Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc. Medios de orixe: Tecnoloxía de enxeñaría agrícola (horticultura de invernadoiro)

A fábrica de plantas combina a industria moderna, a biotecnoloxía, a hidroponía de nutrientes e a tecnoloxía da información para implementar un control de alta precisión dos factores ambientais nas instalacións. Está totalmente pechada, ten baixos requisitos sobre o medio ambiente circundante, acurta o período de colleita das plantas, aforra auga e fertilizantes e, coas vantaxes da produción sen pesticidas e sen vertido de residuos, a eficiencia do uso da terra por unidade é de 40 a 108 veces superior á da produción a campo aberto. Entre elas, a fonte de luz artificial intelixente e a súa regulación do ambiente lumínico xogan un papel decisivo na súa eficiencia de produción.

Como factor ambiental físico importante, a luz xoga un papel fundamental na regulación do crecemento das plantas e do metabolismo dos materiais. "Unha das principais características da fábrica de plantas é a fonte de luz artificial completa e a realización dunha regulación intelixente do ambiente luminoso" converteuse nun consenso xeral na industria.

Necesidade de luz das plantas

A luz é a única fonte de enerxía da fotosíntese vexetal. A intensidade da luz, a calidade da luz (espectro) e os cambios periódicos da luz teñen un profundo impacto no crecemento e desenvolvemento dos cultivos, entre os cales a intensidade da luz é a que ten o maior impacto na fotosíntese vexetal.

■ Intensidade da luz

A intensidade da luz pode cambiar a morfoloxía dos cultivos, como a floración, a lonxitude do internodo, o grosor do talo e o tamaño e grosor das follas. Os requisitos das plantas en canto á intensidade da luz pódense dividir en plantas que aman a luz, plantas que aman a luz de forma media e plantas que toleran pouca luz. As hortalizas son na súa maioría plantas que aman a luz, e os seus puntos de compensación da luz e os seus puntos de saturación da luz son relativamente altos. Nas fábricas de plantas de luz artificial, os requisitos relevantes dos cultivos en canto á intensidade da luz son unha base importante para a selección de fontes de luz artificial. Comprender os requisitos de luz das diferentes plantas é importante para deseñar fontes de luz artificial, xa que é extremadamente necesario mellorar o rendemento da produción do sistema.

■ Calidade da luz

A distribución da calidade da luz (espectral) tamén ten unha influencia importante na fotosíntese e na morfoxénese das plantas (Figura 1). A luz forma parte da radiación e a radiación é unha onda electromagnética. As ondas electromagnéticas teñen características ondulatorias e características cuánticas (partículas). O cuanto de luz chámase fotón no campo da horticultura. A radiación cun rango de lonxitudes de onda de 300 a 800 nm chámase radiación fisioloxicamente activa das plantas; e a radiación cun rango de lonxitudes de onda de 400 a 700 nm chámase radiación fotosinteticamente activa (PAR) das plantas.

A clorofila e os carotenos son os dous pigmentos máis importantes na fotosíntese das plantas. A figura 2 mostra o espectro de absorción espectral de cada pigmento fotosintético, no que o espectro de absorción de clorofila se concentra nas bandas vermella e azul. O sistema de iluminación baséase nas necesidades espectrais dos cultivos para complementar artificialmente a luz, co fin de promover a fotosíntese das plantas.

■ fotoperíodo
A relación entre a fotosíntese e a fotomorfoxénese das plantas e a duración do día (ou tempo de fotoperíodo) chámase fotoperiodo das plantas. A fotoperiododo está estreitamente relacionada coas horas de luz, que se refiren ao tempo que o cultivo recibe luz. Os diferentes cultivos requiren un certo número de horas de luz para completar o fotoperíodo para florecer e dar froitos. Segundo os diferentes fotoperíodos, pódense dividir en cultivos de día longo, como a col, etc., que requiren máis de 12-14 horas de luz nunha determinada etapa do seu crecemento; cultivos de día curto, como as cebolas, a soia, etc., requiren menos de 12-14 horas de iluminación; cultivos de sol medio, como os pepinos, tomates, pementos, etc., poden florecer e dar froitos baixo unha luz solar máis longa ou máis curta.
Entre os tres elementos do ambiente, a intensidade da luz é unha base importante para a selección de fontes de luz artificial. Na actualidade, existen moitas maneiras de expresar a intensidade da luz, entre as que se inclúen principalmente as tres seguintes.
(1) A iluminación refírese á densidade superficial do fluxo luminoso (fluxo luminoso por unidade de área) recibido no plano iluminado, en lux (lx).

(2) Radiación fotosinteticamente activa, PAR, unidade: W/m².

(3) A densidade de fluxo de fotóns fotosinteticamente efectivos PPFD ou PPF é o número de radiación fotosinteticamente efectiva que alcanza ou atravesa a unidade de tempo e a unidade de área, unidade: μmol/(m²·s). Refírese principalmente á intensidade luminosa de 400~700 nm directamente relacionada coa fotosíntese. Tamén é o indicador de intensidade luminosa máis utilizado no campo da produción vexetal.

Análise de fontes de luz dun sistema de luz suplementaria típico
O suplemento de luz artificial consiste en aumentar a intensidade da luz na área obxectivo ou prolongar o tempo de iluminación instalando un sistema de luz suplementario para satisfacer a demanda de luz das plantas. En xeral, o sistema de luz suplementario inclúe equipos de luz suplementaria, circuítos e o seu sistema de control. As fontes de luz suplementarias inclúen principalmente varios tipos comúns, como lámpadas incandescentes, lámpadas fluorescentes, lámpadas de haloxenuros metálicos, lámpadas de sodio de alta presión e LED. Debido á baixa eficiencia eléctrica e óptica das lámpadas incandescentes, á baixa eficiencia enerxética fotosintética e a outras deficiencias, foron eliminadas polo mercado, polo que este artigo non fai unha análise detallada.

■ Lámpada fluorescente
As lámpadas fluorescentes pertencen ao tipo de lámpadas de descarga de gas de baixa presión. O tubo de vidro está cheo de vapor de mercurio ou gas inerte, e a parede interior do tubo está revestida con po fluorescente. A cor da luz varía segundo o material fluorescente revestido no tubo. As lámpadas fluorescentes teñen un bo rendemento espectral, alta eficiencia luminosa, baixa potencia, maior vida útil (12000 h) en comparación coas lámpadas incandescentes e un custo relativamente baixo. Debido a que a propia lámpada fluorescente emite menos calor, pode estar preto das plantas para a iluminación e é axeitada para o cultivo tridimensional. Non obstante, a disposición espectral da lámpada fluorescente non é razoable. O método máis común no mundo é engadir reflectores para maximizar os compoñentes eficaces da fonte de luz dos cultivos na zona de cultivo. A empresa xaponesa adv-agri tamén desenvolveu un novo tipo de fonte de luz suplementaria HEFL. HEFL en realidade pertence á categoría de lámpadas fluorescentes. É o termo xeral para lámpadas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) e lámpadas fluorescentes de eléctrodo externo (EEFL), e é unha lámpada fluorescente de eléctrodo mixto. O tubo HEFL é extremadamente delgado, cun diámetro de só uns 4 mm, e a lonxitude pódese axustar de 450 mm a 1200 mm segundo as necesidades do cultivo. É unha versión mellorada da lámpada fluorescente convencional.

■ Lámpada de haloxenuros metálicos
A lámpada de haluros metálicos é unha lámpada de descarga de alta intensidade que pode excitar diferentes elementos para producir diferentes lonxitudes de onda engadindo varios haluros metálicos (bromuro de estaño, ioduro de sodio, etc.) no tubo de descarga baseándose nunha lámpada de mercurio de alta presión. As lámpadas halóxenas teñen unha alta eficiencia luminosa, alta potencia, boa cor de luz, longa vida útil e amplo espectro. Non obstante, debido a que a eficiencia luminosa é inferior á das lámpadas de sodio de alta presión e a vida útil é máis curta que a das lámpadas de sodio de alta presión, actualmente só se usa nalgunhas fábricas.

■ Lámpada de sodio de alta presión
As lámpadas de sodio de alta presión pertencen ao tipo de lámpadas de descarga de gas de alta presión. A lámpada de sodio de alta presión é unha lámpada de alta eficiencia na que se introduce vapor de sodio a alta presión no tubo de descarga e se lle engade unha pequena cantidade de xenón (Xe) e haluro metálico de mercurio. Debido a que as lámpadas de sodio de alta presión teñen unha alta eficiencia de conversión electroóptica con custos de fabricación máis baixos, as lámpadas de sodio de alta presión son actualmente as máis utilizadas na aplicación de luz suplementaria en instalacións agrícolas. Non obstante, debido ás deficiencias de baixa eficiencia fotosintética no seu espectro, teñen as deficiencias de baixa eficiencia enerxética. Por outra banda, os compoñentes espectrais emitidos polas lámpadas de sodio de alta presión concéntranse principalmente na banda de luz amarelo-laranxa, que carece dos espectros vermello e azul necesarios para o crecemento das plantas.

■ Diodo emisor de luz
Como unha nova xeración de fontes de luz, os díodos emisores de luz (LED) teñen moitas vantaxes, como unha maior eficiencia de conversión electroóptica, un espectro axustable e unha alta eficiencia fotosintética. Os LED poden emitir luz monocromática necesaria para o crecemento das plantas. En comparación coas lámpadas fluorescentes ordinarias e outras fontes de luz suplementarias, os LED teñen as vantaxes do aforro de enerxía, a protección ambiental, a longa vida útil, a luz monocromática, a fonte de luz fría, etc. Coa mellora adicional da eficiencia electroóptica dos LED e a redución dos custos causados ​​polo efecto de escala, os sistemas de iluminación de cultivo LED converteranse no equipo principal para complementar a luz nas instalacións agrícolas. Como resultado, as luces de cultivo LED aplicáronse en máis do 99,9 % das fábricas de plantas.

Mediante a comparación, pódense comprender claramente as características das diferentes fontes de luz suplementarias, como se mostra na Táboa 1.

Dispositivo de iluminación móbil
A intensidade da luz está estreitamente relacionada co crecemento dos cultivos. O cultivo tridimensional úsase a miúdo nas fábricas de plantas. Non obstante, debido á limitación da estrutura dos andeis de cultivo, a distribución desigual da luz e a temperatura entre os andeis afectará o rendemento dos cultivos e o período de colleita non se sincronizará. Unha empresa de Pequín desenvolveu con éxito un dispositivo de suplemento de luz de elevación manual (lámpada HPS e lámpada LED de cultivo) en 2010. O principio é xirar o eixe de accionamento e o enrolador fixado nel axitando a manivela para xirar o pequeno carrete de película para lograr o propósito de retraer e desenrolar o cable de aceiro. O cable de aceiro da luz de cultivo está conectado coa roda de enrolamento do elevador a través de varios conxuntos de rodas inversoras, para conseguir o efecto de axustar a altura da luz de cultivo. En 2017, a empresa mencionada anteriormente deseñou e desenvolveu un novo dispositivo móbil de suplemento de luz, que pode axustar automaticamente a altura do suplemento de luz en tempo real segundo as necesidades de crecemento dos cultivos. O dispositivo de axuste está agora instalado no andeis de cultivo tridimensional de tipo elevador de fonte de luz de 3 capas. A capa superior do dispositivo é a que ofrece as mellores condicións de luz, polo que está equipado con lámpadas de sodio de alta presión; a capa intermedia e a capa inferior están equipadas con luces de cultivo LED e un sistema de axuste de elevación. Pode axustar automaticamente a altura da luz de cultivo para proporcionar un ambiente de iluminación axeitado para os cultivos.

En comparación co dispositivo móbil de suplemento de luz deseñado para o cultivo tridimensional, os Países Baixos desenvolveron un dispositivo de suplemento de luz de cultivo LED móbil horizontalmente. Para evitar a influencia da sombra da luz de cultivo no crecemento das plantas ao sol, o sistema de luz de cultivo pódese desprazar cara a ambos os dous lados do soporte a través da corredera telescópica en dirección horizontal, de xeito que o sol irradie completamente as plantas; en días nubrados e chuviosos sen luz solar, empurre o sistema de luz de cultivo cara ao centro do soporte para que a luz do sistema de luz de cultivo encha uniformemente as plantas; mova o sistema de luz de cultivo horizontalmente a través da corredera do soporte, evite o desmontaxe e a retirada frecuentes do sistema de luz de cultivo e reduza a intensidade laboral dos empregados, mellorando así eficazmente a eficiencia do traballo.

Ideas de deseño dun sistema de iluminación de cultivo típico
Non é difícil ver a partir do deseño do dispositivo suplementario de iluminación móbil que o deseño do sistema de iluminación suplementario da fábrica de plantas adoita tomar a intensidade da luz, a calidade da luz e os parámetros do fotoperíodo dos diferentes períodos de crecemento dos cultivos como contido central do deseño, baseándose no sistema de control intelixente para implementalo, conseguindo o obxectivo final de aforro de enerxía e alto rendemento.

Na actualidade, o deseño e a construción de luz suplementaria para vexetais de folla madurou gradualmente. Por exemplo, os vexetais de folla pódense dividir en catro etapas: etapa de plántula, crecemento medio, crecemento tardío e etapa final; as froitas e hortalizas pódense dividir en etapa de plántula, etapa de crecemento vexetativo, etapa de floración e etapa de colleita. A partir dos atributos da intensidade da luz suplementaria, a intensidade da luz na etapa de plántula debería ser lixeiramente menor, a 60~200 μmol/(m²·s), e despois aumentar gradualmente. Os vexetais de folla poden alcanzar ata 100~200 μmol/(m²·s), e os vexetais de froitas poden alcanzar 300~500 μmol/(m²·s) para garantir os requisitos de intensidade da luz da fotosíntese das plantas en cada período de crecemento e satisfacer as necesidades de alto rendemento; En termos de calidade da luz, a proporción de vermello e azul é moi importante. Para aumentar a calidade das plántulas e evitar un crecemento excesivo na fase de plántula, a proporción de vermello e azul xeralmente establécese a un nivel baixo [(1~2):1] e logo redúcese gradualmente para satisfacer as necesidades da morfoloxía da luz da planta. A proporción de vermello, azul e vexetais de folla pódese establecer en (3~6):1. Para o fotoperíodo, de xeito similar á intensidade da luz, debería mostrar unha tendencia a aumentar coa extensión do período de crecemento, de xeito que os vexetais de folla teñan máis tempo fotosintético para a fotosíntese. O deseño de suplementos de luz de froitas e vexetais será máis complicado. Ademais das leis básicas mencionadas anteriormente, debemos centrarnos no establecemento do fotoperíodo durante o período de floración e promover a floración e a frutificación dos vexetais para que non sexan contraproducentes.

Cómpre mencionar que a fórmula de luz debe incluír o tratamento final para os ambientes de luz. Por exemplo, a suplementación continua con luz pode mellorar moito o rendemento e a calidade das mudas de vexetais de folla hidropónica, ou usar o tratamento UV para mellorar significativamente a calidade nutricional dos xermolos e dos vexetais de folla (especialmente as follas moradas e a leituga de folla vermella).

Ademais de optimizar a suplementación con luz para cultivos seleccionados, o sistema de control da fonte de luz dalgunhas fábricas de plantas de luz artificial tamén se desenvolveu rapidamente nos últimos anos. Este sistema de control baséase xeralmente na estrutura B/S. O control remoto e o control automático de factores ambientais como a temperatura, a humidade, a luz e a concentración de CO2 durante o crecemento dos cultivos realízanse a través de WIFI e, ao mesmo tempo, conséguese un método de produción que non está restrinxido polas condicións externas. Este tipo de sistema de luz suplementaria intelixente utiliza unha luminaria de cultivo LED como fonte de luz suplementaria que, combinada cun sistema de control remoto intelixente, pode satisfacer as necesidades de iluminación da lonxitude de onda das plantas, é especialmente axeitado para un ambiente de cultivo de plantas con control de luz e pode satisfacer ben a demanda do mercado.

Conclusións
As fábricas de plantas considéranse unha forma importante de resolver os problemas mundiais de recursos, poboación e medio ambiente no século XXI, e unha forma importante de lograr a autosuficiencia alimentaria en futuros proxectos de alta tecnoloxía. Como un novo tipo de método de produción agrícola, as fábricas de plantas aínda están na fase de aprendizaxe e crecemento, e necesítase máis atención e investigación. Este artigo describe as características e vantaxes dos métodos comúns de iluminación suplementaria nas fábricas de plantas e presenta as ideas de deseño dos sistemas típicos de iluminación suplementaria para cultivos. Non é difícil atopalo mediante comparación, para facer fronte á pouca luz causada por condicións meteorolóxicas severas, como nubra e néboa continuas, e para garantir unha produción alta e estable dos cultivos das instalacións, o equipo de fonte de luz LED Grow está máis en liña coas tendencias de desenvolvemento actuais.

A dirección de desenvolvemento futuro das fábricas de plantas debería centrarse en novos sensores de alta precisión e baixo custo, sistemas de dispositivos de iluminación de espectro axustable e controlables remotamente e sistemas de control experto. Ao mesmo tempo, as futuras fábricas de plantas continuarán a desenvolverse cara a un baixo custo, intelixentes e autoadaptables. O uso e a popularización das fontes de luz LED para o cultivo garanten un control ambiental de alta precisión das fábricas de plantas. A regulación do ambiente de luz LED é un proceso complexo que implica unha regulación exhaustiva da calidade da luz, a intensidade da luz e o fotoperíodo. Os expertos e académicos relevantes deben levar a cabo investigacións en profundidade, promovendo a iluminación suplementaria LED nas fábricas de plantas de luz artificial.