Tekijä: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu jne. Lähde: Maataloustekniikka (kasvihuoneviljely)

Laitostehdas yhdistää modernin teollisuuden, biotekniikan, ravinnehydroponiikan ja tietotekniikan toteuttaakseen ympäristötekijöiden tarkan hallinnan laitoksessa. Se on täysin suljettu, sen ympäristövaatimukset ovat alhaiset, se lyhentää sadonkorjuuaikaa, säästää vettä ja lannoitteita, ja torjunta-aineettoman tuotannon ja jätteettömyysetuuden ansiosta maankäytön tehokkuus on 40–108 kertaa avomaatuotantoon verrattuna. Näistä älykäs keinotekoinen valonlähde ja sen valo-ympäristön säätely ovat ratkaisevassa roolissa sen tuotantotehokkuudessa.

Tärkeänä fyysisenä ympäristötekijänä valolla on keskeinen rooli kasvien kasvun ja materiaaliaineenvaihdunnan säätelyssä. ”Yksi kasvitehtaan tärkeimmistä ominaisuuksista on täydellinen keinotekoinen valonlähde ja valoympäristön älykkään säätelyn toteuttaminen” on tullut alan yleiseksi yksimielisyydeksi.

Kasvien valontarve

Valo on kasvien fotosynteesin ainoa energianlähde. Valon intensiteetillä, valon laadulla (spektrillä) ja valon säännöllisillä muutoksilla on syvällinen vaikutus viljelykasvien kasvuun ja kehitykseen, ja näistä valon intensiteetillä on suurin vaikutus kasvien fotosynteesiin.

■ Valon voimakkuus

Valon voimakkuus voi muuttaa viljelykasvien morfologiaa, kuten kukintaa, nivelvälien pituutta, varren paksuutta sekä lehtien kokoa ja paksuutta. Kasvien valonvoimakkuuden vaatimukset voidaan jakaa valoa rakastaviin, kohtalaisen valoa rakastaviin ja vähän valoa sietäviin kasveihin. Vihannekset ovat enimmäkseen valoa rakastavia kasveja, ja niiden valonkompensaatiopisteet ja valon kyllästymispisteet ovat suhteellisen korkeat. Keinovalotehtaissa viljelykasvien valonvoimakkuuden vaatimukset ovat tärkeä perusta keinovalolähteiden valinnalle. Eri kasvien valontarpeen ymmärtäminen on tärkeää keinovalolähteiden suunnittelussa. Se on erittäin tärkeää järjestelmän tuotantotehon parantamiseksi.

■ Valon laatu

Valon laadun (spektrin) jakaumalla on myös tärkeä vaikutus kasvien fotosynteesiin ja morfogeneesiin (kuva 1). Valo on osa säteilyä, ja säteily on sähkömagneettinen aalto. Sähkömagneettisilla aalloilla on aalto-ominaisuuksia ja kvantti- (hiukkas-)ominaisuuksia. Valokvanttia kutsutaan fotoniksi puutarhaviljelyssä. 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 kaksi tärkeintä pigmenttiä kasvien fotosynteesissä. Kuva 2 esittää kunkin fotosynteettisen pigmentin spektraalisen absorptiospektrin, jossa klorofyllin absorptiospektri on keskittynyt punaiselle ja siniselle vyöhykkeelle. Valaistusjärjestelmä perustuu viljelykasvien spektritarpeisiin täydentää valoa keinotekoisesti kasvien fotosynteesin edistämiseksi.

■ valoisa aika
Kasvien fotosynteesin ja fotomorfogeneesin sekä päivän pituuden (tai fotoperiodin ajan) välistä suhdetta kutsutaan kasvien fotoperioditeetiksi. Fotoperiodisuus liittyy läheisesti valotunteihin, jotka tarkoittavat aikaa, jonka kasvi saa valoa. Eri kasvit tarvitsevat tietyn määrän valotunteja fotoperiodin loppuun saattamiseksi, jotta ne kukkivat ja kantavat hedelmää. Eri fotoperiodien mukaan kasvit voidaan jakaa pitkän päivän kasveihin, kuten kaali jne., jotka tarvitsevat yli 12–14 tuntia valotunteja tietyssä kasvuvaiheessaan; lyhyen päivän kasveihin, kuten sipuleihin ja soijapapuihin, jotka tarvitsevat alle 12–14 tuntia valaistustunteja; ja keskiaurinkoisiin kasveihin, kuten kurkkuihin, tomaatteihin ja paprikoihin, jotka voivat kukkia ja kantaa hedelmää sekä pidemmässä että lyhyemmässä auringonvalossa.
Ympäristön kolmesta elementistä valon intensiteetti on tärkeä peruste keinotekoisten valonlähteiden valinnalle. Tällä hetkellä valon intensiteettiä voidaan ilmaista monella tapaa, mukaan lukien pääasiassa seuraavat kolme.
(1) Valaistus tarkoittaa valaistulle tasolle tulevan valovirran pintatiheyttä (valovirta pinta-alayksikköä kohti) lukseina (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 ajan ja pinta-alan yksikön läpi. Yksikkö: μmol/(m²·s). Viittaa pääasiassa fotosynteesiin suoraan liittyvään 400–700 nm:n valon intensiteettiin. Se on myös yleisimmin käytetty valon intensiteetin indikaattori kasvintuotannossa.

Tyypillisen lisävalojärjestelmän valonlähdeanalyysi
Keinotekoisen valon lisäyksellä pyritään lisäämään kohdealueen valon voimakkuutta tai pidentämään valoaikaa asentamalla lisävalojärjestelmä kasvien valontarvetta varten. Yleisesti ottaen lisävalojärjestelmä sisältää lisävalolaitteet, piirit ja niiden ohjausjärjestelmän. Lisävalonlähteisiin kuuluu pääasiassa useita yleisiä tyyppejä, kuten hehkulamput, loistelamput, monimetallilamput, suurpainenatriumlamput ja LEDit. Hehkulamppujen alhaisen sähköisen ja optisen hyötysuhteen, alhaisen fotosynteettisen energiatehokkuuden ja muiden puutteiden vuoksi se on poistunut markkinoilta, joten tässä artikkelissa ei tehdä yksityiskohtaista analyysia.

■ Loistelamppu
Loistelamput kuuluvat matalapainekaasupurkauslamppujen 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 spektraalinen suorituskyky, korkea valotehokkuus, pieni teho, pidempi käyttöikä (12000h) verrattuna hehkulamppuihin ja suhteellisen alhaiset kustannukset. Koska loistelamppu itsessään tuottaa vähemmän lämpöä, se voi olla lähellä kasveja valaisemassa ja soveltuu kolmiulotteiseen viljelyyn. Loistelampun spektraalinen asettelu on kuitenkin kohtuuton. Yleisin menetelmä maailmassa on lisätä heijastimia viljelyalueen kasvien tehokkaiden valonlähdekomponenttien maksimoimiseksi. Japanilainen adv-agri-yritys on kehittänyt myös uuden tyyppisen täydentävän valonlähteen HEFL. HEFL kuuluu itse asiassa loistelamppujen luokkaan. Se on yleisnimitys kylmäkatodiloistelampuille (CCFL) ja ulkoelektrodiloistelampuille (EEFL), ja se on sekaelektrodiloistelamppu. HEFL-putki on erittäin ohut, halkaisijaltaan vain noin 4 mm, ja pituutta voidaan säätää 450 mm:stä 1200 mm:iin viljelytarpeiden mukaan. Se on perinteisen loistelampun parannettu versio.

■ Monimetallilamppu
Metallihalogenidilamppu on korkeapainepurkauslamppu, joka voi virittää eri alkuaineita tuottamaan eri aallonpituuksia lisäämällä purkausputkeen erilaisia ​​metallihalogenideja (tinabromidi, natriumjodidi jne.) korkeapaine-elohopealampun pohjalta. Halogeenilampuilla on korkea valotehokkuus, suuri teho, hyvä valon väri, pitkä käyttöikä ja laaja spektri. Koska valotehokkuus on kuitenkin alhaisempi kuin korkeapainenatriumlampuilla ja käyttöikä lyhyempi kuin korkeapainenatriumlampuilla, sitä käytetään tällä hetkellä vain muutamissa tehtaissa.

■ Korkeapainenatriumlamppu
Korkeapainenatriumlamput kuuluvat korkeapainekaasupurkauslamppujen tyyppiin. Korkeapainenatriumlamppu on tehokas lamppu, jossa purkausputki täytetään korkeapainenatriumhöyryllä ja lisätään pieni määrä ksenonia (Xe) ja elohopeahalogenidia. Koska korkeapainenatriumlampuilla on korkea sähköoptinen muunnoshyötysuhde ja alhaiset valmistuskustannukset, korkeapainenatriumlamppuja käytetään tällä hetkellä eniten maataloustilojen lisävalaistuksessa. Niiden spektrin alhaisen fotosynteettisen hyötysuhteen vuoksi niillä on kuitenkin myös alhainen energiatehokkuus. Toisaalta korkeapainenatriumlamppujen lähettämät spektrikomponentit keskittyvät pääasiassa keltaoranssiin valokaistaan, josta puuttuvat kasvien kasvulle välttämättömät punaiset ja siniset spektrit.

■ Valoa emittoiva diodi
Uuden sukupolven valonlähteinä valoa emittoivilla diodeilla (LED) on monia etuja, kuten korkeampi sähköoptinen muunnostehokkuus, säädettävä spektri ja korkea fotosynteettinen hyötysuhde. LED voi lähettää kasvien kasvulle tarvittavaa monokromaattista valoa. Verrattuna tavallisiin loistelamppuihin ja muihin täydentäviin valonlähteisiin LEDillä on etuja, kuten energiansäästö, ympäristönsuojelu, pitkä käyttöikä, monokromaattinen valo, kylmävalo ja niin edelleen. LEDien sähköoptisen hyötysuhteen parantumisen ja mittakaavavaikutuksen aiheuttamien kustannusten vähenemisen myötä LED-kasvivalaistusjärjestelmistä tulee valtavirran laite maatalouslaitosten valaistuksen täydentämiseen. Tämän seurauksena LED-kasvivaloja on käytetty yli 99,9 %:ssa tehtaista.

Vertailun avulla eri täydentävien valonlähteiden ominaisuudet voidaan ymmärtää selvästi, kuten taulukosta 1 käy ilmi.

Mobiili valaistuslaite
Valon voimakkuus liittyy läheisesti sadon kasvuun. Kolmiulotteista viljelyä käytetään usein kasvitehtaissa. Viljelytelineiden rakenteen rajoitusten vuoksi valon ja lämpötilan epätasainen jakautuminen telineiden välillä vaikuttaa kuitenkin satoon, eikä sadonkorjuuaika ole synkronoitu. Pekingiläinen yritys kehitti vuonna 2010 onnistuneesti manuaalisesti nostettavan valolisälaitteen (HPS-valaisin ja LED-kasvatusvalaisin). Periaatteena on pyörittää käyttöakselia ja siihen kiinnitettyä kelainta ravistamalla kahvaa, jolloin pieni kalvokela pyörii vaijerin kelaamiseksi ja purkamiseksi. Kasvuvalon vaijeri on yhdistetty hissin kelauspyörään useiden peruutuspyörien avulla, jolloin saavutetaan kasvivalon korkeuden säätö. Vuonna 2017 edellä mainittu yritys suunnitteli ja kehitti uuden mobiilin valolisälaitteen, joka voi automaattisesti säätää valolisäyksen korkeutta reaaliajassa sadon kasvutarpeiden mukaan. Säätölaite on nyt asennettu kolmikerroksiseen valonlähteeseen perustuvaan nostotyyppiseen kolmiulotteiseen viljelytelineeseen. Laitteen ylin kerros on taso, jossa on parhaat valaistusolosuhteet, joten se on varustettu suurpainenatriumlampuilla; keskimmäinen ja alin kerros on varustettu LED-kasvivaloilla ja nostokorkeuden säätöjärjestelmällä. Se voi automaattisesti säätää kasvivalon korkeutta tarjotakseen sopivan valaistusympäristön kasveille.

Kolmiulotteiseen viljelyyn räätälöityyn liikuteltavaan valolisälaitteeseen verrattuna Alankomaat on kehittänyt vaakasuunnassa siirrettävän LED-kasvivalolisävalon. Kasvivalon varjon vaikutuksen välttämiseksi kasvien kasvuun auringossa kasvivalojärjestelmää voidaan työntää teleskooppiliukusäätimen avulla vaakasuunnassa telineen molemmille puolille, jotta aurinko säteilee täysin kasveihin. Pilvisinä ja sateisina päivinä ilman auringonvaloa kasvivalojärjestelmää voidaan työntää telineen keskelle, jotta valo täyttää kasvit tasaisesti. Kasvivalojärjestelmää voidaan siirtää vaakasuunnassa telineen liukusäätimen avulla, mikä välttää kasvivalojärjestelmän usein toistuvaa purkamista ja poistamista ja vähentää työntekijöiden työvoimavaltaisuutta, mikä parantaa tehokkaasti työtehokkuutta.

Tyypillisen kasvivalojärjestelmän suunnitteluideoita
Mobiilivalaistuksen lisälaitteen suunnittelusta ei ole vaikea nähdä, että tehtaan lisävalaistusjärjestelmän suunnittelussa otetaan yleensä huomioon eri viljelykasvien kasvukausien valon voimakkuus, valon laatu ja fotoperiodiparametrit suunnittelun ydinsisällöksi, ja toteutuksessa käytetään älykästä ohjausjärjestelmää, jolla saavutetaan energiansäästön ja korkean sadon perimmäinen tavoite.

Tällä hetkellä lehtivihanneksille tarkoitetun lisävalon suunnittelu ja rakentaminen on vähitellen kehittynyt. Esimerkiksi lehtivihannekset voidaan jakaa neljään vaiheeseen: taimivaihe, keskivaihe, myöhäinen kasvuvaihe ja loppuvaihe; hedelmävihannekset voidaan jakaa taimivaiheeseen, vegetatiiviseen kasvuvaiheeseen, kukintavaiheeseen ja sadonkorjuuvaiheeseen. Lisävalon intensiteetin ominaisuuksista taimivaiheen valon intensiteetin tulisi olla hieman alhaisempi, 60–200 μmol/(m²·s), ja sitten vähitellen kasvaa. Lehtivihanneksilla valon intensiteetin tulisi olla jopa 100–200 μmol/(m²·s) ja hedelmävihanneksilla 300–500 μmol/(m²·s), jotta kasvien fotosynteesin valon intensiteettivaatimukset voidaan täyttää kullakin kasvukaudella ja korkean sadon tarpeet. Valon laadun 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 sitten sitä vähitellen pienennetään kasvien valomorfologian tarpeiden täyttämiseksi. Punaisen, sinisen ja lehtivihanneksien suhde voidaan asettaa arvoon (3~6):1. Valojakson, samoin kuin valon voimakkuuden, tulisi kasvaa kasvukauden pidettyä, jotta lehtivihanneksilla olisi enemmän fotosynteesiaikaa fotosynteesiin. Hedelmien ja vihannesten valonlisäyssuunnittelu on monimutkaisempaa. Edellä mainittujen peruslakien lisäksi meidän tulisi keskittyä valojakson asettamiseen kukinta-aikana, ja vihannesten kukintaa ja hedelmöittymistä on edistettävä, jotta ei synny takaiskuja.

On syytä mainita, että valokaavan tulisi sisältää loppukäsittely valo-olosuhteita varten. Esimerkiksi jatkuva valonlisäys voi parantaa huomattavasti vesiviljelyssä kasvatettujen lehtivihannesten taimien satoa ja laatua, tai UV-käsittelyllä voidaan parantaa merkittävästi itujen ja lehtivihannesten (erityisesti violettien lehtien ja punaisten lehtisalaattien) ravintoarvoa.

Valittujen viljelykasvien valonlisäyksen optimoinnin lisäksi myös joidenkin keinovaloa tuottavien tehtaiden valonlähteen ohjausjärjestelmät ovat kehittyneet nopeasti viime vuosina. Tämä ohjausjärjestelmä perustuu yleensä B/S-rakenteeseen. Ympäristötekijöiden, kuten lämpötilan, kosteuden, valon ja CO2-pitoisuuden, etäohjaus ja automaattinen säätö viljelykasvien kasvun aikana toteutetaan Wi-Fi:n kautta, ja samalla saavutetaan tuotantomenetelmä, jota ulkoiset olosuhteet eivät rajoita. Tällainen älykäs lisävalojärjestelmä käyttää LED-kasvivaloa lisävalonlähteenä yhdistettynä etäohjausjärjestelmään, joka voi vastata kasvien aallonpituuden valaistuksen tarpeisiin, sopii erityisesti valo-ohjattuun kasvinviljelyympäristöön ja vastaa hyvin markkinoiden kysyntään.

Loppupäätelmät
Kasvitehtaita pidetään tärkeänä keinona ratkaista maailman resurssi-, väestö- ja ympäristöongelmia 2000-luvulla, ja tärkeänä keinona saavuttaa ruokaomavaraisuus tulevaisuuden korkean teknologian hankkeissa. Uudentyyppisenä maatalouden tuotantomenetelmänä kasvitehtaat ovat vielä oppimis- ja kasvuvaiheessa, ja tarvitaan lisää huomiota ja tutkimusta. Tässä artikkelissa kuvataan yleisten lisävalaistusmenetelmien ominaisuuksia ja etuja kasvitehtaissa ja esitellään tyypillisten viljelykasvien lisävalaistusjärjestelmien suunnitteluideoita. Vertailun avulla ei ole vaikea löytää LED-kasvivalonlähdelaitteita, jotka vastaavat parhaiten nykyisiä kehitystrendejä selviytyäkseen ankaran sään, kuten jatkuvan pilvisyyden ja utuisuuden, aiheuttamasta heikosta valosta ja varmistaakseen laitoskasvien korkean ja vakaan tuotannon.

Kasvitehtaiden tulevan kehityksen suunnan tulisi keskittyä uusiin erittäin tarkkoihin ja edullisiin antureihin, etäohjattaviin ja säädettäviin spektrivalaistusjärjestelmiin sekä asiantunteviin ohjausjärjestelmiin. Samaan aikaan tulevaisuuden kasvitehtaiden tulee kehittyä kohti edullisia, älykkäitä ja itseään mukautuvia ratkaisuja. LED-kasvivalonlähteiden käyttö ja yleistyminen takaavat tehtaiden ympäristön tarkan hallinnan. LED-valoympäristön säätely on monimutkainen prosessi, johon kuuluu valon laadun, valon voimakkuuden ja valojakson kattava säätely. Asiantuntijoiden ja tutkijoiden on tehtävä perusteellista tutkimusta ja edistettävä LED-lisävalaistusta keinovalotehtaissa.