Автор: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu и др. Източници: Технология за селскостопанска техника (градинарство на оранжерията)

Фабриката за растения съчетава съвременната индустрия, биотехнологиите, хидропониката на хранителните вещества и информационните технологии за прилагане на високо прецизен контрол на факторите на околната среда в съоръжението. Той е напълно затворен, има ниски изисквания за заобикалящата среда, съкращава периода на прибиране на растенията, спестява вода и тор, а с предимствата на производството на не-пустици и без изхвърляне на отпадъци, ефективността на използването на земята е 40 до 108 пъти от това на производство на открито поле. Сред тях интелигентният изкуствен източник на светлина и неговата регулация на светлинната среда играят решаваща роля за неговата ефективност на производството.

Като важен физически фактор на околната среда, светлината играе ключова роля за регулиране на растежа на растенията и метаболизма на материала. „Една от основните характеристики на фабриката за растения е пълният изкуствен източник на светлина и реализирането на интелигентната регулация на светлинната среда“ се превърна в общ консенсус в индустрията.

Нуждата на растенията от светлина

Светлината е единственият енергиен източник на фотосинтеза на растенията. Интензивността на светлината, качеството на светлината (спектъра) и периодичните промени на светлината оказват дълбоко влияние върху растежа и развитието на културите, сред които интензивността на светлината оказва най -голямо влияние върху фотосинтезата на растенията.

■ Интензивност на светлината

Интензивността на светлината може да промени морфологията на културите, като цъфтеж, дължина на интернат, дебелина на стъблото и размера на листата и дебелината. Изискванията на растенията за интензивност на светлината могат да бъдат разделени на светлинни, средни светлини и растения с ниска светлина. Зеленчуците са предимно лекуващи растения, а техните точки за компенсация на светлината и точките на насищане на светлината са сравнително високи. В фабриките за изкуствени светлинни растения съответните изисквания на културите за интензивност на светлината са важна основа за избор на изкуствени източници на светлина. Разбирането на изискванията на светлината на различните растения е важно за проектиране на изкуствени източници на светлина, изключително необходимо е да се подобри производствената ефективност на системата.

■ Качество на светлината

Разпределението на качеството на светлината (спектрално) също оказва важно влияние върху фотосинтезата на растенията и морфогенезата (Фигура 1). Светлината е част от радиацията, а радиацията е електромагнитна вълна. Електромагнитните вълни имат характеристики на вълната и квантови (частици) характеристики. Квантът на светлината се нарича фотон в полето на градинарството. Радиацията с обхват на дължината на вълната 300 ~ 800nm ​​се нарича физиологично активно излъчване на растенията; и радиацията с обхват на дължината на вълната 400 ~ 700nm се нарича фотосинтетично активно излъчване (PAR) на растенията.

Хлорофилът и каротените са двата най -важни пигмента във фотосинтезата на растенията. Фигура 2 показва спектралния спектър на абсорбция на всеки фотосинтетичен пигмент, в който спектърът на абсорбция на хлорофил е концентриран в червените и сините ленти. Светлищата се основава на спектралните нужди на културите за изкуствено допълване на светлината, така че да се насърчава фотосинтезата на растенията.

■ фотопериод
Връзката между фотосинтезата и фотоморфогенезата на растенията и дължината на деня (или времето на фотопериод) се нарича фотопериодичност на растенията. Фотопериодичността е тясно свързана със светлинните часове, което се отнася до времето, когато реколтата се облъчва от светлина. Различните култури изискват определен брой часове светлина, за да завършат фотопериода, за да цъфтят и дават плод. Според различните фотопериоди, той може да бъде разделен на дългогодишни култури, като зеле и т.н., които изискват повече от 12-14 часа светлинни часа на определен етап от неговия растеж; Крукуващи култури, като лук, соя и т.н., изискват по-малко от 12-14 часа осветление; Средно-слънце култури, като краставици, домати, чушки и т.н., могат да цъфтят и да дадат плодове под по-дълга или по-къса слънчева светлина.
Сред трите елемента на околната среда интензивността на светлината е важна основа за избор на изкуствени източници на светлина. Понастоящем има много начини за изразяване на интензивността на светлината, като главно включително следните три.
（1） Осветлението се отнася до повърхностната плътност на светещия поток (светещ поток на единица площ), получена върху осветената равнина, в Lux (LX).

（2） фотосинтетично активно излъчване, par ， единица: w/m²。

（3） Фотосинтетично ефективната плътност на фонирания поток PPFD или PPF е броят на фотосинтетично ефективното радиация, която достига или преминава през единично време и единица площ, единица: μmol/(m² · s) пряко свързани с фотосинтезата. Той е и най -често използваният индикатор за интензивност на светлината в областта на производството на растения.

Анализ на източника на светлина на типичната допълнителна светлинна система
Добавката за изкуствена светлина е да се увеличи интензивността на светлината в целевата зона или да се разшири времето на светлината чрез инсталиране на система за добавяне на светлина за изпълнение на светлинно търсене на растения. Най -общо казано, допълнителната светлинна система включва допълнително леко оборудване, вериги и неговата система за управление. Допълнителни източници на светлина включват главно няколко често срещани типа като нажежаеми лампи, флуоресцентни лампи, метални халидни лампи, натриеви лампи и светодиоди с високо налягане. Поради ниската електрическа и оптична ефективност на лампи с нажежаема жичка, ниска фотосинтетична енергийна ефективност и други недостатъци, той е елиминиран от пазара, така че тази статия не прави подробен анализ.

■ Флуоресцентна лампа
Флуоресцентните лампи принадлежат към типа лампи за разряд на газ с ниско налягане. Стъклената епруветка се пълни с живачни пари или инертен газ, а вътрешната стена на тръбата е покрита с флуоресцентна прах. Светлинният цвят варира в зависимост от флуоресцентния материал, покрит в тръбата. Флуоресцентните лампи имат добра спектрална характеристика, висока светеща ефективност, ниска мощност, по -дълъг живот (12000 часа) в сравнение с лампи с нажежаема жичка и сравнително ниска цена. Тъй като самата флуоресцентна лампа излъчва по-малко топлина, тя може да бъде близо до растенията за осветление и е подходяща за триизмерно отглеждане. Спектралното оформление на флуоресцентната лампа обаче е неразумно. Най -често срещаният метод в света е да се добавят отражатели, за да увеличат максимално ефективните компоненти на източника на светлина на културите в зоната на отглеждане. Японската компания ADV-AGRI също е разработила нов тип допълнителен източник на светлина HEFL. Hefl всъщност принадлежи към категорията на флуоресцентни лампи. Това е общият термин за флуоресцентни лампи на студен катод (CCFL) и външни електродни флуоресцентни лампи (EEFL) и е флуоресцентна лампа с смесен електрод. HEFL тръбата е изключително тънка, с диаметър само около 4 мм, а дължината може да се регулира от 450 мм до 1200 мм според нуждите на отглеждането. Това е подобрена версия на конвенционалната флуоресцентна лампа.

■ Метална халидна лампа
Металната халидна лампа е лампа с висока интензивност, която може да възбуди различни елементи, за да произведе различни дължини на вълната чрез добавяне на различни метални халиди (калай бромид, натриев йодид и др.) В тръбата за изпускане въз основа на живачна лампа с високо налягане. Халогенните лампи имат висока светеща ефективност, висока мощност, добър светлинен цвят, дълъг живот и голям спектър. Въпреки това, тъй като светещата ефективност е по-ниска от тази на натриевите лампи с високо налягане, а животът е по-кратък от този на натриевите лампи с високо налягане, той в момента се използва само в няколко фабрики за растения.

■ Натриева лампа с високо налягане
Натриевите лампи с високо налягане принадлежат към вида на газовите лампи с високо налягане. Натриевата лампа с високо налягане е високоефективна лампа, при която натриевата пара с високо налягане се запълва в тръбата за разреждане и се добавят малко количество ксенон (XE) и живачен метален халид. Тъй като натриевите лампи с високо налягане имат висока ефективност на електрооптична конверсия с по-ниски производствени разходи, натриевите лампи с високо налягане в момента са най-широко използваните при прилагането на допълнителна светлина в селскостопанските съоръжения. Поради недостатъците на ниската фотосинтетична ефективност в своя спектър, те имат недостатъците на ниската енергийна ефективност. От друга страна, спектралните компоненти, излъчвани от натриеви лампи с високо налягане, са концентрирани главно в светлинната лента с жълто-оранжева, на която липсва червената и синята спектра, необходима за растежа на растенията.

■ Диод за излъчване на светлина
Като ново поколение източници на светлина, диодите за излъчване на светлина (светодиоди) имат много предимства като по-висока електрооптична ефективност на преобразуване, регулируем спектър и висока фотосинтетична ефективност. LED може да излъчва монохроматична светлина, необходима за растежа на растенията. В сравнение с обикновените флуоресцентни лампи и други допълнителни източници на светлина, LED има предимствата на спестяването на енергия, опазването на околната среда, дълъг живот, монохроматична светлина, източник на студена светлина и т.н. С по-нататъшното подобряване на електрооптичната ефективност на светодиодите и намаляването на разходите, причинени от мащабния ефект, системите за осветление на растежа ще се превърнат в основното оборудване за допълване на светлината в селскостопанските съоръжения. В резултат на това са приложени светодиодни светлини над 99,9% фабрики за растения.

Чрез сравнение характеристиките на различни допълнителни източници на светлина могат да бъдат ясно разбрани, както е показано в таблица 1.

Мобилно осветление устройство
Интензивността на светлината е тясно свързана с растежа на културите. Триизмерното отглеждане често се използва в фабриките за растения. Поради ограничаването на структурата на стелажите за отглеждане, неравномерното разпределение на светлината и температурата между стелажите ще повлияе на добива на културите и периода на прибиране на реколтата няма да бъде синхронизирано. Компания в Пекин успешно е разработила ръчно устройство за повдигащо светлинни добавки (HPS осветление и LED захранване на осветлението) през 2010 г. Принципът е да завъртите задвижващия вал и намотката, фиксирана върху него, като разклати дръжката, за да завърти малката филмова макара За да се постигне целта на прибиране и размотаване на теленото въже. Телното въже на светлината на растеж е свързано с намотателното колело на асансьора през множество комплекти от заден ход, така че да се постигне ефектът от регулирането на височината на светлината на растежа. През 2017 г. гореспоменатата компания проектира и разработи ново устройство за добавки за мобилна светлина, което може автоматично да регулира височината на добавката на светлината в реално време според нуждите на растежа на културите. Устройството за регулиране вече е инсталирано на трислойния триизмерен багажник за отглеждане на източник на светлина. Най-горният слой на устройството е нивото с най-доброто състояние на светлината, така че е оборудван с натриеви лампи с високо налягане; Средният слой и долният слой са оборудвани с светодиодни светлини и система за регулиране на повдигането. Той може автоматично да регулира височината на светлината на растеж, за да осигури подходяща среда за осветление за културите.

В сравнение с устройството за добавка на мобилна светлина, пригодено за триизмерно отглеждане, Холандия е разработила хоризонтално подвижно LED светлинна светлина с добавка. За да се избегне влиянието на сянката на светлината на растежа върху растежа на растенията на слънце, системата за отглеждане на светлина може да бъде изтласкана от двете страни на скобата през телескопичния слайд в хоризонталната посока, така че слънцето да е напълно облъчени по растенията; В облачни и дъждовни дни без слънчева светлина избутайте системата за отглеждане на светлината до средата на скобата, за да направите светлината на системата за отглеждане на светлина равномерно запълване на растенията; Преместете системата за отглеждане на светлина хоризонтално през слайда на скобата, избягвайте честото разглобяване и отстраняването на системата за отглеждане на светлина и намалете интензивността на труда на служителите, като по този начин ефективно подобрявате ефективността на работната работа.

Дизайнерски идеи за типична система за отглеждане на светлина
Не е трудно да се види от дизайна на допълнителното устройство за мобилно осветление, че дизайнът на допълнителната осветителна система на фабриката за растения обикновено приема интензивността на светлината, качеството на светлината и фотопериодните параметри на различните периоди на растеж на културите като основно съдържание на дизайна , разчитайки на интелигентната система за управление, за да се изпълни, постигайки крайната цел за пестене на енергия и висок добив.

Понастоящем проектирането и изграждането на допълнителна светлина за листни зеленчуци постепенно узряват. Например, листните зеленчуци могат да бъдат разделени на четири етапа: етап на разсад, среден растеж, късен растеж и краен етап; Плодовите вегетативи могат да бъдат разделени на етап на разсад, етап на вегетативен растеж, етап на цъфтеж и стадий на прибиране на реколтата. От атрибутите на интензивността на допълнителната светлина, интензивността на светлината в етапа на разсад трябва да бъде малко по -ниска, при 60 ~ 200 μmol/(m² · s) и след това постепенно се увеличава. Листните зеленчуци могат да достигнат до 100 ~ 200 μmol/(m² · s), а плодовите зеленчуци могат да достигнат 300 ~ 500 μmol/(m² · s), за да гарантират изискванията за интензивност на светлината на растителната фотосинтеза във всеки период на растеж и да изпълнят нуждите на висок добив; По отношение на качеството на светлината съотношението на червено и синьо е много важно. За да се повиши качеството на разсад и да се предотврати прекомерният растеж в етапа на разсад, съотношението на червено и синьо обикновено се определя на ниско ниво [(1 ~ 2): 1] и след това постепенно се намалява, за да отговори на нуждите на растението Лека морфология. Съотношението на червено и синьо и листни зеленчуци може да бъде настроено на (3 ~ 6): 1. За фотопериода, подобно на интензивността на светлината, той трябва да покаже тенденция за увеличаване с удължаването на периода на растеж, така че листните зеленчуци да имат повече фотосинтетично време за фотосинтеза. Дизайнът на леки добавки на плодове и зеленчуци ще бъде по -сложен. В допълнение към гореспоменатите основни закони, ние трябва да се съсредоточим върху настройката на фотопериода през периода на цъфтеж, а цъфтежът и плододаването на зеленчуците трябва да се насърчават, за да не се подкрепя.

Заслужава да се спомене, че светлинната формула трябва да включва крайната обработка на настройките на светлинната среда. Например, непрекъснатото допълване на светлината може значително да подобри добива и качеството на хидропонните листни зеленчукови разсад или да използва UV лечение, за да подобри значително кълнове и листни зеленчуци (особено лилави листа и маруля от червен лист).

В допълнение към оптимизирането на светлинни добавки за избрани култури, системата за контрол на източника на светлина на някои фабрики за изкуствени светлинни растения също се развива бързо през последните години. Тази система за управление обикновено се основава на структурата B/S. Дистанционно управление и автоматичен контрол на факторите на околната среда като температура, влажност, светлина и концентрация на CO2 по време на растежа на културите се реализират чрез WiFi и в същото време се реализира метод на производство, който не е ограничен от външни условия. Този вид интелигентна допълнителна светлинна система използва LED осветително тяло за растеж, тъй като допълнителен източник на светлина, комбиниран с отдалечена интелигентна система за управление, може да отговори на нуждите на осветяването на дължината на вълната на растенията, е особено подходящ за среда за отглеждане на растителни растения и може да отговори на търсенето на пазара .

Заключителни забележки
Фабриките за растения се считат за важен начин за решаване на световните проблеми с ресурсите, населението и околната среда през 21 век и важен начин за постигане на самодостатъчност на храната в бъдещи високотехнологични проекти. Като нов тип селскостопански метод за производство, фабриките за растения все още са в етапа на обучение и растеж и са необходими повече внимание и изследвания. Тази статия описва характеристиките и предимствата на общите допълнителни методи за осветление във фабриките за растения и въвежда дизайнерските идеи на типичните системи за допълнително осветление на културите. Не е трудно да се намери чрез сравнение, за да се справим с ниската светлина, причинена от тежко време като непрекъснато облачно и мъгла и да се осигури високо и стабилно производство на съоръжения, LED оборудване за отглеждане на светлинен източник е в съответствие с текущото развитие тенденции.

Бъдещата посока на разработване на фабриките за растения трябва да се съсредоточи върху новите сензори с висока точност, нискотарифни, дистанционно контролируеми, регулируеми системи за осветление на спектъра и експертни системи за управление. В същото време бъдещите фабрики за растения ще продължат да се развиват към ниски цени, интелигентни и самоадаптивни. Използването и популяризирането на светодиодни източници на светлина осигуряват гаранция за високо прецизен контрол на околната среда на фабриките за растения. Регулирането на LED светлинната среда е сложен процес, включващ цялостно регулиране на качеството на светлината, интензивността на светлината и фотопериода. Съответните експерти и учени трябва да провеждат задълбочени изследвания, насърчавайки LED допълнително осветление в фабриките за изкуствени леки растения.