Автор: Џинг Жао, Зенгчан Жоу, Јунлонг Бу, итн. Извор на медиум: Технологија за земјоделско инженерство (стакленички хортикултура)

Фабриката комбинира модерна индустрија, биотехнологија, хидропоника на хранливи материи и информатичка технологија за да имплементира високопрецизна контрола на факторите на животната средина во објектот. Таа е целосно затворена, има ниски барања за околната средина, го скратува периодот на берба на растенијата, заштедува вода и ѓубрива, а со предностите на производството без пестициди и без испуштање отпад, ефикасноста на користење на земјиштето по единица е од 40 до 108 пати поголема од онаа на производството на отворено поле. Меѓу нив, интелигентниот вештачки извор на светлина и неговата регулација на светлосната средина играат одлучувачка улога во ефикасноста на производството.

Како важен физички фактор на животната средина, светлината игра клучна улога во регулирањето на растот на растенијата и метаболизмот на материјалите. „Една од главните карактеристики на фабриката за растенија е целосниот вештачки извор на светлина и реализацијата на интелигентна регулација на светлосната средина“ стана општ консензус во индустријата.

Потребата на растенијата за светлина

Светлината е единствениот извор на енергија за фотосинтезата на растенијата. Интензитетот на светлината, квалитетот на светлината (спектарот) и периодичните промени на светлината имаат длабоко влијание врз растот и развојот на културите, меѓу кои интензитетот на светлината има најголемо влијание врз фотосинтезата на растенијата.

■ Интензитет на светлина

Интензитетот на светлината може да ја промени морфологијата на културите, како што се цветањето, должината на меѓунодулите, дебелината на стеблото и големината и дебелината на листовите. Барањата на растенијата за интензитет на светлина можат да се поделат на растенија што ја сакаат светлината, растенија што ја сакаат средно светлината и растенија што ја толерираат слабата светлина. Зеленчукот е претежно растение што ја сака светлината, а нивните точки на компензација на светлината и точките на сатурација на светлината се релативно високи. Во фабриките за вештачко осветлување, релевантните барања на културите за интензитет на светлината се важна основа за избор на вештачки извори на светлина. Разбирањето на барањата за светлина на различните растенија е важно за дизајнирање на вештачки извори на светлина. Исклучително е потребно да се подобрат производствените перформанси на системот.

■ Квалитет на светлина

Распределбата на квалитетот на светлината (спектралната) исто така има важно влијание врз фотосинтезата и морфогенезата на растенијата (Слика 1). Светлината е дел од зрачењето, а зрачењето е електромагнетен бран. Електромагнетните бранови имаат бранови карактеристики и квантни (честички) карактеристики. Квантот на светлината се нарекува фотон во областа на хортикултурата. Зрачењето со опсег на бранови должини од 300~800nm ​​се нарекува физиолошки активно зрачење на растенијата; а зрачењето со опсег на бранови должини од 400~700nm се нарекува фотосинтетски активно зрачење (PAR) на растенијата.

Хлорофилот и каротените се двата најважни пигменти во фотосинтезата кај растенијата. Слика 2 го прикажува спектралниот апсорпционен спектар на секој фотосинтетски пигмент, во кој спектарот на апсорпција на хлорофил е концентриран во црвените и сините ленти. Системот за осветлување се базира на спектралните потреби на културите за вештачко дополнување на светлината, со цел да се промовира фотосинтезата на растенијата.

■ фотопериод
Врската помеѓу фотосинтезата и фотоморфогенезата на растенијата и должината на денот (или фотопериодот) се нарекува фотопериодност на растенијата. Фотопериодноста е тесно поврзана со светлосните часови, што се однесува на времето кога културата е озрачена со светлина. На различните култури им е потребен одреден број часови светлина за да го завршат фотопериодот за да цветаат и да вроди со плод. Според различните фотопериоди, може да се подели на долгодневни култури, како што се зелката итн., на кои им се потребни повеќе од 12-14 часа светлосни часови во одредена фаза од нивниот раст; краткодневни култури, како што се кромидот, сојата итн., бараат помалку од 12-14 часа осветлување; култури со средно сончево време, како што се краставиците, доматите, пиперките итн., можат да цветаат и да вроди со плод под подолга или пократка сончева светлина.
Меѓу трите елементи на животната средина, интензитетот на светлината е важна основа за избор на вештачки извори на светлина. Во моментов, постојат многу начини за изразување на интензитетот на светлината, главно вклучувајќи ги следните три.
(1) Осветлувањето се однесува на површинската густина на светлосниот флукс (светлосен флукс по единица површина) примен на осветлената рамнина, во лукс (lx).

(2) Фотосинтетски активно зрачење, PAR, единица: W/m².

(3) Фотосинтетски ефективната густина на фотонскиот флукс PPFD или PPF е бројот на фотосинтетски ефективно зрачење што достигнува или поминува низ единица време и единица површина, единица: μmol/(m²·s). Главно се однесува на интензитетот на светлината од 400~700nm директно поврзан со фотосинтезата. Тоа е исто така најчесто користениот индикатор за интензитет на светлината во областа на растителното производство.

Анализа на изворот на светлина на типичен систем за дополнително осветлување
Дополнителната вештачка светлина се користи за зголемување на интензитетот на светлината во целната област или продолжување на времето на осветлување со инсталирање на дополнителен систем за осветлување за да се задоволи потребата од светлина на растенијата. Општо земено, дополнителниот систем за осветлување вклучува дополнителна опрема за осветлување, кола и негов контролен систем. Дополнителните извори на светлина главно вклучуваат неколку вообичаени типови како што се лампи со вжарено влакно, флуоресцентни лампи, метал-халидни лампи, натриумови лампи со висок притисок и LED диоди. Поради ниската електрична и оптичка ефикасност на лампи со вжарено влакно, ниската фотосинтетска енергетска ефикасност и други недостатоци, пазарот го елиминираше, па затоа овој напис не прави детална анализа.

■ Флуоресцентна ламба
Флуоресцентните светилки спаѓаат во типот на ламби со гасно празнење со низок притисок. Стаклената цевка е исполнета со жива пареа или инертен гас, а внатрешниот ѕид на цевката е обложен со флуоресцентен прав. Бојата на светлината варира во зависност од флуоресцентниот материјал обложен во цевката. Флуоресцентните светилки имаат добри спектрални перформанси, висока светлосна ефикасност, мала моќност, подолг век на траење (12000 часа) во споредба со ламбите со блескаво светло и релативно ниска цена. Бидејќи самата флуоресцентна светилка емитира помалку топлина, може да биде блиску до растенијата за осветлување и е погодна за тродимензионално одгледување. Сепак, спектралниот распоред на флуоресцентната светилка е неразумен. Најчестиот метод во светот е да се додадат рефлектори за да се максимизираат ефективните компоненти на изворот на светлина на културите во областа на одгледување. Јапонската компанија adv-agri, исто така, разви нов тип на дополнителен извор на светлина HEFL. HEFL всушност спаѓа во категоријата флуоресцентни светилки. Тоа е општ термин за флуоресцентни светилки со ладна катода (CCFL) и флуоресцентни светилки со надворешна електрода (EEFL) и е флуоресцентна светилка со мешана електрода. HEFL цевката е екстремно тенка, со дијаметар од само околу 4 mm, а должината може да се прилагоди од 450 mm до 1200 mm според потребите на одгледувањето. Таа е подобрена верзија на конвенционалната флуоресцентна светилка.

■ Метално-халидна ламба
Метално-халидната светилка е високоинтензивна празнечка светилка која може да возбуди различни елементи за да произведе различни бранови должини со додавање на разни метални халиди (калај бромид, натриум јодид, итн.) во празнечката цевка врз основа на живина светилка со висок притисок. Халогените светилки имаат висока светлосна ефикасност, висока моќност, добра боја на светлината, долг век на траење и широк спектар. Меѓутоа, бидејќи светлосната ефикасност е помала од онаа на натриумовите светилки со висок притисок, а животниот век е пократок од оној на натриумовите светилки со висок притисок, моментално се користи само во неколку фабрики.

■ Натриумска ламба со висок притисок
Натриумските ламби со висок притисок припаѓаат на типот на гасни празнечки ламби со висок притисок. Натриумската ламба со висок притисок е високоефикасна ламба во која во цевката за празнење се полни натриумова пареа со висок притисок, а се додава мала количина ксенон (Xe) и жива метален халид. Бидејќи натриумските ламби со висок притисок имаат висока електрооптичка ефикасност на конверзија со пониски трошоци за производство, натриумските ламби со висок притисок моментално се најшироко користени во примената на дополнителна светлина во земјоделските објекти. Сепак, поради недостатоците на ниската фотосинтетска ефикасност во нивниот спектар, тие имаат недостатоци на ниска енергетска ефикасност. Од друга страна, спектралните компоненти што ги емитираат натриумските ламби со висок притисок се главно концентрирани во жолто-портокаловата светлосна лента, на која ѝ недостасуваат црвените и сините спектри потребни за раст на растенијата.

■ Диода што емитува светлина
Како нова генерација на извори на светлина, диодите што емитуваат светлина (LED) имаат многу предности, како што се поголема ефикасност на електрооптичка конверзија, прилагодлив спектар и висока фотосинтетска ефикасност. LED диодите можат да емитуваат монохроматска светлина потребна за раст на растенијата. Во споредба со обичните флуоресцентни ламби и други дополнителни извори на светлина, LED диодите имаат предности како што се заштеда на енергија, заштита на животната средина, долг век на траење, монохроматска светлина, извор на ладна светлина и така натаму. Со понатамошно подобрување на електрооптичката ефикасност на LED диодите и намалување на трошоците предизвикани од ефектот на скала, LED системите за осветлување за одгледување ќе станат главна опрема за дополнителна светлина во земјоделските објекти. Како резултат на тоа, LED светилките за одгледување се применети во над 99,9% од фабриките.

Преку споредба, карактеристиките на различните дополнителни извори на светлина можат јасно да се разберат, како што е прикажано во Табела 1.

Мобилен уред за осветлување
Интензитетот на светлината е тесно поврзан со растот на културите. Тридимензионалното одгледување често се користи во фабриките за растенија. Сепак, поради ограничувањата на структурата на решетките за одгледување, нееднаквата распределба на светлината и температурата помеѓу решетките ќе влијае на приносот на културите и периодот на берба нема да биде синхронизиран. Компанија во Пекинг успешно разви уред за рачно подигнување на светлината (HPS светилка и LED светилка за одгледување) во 2010 година. Принципот е да се ротира погонското вратило и намотувачот фиксиран на него со тресење на рачката за да се ротира малата ролна со филм за да се постигне целта на повлекување и одмотување на жиченото јаже. Жиченото јаже на светилката за одгледување е поврзано со тркалото за намотување на лифтот преку повеќе сета тркала што се движат поназад, со цел да се постигне ефектот на прилагодување на висината на светилката за одгледување. Во 2017 година, горенаведената компанија дизајнираше и разви нов мобилен уред за дополнително светло, кој може автоматски да ја прилагоди висината на дополнителното светло во реално време според потребите за раст на културите. Уредот за прилагодување сега е инсталиран на тродимензионална решетка за одгледување од типот на подигнување на изворот на светлина со 3 слоја. Горниот слој на уредот е на ниво со најдобри услови на осветлување, па затоа е опремен со натриумови ламби со висок притисок; средниот слој и долниот слој се опремени со LED светла за одгледување и систем за прилагодување на подигнувањето. Може автоматски да ја прилагоди висината на светлото за одгледување за да обезбеди соодветна средина за осветлување за културите.

Во споредба со мобилниот уред за дополнително светло прилагоден за тродимензионално одгледување, Холандија разви хоризонтално подвижен уред за дополнително светло со LED светло за раст. За да се избегне влијанието на сенката на светлото за раст врз растот на растенијата на сонце, системот за светло за раст може да се турка од двете страни на држачот преку телескопскиот лизгач во хоризонтална насока, така што сонцето целосно ќе ги озрачи растенијата; во облачни и дождливи денови без сончева светлина, турнете го системот за светло за раст до средината на држачот за светлината од системот за светло за раст рамномерно да ги исполни растенијата; поместете го системот за светло за раст хоризонтално низ лизгачот на држачот, избегнувајте често расклопување и отстранување на системот за светло за раст и намалете го интензитетот на трудот на вработените, со што ефикасно ќе се подобри работната ефикасност.

Идеи за дизајн на типичен систем за растечко осветлување
Не е тешко да се види од дизајнот на мобилниот дополнителен уред за осветлување дека дизајнот на дополнителниот систем за осветлување на фабриката обично ги зема предвид интензитетот на светлината, квалитетот на светлината и параметрите на фотопериодот на различните периоди на раст на културите како основна содржина на дизајнот, потпирајќи се на интелигентниот систем за контрола за имплементација, постигнувајќи ја крајната цел за заштеда на енергија и висок принос.

Во моментов, дизајнот и конструкцијата на дополнителна светлина за лиснат зеленчук постепено созреваат. На пример, лиснатиот зеленчук може да се подели во четири фази: фаза на расад, среден раст, доцен раст и крајна фаза; овошјето и зеленчукот може да се поделат на фаза на расад, фаза на вегетативен раст, фаза на цветање и фаза на берба. Од атрибутите на интензитетот на дополнителната светлина, интензитетот на светлината во фазата на расад треба да биде малку помал, на 60~200 μmol/(m²·s), а потоа постепено да се зголемува. Лиснатиот зеленчук може да достигне до 100~200 μmol/(m²·s), а овошниот зеленчук може да достигне 300~500 μmol/(m²·s) за да се обезбедат барањата за интензитет на светлина на фотосинтезата на растенијата во секој период на раст и да се задоволат потребите за висок принос; Во однос на квалитетот на светлината, односот на црвената и сината боја е многу важен. За да се зголеми квалитетот на садниците и да се спречи прекумерен раст во фазата на садење, односот на црвена кон сина боја генерално се поставува на ниско ниво [(1~2):1], а потоа постепено се намалува за да се задоволат потребите на морфологијата на светлината на растенијата. Односот на црвена кон сина боја кон лиснатиот зеленчук може да се постави на (3~6):1. За фотопериодот, слично на интензитетот на светлината, треба да покаже тренд на зголемување со продолжување на периодот на раст, така што лиснатиот зеленчук има повеќе фотосинтетско време за фотосинтеза. Дизајнот на додатоци во светлината кај овошјето и зеленчукот ќе биде покомплициран. Покрај горенаведените основни закони, треба да се фокусираме на поставувањето на фотопериодот за време на цветањето, а цветањето и плодоносењето на зеленчукот мора да се промовираат, за да не се врати ниско.

Вреди да се спомене дека формулата за светлина треба да го вклучува и крајниот третман за светли услови. На пример, континуираното дополнување со светлина може значително да го подобри приносот и квалитетот на хидропонските садници од лиснат зеленчук, или да се користи УВ третман за значително подобрување на нутритивниот квалитет на никулците и лиснатиот зеленчук (особено виолетовите лисја и црвената зелена салата).

Покрај оптимизирањето на дополнувањето со светлина за одбрани култури, системот за контрола на изворот на светлина во некои фабрики за вештачко осветлување, исто така, брзо се разви во последниве години. Овој систем за контрола генерално се базира на B/S структурата. Далечинското управување и автоматската контрола на факторите на животната средина, како што се температурата, влажноста, светлината и концентрацијата на CO2 за време на растот на културите, се реализираат преку WIFI, а во исто време се реализира и метод на производство кој не е ограничен од надворешни услови. Овој вид интелигентен дополнителен систем за осветлување користи LED светилка за одгледување како дополнителен извор на светлина, во комбинација со далечински интелигентен систем за контрола, може да ги задоволи потребите за осветлување на брановата должина на растенијата, е особено погоден за средина за одгледување растенија контролирана од светлина и може добро да ја задоволи побарувачката на пазарот.

Заклучни забелешки
Фабриките за растенија се сметаат за важен начин за решавање на светските проблеми со ресурсите, популацијата и животната средина во 21 век, како и важен начин за постигнување самоодржливост на храната во идните високотехнолошки проекти. Како нов вид метод на земјоделско производство, фабриките за растенија се уште се во фаза на учење и раст, и потребно е поголемо внимание и истражување. Оваа статија ги опишува карактеристиките и предностите на вообичаените методи на дополнително осветлување во фабриките за растенија и ги воведува идеите за дизајн на типични системи за дополнително осветлување на културите. Не е тешко да се најде преку споредба, со цел да се справи со слабата светлина предизвикана од лоши временски услови, како што се континуирано облачно и магла, и за да се обезбеди високо и стабилно производство на посевите во објектот, опремата со LED извор на светлина за одгледување е најсоодветна за тековните трендови на развој.

Идниот развој на фабриките треба да се фокусира на нови високопрецизни, нискобуџетни сензори, далечински контролирани, прилагодливи системи за осветлување со спектрум и експертски системи за контрола. Во исто време, идните фабрики ќе продолжат да се развиваат кон нискобуџетни, интелигентни и самоадаптивни извори на светлина. Употребата и популаризацијата на LED изворите на светлина за одгледување растенија гарантираат високопрецизна контрола на животната средина во фабриките. Регулирањето на LED светлосната средина е сложен процес што вклучува сеопфатна регулација на квалитетот на светлината, интензитетот на светлината и фотопериодот. Релевантните експерти и научници треба да спроведат длабинско истражување, промовирајќи дополнително LED осветлување во фабриките за вештачко осветлување.