Författare: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc. Källmedia: Agricultural Engineering Technology (växthusträdgårdsodling)

Anläggningsfabriken kombinerar modern industri, bioteknik, näringshydroponik och informationsteknik för att implementera högprecisionskontroll av miljöfaktorer i anläggningen. Den är helt innesluten, har låga krav på den omgivande miljön, förkortar växtens skördeperiod, sparar vatten och gödningsmedel, och med fördelarna med icke-bekämpningsmedelsproduktion och inget avfallsutsläpp är enhetens markanvändningseffektivitet 40 till 108 gånger så mycket. av öppen fältproduktion. Bland dem spelar den intelligenta artificiella ljuskällan och dess ljusmiljöreglering en avgörande roll för dess produktionseffektivitet.

Som en viktig fysisk miljöfaktor spelar ljus en nyckelroll för att reglera växttillväxt och materialmetabolism. "En av huvuddragen i växtfabriken är den fullständiga artificiella ljuskällan och förverkligandet av intelligent reglering av ljusmiljön" har blivit en allmän konsensus i branschen.

Växternas behov av ljus

Ljus är den enda energikällan för växternas fotosyntes. Ljusintensitet, ljuskvalitet (spektrum) och periodiska ljusförändringar har en djupgående inverkan på tillväxt och utveckling av grödor, bland vilka ljusintensiteten har störst inverkan på växternas fotosyntes.

■ Ljusintensitet

Ljusets intensitet kan förändra grödors morfologi, såsom blomning, internodlängd, stjälktjocklek och bladstorlek och tjocklek. Växternas krav på ljusintensitet kan delas in i ljusälskande, medelljusälskande och svagt ljustoleranta växter. Grönsaker är mestadels ljusälskande växter, och deras ljuskompensationspunkter och ljusmättnadspunkter är relativt höga. I fabriker för konstgjorda ljusväxter är de relevanta kraven på grödor för ljusintensitet en viktig grund för att välja artificiella ljuskällor. Att förstå ljuskraven för olika växter är viktigt för att designa artificiella ljuskällor. Det är extremt nödvändigt att förbättra systemets produktionsprestanda.

■ Ljuskvalitet

Ljuskvalitetsfördelningen (spektral) har också ett viktigt inflytande på växternas fotosyntes och morfogenes (Figur 1). Ljus är en del av strålning och strålning är en elektromagnetisk våg. Elektromagnetiska vågor har vågegenskaper och kvantegenskaper (partikel). Ljuskvantumet kallas foton i trädgårdsodlingen. Strålning med ett våglängdsområde på 300~800nm ​​kallas fysiologiskt aktiv strålning av växter; och strålning med ett våglängdsområde på 400~700nm kallas fotosyntetiskt aktiv strålning (PAR) av växter.

Klorofyll och karotener är de två viktigaste pigmenten i växternas fotosyntes. Figur 2 visar det spektrala absorptionsspektrumet för varje fotosyntetisk pigment, i vilket klorofyllabsorptionsspektrumet är koncentrerat i de röda och blå banden. Belysningssystemet är baserat på grödornas spektrala behov för att artificiellt komplettera ljus, för att främja växternas fotosyntes.

■ fotoperiod
Förhållandet mellan fotosyntes och fotomorfogenes hos växter och daglängd (eller fotoperiodtid) kallas växters fotoperioditet. Fotoperioditeten är nära relaterad till ljustimmarna, vilket hänvisar till den tid grödan bestrålas av ljus. Olika grödor kräver ett visst antal timmars ljus för att fullborda fotoperioden för att blomma och bära frukt. Enligt de olika fotoperioderna kan den delas in i långdagsgrödor, såsom kål, etc., som kräver mer än 12-14 timmar ljustimmar vid ett visst stadium av dess tillväxt; kortdagsgrödor, såsom lök, sojabönor, etc., kräver mindre än 12-14 timmar. medelsoliga grödor, såsom gurka, tomater, paprika, etc., kan blomma och bära frukt under längre eller kortare solljus.
Bland de tre elementen i miljön är ljusintensiteten en viktig grund för att välja artificiella ljuskällor. För närvarande finns det många sätt att uttrycka ljusintensitet, främst inklusive följande tre.
（1）Belysning avser yttätheten för ljusflödet (ljusflöde per ytenhet) som tas emot på det upplysta planet, i lux (lx).

（2） Fotosyntetiskt aktiv strålning, PAR，Enhet：W/m²。

(3) Den fotosyntetiskt effektiva fotonflödestätheten PPFD eller PPF är antalet fotosyntetiskt effektiv strålning som når eller passerar genom enhetstid och enhetsarea, enhet:μmol/(m²·s). Avser huvudsakligen ljusintensiteten på 400~700nm direkt relaterad till fotosyntes. Det är också den mest använda ljusintensitetsindikatorn inom växtproduktion.

Ljuskällanalys av typiskt kompletterande ljussystem
Artificiellt ljustillskott är att öka ljusintensiteten i målområdet eller förlänga ljustiden genom att installera ett kompletterande ljussystem för att möta växternas ljusbehov. Generellt sett inkluderar det kompletterande ljussystemet kompletterande ljusutrustning, kretsar och dess styrsystem. Kompletterande ljuskällor omfattar främst flera vanliga typer som glödlampor, lysrör, metallhalogenlampor, högtrycksnatriumlampor och LED. På grund av den låga elektriska och optiska effektiviteten hos glödlampor, låg fotosyntetisk energieffektivitet och andra brister har den eliminerats av marknaden, så den här artikeln gör ingen detaljerad analys.

■ Lysrör
Fluorescerande lampor tillhör typen av lågtrycksgasurladdningslampor. Glasröret är fyllt med kvicksilverånga eller inert gas, och rörets innervägg är belagd med fluorescerande pulver. Ljusfärgen varierar med det fluorescerande materialet som är belagt i röret. Lysrör har bra spektralprestanda, hög ljuseffektivitet, låg effekt, längre livslängd (12000h) jämfört med glödlampor och relativt låg kostnad. Eftersom själva lysröret avger mindre värme kan den stå nära växterna för belysning och lämpar sig för tredimensionell odling. Lysrörets spektrala layout är dock orimlig. Den vanligaste metoden i världen är att lägga till reflektorer för att maximera de effektiva ljuskällkomponenterna i grödorna i odlingsområdet. Japanska adv-agri-företaget har också utvecklat en ny typ av kompletterande ljuskälla HEFL. HEFL tillhör faktiskt kategorin lysrör. Det är den allmänna termen för kallkatodlysrör (CCFL) och externa elektrodlysrör (EEFL), och är en blandad elektrodlysrör. HEFL-röret är extremt tunt, med en diameter på endast cirka 4 mm, och längden kan justeras från 450 mm till 1200 mm efter odlingens behov. Det är en förbättrad version av den konventionella lysrörslampan.

■ Metallhalogenlampa
Metallhalogenlampan är en högintensiv urladdningslampa som kan excitera olika element för att producera olika våglängder genom att tillsätta olika metallhalogenider (tennbromid, natriumjodid, etc.) i urladdningsröret på basis av en högtryckskvicksilverlampa. Halogenlampor har hög ljuseffektivitet, hög effekt, bra ljusfärg, lång livslängd och stort spektrum. Men eftersom ljuseffektiviteten är lägre än för högtrycksnatriumlampor och livslängden är kortare än för högtrycksnatriumlampor, används den för närvarande endast i ett fåtal fabriker.

■ Högtrycksnatriumlampa
Högtrycksnatriumlampor tillhör typen av högtrycksgasurladdningslampor. Högtrycksnatriumlampan är en högeffektiv lampa där högtrycksnatriumånga fylls i urladdningsröret och en liten mängd xenon (Xe) och kvicksilvermetallhalogenid tillsätts. Eftersom högtrycksnatriumlampor har hög elektro-optisk omvandlingseffektivitet med lägre tillverkningskostnader, är högtrycksnatriumlampor för närvarande de mest använda vid applicering av kompletterande ljus i jordbruksanläggningar. Men på grund av bristerna med låg fotosyntetisk effektivitet i deras spektrum, har de bristerna med låg energieffektivitet. Å andra sidan är de spektrala komponenterna som emitteras av högtrycksnatriumlampor huvudsakligen koncentrerade i det gulorange ljusbandet, som saknar det röda och blåa spektra som krävs för växttillväxt.

■ Lysdiod
Som en ny generation av ljuskällor har lysdioder (LED) många fördelar såsom högre elektrooptisk omvandlingseffektivitet, justerbart spektrum och hög fotosyntetisk effektivitet. LED kan avge monokromatiskt ljus som behövs för växttillväxt. Jämfört med vanliga lysrör och andra kompletterande ljuskällor har LED fördelarna med energibesparing, miljöskydd, lång livslängd, monokromatiskt ljus, kall ljuskälla och så vidare. Med den ytterligare förbättringen av den elektrooptiska effektiviteten hos lysdioder och minskningen av kostnaderna som orsakas av skaleffekten, kommer LED-odlingsbelysningssystem att bli den vanliga utrustningen för att komplettera ljus i jordbruksanläggningar. Som ett resultat har LED-odlingslampor använts över 99,9 % av växtfabrikerna.

Genom jämförelse kan egenskaperna hos olika kompletterande ljuskällor tydligt förstås, som visas i tabell 1.

Mobil belysningsenhet
Ljusets intensitet är nära relaterad till tillväxten av grödor. Tredimensionell odling används ofta i växtfabriker. Men på grund av begränsningen av strukturen hos odlingsställen kommer den ojämna fördelningen av ljus och temperatur mellan ställningarna att påverka skörden och skördeperioden kommer inte att synkroniseras. Ett företag i Peking har framgångsrikt utvecklat en manuell lyftljus-tilläggsanordning (HPS-belysningsarmatur och LED-växtbelysningsarmatur) 2010. Principen är att rotera drivaxeln och lindaren fixerad på den genom att skaka handtaget för att rotera den lilla filmrullen för att uppnå syftet att dra in och linda av stållinan. Växtljusens stållina är ansluten till hissens lindningshjul genom flera uppsättningar vändande hjul, för att uppnå effekten av att justera höjden på växtljuset. Under 2017 designade och utvecklade ovan nämnda företag en ny mobil ljustillskottsenhet, som automatiskt kan justera ljustillskottshöjden i realtid efter behov av växttillväxt. Justeringsanordningen är nu installerad på 3-lagers ljuskällaslyfttyp tredimensionell odlingsställning. Det översta lagret av enheten är nivån med det bästa ljusförhållandet, så den är utrustad med högtrycksnatriumlampor; mellanskiktet och bottenskiktet är utrustade med LED-växtlampor och ett lyftjusteringssystem. Den kan automatiskt justera höjden på odlingsljuset för att ge en lämplig belysningsmiljö för grödorna.

Jämfört med den mobila ljustillskottsenheten som är skräddarsydd för tredimensionell odling, har Nederländerna utvecklat en horisontellt rörlig LED-tillskottsljusenhet för tillväxtljus. För att undvika påverkan av växtljusets skugga på tillväxten av växter i solen, kan växtljussystemet skjutas till båda sidor av fästet genom teleskopsliden i horisontell riktning, så att solen är helt bestrålas på växterna; på molniga och regniga dagar utan solljus, Skjut växtljussystemet till mitten av fästet för att få växtljussystemets ljus att fylla plantorna jämnt; flytta växtljussystemet horisontellt genom rutschbanan på fästet, undvik frekvent demontering och borttagning av växtljussystemet och minska arbetsintensiteten för de anställda, vilket effektivt förbättrar arbetseffektiviteten.

Designidéer för typiska växtljussystem
Det är inte svårt att se från designen av den mobila belysningstilläggsanordningen att utformningen av det kompletterande belysningssystemet i växtfabriken vanligtvis tar ljusintensiteten, ljuskvaliteten och fotoperiodparametrarna för olika växttillväxtperioder som kärninnehållet i designen , förlitar sig på det intelligenta styrsystemet för att implementera, för att uppnå det slutliga målet energibesparing och hög avkastning.

För närvarande har designen och konstruktionen av kompletterande ljus för bladgrönsaker gradvis mognat. Till exempel kan bladgrönsaker delas in i fyra stadier: plantstadiet, medeltillväxtstadiet, senttillväxtstadiet och slutstadiet; frukt-grönsaker kan delas in i plantstadiet, vegetativt tillväxtstadium, blomningsstadium och skördestadium. Från attributen för kompletterande ljusintensitet bör ljusintensiteten i plantstadiet vara något lägre, vid 60~200 μmol/(m²·s), och sedan gradvis öka. Bladgrönsaker kan nå upp till 100~200 μmol/(m²·s), och fruktgrönsaker kan nå 300~500 μmol/(m²·s) för att säkerställa ljusintensitetskraven för växternas fotosyntes under varje tillväxtperiod och uppfylla behoven hos högt utbyte; När det gäller ljuskvalitet är förhållandet mellan rött och blått mycket viktigt. För att öka kvaliteten på plantor och förhindra överdriven tillväxt i plantstadiet, sätts förhållandet mellan rött och blått i allmänhet till en låg nivå [(1~2):1] och reduceras sedan gradvis för att möta plantans behov ljus morfologi. Förhållandet mellan röda och blåa och bladgrönsaker kan ställas in på (3~6):1. För fotoperioden, i likhet med ljusintensiteten, bör den visa en trend att öka med förlängningen av tillväxtperioden, så att bladgrönsaker får mer fotosyntetisk tid för fotosyntes. Den lätta tilläggsdesignen för frukt och grönsaker kommer att vara mer komplicerad. Utöver de ovan nämnda grundläggande lagarna bör vi fokusera på inställningen av fotoperioden under blomningsperioden, och blomningen och fruktsättningen av grönsaker måste främjas för att inte slå tillbaka.

Det är värt att nämna att ljusformeln bör inkludera slutbehandlingen för ljusmiljöer. Till exempel kan kontinuerligt ljustillskott avsevärt förbättra avkastningen och kvaliteten på hydroponiska bladgrönsaksplantor, eller använd UV-behandling för att avsevärt förbättra groddar och bladgrönsaker (särskilt lila löv och röda bladsallat) näringskvaliteten.

Förutom att optimera ljustillskottet för utvalda grödor har ljuskällans styrsystem för vissa konstljusfabriker också utvecklats snabbt de senaste åren. Detta styrsystem är i allmänhet baserat på B/S-strukturen. Fjärrkontroll och automatisk kontroll av miljöfaktorer som temperatur, luftfuktighet, ljus och CO2-koncentration under odlingen av grödor realiseras genom WIFI, och samtidigt realiseras en produktionsmetod som inte är begränsad av yttre förhållanden. Denna typ av intelligent kompletterande ljussystem använder LED-odlingsarmatur som kompletterande ljuskälla, kombinerat med intelligent fjärrstyrningssystem, kan möta behoven av växtvåglängdsbelysning, är särskilt lämplig för ljusstyrd växtodlingsmiljö och kan väl möta marknadens efterfrågan .

Avslutande kommentarer
Växtfabriker anses vara ett viktigt sätt att lösa världens resurs-, befolknings- och miljöproblem under 2000-talet, och ett viktigt sätt att uppnå självförsörjning med livsmedel i framtida högteknologiska projekt. Som en ny typ av jordbruksproduktionsmetod är växtfabrikerna fortfarande i inlärnings- och tillväxtstadiet, och mer uppmärksamhet och forskning behövs. Den här artikeln beskriver egenskaperna och fördelarna med vanliga kompletterande belysningsmetoder i växtfabriker, och introducerar designidéerna för typiska kompletterande belysningssystem för grödor. Det är inte svårt att hitta genom jämförelse, för att klara av det svaga ljuset som orsakas av hårt väder såsom kontinuerligt molnigt och dis och för att säkerställa hög och stabil produktion av anläggningsgrödor, är LED Grow-ljuskällans utrustning mest i linje med nuvarande utveckling trender.

Den framtida utvecklingsriktningen för anläggningsfabriker bör fokusera på nya högprecisionssensorer till låg kostnad, fjärrstyrda, justerbara spektrumbelysningssystem och expertstyrsystem. Samtidigt kommer de framtida växtfabrikerna att fortsätta att utvecklas mot låg kostnad, intelligent och självanpassande. Användningen och populariseringen av LED-odlingsljuskällor ger garanti för högprecision miljökontroll av växtfabriker. Reglering av LED-ljusmiljö är en komplex process som involverar omfattande reglering av ljuskvalitet, ljusintensitet och fotoperiod. Relevanta experter och forskare måste bedriva djupgående forskning och främja LED-kompletterande belysning i fabriker för artificiellt ljus.