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

La fabbrica di piante combina industria moderna, biotecnologia, idroponica nutrizionale e tecnologia informatica per implementare un controllo ad alta precisione dei fattori ambientali all'interno della struttura. È completamente chiusa, ha bassi requisiti per l'ambiente circostante, riduce il periodo di raccolta delle piante, consente di risparmiare acqua e fertilizzanti e, grazie ai vantaggi della produzione senza pesticidi e senza scarico di rifiuti, l'efficienza di utilizzo del suolo è da 40 a 108 volte superiore a quella della produzione in campo aperto. Tra questi, la sorgente luminosa artificiale intelligente e la sua regolazione dell'ambiente luminoso svolgono un ruolo decisivo nell'efficienza produttiva.

In quanto 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 della fabbrica vegetale è la fonte di luce completamente artificiale e la realizzazione di una regolazione intelligente dell'ambiente luminoso" è diventata un'opinione diffusa nel settore.

Il bisogno di luce delle piante

La luce è l'unica fonte di energia per la fotosintesi delle piante. L'intensità luminosa, la qualità della luce (spettro) e le variazioni periodiche della luce hanno un profondo impatto sulla crescita e lo sviluppo delle colture; tra queste, l'intensità luminosa ha il maggiore impatto sulla fotosintesi delle piante.

■ Intensità luminosa

L'intensità luminosa può modificare la morfologia delle colture, come la fioritura, la lunghezza degli internodi, lo spessore del fusto e le dimensioni e lo spessore delle foglie. I requisiti delle piante in termini di intensità luminosa possono essere suddivisi in piante fotofile, piante fotofile e piante fotofile. Le verdure sono per lo più piante fotofile e i loro punti di compensazione e saturazione luminosa sono relativamente elevati. Nelle fabbriche di impianti di illuminazione artificiale, i requisiti delle colture in termini di intensità luminosa sono una base importante per la selezione delle fonti di luce artificiale. Comprendere i requisiti di luce delle diverse piante è importante per la progettazione delle fonti di luce artificiale, ed è estremamente necessario per migliorare le prestazioni produttive del sistema.

■ Qualità della luce

Anche la distribuzione spettrale della qualità della luce 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 (particelle). Il quanto di luce è chiamato fotone in orticoltura. La radiazione con un intervallo di lunghezza d'onda di 300~800 nm è chiamata radiazione fisiologicamente attiva delle piante; e la radiazione con un intervallo di lunghezza d'onda di 400~700 nm è chiamata radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) delle piante.

Clorofilla e 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, in modo da promuovere la fotosintesi delle piante.

■ fotoperiodo
La relazione tra fotosintesi e fotomorfogenesi delle piante e la durata del giorno (o fotoperiodo) è chiamata fotoperiodo delle piante. Il fotoperiodo è strettamente correlato alle ore di luce, che si riferiscono al tempo in cui la coltura è irradiata dalla luce. Diverse colture richiedono un certo numero di ore di luce per completare il fotoperiodo e 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 in una certa fase della crescita; colture a giorno corto, come cipolle, soia, ecc., richiedono meno di 12-14 ore di illuminazione; colture a luce media, come cetrioli, pomodori, peperoni, ecc., possono fiorire e fruttificare con una luce solare più lunga o più breve.
Tra i tre elementi dell'ambiente, l'intensità luminosa è un elemento fondamentale per la scelta delle sorgenti luminose artificiali. Attualmente, esistono molti modi per esprimere l'intensità luminosa, tra cui principalmente i tre seguenti.
（1）L'illuminazione si riferisce alla densità superficiale del flusso luminoso (flusso luminoso per unità di area) ricevuto sul piano illuminato, in lux (lx).

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

(3) La densità di 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 di misura: μmol/(m²·s). Si riferisce principalmente all'intensità luminosa di 400~700 nm direttamente correlata 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 luminosa nell'area interessata o prolungarne la durata installando un sistema di illuminazione supplementare per soddisfare il fabbisogno luminoso delle piante. In generale, il sistema di illuminazione supplementare include apparecchiature di illuminazione supplementare, circuiti e il relativo sistema di controllo. Le fonti di luce supplementare includono principalmente diverse tipologie 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, queste lampade sono state eliminate dal mercato, pertanto questo articolo non ne fornisce un'analisi dettagliata.

■ Lampada fluorescente
Le lampade fluorescenti appartengono al tipo di 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 offrono buone prestazioni spettrali, elevata efficienza luminosa, basso consumo, durata maggiore (12.000 ore) rispetto alle lampade a incandescenza e costi relativamente bassi. Poiché la lampada fluorescente emette meno calore, può essere posizionata vicino alle piante per l'illuminazione ed è adatta alla coltivazione tridimensionale. Tuttavia, la disposizione spettrale della lampada fluorescente non è ragionevole. Il metodo più comune al mondo consiste nell'aggiungere riflettori per massimizzare l'efficacia della sorgente luminosa delle colture nell'area di coltivazione. L'azienda giapponese adv-agri ha anche sviluppato un nuovo tipo di sorgente luminosa supplementare HEFL. Le HEFL appartengono in realtà alla categoria delle lampade fluorescenti. È il termine generale per lampade fluorescenti a catodo freddo (CCFL) e lampade fluorescenti a elettrodo esterno (EEFL), ed è una lampada fluorescente a elettrodo misto. Il tubo HEFL è estremamente sottile, con un diametro di soli 4 mm circa, e la sua lunghezza può essere regolata da 450 mm a 1200 mm in base alle esigenze di coltivazione. Si tratta di 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 di scarica, sulla base di una lampada al mercurio ad alta pressione. Le lampade alogene hanno un'elevata efficienza luminosa, elevata potenza, buona tonalità di 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 sono utilizzate solo in pochi stabilimenti industriali.

■ Lampada al sodio ad alta pressione
Le lampade al sodio ad alta pressione appartengono alla categoria delle lampade a scarica di gas ad alta pressione. La lampada al sodio ad alta pressione è una lampada ad alta efficienza in cui il tubo di scarica è riempito con vapori di sodio ad alta pressione e vengono aggiunte piccole quantità di xeno (Xe) e alogenuri metallici di mercurio. Poiché le lampade al sodio ad alta pressione presentano un'elevata efficienza di conversione elettro-ottica con costi di produzione inferiori, le lampade al sodio ad alta pressione sono attualmente le più utilizzate per l'applicazione di luce supplementare nelle strutture agricole. Tuttavia, a causa della bassa efficienza fotosintetica del loro spettro, presentano anche il problema della bassa efficienza energetica. D'altra parte, le componenti spettrali emesse dalle lampade al sodio ad alta pressione sono concentrate principalmente nella banda di luce giallo-arancio, che non presenta gli spettri rosso e blu necessari per la crescita delle piante.

■ Diodo ad emissione luminosa
Come nuova generazione di sorgenti luminose, i diodi a emissione luminosa (LED) presentano numerosi vantaggi, come una maggiore efficienza di conversione elettro-ottica, uno spettro regolabile e un'elevata efficienza fotosintetica. I LED possono emettere la luce monocromatica necessaria per la crescita delle piante. Rispetto alle normali lampade fluorescenti e ad altre fonti di luce supplementari, i LED offrono i vantaggi del risparmio energetico, della tutela ambientale, della lunga durata, della luce monocromatica, della sorgente di luce fredda e così via. Con l'ulteriore miglioramento dell'efficienza elettro-ottica dei LED e la riduzione dei costi dovuta all'effetto scala, i sistemi di illuminazione a LED per la coltivazione diventeranno le apparecchiature principali per integrare l'illuminazione nelle strutture agricole. Di conseguenza, le luci a LED per la coltivazione sono state utilizzate in oltre il 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 è spesso utilizzata nelle fabbriche di piante. Tuttavia, a causa dei limiti della struttura dei rack di coltivazione, la distribuzione non uniforme di luce e temperatura tra i rack influirà sulla resa delle colture e il periodo di raccolta non sarà sincronizzato. Un'azienda di Pechino ha sviluppato con successo un dispositivo di sollevamento manuale per l'integrazione della luce (apparecchio di illuminazione HPS e apparecchio di illuminazione a LED per la coltivazione) nel 2010. Il principio consiste nel ruotare l'albero motore e l'avvolgitore fissato su di esso agitando la maniglia per ruotare la piccola bobina di pellicola e ottenere lo scopo di ritrarre e svolgere il cavo metallico. Il cavo metallico della lampada per la coltivazione è collegato alla ruota di avvolgimento dell'elevatore tramite più serie di ruote di inversione, in modo da ottenere l'effetto di regolazione dell'altezza della lampada per la coltivazione. Nel 2017, la suddetta azienda ha progettato e sviluppato un nuovo dispositivo di integrazione della luce mobile, 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 con sorgente luminosa a 3 strati, di tipo sollevabile. Lo strato superiore del dispositivo è quello con le migliori condizioni 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 mobile progettato per la coltivazione tridimensionale, i Paesi Bassi hanno sviluppato un dispositivo di illuminazione a LED per la coltivazione mobile orizzontalmente. Per evitare l'influenza dell'ombra della lampada sulla crescita delle piante al sole, il sistema di illuminazione per la 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 illuminazione per la coltivazione al centro della staffa per far sì che la luce del sistema di illuminazione per la coltivazione riempia uniformemente le piante; spostare il sistema di illuminazione per la coltivazione orizzontalmente attraverso la guida sulla staffa, evita frequenti smontaggi e rimozioni del sistema di illuminazione per la coltivazione e riduce l'intensità di lavoro dei dipendenti, migliorando così efficacemente l'efficienza lavorativa.

Idee di progettazione di un tipico sistema di illuminazione per la coltivazione
Non è difficile vedere dalla progettazione del dispositivo di illuminazione supplementare mobile che la progettazione del sistema di illuminazione supplementare dello stabilimento di solito considera l'intensità della luce, la qualità della luce e i parametri del fotoperiodo dei diversi periodi di crescita delle colture come contenuto fondamentale della progettazione, affidandosi al sistema di controllo intelligente per l'implementazione, raggiungendo l'obiettivo finale di risparmio energetico e alta resa.

Attualmente, la progettazione e la realizzazione di sistemi di illuminazione supplementare per le verdure a foglia sono gradualmente maturate. Ad esempio, le verdure a foglia possono essere suddivise in quattro fasi: fase di germinazione, fase di crescita intermedia, fase di crescita tardiva e fase finale; gli ortaggi da frutto possono essere suddivisi in fase di germinazione, fase di crescita vegetativa, fase di fioritura e fase di raccolta. Per quanto riguarda l'intensità luminosa supplementare, l'intensità luminosa nella fase di germinazione 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), mentre gli ortaggi da frutto possono raggiungere 300~500 μmol/(m²·s) per garantire l'intensità luminosa necessaria alla fotosintesi delle piante in ogni fase di crescita e soddisfare le esigenze di un'elevata resa. In termini di qualità della luce, il rapporto tra rosso e blu è molto importante. Per migliorare la qualità delle piantine e prevenire una crescita eccessiva nella fase di germinazione, il rapporto tra rosso e blu è generalmente impostato a un livello basso [(1~2:1]], per poi essere gradualmente ridotto per soddisfare le esigenze della morfologia luminosa della pianta. Il rapporto tra rosso e blu per le verdure a foglia può essere impostato a (3~6:1). Per quanto riguarda il fotoperiodo, analogamente all'intensità luminosa, dovrebbe mostrare una tendenza all'aumento con l'estensione del periodo di crescita, in modo che le verdure a foglia abbiano più tempo per la fotosintesi. La progettazione dell'integrazione luminosa per frutta e verdura sarà più complessa. Oltre alle leggi di base sopra menzionate, dovremmo concentrarci sull'impostazione del fotoperiodo durante il periodo di fioritura, favorendo la fioritura e la fruttificazione delle verdure, per evitare effetti negativi.

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

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

Osservazioni conclusive
Le fabbriche vegetali sono considerate un mezzo importante per risolvere i problemi mondiali di risorse, popolazione e ambiente nel XXI secolo, nonché un mezzo fondamentale per raggiungere l'autosufficienza alimentare nei futuri progetti ad alta tecnologia. Essendo un nuovo tipo di metodo di produzione agricola, le fabbriche vegetali sono ancora in fase di apprendimento e crescita, e necessitano di maggiore attenzione e ricerca. Questo articolo descrive le caratteristiche e i vantaggi dei comuni metodi di illuminazione supplementare nelle fabbriche vegetali e introduce le idee progettuali dei tipici sistemi di illuminazione supplementare per le colture. Non è difficile trovare, attraverso il confronto, le apparecchiature a LED per la coltivazione che meglio si adattano alle attuali tendenze di sviluppo, per far fronte alla scarsa illuminazione causata da condizioni meteorologiche avverse come nuvolosità e foschia continue e per garantire una produzione elevata e stabile delle colture.

La futura direzione di sviluppo degli impianti produttivi dovrebbe concentrarsi su nuovi sensori ad alta precisione e a basso costo, sistemi di illuminazione a spettro regolabile e controllabili da remoto e sistemi di controllo esperti. Allo stesso tempo, gli impianti produttivi del futuro continueranno a evolversi verso soluzioni a basso costo, intelligenti e autoadattanti. L'utilizzo e la diffusione di sorgenti luminose a LED per la coltivazione garantiscono un controllo ambientale ad alta precisione degli impianti produttivi. La regolazione dell'ambiente luminoso a LED è un processo complesso che prevede una regolazione completa della qualità della luce, dell'intensità luminosa e del fotoperiodo. Esperti e studiosi del settore devono condurre ricerche approfondite, promuovendo l'illuminazione supplementare a LED negli impianti produttivi a luce artificiale.