Kirjailija: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu jne. Lähdemedia ： Maatalouden tekniikka (kasvihuoneen puutarha)

Kasvien tehtaalla yhdistyvät moderni teollisuus, biotekniikka, ravinteiden vesiviljely ja tietotekniikka laitoksen ympäristötekijöiden tarkkaan hallinnan toteuttamiseksi. Se on täysin suljettu, sillä on alhaiset vaatimukset ympäröivään ympäristöön, lyhentää kasvien sadonkorjuukautta, säästää vettä ja lannoitteita, ja ei-torjunta-aineiden tuotannon etujen ja jätteiden purkamisen etujen avulla yksikön maankäytön tehokkuus on 40–108 kertaa siitä avoimen kentän tuotannosta. Heidän joukossaan älykkäällä keinotekoisella valonlähteellä ja sen kevyellä ympäristöä säätelyllä on ratkaiseva rooli sen tuotannon tehokkuudessa.

Tärkeänä fyysisenä ympäristötekijänä valolla on avainasemassa kasvien kasvun ja aineellisen aineenvaihdunnan säätelyssä. ”Yksi kasvien tehtaan pääpiirteistä on täydellinen keinotekoinen valonlähde ja kevyen ympäristön älykkään sääntelyn toteuttamisesta" on tullut alan yleinen yksimielisyys.

Kasvien valon tarve

Valo on ainoa kasvien fotosynteesin energialähde. Valon voimakkuudella, valonlaadulla (spektri) ja määräajoin valonmuutoksilla on syvällinen vaikutus kasvien kasvuun ja kehitykseen, joista valon voimakkuudella on suurin vaikutus kasvien fotosynteesiin.

■ Valon voimakkuus

Valon voimakkuus voi muuttaa viljelykasvien morfologiaa, kuten kukinnan, internodin pituuden, varren paksuuden ja lehden koon ja paksuuden. Valon voimakkuuden kasvien vaatimukset voidaan jakaa valoa rakastaviin, keskisuuriin valaistuihin ja pieniin valaistuihin sietäviin kasveihin. Vihannekset ovat enimmäkseen valoa rakastavia kasveja, ja niiden valonkorvauspisteet ja valon kylläisyyspisteet ovat suhteellisen korkeat. Keinotekoisissa valaistustehtaissa valon voimakkuuden viljelykasvien asiaankuuluvat vaatimukset ovat tärkeä perusta keinotekoisten valonlähteiden valitsemiseksi. Eri kasvien kevyiden valonlähteiden suunnittelulle on tärkeää ymmärtää, on erittäin välttämätöntä parantaa järjestelmän tuotanto suorituskykyä.

■ Kevyen laatu

Valonlaadun (spektri) jakautumisella on myös tärkeä vaikutus kasvien fotosynteesiin ja morfogeneesiin (kuva 1). Valo on osa säteilyä, ja säteily on sähkömagneettinen aalto. Sähkömagneettisilla aaltoilla on aaltoominaisuudet ja kvantti (hiukkas) ominaisuudet. Valon kvanttia kutsutaan fotoniksi puutarhanhoitokentällä. Säteilyä, jonka aallonpituusalue on 300 ~ 800 nm, kutsutaan kasvien fysiologisesti aktiiviseksi säteilyksi; ja säteilyä, jonka aallonpituusalue on 400 ~ 700 nm, kutsutaan kasvien fotosynteettisesti aktiiviseksi säteilyyn (PAR).

Klorofylli ja karoteenit ovat kaksi tärkeintä pigmenttiä kasvien fotosynteesissä. Kuvio 2 esittää kunkin fotosynteettisen pigmentin spektrin absorptiospektrin, jossa klorofyllin absorptiospektri on keskittynyt punaiseen ja sinisiin kaistaihin. Valaistusjärjestelmä perustuu viljelykasvien spektritarpeisiin keinotekoisesti valon täydentämiseksi kasvien fotosynteesin edistämiseksi.

■ Photoperiod
Kasvien fotosynteesin ja fotomorfogeneesin ja päivän pituuden (tai valokuvajakson) välistä suhdetta kutsutaan kasvien valokuvajaksoksi. Photoperiodity liittyy läheisesti valoaikaan, mikä viittaa siihen aikaan, jolloin sato on valon säteilytetty. Eri viljelykasvit vaativat tietyn määrän tunteja valoa valonsuojan loppuun saattamiseksi kukkimaan ja hedelmien kantamiseen. Eri fotoperiodien mukaan se voidaan jakaa pitkäpäivän viljelykasveihin, kuten kaaliin jne., Jotka vaativat yli 12-14 tunnin valoa tuntia tietyssä kasvun vaiheessa; Lyhytpäivän viljelykasvit, kuten sipulit, soijapavut jne., Vaaditaan alle 12-14 tunnin valaistustuntia; Keskikokoiset kasvit, kuten kurkut, tomaatit, paprikat jne., Voivat kukoistaa ja kantaa hedelmiä pidemmän tai lyhyemmän auringonvalon alla.
Kolmen ympäristön elementin joukossa valon voimakkuus on tärkeä perusta keinotekoisten valonlähteiden valinnassa. Tällä hetkellä on monia tapoja ilmaista valon voimakkuutta, mukaan lukien seuraavat kolme.
（1） valaistus viittaa valaistulla tasolla vastaanotetun valaistusvirran (valovirtaista) pintatiheyteen, lux (LX).

（2） fotosynteettisesti aktiivinen säteily, par -yksikkö ： w/m²。

（3） fotosynteettisesti tehokas fotoniviren tiheys PPFD tai PPF on fotosynteettisesti tehokkaan säteilyn lukumäärä, joka saavuttaa tai kulkee yksikköajan ja yksikköpinta -alan läpi, yksikkö ： μmol/(m² · s)。 Liittyy suoraan fotosynteesiin. Se on myös yleisimmin käytetty valon voimakkuusindikaattori kasvien tuotannon alalla.

Tyypillisen lisävalojärjestelmän valonlähdeanalyysi
Keinotekoinen valolake on lisätä valon voimakkuutta kohdealueella tai pidentää valoaikaa asentamalla lisävalojärjestelmä kasvien valon kysynnän täyttämiseksi. Yleisesti ottaen lisävalojärjestelmä sisältää lisävalot, piirit ja sen ohjausjärjestelmän. Lisävalonlähteitä ovat pääasiassa useita yleisiä tyyppejä, kuten hehkulamput, loistevalaisimet, metallihalogenidilamput, korkeapaineiset natriumlamput ja LEDit. Markkinat ovat eliminoineet hehkulamppujen alhaisen sähkö- ja optisen tehokkuuden, alhaisen fotosynteettisen energiatehokkuuden ja muut puutteet, joten tämä artikkeli ei tee yksityiskohtaista analyysiä.

■ Fluoresenttivalo
Fluoresoivat lamput kuuluvat matalapaineisten kaasupäästövalaisimien tyyppiin. Lasiputki on täytetty elohopeahöyryllä tai inertillä kaasulla, ja putken sisäseinä on päällystetty fluoresoivalla jauheella. Valoväri vaihtelee putkessa päällystetyn fluoresoivan materiaalin mukaan. Fluoresoivilla lampuilla on hyvä spektrin suorituskyky, korkea valaistustehokkuus, pieni teho, pidempi käyttöikä (12000H) verrattuna hehkulamppuihin ja suhteellisen edullisiin kustannuksiin. Koska fluoresoiva lamppu itsessään säteilee vähemmän lämpöä, se voi olla lähellä kasveja valaistusta varten ja sopii kolmiulotteiseen viljelyyn. Fluoresoivan lampun spektriasettelu on kuitenkin kohtuuton. Maailman yleisin menetelmä on lisätä heijastimia maksimoidakseen viljelyalueen viljelykasvien tehokkaat valonlähteen komponentit. Japanilainen Adv-Agri Company on myös kehittänyt uuden tyyppisen lisävalolähteen Hefl: n. HEFL kuuluu tosiasiallisesti loistevalaisimien luokkaan. Se on yleinen termi kylmäkatodien loistevalaisimille (CCFL) ja ulkoiselle elektrodien loistevalaisimille (EEFL), ja se on sekoitettu elektrodin loisteputki. HEFL -putki on erittäin ohut, halkaisija on vain noin 4 mm, ja pituutta voidaan säätää 450 mm: sta 1200 mm: iin viljelytarpeiden mukaan. Se on parannettu versio tavanomaisesta loisteputkesta.

■ Metallihalogenidilamppu
Metallihalogenidilamppu on korkean intensiteetin purkauslamppu, joka voi herättää erilaisia ​​elementtejä erilaisten aallonpituuksien tuottamiseksi lisäämällä erilaisia ​​metallihalogenideja (tinabromidi, natriumjodidi jne.) Purkausputkeen korkeapaineisen elohopeavalaisimen perusteella. Halogeenivalaisimilla on korkea valaistustehokkuus, suuri teho, hyvä vaalea, pitkä käyttöikä ja suuri spektri. Koska valaistustehokkuus on kuitenkin alhaisempi kuin korkeapaineisten natriumlamppujen ja elinikä on lyhyempi kuin korkeapaineisten natriumlamppujen, sitä käytetään tällä hetkellä vain muutamissa kasvitehtaissa.

■ Korkeapaine natriumlamppu
Korkeapaineiset natriumvalaisimet kuuluvat korkeapaineisten kaasupäästövalaisimien tyyppiin. Korkeapaineen natriumlamppu on korkean tehokkuusvalo, jossa korkeapaineinen natriumhöyry täytetään purkausputkessa ja lisätään pieni määrä ksenonia (XE) ja elohopeametallihalogenidia. Koska korkean paineisen natriumlamppujen korkean elektro-optisen muuntamistehokkuuden ja alhaisemman valmistuskustannuksen kanssa, korkean paine-natriumlamput ovat tällä hetkellä yleisimmin käytettyjä lisävalon levittämisessä maataloustiloissa. Spektrinsä alhaisen fotosynteettisen tehokkuuden puutteiden vuoksi niillä on kuitenkin vähän energiatehokkuutta. Toisaalta korkeapaineisten natriumvalaisimien lähettämät spektrikomponentit ovat pääosin keskittyneet kelta-oranssiin valolaudaan, josta puuttuu kasvien kasvulle tarvittavat punaiset ja siniset spektrit.

■ Light -säteilevä diodi
Uuden sukupolven valonlähteitä, valoa säteileviä diodeja (LED) on monia etuja, kuten korkeampi sähköoptinen muuntamistehokkuus, säädettävä spektri ja korkea fotosynteettinen tehokkuus. LED voi lähettää yksiväristä valoa, jota tarvitaan kasvien kasvuun. Verrattuna tavallisiin loistelamppuihin ja muihin lisävalonlähteisiin, LEDillä on etuja energiansäästölle, ympäristönsuojelulle, pitkälle käyttölle, yksiväriselle valolle, kylmävalon lähteeksi ja niin edelleen. LEDien sähköoptisen tehokkuuden ja mittakaavan vaikutuksen aiheuttamien kustannusten vähentämisen edelleen paranemisen myötä LED-kasvatusjärjestelmät tulevat valtavirran laitteiksi valon täydentämiseksi maataloustiloissa. Seurauksena on, että LED -kasvatusvaloja on käytetty yli 99,9% kasvien tehtaalla.

Vertailun avulla eri lisävalonlähteiden ominaisuudet voidaan ymmärtää selvästi, kuten taulukossa 1 esitetään.

Mobiilivalaistuslaite
Valon voimakkuus liittyy läheisesti kasvien kasvuun. Kolmiulotteista viljelyä käytetään usein kasvitehtaissa. Viljelytelineiden rakenteen rajoituksen vuoksi valon ja lämpötilan epätasainen jakautuminen telineiden välillä vaikuttaa kuitenkin kasvien satoon ja sadonkorjuukauteen ei synkronoida. Pekingin yritys on onnistuneesti kehittänyt manuaalisen nostovalaisimen lisälaitteen (HPS -valaistus ja LED Grow Grow Lighting) vuonna 2010. Periaatteena on kiertää aseman akseli ja siihen kiinnitetty käämitys ravistamalla kahvaa kääntääksesi pienen kalvokelan Langan köyden vetämisen ja purkamisen tarkoituksen saavuttamiseksi. Grow -valon vaijerijoukko on kytketty hissin käämityspyörään useiden kääntävien pyörien sarjojen läpi, jotta voidaan saavuttaa kasvatusvalon korkeuden säätäminen. Vuonna 2017 edellä mainittu yritys suunnitteli ja kehitti uuden mobiilivalonlisälaitteen, joka voi automaattisesti säätää valonlisäainetta reaaliajassa sadon kasvutarpeiden mukaan. Säätölaite on nyt asennettu 3-kerroksen valonlähteen nostotyypin kolmiulotteiseen viljelytelineeseen. Laitteen yläkerros on taso, jolla on paras valonolosuhteet, joten se on varustettu korkeapaineisilla natriumvalaisimilla; Keskimmäinen kerros ja alakerros on varustettu LED -kasvuvaloilla ja nostojärjestelmällä. Se voi automaattisesti säätää Grow -valon korkeutta sopivan valaistusympäristön aikaansaamiseksi satoille.

Verrattuna kolmiulotteiseen viljelyyn räätälöityyn mobiililisäaineeseen, Alankomaat on kehittänyt vaakasuoraan siirrettävän LED-Grow Light -lisävalaisimen laitteen. Kasvavalovalojen vaikutuksen välttämiseksi kasvien kasvuun auringossa, Grow Light -järjestelmä voidaan työntää kiinnikkeen molemmille puolille teleskooppisen liukumäen läpi vaakasuunnassa, niin että aurinko on täysin säteilytetty kasveihin; Työnnä kasvava kevyt järjestelmä kiinnikkeen keskelle pilvistä ja sateisia päiviä ilman auringonvaloa, jotta kasvatusvalon valo täytetään kasvit tasaisesti; Siirrä kasvuvalojärjestelmää vaakasuoraan kiinnikkeen liukumäen läpi, vältä kasvatusvalojärjestelmän usein purkamista ja poistamista ja vähennä työntekijöiden työn voimakkuutta parantaen siten tehokkaasti työn tehokkuutta.

Suunnitteluideoita tyypillisestä Grow Light -järjestelmästä
Matkaviestinvalaistuksen lisälaitteen suunnittelusta ei ole vaikea nähdä, että kasvitehtaan lisävalaistusjärjestelmän suunnittelu vie yleensä valon voimakkuuden, valon laadun ja valokuvajakson parametrit eri sadon kasvujaksoihin suunnittelun ydinpitoisuutena , luottaen älykkääseen ohjausjärjestelmään toteuttamaan, saavuttaen energiansäästön ja korkean saannon lopullisen tavoitteen.

Tällä hetkellä lehtivihannesten lisävalon suunnittelu ja rakentaminen on vähitellen kypsynyt. Esimerkiksi lehtivihannekset voidaan jakaa neljään vaiheeseen: taimivaiheen, keskipisteen, myöhään kasvun ja loppuvaiheen; Hedelmävihanvesit voidaan jakaa taimivaiheeseen, vegetatiiviseen kasvuvaiheeseen, kukinnan vaiheeseen ja sadonkorjuuvaiheeseen. Lisävalon voimakkuuden ominaisuuksien perusteella valon voimakkuuden taimivaiheessa tulisi olla hiukan alhaisempi, nopeudella 60 ~ 200 μmol/(m² · s) ja kasvaa sitten vähitellen. Lehtivihannekset voivat saavuttaa jopa 100 ~ 200 μmol/(m² · s), ja hedelmävihannekset voivat saavuttaa 300 ~ 500 μmol/(m² · s) varmistaakseen kasvien fotosynteesin valon voimakkuusvaatimukset jokaisessa kasvujaksossa ja täyttämään tarpeet korkea sato; Valon laadun suhteen punaisesta siniseen suhde on erittäin tärkeä. Taimien laadun parantamiseksi ja taimivaiheen liiallisen kasvun estämiseksi punaisen ja sinisen suhde asetetaan yleensä alhaisella tasolla [(1 ~ 2): 1] ja sitten vähitellen vähitellen kasvien tarpeiden tyydyttämiseksi kevyt morfologia. Punaisesta siniseen ja lehtivihanneksiin voidaan asettaa (3 ~ 6): 1. Valokuvajaksolle, joka on samanlainen kuin valon voimakkuus, sen pitäisi osoittaa suuntaus kasvaa kasvujakson pidentämisen myötä, jotta lehtivihannekset ovat enemmän fotosynteettistä aikaa fotosynteesiin. Hedelmien ja vihannesten valonlisäinen suunnittelu on monimutkaisempi. Edellä mainittujen peruslakien lisäksi meidän tulisi keskittyä valokuvajakson asettamiseen kukinnan aikana, ja vihannesten kukinnan ja hedelmää on edistettävä, jotta se ei ole palannut.

On syytä mainita, että kevyen kaavan tulisi sisältää kevyiden ympäristöasetusten loppukäsittely. Esimerkiksi jatkuva kevyen täydentäminen voi parantaa huomattavasti hydroponisten lehtivihannesten taimien satoa ja laatua tai käyttää UV -hoitoa parantamaan merkittävästi ituja ja lehtivihanneksia (erityisesti violetteja lehtiä ja punaisen lehden salaattia) ravitsemuslaatua.

Joidenkin keinotekoisten kevyiden kasvien tehtaiden valonlähteen hallintajärjestelmä on kehittynyt nopeasti viime vuosina sen lisäksi, että valonlisävalmisteet optimoivat valonlisäjärjestelmän. Tämä ohjausjärjestelmä perustuu yleensä B/S -rakenteeseen. Ympäristötekijöiden, kuten lämpötilan, kosteuden, valon ja hiilidioksidipitoisuuden automaattisen hallinta ja automaattinen hallinta satojen kasvun aikana, toteutetaan WiFi: n kautta, ja samaan aikaan tuotantomenetelmä, jota ulkoiset olosuhteet eivät rajoita. Tällainen älykäs lisävalojärjestelmä käyttää LED Grow -valaisimia lisävalolähteenä yhdistettynä älykkään etäisen ohjausjärjestelmän kanssa, joka voi vastata kasvien aallonpituuden valaistuksen tarpeisiin, soveltuu erityisesti kevyen kontrolloidun kasvien viljelyympäristöön ja voi täyttää hyvin markkinoiden kysynnän .

Päätelmät
Kasvien tehtaita pidetään tärkeänä tapana ratkaista maailman resursseja, väestö- ja ympäristöongelmia 2000-luvulla ja tärkeä tapa saavuttaa ruoan omavaraisuus tulevissa korkean teknologian hankkeissa. Uuden tyyppisenä maatalouden tuotantomenetelmänä kasvitehtaat ovat edelleen oppimis- ja kasvuvaiheessa, ja tarvitaan enemmän huomiota ja tutkimusta. Tässä artikkelissa kuvataan kasvien tehtaiden yleisten täydentävien valaistusmenetelmien ominaisuudet ja edut ja esittelee tyypillisten satovalaistusjärjestelmien suunnitteluideoita. Vertailun kautta ei ole vaikea löytää, jotta selviytyisi vakavan sääolon aiheuttamasta heikosta valosta, kuten jatkuva pilvinen ja utu, ja varmistaaksesi laitoskasvien korkean ja vakaan tuotannon, LED Grow Light Source -laitteet ovat eniten nykyisen kehityksen mukaisia trendit.

Kasvien tehtaiden tulevan kehityssuuntaan tulisi keskittyä uusiin korkean tarkkuuden, edullisten anturien, kauko-ohjattavien, säädettävien spektrivalaistuslaitejärjestelmien ja asiantuntijaohjausjärjestelmien kanssa. Samanaikaisesti tulevat kasvien tehtaat kehittyvät edelleen edullisiin, älykkäisiin ja itsehallintoon. LED-Grow-valonlähteiden käyttö ja popularisointi takuu kasvien tehtaiden tarkkaan ympäristövalvontaan. LED -valoympäristön säätely on monimutkainen prosessi, johon sisältyy kattava valonlaadun, valon voimakkuuden ja valokuvajakson säätely. Asiaankuuluvien asiantuntijoiden ja tutkijoiden on suoritettava perusteellista tutkimusta, mikä edistää LED-lisävalaistusta keinotekoisissa valon kasvien tehtaissa.