Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc.Medios fonte: Tecnoloxía da Enxeñaría Agrícola (horticultura de invernadoiro)

A fábrica de plantas combina industria moderna, biotecnoloxía, hidroponía de nutrientes e tecnoloxía da información para implementar un control de alta precisión dos factores ambientais nas instalacións.Está totalmente pechado, ten baixos requisitos para o medio ambiente, acurta o período de colleita da planta, aforra auga e fertilizantes, e coas vantaxes da produción sen pesticidas e sen descarga de residuos, a eficiencia unitaria do uso da terra é de 40 a 108 veces. de produción en campo aberto.Entre eles, a fonte de luz artificial intelixente e a súa regulación do ambiente luminoso 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 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 dos cultivos, entre os que a intensidade luminosa ten o maior impacto na fotosíntese das plantas.

■ Intensidade luminosa

A intensidade da luz pode cambiar a morfoloxía dos cultivos, como a floración, a lonxitude dos entrenudos, o grosor do talo e o tamaño e grosor das follas.Os requisitos das plantas para a intensidade da luz pódense dividir en plantas amantes da luz, amantes da luz media e tolerantes á luz baixa.Os vexetais son principalmente plantas amantes da luz, e os seus puntos de compensación de luz e puntos de saturación da luz son relativamente altos.Nas fábricas de plantas de luz artificial, 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 das diferentes plantas é importante para deseñar fontes de luz artificial, é moi necesario mellorar o rendemento da produción do sistema.

■ Calidade da luz

A distribución da calidade da luz (espectral) tamén ten unha importante influencia na fotosíntese e na 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).O quantum de luz chámase fotón no campo da horticultura.A radiación cun rango de lonxitudes de onda de 300 ~ 800 nm chámase radiación fisioloxicamente activa das plantas;e a radiación cun rango de lonxitudes de onda de 400~700 nm denomínase 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 da 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 favorecer a fotosíntese das plantas.

■ fotoperíodo
A relación entre a fotosíntese e a fotomorfoxénese das plantas e a duración do día (ou o tempo do fotoperíodo) chámase fotoperiodidade das plantas.A fotoperiodidade está moi relacionada coas horas de luz, que se refire ao tempo en que o cultivo é irradiado pola 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, pódese dividir en cultivos de día longo, como repolo, etc., que requiren máis de 12-14h horas de luz nunha determinada etapa do seu crecemento;os cultivos de días curtos, como cebola, soia, etc., requiren menos de 12-14h Horas de iluminación;cultivos de sol medio, como pepinos, tomates, pementos, etc., poden florecer e dar froitos baixo a luz solar máis longa ou curta.
Entre os tres elementos do ambiente, a intensidade da luz é unha base importante para seleccionar fontes de luz artificial.Na actualidade, hai moitas formas de expresar a intensidade da luz, incluíndo 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 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 alcanza ou atravesa unidade de tempo e área unitaria, unidade: μmol/(m²·s)。Refírese principalmente á intensidade luminosa de 400~700nm. directamente relacionados coa fotosíntese.Tamén é o indicador de intensidade luminosa máis utilizado no ámbito da produción vexetal.

Análise da fonte de luz dun sistema de luz suplementario típico
O suplemento de luz artificial consiste en aumentar a intensidade da luz na zona de destino ou estender o tempo de luz instalando un sistema de luz suplementaria para satisfacer a demanda de luz das plantas.En xeral, o sistema de iluminación complementaria inclúe equipos de luz complementaria, circuítos e o seu sistema de control.As fontes de luz complementarias inclúen principalmente varios tipos comúns, como lámpadas incandescentes, lámpadas fluorescentes, lámpadas de halogenuros metálicos, lámpadas de sodio de alta presión e LED.Debido á baixa eficiencia eléctrica e óptica das lámpadas incandescentes, a baixa eficiencia enerxética fotosintética e outras deficiencias, o mercado foi eliminado, 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 recuberta de 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 adecuada para o cultivo tridimensional.Non obstante, o deseño 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 zona de cultivo.A empresa xaponesa adv-agri tamén desenvolveu un novo tipo de fonte de luz complementaria HEFL.HEFL realmente pertence á categoría de lámpadas fluorescentes.É o termo xeral para as lámpadas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) e as lámpadas fluorescentes de electrodos externos (EEFL), e é unha lámpada fluorescente de electrodos mixtos.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 halogenuros metálicos
A lámpada de halogenuros 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 a partir dunha lámpada de mercurio de alta presión.As lámpadas halóxenas teñen unha alta eficiencia luminosa, alta potencia, boa cor de luz, longa vida e gran espectro.Non obstante, debido a que a eficiencia luminosa é menor que a 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 enche vapor de sodio a alta presión no tubo de descarga e engádese 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 custos de fabricación máis baixos, as lámpadas de sodio de alta presión son actualmente as máis utilizadas na aplicación de luz complementaria en instalacións agrícolas.Non obstante, debido ás deficiencias da baixa eficiencia fotosintética no seu espectro, teñen as deficiencias da baixa eficiencia enerxética.Por outra banda, os compoñentes espectrais emitidos polas lámpadas de sodio de alta presión concéntranse principalmente na banda de luz amarela-laranxa, que carece dos espectros vermello e azul necesarios para o crecemento das plantas.

■ Díodo 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 electro-óptica, espectro axustable e alta eficiencia fotosintética.O LED pode emitir luz monocromática necesaria para o crecemento das plantas.En comparación coas lámpadas fluorescentes comúns e outras fontes de luz complementarias, o LED ten as vantaxes de aforro de enerxía, protección ambiental, longa vida útil, luz monocromática, fonte de luz fría, etc.Coa mellora da eficiencia electro-óptica dos LED e a redución dos custos causados ​​polo efecto de escala, os sistemas de iluminación LED de crecemento converteranse no equipo principal para complementar a luz nas instalacións agrícolas.Como resultado, aplicáronse luces de cultivo LED ao 99,9% das fábricas de plantas.

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

Dispositivo de iluminación móbil
A intensidade da luz está moi relacionada co crecemento dos cultivos.O cultivo tridimensional úsase a miúdo nas fábricas de plantas.Non obstante, debido á limitación da estrutura dos bastidores de cultivo, a distribución desigual da luz e da temperatura entre os bastidores afectará o rendemento dos cultivos e o período de colleita non estará sincronizado.Unha empresa de Pequín desenvolveu con éxito un dispositivo de suplemento de luz de elevación manual (luz de iluminación HPS e luminaria de crecemento LED) en 2010. O principio é xirar o eixe motriz e o bobinador fixado nel axitando o asa para xirar a pequena bobina de película. para conseguir o propósito de retraer e desenrolar o cable de arame.A corda de arame da luz de crecemento está conectada coa roda de enrolamento do ascensor a través de varios xogos de rodas inversas, para conseguir o efecto de axustar a altura da luz de crecemento.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 da colleita.O dispositivo de axuste agora está instalado no bastidor de cultivo tridimensional de elevación da fonte 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 crecemento LED e un sistema de axuste de elevación.Pode axustar automaticamente a altura da luz de crecemento para proporcionar un ambiente de iluminación axeitado para os cultivos.

En comparación co dispositivo de suplemento de luz móbil adaptado para o cultivo tridimensional, os Países Baixos desenvolveron un dispositivo de luz de suplemento de luz LED que se move horizontalmente.Para evitar a influencia da sombra da luz de crecemento no crecemento das plantas ao sol, o sistema de luz de crecemento pódese empurrar a ambos lados do soporte a través do tobogán telescópico en dirección horizontal, para que o sol estea completamente. irradiado nas plantas;nos días nubrados e chuviosos sen luz solar, empurra o sistema de luz de crecemento cara ao medio do soporte para que a luz do sistema de luz de crecemento encha uniformemente as plantas;move o sistema de luz de crecemento horizontalmente a través da corredera do soporte, evita a desmontaxe e a eliminación frecuente do sistema de luz de crecemento e reduce a intensidade do traballo dos empregados, mellorando así a eficiencia do traballo.

Ideas de deseño do sistema de luz de cultivo típico
Non é difícil ver a partir do deseño do dispositivo complementario 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 principal do deseño. , confiando no sistema de control intelixente para implementar, conseguindo o obxectivo final de aforro de enerxía e alto rendemento.

Na actualidade, o deseño e construción de luz complementaria para vexetais de folla foi madurando gradualmente.Por exemplo, as verduras de folla poden dividirse en catro etapas: etapa de mudas, de crecemento medio, de crecemento tardío e etapa final;As froitas e hortalizas pódense dividir en fase de mudas, fase de crecemento vexetativo, fase de floración e fase de colleita.A partir dos atributos da intensidade da luz suplementaria, a intensidade da luz na fase de plántula debe ser lixeiramente inferior, 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 os 300~500 μmol/(m²·s) para garantir os requisitos de intensidade luminosa da fotosíntese das plantas en cada período de crecemento e satisfacer as necesidades de alto rendemento;En canto á calidade da luz, a relación entre vermello e azul é moi importante.Para aumentar a calidade das mudas e evitar un crecemento excesivo na fase de mudas, a proporción de vermello a azul adoita establecerse nun nivel baixo [(1~2):1], e despois redúcese gradualmente para satisfacer as necesidades da planta. morfoloxía lixeira.A proporción de vermello a azuis e vexetais de folla pódese establecer en (3 ~ 6): 1.Para o fotoperíodo, similar á intensidade da luz, debería mostrar unha tendencia de aumento coa extensión do período de crecemento, de xeito que os vexetais de folla teñan máis tempo fotosintético para a fotosíntese.O deseño de suplementos lixeiros de froitas e verduras será máis complicado.Ademais das mencionadas leis básicas, debemos centrarnos na fixación do fotoperíodo durante o período de floración, e hai que promover a floración e a frutificación dos vexetais, para non resultar contraproducente.

Paga a pena mencionar que a fórmula de luz debe incluír o tratamento final para a configuración do ambiente luminoso.Por exemplo, a suplementación de luz continua 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 brotes e das verduras de folla (especialmente as follas roxas e as leitugas vermellas).

Ademais de optimizar a suplementación de 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, realízase un método de produción que non está restrinxido por condicións externas.Este tipo de sistema de luz complementaria intelixente usa unha luminaria de cultivo LED como fonte de luz complementaria, combinada cun sistema de control remoto intelixente, pode satisfacer as necesidades de iluminación de lonxitude de onda das plantas, é especialmente axeitado para o ambiente de cultivo de plantas controlado pola luz e pode satisfacer a demanda do mercado. .

Observacións finais
Considérase que as fábricas de plantas son unha forma importante de resolver os problemas mundiais de recursos, poboación e ambientais 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 en fase de aprendizaxe e crecemento, e é necesaria máis atención e investigación.Este artigo describe as características e vantaxes dos métodos de iluminación complementaria comúns nas fábricas de plantas, e presenta as ideas de deseño dos sistemas de iluminación suplementarios típicos de cultivos.Non é difícil atopar a través da comparación, para facer fronte á pouca luz causada polo clima severo, como o nublado continuo e a néboa e para garantir unha produción alta e estable de cultivos, o equipo de fonte de luz LED Grow está máis en liña co desenvolvemento actual. tendencias.

A dirección de desenvolvemento futuro das fábricas de plantas debe centrarse en novos sensores de alta precisión e baixo custo, sistemas de dispositivos de iluminación de espectro controlables remotamente e axustables e sistemas de control expertos.Ao mesmo tempo, as futuras fábricas de plantas seguirán desenvolvéndose cara a un baixo custo, intelixente e autoadaptable.O uso e popularización de fontes de luz LED para cultivo proporcionan garantía para un control ambiental de alta precisión das fábricas de plantas.A regulación ambiental da luz LED é un proceso complexo que implica unha regulación integral da calidade da luz, a intensidade da luz e o fotoperíodo.Os expertos e estudosos relevantes deben realizar investigacións en profundidade, promovendo a iluminación complementaria LED nas fábricas de plantas de luz artificial.