Автор: Jing Zhao，Zengchan Zhou，Yunlong Bu и др.Източник Media: Технология на селскостопанското инженерство (оранжерийно градинарство)

Фабриката съчетава модерна индустрия, биотехнологии, хидропоника с хранителни вещества и информационни технологии за осъществяване на високопрецизен контрол на факторите на околната среда в съоръжението.Той е напълно затворен, има ниски изисквания към заобикалящата среда, съкращава периода на прибиране на реколтата от растенията, спестява вода и торове и с предимствата на производството без пестициди и без изхвърляне на отпадъци, ефективността на използване на земята на единица е 40 до 108 пъти по-висока от тази производство на открито.Сред тях интелигентният източник на изкуствена светлина и неговата регулация на светлинната среда играят решаваща роля за ефективността на производството.

Като важен физически фактор на околната среда, светлината играе ключова роля в регулирането на растежа на растенията и метаболизма на материалите.„Една от основните характеристики на фабриката е пълният изкуствен източник на светлина и реализацията на интелигентно регулиране на светлинната среда“ се превърна в общ консенсус в индустрията.

Нуждата на растенията от светлина

Светлината е единственият източник на енергия за фотосинтезата на растенията.Интензитетът на светлината, качеството на светлината (спектър) и периодичните промени на светлината имат дълбоко въздействие върху растежа и развитието на културите, сред които интензитетът на светлината има най-голямо влияние върху фотосинтезата на растенията.

■ Интензитет на светлината

Интензитетът на светлината може да промени морфологията на културите, като цъфтеж, дължина на междувъзлията, дебелина на стъблото и размер и дебелина на листата.Изискванията на растенията към интензивност на светлината могат да бъдат разделени на светлолюбиви, средно светлолюбиви и слабо светлоустойчиви растения.Зеленчуците са предимно светлолюбиви растения и техните точки за компенсация на светлина и точки на насищане на светлина са сравнително високи.Във фабриките за растения с изкуствена светлина съответните изисквания на културите за интензитет на светлината са важна основа за избор на източници на изкуствена светлина.Разбирането на светлинните изисквания на различните растения е важно за проектирането на изкуствени източници на светлина. Изключително необходимо е да се подобри производствената производителност на системата.

■ Качество на светлината

Разпределението на качеството на светлината (спектрално) също има важно влияние върху фотосинтезата и морфогенезата на растенията (Фигура 1).Светлината е част от радиацията, а радиацията е електромагнитна вълна.Електромагнитните вълни имат вълнови характеристики и квантови (частични) характеристики.Квантът на светлината се нарича фотон в областта на градинарството.Радиация с дължина на вълната от 300 ~ 800 nm се нарича физиологично активна радиация на растенията;и радиация с дължина на вълната от 400~700nm се нарича фотосинтетично активна радиация (PAR) на растенията.

Хлорофилът и каротините са двата най-важни пигмента във фотосинтезата на растенията.Фигура 2 показва спектралния спектър на поглъщане на всеки фотосинтетичен пигмент, в който спектърът на поглъщане на хлорофила е концентриран в червените и сините ленти.Системата за осветление се основава на спектралните нужди на културите за изкуствено допълване на светлината, така че да се насърчи фотосинтезата на растенията.

■ фотопериод
Връзката между фотосинтезата и фотоморфогенезата на растенията и продължителността на деня (или времето на фотопериода) се нарича фотопериодност на растенията.Фотопериодността е тясно свързана със светлинните часове, което се отнася до времето, през което културата е облъчена от светлина.Различните култури изискват определен брой часове светлина, за да завършат фотопериода, за да цъфтят и дадат плод.Според различните фотопериоди може да се раздели на култури с дълъг ден, като зеле и др., които изискват повече от 12-14h светлинни часа на определен етап от растежа си;култури с къс ден, като лук, соя и др., изискват по-малко от 12-14 часа осветяване;средно слънчеви култури, като краставици, домати, чушки и др., могат да цъфтят и плододават при по-продължителна или по-кратка слънчева светлина.
Сред трите елемента на околната среда интензитетът на светлината е важна основа за избора на изкуствени източници на светлина.Понастоящем има много начини за изразяване на интензитета на светлината, включително следните три.
（1）Осветеността се отнася до повърхностната плътност на светлинния поток (светлинен поток на единица площ), получена върху осветената равнина, в луксове (lx).

（2）Фотосинтетично активно лъчение, PAR，Единица: W/m².

(3) Фотосинтетично ефективната плътност на фотонния поток PPFD или PPF е броят фотосинтетично ефективна радиация, която достига или преминава през единица време и единица площ, единица: μmol/(m²·s). пряко свързани с фотосинтезата.Това е и най-често използваният индикатор за интензитет на светлината в областта на растениевъдството.

Анализ на източника на светлина на типична система за допълнителна светлина
Добавката за изкуствена светлина е за увеличаване на интензитета на светлината в целевата зона или за удължаване на времето за осветяване чрез инсталиране на система за допълнителна светлина, за да се отговори на нуждата от светлина на растенията.Най-общо казано, системата за допълнителна светлина включва допълнително оборудване за светлина, вериги и нейната система за управление.Допълнителните източници на светлина включват основно няколко често срещани типа като лампи с нажежаема жичка, флуоресцентни лампи, металхалогенни лампи, натриеви лампи с високо налягане и светодиоди.Поради ниската електрическа и оптична ефективност на лампите с нажежаема жичка, ниската фотосинтетична енергийна ефективност и други недостатъци, тя е елиминирана от пазара, така че тази статия не прави подробен анализ.

■ Флуоресцентна лампа
Флуоресцентните лампи принадлежат към типа газоразрядни лампи с ниско налягане.Стъклената тръба е пълна с живачни пари или инертен газ, а вътрешната стена на тръбата е покрита с флуоресцентен прах.Цветът на светлината варира в зависимост от флуоресцентния материал, покрит в тръбата.Флуоресцентните лампи имат добри спектрални характеристики, висока светлинна ефективност, ниска мощност, по-дълъг живот (12000 часа) в сравнение с лампите с нажежаема жичка и относително 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.Въпреки това, спектралното оформление на флуоресцентната лампа е неразумно.Най-разпространеният метод в света е да се добавят рефлектори, за да се увеличат максимално ефективните компоненти на светлинния източник на културите в зоната за отглеждане.Японската компания adv-agri също разработи нов тип допълнителен източник на светлина HEFL.HEFL всъщност принадлежи към категорията на флуоресцентните лампи.Това е общият термин за флуоресцентни лампи със студен катод (CCFL) и флуоресцентни лампи с външен електрод (EEFL) и е флуоресцентна лампа със смесен електрод.Тръбата HEFL 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.

■ Металхалогенна лампа
Металхалогенната лампа е газоразрядна лампа с висок интензитет, която може да възбуди различни елементи, за да произведе различни дължини на вълните чрез добавяне на различни метални халогениди (калаен бромид, натриев йодид и др.) в газоразрядната тръба на базата на живачна лампа с високо налягане.Халогенните лампи имат висока светлинна ефективност, висока мощност, добър цвят на светлината, дълъг живот и широк спектър.Въпреки това, тъй като светлинната ефективност е по-ниска от тази на натриевите лампи с високо налягане и животът е по-кратък от този на натриевите лампи с високо налягане, в момента се използва само в няколко завода.

■ Натриева лампа с високо налягане
Натриевите лампи с високо налягане принадлежат към типа газоразрядни лампи с високо налягане.Натриевата лампа с високо налягане е високоефективна лампа, в която натриевите пари под високо налягане се пълнят в разрядната тръба и се добавят малко количество ксенон (Xe) и живачен метален халид.Тъй като натриевите лампи с високо налягане имат висока електро-оптична ефективност на преобразуване с по-ниски производствени разходи, натриевите лампи с високо налягане в момента са най-широко използвани при прилагането на допълнителна светлина в селскостопански съоръжения.Въпреки това, поради недостатъците на ниската фотосинтетична ефективност в техния спектър, те имат недостатъците на ниската енергийна ефективност.От друга страна, спектралните компоненти, излъчвани от натриевите лампи с високо налягане, са концентрирани главно в жълто-оранжевата светлинна лента, в която липсват червените и сините спектри, необходими за растежа на растенията.

■ Светодиод
Като ново поколение светлинни източници, светодиодите (LED) 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 спестяване на енергия, опазване 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 ефекта на мащаба, LED осветителните системи за отглеждане ще се превърнат в основно оборудване за допълване на светлината в селскостопански съоръжения.В резултат на това LED светлините за отглеждане са били използвани в 99,9% заводи за растения.

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

Мобилно осветително устройство
Интензитетът на светлината е тясно свързан с растежа на културите.Триизмерното отглеждане често се използва във фабриките за растения.Въпреки това, поради ограничението на структурата на стелажите за култивиране, неравномерното разпределение на светлината и температурата между стелажите ще повлияе на добива на културите и периодът на прибиране на реколтата няма да бъде синхронизиран.Компания в Пекин успешно разработи допълнително устройство за ръчно повдигане на светлина (HPS осветително тяло и LED осветително тяло за отглеждане) през 2010 г. Принципът е завъртане на задвижващия вал и устройството за навиване, фиксирано върху него, чрез разклащане на дръжката, за да завъртите малката макара с филм за постигане на целта за прибиране и развиване на теленото въже.Теленото въже на лампата за отглеждане е свързано с навиващото се колело на асансьора чрез множество комплекти обръщащи колела, така че да се постигне ефектът на регулиране на височината на светлината за отглеждане.През 2017 г. гореспоменатата компания проектира и разработи ново мобилно устройство за добавка на светлина, което може автоматично да регулира височината на добавката на светлина в реално време според нуждите на растежа на културите.Устройството за регулиране вече е инсталирано на триизмерната стойка за култивиране с 3-слоен повдигащ се източник на светлина.Най-горният слой на устройството е нивото с най-добри светлинни условия, така че е оборудвано с натриеви лампи с високо налягане;средният слой и долният слой са оборудвани с LED светлини за отглеждане и система за регулиране на повдигането.Той може автоматично да регулира височината на светлината за растеж, за да осигури подходяща осветителна среда за културите.

В сравнение с мобилното устройство за допълнителна светлина, пригодено за триизмерно култивиране, Холандия разработи хоризонтално подвижно LED устройство за допълнителна светлина за растеж.За да се избегне влиянието на сянката на светлината за растеж върху растежа на растенията на слънце, системата за светлина за растеж може да бъде избутана от двете страни на скобата през телескопичния плъзгач в хоризонтална посока, така че слънцето да е напълно облъчени върху растенията;в облачни и дъждовни дни без слънчева светлина, натиснете системата за осветление за растеж до средата на скобата, за да накарате светлината от системата за осветление за растеж да изпълни равномерно растенията;преместете системата за осветление за отглеждане хоризонтално през плъзгача на скобата, избягвайте честото разглобяване и премахване на системата за осветление за отглеждане и намалете интензивността на труда на служителите, като по този начин ефективно подобрявате ефективността на работата.

Идеи за дизайн на типична система за осветление за отглеждане
Не е трудно да се види от дизайна на допълнителното устройство за мобилно осветление, че дизайнът на системата за допълнително осветление на фабриката обикновено приема интензитета на светлината, качеството на светлината и параметрите на фотопериода на различните периоди на растеж на културите като основно съдържание на дизайна , разчитайки на интелигентната система за управление за изпълнение, постигайки крайната цел за спестяване на енергия и висок добив.

Понастоящем проектирането и изграждането на допълнителна светлина за листни зеленчуци постепенно се развива.Например, листните зеленчуци могат да бъдат разделени на четири етапа: етап на разсад, среден растеж, късен растеж и краен етап;плодовете и зеленчуците могат да бъдат разделени на етап на разсад, етап на вегетативен растеж, етап на цъфтеж и етап на прибиране на реколтата.От характеристиките на интензитета на допълнителната светлина, интензитетът на светлината в етапа на разсад трябва да бъде малко по-нисък, при 60~200 μmol/(m²·s), и след това постепенно да 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 осигурят изискванията за интензитет на светлината на фотосинтезата на растенията във всеки период на растеж и да задоволят нуждите на висок добив;По отношение на качеството на светлината, съотношението между червено и синьо е много важно.За да се повиши качеството на разсада и да се предотврати прекомерният растеж в етапа на разсад, съотношението на червеното към синьото обикновено се задава на ниско ниво [(1~2):1] и след това постепенно се намалява, за да отговори на нуждите на растението светла морфология.Съотношението на червени към сини към листни зеленчуци може да бъде зададено на (3~6):1.За фотопериода, подобно на интензитета на светлината, той трябва да показва тенденция на нарастване с удължаването на периода на растеж, така че листните зеленчуци да имат повече фотосинтетично време за фотосинтеза.Дизайнът на леки добавки от плодове и зеленчуци ще бъде по-сложен.В допълнение към гореспоменатите основни закони, трябва да се съсредоточим върху настройката на фотопериода по време на периода на цъфтеж и трябва да се насърчава цъфтежът и плододаването на зеленчуците, за да не се получи обратен ефект.

Струва си да се спомене, че леката формула трябва да включва крайната обработка за настройки на светлата среда.Например, непрекъснатото добавяне на светлина може значително да подобри добива и качеството на разсада на листни зеленчуци от хидропоника или да използва UV обработка за значително подобряване на хранителното качество на кълновете и листните зеленчуци (особено лилавите листа и червенолистната маруля).

В допълнение към оптимизирането на добавянето на светлина за избрани култури, системата за контрол на източника на светлина на някои фабрики за растения с изкуствена светлина също се разви бързо през последните години.Тази система за управление обикновено се основава на структурата B/S.Чрез WIFI се осъществява дистанционно управление и автоматичен контрол на факторите на околната среда като температура, влажност, светлина и концентрация на CO2 по време на растежа на културите, като в същото време се реализира производствен метод, който не е ограничен от външни условия.Този вид интелигентна допълнителна осветителна система използва LED осветително тяло за отглеждане като допълнителен източник на светлина, комбинирано с дистанционна интелигентна система за управление, може да отговори на нуждите от осветление с дължина на вълната на растенията, особено подходящо е за контролирана от светлина среда за култивиране на растения и може добре да отговори на пазарното търсене .

Заключителни бележки
Растителните фабрики се считат за важен начин за решаване на проблемите със световните ресурси, населението и околната среда през 21 век и важен начин за постигане на самодостатъчност с храна в бъдещи високотехнологични проекти.Като нов тип метод за селскостопанско производство, фабриките за растения все още са в етап на обучение и растеж и са необходими повече внимание и изследвания.Тази статия описва характеристиките и предимствата на обичайните методи за допълнително осветление в заводите и въвежда идеите за проектиране на типичните системи за допълнително осветление на културите.Не е трудно да се намери чрез сравнение, за да се справи със слабата светлина, причинена от лошо време, като непрекъсната облачност и мъгла, и за да се осигури високо и стабилно производство на култури в съоръженията, оборудването за източник на светлина LED Grow е най-в съответствие с текущото развитие тенденции.

Бъдещата посока на развитие на заводите трябва да се съсредоточи върху нови високопрецизни сензори с ниска цена, системи за осветителни устройства с дистанционно управление и регулируем спектър и експертни системи за управление.В същото време бъдещите заводи ще продължат да се развиват към евтини, интелигентни и самоадаптивни.Използването и популяризирането на LED източници на светлина за отглеждане осигуряват гаранция за високопрецизен контрол на околната среда на растителни фабрики.Регулирането на LED светлинната среда е сложен процес, включващ цялостно регулиране на качеството на светлината, интензитета на светлината и фотопериода.Съответните експерти и учени трябва да проведат задълбочени изследвания, насърчавайки допълнителното LED осветление във фабрики за изкуствена светлина.