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 o control de alta precisión dos factores ambientais na instalación. Está totalmente pechado, ten baixos requisitos sobre o ambiente circundante, acurta o período de colleita das plantas, aforra auga e fertilizante e coas vantaxes da produción non de pesticidas e sen descarga de residuos, a eficiencia do uso da terra é de 40 a 108 veces diso de produción de campo aberto. Entre eles, a fonte de luz artificial intelixente e a súa regulación de ambiente lixeiro xogan un papel decisivo na súa eficiencia de produción.

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

Necesidade de luz das plantas

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

■ Intensidade de luz

A intensidade da luz pode cambiar a morfoloxía dos cultivos, como a floración, a lonxitude dos internos, o grosor do talo e o tamaño e o grosor das follas. Os requisitos das plantas para a intensidade da luz pódense dividir en plantas amantes da luz, amante da luz media e de baixa luz. As verduras son principalmente plantas amantes da luz e os seus puntos de compensación lixeira e os puntos de saturación da luz son relativamente altos. Nas fábricas de plantas artificiais, os requisitos relevantes dos cultivos para a intensidade da luz son unha base importante para seleccionar fontes de luz artificial. Comprender os requisitos de luz de diferentes plantas é importante para deseñar fontes de luz artificial, é extremadamente necesario mellorar o rendemento da produción do sistema.

■ Calidade lixeira

A distribución da calidade da luz (espectral) tamén ten unha influencia importante na fotosíntese e morfoxénese das plantas (Figura 1). A luz é parte da radiación e a radiación é unha onda electromagnética. As ondas electromagnéticas teñen características de onda e características cuánticas (partículas). A cantidade de luz chámase fotón no campo da horticultura. A radiación cun rango de lonxitude de onda de 300 ~ 800 nm chámase radiación fisioloxicamente activa de plantas; e a radiación cun rango de lonxitude de onda de 400 ~ 700 nm chámase radiación fotosintéticamente 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 está concentrado nas bandas vermellas e azuis. O sistema de iluminación baséase nas necesidades espectrais dos cultivos para complementar artificialmente a luz, para promover a fotosíntese das plantas.

■ fotoperíodo
A relación entre a fotosíntese e a fotomorfoxénese das plantas e a duración do día (ou tempo fotoperíodo) chámase fotoperiodidade das plantas. A fotoperiodidade está estreitamente relacionada coas horas de luz, que se refire ao momento en que a colleita está irradiada pola luz. Diferentes cultivos requiren un certo número de horas de luz para completar o fotoperíodo para florecer e dar os froitos. Segundo os diferentes fotoperíodos, pódese dividir en cultivos de longo día, como a repolo, etc., que requiren máis de 12-14 horas de luz nunha determinada fase do seu crecemento; Os cultivos de curto día, como cebola, soia, etc., requiren menos de 12-14 horas de iluminación; Os cultivos de sol medio, como pepinos, tomates, pementos, etc., poden florecer e dar froitos baixo luz solar máis longa ou máis curta.
Entre os tres elementos do ambiente, a intensidade da luz é unha base importante para seleccionar fontes de luz artificiais. Na actualidade, hai moitas formas de expresar a intensidade da luz, incluíndo principalmente os tres seguintes.
（1） A iluminación refírese á densidade superficial do fluxo luminoso (fluxo luminoso por área de unidade) recibido no plano iluminado, en Lux (LX).

（2） Radiación fotosintéticamente activa, par ， unidade ： w/m²。

（3） A densidade de fluxo de fotóns fotosintéticamente eficaz PPFD ou PPF é o número de radiación fotosintéticamente eficaz que chega ou pasa por unidade e área unitaria, unidade ： ： ：mol/(m² · s)。 refírese á luz intensidade de 400 ~ 700nmm directamente relacionado coa fotosíntese. Tamén é o indicador de intensidade de luz máis usado no campo da produción de plantas.

Análise de fontes de luz do sistema de luz complementaria típica
O suplemento de luz artificial é aumentar a intensidade da luz na área de destino ou ampliar o tempo de luz instalando un sistema de luz do suplemento para cumprir a demanda lixeira das plantas. En xeral, o sistema de luz complementaria inclúe equipos de luz complementarios, circuítos e o seu sistema de control. As fontes de luz complementarias inclúen principalmente varios tipos comúns como lámpadas incandescentes, lámpadas fluorescentes, lámpadas de haluros metálicos, lámpadas de sodio de alta presión e LEDs. Debido á baixa eficiencia eléctrica e óptica de lámpadas incandescentes, baixa eficiencia enerxética fotosintética e outras carencias, foi eliminado 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 interna do tubo está revestida de po fluorescente. A cor claro varía co material fluorescente recuberto no tubo. As lámpadas fluorescentes teñen bo rendemento espectral, alta eficiencia luminosa, baixa potencia, vida máis longa (12000H) en comparación con lámpadas incandescentes e un custo relativamente baixo. Debido a que a lámpada fluorescente emite menos calor, pode estar preto das plantas para a iluminación e é adecuada para o cultivo tridimensional. Non obstante, o esquema espectral da lámpada fluorescente non é razoable. O método máis común no mundo é engadir reflectores para maximizar os compoñentes efectivos da fonte de luz dos cultivos na área de cultivo. A compañía xaponesa Adv-Agri tamén desenvolveu un novo tipo de fonte de luz complementaria HEFL. HEFL pertence á categoría de lámpadas fluorescentes. É o termo xeral para lámpadas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) e lámpadas fluorescentes de electrodos externos (EEFL) e é unha lámpada fluorescente de electrodos mixtos. The HEFL tube is extremely thin, with a diameter of only about 4mm, and the length can be adjusted from 450mm to 1200mm according to the needs of cultivation. É unha versión mellorada da lámpada fluorescente convencional.

■ Lámpada de haluro de metal
A lámpada de haluro de metal 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 a partir dunha lámpada de mercurio de alta presión. As lámpadas halóxenas teñen alta eficiencia luminosa, alta potencia, boa cor claro, longa vida e gran espectro. Non obstante, debido a que a eficiencia luminosa é inferior á das lámpadas de sodio de alta presión, e a vida útil é menor que a das lámpadas de sodio de alta presión, actualmente só se usa en poucas fábricas vexetais.

■ 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 enche o vapor de sodio de alta presión no tubo de descarga, e engádense 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 electro-óptica con menores custos de fabricación, as lámpadas de sodio a alta presión son actualmente as máis utilizadas na aplicación de luz complementaria nas instalacións agrícolas. Non obstante, debido ás carencias de baixa eficiencia fotosintética no seu espectro, teñen as carencias de baixa eficiencia enerxética. Por outra banda, os compoñentes espectrais emitidos por lámpadas de sodio de alta presión están concentrados principalmente na banda de luz amarela-laranxa, que carece dos espectros vermellos e azuis necesarios para o crecemento das plantas.

■ Diodo emisor de luz
Como nova xeración de fontes de luz, os diodos emisores de luz (LEDs) teñen moitas vantaxes como a maior eficiencia de conversión electro-óptica, espectro axustable e alta eficiencia fotosintética. O LED pode emitir luz monocromática necesaria para o crecemento das plantas. En comparación con lámpadas fluorescentes comúns e outras fontes de luz complementarias, o LED ten as vantaxes do aforro de enerxía, protección ambiental, longa vida, luz monocromática, fonte de luz fría, etc. Coa mellora da eficiencia electro-óptica dos LEDs e a redución dos custos causados ​​polo efecto de escala, os sistemas de iluminación LED converteranse no equipo principal para complementar a luz nas instalacións agrícolas. Como resultado, aplicáronse luces de cultivo LED en máis do 99,9% das fábricas de plantas.

A través da comparación, pódense entender claramente as características de diferentes fontes de luz complementarias, 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 vexetais. Non obstante, debido á limitación da estrutura dos racks de cultivo, a distribución desigual da luz e a temperatura entre os racks afectará o rendemento dos cultivos e o período de colleita non se sincronizará. A company in Beijing has successfully developed a manual lifting light supplement device(HPS lighting fixture and LED grow lighting fixture) in 2010. The principle is to rotate the drive shaft and the winder fixed on it by shaking the handle to rotate the small film reel Para lograr o propósito de retirar e desenrolar a corda de arame. The wire rope of the grow light is connected with the winding wheel of the elevator through multiple sets of reversing wheels, so as to achieve the effect of adjusting the height of the grow light. In 2017, the above-mentioned company designed and developed a new mobile light supplement device, which can automatically adjust the light supplement height in real time according to crop growth needs. O dispositivo de axuste está instalado no cremalleira de cultivo tridimensional de tipo 3 de luz de 3 capas. A capa superior do dispositivo é o nivel coa mellor condición de luz, polo que está equipado con lámpadas de sodio de alta presión; A capa media 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 adecuado para os cultivos.

En comparación co dispositivo de suplemento de luz móbil adaptado para o cultivo tridimensional, os Países Baixos desenvolveron un dispositivo lixeiro de complemento de luz LED de Grow Light. Para evitar a influencia da sombra da luz de crecemento sobre o crecemento das plantas ao sol, o sistema de luz de crecemento pode ser empuxado a ambos os dous lados do soporte a través da diapositiva telescópica en dirección horizontal, de xeito que o sol estea completamente irradiado nas plantas; Nos días nublados e chuviosos sen luz solar, empurra o sistema de luz de crecemento ata o medio do soporte para que a luz do sistema de cultivo se enche uniformemente as plantas; Mover o sistema de luz de cultivo horizontalmente a través da diapositiva no soporte, evitar o desmontaxe frecuente e a eliminación do sistema de luz de crecemento e reducir a intensidade laboral dos empregados, mellorando efectivamente a eficiencia laboral.

Deseña ideas do sistema típico de cultivo
Non é difícil ver no deseño do dispositivo complementario de iluminación móbil que o deseño do sistema de iluminación complementaria da fábrica de plantas adoita levar a intensidade da luz, a calidade da luz e os parámetros fotoperíodos de diferentes períodos de crecemento das colleitas como o contido básico do deseño , confiando no sistema de control intelixente para implementar, logrando o obxectivo final do aforro de enerxía e do alto rendemento.

Na actualidade, o deseño e construción de luz complementaria para verduras de folla madurou gradualmente. Por exemplo, as verduras de folla pódense dividir en catro etapas: etapa de plántula, crecemento medio, crecemento tardío e fase final; Os vexetais de froitas pódense dividir en fase de plántulas, fase de crecemento vexetativo, fase de floración e fase de colleita. From the attributes of supplemental light intensity, the light intensity in the seedling stage should be slightly lower, at 60~200 μmol/(m²·s), and then gradually increase. Leafy vegetables can reach up to 100~200 μmol/(m²·s), and fruit vegetables can reach 300~500 μmol/(m²·s) to ensure the light intensity requirements of plant photosynthesis in each growth period and fulfill the needs of alto rendemento; En termos de calidade da luz, a relación de vermello a azul é moi importante. In order to increase the quality of seedlings and prevent excessive growth in the seedling stage, the ratio of red to blue is generally set at a low level [(1~2):1], and then gradually reduced to meet the needs of plant Morfoloxía lixeira. A relación de verduras vermellas a azul a de folla pódese definir en (3 ~ 6): 1. For the photoperiod, similar to the light intensity, it should show a trend of increasing with the extension of the growth period, so that leafy vegetables have more photosynthetic time for photosynthesis. O deseño do suplemento lixeiro de froitas e verduras será máis complicado. In addition to the above-mentioned basic laws, we should focus on the setting of the photoperiod during the flowering period, and the flowering and fruiting of vegetables must be promoted, so as not to backfire.

Cabe mencionar que a fórmula lixeira debería incluír o tratamento final para a configuración do ambiente lixeiro. Por exemplo, a suplementación de luz continua pode mellorar enormemente o rendemento e a calidade das mudas de verduras de follas hidropónicas ou usar tratamento UV para mellorar significativamente os brotes e as verduras de folla (especialmente follas púrpuras e leituga de follas vermellas) calidade nutricional.

Ademais de optimizar a suplementación de luz para os cultivos seleccionados, o sistema de control de fontes de luz dalgunhas fábricas de plantas artificiais 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, realízase un método de produción que non está restrinxido por condicións externas. Este tipo de sistema de luz complementaria intelixente usa o luminario LED Grow Light como fonte de luz complementaria, combinada con sistema de control intelixente remoto, pode satisfacer as necesidades da iluminación de lonxitude de onda das plantas, é especialmente adecuado para un ambiente de cultivo de plantas de control de luz e pode satisfacer a demanda do mercado .

Observacións conclusivas
As fábricas de plantas considéranse un xeito importante de resolver problemas mundiais de recursos, poboación e ambientais no século XXI, e un xeito importante de lograr a autosuficiencia alimentaria en futuros proxectos de alta tecnoloxía. Como novo tipo de método de produción agrícola, as fábricas de plantas seguen na fase de aprendizaxe e crecemento, e necesítanse máis atención e investigación. This article describes the characteristics and advantages of common supplementary lighting methods in plant factories, and introduces the design ideas of typical crop supplementary lighting systems. It is not difficult to find through comparison, in order to cope with the low light caused by severe weather such as continuous cloudy and haze and to ensure high and stable production of facility crops, LED Grow light source equipment is most in line with current development tendencias.

A futura dirección de desenvolvemento das fábricas vexetais debe centrarse en novos sensores de alta precisión, de baixo custo, sistemas de dispositivos de iluminación de espectro controlables de xeito remoto e axustables e sistemas de control de expertos. Ao mesmo tempo, as futuras fábricas de plantas continuarán a desenvolverse cara a de baixo custo, intelixente e autoadaptante. O uso e a popularización de fontes de luz de crecemento LED proporcionan garantía para o control ambiental de alta precisión das fábricas de plantas. A regulación do ambiente de luz LED é un proceso complexo que implica unha regulación integral da calidade da luz, a intensidade da luz e o fotoperíodo. Expertos e estudosos relevantes necesitan realizar investigacións en profundidade, promovendo a iluminación complementaria LED en fábricas de plantas artificiais.