Autore: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu, ecc.Source 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 bassi requisiti per l'ambiente circostante, accorcia il periodo di raccolta delle piante, risparmia acqua e fertilizzanti e con i vantaggi della produzione senza pesticidi e senza scarico dei rifiuti, l'efficienza dell'uso del suolo dell'unità è da 40 a 108 volte quella della produzione in pieno campo.Tra questi, la sorgente di luce artificiale intelligente e la sua regolazione dell'ambiente luminoso giocano un ruolo decisivo nella sua efficienza produttiva.

In quanto importante fattore ambientale fisico, la luce svolge un ruolo chiave nella regolazione della crescita delle piante e del metabolismo dei materiali."Una delle caratteristiche principali della fabbrica di piante è la piena fonte di luce artificiale e la realizzazione di una regolazione intelligente dell'ambiente luminoso" 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 di luce hanno un profondo impatto sulla crescita e lo sviluppo delle colture, tra cui l'intensità della luce ha il maggiore impatto sulla fotosintesi delle piante.

■ Intensità luminosa

L'intensità della luce può modificare la morfologia delle colture, come la fioritura, la lunghezza degli internodi, lo spessore del fusto, 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 poca luce.Le verdure sono per lo più piante amanti della luce e i loro punti di compensazione della luce e punti di saturazione della luce sono relativamente alti.Nelle fabbriche di piante di luce artificiale, i requisiti pertinenti delle colture per l'intensità della luce sono una base importante per la selezione delle sorgenti di luce artificiale.Comprendere i requisiti di luce dei diversi impianti è importante per la progettazione di sorgenti di luce artificiale, 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 (di particelle).Il quanto di luce è chiamato fotone nel campo dell'orticoltura.La radiazione con una gamma di lunghezze d'onda di 300~800nm ​​è chiamata radiazione fisiologicamente attiva delle piante;e la radiazione con una gamma di lunghezze d'onda di 400 ~ 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 rossa e blu.Il sistema di illuminazione si basa sulle esigenze spettrali delle colture per integrare artificialmente la luce, in modo da favorire la fotosintesi delle piante.

■ fotoperiodo
La relazione tra la fotosintesi e la fotomorfogenesi delle piante e la durata del giorno (o tempo del fotoperiodo) è chiamata fotoperiodità delle piante.La fotoperiodità è strettamente correlata 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 dare frutti.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 di 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 selezione delle fonti di luce artificiale.Al momento, ci sono molti modi per esprimere l'intensità della luce, inclusi principalmente i seguenti tre.
(1) L'illuminazione si riferisce alla densità superficiale del flusso luminoso (flusso luminoso per area unitaria) 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'area dell'unità, unità：μmol/(m²·s)。Si riferisce principalmente all'intensità della luce di 400~700nm 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
Il supplemento di luce artificiale serve ad aumentare l'intensità della luce nell'area target o prolungare il tempo di illuminazione installando un sistema di illuminazione supplementare per soddisfare la domanda di luce delle piante.In generale, il sistema di illuminazione supplementare comprende apparecchiature di illuminazione supplementari, circuiti e il relativo sistema di controllo.Le sorgenti luminose supplementari includono principalmente diversi tipi comuni come lampade ad 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 altre carenze, è stata eliminata dal mercato, quindi questo articolo non effettua 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 hanno buone prestazioni spettrali, elevata efficienza luminosa, bassa potenza, maggiore durata (12000 ore) rispetto alle lampade a incandescenza e costo relativamente basso.Poiché la lampada fluorescente stessa emette meno calore, può essere vicina alle piante per l'illuminazione ed è adatta per la coltivazione tridimensionale.Tuttavia, la disposizione spettrale della lampada fluorescente è irragionevole.Il metodo più comune al mondo consiste nell'aggiungere riflettori per massimizzare i componenti effettivi 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.HEFL appartiene in realtà alla categoria delle lampade fluorescenti.È il termine generale per lampade fluorescenti a catodo freddo (CCFL) e lampade fluorescenti a elettrodi esterni (EEFL) ed è una lampada fluorescente a elettrodi misti.Il tubo HEFL è estremamente sottile, con un diametro di soli 4mm circa, e la lunghezza può essere regolata da 450mm a 1200mm in base alle esigenze di coltivazione.È una versione migliorata della lampada fluorescente convenzionale.

■ Lampada a ioduri 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, un'elevata potenza, un buon colore della luce, una lunga durata e un 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 stabilimenti.

■ 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 il vapore di sodio ad alta pressione viene riempito nel tubo di scarica e viene aggiunta una piccola quantità di xeno (Xe) e alogenuro di mercurio metallico.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 nelle strutture agricole.Tuttavia, a causa delle carenze della bassa efficienza fotosintetica nel loro spettro, hanno le carenze della bassa efficienza energetica.Le componenti spettrali emesse dalle lampade al sodio ad alta pressione, invece, si concentrano principalmente nella fascia luminosa giallo-arancio, che manca degli spettri rosso e blu necessari per la crescita delle piante.

■ Diodo ad emissione luminosa
Come nuova generazione di sorgenti luminose, i diodi a emissione di luce (LED) presentano molti vantaggi come una maggiore efficienza di conversione elettro-ottica, spettro regolabile ed 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 coltivazione a LED diventeranno l'attrezzatura principale 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, le caratteristiche delle diverse sorgenti luminose supplementari 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 viene spesso utilizzata nelle fabbriche di piante.Tuttavia, a causa della struttura limitata delle rastrelliere di coltivazione, la distribuzione non uniforme di luce e temperatura tra le rastrelliere influirà sulla resa delle colture e il periodo di raccolta non sarà sincronizzato.Una società di Pechino ha sviluppato con successo un dispositivo di integrazione della luce di sollevamento manuale (apparecchio di illuminazione HPS e apparecchio di illuminazione a LED) nel 2010. Il principio è ruotare l'albero di trasmissione e l'avvolgitore fissato su di esso agitando la maniglia per ruotare la piccola bobina del film 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 attraverso più serie di ruote di inversione, in modo da ottenere l'effetto di regolare l'altezza della luce di crescita.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 del raccolto.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 dell'apparecchio è il livello con la migliore condizione di luce, quindi è dotato di lampade al sodio ad alta pressione;lo strato intermedio e lo strato 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 crescita per fornire un ambiente di illuminazione adeguato per le colture.

Rispetto al dispositivo di integrazione della luce mobile su misura per la coltivazione tridimensionale, i Paesi Bassi hanno sviluppato un dispositivo di illuminazione supplementare a LED mobile orizzontalmente.Per evitare l'influenza dell'ombra della luce crescente sulla crescita delle piante al sole, il sistema di luce crescente 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;nei giorni nuvolosi e piovosi senza luce solare, spingere il sistema di illuminazione crescente al centro della staffa per fare in modo che la luce del sistema di illuminazione crescente riempia uniformemente le piante;spostare il sistema di luce crescente orizzontalmente attraverso la slitta sulla staffa, evitare frequenti smontaggi e rimozioni del sistema di luce crescente e ridurre l'intensità del lavoro dei dipendenti, migliorando così efficacemente l'efficienza del lavoro.

Idee di design del tipico sistema di illuminazione crescente
Non è difficile vedere dal design del dispositivo mobile di illuminazione supplementare che il design del sistema di illuminazione supplementare della fabbrica di piante di solito prende l'intensità della luce, la qualità della luce e i parametri del fotoperiodo di diversi periodi di crescita del raccolto come contenuto principale del design , affidandosi al sistema di controllo intelligente da implementare, raggiungendo l'obiettivo finale del risparmio energetico e dell'alto rendimento.

Allo stato attuale, la progettazione e la realizzazione di lampade supplementari per ortaggi in foglia è progressivamente maturata.Ad esempio, le verdure a foglia possono essere suddivise in quattro fasi: fase di piantina, crescita media, crescita tardiva e fase finale;i frutti-ortaggi possono essere suddivisi in fase di piantina, fase di crescita vegetativa, fase di fioritura e fase di raccolta.Dagli attributi dell'intensità della luce supplementare, l'intensità della luce nella fase della piantina dovrebbe essere leggermente inferiore, a 60~200 μmol/(m²·s), e quindi aumentare gradualmente.Gli ortaggi a foglia possono raggiungere fino a 100~200 μmol/(m²·s) e gli ortaggi 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 ad 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 della 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 il rosso, il blu e le verdure in foglia può essere impostato su (3~6):1.Per il fotoperiodo, simile all'intensità della luce, dovrebbe mostrare una tendenza all'aumento con l'estensione del periodo di crescita, in modo che le verdure a foglia abbiano più tempo fotosintetico per la fotosintesi.Il design degli integratori leggeri di frutta e verdura sarà più complicato.Oltre alle suddette leggi di base, dovremmo concentrarci sull'impostazione del fotoperiodo durante il periodo di fioritura e promuovere 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 di luce continua 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 foglia rossa).

Oltre a ottimizzare l'integrazione della luce per colture selezionate, negli ultimi anni si è sviluppato rapidamente anche il sistema di controllo della sorgente luminosa di alcune fabbriche di piante a luce 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 WIFI e, allo stesso tempo, viene realizzato un metodo di produzione non limitato dalle condizioni esterne.Questo tipo di sistema di illuminazione supplementare intelligente utilizza un apparecchio di illuminazione a LED come fonte di luce supplementare, combinato con un sistema di controllo intelligente remoto, in grado di soddisfare le esigenze dell'illuminazione della lunghezza d'onda delle piante, è particolarmente adatto per l'ambiente di coltivazione delle piante a luce controllata e può soddisfare la domanda del mercato .

Osservazioni conclusive
Le fabbriche di piante 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 ad alta tecnologia.Come nuovo tipo di metodo di produzione agricola, le fabbriche di piante sono ancora in fase di apprendimento e crescita e sono necessarie maggiore attenzione e ricerca.Questo articolo descrive le caratteristiche ei vantaggi dei comuni metodi di illuminazione supplementare nelle fabbriche di piante e introduce le idee progettuali dei tipici sistemi di illuminazione supplementare delle colture.Non è difficile da trovare attraverso il confronto, al fine di 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 per impianti, l'attrezzatura per sorgenti luminose a LED Grow è più in linea con lo sviluppo attuale tendenze.

La futura direzione di sviluppo delle fabbriche di piante dovrebbe concentrarsi su nuovi sensori ad alta precisione ea basso costo, sistemi di dispositivi di illuminazione a spettro regolabile controllabili a distanza e sistemi di controllo esperti.Allo stesso tempo, le future fabbriche di piante continueranno a svilupparsi verso un basso costo, intelligente e autoadattativo.L'uso e la divulgazione delle sorgenti luminose di coltivazione a LED garantiscono un controllo ambientale di alta precisione delle fabbriche di piante.La regolazione dell'ambiente luminoso a LED è un processo complesso che comporta 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 nelle fabbriche di impianti di luce artificiale.