Skrywer: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu, ens. Bronmedia ： Landbou -ingenieurswese -tegnologie (kweekhuis tuinbou)

Die plantfabriek kombineer die moderne industrie, biotegnologie, voedingshidroponika en inligtingstegnologie om hoë-presisiebeheer van omgewingsfaktore in die fasiliteit te implementeer. Dit is volledig toegemaak, het 'n lae vereistes aan die omliggende omgewing, verkort die plantoesperiode, bespaar water en kunsmis, en met die voordele van nie-plaagdoderproduksie en geen afvalafvoer nie, is die doeltreffendheid van die grondgebruik 40 tot 108 keer daarvan van oop veldproduksie. Onder hulle speel die intelligente kunsmatige ligbron en sy ligomgewingregulering 'n deurslaggewende rol in die produksiedoeltreffendheid daarvan.

As 'n belangrike fisiese omgewingsfaktor speel lig 'n sleutelrol in die regulering van plantgroei en materiële metabolisme. 'Een van die belangrikste kenmerke van die plantfabriek is die volledige kunsmatige ligbron en die verwesenliking van intelligente regulering van die ligomgewing' het 'n algemene konsensus in die bedryf geword.

Plante se behoefte aan lig

Lig is die enigste energiebron van plantfotosintese. Ligintensiteit, liggehalte (spektrum) en periodieke ligveranderings het 'n diepgaande impak op die groei en ontwikkeling van gewasse, waaronder die ligintensiteit die grootste invloed op die fotosintese van die plant het.

■ Ligintensiteit

Die intensiteit van die lig kan die morfologie van gewasse, soos blom, internode -lengte, stamdikte en blaargrootte en dikte verander. Die vereistes van plante vir ligintensiteit kan in ligte, medium-lig-liefdevolle en lae-ligte verdraagsame plante verdeel word. Groente is meestal ligte plante, en hul ligte vergoedingspunte en ligte versadigingspunte is relatief hoog. In kunsmatige ligplantfabrieke is die toepaslike vereistes van gewasse vir ligintensiteit 'n belangrike basis vir die keuse van kunsmatige ligbronne. Om die ligvereistes van verskillende plante te verstaan, is belangrik vir die ontwerp van kunsmatige ligbronne. Dit is uiters nodig om die produksieprestasie van die stelsel te verbeter.

■ Liggehalte

Die verspreiding van liggehalte (spektrale) het ook 'n belangrike invloed op plantfotosintese en morfogenese (Figuur 1). Lig is deel van bestraling, en bestraling is 'n elektromagnetiese golf. Elektromagnetiese golwe het golfkenmerke en kwantum (deeltjie) eienskappe. Die kwantum van die lig word foton in die tuinbouveld genoem. Straling met 'n golflengte van 300 ~ 800 nm word fisiologies aktiewe bestraling van plante genoem; en bestraling met 'n golflengte van 400 ~ 700 nm word fotosinteties aktiewe bestraling (PAR) van plante genoem.

Chlorofil en karotenes is die twee belangrikste pigmente in plantfotosintese. Figuur 2 toon die spektrale absorpsiespektrum van elke fotosintetiese pigment, waarin die chlorofil -absorpsiespektrum in die rooi en blou bande gekonsentreer is. Die beligtingstelsel is gebaseer op die spektrale behoeftes van gewasse om kunsmatig aan te vul, om die fotosintese van plante te bevorder.

■ Fotoperiode
Die verband tussen fotosintese en fotomorfogenese van plante en daglengte (of fotoperiodtyd) word fotoperioditeit van plante genoem. Die fotoperiode is nou verwant aan die ligte ure, wat verwys na die tyd dat die gewas deur lig bestraal word. Verskillende gewasse benodig 'n sekere aantal ure lig om die fotoperiode te voltooi om te blom en vrugte te dra. Volgens die verskillende fotoperiodes kan dit verdeel word in langdaagse gewasse, soos kool, ens., Wat meer as 12-14 uur ligte ure benodig in 'n sekere stadium van die groei daarvan; Kortdaggewasse, soos uie, sojabone, ens., Het minder as 12-14 uur beligtingsure nodig; Gewasse met medium-son, soos komkommers, tamaties, soetrissies, ens., Kan blom en vrugte dra onder langer of korter sonlig.
Onder die drie elemente van die omgewing is ligintensiteit 'n belangrike basis vir die keuse van kunsmatige ligbronne. Daar is tans baie maniere om ligintensiteit uit te druk, hoofsaaklik die volgende drie.
（1） Verligting verwys na die oppervlakdigtheid van ligvloei (lumineuse vloed per eenheidsarea) wat op die verligte vlak, in LUX (LX) ontvang is.

（2） Fotosinteties aktiewe bestraling, par ， Eenheid ： w/m²。

（3） Die fotosinteties effektiewe fotonvloei -digtheid PPFD of PPF is die aantal fotosinteties effektiewe bestraling wat deur eenheidstyd en eenheidsarea bereik of deurgaan, eenheid ： μmol/(m² · s)。 meestal na die ligintensiteit van 400 ~ 700nm direk verwant aan fotosintese. Dit is ook die mees gebruikte ligintensiteitsaanwyser op die gebied van plantproduksie.

Ligbronanalise van die tipiese aanvullende ligstelsel
Kunsmatige ligaanvulling is om die ligintensiteit in die teikenarea te verhoog of die ligtyd te verleng deur 'n aanvullingsligstelsel te installeer om aan die ligte vraag van plante te voldoen. Oor die algemeen bevat die aanvullende ligstelsel aanvullende ligtoerusting, stroombane en sy beheerstelsel. Aanvullende ligbronne bevat hoofsaaklik verskillende algemene soorte, soos gloeilampe, fluoresserende lampe, metaalhaliedlampe, natriumlampe en LED's met 'n hoë druk. As gevolg van die lae elektriese en optiese doeltreffendheid van gloeilampe, lae fotosintetiese energie -doeltreffendheid en ander tekortkominge, is dit deur die mark uitgeskakel, dus maak hierdie artikel nie 'n gedetailleerde ontleding nie.

■ Fluoresserende lamp
Fluoresserende lampe behoort tot die tipe lampe met 'n lae druk gas. Die glasbuis is gevul met kwikdamp of inerte gas, en die binnewand van die buis word met fluoresserende poeier bedek. Die ligkleur wissel met die fluoresserende materiaal wat in die buis bedek is. Fluoresserende lampe het 'n goeie spektrale werkverrigting, hoë lig -doeltreffendheid, lae krag, langer lewensduur (12000 uur) in vergelyking met gloeilampe en relatief lae koste. Omdat die fluoresserende lamp self minder hitte uitstraal, kan dit naby die plante wees vir beligting en is dit geskik vir driedimensionele verbouing. Die spektrale uitleg van die fluoresserende lamp is egter onredelik. Die algemeenste metode ter wêreld is om weerkaatsers by te voeg om die effektiewe ligbronkomponente van die gewasse in die verbouingsgebied te maksimeer. Japannese Adv-Agri Company het ook 'n nuwe soort aanvullende ligbron HEFL ontwikkel. HEFL behoort eintlik tot die kategorie fluoresserende lampe. Dit is die algemene term vir koue katode -fluoresserende lampe (CCFL) en eksterne elektrode -fluoresserende lampe (EEFL), en is 'n gemengde elektrode -fluoresserende lamp. Die HEFL -buis is buitengewoon dun, met 'n deursnee van slegs ongeveer 4 mm, en die lengte kan van 450 mm tot 1200 mm verstel word volgens die verbouingsbehoeftes. Dit is 'n verbeterde weergawe van die konvensionele fluoresserende lamp.

■ Metaalhaliedlamp
Die metaalhaliedlamp is 'n hoë-intensiteit-afvoerlamp wat verskillende elemente kan opwek om verskillende golflengtes te produseer deur verskillende metaalhaliede (tinbromied, natriumjodied, ens.) In die ontladingsbuis by te voeg op grond van 'n kwiklamp met 'n hoë druk. Halogeenlampe het 'n hoë lig -doeltreffendheid, hoë krag, goeie ligkleur, lang lewensduur en groot spektrum. Aangesien die ligte doeltreffendheid egter laer is as dié van natriumlampe met 'n hoë druk, en die leeftyd korter is as dié van natriumlampe met 'n hoë druk, word dit tans slegs in enkele plantfabrieke gebruik.

■ Hoë druk natriumlamp
Hoëdruk natriumlampe behoort tot die tipe hoëdrukgasafvoerlampe. Die natriumlamp met 'n hoë druk is 'n hoë-doeltreffendheidslamp waarin natriumdamp met 'n hoë druk in die afvoerbuis gevul word, en 'n klein hoeveelheid xenon (XE) en kwikmetaalhalied word bygevoeg. Aangesien natriumlampe met 'n hoë druk hoë elektro-optiese omskakelingsdoeltreffendheid met laer vervaardigingskoste het, is natriumlampe met 'n hoë druk tans die mees gebruikte in die toepassing van aanvullende lig in landboufasiliteite. Vanweë die tekortkominge van lae fotosintetiese doeltreffendheid in hul spektrum, het hulle egter die tekortkominge van lae energie -doeltreffendheid. Aan die ander kant is die spektrale komponente wat deur natriumlampe met 'n hoë druk vrygestel word, hoofsaaklik gekonsentreer in die geel-oranje ligte band, wat nie die rooi en blou spektra het wat nodig is vir plantgroei nie.

■ Ligte uitstralende diode
As 'n nuwe generasie ligbronne, hou lig-uitstralende diodes (LED's) baie voordele, soos hoër elektro-optiese omskakelingsdoeltreffendheid, verstelbare spektrum en hoë fotosintetiese doeltreffendheid. LED kan monochromatiese lig uitstraal wat nodig is vir plantgroei. In vergelyking met gewone fluoresserende lampe en ander aanvullende ligbronne, het LED die voordele van energiebesparing, omgewingsbeskerming, lang lewe, monochromatiese lig, koue ligbron en so aan. Met die verdere verbetering van die elektro-optiese doeltreffendheid van LED's en die vermindering van die koste wat deur die skaaleffek veroorsaak word, sal LED-groeikragstelsels die hoofstroomtoerusting word om lig in landboufasiliteite aan te vul. Gevolglik is LED -groeiende ligte toegedien oor 99,9% plantfabrieke.

Met vergelyking kan die kenmerke van verskillende aanvullende ligbronne duidelik verstaan ​​word, soos aangetoon in Tabel 1.

Mobiele beligtingstoestel
Die intensiteit van die lig hou nou verband met die groei van gewasse. Drie-dimensionele verbouing word dikwels in plantfabrieke gebruik. As gevolg van die beperking van die struktuur van die verbouingsrakke, sal die ongelyke verdeling van lig en temperatuur tussen die rakke egter die opbrengs van die gewasse beïnvloed en die oesperiode nie gesinkroniseer word nie. 'N Onderneming in Beijing het in 2010 'n handmatige opheffing van die ligaanvullingsapparaat (HPS -beligting en die LED -groeikrag -armatuur) suksesvol ontwikkel. Die beginsel is om die dryfas te draai en die winder daarop vasgemaak deur die handvatsel te skud om die klein filmrol te draai om die klein film te draai Om die doel te bereik om die draadtou terug te trek en te ontspan. Die draadtou van die Grow Light word met die kronkelwiel van die hysbak deur verskeie stelle omkeerwiele gekoppel, om die effek van die verstel van die hoogte van die Grow Light te bereik. In 2017 het die bogenoemde onderneming 'n nuwe mobiele ligaanvullingsapparaat ontwerp en ontwikkel, wat die ligaanvullingshoogte outomaties in reële tyd kan aanpas volgens die groei in gewasgroei. Die verstellingsapparaat is nou geïnstalleer op die 3-laag ligbron-opheffing tipe driedimensionele verbouingsrak. Die boonste laag van die toestel is die vlak met die beste ligte toestand, dus is dit toegerus met natriumlampe met 'n hoë druk; Die middelste laag en die onderste laag is toegerus met LED -kweekligte en 'n hefverstellingstelsel. Dit kan outomaties die hoogte van die Grow Light verstel om 'n geskikte beligtingsomgewing vir die gewasse te bied.

In vergelyking met die mobiele ligaanvullingsapparaat wat aangepas is vir driedimensionele verbouing, het Nederland 'n horisontaal beweegbare LED-ligte aanvullingsligtoestel ontwikkel. Om die invloed van die skaduwee van die groeilig op die groei van plante in die son te vermy, kan die Grow Light -stelsel aan beide kante van die hakie deur die teleskopiese skyfie in die horisontale rigting gedruk word, sodat die son volledig is bestraal op die plante; Druk die Grow Light -stelsel na die middel van die hakie op bewolkte en reënerige dae sonder sonlig om die lig van die Grow Light -stelsel eweredig die plante te vul; Beweeg die Grow Light -stelsel horisontaal deur die skyfie op die hak, vermy gereelde demontage en verwydering van die Grow Light -stelsel, en verminder die arbeidsintensiteit van werknemers, wat die werksdoeltreffendheid effektief verbeter.

Ontwerpidees van tipiese Grow Light -stelsel
Dit is nie moeilik om uit die ontwerp van die aanvullende apparaat vir mobiele beligting te sien dat die ontwerp van die aanvullende beligtingstelsel van die plantfabriek gewoonlik die ligintensiteit, liggehalte en fotoperiode -parameters van verskillende gewasgroeiperiodes neem as die kerninhoud van die ontwerp nie vertrou op die intelligente beheerstelsel om te implementeer, en bereik die uiteindelike doel van energiebesparing en hoë opbrengste.

Op die oomblik is die ontwerp en konstruksie van aanvullende lig vir blaargroente geleidelik volwasse. Byvoorbeeld, blaargroente kan in vier fases verdeel word: saailingstadium, middelgroei, laat groei en eindstadium; Vrugte-groente kan verdeel word in saailingstadium, vegetatiewe groeistadium, blomstadium en oesstadium. Vanaf die eienskappe van aanvullende ligintensiteit, moet die ligintensiteit in die saailingstadium effens laer wees, by 60 ~ 200 μmol/(m² · s), en dan geleidelik toeneem. Blaar groente kan tot 100 ~ 200 μmol/(m² · s) bereik, en vrugte groente kan 300 ~ 500 μmol/(m² · s) bereik om die ligintensiteitsvereistes van fotosintese van plant in elke groeiperiode te verseker en aan die behoeftes van die behoeftes te voldoen hoë opbrengs; Wat die liggehalte betref, is die verhouding van rooi tot blou baie belangrik. Om die kwaliteit van saailinge te verhoog en oormatige groei in die saailingstadium te voorkom, word die verhouding van rooi tot blou oor die algemeen op 'n lae vlak gestel [(1 ~ 2): 1], en dan geleidelik verminder om aan die behoeftes van plant te voldoen Ligte morfologie. Die verhouding van rooi tot blou tot blaargroente kan op (3 ~ 6): 1 gestel word. Vir die fotoperiode, soortgelyk aan die ligintensiteit, moet dit 'n neiging toon om met die verlenging van die groeiperiode te vergroot, sodat blaargroente meer fotosintetiese tyd vir fotosintese het. Die ligaanvullingsontwerp van vrugte en groente sal ingewikkelder wees. Benewens bogenoemde basiese wette, moet ons fokus op die instelling van die fotoperiode gedurende die blomtydperk, en die blom en vrugte van groente moet bevorder word om nie terug te vuur nie.

Dit is opmerklik dat die ligformule die eindbehandeling vir ligomgewinginstellings moet insluit. Byvoorbeeld, deurlopende ligaanvulling kan die opbrengs en kwaliteit van die hidroponiese blaarverkrandsaailinge aansienlik verbeter, of UV -behandeling gebruik om die spruitjies en blaargroente (veral pers blare en rooi blaarslaai) se voedingskwaliteit aansienlik te verbeter.

Benewens die optimalisering van ligaanvulling vir geselekteerde gewasse, het die ligbronbeheerstelsel van sommige kunsmatige ligplantfabrieke ook die afgelope paar jaar vinnig ontwikkel. Hierdie beheerstelsel is gewoonlik gebaseer op die B/S -struktuur. Afstandsbeheer en outomatiese beheer van omgewingsfaktore soos temperatuur, humiditeit, lig en CO2 -konsentrasie tydens die groei van gewasse word deur WiFi gerealiseer, en terselfdertyd word 'n produksiemetode wat nie deur eksterne toestande beperk word nie. Hierdie soort intelligente aanvullende ligstelsel gebruik LED-groeiende liggies as aanvullende ligbron, gekombineer met afgeleë intelligente beheerstelsel, kan voldoen aan die behoeftes van plantgolflengte-beligting, is veral geskik vir ligbeheerde plantverbouingsomgewing en kan goed voldoen aan die vraag na die mark .

Afsluitende opmerkings
Plantfabrieke word beskou as 'n belangrike manier om wêreldhulpbronne, bevolking en omgewingsprobleme in die 21ste eeu op te los, en 'n belangrike manier om voedsel selfvoorsiening in toekomstige hoë-tegnologie-projekte te bewerkstellig. As 'n nuwe soort landbouproduksiemetode, is plantfabrieke steeds in die leer- en groeistadium, en meer aandag en navorsing is nodig. Hierdie artikel beskryf die kenmerke en voordele van algemene aanvullende beligtingsmetodes in plantfabrieke, en stel die ontwerpidees van tipiese gewasaanvullende beligtingstelsels bekend. Dit is nie moeilik om deur vergelyking te vind om die lae lig wat veroorsaak word deur erge weer soos deurlopende bewolkte en waas te hanteer en om hoë en stabiele produksie van gewasse in die fasiliteit te verseker nie, is LED -ligbron -toerusting die meeste in ooreenstemming met die huidige ontwikkeling neigings.

Die toekomstige ontwikkelingsrigting van plantfabrieke moet fokus op nuwe hoë-presisie, laekoste-sensors, afstandbeheerbare, verstelbare spektrumbeligtingstoestelstelsels en kundige beheerstelsels. Terselfdertyd sal die toekomstige plantfabrieke voortgaan om te ontwikkel na laekoste, intelligente en selfaanpassende. Die gebruik en popularisering van LED-groeiende ligbronne bied waarborg vir hoë-presisie-omgewingsbeheer van plantfabrieke. LED -ligomgewingregulering is 'n ingewikkelde proses wat 'n uitgebreide regulering van liggehalte, ligintensiteit en fotoperiode behels. Relevante kundiges en wetenskaplikes moet diepgaande navorsing doen en LED-aanvullende beligting in kunsmatige ligplantfabrieke bevorder.