Kirjoittaja: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu jne. Lähdemedia: Agricultural Engineering Technology (kasvihuoneviljely)

Tehdas yhdistää modernin teollisuuden, biotekniikan, ravinnehydroponiikan ja tietotekniikan toteuttaakseen ympäristötekijöiden korkean tarkkuuden hallinnassa laitoksessa. Se on täysin suljettu, sillä on vähäiset vaatimukset ympäröivälle ympäristölle, lyhentää kasvien satoaikaa, säästää vettä ja lannoitetta, ja torjunta-ainetuotannon ja jätepäästöttömän tuotannon edut ovat 40-108-kertainen yksikkömaankäytön tehokkuuteen verrattuna. avomaatuotannosta. Niistä älykäs keinovalonlähde ja sen valoympäristön säätö ovat ratkaisevassa roolissa sen tuotannon tehokkuudessa.

Tärkeänä fyysisenä ympäristötekijänä valolla on keskeinen rooli kasvien kasvun ja materiaalin aineenvaihdunnan säätelyssä. ”Yksi tehdastehtaan pääpiirteistä on täyskeinotekoinen valonlähde ja älykkään valoympäristön säätelyn toteuttaminen” on tullut alalla yleiseksi konsensukseksi.

Kasvien valon tarve

Valo on kasvien fotosynteesin ainoa energialähde. Valon intensiteetti, valon laatu (spektri) ja valon jaksoittaiset muutokset vaikuttavat voimakkaasti kasvien kasvuun ja kehitykseen, joista valon voimakkuudella on suurin vaikutus kasvien fotosynteesiin.

■ Valon intensiteetti

Valon voimakkuus voi muuttaa kasvien morfologiaa, kuten kukintaa, solmujen välistä pituutta, varren paksuutta sekä lehtien kokoa ja paksuutta. Kasvien vaatimukset valon voimakkuudelle voidaan jakaa valoa rakastaviin, keskivaloa rakastaviin ja vähävaloa sietäviin kasveihin. Vihannekset ovat enimmäkseen valoa rakastavia kasveja, joiden valon kompensointipisteet ja valokyllästymispisteet ovat suhteellisen korkeat. Keinovalotehtaissa viljelykasvien valon voimakkuusvaatimukset ovat tärkeä perusta keinovalonlähteiden valinnassa. Eri laitosten valotarpeiden ymmärtäminen on tärkeää keinovalonlähteiden suunnittelussa, On erittäin tärkeää parantaa järjestelmän tuotantosuorituskykyä.

■ Valon laatu

Valonlaadulla (spektri) jakautumisella on myös tärkeä vaikutus kasvien fotosynteesiin ja morfogeneesiin (kuva 1). Valo on osa säteilyä ja säteily on sähkömagneettista aaltoa. Sähkömagneettisilla aalloilla on aalto- ja kvantti- (hiukkas-) ominaisuuksia. Puutarhaviljelyssä valon kvanttia kutsutaan fotoniksi. Säteilyä, jonka aallonpituusalue on 300–800 nm, kutsutaan kasvien fysiologisesti aktiiviseksi säteilyksi; ja säteilyä, jonka aallonpituusalue on 400–700 nm, kutsutaan kasvien fotosynteettisesti aktiiviseksi säteilyksi (PAR).

Klorofylli ja karoteenit ovat kasvien fotosynteesin kaksi tärkeintä pigmenttiä. Kuvassa 2 on esitetty kunkin fotosynteettisen pigmentin spektriabsorptiospektri, jossa klorofyllin absorptiospektri on keskittynyt punaiseen ja siniseen vyöhykkeeseen. Valaistusjärjestelmä perustuu viljelykasvien spektritarpeisiin täydentää keinotekoisesti valoa kasvien fotosynteesin edistämiseksi.

■ valojakso
Kasvien fotosynteesin ja fotomorfogeneesin ja päivän pituuden (tai valojakson ajan) välistä suhdetta kutsutaan kasvien fotoperiodiksi. Valojaksoisuus liittyy läheisesti valotunteihin, mikä tarkoittaa aikaa, jolloin sato säteilytetään valolla. Eri viljelykasvit vaativat tietyn määrän valoa valojakson loppuunsaattamiseksi kukkiakseen ja kantaakseen hedelmää. Eri valojaksojen mukaan se voidaan jakaa pitkän päivän viljelykasveihin, kuten kaaliin jne., jotka vaativat yli 12-14 tuntia valotuntia tietyssä kasvuvaiheessa; lyhytpäiväiset viljat, kuten sipulit, soijapavut jne., vaativat alle 12-14 tuntia valaistustunteja; keskipitkän auringonpaisteen viljelykasvit, kuten kurkut, tomaatit, paprikat jne., voivat kukkia ja kantaa hedelmää pidemmässä tai lyhyemmässä auringonpaisteessa.
Kolmen ympäristön elementin joukossa valon voimakkuus on tärkeä peruste keinotekoisten valonlähteiden valinnassa. Tällä hetkellä on monia tapoja ilmaista valon voimakkuutta, mukaan lukien pääasiassa seuraavat kolme.
(1) Valaistus viittaa valaistulle tasolle vastaanotetun valovirran pintatiheyteen (valovirta pinta-alayksikköä kohti), luxeina (lx).

(2) Fotosynteettisesti aktiivinen säteily, PAR, Yksikkö: W/m².

(3) Fotosynteettisesti tehokas fotonivuon tiheys PPFD tai PPF on fotosynteettisesti tehokkaan säteilyn määrä, joka saavuttaa tai kulkee läpi aika- ja pinta-alayksikön, yksikkö: μmol/(m²·s). liittyvät suoraan fotosynteesiin. Se on myös yleisimmin käytetty valonvoimakkuuden indikaattori kasvintuotannon alalla.

Tyypillisen lisävalojärjestelmän valonlähdeanalyysi
Keinovalolisäaineella lisätään valon voimakkuutta kohdealueella tai pidennetään valaistusaikaa asentamalla lisävalojärjestelmä kasvien valontarpeen tyydyttämiseksi. Yleisesti ottaen lisävalojärjestelmä sisältää lisävalolaitteet, -piirit ja sen ohjausjärjestelmän. Täydentävät valonlähteet sisältävät pääasiassa useita yleisiä tyyppejä, kuten hehkulamput, loistelamput, metallihalogenidilamput, korkeapaineiset natriumlamput ja LEDit. Hehkulamppujen alhaisen sähköisen ja optisen hyötysuhteen, alhaisen fotosynteettisen energiatehokkuuden ja muiden puutteiden vuoksi se on poistettu markkinoilta, joten tässä artikkelissa ei tehdä yksityiskohtaista analyysia.

■ Loistelamppu
Loistelamput kuuluvat matalapaineisten kaasupurkauslamppujen tyyppiin. Lasiputki on täytetty elohopeahöyryllä tai inertillä kaasulla, ja putken sisäseinä on päällystetty fluoresoivalla jauheella. Valon väri vaihtelee putkeen päällystetyn fluoresoivan materiaalin mukaan. Loistelampuilla on hyvä spektrinen suorituskyky, korkea valotehokkuus, pieni teho, pidempi käyttöikä (12000h) verrattuna hehkulamppuihin ja suhteellisen alhaiset kustannukset. Koska loistelamppu itse säteilee vähemmän lämpöä, se voi olla lähellä kasveja valaistukseen ja soveltuu kolmiulotteiseen viljelyyn. Loistelampun spektriasetelma on kuitenkin kohtuuton. Maailman yleisin tapa on lisätä heijastimia viljelyalueen viljelykasvien tehokkaan valonlähteen maksimoimiseksi. Japanilainen adv-agri-yritys on myös kehittänyt uudentyyppisen lisävalonlähteen HEFL. HEFL kuuluu itse asiassa loistelamppujen luokkaan. Se on yleinen termi kylmäkatodiloistelampuille (CCFL) ja ulkoisille elektrodiloistelampuille (EEFL), ja se on sekaelektrodiloistelamppu. HEFL-putki on erittäin ohut, sen halkaisija on vain noin 4 mm, ja sen pituus on säädettävissä 450 mm:stä 1200 mm:iin viljelyn tarpeiden mukaan. Se on paranneltu versio perinteisestä loistelampusta.

■ Metallihalogenidilamppu
Metallihalogenidilamppu on korkean intensiteetin purkauslamppu, joka voi virittää eri elementtejä tuottamaan eri aallonpituuksia lisäämällä erilaisia ​​metallihalogenideja (tinabromidi, natriumjodidi jne.) purkausputkeen korkeapaineisen elohopealampun pohjalta. Halogeenilampuilla on korkea valotehokkuus, suuri teho, hyvä valon väri, pitkä käyttöikä ja laaja spektri. Koska valotehokkuus on kuitenkin alhaisempi kuin korkeapaineisten natriumlamppujen ja käyttöikä lyhyempi kuin korkeapaineisten natriumlamppujen, sitä käytetään tällä hetkellä vain muutamissa tehdastehtaissa.

■ Korkeapaineinen natriumlamppu
Korkeapaineiset natriumlamput kuuluvat korkeapaineisten kaasupurkauslamppujen tyyppiin. Korkeapaineinen natriumlamppu on korkean hyötysuhteen lamppu, jossa korkeapaineinen natriumhöyry täytetään purkausputkeen ja siihen lisätään pieni määrä ksenonia (Xe) ja elohopeametallihalogenidia. Koska korkeapaineisilla natriumlampuilla on korkea sähkö-optinen muunnostehokkuus alhaisemmilla valmistuskustannuksilla, korkeapaineiset natriumlamput ovat tällä hetkellä laajimmin käytettyjä lisävalon sovelluksessa maatalouslaitoksissa. Niiden spektrin alhaisen fotosynteesitehokkuuden puutteiden vuoksi niillä on kuitenkin heikkoja heikkouksia energiatehokkuudessa. Toisaalta korkeapaineisten natriumlamppujen lähettämät spektrikomponentit keskittyvät pääasiassa keltaoranssiin valokaistalle, josta puuttuvat kasvien kasvulle välttämättömät punaiset ja siniset spektrit.

■ Valodiodi
Uuden sukupolven valonlähteinä valoa emittoivilla diodeilla (LED) on monia etuja, kuten korkeampi sähköoptinen muunnostehokkuus, säädettävä spektri ja korkea fotosynteesitehokkuus. LED voi lähettää yksiväristä valoa, jota tarvitaan kasvien kasvuun. Verrattuna tavallisiin loistelamppuihin ja muihin lisävalonlähteisiin, LEDillä on energiansäästön, ympäristönsuojelun, pitkän käyttöiän, yksivärisen valon, kylmän valonlähteen ja niin edelleen edut. LEDien sähköoptisen tehokkuuden edelleen parantamisen ja mittakaavailmiön aiheuttamien kustannusten alenemisen myötä LED kasvaa -valaistusjärjestelmistä tulee valtavirran täydennyslaitteisto maataloustiloissa. Seurauksena on, että LED-kasvatusvalaisimia on käytetty yli 99,9 %:ssa kasvitehtaista.

Vertailun avulla voidaan selkeästi ymmärtää eri lisävalonlähteiden ominaisuudet, kuten taulukosta 1 näkyy.

Mobiili valaistuslaite
Valon voimakkuus liittyy läheisesti sadon kasvuun. Kolmiulotteista viljelyä käytetään usein kasvitehtaissa. Viljelytelineiden rakenteen rajoittumisesta johtuen valon ja lämpötilan epätasainen jakautuminen telineiden välillä vaikuttaa kuitenkin sadon saantoon eikä sadonkorjuujaksoa synkronoida. Pekingissä toimiva yritys on onnistuneesti kehittänyt manuaalisen nostovalaisimen (HPS-valaisimen ja LED-kasvuvalaisimen) vuonna 2010. Periaatteena on pyörittää vetoakselia ja siihen kiinnitettyä kelaa ravistamalla kahvaa pienen filmikelan pyörittämiseksi. saavuttaakseen vaijerin sisään- ja aukikelauksen tarkoituksen. Kasvuvalon vaijeri on yhdistetty hissin kelauspyörään useiden peruutuspyöräsarjojen kautta, jotta saavutetaan kasvuvalon korkeuden säätövaikutus. Vuonna 2017 edellä mainittu yritys suunnitteli ja kehitti uuden liikkuvan valolisälaitteen, joka pystyy automaattisesti säätämään valolisäkorkeutta reaaliajassa sadon kasvutarpeiden mukaan. Säätölaite on nyt asennettu 3-kerroksiseen valonlähteen nostotyyppiseen kolmiulotteiseen viljelytelineeseen. Laitteen yläkerros on parhaimmillaan valaistulla tasolla, joten se on varustettu korkeapaineisilla natriumlampuilla; keskikerros ja alakerros on varustettu LED-kasvuvaloilla ja nostosäätöjärjestelmällä. Se voi automaattisesti säätää kasvuvalon korkeutta tarjotakseen kasveille sopivan valaistusympäristön.

Verrattuna kolmiulotteiseen viljelyyn räätälöityyn liikkuvaan valolisälaitteeseen, Alankomaat on kehittänyt vaakasuunnassa liikkuvan LED-kasvuvalolisävalolaitteen. Kasvuvalon varjon vaikutuksen välttämiseksi kasvien kasvuun auringossa kasvuvalojärjestelmä voidaan työntää kannattimen molemmille puolille teleskooppiliukumäen läpi vaakasuunnassa niin, että aurinko on täysin säteilytetty kasveille; pilvisinä ja sateisina päivinä ilman auringonvaloa työnnä kasvuvalojärjestelmä kannattimen keskelle, jotta kasvuvalojärjestelmän valo täyttää kasvit tasaisesti; Siirrä kasvuvalojärjestelmää vaakasuoraan kannattimen liukukappaleen läpi, vältä kasvuvalojärjestelmän toistuvaa purkamista ja irrottamista ja vähennä työntekijöiden työvoimaa, mikä parantaa tehokkaasti työn tehokkuutta.

Suunnitteluideoita tyypillisestä kasvuvalojärjestelmästä
Siirrettävän valaistuksen lisälaitteen suunnittelusta ei ole vaikea nähdä, että tehdastehtaan lisävalaistusjärjestelmän suunnittelussa otetaan yleensä suunnittelun ydinsisällöksi eri sadon kasvujaksojen valon voimakkuus, valon laatu ja valojaksoparametrit. , luottaa älykkääseen ohjausjärjestelmään, joka saavuttaa lopullisen tavoitteen energiansäästöstä ja korkeasta tuotosta.

Tällä hetkellä lehtivihannesten lisävalon suunnittelu ja rakentaminen on vähitellen kypsynyt. Esimerkiksi lehtivihannekset voidaan jakaa neljään vaiheeseen: taimivaihe, keskikasvu, myöhäinen kasvu ja loppuvaihe; hedelmät-vihannekset voidaan jakaa taimivaiheeseen, vegetatiiviseen kasvuvaiheeseen, kukintavaiheeseen ja sadonkorjuuvaiheeseen. Lisävalon voimakkuuden ominaisuuksista voidaan todeta, että valon voimakkuuden taimivaiheessa tulisi olla hieman alhaisempi, 60-200 μmol/(m²·s), ja sen jälkeen kasvaa vähitellen. Lehtivihannekset voivat saavuttaa jopa 100–200 μmol/(m²·s) ja hedelmävihannekset 300–500 μmol/(m²·s) varmistaakseen kasvien fotosynteesin valon intensiteettivaatimukset kullakin kasvujaksolla ja täyttävät kasvien tarpeet. korkea tuotto; Valonlaadun kannalta punaisen ja sinisen suhde on erittäin tärkeä. Taimien laadun parantamiseksi ja liiallisen kasvun estämiseksi taimivaiheessa punaisen ja sinisen suhde asetetaan yleensä alhaiselle tasolle [(1~2):1], ja sitä vähennetään sitten vähitellen kasvin tarpeiden mukaan. kevyt morfologia. Punaisten, sinisten ja lehtivihannesten suhde voidaan asettaa arvoon (3~6):1. Valon intensiteetin tapaan valojakson osalta sen pitäisi näyttää kasvavaa trendiä kasvujakson pidentyessä, jotta lehtivihanneksilla on enemmän fotosynteesiaikaa fotosynteesiin. Hedelmien ja vihannesten kevyt lisäsuunnittelu tulee olemaan monimutkaisempi. Edellä mainittujen perussääntöjen lisäksi meidän tulee keskittyä valojakson asettamiseen kukinnan aikana ja vihannesten kukintaa ja hedelmällisyyttä on edistettävä, jotta se ei koilisi.

On syytä mainita, että valokaavan tulee sisältää loppukäsittely valoympäristön asetuksiin. Esimerkiksi jatkuva valolisäys voi parantaa merkittävästi hydroponisten lehtivihannesten taimien satoa ja laatua tai käyttää UV-käsittelyä parantamaan merkittävästi itujen ja lehtivihanneksien (erityisesti violettien lehtien ja punaisen lehtisalaatin) ravintolaatua.

Valittujen viljelykasvien valonlisäyksen optimoinnin lisäksi joidenkin keinovalotehtaiden valonlähteiden ohjausjärjestelmä on kehittynyt nopeasti viime vuosina. Tämä ohjausjärjestelmä perustuu yleensä B/S-rakenteeseen. Ympäristötekijöiden, kuten lämpötilan, kosteuden, valon ja CO2-pitoisuuden kauko-ohjaus ja automaattinen ohjaus sadon kasvun aikana toteutetaan WIFI:n kautta ja samalla toteutetaan ulkoisten olosuhteiden rajoittamaton tuotantotapa. Tällainen älykäs lisävalojärjestelmä käyttää LED-kasvatusvalaisimia lisävalonlähteenä yhdistettynä älykkääseen etäohjausjärjestelmään, voi täyttää kasvien aallonpituusvalaistuksen tarpeet, sopii erityisen hyvin valoohjattuihin kasvinviljelyympäristöihin ja voi vastata hyvin markkinoiden kysyntään. .

Loppuhuomautukset
Kasvitehtaita pidetään tärkeänä tapana ratkaista maailman resurssi-, väestö- ja ympäristöongelmia 2000-luvulla ja tärkeänä tapana saavuttaa elintarvikeomavaraisuus tulevissa korkean teknologian projekteissa. Uuden tyyppisenä maataloustuotantomenetelmänä kasvitehtaat ovat vielä oppimis- ja kasvuvaiheessa, ja niihin tarvitaan lisää huomiota ja tutkimusta. Tässä artikkelissa kuvataan kasvitehtaiden yleisten lisävalaistusmenetelmien ominaisuuksia ja etuja sekä esitellään tyypillisten viljelykasvien lisävalaistusjärjestelmien suunnitteluideoita. Vertailun kautta ei ole vaikea löytää, jotta voidaan selviytyä ankaran sään, kuten jatkuvan pilvisyyden ja sumuisen, aiheuttamasta heikosta valosta ja varmistaa korkean ja vakaan tuotantolaitoksen sadontuotanto, LED Grow -valonlähdelaitteet ovat parhaiten nykyisen kehityksen mukaisia. suuntauksia.

Tehdastehtaiden tulevan kehityssuunnan tulee keskittyä uusiin huipputarkkoihin, edullisiin sensoreihin, kauko-ohjattaviin, säädettävän spektrin valaistuslaitejärjestelmiin ja asiantunteviin ohjausjärjestelmiin. Samaan aikaan tulevaisuuden tehdastehtaiden kehitys jatkuu kohti edullisia, älykkäitä ja itsesopeutuvia. LED-viljelyvalonlähteiden käyttö ja yleistyminen takaavat kasvitehtaiden korkean tarkkuuden ympäristönvalvonnan. LED-valoympäristön säätö on monimutkainen prosessi, joka sisältää kattavan valon laadun, valon voimakkuuden ja valojakson säätelyn. Asiaankuuluvien asiantuntijoiden ja tutkijoiden on tehtävä syvällistä tutkimusta, joka edistää LED-lisävalaistusta keinovalotehtaissa.