Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu jne.Allikameedia: Põllumajandustehnika (kasvuhooneaiandus)

Taimetehas ühendab kaasaegse tööstuse, biotehnoloogia, toitainete hüdropoonika ja infotehnoloogia, et rakendada rajatises ülitäpset keskkonnategurite kontrolli.See on täielikult suletud, nõuded ümbritsevale keskkonnale on madalad, lühendab taimede koristusperioodi, säästab vett ja väetist ning tänu pestitsiidideta tootmise ja jäätmete ärajuhtimise eelistele on maakasutuse ühiku efektiivsus 40-108 korda suurem. avamaal tootmisest.Nende hulgas on intelligentsel tehisvalgusallikal ja selle valguskeskkonna reguleerimisel otsustav roll selle tootmise efektiivsuses.

Olulise füüsikalise keskkonnategurina mängib valgus võtmerolli taimede kasvu ja materjali metabolismi reguleerimisel."Tehasetehase üks põhiomadusi on täielik kunstlik valgusallikas ja valguskeskkonna intelligentse reguleerimise realiseerimine" on saanud tööstuses üldiseks üksmeeleks.

Taimede vajadus valguse järele

Valgus on taimede fotosünteesi ainus energiaallikas.Valguse intensiivsus, valguskvaliteet (spekter) ja perioodilised valguse muutused avaldavad sügavat mõju põllukultuuride kasvule ja arengule, millest kõige enam avaldab valguse intensiivsus taimede fotosünteesi.

■ Valguse intensiivsus

Valguse intensiivsus võib muuta põllukultuuride morfoloogiat, näiteks õitsemist, sõlmedevahelist pikkust, varre paksust ning lehtede suurust ja paksust.Taimede nõuded valgustugevusele võib jagada valguslembelisteks, keskvalguslembelisteks ja vähevalgustaluvateks taimedeks.Köögiviljad on enamasti valguslembesed taimed ning nende valguse kompensatsioonipunktid ja valgusküllastuspunktid on suhteliselt kõrged.Tehisvalgustaimede tehastes on kunstlike valgusallikate valikul oluliseks aluseks kultuuridele esitatavad vastavad nõuded valguse intensiivsusele.Kunstlike valgusallikate projekteerimisel on oluline mõista erinevate taimede valgusvajadust, On äärmiselt vajalik parandada süsteemi tootmisnäitajaid.

■ Valguskvaliteet

Valguse kvaliteedi (spektraalne) jaotus mõjutab oluliselt ka taimede fotosünteesi ja morfogeneesi (joonis 1).Valgus on osa kiirgusest ja kiirgus on elektromagnetlaine.Elektromagnetlainetel on laineomadused ja kvant (osakeste) omadused.Aianduses nimetatakse valguse kvanti footoniks.Kiirgust lainepikkuste vahemikuga 300–800 nm nimetatakse füsioloogiliselt aktiivseks taimede kiirguseks;ja kiirgust lainepikkuste vahemikuga 400–700 nm nimetatakse taimede fotosünteetiliselt aktiivseks kiirguseks (PAR).

Klorofüll ja karoteenid on taimede fotosünteesi kaks kõige olulisemat pigmenti.Joonisel 2 on näidatud iga fotosünteetilise pigmendi spektraalne neeldumisspekter, milles klorofülli absorptsioonispekter on koondunud punasesse ja sinisesse riba.Valgustussüsteem põhineb põllukultuuride spektraalsetel vajadustel valgust kunstlikult täiendada, et soodustada taimede fotosünteesi.

■ fotoperiood
Taimede fotosünteesi ja fotomorfogeneesi seost päeva pikkuse (või fotoperioodi aja) vahel nimetatakse taimede fotoperioodiks.Fotoperiood on tihedalt seotud valgustundidega, mis viitab ajale, mil saak on valgusega kiiritatud.Erinevad põllukultuurid vajavad õitsemiseks ja vilja kandmiseks fotoperioodi lõpuleviimiseks teatud arvu tunde valgust.Erinevate fotoperioodide järgi võib selle jagada pikapäevaviljadeks, nagu kapsas jne, mis vajavad teatud kasvufaasis üle 12-14h valgustunde;lühipäevakultuurid, nagu sibul, sojaoad jne, vajavad vähem kui 12–14 tundi valgustustunde;keskmise päikesega põllukultuurid, nagu kurk, tomat, paprika jne, võivad õitseda ja vilja kanda pikema või lühema päikesevalguse käes.
Kolmest keskkonnaelemendist on kunstlike valgusallikate valikul oluliseks aluseks valgustugevus.Praegu on valguse intensiivsuse väljendamiseks palju võimalusi, sealhulgas järgmised kolm.
(1) Valgustus viitab valgustatud tasapinnal vastuvõetud valgusvoo pinnatihedusele (valgusvoog pindalaühiku kohta) luksides (lx).

(2) Fotosünteetiliselt aktiivne kiirgus, PAR，ühik: W/m².

(3) Fotosünteetiliselt efektiivne footonivoo tihedus PPFD või PPF on fotosünteetiliselt efektiivse kiirguse arv, mis jõuab või läbib ajaühikut ja pindalaühikut, ühik: μmol/(m²·s). Peamiselt viitab valguse intensiivsusele 400–700 nm. otseselt seotud fotosünteesiga.See on ka kõige sagedamini kasutatav valgustugevuse näitaja taimekasvatuse valdkonnas.

Tüüpilise lisavalgustussüsteemi valgusallika analüüs
Kunstliku valgustuse lisand on eesmärgiga suurendada valguse intensiivsust sihtpiirkonnas või pikendada valgustusaega, paigaldades lisavalgustussüsteemi, et rahuldada taimede valgusvajadust.Üldiselt sisaldab lisavalgustussüsteem lisavalgustusseadmeid, ahelaid ja selle juhtimissüsteemi.Täiendavad valgusallikad hõlmavad peamiselt mitut levinud tüüpi, nagu hõõglambid, luminofoorlambid, metallhalogeniidlambid, kõrgsurve-naatriumlambid ja LED-id.Hõõglampide madala elektrilise ja optilise kasuteguri, madala fotosünteetilise energiatõhususe ja muude puuduste tõttu on turg see kõrvaldatud, mistõttu selles artiklis üksikasjalikku analüüsi ei tehta.

■ Luminofoorlamp
Luminofoorlambid kuuluvad madalrõhuga gaaslahenduslampide tüüpi.Klaastoru on täidetud elavhõbeda auru või inertgaasiga ning toru sisesein on kaetud fluorestseeruva pulbriga.Valguse värvus varieerub sõltuvalt toruga kaetud fluorestseeruvast materjalist.Luminofoorlampidel on hea spektraalne jõudlus, kõrge valgustõhusus, väike võimsus, pikem eluiga (12000h) võrreldes hõõglampidega ja suhteliselt madalad kulud.Kuna luminofoorlamp ise eraldab vähem soojust, võib see olla valgustamiseks taimede lähedal ja sobib kolmemõõtmeliseks kasvatamiseks.Luminofoorlambi spektraalne paigutus on aga ebamõistlik.Maailmas levinuim meetod on helkurite lisamine, et maksimeerida põllukultuuride efektiivseid valgusallika komponente kasvatusalal.Jaapani adv-agri ettevõte on välja töötanud ka uut tüüpi täiendava valgusallika HEFL.HEFL kuulub tegelikult luminofoorlampide kategooriasse.See on külmkatoodluminofoorlampide (CCFL) ja väliselektroodiga luminofoorlampide (EEFL) üldnimetus ning see on segaelektroodiga luminofoorlamp.HEFL toru on äärmiselt õhuke, läbimõõduga ainult umbes 4 mm ja pikkust saab vastavalt kasvatamise vajadustele reguleerida vahemikus 450 mm kuni 1200 mm.See on tavapärase luminofoorlambi täiustatud versioon.

■ Metallhalogeniidlamp
Metallhalogeniidlamp on suure intensiivsusega lahenduslamp, mis suudab ergutada erinevaid elemente erinevate lainepikkuste saamiseks, lisades kõrgsurve-elavhõbelambi baasil lahendustorusse erinevaid metallhalogeniide (tinabromiid, naatriumjodiid jne).Halogeenlampidel on kõrge valgusefektiivsus, suur võimsus, hea valgusvärv, pikk kasutusiga ja suur spekter.Kuna aga valgusefektiivsus on madalam kui kõrgsurve-naatriumlampidel ja eluiga lühem kui kõrgsurve-naatriumlampidel, kasutatakse seda praegu vaid mõnes tehasetehases.

■ Kõrgsurve naatriumlamp
Kõrgsurve naatriumlambid kuuluvad kõrgsurvegaaslahenduslampide tüüpi.Kõrgsurve naatriumlamp on suure kasuteguriga lamp, mille väljalasketorusse on täidetud kõrgsurve naatriumaur, millele on lisatud väike kogus ksenooni (Xe) ja elavhõbeda halogeniidi.Kuna kõrgsurve naatriumlampidel on kõrge elektro-optilise muundamise efektiivsus ja madalamad tootmiskulud, kasutatakse kõrgsurve naatriumlampe praegu kõige laialdasemalt põllumajandusrajatiste lisavalgustuse kasutamisel.Kuid nende spektri madala fotosünteesi efektiivsuse puuduste tõttu on neil madala energiatõhususe puudused.Teisest küljest on kõrgsurvenaatriumlampide kiiratavad spektrikomponendid koondunud peamiselt kollakasoranži valgusribale, millel puuduvad taimekasvuks vajalikud punased ja sinised spektrid.

■ Valgusdiood
Uue põlvkonna valgusallikatena on valgusdioodidel (LED) palju eeliseid, nagu kõrgem elektro-optilise muundamise efektiivsus, reguleeritav spekter ja kõrge fotosünteesi efektiivsus.LED võib kiirata taimede kasvuks vajalikku monokromaatilist valgust.Võrreldes tavaliste luminofoorlampide ja muude täiendavate valgusallikatega on LED-il energiasäästu, keskkonnakaitse, pika eluea, monokromaatilise valguse, külma valgusallika ja nii edasi eelised.LED-ide elektrooptilise efektiivsuse edasise paranemise ja mastaabiefektist tingitud kulude vähenemisega muutuvad LED-valgustussüsteemid põllumajandusrajatiste valguse täiendamiseks peamiseks seadmeks.Selle tulemusena on LED-valgustid kasutatud 99,9% taimetehastes.

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

Mobiilne valgustusseade
Valguse intensiivsus on tihedalt seotud põllukultuuride kasvuga.Taimetehastes kasutatakse sageli kolmemõõtmelist kasvatamist.Kuid kultiveerimisriiulite konstruktsiooni piiratuse tõttu mõjutab valguse ja temperatuuri ebaühtlane jaotumine riiulite vahel põllukultuuride saagikust ning koristusperioodi ei sünkroniseerita.Pekingis asuv ettevõte on 2010. aastal edukalt välja töötanud käsitsi tõstva valgustusseadme (HPS-valgusti ja LED-valgusti). Põhimõte on pöörata veovõlli ja sellele kinnitatud kerijat, raputades käepidet, et pöörata väikest filmirulli. et saavutada terastrossi sisse- ja lahtikerimise eesmärk.Kasvuvalgusti tross on ühendatud lifti kerimisrattaga mitme tagurdusrataste komplekti kaudu, et saavutada kasvutule kõrguse reguleerimise efekt.Eelnimetatud ettevõte projekteeris ja arendas 2017. aastal välja uue mobiilse valguse lisaseadme, mis suudab automaatselt reguleerida valguslisandi kõrgust reaalajas vastavalt põllukultuuride kasvuvajadustele.Reguleerimisseade on nüüd paigaldatud 3-kihilisele valgusallika tõstetüüpi kolmemõõtmelisele harimisrestile.Seadme pealmine kiht on parima valgustingimustega tasemel, seega on see varustatud kõrgsurve naatriumlampidega;keskmine kiht ja alumine kiht on varustatud LED kasvuvalgustitega ja tõste reguleerimissüsteemiga.See suudab automaatselt reguleerida kasvuvalguse kõrgust, et luua põllukultuuridele sobiv valguskeskkond.

Võrreldes kolmemõõtmeliseks kasvatamiseks kohandatud mobiilse lisavalgustiga on Holland välja töötanud horisontaalselt liigutatava LED-kasvuvalgusti lisavalgusti.Vältimaks kasvuvalguse varju mõju taimede kasvule päikese käes, saab kasvuvalgusti süsteemi lükata läbi teleskoopliuguri horisontaalsuunas mõlemale poole kronsteini, nii et päike on täielikult väljas. taimedele kiiritatud;pilvistel ja vihmastel päevadel ilma päikesevalguseta lükake kasvuvalgusti süsteem kronsteini keskele, et kasvuvalgustite süsteemi valgus täidaks ühtlaselt taimi;liigutage kasvuvalgustite süsteemi horisontaalselt läbi kronsteini liuguri, vältige kasvuvalgusti süsteemi sagedast lahtivõtmist ja eemaldamist ning vähendage töötajate töömahukust, parandades seeläbi tõhusalt töö efektiivsust.

Tüüpilise kasvuvalgussüsteemi disainiideed
Mobiilse valgustuse lisaseadme konstruktsioonist ei ole raske näha, et tehase lisavalgustussüsteemi projekteerimisel võetakse kujunduse põhisisuks tavaliselt erinevate põllukultuuride kasvuperioodide valgustugevus, valguse kvaliteet ja fotoperioodi parameetrid. , tuginedes juurutamisel intelligentsele juhtimissüsteemile, saavutades lõppeesmärgi – energiasäästu ja suure tootlikkuse.

Praeguseks on lehtköögiviljade lisavalgustite projekteerimine ja ehitamine järk-järgult küpsenud.Näiteks lehtköögiviljad võib jagada nelja etappi: seemikute staadium, keskmise kasvuga, hilise kasvuperiood ja lõppstaadium;puu-köögiviljad võib jagada seemikute faasiks, vegetatiivseks kasvufaasiks, õitsemisetapiks ja koristusfaasiks.Täiendava valguse intensiivsuse atribuutide põhjal peaks valguse intensiivsus seemikute faasis olema veidi madalam, 60–200 μmol/(m²·s), ja seejärel järk-järgult suurenema.Lehtköögiviljad võivad ulatuda kuni 100–200 μmol/(m²·s) ja puuviljadel 300–500 μmol/(m²·s), et tagada taimede fotosünteesi valgustugevuse nõuded igal kasvuperioodil ja rahuldada kõrge saagikus;Valguse kvaliteedi osas on väga oluline punase ja sinise suhe.Seemikute kvaliteedi tõstmiseks ja ülemäärase kasvu vältimiseks seemikute staadiumis seatakse punase ja sinise suhe üldiselt madalale tasemele [(1–2:1]) ja seejärel vähendatakse seda järk-järgult, et see vastaks taime vajadustele. kerge morfoloogia.Punase ja sinise ja lehtköögiviljade vahekorda saab määrata (3–6:1).Fotoperioodi puhul peaks see sarnaselt valguse intensiivsusele näitama kasvuperioodi pikenemisega tõusutendentsi, et lehtköögiviljadel oleks fotosünteesiks rohkem fotosünteesiaega.Puu- ja köögiviljade kerge toidulisandi disain on keerulisem.Lisaks eelpool mainitud põhiseadustele peaksime keskenduma õitsemisperioodi fotoperioodi seadmisele, samuti tuleb propageerida köögiviljade õitsemist ja vilja kandmist, et mitte tagasilööki anda.

Tasub mainida, et valgusvalem peaks sisaldama valguskeskkonna seadete lõpptöötlust.Näiteks võib pidev valguse lisamine oluliselt parandada hüdropooniliste lehtköögiviljade seemikute saagikust ja kvaliteeti või kasutada UV-töötlust, et oluliselt parandada võrsete ja lehtköögiviljade (eriti lillade lehtede ja punase lehtsalati) toiteväärtust.

Lisaks valitud põllukultuuride valguse lisamise optimeerimisele on viimastel aastatel kiiresti arenenud ka mõne tehisvalgustaimede tehase valgusallika juhtimissüsteem.See juhtimissüsteem põhineb üldiselt B/S-struktuuril.Keskkonnategurite, nagu temperatuur, niiskus, valgustus ja CO2 kontsentratsioon põllukultuuride kasvu ajal, kaugjuhtimine ja automaatjuhtimine realiseeritakse WIFI kaudu ning samal ajal realiseeritakse välistingimustest piiramatu tootmisviis.Selline intelligentne lisavalgustussüsteem kasutab täiendava valgusallikana LED-kasvuvalgustit koos intelligentse kaugjuhtimissüsteemiga, suudab rahuldada taimede lainepikkuse valgustuse vajadusi, sobib eriti hästi valgusega juhitavasse taimekasvatuskeskkonda ja suudab hästi rahuldada turunõudlust. .

Lõppsõna
Taimetehaseid peetakse oluliseks vahendiks maailma ressursi-, rahvastiku- ja keskkonnaprobleemide lahendamisel 21. sajandil ning oluliseks võimaluseks saavutada toiduga isevarustatus tulevastes kõrgtehnoloogilistes projektides.Uut tüüpi põllumajandusliku tootmismeetodina on taimetehased alles õppimis- ja kasvufaasis ning vaja on rohkem tähelepanu ja uurimistööd.Selles artiklis kirjeldatakse taimetehastes levinud lisavalgustusmeetodite omadusi ja eeliseid ning tutvustatakse tüüpiliste põllukultuuride lisavalgustussüsteemide disainiideid.Võrdluse kaudu pole keeruline leida, et tulla toime raskete ilmastikutingimustega (nt pidev pilvisus ja udune) ning tagada kõrge ja stabiilne põllukultuuride tootmine, on LED Grow valgusallika seadmed praeguse arenguga kõige paremini kooskõlas. suundumusi.

Tehasetehaste edasine arengusuund peaks keskenduma uutele ülitäpsetele odavatele anduritele, kaugjuhitavatele reguleeritava spektriga valgustusseadmete süsteemidele ja ekspertjuhtimissüsteemidele.Samal ajal jätkavad tulevased tehasetehased arenemist odavate, intelligentsete ja isekohanevate suunas.LED-kasvatavate valgusallikate kasutamine ja populariseerimine tagab taimetehaste ülitäpse keskkonnakontrolli.LED-valguskeskkonna reguleerimine on keeruline protsess, mis hõlmab valguse kvaliteedi, valguse intensiivsuse ja fotoperioodi igakülgset reguleerimist.Asjaomased eksperdid ja teadlased peavad läbi viima põhjalikud uuringud, edendades LED-lisavalgustust kunstliku valgusega taimetehastes.