrizionale dei germogli e degli ortaggi a foglia (in particolare foglie viola e lattuga a foglie rosse).

Oltre ad ottimizzare l’integrazione luminosa per colture selezionate, negli ultimi anni si è sviluppato rapidamente anche il sistema di controllo della sorgente luminosa di alcune fabbriche di piante con illuminazione artificiale. Questo sistema di controllo è generalmente basato sulla struttura B/S. Il controllo remoto e il controllo automatico di fattori ambientali come temperatura, umidità, luce e concentrazione di CO2 durante la crescita delle colture vengono realizzati tramite Wi-Fi e, allo stesso tempo, viene realizzato un metodo di produzione che non è limitato dalle condizioni esterne. Questo tipo di sistema di illuminazione supplementare intelligente utilizza lampade per coltivazione a LED come sorgente di luce supplementare, combinato con un sistema di controllo intelligente remoto, può soddisfare le esigenze di illuminazione della lunghezza d'onda delle piante, è particolarmente adatto per ambienti di coltivazione di piante a luce controllata e può soddisfare bene la domanda del mercato .

Osservazioni conclusive
Le fabbriche vegetali sono considerate un modo importante per risolvere i problemi delle risorse mondiali, della popolazione e dell’ambiente nel 21° secolo e un modo importante per raggiungere l’autosufficienza alimentare nei futuri progetti high-tech. Essendo un nuovo tipo di metodo di produzione agricola, le fabbriche vegetali sono ancora in una fase di apprendimento e crescita e sono necessarie maggiore attenzione e ricerca. Questo articolo descrive le caratteristiche e i vantaggi dei comuni metodi di illuminazione supplementare nelle fabbriche di piante e introduce le idee di progettazione dei tipici sistemi di illuminazione supplementare delle colture. Non è difficile trovare attraverso un confronto, per far fronte alla scarsa illuminazione causata da condizioni meteorologiche avverse come nuvolosità e foschia continue e per garantire una produzione elevata e stabile di colture vegetali, le apparecchiature con sorgente luminosa LED Grow sono più in linea con lo sviluppo attuale tendenze.

La futura direzione di sviluppo delle fabbriche vegetali dovrebbe concentrarsi su nuovi sensori ad alta precisione e a basso costo, sistemi di dispositivi di illuminazione a spettro regolabile controllabili a distanza e sistemi di controllo esperti. Allo stesso tempo, le future fabbriche vegetali continueranno a svilupparsi verso soluzioni a basso costo, intelligenti e auto-adattative. L'uso e la diffusione delle sorgenti luminose a LED garantiscono un controllo ambientale di alta precisione delle fabbriche di piante. La regolamentazione dell’ambiente luminoso a LED è un processo complesso che coinvolge una regolamentazione completa della qualità della luce, dell’intensità della luce e del fotoperiodo. Esperti e studiosi rilevanti devono condurre ricerche approfondite, promuovendo l'illuminazione supplementare a LED nelle fabbriche di impianti di illuminazione artificiale.