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

Växtfabriken kombinerar modern industri, bioteknik, näringshydroponik och informationsteknologi för att implementera högprecisionskontroll av miljöfaktorer i anläggningen. Den är helt sluten, har låga krav på den omgivande miljön, förkortar anläggningsskörden, sparar vatten och gödningsmedel och med fördelarna med icke-bekämpningsmedel och ingen avfallsutsläpp är enhetens markanvändningseffektivitet 40 till 108 gånger av det av öppen fältproduktion. Bland dem spelar den intelligenta konstgjorda ljuskällan och dess ljusmiljöreglering en avgörande roll i dess produktionseffektivitet.

Som en viktig fysisk miljöfaktor spelar ljus en nyckelroll för att reglera växttillväxt och materialmetabolism. ”En av de viktigaste funktionerna i Plant Factory är den fullständiga konstgjorda ljuskällan och förverkligandet av intelligent reglering av ljusmiljön” har blivit en allmän enighet i branschen.

Växternas behov av ljus

Ljus är den enda energikällan för växtfotosyntes. Ljusintensitet, ljuskvalitet (spektrum) och periodiska ljusförändringar har en djup inverkan på tillväxten och utvecklingen av grödor, bland vilka ljusintensiteten har den största inverkan på växtfotosyntesen.

■ Lättintensitet

Ljusets intensitet kan förändra morfologin hos grödor, såsom blommande, internodlängd, stamtjocklek och bladstorlek och tjocklek. Växternas krav för ljusintensitet kan delas upp i lättälskande, medelstora ljusälskande och svagt ljus-toleranta växter. Grönsaker är mestadels lätta växter, och deras lätta kompensationspunkter och ljusmättnadspunkter är relativt höga. I konstgjorda ljusväxtfabriker är de relevanta kraven för grödor för ljusintensitet en viktig grund för att välja konstgjorda ljuskällor. Att förstå ljuskraven för olika växter är viktigt för att utforma konstgjorda ljuskällor, det är extremt nödvändigt att förbättra systemets produktionsprestanda.

■ Ljuskvalitet

Ljuskvalitetsfördelningen (spektral) har också ett viktigt inflytande på växtfotosyntes och morfogenes (figur 1). Ljus är en del av strålningen, och strålning är en elektromagnetisk våg. Elektromagnetiska vågor har vågegenskaper och kvant (partikel) egenskaper. Ljuskvantumet kallas foton i trädgårdsområdet. Strålning med ett våglängdsområde på 300 ~ 800 nm kallas fysiologiskt aktiv strålning av växter; och strålning med ett våglängdsområde på 400 ~ 700 nm kallas fotosyntetiskt aktiv strålning (PAR) av växter.

Klorofyll och karotener är de två viktigaste pigmenten i växtfotosyntes. Figur 2 visar det spektrala absorptionsspektrumet för varje fotosyntetiskt pigment, i vilket klorofyllabsorptionsspektrumet är koncentrerat i de röda och blå banden. Belysningssystemet är baserat på grödornas spektrala behov för att konstgjort komplettera ljus för att främja fotosyntesen av växter.

■ Fotoperiod
Förhållandet mellan fotosyntes och fotomorfogenes av växter och dagslängd (eller fotoperiodtid) kallas växters fotoperiod. Fotoperioditeten är nära besläktad med de lätta timmarna, som hänvisar till den tid grödan bestrålas av ljus. Olika grödor kräver ett visst antal timmar med ljus för att slutföra fotoperioden för att blomma och bära frukt. Enligt de olika fotoperioderna kan den delas upp i långdagskörd, såsom kål, etc., som kräver mer än 12-14 timmar lätta timmar i ett visst stadium av dess tillväxt; Kortdagar grödor, såsom lök, sojabönor, etc., kräver mindre än 12-14 timmar belysningstimmar; Medium-solgrödor, såsom gurkor, tomater, paprika etc., kan blomma och bära frukt under längre eller kortare solljus.
Bland de tre elementen i miljön är ljusintensitet en viktig grund för att välja konstgjorda ljuskällor. För närvarande finns det många sätt att uttrycka ljusintensitet, främst inklusive följande tre.
（1） Belysning avser ytdensiteten för lysande flöde (lysande flöde per enhetsarea) som mottas på det upplysta planet, i LUX (LX).

（2） Fotosyntetiskt aktiv strålning, par ， enhet ： W/m²。

（3） Den fotosyntetiskt effektiva fotonflödesdensiteten PPFD eller PPF är antalet fotosyntetiskt effektiva strålningar som når eller passerar genom enhetstid och enhetsarea, enhet ： μmol/(m² · s) 。Main hänvisar till ljusintensiteten på 400 ~ 700nm direkt relaterad till fotosyntes. Det är också den mest använda ljusintensitetsindikatorn inom växtproduktionen.

Ljuskällanalys av typiskt kompletterande ljussystem
Konstgjord ljustillskott är att öka ljusintensiteten i målområdet eller förlänga ljustiden genom att installera ett tilläggsljussystem för att uppfylla växternas ljusa efterfrågan. Generellt sett inkluderar det kompletterande ljussystemet kompletterande ljusutrustning, kretsar och dess styrsystem. Kompletterande ljuskällor inkluderar huvudsakligen flera vanliga typer som glödlampor, lysrör, metallhalidlampor, natriumlampor med högt tryck och lysdioder. 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 inte en detaljerad analys.

■ Fluorescerande lampa
Fluorescerande lampor tillhör typen av lampor med lågtrycksgas. Glasröret är fyllt med kvicksilverånga eller inert gas, och rörets innervägg är belagd med fluorescerande pulver. Ljusfärgen varierar med det fluorescerande materialet belagt i röret. Fluorescerande lampor har god spektralprestanda, hög lysande effektivitet, låg effekt, längre livslängd (12000 timmar) jämfört med glödlampor och relativt låga kostnader. Eftersom den fluorescerande lampan avger mindre värme kan den vara nära växterna för belysning och är lämplig för tredimensionell odling. Den spektrala layouten för den fluorescerande lampan är emellertid orimlig. Den vanligaste metoden i världen är att lägga till reflektorer för att maximera de effektiva ljuskällkomponenterna i grödorna i odlingsområdet. Det japanska Adv-Abri-företaget har också utvecklat en ny typ av kompletterande ljuskälla HefL. HefL tillhör faktiskt kategorin fluorescerande lampor. Det är den allmänna termen för lysrör med kall katod (CCFL) och externa elektrodlysrörslampor (EEFL) och är en fluorescerande lampor med blandad elektrod. 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 fluorescerande lampan.

■ Metallhalogenslampa
Metallhalidelampan är en högintensiv urladdningslampa som kan locka olika element för att producera olika våglängder genom att tillsätta olika metallhalider (tennbromid, natriumjodid, etc.) i utloppsröret på basis av en högtrycks kvicksilverlampa. Halogenlampor har hög lysande effektivitet, hög effekt, god ljusfärg, lång livslängd och stort spektrum. Eftersom den lysande effektiviteten är lägre än för natriumlampor med högt tryck, och livslängden är kortare än den för natriumlampor med högt tryck, används den för närvarande endast i några få växtfabriker.

■ Högtrycksnatriumlampa
Högtrycksnatriumlampor tillhör typen av högtrycksgasutsläppslampor. Högtrycksnatriumlampan är en högeffektiv lampan där natriumånga med högt tryck fylls i urladdningsröret, och en liten mängd xenon (XE) och kvicksilver metallhalogenid tillsätts. Eftersom natriumlampor med högt tryck har hög elektrooptisk omvandlingseffektivitet med lägre tillverkningskostnader är natriumlampor med hög tryck för närvarande de mest använda vid tillämpningen av kompletterande ljus i jordbruksanläggningar. På grund av bristerna med låg fotosyntetisk effektivitet i deras spektrum har de emellertid bristerna med låg energieffektivitet. Å andra sidan koncentreras de spektrala komponenterna som släpps ut av natriumlampor med högt tryck huvudsakligen i det gulorange ljusbandet, som saknar de röda och blå spektra som är nödvändiga för växttillväxt.

■ Ljusemitterande diod
Som en ny generation av ljuskällor har ljusemitterande dioder (lysdioder) många fördelar såsom högre elektrooptisk omvandlingseffektivitet, justerbart spektrum och hög fotosyntetisk effektivitet. LED kan avge monokromatiskt ljus som behövs för växttillväxt. Jämfört med vanliga fluorescerande lampor och andra kompletterande ljuskällor har LED fördelarna med energibesparing, miljöskydd, lång livslängd, monokromatisk ljus, kall ljuskälla och så vidare. Med den ytterligare förbättringen av den elektrooptiska effektiviteten hos lysdioder och minskningen av kostnaderna orsakade av skaleffekten kommer LED-växande belysningssystem att bli mainstream-utrustningen för att komplettera ljus i jordbruksanläggningar. Som ett resultat har LED -odlingsljus tillämpats över 99,9% växtfabriker.

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

Mobil belysning
Ljusets intensitet är nära besläktad med tillväxten av grödor. Tredimensionell odling används ofta i växtfabriker. På grund av begränsningen av strukturen för odlingsställen kommer emellertid den ojämna fördelningen av ljus och temperatur mellan racken att påverka utbytet av grödorna och skördperioden inte synkroniseras. Ett företag i Peking har framgångsrikt utvecklat en manuell lyftljustillskott (HPS -belysningsarmatur och LED Grow Lighting Fixture) 2010. Principen är att rotera drivaxeln och lindningen fixas på den genom att skaka handtaget för att rotera den lilla filmen Reel För att uppnå syftet med att dra tillbaka och avlasta trådrepet. Grundljusets trådrep är anslutet till hissens lindningshjul genom flera uppsättningar av vändningshjul för att uppnå effekten av att justera odlingens höjd. Under 2017 designade och utvecklade det ovannämnda företaget en ny mobilljustillskott, som automatiskt kan justera ljustillskottets höjd i realtid efter intillväxtbehov. Justeringsenheten är nu installerad på 3-lagers ljuskälla Lyftning av tredimensionell odlingsstativ. Det övre lagret på enheten är nivån med bästa ljusa skick, så det är utrustat med högtrycks natriumlampor; Mittlagret och det nedre lagret är utrustade med LED -odlingsljus och ett lyftjusteringssystem. Den kan automatiskt justera höjden på odlingsljuset för att ge en lämplig belysningsmiljö för grödorna.

Jämfört med den mobila ljustillskottsanordningen skräddarsydd för tredimensionell odling har Nederländerna utvecklat en horisontellt rörlig LED-odlingsljusanordning. För att undvika påverkan av skuggan av växande ljus på tillväxten av växter i solen kan det växande ljussystemet skjutas till båda sidor av konsolen genom den teleskopiska bilden i horisontell riktning, så att solen är helt bestrålad på växterna; På molniga och regniga dagar utan solljus, tryck Grow Light -systemet till mitten av konsolen för att göra ljuset från det växande ljussystemet jämnt fyller växterna; Flytta det växande ljussystemet horisontellt genom gliden på konsolen, undvik ofta demontering och borttagning av det växande ljussystemet och minska arbetsintensiteten hos anställda, vilket effektivt förbättrar arbetseffektiviteten.

Designidéer för typiskt Grow Light -system
Det är inte svårt att se från utformningen av den mobila belysningens kompletterande enhet att utformningen av det kompletterande belysningssystemet i Plant Factory vanligtvis tar ljusintensitet, ljuskvalitet och fotoperiodparametrar för olika grödor som kärninnehållet i designen , förlita sig på det intelligenta kontrollsystemet för att implementera, uppnå det slutliga målet för energibesparing och högt utbyte.

För närvarande har design och konstruktion av kompletterande ljus för bladgrönsaker gradvis mognat. Till exempel kan bladgrönsaker delas upp i fyra steg: plantor, midväxt, sen tillväxt och slutstadium; Frukt-vegetables kan delas in i plantor, vegetativ tillväxtstadium, blommande stadium och skördstadium. Från attributen för kompletterande ljusintensitet bör ljusintensiteten i plantan 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 växtfotosyntes i 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 plantan är förhållandet mellan rött och blått i allmänhet inställd på en låg nivå [(1 ~ 2): 1] och reduceras sedan gradvis för att tillgodose växtens behov Lätt morfologi. Förhållandet rött och blått och bladgrönsaker kan ställas in på (3 ~ 6): 1. För fotoperioden, liknande ljusintensiteten, bör den visa en trend att öka med förlängningen av tillväxtperioden, så att bladgrönsaker har mer fotosyntetisk tid för fotosyntes. Ljustillskottets design av frukt och grönsaker kommer att vara mer komplicerad. Utöver de ovannämnda grundlagarna, bör vi fokusera på inställningen av fotoperioden under blomningsperioden, och blomningen och frukt av grönsaker måste främjas, för att inte backfire.

Det är värt att nämna att ljusformeln bör inkludera slutbehandlingen för lätta miljöinställningar. Exempelvis kan kontinuerlig ljustillskott förbättra utbytet och kvaliteten på hydroponiska bladgrönsaksplantor, eller använda UV -behandling för att förbättra groddar avsevärt och bladgrönsaker (särskilt lila blad och röda bladsallad) näringskvalitet.

Förutom att optimera ljustillskott för utvalda grödor har ljuskällkontrollsystemet för vissa konstgjorda ljusväxtfabriker också utvecklats snabbt under de senaste åren. Detta styrsystem är vanligtvis baserat på B/S -strukturen. Fjärrkontroll och automatisk kontroll av miljöfaktorer som temperatur, luftfuktighet, ljus och CO2 -koncentration under tillväxten av grödor realiseras genom WiFi, och samtidigt realiseras en produktionsmetod som inte begränsas av yttre förhållanden. Denna typ av intelligent kompletterande ljussystem använder LED-odlingsfixtur som kompletterande ljuskälla, i kombination med fjärrintelligent kontrollsystem, kan tillgodose behoven hos växtvåglängdsbelysning, är särskilt lämplig för ljuskontrollerad växtodlingsmiljö och kan väl möta marknadens efterfrågan .

Avslutande anmärkningar
Växtfabriker anses vara ett viktigt sätt att lösa världsresurser, befolknings- och miljöproblem under 2000-talet och ett viktigt sätt att uppnå självförsörjning av mat i framtida högteknologiska projekt. Som en ny typ av jordbruksproduktionsmetod finns växtfabriker 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 grödor kompletterande belysningssystem. Det är inte svårt att hitta genom jämförelse, för att hantera det låga ljuset orsakat av hårt väder som kontinuerligt molnigt och dis och för att säkerställa hög och stabil produktion av anläggningsgrödor, är LED Grow Source Equipment mest i linje med nuvarande utveckling trender.

Den framtida utvecklingsriktningen för växtfabriker bör fokusera på nya högprecision, billiga sensorer, fjärrstyrbara, justerbara spektrumbelysningsenhetssystem och expertkontrollsystem. Samtidigt kommer de framtida växtfabrikerna att fortsätta utvecklas mot billiga, intelligenta och självanpassade. Användningen och populariseringen av LED-växande ljuskällor ger garanti för högprecisionsmiljökontroll av växtfabriker. LED -ljusmiljöreglering 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 konstgjorda ljusväxtfabriker.