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

La fabbrica di piante combina industria moderna, biotecnologia, idroponica nutrizionale e tecnologia dell'informazione per implementare il controllo ad alta precisione dei fattori ambientali nella struttura. È completamente chiuso, ha requisiti bassi sull'ambiente circostante, riduce il periodo di raccolta delle piante, risparmia acqua e fertilizzanti e con i vantaggi della produzione non pesticida e senza scarico dei rifiuti, l'efficienza dell'uso del suolo è da 40 a 108 volte di produzione di campo aperto. Tra questi, la fonte di luce artificiale intelligente e la sua regolazione dell'ambiente leggero svolgono un ruolo decisivo nella sua efficienza di produzione.

Come importante fattore ambientale fisico, la luce svolge un ruolo chiave nella regolazione della crescita delle piante e del metabolismo materiale. "Una delle caratteristiche principali della fabbrica di piante è la fonte di luce artificiale completa e la realizzazione di una regolamentazione intelligente dell'ambiente luminoso" è diventata un consenso generale nel settore.

Necessità 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 cambiare la morfologia delle colture, come fioritura, lunghezza internode, spessore dello stelo, dimensioni e spessore delle foglie. I requisiti delle piante per l'intensità della luce possono essere divisi in piante amanti della luce, amanti della luce media e tolleranti a bassa luce. Le verdure sono per lo più piante che amano la luce e i loro punti di compensazione della luce e i punti di saturazione della luce sono relativamente alti. Nelle fabbriche di piante di luce artificiale, i requisiti rilevanti delle colture per l'intensità della luce sono una base importante per la selezione di fonti di luce artificiale. Comprendere i requisiti di luce delle diverse piante è importante per la progettazione di fonti di luce artificiale, è estremamente necessario migliorare le prestazioni di produzione del sistema.

■ Qualità della luce

La distribuzione della qualità della luce (spettrale) ha anche un'influenza importante sulla fotosintesi delle piante e sulla morfogenesi (Figura 1). La luce fa parte delle radiazioni e le radiazioni sono un'onda elettromagnetica. Le onde elettromagnetiche hanno caratteristiche d'onda e caratteristiche quantistiche (particelle). Il Quantum of Light si chiama fotone nel campo dell'orticoltura. Le radiazioni con un intervallo di lunghezza d'onda di 300 ~ 800 nm sono chiamate radiazioni fisiologicamente attive delle piante; E le radiazioni con una gamma di lunghezze d'onda di 400 ~ 700 nm sono chiamate radiazioni fotosinteticamente attive (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 rosse e 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.

■ Photoperiodo
La relazione tra fotosintesi e fotomorfogenesi delle piante e lunghezza del giorno (o tempo di fotoperiodo) è chiamata fotoperiodioodioodio. La fotoperiodio è strettamente correlata alle ore di luce, che si riferisce al tempo in cui il raccolto è irradiato dalla luce. Diverse colture richiedono un certo numero di ore di luce per completare il fotoperiodo per fiorire e avere frutti. Secondo i diversi fotoperiodi, può essere diviso in colture di lunga data, come il cavolo, ecc., Che richiedono più di 12-14 ore di luce in una certa fase della sua crescita; Le colture a breve giornata, come cipolle, semi di soia, ecc., Richiedono meno di 12-14 ore di illuminazione; Le colture a medio-singolo, come cetrioli, pomodori, peperoni, ecc. Possono fiorire e portare frutti sotto la luce solare più lunga o più corta.
Tra i tre elementi dell'ambiente, l'intensità della luce è una base importante per la selezione di fonti di luce artificiale. Al momento, ci sono molti modi per esprimere l'intensità della luce, principalmente includendo i tre seguenti.
（1） L'illuminazione si riferisce alla densità superficiale del flusso luminoso (flusso luminoso per unità di area) ricevuta sul piano illuminato, in Lux (LX).

（2） radiazioni fotosinteticamente attive, par ， unità ： w/m²。

（3） La densità di flusso fotone fotone fotografico PPFD o PPF è il numero di radiazioni fotosinteticamente efficaci che raggiungono o passa attraverso il tempo dell'unità e l'area unitaria, unità ： μmol/(m² · s) 。Mainly si riferisce a 400 ~ 700nm direttamente correlato alla fotosintesi. È anche l'indicatore di intensità della luce più comunemente usata nel campo della produzione di piante.

Analisi della sorgente luminosa del tipico sistema di luce supplementare
Il supplemento di luce artificiale è quello di aumentare l'intensità della luce nell'area target o prolungare il tempo leggero installando un sistema di luci del supplemento per soddisfare la domanda di luce delle piante. In generale, il sistema di luce supplementare include apparecchiature di luce supplementare, circuiti e il suo sistema di controllo. Le fonti di luce supplementari includono principalmente diversi tipi comuni come lampade a incandescenza, lampade fluorescenti, lampade a alogenuri di metallo, lampade e LED di sodio ad alta pressione. A causa della bassa efficienza elettrica e ottica di lampade a incandescenza, bassa efficienza energetica fotosintetica e altre carenze, è stata eliminata dal mercato, quindi questo articolo non fa un'analisi dettagliata.

■ Lampada fluorescente
Le lampade fluorescenti appartengono al tipo di lampade a bassa pressione del gas. Il tubo di vetro è riempito con vapore di mercurio o gas inerte e la parete interna del tubo è rivestita con polvere fluorescente. Il colore chiaro varia con il materiale fluorescente rivestito nel tubo. Le lampade fluorescenti hanno buone prestazioni spettrali, alta efficienza luminosa, bassa potenza, vita più lunga (12000H) rispetto alle lampade a incandescenza e a un costo relativamente basso. Poiché la stessa lampada fluorescente emette meno calore, può essere vicina alle piante per l'illuminazione ed è adatto alla coltivazione tridimensionale. Tuttavia, il layout spettrale della lampada fluorescente è irragionevole. Il metodo più comune al mondo è quello di aggiungere riflettori per massimizzare i componenti efficaci della fonte di luce delle colture nell'area di coltivazione. La società giapponese Adv-Agri ha anche sviluppato un nuovo tipo di origine leggera supplementare HEFL. HEFL appartiene in realtà alla categoria di lampade fluorescenti. È il termine generale per lampade fluorescenti a catodo freddo (CCFL) e lampade fluorescenti di elettrodi esterne (EEFL) ed è una lampada fluorescente a elettrodo misto. Il tubo HEFL è estremamente sottile, con un diametro solo di circa 4 mm e la lunghezza può essere regolata da 450 mm a 1200 mm in base alle esigenze della coltivazione. È una versione migliorata della lampada fluorescente convenzionale.

■ Lampada di alogenuri metallici
La lampada a alogenuri metallici è una lampada di scarico ad alta intensità che può eccitare elementi diversi per produrre lunghezze d'onda diverse aggiungendo vari alogenuri metallici (bromuro di stagno, ioduro di sodio, ecc.) Nel tubo di scarico sulla base di una lampada da mercurio ad alta pressione. Le lampade alogene hanno un'elevata efficienza luminosa, l'alta potenza, il buon colore della luce, la lunga vita e lo spettro di grandi dimensioni. Tuttavia, poiché l'efficienza luminosa è inferiore a quella delle lampade di sodio ad alta pressione e la durata è più corta di quella delle lampade di sodio ad alta pressione, è attualmente utilizzata solo in alcune fabbriche vegetali.

■ Lampada di sodio ad alta pressione
Le lampade di sodio ad alta pressione appartengono al tipo di lampade di scarico del gas ad alta pressione. La lampada di sodio ad alta pressione è una lampada ad alta efficienza in cui viene riempito il vapore di sodio ad alta pressione nel tubo di scarico e vengono aggiunte una piccola quantità di xeno (XE) e alogenuri di metallo di mercurio. Poiché le lampade di sodio ad alta pressione hanno un'elevata efficienza di conversione elettro-ottica con minori costi di produzione, le lampade di sodio ad alta pressione sono attualmente le più utilizzate nell'applicazione della luce supplementare nelle strutture agricole. Tuttavia, a causa delle carenze di bassa efficienza fotosintetica nel loro spettro, hanno le carenze di bassa efficienza energetica. D'altra parte, i componenti spettrali emessi da lampade di sodio ad alta pressione sono principalmente concentrati nella banda di luce giallo-arancione, che manca degli spettri rossi e blu necessari per la crescita delle piante.

■ DIOODE EMITTANO DI LUCE
Come una nuova generazione di fonti di luce, i diodi a emissione di luce (LED) hanno molti vantaggi come una maggiore efficienza di conversione elettro-ottica, spettro regolabile ed elevata efficienza fotosintetica. LED può emettere luce monocromatica necessaria per la crescita delle piante. Rispetto alle normali lampade fluorescenti e ad altre fonti di luce supplementare, il LED presenta i vantaggi del risparmio energetico, della protezione ambientale, della lunga vita, della luce monocromatica, della fonte di luce fredda e così via. Con l'ulteriore miglioramento dell'efficienza elettro-ottica dei LED e la riduzione dei costi causati dall'effetto della scala, i sistemi di illuminazione di coltivazione dei LED diventeranno le apparecchiature tradizionali per integrare la luce nelle strutture agricole. Di conseguenza, le luci di coltivazione a LED sono state applicate oltre il 99,9% di fabbriche vegetali.

Attraverso il confronto, le caratteristiche di diverse fonti di luce supplementare possono essere chiaramente comprese, 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 vegetali. Tuttavia, a causa della limitazione della struttura degli scaffali di coltivazione, la distribuzione irregolare della luce e la temperatura tra i rack influenzerà la resa delle colture e il periodo di raccolta non sarà sincronizzata. Un'azienda a Pechino ha sviluppato con successo un dispositivo di integrazione di luce di sollevamento manuale (dispositivo di illuminazione HPS e dispositivo di illuminazione a coltivazione a LED) nel 2010. Il principio è ruotare l'albero di trasmissione e l'avvolgitore fisso su di esso scuotendo la maniglia per ruotare la piccola bobina del film Per raggiungere lo scopo di ritirare e svolgere la corda del filo. La corda metallica della luce di coltivazione è collegata alla ruota avvolgente dell'ascensore attraverso più set di ruote inversa, in modo da ottenere l'effetto di regolare l'altezza della luce di coltivazione. Nel 2017, l'azienda sopra menzionata ha progettato e sviluppato un nuovo dispositivo di integrazione di luce mobile, che può regolare automaticamente l'altezza del supplemento di 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 di sollevamento della luce a 3 strati. Lo strato superiore del dispositivo è il livello con le migliori condizioni di luce, quindi è dotato di lampade di sodio ad alta pressione; Lo strato centrale e lo strato inferiore sono dotati di luci di coltivazione a LED e un sistema di regolazione del sollevamento. Può regolare automaticamente l'altezza della luce di coltivazione per fornire un ambiente di illuminazione adeguato per le colture.

Rispetto al dispositivo integratore di luce mobile su misura per la coltivazione tridimensionale, i Paesi Bassi hanno sviluppato un dispositivo di luce integratore a LED a LED mobile orizzontalmente. Al fine di evitare l'influenza dell'ombra della luce di coltivazione sulla crescita delle piante nel sole, il sistema di luce di coltivazione può essere spinto su entrambi i lati della staffa attraverso la scivolata telescopica nella direzione orizzontale, in modo che il sole sia completamente irradiato sulle piante; Nei giorni nuvolosi e piovosi senza luce solare, spingere il sistema di coltivazione al centro della staffa per fare la luce del sistema di luce di coltivazione riempire uniformemente le piante; Spostare il sistema di luce di coltivazione in orizzontale attraverso lo scivolo sulla staffa, evitare frequenti smontaggio e rimozione del sistema di luce di coltivazione e ridurre l'intensità del lavoro dei dipendenti, migliorando così efficacemente l'efficienza del lavoro.

Idee di progettazione del tipico sistema di luce di coltivazione
Non è difficile da vedere dal design del dispositivo supplementare dell'illuminazione mobile che la progettazione del sistema di illuminazione supplementare della fabbrica di piante di solito assume l'intensità della luce, la qualità della luce e i parametri del fotoperiodo dei diversi periodi di crescita delle colture come contenuto principale del design , basandosi sul sistema di controllo intelligente per implementare, raggiungendo l'obiettivo finale del risparmio energetico e dell'alto rendimento.

Allo stato attuale, la progettazione e la costruzione di luce supplementare per verdure a foglia è gradualmente maturata. Ad esempio, le verdure a foglia possono essere divise in quattro fasi: fase della piantina, crescita a metà crescita, crescita tardiva e fase finale; I vegetabili di frutta possono essere divisi in fase di piantine, fase di crescita vegetativa, fase di fioritura e fase di raccolta. Dagli attributi dell'intensità della luce supplementare, l'intensità della luce nello stadio della piantina dovrebbe essere leggermente inferiore, a 60 ~ 200 μmol/(m² · s) e quindi aumentare gradualmente. Le verdure a foglia possono raggiungere fino a 100 ~ 200 μmol/(m² · s) e le verdure di frutta possono raggiungere 300 ~ 500 μmol/(m² · s) per garantire i requisiti di intensità della luce della fotosintesi delle piante in ogni periodo di crescita e soddisfare le esigenze delle esigenze alta resa; 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 della piantina, il rapporto tra rosso e blu è generalmente impostato a un livello basso [(1 ~ 2): 1], e quindi gradualmente ridotto per soddisfare le esigenze delle piante vegetali Morfologia leggera. Il rapporto tra rosso e blu e verdure a foglia può essere impostato su (3 ~ 6): 1. Per il fotoperiodo, simile all'intensità della luce, dovrebbe mostrare una tendenza ad aumentare con l'estensione del periodo di crescita, in modo che le verdure a foglia abbiano più tempo fotosintetico per la fotosintesi. Il design del supplemento leggero di frutta e verdura sarà più complicato. Oltre alle leggi di base sopra menzionate, dovremmo concentrarci sull'impostazione del fotoperiodo durante il periodo di fioritura e la fioritura e la fruttificazione delle verdure devono essere promosse, in modo da non fallire.

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

Oltre a ottimizzare l'integrazione di luce per le colture selezionate, il sistema di controllo della fonte di luce di alcune fabbriche di piante di luce artificiale si è sviluppato rapidamente negli ultimi anni. Questo sistema di controllo si basa generalmente 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 sono realizzati attraverso il WiFi e allo stesso tempo viene realizzato un metodo di produzione che non è limitato da condizioni esterne. Questo tipo di sistema di luce supplementare intelligente utilizza la luce di coltivazione a LED come sorgente di luce supplementare, combinata con un sistema di controllo intelligente remoto, può soddisfare le esigenze dell'illuminazione della lunghezza d'onda delle piante, è particolarmente adatto per l'ambiente di coltivazione delle piante controllata dalla luce e può soddisfare la domanda di mercato .

Osservazioni conclusive
Le fabbriche vegetali sono considerate un modo importante per risolvere le risorse mondiali, la popolazione e i problemi ambientali nel 21 ° secolo e un modo importante per raggiungere l'autosufficienza alimentare nei futuri progetti ad alta tecnologia. Come nuovo tipo di metodo di produzione agricola, le fabbriche vegetali sono ancora nella fase di apprendimento e crescita e sono necessarie più attenzione e ricerca. Questo articolo descrive le caratteristiche e i vantaggi dei metodi di illuminazione supplementari comuni nelle fabbriche di piante e introduce le idee di progettazione dei tipici sistemi di illuminazione supplementare delle colture. Non è difficile da trovare attraverso il confronto, al fine di far fronte alla scarsa luce causata da un clima grave come il nuvoloso e la foschia continuo e garantire un'alta produzione e stabile di colture di strutture, le attrezzature per la sorgente di luce della coltivazione a LED sono maggiormente in linea con lo sviluppo attuale Tendenze.

La direzione futura di sviluppo delle fabbriche vegetali dovrebbe concentrarsi su nuovi sensori ad alta precisione, a basso costo, sistemi di dispositivi di illuminazione a spettro regolabili e regolabili a distanza e sistemi di controllo esperti. Allo stesso tempo, le future fabbriche vegetali continueranno a svilupparsi verso a basso costo, intelligenti e autoadattivi. L'uso e la divulgazione delle fonti di luce coltivazione a LED forniscono garanzia per il controllo ambientale ad alta precisione delle fabbriche vegetali. La regolazione dell'ambiente di luce a LED è un processo complesso che coinvolge una regolazione completa della qualità della luce, dell'intensità della luce e del fotoperiodo. Esperti e studiosi pertinenti devono condurre ricerche approfondite, promuovendo l'illuminazione supplementare a LED in fabbriche di piante di luce artificiale.