Автор: Цзін Чжао, Зенчан Чжоу, Юньлун Бу та ін. Джерело медіа: Технологія агротехніки (тепличне садівництво)

Комбінат поєднує в собі сучасну промисловість, біотехнології, біогенну гідропоніку та інформаційні технології для здійснення високоточного контролю факторів навколишнього середовища на об’єкті. Він повністю закритий, має низькі вимоги до навколишнього середовища, скорочує період збору врожаю рослин, економить воду та добрива, а завдяки перевагам виробництва без використання пестицидів і відсутності скидання відходів ефективність одиничного використання землі в 40-108 разів виробництва у відкритому грунті. Серед них інтелектуальне джерело штучного світла та його регулювання світлового середовища відіграють вирішальну роль у його виробничій ефективності.

Як важливий фізичний фактор навколишнього середовища світло відіграє ключову роль у регулюванні росту рослин і метаболізму речовин. «Однією з головних особливостей заводу 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) і періодичні зміни світла мають глибокий вплив на ріст і розвиток культур, серед яких інтенсивність світла має найбільший вплив на фотосинтез рослин.

■ Інтенсивність світла

Інтенсивність світла може змінити морфологію культур, наприклад цвітіння, довжину міжвузлів, товщину стебла, розмір і товщину листя. За вимогами до інтенсивності освітлення рослини можна розділити на світлолюбні, середньосвітлолюбні та слабосвітлові. Овочі — здебільшого світлолюбні рослини, у них відносно високі бали компенсації світла та бали світлонасичення. На фабриках зі штучного освітлення відповідні вимоги культур до інтенсивності освітлення є важливою основою для вибору джерел штучного освітлення. Розуміння вимог до світла для різних рослин є важливим для проектування штучних джерел світла. Це надзвичайно необхідно для покращення продуктивності системи.

■ Якість світла

Якість світла (спектральний) розподіл також має важливий вплив на фотосинтез і морфогенез рослин (рис. 1). Світло є частиною випромінювання, а випромінювання - це електромагнітна хвиля. Електромагнітні хвилі мають хвильові характеристики та квантові (корпускулярні) характеристики. У садівництві квант світла називають фотоном. Випромінювання з діапазоном довжин хвиль 300~800 нм називають фізіологічно активним випромінюванням рослин; а випромінювання з діапазоном довжин хвиль 400~700 нм називається фотосинтетично активним випромінюванням (PAR) рослин.

Хлорофіл і каротин є двома найважливішими пігментами у фотосинтезі рослин. На малюнку 2 показано спектральний спектр поглинання кожного фотосинтетичного пігменту, в якому спектр поглинання хлорофілу зосереджений у червоній і синій смугах. Система освітлення заснована на спектральних потребах культур для штучного доповнення світла, щоб сприяти фотосинтезу рослин.

■ фотоперіод
Зв'язок між фотосинтезом і фотоморфогенезом рослин і тривалістю світлового дня (або часом фотоперіоду) називається фотоперіодичністю рослин. Фотоперіодичність тісно пов’язана зі світловими годинами, що означає час, протягом якого культура опромінюється світлом. Різним культурам потрібна певна кількість годин світла, щоб завершити фотоперіод для цвітіння та плодоношення. Відповідно до різних фотоперіодів її можна розділити на культури довгого дня, такі як капуста та ін., які вимагають більше 12-14 годин світла на певній стадії свого росту; культури короткого дня, такі як цибуля, соя та ін., вимагають менше 12-14 годин освітлення; середньоосвітлені культури, такі як огірки, помідори, перець тощо, можуть цвісти і плодоносити при більш тривалому або коротшому освітленні.
Серед трьох елементів навколишнього середовища інтенсивність світла є важливою основою для вибору штучних джерел світла. В даний час існує багато способів вираження інтенсивності світла, в основному включаючи наступні три.
（1）Освітленість відноситься до поверхневої щільності світлового потоку (світловий потік на одиницю площі), отриманого на освітленій площині, у люксах (лк).

（2）Фотосинтетично активне випромінювання, PAR，Одиниця: Вт/м².

（3）Фотосинтетично ефективна щільність потоку фотонів PPFD або PPF – це кількість фотосинтетично ефективного випромінювання, яке досягає або проходить через одиницю часу та одиницю площі, одиниця: мкмоль/(м²·с). В основному відноситься до інтенсивності світла 400~700 нм. безпосередньо пов'язані з фотосинтезом. Це також найбільш часто використовуваний індикатор інтенсивності світла в галузі рослинництва.

Аналіз джерела світла типової системи додаткового освітлення
Додаткове штучне освітлення призначене для збільшення інтенсивності світла в цільовій зоні або продовження часу освітлення шляхом встановлення системи додаткового освітлення для задоволення потреб рослин у світлі. Загалом, система додаткового освітлення включає додаткове освітлювальне обладнання, схеми та систему його 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 усунені ринком, тому ця стаття не робить детального аналізу.

■ Люмінесцентна лампа
Люмінесцентні лампи відносяться до типу газорозрядних ламп низького тиску. Скляна трубка заповнена парами ртуті або інертним газом, а внутрішня стінка трубки покрита флуоресцентним порошком. Колір світла залежить від флуоресцентного матеріалу, покритого трубкою. Люмінесцентні лампи мають хороші спектральні характеристики, високу світлову ефективність, низьку потужність, більший термін служби (12000 годин) порівняно з лампами розжарювання та відносно низьку вартість. Оскільки сама люмінесцентна лампа випромінює менше тепла, вона може бути близько до рослин для освітлення та підходить для тривимірного вирощування. Однак спектральне розташування люмінесцентної лампи нерозумне. Найпоширенішим у світі методом є додавання відбивачів для максимізації ефективних компонентів джерела світла культур у зоні вирощування. Японська компанія adv-agri також розробила новий тип додаткового джерела світла HEFL. HEFL насправді відноситься до категорії люмінесцентних ламп. Це загальний термін для флуоресцентних ламп з холодним катодом (CCFL) і флуоресцентних ламп із зовнішнім електродом (EEFL), і це люмінесцентна лампа зі змішаним електродом. Трубка HEFL надзвичайно тонка, її діаметр становить лише близько 4 мм, а довжину можна регулювати від 450 мм до 1200 мм відповідно до потреб вирощування. Це вдосконалена версія звичайної люмінесцентної лампи.

■ Металогалогенні лампи
Металогалогенна лампа — це газорозрядна лампа високої інтенсивності, яка може збуджувати різні елементи для створення різних довжин хвиль шляхом додавання різних галогенідів металів (броміду олова, йодиду натрію тощо) у газорозрядну трубку на основі ртутної лампи високого тиску. Галогенні лампи мають високу світловіддачу, 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 менший, ніж у натрієвих ламп високого тиску, наразі вона використовується лише на кількох заводах.

■ Натрієва лампа високого тиску
Натрієві лампи високого тиску відносяться до типу газорозрядних ламп високого тиску. Натрієва лампа високого тиску — це високоефективна лампа, в якій газорозрядна трубка заповнюється парами натрію під високим тиском і додається невелика кількість ксенону (Xe) і металогалогенної ртуті. Оскільки натрієві лампи високого тиску мають високу електрооптичну ефективність перетворення з нижчими витратами на виробництво, натрієві лампи високого тиску в даний час найбільш широко використовуються для застосування додаткового світла в сільськогосподарських об’єктах. Однак через недоліки низької фотосинтетичної ефективності в їхньому спектрі вони мають недоліки низької енергоефективності. З іншого боку, спектральні компоненти, випромінювані натрієвими лампами високого тиску, в основному зосереджені в жовто-оранжевій смузі світла, в якій відсутні червоний і синій спектри, необхідні для росту рослин.

■ Світлодіод
Як нове покоління джерел світла, світловипромінювальні діоди (світлодіоди) мають багато переваг, таких як більш висока електрооптична ефективність перетворення, регульований спектр і висока фотосинтетична ефективність. Світлодіод може випромінювати монохроматичне світло, необхідне для росту рослин. У порівнянні зі звичайними люмінесцентними лампами та іншими додатковими джерелами світла світлодіод має такі переваги, як енергозбереження, захист навколишнього середовища, довгий термін служби, монохроматичне світло, джерело холодного світла тощо. З подальшим вдосконаленням електрооптичної ефективності світлодіодів і зниженням витрат, викликаних ефектом масштабу, світлодіодні системи освітлення для росту стануть основним обладнанням для доповнення освітлення в сільськогосподарських об’єктах. У результаті світлодіодні лампи для вирощування використовуються на 99,9% заводів.

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

Мобільний освітлювальний прилад
Інтенсивність світла тісно пов'язана з ростом сільськогосподарських культур. Тривимірне вирощування часто використовується на рослинницьких фабриках. Однак через обмеження конструкції культиваційних стелажів нерівномірний розподіл світла і температури між стелажами вплине на врожайність культур і період збирання не буде синхронізований. У 2010 році компанія в Пекіні успішно розробила додатковий пристрій для ручного підйому світла (освітлювальний прилад HPS і світлодіодний освітлювальний прилад для росту). Принцип полягає в обертанні приводного валу та закріпленого на ньому пристрою для намотування, струшуючи ручку для обертання невеликої бобіни плівки. для досягнення мети втягування та розмотування дротяного троса. Дротова мотузка світильника для вирощування з’єднана з поворотним колесом ліфта за допомогою кількох наборів реверсивних коліс, щоб досягти ефекту регулювання висоти світильника для вирощування. У 2017 році вищезазначена компанія спроектувала та розробила новий мобільний пристрій для додавання світла, який може автоматично регулювати висоту додавання світла в режимі реального часу відповідно до потреб росту культур. Регулювальний пристрій тепер встановлено на тривимірну стійку для культивування 3-х шарового джерела світла. Верхній шар пристрою є рівнем з найкращим освітленням, тому він оснащений натрієвими лампами високого тиску; середній і нижній шари оснащені світлодіодними лампами для вирощування та системою регулювання підйому. Він може автоматично регулювати висоту світла для вирощування, щоб забезпечити відповідне освітлення для культур.

У порівнянні з мобільним світловим додатковим пристроєм, призначеним для тривимірного вирощування, Нідерланди розробили горизонтально рухомий світлодіодний додатковий світловий пристрій для вирощування. Щоб уникнути впливу тіні світла для вирощування на ріст рослин на сонці, систему освітлення для вирощування можна просунути з обох боків кронштейна через телескопічну ковзанку в горизонтальному напрямку, щоб сонце було повністю освітлене опромінення на рослини; у похмурі та дощові дні без сонячного світла натисніть систему освітлення для росту до середини кронштейна, щоб світло системи освітлення для росту рівномірно заповнювало рослини; перемістіть систему освітлення для вирощування горизонтально через ковзання на кронштейні, уникайте частого розбирання та видалення системи освітлення для вирощування та зменшуйте інтенсивність праці працівників, таким чином ефективно покращуючи ефективність роботи.

Ідеї ​​дизайну типової системи освітлення для вирощування
З конструкції мобільного додаткового освітлювального пристрою неважко побачити, що конструкція системи додаткового освітлення рослинної фабрики зазвичай приймає інтенсивність світла, якість світла та параметри фотоперіоду різних періодів росту культур як основний зміст конструкції. , покладаючись на інтелектуальну систему управління для реалізації, досягнення кінцевої мети енергозбереження та високої врожайності.

В даний час дизайн і конструкція додаткового світла для листових овочів поступово дозріли. Наприклад, листові овочі можна розділити на чотири стадії: стадія розсади, середнього росту, пізнього росту та кінцевої стадії; Фрукти-овочі можна розділити на стадію розсади, вегетативну стадію росту, стадію цвітіння та стадію збору врожаю. З ознак додаткової інтенсивності світла, 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 фруктові овочі можуть досягати 300~500 мкмоль/(м²·с), щоб забезпечити потреби в інтенсивності світла фотосинтезу рослин у кожному періоді росту та задовольнити потреби висока врожайність; З точки зору якості світла, дуже важливим є співвідношення червоного та синього. Щоб підвищити якість розсади та запобігти надмірному росту на стадії розсади, співвідношення червоного та синього зазвичай встановлюється на низькому рівні [(1~2):1], а потім поступово зменшується для задоволення потреб рослини. світла морфологія. Співвідношення червоних і синіх до листових овочів можна встановити на (3~6):1. Для фотоперіоду, подібного до інтенсивності світла, він повинен демонструвати тенденцію до збільшення з подовженням періоду росту, щоб листові овочі мали більше фотосинтетичного часу для фотосинтезу. Дизайн світлової добавки з фруктів і овочів буде більш складним. На додаток до вищезазначених основних законів, ми повинні зосередитися на встановленні фотоперіоду під час періоду цвітіння, і цвітіння та плодоношення овочів необхідно сприяти, щоб не мати зворотного ефекту.

Варто зазначити, що формула світла повинна включати кінцеву обробку для налаштування світлового середовища. Наприклад, безперервне додавання світла може значно підвищити врожайність і якість гідропонної розсади листових овочів або використовувати УФ-обробку для значного покращення поживної якості паростків і листових овочів (особливо фіолетового листя та червонолистового салату).

На додаток до оптимізації освітлення для вибраних культур, система контролю джерела світла на деяких фабриках зі штучним освітленням також швидко розвивалася в останні роки. Ця система керування, як правило, базується на структурі B/S. Дистанційне керування та автоматичний контроль факторів навколишнього середовища, таких як температура, вологість, світло та концентрація CO2 під час росту культур, реалізуються через WIFI, і в той же час реалізується спосіб виробництва, який не обмежений зовнішніми умовами. Ця інтелектуальна система додаткового освітлення використовує світлодіодний світильник для вирощування як додаткове джерело світла в поєднанні з дистанційною інтелектуальною системою керування, може задовольнити потреби в освітленні рослин за довжиною хвилі, особливо підходить для середовища вирощування рослин з контрольованим освітленням і цілком може задовольнити ринковий попит .

Заключні слова
Рослинні заводи вважаються важливим засобом вирішення світових ресурсних, демографічних та екологічних проблем у 21 столітті, а також важливим способом досягнення продовольчої самозабезпеченості в майбутніх високотехнологічних проектах. Будучи новим типом методу сільськогосподарського виробництва, рослинницькі заводи все ще перебувають на стадії навчання та росту, тому потребують більше уваги та досліджень. У цій статті описуються характеристики та переваги звичайних методів додаткового освітлення на рослинницьких фабриках, а також представлені ідеї дизайну типових систем додаткового освітлення сільськогосподарських культур. Це неважко знайти шляхом порівняння, щоб впоратися зі слабким освітленням, спричиненим суворою погодою, такою як безперервна хмарність і серпанок, і забезпечити високий і стабільний урожай сільськогосподарських культур, обладнання LED Grow найбільше відповідає сучасним розробкам. тенденції.

Майбутній напрямок розвитку заводів має бути зосереджений на нових високоточних, недорогих датчиках, дистанційно керованих системах освітлювальних пристроїв із регульованим спектром та експертних системах керування. У той же час заводи майбутнього продовжуватимуть розвиватися в напрямку недорогих, інтелектуальних і самоадаптивних. Використання та популяризація світлодіодних джерел світла для вирощування дає гарантію високоточного екологічного контролю заводів рослин. Регулювання світлового середовища світлодіодів – це комплексний процес, що включає комплексне регулювання якості світла, інтенсивності світла та фотоперіоду. Відповідні експерти та науковці повинні провести поглиблені дослідження, сприяючи додатковому світлодіодному освітленню на заводах штучного освітлення.