Autor: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu jne. Allikameedia ： Põllumajandustehnoloogia (kasvuhoone aiandus)

Tehasevabrik ühendab kaasaegse tööstuse, biotehnoloogia, toitainete hüdropoonika ja infotehnoloogia, et rakendada rajatise keskkonnategurite ülemäärast kontrolli. See on täielikult suletud, ümbritseva keskkonna jaoks madalad nõuded, lühendab taimede saagiperioodi, säästab vett ja väetist ning pestitsiidide tootmise eelistega ja jäätmete tühjenemise eelistega on üksuse maakasutuse tõhusus sellest 40–108 korda sellest Avatud põllutootmise tootmine. Nende hulgas mängivad intelligentsel kunstliku valgusallika ja selle kerge keskkonnaregulatsiooni selle tootmise tõhususes otsustavat rolli.

Olulise füüsilise keskkonnategurina mängib valgus võtmerolli taimede kasvu ja materjali ainevahetuse reguleerimisel. „Taimede tehase üks peamisi omadusi on täielik kunstlik valgusallikas ja valguse keskkonna aruka reguleerimise realiseerimine” on muutunud tööstuses üldiseks konsensuseks.

Taimede valgusvajadus

Valgus on taimede fotosünteesi ainus energiaallikas. Valguse intensiivsus, valguse kvaliteet (spekter) ja perioodilised valguse muutused mõjutavad põhjalikult põllukultuuride kasvu ja arengut, mille hulgas on valguse intensiivsus taimede fotosünteesile kõige suurem.

■ Valguse intensiivsus

Valguse intensiivsus võib muuta selliste põllukultuuride morfoloogiat, nagu õitsemine, sisepikkus, varre paksus ning lehe suurus ja paksus. Valguse intensiivsuse taimede nõudeid saab jagada valgust armastavateks, keskmise valgusega armastavateks ja hämaras talutavateks taimedeks. Köögiviljad on enamasti kerged taimed ning nende kergete kompensatsioonipunktid ja valguse küllastuspunktid on suhteliselt kõrged. Kunstlikes valguse tehastes on kunstlike valgusallikate valimisel oluline alus põllukultuuride asjakohased nõuded. Kunstlike valgusallikate kujundamisel on oluline mõista erinevate taimede valgusevajadusi, see on äärmiselt vajalik süsteemi tootmisvõimsuse parandamiseks.

■ Valguskvaliteet

Valguse kvaliteedi (spektri) jaotusel on oluline mõju ka taimede fotosünteesile ja morfogeneesile (joonis 1). Valgus on osa kiirgusest ja kiirgus on elektromagnetiline laine. Elektromagnetilistel lainetel on laineomadused ja kvant (osakesed) omadused. Valguse kvantiks nimetatakse aiandusväljal footoniks. Kiirgust lainepikkusega vahemikus 300 ~ 800nm ​​nimetatakse taimede füsioloogiliselt aktiivseks kiirguseks; ja kiirgust lainepikkusega vahemikus 400 ~ 700 nm nimetatakse taimede fotosünteetiliselt aktiivseks kiirguseks (PAR).

Klorofüll ja karoteenid on taimede fotosünteesi kaks kõige olulisemat pigmenti. Joonis 2 näitab iga fotosünteesi pigmendi spektri neeldumisspektrit, milles klorofülli neeldumisspekter on kontsentreeritud punastesse ja sinistesse ribadesse. Valgustussüsteem põhineb põllukultuuride spektrilistel vajadustel valguse kunstlikuks täiendamiseks, et edendada taimede fotosünteesi.

■ fotoperiod
Taimede fotosünteesi ja fotomorfogeneesi suhet ja päevapikkust (või fotoperioodi aega) nimetatakse taimede fotoperioodiks. Fotoperioodilisus on tihedalt seotud valgustundidega, mis viitab saagi valguse kiiritamisele. Erinevad põllukultuurid vajavad fotoperioodi õitsemiseks ja puuviljade täitmiseks teatud arvu valgustunde. Erinevate fotoperioodide kohaselt saab selle jagada pikapäevase põllukultuuride, näiteks kapsa jne, mis nõuavad selle kasvu teatud etapis rohkem kui 12-14h valgustunde; Lühikesed põllukultuurid, näiteks sibul, sojaoad jne, vajavad vähem kui 12–14h valgustustundi; Keskmise pikkusega põllukultuurid, näiteks kurgid, tomatid, paprikad jne, võivad puuvilju õitseda ja kanda pikema või lühema päikesevalguse all.
Keskkonna kolme elemendi hulgas on valguse intensiivsus kunstlike valgusallikate valimisel oluline alus. Praegu on valguse intensiivsuse väljendamiseks palju võimalusi, sealhulgas peamiselt järgmised kolm.
（1） Valgustus viitab valgustatud tasapinnal (LX) saadud helendava voo (helendav voog pindala kohta) pinnatihedusele.

（2 Ϫ

（3） Fotosünteetiliselt efektiivne footoni voo tihedus PPFD või PPF on fotosünteetiliselt efektiivse kiirguse arv, mis ulatub või läbib ühiku ja ühikuala, ühik ： μmol/(m² · s) viitab valguse intensiivsusele 400 ~ 700 nmm otseselt seotud fotosünteesiga. See on ka kõige sagedamini kasutatav valguse intensiivsuse indikaator taimede tootmise valdkonnas.

Tüüpilise täiendava valguse süsteemi valgusallika analüüs
Kunstlik valguse toidulisand on suurendada sihtpiirkonnas valguse intensiivsust või pikendada valgusaega, paigaldades toidulisandi valguse süsteemi, et täita taimede valgust. Üldiselt hõlmab täiendav valguse süsteem täiendavaid valguseadmeid, vooluahelaid ja selle juhtimissüsteemi. Täiendavad valgusallikad hõlmavad peamiselt mitmeid tavalisi tüüpe, näiteks hõõglambid, fluorestsentslambid, metallhalogeniidlambid, kõrgsurve naatriumlambid ja LED-id. Hõõglampide, madala fotosünteetilise energiatõhususe ja muude puuduste madala elektrilise ja optilise efektiivsuse tõttu on see turg kõrvaldatud, nii et see artikkel ei tee üksikasjalikku analüüsi.

■ Fluorestsentslamp
Fluorestsentslambid kuuluvad madalrõhu gaasi tühjendustungide tüübisse. Klaasitoru on täidetud elavhõbedaauru või inertse gaasiga ja toru sisesein on kaetud fluorestsentspulbriga. Hele värv varieerub kui torus kaetud fluorestsentsmaterjal. Fluorestsentslampidel on hea spektri jõudlus, kõrge helendav efektiivsus, vähe võimsust, pikemat eluiga (12000H) võrreldes hõõglampidega ja suhteliselt madalad kulud. Kuna fluorestsentslamp ise kiirgab vähem soojust, võib see olla valgustuse jaoks taimedele lähedal ja sobib kolmemõõtmeliseks kasvatamiseks. Fluorestsentslambi spektri paigutus on aga mõistlik. Kõige tavalisem meetod maailmas on lisada helkurid, et maksimeerida kultiveerimispiirkonna põllukultuuride tõhusaid valgusallika komponente. Jaapani ADV-AGRI ettevõte on välja töötanud ka uut tüüpi täiendava valgusallika HEFL. HEFL kuulub tegelikult fluorestsentslampide kategooriasse. See on külma katoodi fluorestsentslampide (CCFL) ja väliste elektroodide fluorestsentslampide (EEFL) üldine mõiste ning on segatud elektroodi fluorestsentslamp. HEFL -toru on äärmiselt õhuke, läbimõõduga ainult umbes 4 mm ja pikkust saab vastavalt kasvatamisvajadustele reguleerida 450 mm kuni 1200 mm. See on tavapärase fluorestsentslambi täiustatud versioon.

■ Metallist halogeniidlamp
Metallhalogeniidlamp on kõrge intensiivsusega tühjenduslamp, mis võib erutada erinevaid elemente erinevate lainepikkuste saamiseks, lisades erinevaid metallhalogeniid (tina bromiid, naatriumajodiid jne) väljalasketorusse kõrgsurve elavhõbeda lambi alusel. Halogeeni lampidel on kõrge helendav efektiivsus, suur võimsus, hea helevärv, pikk eluiga ja suur spekter. Kuna helendav efektiivsus on madalam kui kõrgsurve naatriumlampide omadel ja eluaeg on lühem kui kõrgsurve naatriumlampide oma, kasutatakse seda praegu ainult vähestes taimedehastes.

■ Kõrgsurve naatriumlamp
Kõrgsurvega naatriumlambid kuuluvad kõrgsurvega gaasi tühjenduslampide tüübi. Kõrgsurve naatriumlamp on kõrgtõhusa lamp, milles kõrgsurve naatriumiaurul täidetakse tühjenduskuurus ning lisatakse väike kogus ksenooni (XE) ja elavhõbemetalli halogeniid. Kuna kõrgsurve naatriumlampidel on kõrge elektro-optilise muundamise efektiivsus koos madalamate tootmiskuludega, on kõrgsurve naatriumlambid praegu kõige laialdasemalt kasutatud täiendava valguse kasutamisel põllumajandusruumides. Spektri madala fotosünteetilise efektiivsuse puuduste tõttu on neil siiski vähe energiatõhusust. Teisest küljest on kõrgsurve naatriumlampide kiirgavad spektraalkomponendid koondunud peamiselt kolla-oranži heledasse riba, millel puuduvad taimede kasvuks vajalikud punased ja sinised spektrid.

■ Valguse kiirgav diood
Uue põlvkonna valgusallikatena on valgust kiirgavatel dioodidel (LED-idel) palju eeliseid, näiteks suurem elektro-optilise muundamise efektiivsus, reguleeritav spekter ja kõrge fotosünteesi efektiivsus. LED võib väljastada taimede kasvuks vajalikku monokromaatilist valgust. Võrreldes tavaliste fluorestsentslampide ja muude täiendavate valgusallikatega, on LED -i eelised energiasäästmise, keskkonnakaitse, pika eluea, monokromaatilise valguse, külma valgusallika ja nii edasi. LED-ide elektro-optilise efektiivsuse edasise paranemisega ja skaala efekti põhjustatud kulude vähendamisega saavad LED-i kasvu valgustussüsteemid põllumajandusruumides valguse täiendamiseks tavaseadmeks. Selle tulemusel on LED -kasvutulesid kantud üle 99,9% taimevabriku.

Võrdluse kaudu saab selgelt mõista erinevate täiendavate valgusallikate omadusi, nagu on näidatud tabelis 1.

Mobiilse valgustuse seade
Valguse intensiivsus on tihedalt seotud põllukultuuride kasvuga. Kolmemõõtmelist kasvatamist kasutatakse sageli taimede tehastes. Kultiveerimisraamide struktuuri piiramise tõttu mõjutab valguse ja temperatuuri ebaühtlane jaotus põllukultuuride saagist ja koristusperiood ei sünkroniseerita. Pekingi ettevõte on 2010. aastal edukalt välja töötanud käsitsi tõstevalgustulisandite seadme (HPS valgustusvalgustuse ja LED -i kasvatamise valgustusand Traadiroie tagasitõmbamise ja lahtiütlemise eesmärgi saavutamiseks. Kasvavalguse traadiross on lifti mähiserattaga ühendatud läbi mitmete tagurdavate rataste komplekti, et saavutada kasvu valguse kõrguse reguleerimise mõju. 2017. aastal kavandas ülalnimetatud ettevõte ja töötas välja uue mobiilse valguse toidulisandi seadme, mis saab valguse toidulisandi kõrgust reaalajas automaatselt reguleerida vastavalt põllukultuuride kasvuvajadustele. Reguleerimisseade on nüüd paigaldatud kolmekihilisse valgusallika tõstmise tüüpi kolmemõõtmelise kultiveerimisraami juurde. Seadme ülemine kiht on parima valguseisundiga tase, nii et see on varustatud kõrgsurvega naatriumlampidega; Keskmine kiht ja alumine kiht on varustatud LED -i kasvutuledega ja tõstmise reguleerimissüsteemiga. See saab automaatselt reguleerida kasvava valguse kõrgust, et saada põllukultuuridele sobiv valgustuskeskkond.

Võrreldes kolmemõõtmeliseks kasvatamiseks kohandatud mobiilse toidulisandi seadmega, on Holland välja töötanud horisontaalselt liikuva LED-i kasvatamise kerge toidulisandi. Et vältida kasvava valguse mõju taimede kasvule päikese käes, saab kasvuvalgussüsteemi sulgude mõlemale küljele liikuda horisontaalses suunas, nii et päike on täielikult Taimedele kiiritatud; Päikesevalguseta pilves ja vihmastel päevadel lükake kasvuvalgussüsteem sulgude keskele, et kasvava valguse süsteemi valgust täidaks taimi ühtlaselt; Liigutage kasvuvalgussüsteemi horisontaalselt läbi sulguri slaidi, vältige sagedast lahtivõtmist ja kasvuvalgussüsteemi eemaldamist ning vähendage töötajate tööjõu intensiivsust, parandades sellega tõhusalt töö tõhusust.

Tüüpilise kasvuvalgussüsteemi kujundamise ideed
Mobiilse valgustuse lisaseadme kujundusest pole keeruline näha, et taimevabriku lisavalgustussüsteemi kujundamine võtab tavaliselt erinevate põllukultuuride kasvuperioodide valguse intensiivsuse, valguse kvaliteedi ja fotoperioodi parameetrid , tuginedes rakendamisel intelligentsele juhtimissüsteemile, saavutades energiasäästu ja suure saagise lõppeesmärgi.

Praegu on lehtköögiviljade täiendava valguse konstruktsioon ja ehitamine järk -järgult küpsenud. Näiteks võib lehtköögiviljad jagada neljaks etapiks: seemikute etapp, keskel kasvav, hiliskasv ja lõpp-etapp; Puuviljatabeleid võib jagada seemikute staadiumiks, vegetatiivseks kasvufaasis, õitsemise staadiumis ja koristamise etapis. Täiendava valguse intensiivsuse atribuutide põhjal peaks seemikute staadiumis valguse intensiivsus olema pisut madalam, 60 ~ 200 μmol/(m² · s) ja seejärel järk -järgult suurenema. Lehtköögiviljad võivad jõuda kuni 100 ~ 200 μmol/(m² · s) ja puuviljaköögiviljad võivad ulatuda 300 ~ 500 μmol/(m² · s), et tagada taimede fotosünteesi valguse intensiivsuse nõuded igal kasvuperioodil ja vastaks kõrge saak; Valguse kvaliteedi osas on punase ja sinise suhe väga oluline. Seemikute kvaliteedi suurendamiseks ja seemikute etapi liigse kasvu vältimiseks seatakse punase ja sinise suhe tavaliselt madalal tasemel [(1 ~ 2): 1] ja seejärel vähendatakse järk -järgult taime vajaduste rahuldamiseks kerge morfoloogia. Punase ja sinise ja lehtköögivilja suhte saab seada väärtusele (3 ~ 6): 1. Fotoperioodi jaoks, sarnaselt valguse intensiivsusega, peaks see näitama kasvuperioodi pikendamise suundumust, nii et lehtköögiviljadel oleks fotosünteesi jaoks rohkem fotosünteetilist aega. Puu- ja köögiviljade kerge toidulisand on keerulisem. Lisaks ülalnimetatud põhiseadustele peaksime keskenduma ka fotoperioodi seadistamisele õitsemisperioodil ning köögiviljade õitsemist ja viljastamist tuleb reklaamida, et mitte tagasi lükata.

Väärib märkimist, et kerge valem peaks sisaldama kerge keskkonna sätete lõppravi. Näiteks võib pidev valguse lisamine märkimisväärselt parandada hüdropooniliste lehtköögiviljade seemikute saaki ja kvaliteeti või kasutada UV -töötlemist võrsete ja lehtköögiviljade (eriti lillade lehtede ja punase lehtede salati) toitekvaliteedi parandamiseks.

Lisaks valitud põllukultuuride valguse lisamise optimeerimisele on viimastel aastatel kiiresti arenenud ka mõne kunstliku valguse taimse tehase valgusallika juhtimissüsteem. See juhtimissüsteem põhineb tavaliselt B/S struktuuril. Keskkonnategurite kaugjuhtimine ja automaatne kontroll, nagu temperatuur, niiskus, valguse ja süsinikdioksiidi kontsentratsioon põllukultuuride kasvu ajal, realiseeritakse WiFi kaudu ja samal ajal realiseeritakse tootmismeetod, mida välised tingimused ei piira. Selline intelligentne täiendav valgusesüsteem kasutab LED-i kasvatamisvalgustit täiendava valgusallikana koos kauge intelligentse juhtimissüsteemiga, mis võib vastata taimelainepikkuse valgustuse vajadustele, sobib eriti valguse kontrollitava taime kasvatamiskeskkonna jaoks ja suudab hästi täita turunõudluse nõudlust .

Kokkuvõtvad märkused
Taimede tehaseid peetakse oluliseks viisiks 21. sajandil maailma ressursside, rahvastiku- ja keskkonnaprobleemide lahendamiseks ning oluliseks viisiks tulevastes kõrgtehnoloogilistes projektides toidu iseseisvuse saavutamiseks. Uut tüüpi põllumajandustootmise meetodina on taimevabrikud endiselt õppimis- ja kasvufaasis ning vaja on rohkem tähelepanu ja uurimistööd. Selles artiklis kirjeldatakse taimede tehastes ühiste täiendavate valgustusmeetodite omadusi ja eeliseid ning tutvustab tüüpiliste saagi täiendavate valgustussüsteemide kujundusideesid. Võrdluse kaudu pole seda keeruline leida, et toime tulla raskete ilmade põhjustatud hämaras, näiteks pidev hägune ja udune ning tagada rajatiste põllukultuuride kõrge ja stabiilne tootmine Trendid.

Taimede tehaste tulevane arendussuund peaks keskenduma uutele ülialadele, odavatele anduritele, kaugjuhitatavatele, reguleeritavale spektri valgustusseadme süsteemidele ja ekspertide juhtimissüsteemidele. Samal ajal arenevad tulevased taimevabrikud jätkuvalt odavate, intelligentsete ja ise kohanemise poole. LED-kasvavate valgusallikate kasutamine ja populariseerimine annab garantii taimede tehaste ülitäpseks keskkonnakontrollile. LED -valguse keskkonna reguleerimine on keeruline protsess, mis hõlmab valguse kvaliteedi, valguse intensiivsuse ja fotoperioodi põhjalikku reguleerimist. Asjakohased eksperdid ja teadlased peavad läbi viima põhjalikke uuringuid, edendades kunstlike valguse tehaste vabrikuid LED-i täiendavat valgustust.