Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, itd. Izvor Mediji: Tehnologija poljoprivrednog inženjerstva (hortikultura staklenika)

Fabrika kombinuje savremenu industriju, biotehnologiju, hidroponiju nutrijenata i informatičku tehnologiju za implementaciju visokoprecizne kontrole faktora životne sredine u objektu. Potpuno je zatvoren, ima niske zahtjeve za okoliš, skraćuje period žetve biljaka, štedi vodu i đubrivo, a uz prednosti proizvodnje bez pesticida i bez ispuštanja otpada, efikasnost korištenja zemljišta je 40 do 108 puta veća od one. proizvodnje na otvorenom polju. Među njima, inteligentni veštački izvor svetlosti i regulacija njegovog svetlosnog okruženja igraju odlučujuću ulogu u njegovoj efikasnosti proizvodnje.

Kao važan fizički faktor okoliša, svjetlost igra ključnu ulogu u regulaciji rasta biljaka i metabolizma materijala. „Jedna od glavnih karakteristika fabrike je potpuni veštački izvor svetlosti i realizacija inteligentne regulacije svetlosnog okruženja“ postao je opšti konsenzus u industriji.

Potreba biljaka za svjetlom

Svetlost je jedini izvor energije za fotosintezu biljaka. Intenzitet svjetlosti, kvalitet svjetlosti (spektar) i periodične promjene svjetla imaju dubok utjecaj na rast i razvoj usjeva, među kojima intenzitet svjetlosti ima najveći utjecaj na fotosintezu biljaka.

■ Intenzitet svetlosti

Intenzitet svjetlosti može promijeniti morfologiju usjeva, kao što su cvjetanje, dužina internodija, debljina stabljike, te veličina i debljina listova. Zahtjevi biljaka za intenzitetom svjetlosti mogu se podijeliti na biljke koje vole svjetlo, srednje vole svjetlo i slabo tolerantne na svjetlo. Povrće je uglavnom biljke koje vole svetlost, a njihove tačke kompenzacije svetlosti i tačke zasićenja svetlosti su relativno visoke. U fabrikama veštačkog svetla, relevantni zahtevi useva za intenzitetom svetlosti su važna osnova za odabir izvora veštačkog svetla. Razumijevanje svjetlosnih zahtjeva različitih postrojenja važno je za dizajniranje umjetnih izvora svjetlosti, izuzetno je neophodno poboljšati proizvodne performanse sistema.

■ Kvalitet svjetlosti

Raspodjela kvalitete svjetlosti (spektralna) također ima važan utjecaj na fotosintezu i morfogenezu biljaka (slika 1). Svetlost je deo zračenja, a zračenje je elektromagnetski talas. Elektromagnetski talasi imaju karakteristike talasa i kvantne (čestične) karakteristike. Kvant svjetlosti se u hortikulturi naziva fotonom. Zračenje sa opsegom talasnih dužina od 300~800nm ​​naziva se fiziološki aktivno zračenje biljaka; a zračenje sa opsegom talasnih dužina od 400~700nm naziva se fotosintetički aktivno zračenje (PAR) biljaka.

Klorofil i karoten su dva najvažnija pigmenta u fotosintezi biljaka. Slika 2 prikazuje spektralni apsorpcijski spektar svakog fotosintetskog pigmenta, u kojem je spektar apsorpcije klorofila koncentrisan u crvenim i plavim trakama. Sistem osvetljenja se zasniva na spektralnim potrebama useva da veštački dopunjuju svetlost, kako bi se podstakla fotosinteza biljaka.

■ fotoperiod
Odnos između fotosinteze i fotomorfogeneze biljaka i dužine dana (ili vremena fotoperioda) naziva se fotoperioditet biljaka. Fotoperioditet je usko povezan sa svetlosnim satima, što se odnosi na vreme kada je usev ozračen svetlošću. Različitim kulturama je potreban određeni broj sati svjetlosti da bi se završio fotoperiod kako bi procvjetali i dali plodove. Prema različitim fotoperiodima, može se podijeliti na dugodnevne usjeve, kao što je kupus itd., kojima je potrebno više od 12-14h svjetlosnih sati u određenoj fazi rasta; usevi kratkog dana, kao što su luk, soja, itd., zahtevaju manje od 12-14 sati osvetljenja; srednje osunčani usevi, kao što su krastavci, paradajz, paprika, itd., mogu da cvetaju i daju plodove pod dužim ili kraćim sunčevim zracima.
Među tri elementa okoline, intenzitet svjetlosti je važna osnova za odabir izvora umjetne svjetlosti. Trenutno postoji mnogo načina za izražavanje intenziteta svjetlosti, uglavnom uključujući sljedeća tri.
（1）Osvjetljenje se odnosi na površinsku gustinu svjetlosnog toka (svjetlosni tok po jedinici površine) primljenu na osvijetljenoj ravni, u luksima (lx).

（2）Fotosintetski aktivno zračenje, PAR, jedinica: W/m².

（3）Fotosintetski efikasna gustina fotona PPFD ili PPF je broj fotosintetički efektivnog zračenja koje dostiže ili prolazi kroz jedinicu vremena i jedinične površine, jedinica: μmol/(m²·s)。Uglavnom se odnosi na intenzitet svjetlosti od 400~700nm direktno povezan sa fotosintezom. Takođe je najčešće korišćeni indikator intenziteta svetlosti u oblasti biljne proizvodnje.

Analiza izvora svjetlosti tipičnog dopunskog svjetlosnog sistema
Dodatak umjetnom svjetlu je povećanje intenziteta svjetlosti u ciljnom području ili produženje vremena svjetla ugradnjom dodatnog svjetlosnog sistema kako bi se zadovoljile potrebe biljaka za svjetlom. Općenito govoreći, dodatni svjetlosni sistem uključuje dodatnu svjetlosnu opremu, strujne krugove i njen sistem upravljanja. Dodatni izvori svjetlosti uglavnom uključuju nekoliko uobičajenih tipova kao što su žarulje sa žarnom niti, fluorescentne sijalice, metal-halogene sijalice, natrijumske sijalice visokog pritiska i LED diode. Zbog niske električne i optičke efikasnosti žarulja sa žarnom niti, niske fotosintetske energetske efikasnosti i drugih nedostataka, ona je eliminirana od strane tržišta, tako da ovaj članak ne daje detaljnu analizu.

■ Fluorescentna lampa
Fluorescentne sijalice spadaju u tip gasnih sijalica niskog pritiska. Staklena cijev je napunjena parom žive ili inertnim plinom, a unutrašnji zid cijevi je obložen fluorescentnim prahom. Boja svjetla varira u zavisnosti od fluorescentnog materijala presvučenog u cijevi. Fluorescentne sijalice imaju dobre spektralne performanse, visoku svetlosnu efikasnost, malu snagu, duži životni vek (12000h) u poređenju sa sijalicama sa žarnom niti i relativno nisku cenu. Budući da sama fluorescentna lampa emituje manje topline, može biti blizu biljaka za osvjetljenje i pogodna je za trodimenzionalni uzgoj. Međutim, spektralni raspored fluorescentne lampe je nerazuman. Najčešća metoda u svijetu je dodavanje reflektora kako bi se maksimizirale komponente efektivnog izvora svjetlosti usjeva u području uzgoja. Japanska kompanija adv-agri razvila je i novi tip dodatnog izvora svjetlosti HEFL. HEFL zapravo spada u kategoriju fluorescentnih sijalica. To je opšti naziv za fluorescentne sijalice sa hladnom katodom (CCFL) i fluorescentne sijalice sa eksternom elektrodom (EEFL), i predstavlja fluorescentnu lampu sa mješovitim elektrodama. HEFL cijev je izuzetno tanka, prečnika samo oko 4 mm, a dužina se može podesiti od 450 mm do 1200 mm prema potrebama uzgoja. To je poboljšana verzija konvencionalne fluorescentne lampe.

■ Metal halogenidna lampa
Metal halogenidna lampa je lampa visokog intenziteta koja može pobuditi različite elemente da proizvode različite talasne dužine dodavanjem različitih metalnih halogenida (kalaj bromid, natrijum jodid, itd.) u cev za pražnjenje na bazi živine lampe visokog pritiska. Halogene sijalice imaju visoku svetlosnu efikasnost, veliku snagu, dobru boju svetla, dug životni vek i veliki spektar. Međutim, budući da je svjetlosna efikasnost niža od one kod visokotlačnih natrijumskih sijalica, a životni vek je kraći od natrijumskih sijalica visokog pritiska, trenutno se koristi samo u nekoliko fabrika.

■ Natrijumska lampa visokog pritiska
Natrijumske sijalice visokog pritiska spadaju u tip gasnih lampi visokog pritiska. Natrijumska lampa visokog pritiska je visokoefikasna lampa u kojoj se natrijumova para pod visokim pritiskom puni u cijev za pražnjenje, a dodaje se mala količina ksenona (Xe) i živinog metalnog halida. Budući da natrijumske sijalice visokog pritiska imaju visoku efikasnost elektro-optičke konverzije sa nižim troškovima proizvodnje, natrijumske lampe visokog pritiska trenutno se najčešće koriste u primeni dopunskog svetla u poljoprivrednim objektima. Međutim, zbog nedostataka niske fotosintetske efikasnosti u svom spektru, oni imaju nedostatke niske energetske efikasnosti. S druge strane, spektralne komponente koje emituju visokotlačne natrijeve lampe uglavnom su koncentrisane u žuto-narandžastom svjetlosnom pojasu, kojem nedostaju crveni i plavi spektri neophodni za rast biljaka.

■ Dioda koja emituje svetlost
Kao nova generacija izvora svjetlosti, diode koje emituju svjetlost (LED) imaju mnoge prednosti kao što su veća efikasnost elektro-optičke konverzije, podesiv spektar i visoka fotosintetička efikasnost. LED može emitovati monokromatsko svjetlo potrebno za rast biljaka. U poređenju sa običnim fluorescentnim lampama i drugim dodatnim izvorima svetlosti, LED ima prednosti uštede energije, zaštite životne sredine, dugog veka trajanja, monohromatskog svetla, hladnog izvora svetlosti i tako dalje. Uz daljnje poboljšanje elektro-optičke efikasnosti LED dioda i smanjenje troškova uzrokovanih efektom razmjera, LED rasvjetni sistemi će postati glavna oprema za dopunu svjetlosti u poljoprivrednim objektima. Kao rezultat toga, LED svjetla za uzgoj su primijenjena u 99,9% fabrika biljaka.

Kroz poređenje, karakteristike različitih dodatnih izvora svjetlosti mogu se jasno razumjeti, kao što je prikazano u Tabeli 1.

Mobilni rasvjetni uređaj
Intenzitet svjetlosti je usko povezan s rastom usjeva. Trodimenzionalni uzgoj se često koristi u tvornicama biljaka. Međutim, zbog ograničenja strukture regala za uzgoj, neravnomjerna distribucija svjetlosti i temperature između regala će uticati na prinos usjeva i period žetve neće biti sinhronizovan. Kompanija u Pekingu je 2010. godine uspješno razvila dopunski uređaj za ručno podizanje svjetla (HPS rasvjetno tijelo i LED rasvjetno tijelo). Princip je da se pogonsko vratilo i namotač fiksirani na njemu rotiraju drhtanjem ručke kako bi se rotirao mali filmski kolut kako bi se postigla svrha uvlačenja i odmotavanja žičanog užeta. Žičano uže svjetla za uzgoj je povezano sa kotačem za namotavanje dizala preko više setova točkova za vožnju unazad, kako bi se postigao efekat podešavanja visine svjetla za uzgoj. U 2017. godini, gore pomenuta kompanija dizajnirala je i razvila novi mobilni uređaj za dodatak svjetlosti, koji može automatski prilagoditi visinu svjetlosnog dodatka u realnom vremenu prema potrebama rasta usjeva. Uređaj za podešavanje je sada instaliran na trodimenzionalni stalak za kultivaciju 3-slojnog izvora svjetlosti za podizanje. Gornji sloj uređaja je nivo sa najboljim svetlosnim uslovima, tako da je opremljen natrijumskim lampama visokog pritiska; srednji i donji sloj opremljeni su LED svjetlima za uzgoj i sistemom za podešavanje podizanja. Može automatski podesiti visinu svjetla za uzgoj kako bi se osiguralo odgovarajuće svjetlosno okruženje za usjeve.

U poređenju s mobilnim uređajem za dopunu svjetlosti prilagođenim za trodimenzionalnu kultivaciju, Nizozemska je razvila horizontalno pomični LED uređaj za dopunu svjetla za rast. Kako bi se izbjegao utjecaj sjene svjetla za uzgoj na rast biljaka na suncu, sistem svjetla za uzgoj se može gurnuti na obje strane nosača kroz teleskopski klizač u horizontalnom smjeru, tako da sunce bude potpuno ozračeni na biljkama; u oblačnim i kišnim danima bez sunčeve svjetlosti, gurnite sistem svjetla za uzgoj na sredinu nosača kako bi svjetlost sistema svjetla za uzgoj ravnomjerno ispunila biljke; pomerajte sistem rasveta horizontalno kroz klizač na nosaču, izbegavajte često rastavljanje i uklanjanje sistema rasveta i smanjite radni intenzitet zaposlenih, čime se efikasno poboljšava radna efikasnost.

Dizajnerske ideje tipičnog sistema rasvjete
Iz dizajna mobilnog dopunskog uređaja za rasvjetu nije teško vidjeti da dizajn dopunskog rasvjetnog sistema tvornice biljaka obično uzima intenzitet svjetlosti, kvalitetu svjetlosti i parametre fotoperioda različitih perioda rasta usjeva kao osnovni sadržaj dizajna. , oslanjajući se na inteligentni kontrolni sistem za implementaciju, postižući krajnji cilj uštede energije i visokog prinosa.

Trenutno je postupno sazreo dizajn i izgradnja dopunskog svjetla za lisnato povrće. Na primjer, lisnato povrće se može podijeliti u četiri faze: faza rajanja, srednjeg rasta, kasnog rasta i završne faze; voće-povrće se može podijeliti na fazu rasada, fazu vegetativnog rasta, fazu cvjetanja i fazu berbe. Od atributa dopunskog intenziteta svetlosti, intenzitet svetlosti u fazi klijanja treba da bude nešto niži, na 60~200 μmol/(m²·s), a zatim da se postepeno povećava. Lisnato povrće može doseći do 100~200 μmol/(m²·s), a voćno povrće može doseći 300~500 μmol/(m²·s) kako bi osiguralo zahtjeve za intenzitetom svjetlosti fotosinteze biljaka u svakom periodu rasta i zadovoljilo potrebe visok prinos; Što se tiče kvaliteta svetlosti, odnos crvene i plave je veoma važan. Kako bi se povećao kvalitet sadnica i spriječio pretjerani rast u fazi sadnica, omjer crvene i plave se općenito postavlja na nizak nivo [(1~2:1], a zatim se postepeno smanjuje kako bi se zadovoljile potrebe biljke morfologija svjetlosti. Odnos crvenog prema plavom i lisnatom povrću može se podesiti na (3~6):1. Za fotoperiod, sličan intenzitetu svjetlosti, trebao bi pokazati trend povećanja s produžavanjem perioda rasta, tako da lisnato povrće ima više fotosintetskog vremena za fotosintezu. Dizajn laganih dodataka voća i povrća bit će složeniji. Pored navedenih osnovnih zakonitosti, treba se fokusirati i na postavljanje fotoperioda u periodu cvatnje, a cvjetanje i plodonošenje povrća mora se promovirati, kako se ne bi povratilo.

Vrijedi napomenuti da formula svjetlosti treba uključiti završni tretman za postavke svjetlosnog okruženja. Na primjer, kontinuirano dodavanje svjetlosti može uvelike poboljšati prinos i kvalitet hidroponskih sadnica lisnatog povrća, ili korištenje UV tretmana za značajno poboljšanje nutritivne kvalitete klica i lisnatog povrća (posebno ljubičastih listova i crvenog lista zelene salate).

Pored optimizacije dopune svetlosti za odabrane useve, sistem kontrole izvora svetlosti u nekim fabrikama veštačkog svetla takođe se brzo razvijao poslednjih godina. Ovaj sistem upravljanja je generalno zasnovan na B/S strukturi. Preko WIFI-ja ostvaruje se daljinsko upravljanje i automatska kontrola faktora okoline kao što su temperatura, vlažnost, svjetlost i koncentracija CO2 tokom rasta usjeva, a istovremeno se ostvaruje način proizvodnje koji nije ograničen vanjskim uslovima. Ova vrsta inteligentnog dodatnog svjetlosnog sistema koristi LED rasvjetno tijelo kao dodatni izvor svjetlosti, u kombinaciji sa daljinskim inteligentnim sistemom upravljanja, može zadovoljiti potrebe osvjetljenja valne dužine biljaka, posebno je pogodan za okruženje za uzgoj biljaka s kontroliranim svjetlom i može dobro zadovoljiti potražnju na tržištu. .

Zaključna razmatranja
Fabrike biljaka smatraju se važnim načinom za rješavanje svjetskih resursnih, populacijskih i ekoloških problema u 21. stoljeću, te važnim načinom za postizanje samodovoljnosti hranom u budućim visokotehnološkim projektima. Kao nova vrsta metode poljoprivredne proizvodnje, fabrike biljaka su još uvijek u fazi učenja i rasta, te je potrebno više pažnje i istraživanja. Ovaj članak opisuje karakteristike i prednosti uobičajenih metoda dopunskog osvjetljenja u fabrikama biljaka i uvodi dizajnerske ideje tipičnih sistema dopunske rasvjete za usjeve. Nije teško pronaći kroz poređenje, kako bi se izborili sa slabim osvjetljenjem uzrokovanim teškim vremenskim prilikama kao što su stalna oblačnost i izmaglica i kako bi se osigurala visoka i stabilna proizvodnja usjeva, LED Grow oprema za izvor svjetlosti najviše je u skladu s trenutnim razvojem trendovi.

Budući razvojni pravac fabrika fabrika trebao bi se fokusirati na nove visoko precizne, jeftine senzore, daljinski upravljane sisteme rasvjetnih uređaja podesivog spektra i ekspertske sisteme upravljanja. Istovremeno, buduće fabrike postrojenja će nastaviti da se razvijaju prema niskim troškovima, inteligentnim i samoprilagodljivim. Upotreba i popularizacija LED rasvjetnih izvora daje garanciju za visoko preciznu kontrolu okoliša u tvornicama biljaka. Regulacija okoline LED svjetla je složen proces koji uključuje sveobuhvatnu regulaciju kvaliteta svjetlosti, intenziteta svjetlosti i fotoperioda. Relevantni stručnjaci i naučnici trebaju provesti dubinsko istraživanje, promovirajući LED dodatnu rasvjetu u tvornicama umjetnog svjetla.