Автор: Цзін Чжао, Цзенчань Чжоу, Юньлун Бу та ін. Джерело: Технологія сільськогосподарської інженерії (тепличне садівництво)

Завод з виробництва рослин поєднує сучасну промисловість, біотехнології, гідропоніку поживних речовин та інформаційні технології для впровадження високоточного контролю факторів навколишнього середовища на об'єкті. Він повністю закритий, має низькі вимоги до навколишнього середовища, скорочує період збору врожаю, економить воду та добрива, а завдяки перевагам виробництва без пестицидів та відсутності скидів відходів, ефективність використання одиниці землі в 40-108 разів вища, ніж у вирощування на відкритому полі. Серед них інтелектуальне джерело штучного світла та його регулювання світлового середовища відіграють вирішальну роль у ефективності виробництва.

Як важливий фізичний фактор навколишнього середовища, світло відіграє ключову роль у регулюванні росту рослин та метаболізму речовин. «Однією з головних особливостей рослинної фабрики є повне штучне джерело світла та реалізація інтелектуального регулювання світлового середовища» стало загальним консенсусом у галузі.

Потреба рослин у світлі

Світло є єдиним джерелом енергії для фотосинтезу рослин. Інтенсивність світла, якість світла (спектр) та періодичні зміни світла мають глибокий вплив на ріст і розвиток сільськогосподарських культур, серед яких інтенсивність світла має найбільший вплив на фотосинтез рослин.

■ Інтенсивність світла

Інтенсивність світла може змінювати морфологію культур, таку як цвітіння, довжина міжвузля, товщина стебла, а також розмір і товщина листя. Вимоги рослин до інтенсивності світла можна розділити на світлолюбні, середньо-світлолюбні та низькостійкі. Овочеві культури здебільшого є світлолюбними рослинами, а їхні точки компенсації світла та точки насичення світла відносно високі. На заводах зі штучного освітлення відповідні вимоги культур до інтенсивності світла є важливою основою для вибору джерел штучного світла. Розуміння вимог до світла різних рослин є важливим для проектування джерел штучного світла, що вкрай необхідно для покращення виробничих характеристик системи.

■ Якість світла

Розподіл якості світла (спектральний) також має важливий вплив на фотосинтез і морфогенез рослин (Рисунок 1). Світло є частиною випромінювання, а випромінювання – це електромагнітна хвиля. Електромагнітні хвилі мають хвильові та квантові (корпусна) характеристики. Квант світла в садівництві називається фотоном. Випромінювання з діапазоном довжин хвиль 300~800 нм називається фізіологічно активним випромінюванням рослин; а випромінювання з діапазоном довжин хвиль 400~700 нм називається фотосинтетично активним випромінюванням (ФАР) рослин.

Хлорофіл і каротини – два найважливіші пігменти у фотосинтезі рослин. На рисунку 2 показано спектральний спектр поглинання кожного фотосинтетичного пігменту, в якому спектр поглинання хлорофілу зосереджений у червоному та синьому діапазонах. Система освітлення базується на спектральних потребах культур у штучному доповненні світла, щоб сприяти фотосинтезу рослин.

■ фотоперіод
Зв'язок між фотосинтезом і фотоморфогенезом рослин і тривалістю світлового дня (або фотоперіодом) називається фотоперіодом рослин. Фотоперіод тісно пов'язаний зі світловими годинами, що стосується часу, протягом якого рослина опромінюється світлом. Різним культурам потрібна певна кількість годин світла для завершення фотоперіоду для цвітіння та плодоношення. Залежно від різних фотоперіодів, їх можна розділити на довгоденні культури, такі як капуста тощо, яким потрібно більше 12-14 годин світлових годин на певному етапі росту; короткоденні культури, такі як цибуля, соя тощо, потребують менше 12-14 годин освітлення; середньосонячні культури, такі як огірки, помідори, перець тощо, можуть цвісти та плодоносити за тривалішого або коротшого сонячного світла.
Серед трьох елементів навколишнього середовища інтенсивність світла є важливою основою для вибору штучних джерел світла. Наразі існує багато способів вираження інтенсивності світла, зокрема, три наступні.
(1) Освітленість – це поверхнева щільність світлового потоку (світловий потік на одиницю площі), що потрапляє на освітлену площину, у люксах (лк).

(2) Фотосинтетично активне випромінювання, ФАР, одиниця вимірювання: Вт/м².

(3) Фотосинтетично ефективна густина потоку фотонів PPFD або PPF – це кількість фотосинтетично ефективного випромінювання, яке досягає або проходить через одиницю часу та одиницю площі, одиниця виміру: мкмоль/(м²·с). В основному стосується інтенсивності світла 400~700 нм, безпосередньо пов'язаної з фотосинтезом. Це також найпоширеніший показник інтенсивності світла в галузі рослинництва.

Аналіз джерела світла типової системи додаткового освітлення
Додаткове штучне освітлення призначене для збільшення інтенсивності світла в цільовій зоні або подовження часу освітлення шляхом встановлення додаткової системи освітлення для задоволення потреб рослин у світлі. Загалом, система додаткового освітлення включає додаткове освітлювальне обладнання, схеми та систему керування. Додаткові джерела світла в основному включають кілька поширених типів, таких як лампи розжарювання, люмінесцентні лампи, металогалогенні лампи, натрієві лампи високого тиску та світлодіоди. Через низьку електричну та оптичну ефективність ламп розжарювання, низьку фотосинтетичну енергоефективність та інші недоліки, вони були виключені з ринку, тому в цій статті не проводиться детальний аналіз.

■ Люмінесцентна лампа
Люмінесцентні лампи належать до типу газорозрядних ламп низького тиску. Скляна трубка заповнена парами ртуті або інертним газом, а внутрішня стінка трубки покрита флуоресцентним порошком. Колір світла змінюється залежно від флуоресцентного матеріалу, яким покрита трубка. Люмінесцентні лампи мають добрі спектральні характеристики, високу світлову віддачу, низьке енергоспоживання, довший термін служби (12000 годин) порівняно з лампами розжарювання та відносно низьку вартість. Оскільки сама люмінесцентна лампа випромінює менше тепла, її можна розміщувати близько до рослин для освітлення та вона підходить для тривимірного вирощування. Однак спектральне розташування люмінесцентної лампи є нераціональним. Найпоширенішим методом у світі є додавання відбивачів для максимізації ефективних компонентів джерела світла сільськогосподарських культур у зоні вирощування. Японська компанія adv-agri також розробила новий тип додаткового джерела світла HEFL. HEFL насправді належить до категорії люмінесцентних ламп. Це загальний термін для люмінесцентних ламп з холодним катодом (CCFL) та люмінесцентних ламп із зовнішнім електродом (EEFL) і є люмінесцентною лампою зі змішаними електродами. Трубка HEFL надзвичайно тонка, діаметром лише близько 4 мм, а довжину можна регулювати від 450 мм до 1200 мм залежно від потреб вирощування. Це вдосконалена версія звичайної люмінесцентної лампи.

■ Металогалогенна лампа
Металогалогенна лампа — це високоінтенсивна розрядна лампа, яка може збуджувати різні елементи для отримання різної довжини хвиль шляхом додавання різних галогенідів металів (броміду олова, йодиду натрію тощо) у розрядну трубку на основі ртутної лампи високого тиску. Галогенні лампи мають високу світлову ефективність, високу потужність, гарний колір світла, тривалий термін служби та широкий спектр. Однак, оскільки світлова ефективність нижча, ніж у натрієвих ламп високого тиску, а термін служби коротший, ніж у натрієвих ламп високого тиску, вони наразі використовуються лише на кількох заводах.

■ Натрієва лампа високого тиску
Натрієві лампи високого тиску належать до типу газорозрядних ламп високого тиску. Натрієва лампа високого тиску – це високоефективна лампа, в якій розрядна трубка заповнена парами натрію високого тиску, а також додана невелика кількість ксенону (Xe) та галогеніду ртуті. Оскільки натрієві лампи високого тиску мають високу ефективність електрооптичного перетворення з нижчими виробничими витратами, натрієві лампи високого тиску наразі є найбільш широко використовуваними для додаткового освітлення сільськогосподарських об'єктів. Однак через недоліки низької фотосинтетичної ефективності в їхньому спектрі вони мають недоліки низької енергоефективності. З іншого боку, спектральні компоненти, що випромінюються натрієвими лампами високого тиску, в основному зосереджені в жовто-помаранчевому світловому діапазоні, в якому відсутні червоний та синій спектри, необхідні для росту рослин.

■ Світлодіод
Як джерела світла нового покоління, світлодіоди (LED) мають багато переваг, таких як вища ефективність електрооптичного перетворення, регульований спектр та висока фотосинтетична ефективність. Світлодіоди можуть випромінювати монохроматичне світло, необхідне для росту рослин. Порівняно зі звичайними люмінесцентними лампами та іншими додатковими джерелами світла, LED мають переваги енергозбереження, захисту навколишнього середовища, тривалого терміну служби, монохроматичного світла, джерела холодного світла тощо. З подальшим покращенням електрооптичної ефективності світлодіодів та зниженням витрат, спричинених ефектом масштабування, світлодіодні системи освітлення для вирощування рослин стануть основним обладнанням для додаткового освітлення на сільськогосподарських об'єктах. Як результат, світлодіодні лампи для вирощування рослин використовуються на понад 99,9% рослинних заводів.

Завдяки порівнянню можна чітко зрозуміти характеристики різних додаткових джерел світла, як показано в таблиці 1.

Мобільний освітлювальний пристрій
Інтенсивність світла тісно пов'язана з ростом сільськогосподарських культур. Тривимірне культивування часто використовується на заводах з вирощування рослин. Однак через обмеження структури культиваційних стійок, нерівномірний розподіл світла та температури між стійками впливатиме на врожайність культур, і період збору врожаю не буде синхронізованим. У 2010 році компанія в Пекіні успішно розробила ручний підйомний пристрій для додаткового освітлення (світильник HPS та світлодіодний світильник для вирощування). Принцип полягає в тому, щоб обертати приводний вал та закріплений на ньому намотувач шляхом похитування ручки для обертання невеликої котушки з плівкою, що дозволяє змотувати та розмотувати дротяний трос. Дротяний трос культиватора з'єднаний з намотувальним колесом елеватора за допомогою кількох наборів реверсивних коліс, що дозволяє регулювати висоту культиватора. У 2017 році вищезгадана компанія розробила новий мобільний пристрій для додаткового освітлення, який може автоматично регулювати висоту додаткового освітлення в режимі реального часу відповідно до потреб росту сільськогосподарських культур. Регулювальний пристрій тепер встановлено на тришаровій тривимірній культиваційній стійці з підйомним джерелом світла. Верхній шар пристрою — це рівень з найкращими умовами освітлення, тому він оснащений натрієвими лампами високого тиску; середній шар і нижній шар оснащені світлодіодними лампами для вирощування та системою регулювання підйому. Він може автоматично регулювати висоту лампи для вирощування, щоб забезпечити відповідне освітлення для культур.

Порівняно з мобільним пристроєм додаткового освітлення, призначеним для тривимірного вирощування, у Нідерландах розробили горизонтально рухомий світлодіодний пристрій додаткового освітлення для вирощування рослин. Щоб уникнути впливу тіні від лампи на ріст рослин на сонці, систему освітлення для вирощування рослин можна змістити з обох боків кронштейна за допомогою телескопічного супорта в горизонтальному напрямку, щоб сонце повністю освітлювало рослини; у хмарні та дощові дні без сонячного світла систему освітлення для вирощування рослин слід змістити до середини кронштейна, щоб світло системи освітлення для вирощування рівномірно заповнювало рослини; переміщуйте систему освітлення для вирощування горизонтально за допомогою супорта на кронштейні, уникаючи частого розбирання та видалення системи освітлення для вирощування рослин, а також зменшуючи трудомісткість працівників, тим самим ефективно підвищуючи ефективність роботи.

Ідеї ​​дизайну типової системи освітлення для вирощування рослин
З конструкції мобільного додаткового освітлювального пристрою неважко побачити, що проектування системи додаткового освітлення заводу зазвичай враховує інтенсивність світла, якість світла та параметри фотоперіоду різних періодів росту сільськогосподарських культур як основний зміст проекту, спираючись на інтелектуальну систему керування, що впроваджується, досягаючи кінцевої мети енергозбереження та високої врожайності.

Наразі проектування та конструкція додаткового освітлення для листових овочів поступово вдосконалилися. Наприклад, листові овочі можна розділити на чотири стадії: стадія розсади, середня стадія росту, пізня стадія росту та кінцева стадія; плодові овочі можна розділити на стадію розсади, стадію вегетативного росту, стадію цвітіння та стадію збору врожаю. Щодо характеристик інтенсивності додаткового освітлення, інтенсивність світла на стадії розсади повинна бути трохи нижчою, на рівні 60~200 мкмоль/(м²·с), а потім поступово збільшуватися. Листові овочі можуть досягати 100~200 мкмоль/(м²·с), а плодові овочі - 300~500 мкмоль/(м²·с), щоб забезпечити потреби в інтенсивності світла для фотосинтезу рослин у кожному періоді росту та задовольняти потреби високого врожаю; Що стосується якості світла, співвідношення червоного та синього кольорів є дуже важливим. Для підвищення якості розсади та запобігання надмірному росту на стадії розсади співвідношення червоного та синього зазвичай встановлюють на низькому рівні [(1~2):1], а потім поступово зменшують, щоб задовольнити потреби світлової морфології рослин. Співвідношення червоного та синього для листових овочів можна встановити на (3~6):1. Фотоперіод, подібно до інтенсивності світла, повинен демонструвати тенденцію до збільшення зі збільшенням періоду росту, щоб листові овочі мали більше фотосинтетичного часу для фотосинтезу. Конструкція світлових добавок для фруктів та овочів буде складнішою. ​​Окрім вищезазначених основних законів, нам слід зосередитися на встановленні фотоперіоду протягом періоду цвітіння, а також сприяти цвітінню та плодоношенню овочів, щоб уникнути зворотного ефекту.

Варто зазначити, що формула освітлення повинна включати кінцеву обробку для освітленого середовища. Наприклад, постійне додавання світла може значно покращити врожайність та якість гідропонної розсади листових овочів, або використання УФ-обробки для значного покращення поживних якостей паростків та листових овочів (особливо фіолетового та червонолистого салату).

Окрім оптимізації додавання світла для окремих культур, в останні роки також швидко розвивалася система керування джерелом світла на деяких заводах зі штучного освітлення. Ця система керування, як правило, базується на структурі B/S. Дистанційне керування та автоматичне керування факторами навколишнього середовища, такими як температура, вологість, освітлення та концентрація CO2 під час росту культур, реалізуються через Wi-Fi, і водночас реалізується метод виробництва, який не обмежується зовнішніми умовами. Така інтелектуальна система додаткового освітлення використовує світлодіодні світильники для вирощування рослин як додаткове джерело світла в поєднанні з дистанційною інтелектуальною системою керування, що може задовольнити потреби рослин у освітленні довжиною хвилі, особливо підходить для середовища вирощування рослин з контрольованим світлом та добре відповідає ринковому попиту.

Заключні зауваження
Рослинні заводи вважаються важливим способом вирішення світових проблем ресурсів, населення та навколишнього середовища у 21 столітті, а також важливим способом досягнення продовольчої самозабезпеченості в майбутніх високотехнологічних проектах. Як новий тип методу сільськогосподарського виробництва, рослинні заводи все ще перебувають на стадії навчання та розвитку, тому їм потрібна додаткова увага та дослідження. У цій статті описано характеристики та переваги поширених методів додаткового освітлення на рослинних заводах, а також представлено ідеї проектування типових систем додаткового освітлення сільськогосподарських культур. Неважко знайти шляхом порівняння, щоб впоратися з низьким рівнем освітлення, спричиненим суворими погодними умовами, такими як постійна хмарність та серпанок, та забезпечити високий та стабільний урожай сільськогосподарських культур, світлодіодне освітлювальне обладнання для вирощування рослин найбільше відповідає сучасним тенденціям розвитку.

Майбутній напрямок розвитку рослинних заводів має бути зосереджений на нових високоточних, недорогих датчиках, дистанційно керованих системах освітлення з регульованим спектром та експертних системах управління. Водночас, майбутні рослинні заводи продовжуватимуть розвиватися в напрямку низьковитратних, інтелектуальних та самоадаптивних. Використання та популяризація світлодіодних джерел світла для вирощування рослин гарантують високоточне керування навколишнім середовищем на рослинних заводах. Регулювання світлодіодного освітлення – це складний процес, що включає комплексне регулювання якості світла, інтенсивності світла та фотоперіоду. Відповідним експертам та науковцям необхідно провести поглиблені дослідження, що сприяють використанню додаткового світлодіодного освітлення на рослинних заводах зі штучним освітленням.