Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, atd. Zdrojová média: Technologie zemědělského inženýrství (skleníkové zahradnictví)

Závod kombinuje moderní průmysl, biotechnologii, živinovou hydroponii a informační technologie k implementaci vysoce přesné kontroly environmentálních faktorů v zařízení. Je plně uzavřený, má nízké nároky na okolní prostředí, zkracuje dobu sklizně rostlin, šetří vodu a hnojiva a s výhodami výroby bez pesticidů a bez vypouštění odpadu je jednotková účinnost využití půdy 40 až 108krát vyšší. produkce na volném poli. Mezi nimi hraje rozhodující roli v efektivitě jeho výroby inteligentní zdroj umělého světla a jeho regulace světelného prostředí.

Světlo jako důležitý fyzikální faktor životního prostředí hraje klíčovou roli při regulaci růstu rostlin a látkového metabolismu. „Jedním z hlavních rysů závodu je plný zdroj umělého světla a realizace inteligentní regulace světelného prostředí“ se stalo všeobecným konsensem v průmyslu.

Potřeba světla rostlin

Světlo je jediným zdrojem energie rostlinné fotosyntézy. 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 rostliny světlomilné, středně světlomilné a slabě tolerantní. Zelenina je většinou světlomilná rostlina a její body kompenzace světla a body nasycení světlem jsou poměrně vysoké. V továrnách na umělé osvětlení jsou relevantní požadavky plodin na intenzitu světla důležitým základem pro výběr zdrojů umělého světla. Pochopení světelných požadavků různých závodů je důležité pro navrhování zdrojů umělého světla. Je nesmírně nutné zlepšit produkční výkon systému.

■ Kvalita světla

Důležitý vliv na fotosyntézu a morfogenezi rostlin má také rozložení kvality světla (spektrální) (obrázek 1). Světlo je součástí záření a záření je elektromagnetické vlnění. Elektromagnetické vlny mají vlnové charakteristiky a kvantové (částicové) charakteristiky. Kvantum světla se v zahradnictví nazývá foton. Záření s rozsahem vlnových délek 300~800nm ​​se nazývá fyziologicky aktivní záření rostlin; a záření s rozsahem vlnových délek 400~700nm se nazývá fotosynteticky aktivní záření (PAR) rostlin.

Chlorofyl a karoteny jsou dva nejdůležitější pigmenty při fotosyntéze rostlin. Obrázek 2 ukazuje spektrální absorpční spektrum každého fotosyntetického pigmentu, ve kterém je absorpční spektrum chlorofylu soustředěno v červeném a modrém pásmu. Systém osvětlení je založen na spektrálních potřebách plodin uměle doplňovat světlo, aby se podpořila fotosyntéza rostlin.

■ fotoperioda
Vztah mezi fotosyntézou a fotomorfogenezí rostlin a délkou dne (nebo časem fotoperiody) se nazývá fotoperioda rostlin. Fotoperioda úzce souvisí se světelnými hodinami, což označuje dobu, po kterou je plodina ozářena světlem. Různé plodiny vyžadují určitý počet hodin světla, aby dokončily fotoperiodu, aby vykvetly a přinesly ovoce. Podle různých fotoperiod ji lze rozdělit na plodiny dlouhého dne, jako je zelí atd., které v určité fázi růstu vyžadují více než 12-14 hodin světla; plodiny pro krátký den, jako je cibule, sójové boby atd., vyžadují méně než 12–14 hodin osvětlení; plodiny se středním sluncem, jako jsou okurky, rajčata, papriky atd., mohou kvést a plodit při delším nebo kratším slunečním světle.
Mezi třemi prvky prostředí je intenzita světla důležitým základem pro výběr umělých zdrojů světla. V současné době existuje mnoho způsobů, jak vyjádřit intenzitu světla, zejména tři následující.
(1) Osvětlení se týká povrchové hustoty světelného toku (světelný tok na jednotku plochy) přijímaného na osvětlené rovině v luxech (lx).

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

（3）Fotosynteticky účinná hustota fotonového toku PPFD nebo PPF je počet fotosynteticky účinného záření, které dosáhne nebo projde jednotkou času a jednotkové plochy, jednotka: μmol/(m²·s)。Převážně se vztahuje k intenzitě světla 400~700nm přímo souvisí s fotosyntézou. Je také nejpoužívanějším indikátorem intenzity světla v oblasti rostlinné výroby.

Analýza světelných zdrojů typického doplňkového světelného systému
Doplněk umělého světla má zvýšit intenzitu světla v cílové oblasti nebo prodloužit dobu svícení instalací doplňkového osvětlovacího systému, aby byly splněny požadavky rostlin na světlo. Obecně lze říci, že doplňkový světelný systém zahrnuje doplňkové světelné zařízení, obvody a jeho řídicí systém. Mezi doplňkové zdroje světla patří především několik běžných typů, jako jsou žárovky, zářivky, halogenidové výbojky, vysokotlaké sodíkové výbojky a LED. Vzhledem k nízké elektrické a optické účinnosti žárovek, nízké fotosyntetické energetické účinnosti a dalším nedostatkům byl trhem eliminován, proto tento článek neprovádí podrobnou analýzu.

■ Zářivka
Zářivky patří k typu nízkotlakých plynových výbojek. Skleněná trubice je naplněna párou rtuti nebo inertním plynem a vnitřní stěna trubice je potažena fluorescenčním práškem. Barva světla se mění podle fluorescenčního materiálu potaženého v trubici. Zářivky mají dobrý spektrální výkon, vysokou světelnou účinnost, nízký výkon, delší životnost (12 000 h) ve srovnání s žárovkami a relativně nízkou cenu. Protože zářivka sama o sobě vydává méně tepla, může být pro osvětlení blízko rostlin a je vhodná pro trojrozměrné pěstování. Spektrální rozložení zářivky je však nerozumné. Nejběžnější metodou na světě je přidání reflektorů, aby se maximalizovaly účinné složky světelného zdroje plodin v pěstitelské oblasti. Japonská společnost adv-agri také vyvinula nový typ doplňkového světelného zdroje HEFL. HEFL vlastně patří do kategorie zářivek. Je to obecný termín pro zářivky se studenou katodou (CCFL) a zářivky s externí elektrodou (EEFL) a je to zářivka se smíšenou elektrodou. Trubka HEFL je extrémně tenká, s průměrem jen asi 4 mm a délku lze upravit od 450 mm do 1200 mm podle potřeb pěstování. Jedná se o vylepšenou verzi klasické zářivky.

■ Halogenidová výbojka
Metalhalogenidová výbojka je vysoce intenzivní výbojka, která dokáže vybudit různé prvky za vzniku různých vlnových délek přidáním různých halogenidů kovů (bromid cínu, jodid sodný atd.) do výbojky na bázi vysokotlaké rtuťové výbojky. Halogenové žárovky mají vysokou světelnou účinnost, vysoký výkon, dobrou barvu světla, dlouhou životnost a velké spektrum. Protože je však světelná účinnost nižší než u vysokotlakých sodíkových výbojek a životnost je kratší než u vysokotlakých sodíkových výbojek, používá se v současnosti pouze v několika továrnách.

■ Vysokotlaká sodíková výbojka
Vysokotlaké sodíkové výbojky patří k typu vysokotlakých plynových výbojek. Vysokotlaká sodíková výbojka je vysoce účinná výbojka, ve které jsou ve výbojce naplněny vysokotlaké sodíkové páry a je přidáno malé množství xenonu (Xe) a halogenidu rtuti. Vzhledem k tomu, že vysokotlaké sodíkové výbojky mají vysokou účinnost elektro-optické konverze s nižšími výrobními náklady, jsou vysokotlaké sodíkové výbojky v současnosti nejrozšířenější při aplikaci doplňkového světla v zemědělských zařízeních. Vzhledem k nedostatkům nízké fotosyntetické účinnosti ve svém spektru však mají nedostatky nízké energetické účinnosti. Na druhé straně spektrální složky vyzařované vysokotlakými sodíkovými výbojkami jsou soustředěny především ve žlutooranžovém světelném pásu, který postrádá červená a modrá spektra nezbytná pro růst rostlin.

■ Světelná dioda
Jako nová generace světelných zdrojů mají světelné diody (LED) mnoho výhod, jako je vyšší účinnost elektro-optické konverze, nastavitelné spektrum a vysoká účinnost fotosyntézy. LED může vyzařovat monochromatické světlo potřebné pro růst rostlin. Ve srovnání s běžnými zářivkami a jinými doplňkovými zdroji světla má LED výhody úspory energie, ochrany životního prostředí, dlouhé životnosti, monochromatického světla, zdroje studeného světla atd. S dalším zlepšením elektrooptické účinnosti LED a snížením nákladů způsobených efektem měřítka se LED pěstební osvětlovací systémy stanou hlavním vybavením pro doplnění světla v zemědělských zařízeních. Výsledkem je, že LED pěstební světla byla použita ve více než 99,9 % továren.

Porovnáním lze jasně porozumět charakteristikám různých doplňkových světelných zdrojů, jak ukazuje tabulka 1.

Mobilní osvětlovací zařízení
Intenzita světla úzce souvisí s růstem plodin. Trojrozměrné pěstování se často používá v továrnách na rostliny. Vzhledem k omezení konstrukce pěstebních stojanů však nerovnoměrné rozložení světla a teploty mezi stojany ovlivní výnos plodin a období sklizně nebude synchronizováno. Společnost v Pekingu v roce 2010 úspěšně vyvinula ruční zvedací světelné doplňkové zařízení (HPS osvětlovací těleso a LED osvětlovací těleso pro růst) v roce 2010. Principem je otáčet hnací hřídelí a navíječem, který je na ní upevněn, zatřesením rukojetí, aby se otáčelo malým kotoučem filmu k dosažení účelu navíjení a odvíjení ocelového lana. Drátěné lano pěstebního světla je spojeno s navíjecím kolem elevátoru pomocí několika sad reverzních kol, aby se dosáhlo efektu nastavení výšky pěstebního světla. V roce 2017 výše zmíněná společnost navrhla a vyvinula nové mobilní zařízení na doplnění světla, které dokáže automaticky v reálném čase upravit výšku světelného doplňku podle potřeb růstu plodin. Nastavovací zařízení je nyní nainstalováno na třívrstvém třírozměrném kultivačním stojanu zvedacího typu zdroje světla. Horní vrstva zařízení je úroveň s nejlepšími světelnými podmínkami, proto je vybavena vysokotlakými sodíkovými výbojkami; střední vrstva a spodní vrstva jsou vybaveny LED růstovými světly a systémem nastavení zdvihu. Dokáže automaticky upravit výšku pěstebního světla, aby poskytlo vhodné světelné prostředí pro plodiny.

Ve srovnání s mobilním světelným doplňkovým zařízením přizpůsobeným pro trojrozměrné pěstování, Nizozemsko vyvinulo horizontálně pohyblivé LED pěstební světelné doplňkové světelné zařízení. Aby se zabránilo vlivu stínu pěstebního světla na růst rostlin na slunci, lze systém pěstebního osvětlení zasunout na obě strany držáku přes teleskopickou lištu ve vodorovném směru tak, aby bylo slunce plně osvětleno. ozářeno na rostliny; v zamračených a deštivých dnech bez slunečního světla zatlačte systém pěstebního osvětlení doprostřed držáku, aby světlo pěstebního světelného systému rovnoměrně naplnilo rostliny; posouvejte systém pěstebního osvětlení vodorovně přes šoupátko na držáku, vyhněte se častému rozebírání a odstraňování systému pěstebního osvětlení a snižujte pracovní náročnost zaměstnanců, čímž efektivně zlepšujete efektivitu práce.

Návrhové nápady typického pěstebního světelného systému
Z návrhu mobilního osvětlovacího přídavného zařízení není těžké vidět, že návrh systému přídavného osvětlení závodu obvykle bere jako hlavní náplň návrhu intenzitu světla, kvalitu světla a parametry fotoperiody různých období růstu plodin. , spoléhající na implementaci inteligentního řídicího systému, dosažení konečného cíle úspory energie a vysokého výnosu.

V současné době postupně dozrával návrh a konstrukce doplňkového světla pro listovou zeleninu. Například listová zelenina může být rozdělena do čtyř fází: fáze semenáčku, středního růstu, pozdního růstu a konečná fáze; ovoce-zeleninu lze rozdělit na fázi semenáčku, fázi vegetativního růstu, fázi květu a fázi sklizně. Z atributů doplňkové intenzity světla by intenzita světla ve stádiu semenáčku měla být o něco 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 může dosáhnout 300~500 μmol/(m²·s), aby byly zajištěny požadavky na intenzitu světla rostlinné fotosyntézy v každém růstovém období a splňovaly potřeby vysoký výnos; Z hlediska kvality světla je velmi důležitý poměr červené a modré. Aby se zvýšila kvalita sazenic a zabránilo se nadměrnému růstu ve fázi sazenic, je poměr červené a modré obecně nastaven na nízkou úroveň [(1~2:1] a poté postupně snižován, aby vyhovoval potřebám rostliny. světelná morfologie. Poměr červené a modré k listové zelenině lze nastavit na (3~6):1. Pro fotoperiodu, podobně jako intenzita světla, by měla vykazovat rostoucí trend s prodlužujícím se obdobím růstu, aby měla listová zelenina více fotosyntetického času na fotosyntézu. Design lehkého doplňku ovoce a zeleniny bude složitější. Kromě výše zmíněných základních zákonitostí bychom se měli zaměřit na nastavení fotoperiody v období květu a u zeleniny je třeba podporovat kvetení a plodování, aby se to nevrátilo.

Za zmínku stojí, že světelný vzorec by měl zahrnovat konečnou úpravu nastavení světelného prostředí. Například nepřetržitá suplementace světlem může výrazně zlepšit výnos a kvalitu sazenic hydroponické listové zeleniny nebo použít UV ošetření k výraznému zlepšení nutriční kvality klíčků a listové zeleniny (zejména fialových listů a červeného salátu).

Kromě optimalizace doplňování světla pro vybrané plodiny se v posledních letech rychle vyvíjel také systém řízení světelných zdrojů některých továren 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 při růstu plodin je realizováno prostřednictvím WIFI a zároveň je realizována výrobní metoda neomezená vnějšími podmínkami. Tento druh inteligentního doplňkového světelného systému používá jako doplňkový světelný zdroj LED růstové svítidlo v kombinaci s dálkovým inteligentním řídicím systémem, může splňovat potřeby osvětlení vlnové délky rostlin, je zvláště vhodný pro prostředí pro pěstování rostlin řízeným světlem a může dobře uspokojit 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. Jako nový typ zemědělské výrobní metody jsou továrny na rostliny stále ve fázi učení a růstu a je zapotřebí více pozornosti a výzkumu. Tento článek popisuje charakteristiky a výhody běžných metod doplňkového osvětlení v továrnách na rostliny a představuje nápady na design typických systémů doplňkového osvětlení plodin. Není těžké najít srovnáním, aby se vyrovnalo se slabým osvětlením způsobeným nepříznivým počasím, jako je nepřetržitá oblačnost a opar, a aby byla zajištěna vysoká a stabilní produkce rostlinných plodin, vybavení světelného zdroje LED Grow nejvíce odpovídá současnému vývoji trendy.

Budoucí směr rozvoje továren by se měl zaměřit na nové vysoce přesné, nízkonákladové senzory, dálkově ovladatelné systémy světelných zařízení s nastavitelným spektrem a expertní řídicí systémy. Budoucí továrny se zároveň budou nadále vyvíjet směrem k nízkonákladovým, inteligentním a přizpůsobivým. Použití a popularizace LED pěstebních světelných zdrojů poskytuje záruku pro vysoce přesné environmentální řízení továren. Regulace světelného prostředí LED je komplexní proces zahrnující komplexní regulaci kvality světla, intenzity světla a fotoperiody. Příslušní odborníci a učenci potřebují provést hloubkový výzkum a propagovat doplňkové LED osvětlení v továrnách na umělé osvětlení.