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

Továrna na rostliny kombinuje moderní průmysl, biotechnologii, hydroponiku živin a informační technologie k implementaci vysoce přesné kontroly environmentálních faktorů v zařízení. Je plně uzavřen, má nízké požadavky na okolní prostředí, zkracuje období sklizně rostliny, šetří vodu a hnojivo a s výhodami produkce ne-pesticidů a bez propuštění odpadu je účinnost využití půdy 40 až 108krát z toho. produkce otevřeného pole. Mezi nimi hrají inteligentní umělý zdroj světla a regulace jeho světelného prostředí rozhodující roli v jeho produkční účinnosti.

Jako důležitý fyzický faktor prostředí hraje světlo klíčovou roli při regulaci růstu rostlin a metabolismu materiálu. „Jedním z hlavních rysů továrny na rostliny je úplný umělý zdroj světla a realizace inteligentní regulace lehkého prostředí“ se v tomto odvětví stala obecným konsensem.

Potřeba světla rostlin

Světlo je jediným zdrojem energie fotosyntézy rostlin. Intenzita světla, kvalita světla (spektrum) a periodické změny světla mají hluboký dopad na růst a vývoj plodin, mezi nimiž má intenzita světla největší dopad na fotosyntézu rostlin.

■ Intenzita světla

Intenzita světla může změnit morfologii plodin, jako je kvetení, délka internody, tloušťka stonku a velikost a tloušťka listů. Požadavky rostlin pro intenzitu světla lze rozdělit na rostliny milující světlo, středně osvětlení a slabým osvětlením. Zelenina jsou většinou rostliny milující světlo a jejich body kompenzace světla a body nasycení světla jsou relativně vysoké. V umělých světelných rostlinných továrnách jsou relevantní požadavky plodin pro intenzitu světla důležitým základem pro výběr zdrojů umělého světla. Pochopení světla požadavků různých rostlin je důležité pro navrhování zdrojů umělého světla, je velmi nutné zlepšit produkční výkon systému.

■ Kvalita světla

Distribuce 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 charakteristiky vln a kvantové (částice) charakteristiky. Kvantum světla se nazývá foton v zahradnickém poli. Záření s rozsahem vlnové délky 300 ~ 800 nm se nazývá fyziologicky aktivní záření rostlin; a záření s rozsahem vlnové délky 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 koncentrováno v červených a modrých pásech. Systém osvětlení je založen na spektrálních potřebách plodin pro umělé doplnění světla, aby se podpořila fotosyntéza rostlin.

■ Fotoperioda
Vztah mezi fotosyntézou a fotomorfogenezí rostlin a délky dne (nebo dobou fotoperiody) se nazývá fotoperiodita rostlin. Fotoperiodita úzce souvisí s lehkými hodinami, což odkazuje na dobu, kdy je plodina ozářena světlem. Různé plodiny vyžadují určitý počet hodin světla k dokončení fotoperiody k rozkvětu a nese ovoce. Podle různých fotoperiody může být rozdělena do dlouhých denních plodin, jako je zelí atd., Které vyžadují více než 12-14h světelné hodiny v určité fázi jeho růstu; Krátkodobé plodiny, jako jsou cibule, sójové boby atd., Vyžadují méně než 12-14h hodin osvětlení; Plodiny středního sun, jako jsou okurky, rajčata, papriky atd., Mohou kvete a nese ovoce pod delší nebo kratší sluneční světlo.
Mezi třemi prvky prostředí je intenzita světla důležitým základem pro výběr zdrojů umělého světla. V současné době existuje mnoho způsobů, jak vyjádřit intenzitu světla, hlavně včetně následujících tří.
（1） Osvětlení se týká povrchové hustoty světelného toku (světelný tok na jednotku plochy) přijaté na osvětlené rovině v Lux (LX).

（2） fotosynteticky aktivní záření, par ， jednotka ： w/m²。

（3） Fotosynteticky účinná hustota toku fotonů PPFD nebo PPF je počet fotosynteticky efektivního záření, které dosahuje nebo prochází jednotkovým časem a jednotkovou oblastí, jednotka ： μmol/(m² · s) přímo související s fotosyntézou. Je to také nejčastěji používaný indikátor intenzity světla v oblasti výroby rostlin.

Analýza světelného zdroje typického doplňkového světla
Umělý doplněk světla je zvýšit intenzitu světla v cílové oblasti nebo prodloužit dobu světla instalací světelného systému doplňování, aby splnil světelný požadavek rostlin. Obecně řečeno, doplňkový světlý systém zahrnuje doplňkové lehké zařízení, obvody a jeho kontrolní systém. Doplňkové zdroje světla zahrnují hlavně několik běžných typů, jako jsou žárovky, zářivky, kovové halogenidy, vysokotlaké sodíkové lampy a LED diody. Vzhledem k nízké elektrické a optické účinnosti žárovky, nízké fotosyntetické energetické účinnosti a dalších nedostatků byl trhem eliminován, takže tento článek neprovádí podrobnou analýzu.

■ Fluorescenční lampa
Fluorescenční lampy patří k typu nízkotlakých plynových vypouštěcích lamp. Skleněná trubice je naplněna párou rtuti nebo inertním plynem a vnitřní stěna trubice je potažena zářivkovým práškem. Barva světla se mění s zářivkovým materiálem potaženým ve zkumavce. Fluorescenční lampy mají dobrý spektrální výkon, vysokou světelnou účinnost, nízkou energii, delší životnost (12 000 hodin) ve srovnání s žárovkami a relativně nízkými náklady. Protože samotná fluorescenční lampa vysílá méně tepla, může být blízko rostlin pro osvětlení a je vhodná pro trojrozměrnou kultivaci. Spektrální rozložení fluorescenční lampy je však nepřiměřené. Nejběžnější metodou na světě je přidat reflektory, aby se maximalizovala efektivní komponenty zdroje světla plodin v kultivační oblasti. Japonská společnost ADV-AGRI také vyvinula nový typ doplňkového světelného zdroje HEFL. Hefl ve skutečnosti patří do kategorie zářivkových lamp. Je to obecný termín pro fluorescenční lampy studené katody (CCFL) a externí elektrodové fluorescenční lampy (EEFL) a je smíšenou elektrodovou fluorescenční lampou. Trubice HEFL je extrémně tenká, s průměrem pouze asi 4 mm a délka může být upravena od 450 mm do 1200 mm podle potřeb kultivace. Jedná se o vylepšenou verzi konvenční fluorescenční lampy.

■ Kovová halogenická lampa
Kovová halogenidová lampa je vypouštěcí lampa s vysokou intenzitou, která může vzrušit různé prvky a vytvářet různé vlnové délky přidáním různých kovových halogenidů (cínový bromid, jodid sodný atd.) Do výbojové trubice na základě vysokotlaké rtuti. Halogenové lampy mají vysokou světelnou účinnost, vysokou energii, dobrou barvu světla, dlouhou životnost a velké spektrum. Protože je však světelná účinnost nižší než u vysokotlakých sodíkových lamp a životnost je kratší než účinnost vysokotlakých sodíkových lamp, v současné době se používá pouze v několika rostlinných továrnách.

■ Vysokotlaká sodíková lampa
Vysokotlaké sodíkové lampy patří k typu vysokotlakých plynových vypouštěcích lamp. Vysokotlaká sodíková lampa je vysoce účinná lampa, ve které je ve vypouštěcí trubici vyplněna vysokotlaká sodíková pára a přidá se malé množství xenonu (Xe) a rtuťového kovu. Protože vysokotlaké lampy sodíku mají vysokou účinnost elektrooptické konverze s nižšími výrobními náklady, vysokotlaké sodíkové lampy jsou v současné době nejrozšířenější při použití doplňkového světla v zemědělských zařízeních. Avšak vzhledem k nedostatkům nízké fotosyntetické účinnosti ve svém spektru mají nedostatky nízké energetické účinnosti. Na druhé straně jsou spektrální komponenty emitované vysokotlakými lampy sodíku hlavně koncentrovány v žlutém oranžovém světelném pásmu, které postrádají červená a modrá spektra nezbytná pro růst rostlin.

■ Dioda emitující světlo
Jako nová generace světelných zdrojů mají diody emitující světlo (LED) mnoho výhod, jako je vyšší účinnost elektrooptické konverze, nastavitelné spektrum a vysoká fotosyntetická účinnost. LED může emitovat monochromatické světlo potřebné pro růst rostlin. Ve srovnání s běžnými fluorescenčními lampami a jinými doplňkovými světelnými zdroji má LED výhody úspory energie, ochrany životního prostředí, dlouhé životnosti, monochromatické světlo, zdroj studeného světla atd. S dalším zlepšením elektrooptické účinnosti LED a snížením nákladů způsobených efektem měřítka se stane systémy růstu LED růstových osvětlení LED zařízením pro doplnění světla v zemědělských zařízeních. Výsledkem byla, že růstová světla LED byla použita přes 99,9% rostlinných továren.

Prostřednictvím srovnání lze jasně pochopit charakteristiky různých zdrojů doplňkového světla, jak je uvedeno v tabulce 1.

Zařízení pro mobilní osvětlení
Intenzita světla úzce souvisí s růstem plodin. V rostlinných továrnách se často používá trojrozměrná kultivace. Avšak vzhledem k omezení struktury kultivačních stojanů bude nerovnoměrné rozdělení světla a teploty mezi stojany ovlivnit výnos plodin a období sklizně nebude synchronizováno. Společnost v Pekingu úspěšně vyvinula manuální zařízení pro doplnění zvedání světla (svítidlo osvětlení HPS a LED rostoucí osvětlení). Zásadem je otáčet hnací hřídeli a navíječ na něj otřesením rukojeti, aby se otočil malý filmový naviják dosáhnout účelu zasunutí a odvíjení drátěného lana. Drátěné lano pěstovacího světla je spojeno s klikatým kolem výtahu přes několik sad obrácených kol, aby bylo dosaženo účinku úpravy výšky pěstového světla. V roce 2017 byla výše uvedená společnost navržena a vyvinula nové zařízení pro doplněk mobilního světla, které může automaticky upravit výšku doplňku světla v reálném čase podle potřeb růstu plodin. Nastavovací zařízení je nyní nainstalováno na trojvrstevním typu Zdrojového typu zdroje trojrozměrného kultivačního stojanu. Horní vrstva zařízení je úroveň s nejlepším světelným stavem, takže je vybavena vysokotlakými sodíkovými lampami; Střední vrstva a spodní vrstva jsou vybaveny LED pěstovacími světly a systémem nastavení zvedání. Může automaticky upravit výšku růstového světla tak, aby poskytovalo vhodné osvětlovací prostředí pro plodiny.

Ve srovnání s zařízením pro doplněk mobilního světla přizpůsobeného pro trojrozměrnou kultivaci vyvinula Nizozemsko vodorovně pohyblivé LED růstové světlo doplněk světla. Aby se zabránilo vlivu stínu pěstového světla na růst rostlin na slunci, může být systém pěstování světla tlačen na obě strany držáku teleskopickým skluzem v horizontálním směru, takže slunce je plně plně ozářené na rostlinách; Za zamračených a deštivých dnů bez slunečního světla zatlačte systém Grow Light do středu držáku, aby se rostliny rozsvítilo světlo rostoucího světla; Přesuňte systém pěstování světla vodorovně přes sklíčku na držáku, vyhněte se časté demontáži a odstranění systému Grow Light a snižte intenzitu práce zaměstnanců, čímž účinně zvyšuje účinnost pracovní práce.

Design nápady typického růstového světla
Z návrhu doplňkového zařízení pro mobilní osvětlení není obtížné vidět, že návrh systému doplňkového osvětlení továrny obvykle bere intenzitu světla, kvalitu světla a parametry fotoperiody různých období růstu plodin jako obsah jádra návrhu , spoléhat se na inteligentní kontrolní systém k implementaci, dosažení konečného cíle úspory energie a vysokého výnosu.

V současné době se návrh a konstrukce doplňkového světla pro listovou zeleninu postupně zraje. Například listová zelenina může být rozdělena do čtyř fází: fáze sazenice, střední růst, pozdní růst a koncová fáze; Ovoce-vegetably lze rozdělit do fáze sazenic, vegetativního růstu, fáze kvetení a fáze sklizně. Z atributů doplňkové intenzity světla by měla být intenzita světla ve fázi sazenice o něco nižší, při 60 ~ 200 μmol/(m² · s) a poté se postupně zvyšovat. Listová zelenina může dosáhnout až 100 ~ 200 μmol/(m² · s) a ovocná zelenina může dosáhnout 300 ~ 500 μmol/(m² · s), aby se zajistily požadavky na intenzitu světla v každém růstovém období a splnit potřeby vysoký výnos; Pokud jde o kvalitu světla, poměr červené a modré je velmi důležitý. Aby se zvýšila kvalita sazenic a zabránila nadměrnému růstu ve fázi sazenic, je poměr červené a modré obvykle nastaven na nízké úrovni [(1 ~ 2): 1] a poté se postupně sníží, aby vyhovoval potřebám rostliny Morfologie světla. Poměr červené k modré a listové zelenině lze nastavit na (3 ~ 6): 1. Pro fotoperiodu, podobně jako intenzita světla, by měla vykazovat trend zvýšení s prodloužením období růstu, takže listová zelenina má více fotosyntetického času pro fotosyntézu. Návrh ovoce a zeleniny světla bude komplikovanější. Kromě výše uvedených základních zákonů bychom se měli během kveteního období zaměřit na nastavení fotoperiody a musí být propagováno kvetení a plodnice zeleniny, aby se nezmizely.

Za zmínku stojí, že světelný vzorec by měl zahrnovat koncové ošetření nastavení prostředí světla. Například kontinuální suplementace světla může výrazně zlepšit výnos a kvalitu hydroponických listových zeleninových sazenic nebo pomocí UV léčby k významnému zlepšení výživných klíčků a listové zeleniny (zejména fialové listy a hlávkový salát).

Kromě optimalizace doplňování světla pro vybrané plodiny se v posledních letech rychle vyvinul systém kontroly zdroje světla v některých továrnách na umělé světelné rostliny. Tento kontrolní 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, jsou realizovány prostřednictvím WiFi a zároveň je realizována produkční metoda, která není omezena vnějšími podmínkami. Tento druh inteligentního doplňkového světelného systému používá LED růstové svítidlo jako doplňkový zdroj světla v kombinaci se systémem vzdáleného inteligentního ovládání, může splňovat potřeby osvětlení vlnové délky rostlin, je zvláště vhodné pro prostředí pěstování rostlin a může dobře uspokojit poptávku na trhu a může dobře uspokojit poptávku na trhu .

Závěrečné poznámky
Továrny na rostliny jsou považovány za důležitý způsob, jak vyřešit světové zdroje, populační a environmentální problémy v 21. století, a důležitý způsob, jak dosáhnout soběstačnosti potravin v budoucích high-tech projektech. Jako nový typ metody zemědělské produkce 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 rostlinných továrnách a představuje návrhové myšlenky typických systémů doplňkového osvětlení plodin. Není obtížné najít srovnání, aby bylo možné vyrovnat se s nízkým světlem způsobeným vážným počasím, jako je nepřetržité zakalené a zákazy a zajistit vysokou a stabilní výrobu plodin zařízení, LED růstové zdrojové zařízení je nejvíce v souladu s současným vývojem trendy.

Budoucí směr vývoje továren na rostliny by se měl zaměřit na nové vysoce přesné, levné senzory, vzdáleně kontrolovatelné, nastavitelné systémy zařízení pro osvětlení spektra a expertní řídicí systémy. Současně se budoucí rostlinné továrny budou i nadále rozvíjet směrem k levnému, inteligentnímu a přizpůsobení. Použití a popularizace zdrojů LED růstu světla poskytují záruku pro vysoce přesnou kontrolu environmentálních továren. Regulace prostředí LED světla je složitý proces zahrnující komplexní regulaci kvality světla, intenzity světla a fotoperiody. Relevantní odborníci a vědci musí provádět hloubkový výzkum a podporovat doplňkové osvětlení LED v umělých světelných rostlinných továrnách.