Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu atd. Zdroj: Zemědělské inženýrství (skleníkové zahradnictví)

Továrna na rostliny kombinuje moderní průmysl, biotechnologii, hydroponii živin a informační technologie, aby zavedla vysoce přesné řízení faktorů prostředí v zařízení. Je plně uzavřená, má nízké nároky na okolní prostředí, zkracuje dobu sklizně rostlin, šetří vodu a hnojiva a díky výhodám produkce bez pesticidů a nulového vypouštění odpadu je účinnost využití půdy na jednotku 40 až 108krát vyšší než u produkce na otevřeném poli. Mezi nimi hraje rozhodující roli v efektivitě výroby inteligentní zdroj umělého světla a jeho regulace světelného prostředí.

Jakožto důležitý fyzikální faktor prostředí hraje světlo klíčovou roli v regulaci růstu rostlin a metabolismu látek. „Jednou z hlavních vlastností rostlinné továrny je plně umělý zdroj světla a realizace inteligentní regulace světelného prostředí“ se v tomto odvětví stalo všeobecným konsensem.

Potřeba světla u rostlin

Světlo je jediným zdrojem energie pro fotosyntézu rostlin. Intenzita světla, kvalita světla (spektrum) a periodické změny světla mají zásadní vliv na růst a vývoj plodin, z nichž intenzita světla má největší vliv na fotosyntézu rostlin.

■ Intenzita světla

Intenzita světla může změnit morfologii plodin, jako je kvetení, délka internodia, tloušťka stonku a velikost a tloušťka listů. Požadavky rostlin na intenzitu světla lze rozdělit na světlomilné, středně světlomilné a rostliny s nízkou tolerancí světla. Zelenina je většinou světlomilná rostlina a její body kompenzace světla a body nasycení světla jsou relativně vysoké. V továrnách na umělé osvětlení jsou relevantní požadavky plodin na intenzitu světla důležitým základem pro výběr umělých světelných zdrojů. Pochopení světelných požadavků různých rostlin je důležité pro navrhování umělých světelných zdrojů a je nesmírně nutné zlepšit produkční výkon systému.

■ Kvalita světla

Rozložení kvality světla (spektrální) má také důležitý vliv na fotosyntézu a morfogenezi rostlin (obrázek 1). Světlo je součástí záření a záření je elektromagnetická vlna. Elektromagnetické vlny mají vlnové a kvantové (částicové) charakteristiky. Kvant světla se v zahradnictví nazývá foton. Záření s vlnovou délkou 300~800 nm se nazývá fyziologicky aktivní záření rostlin; a záření s vlnovou délkou 400~700 nm se nazývá fotosynteticky aktivní záření (PAR) rostlin.

Chlorofyl a karoteny jsou dva nejdůležitější pigmenty ve fotosyntéze rostlin. Obrázek 2 ukazuje spektrální absorpční spektrum každého fotosyntetického pigmentu, ve kterém je absorpční spektrum chlorofylu soustředěno v červeném a modrém pásmu. Osvětlovací systém je založen na spektrálních potřebách plodin k umělému doplnění světla, aby se podpořila fotosyntéza rostlin.

■ fotoperioda
Vztah mezi fotosyntézou a fotomorfogenezí rostlin a délkou dne (neboli fotoperiodou) se nazývá fotoperioda rostlin. Fotoperioda úzce souvisí s počtem světelných hodin, což je doba, po kterou je plodina ozářena světlem. Různé plodiny potřebují určitý počet hodin světla k dokončení fotoperiody, aby mohly rozkvést a přinést plody. Podle různých fotoperiod je lze rozdělit na plodiny s dlouhým dnem, jako je zelí atd., které vyžadují v určité fázi růstu více než 12–14 hodin světelných hodin; plodiny s krátkým dnem, jako je cibule, sója atd., vyžadují méně než 12–14 hodin osvětlení; plodiny s středně silným sluncem, jako jsou okurky, rajčata, papriky atd., mohou kvést a přinášet plody za delšího nebo kratšího slunečního svitu.
Mezi třemi prvky prostředí je intenzita světla důležitým základem pro výběr umělých světelných zdrojů. V současné době existuje mnoho způsobů, jak vyjádřit intenzitu světla, včetně následujících tří.
(1) Osvětlení se vztahuje k povrchové hustotě světelného toku (světelný tok na jednotku plochy) dopadajícího na osvětlenou rovinu v luxech (lx).

(2) Fotosynteticky aktivní záření, PAR, jednotka: W/m².

(3) Fotosynteticky efektivní hustota fotonového toku PPFD neboli PPF je množství fotosynteticky efektivního záření, které dosáhne nebo projde jednotkou času a jednotkou plochy, jednotka: μmol/(m²·s). Vztahuje se především na intenzitu světla o 400~700 nm přímo související s fotosyntézou. Je také nejčastěji používaným indikátorem intenzity světla v oblasti rostlinné produkce.

Analýza světelného zdroje typického doplňkového světelného systému
Doplňkové umělé osvětlení slouží ke zvýšení intenzity světla v cílové oblasti nebo prodloužení doby svícení instalací doplňkového světelného systému, který uspokojí světelné nároky rostlin. Obecně řečeno, doplňkový světelný systém zahrnuje doplňkové osvětlovací zařízení, obvody a jejich řídicí systém. Mezi doplňkové světelné zdroje patří především několik běžných typů, jako jsou žárovky, zářivky, halogenidové výbojky, vysokotlaké sodíkové výbojky a LED diody. Vzhledem k nízké elektrické a optické účinnosti žárovek, nízké fotosyntetické energetické účinnosti a dalším nedostatkům byly z trhu vyřazeny, takže tento článek neprovádí podrobnou analýzu.

■ Zářivka
Zářivky patří do typu nízkotlakých plynových výbojek. Skleněná trubice je naplněna rtuťovými parami nebo inertním plynem a vnitřní stěna trubice je potažena fluorescenčním práškem. Barva světla se mění v závislosti na fluorescenčním materiálu potaženém v trubici. Zářivky mají dobrý spektrální výkon, vysokou světelnou účinnost, nízký příkon, delší životnost (12 000 hodin) ve srovnání s žárovkami a relativně nízkou cenu. Protože samotná zářivka vyzařuje méně tepla, může být umístěna blízko rostlin pro osvětlení a je vhodná pro trojrozměrné pěstování. Spektrální uspořádání zářivky je však nepraktické. Nejběžnější metodou na světě je přidání reflektorů pro maximalizaci účinných složek světelného zdroje plodin v pěstební oblasti. Japonská společnost adv-agri také vyvinula nový typ doplňkového světelného zdroje HEFL. HEFL ve skutečnosti patří do kategorie zářivek. Je to obecný termín pro zářivky se studenou katodou (CCFL) a zářivky s externí elektrodou (EEFL) a jedná se o zářivku se smíšenou elektrodou. Trubice HEFL je extrémně tenká, s průměrem pouze asi 4 mm, a její délku lze nastavit od 450 mm do 1200 mm podle potřeb pěstování. Jedná se o vylepšenou verzi běžné zářivky.

■ Halogenidová výbojka
Halogenidová výbojka je vysoce intenzivní výbojka, která může excitovat různé prvky a produkovat různé vlnové délky přidáním různých halogenidů kovů (bromidu cínu, jodidu sodného atd.) do výbojky na bázi vysokotlaké rtuťové výbojky. Halogenidové výbojky mají vysokou světelnou účinnost, vysoký výkon, dobrou barvu světla, dlouhou životnost a široké spektrum. Protože je však světelná účinnost nižší než u vysokotlakých sodíkových výbojek a životnost je kratší než u vysokotlakých sodíkových výbojek, v současné době se používají pouze v několika továrnách.

■ Vysokotlaká sodíková výbojka
Vysokotlaké sodíkové výbojky patří do typu vysokotlakých plynových výbojek. Vysokotlaká sodíková výbojka je vysoce účinná výbojka, ve které je výbojka naplněna vysokotlakou sodíkovou párou a je přidáno malé množství xenonu (Xe) a halogenidu rtuti. Vzhledem k tomu, že vysokotlaké sodíkové výbojky mají vysokou elektrooptickou účinnost přeměny s nižšími výrobními náklady, jsou v současnosti nejrozšířenější v aplikaci doplňkového osvětlení v zemědělských zařízeních. Vzhledem k nedostatkům v podobě nízké fotosyntetické účinnosti ve spektru však mají nízkou energetickou účinnost. Na druhou stranu spektrální složky emitované vysokotlakými sodíkovými výbojkami jsou soustředěny převážně ve žlutooranžovém světelném pásmu, kterému chybí červené a modré spektrum nezbytné pro růst rostlin.

■ Světelná dioda
Jako nová generace světelných zdrojů mají světelné diody (LED) mnoho výhod, jako je vyšší účinnost elektrooptické přeměny, nastavitelné spektrum a vysoká fotosyntetická účinnost. LED diody mohou vyzařovat monochromatické světlo potřebné pro růst rostlin. Ve srovnání s běžnými zářivkami a dalšími doplňkovými světelnými zdroji mají LED diody výhody v podobě úspory energie, ochrany životního prostředí, dlouhé životnosti, monochromatického světla, zdroje studeného světla atd. S dalším zlepšováním elektrooptické účinnosti LED diod a snižováním nákladů způsobených efektem měřítka se LED pěstební osvětlení stane hlavním zařízením pro doplňování světla v zemědělských zařízeních. V důsledku toho se LED pěstební světla používají ve více než 99,9 % rostlinných závodů.

Porovnáním lze jasně pochopit charakteristiky různých doplňkových světelných zdrojů, jak je uvedeno v tabulce 1.

Mobilní osvětlovací zařízení
Intenzita světla úzce souvisí s růstem plodin. Trojrozměrné kultivace se často používá v rostlinných továrnách. Vzhledem k omezením konstrukce kultivačních stojanů však nerovnoměrné rozložení světla a teploty mezi stojany ovlivňuje výnos plodin a období sklizně nebude synchronizované. Pekingská společnost v roce 2010 úspěšně vyvinula ruční zvedací zařízení pro doplňování světla (svítidlo HPS a LED pěstební svítidlo). Princip spočívá v otáčení hnací hřídele a navíječe, který je na ní upevněn, a zatřesením rukojeti se otáčí malá cívka fólie, čímž se dosáhne navíjení a odvíjení ocelového lana. Ocelové lano pěstebního světla je spojeno s navíjecím kolem výtahu pomocí několika sad reverzních kol, čímž se dosáhne efektu nastavení výšky pěstebního světla. V roce 2017 výše zmíněná společnost navrhla a vyvinula nové mobilní zařízení pro doplňování světla, které dokáže automaticky upravovat výšku doplňování světla v reálném čase podle potřeb růstu plodin. Nastavovací zařízení je nyní instalováno na třívrstvém zvedacím trojrozměrném pěstebním stojanu se světelným zdrojem. Vrchní vrstva zařízení je na úrovni s nejlepšími světelnými podmínkami, takže je vybavena vysokotlakými sodíkovými výbojkami; střední a spodní vrstva jsou vybaveny LED pěstebními světly a systémem nastavení zvedání. Systém dokáže automaticky nastavit výšku pěstebního světla a zajistit tak vhodné světelné prostředí pro plodiny.

Ve srovnání s mobilním doplňkovým světelným zařízením určeným pro trojrozměrné pěstování vyvinulo Nizozemsko horizontálně pohyblivé doplňkové LED osvětlení pro pěstování. Aby se zabránilo vlivu stínu pěstebního světla na růst rostlin na slunci, lze systém pěstebního světla posunout na obě strany držáku pomocí teleskopického výsuvu v horizontálním směru, takže slunce plně ozáří rostliny. Za zatažených a deštivých dnů bez slunečního svitu zasuňte systém pěstebního světla do středu držáku, aby světlo systému pěstebního světla rovnoměrně osvětlovalo rostliny. Posouváním systému pěstebního světla vodorovně pomocí výsuvu na držáku se zabrání časté demontáži a vyjímání systému pěstebního světla a sníží se pracovní náročnost zaměstnanců, čímž se efektivně zvýší efektivita práce.

Nápady na design typického systému pěstebního osvětlení
Z návrhu doplňkového mobilního osvětlovacího zařízení není těžké vidět, že návrh doplňkového osvětlovacího systému závodu obvykle bere jako hlavní obsah návrhu intenzitu světla, kvalitu světla a parametry fotoperiody různých období růstu plodin, spoléhaje se na implementaci inteligentního řídicího systému, čímž se dosahuje konečného cíle úspory energie a vysokého výnosu.

V současné době se návrh a konstrukce doplňkového osvětlení pro listovou zeleninu postupně vyvíjí. Například listovou zeleninu lze rozdělit do čtyř fází: fáze sazenice, střední fáze růstu, pozdní fáze růstu a konečná fáze; plodovou zeleninu lze rozdělit na fázi sazenice, fázi vegetativního růstu, fázi květu a fázi sklizně. Z atributů intenzity doplňkového osvětlení by měla být intenzita světla ve fázi sazenice mírně nižší, 60~200 μmol/(m²·s), a poté by se měla postupně zvyšovat. Listová zelenina může dosáhnout až 100~200 μmol/(m²·s) a plodová zelenina 300~500 μmol/(m²·s), aby byly zajištěny požadavky na intenzitu světla pro fotosyntézu rostlin v každém růstovém období a splněny požadavky na vysoký výnos; Z hlediska kvality světla je velmi důležitý poměr červené a modré barvy. Aby se zvýšila kvalita sazenic a zabránilo se nadměrnému růstu ve fázi klíčení, poměr červené a modré se obecně nastavuje na nízkou úroveň [(1~2):1] a poté se postupně snižuje, aby vyhovoval potřebám světelné morfologie rostlin. Poměr červené a modré u listové zeleniny lze nastavit na (3~6):1. Fotoperioda by měla, podobně jako intenzita světla, vykazovat rostoucí trend s prodlužujícím se růstovým obdobím, takže listová zelenina má více fotosyntetického času pro fotosyntézu. Návrh doplňkového osvětlení ovoce a zeleniny bude složitější. Kromě výše uvedených základních zákonů bychom se měli zaměřit na nastavení fotoperiody během období květu a podporovat kvetení a plodnost zeleniny, aby se zabránilo nežádoucímu účinku.

Za zmínku stojí, že světelný vzorec by měl zahrnovat i konečné ošetření pro specifické světelné prostředí. Například kontinuální doplňování světla může výrazně zlepšit výnos a kvalitu hydroponických sazenic listové zeleniny nebo použití UV záření k významnému zlepšení nutriční kvality klíčků a listové zeleniny (zejména salátu s fialovými listy a červenolisté listy).

Kromě optimalizace doplňkového osvětlení pro vybrané plodiny se v posledních letech rychle rozvíjí i systém řízení světelného zdroje v některých továrnách na umělé osvětlení. Tento řídicí systém je obecně založen na struktuře B/S. Dálkové ovládání a automatické řízení faktorů prostředí, jako je teplota, vlhkost, světlo a koncentrace CO2, během růstu plodin je realizováno prostřednictvím Wi-Fi a zároveň je realizována výrobní metoda, která není omezena vnějšími podmínkami. Tento typ inteligentního doplňkového světelného systému využívá LED pěstební svítidlo jako doplňkový zdroj světla v kombinaci s dálkovým inteligentním řídicím systémem, což dokáže uspokojit potřeby osvětlení rostlin v závislosti na vlnové délce, je obzvláště vhodný pro prostředí pěstování rostlin s řízeným světlem a dobře uspokojí poptávku trhu.

Závěrečné poznámky
Rostlinné továrny jsou považovány za důležitý způsob řešení světových problémů se zdroji, populací a životním prostředím v 21. století a za důležitý způsob, jak dosáhnout potravinové soběstačnosti v budoucích high-tech projektech. Rostlinné továrny, jako nový typ zemědělské výrobní metody, jsou stále ve fázi učení a růstu a je zapotřebí větší pozornosti a výzkumu. Tento článek popisuje charakteristiky a výhody běžných metod doplňkového osvětlení v rostlinných továrnách a představuje konstrukční nápady typických systémů doplňkového osvětlení plodin. Není těžké porovnáním zjistit, zda LED světelné zdroje pro pěstování nejlépe odpovídají současným vývojovým trendům, aby se vyrovnaly se slabým osvětlením způsobeným nepříznivým počasím, jako je trvalá oblačnost a opar, a aby se zajistila vysoká a stabilní produkce rostlinných plodin.

Budoucí vývoj rostlinných továren by se měl zaměřit na nové vysoce přesné a nízkonákladové senzory, dálkově ovladatelné systémy osvětlení s nastavitelným spektrem a expertní řídicí systémy. Zároveň se budou budoucí rostlinné továrny i nadále vyvíjet směrem k nízkonákladovým, inteligentním a samoadaptivním systémům. Používání a popularizace LED světelných zdrojů pro pěstování zaručuje vysoce přesné řízení prostředí v rostlinných továrnách. Regulace LED světelného prostředí je složitý proces zahrnující komplexní regulaci kvality světla, intenzity světla a fotoperiody. Příslušní odborníci a vědci by měli provést hloubkový výzkum a propagovat doplňkové LED osvětlení v rostlinných továrnách s umělým osvětlením.