Szerző: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu stb. Forrás: Mezőgazdasági mérnöki technológia (üvegházi kertészet)

Az üzem a modern ipart, a biotechnológiát, a tápanyag-hidroponikát és az információs technológiát ötvözi a létesítmény környezeti tényezőinek nagy pontosságú szabályozása érdekében. Teljesen zárt, alacsony környezeti igényű, lerövidíti a növények betakarítási időszakát, vizet és műtrágyát takarít meg, a növényvédőszer-mentes termelés és a hulladékkibocsátás nélküliség előnyeivel pedig az egységnyi földhasználat hatékonysága 40-108-szorosa a szabadföldi termelésnek. Ezek közül az intelligens mesterséges fényforrás és annak fénykörnyezet-szabályozása döntő szerepet játszik a termelési hatékonyságban.

Fontos fizikai környezeti tényezőként a fény kulcsszerepet játszik a növények növekedésének és anyagcseréjének szabályozásában. Az iparágban általános konszenzussá vált, hogy „a növénygyár egyik fő jellemzője a teljes mesterséges fényforrás és a fénykörnyezet intelligens szabályozásának megvalósítása”.

A növények fényigénye

A fény a növények fotoszintézisének egyetlen energiaforrása. A fény intenzitása, a fény minősége (spektruma) és a fény periodikus változásai mélyreható hatással vannak a növények növekedésére és fejlődésére, amelyek közül a fényintenzitásnak van a legnagyobb hatása a növények fotoszintézisére.

■ Fényintenzitás

A fény intenzitása megváltoztathatja a növények morfológiáját, például a virágzást, az internódium hosszát, a szár vastagságát, valamint a levél méretét és vastagságát. A növények fényintenzitással szembeni igényeit fényigényes, közepesen fényigényes és alacsony fénytűrő növényekre oszthatjuk. A zöldségek többnyire fényigényes növények, fénykompenzációs pontjaik és fénytelítettségi pontjaik viszonylag magasak. A mesterséges fényt termelő üzemekben a növények fényintenzitással szembeni releváns igényei fontos alapot képeznek a mesterséges fényforrások kiválasztásához. A különböző növények fényigényének megértése fontos a mesterséges fényforrások tervezéséhez, és rendkívül fontos a rendszer termelési teljesítményének javítása érdekében.

■ Fényminőség

A fényminőség (spektrális) eloszlása ​​szintén fontos hatással van a növények fotoszintézisére és morfogenezisére (1. ábra). A fény a sugárzás része, a sugárzás pedig elektromágneses hullám. Az elektromágneses hullámoknak hullámjellemzőik és kvantum (részecske) jellemzőik vannak. A fénykvantumot a kertészetben fotonnak nevezik. A 300~800 nm hullámhossztartományú sugárzást a növények fiziológiailag aktív sugárzásának; a 400~700 nm hullámhossztartományú sugárzást pedig a növények fotoszintetikusan aktív sugárzásának (PAR) nevezik.

A klorofill és a karotinok a növények fotoszintézisében részt vevő két legfontosabb pigment. A 2. ábra az egyes fotoszintetikus pigmentek spektrális abszorpciós spektrumát mutatja, amelyben a klorofill abszorpciós spektruma a vörös és kék sávokban koncentrálódik. A világítási rendszer a növények spektrális igényein alapul, hogy mesterségesen kiegészítsék a fényt, és elősegítsék a növények fotoszintézisét.

■ fotoperiódus
A növények fotoszintézise és fotomorfogenezise, ​​valamint a nappalok hossza (vagy fotoperiódus ideje) közötti kapcsolatot a növények fotoperioiditásának nevezzük. A fotoperioiditás szorosan összefügg a fényórák számával, ami arra az időre utal, amíg a növényt fény éri. A különböző növényeknek bizonyos számú fényórára van szükségük ahhoz, hogy a fotoperiódus teljes legyen, virágozzanak és terméshozzanak. A különböző fotoperiódusok szerint a növények feloszthatók hosszú nappalos növényekre, például a káposztára stb., amelyek növekedésük egy bizonyos szakaszában több mint 12-14 óra fényórát igényelnek; a rövid nappalos növényekre, például a hagymára, a szójababra stb., kevesebb mint 12-14 óra megvilágítási órát igényelnek; a közepes napsütéses növényekre, például az uborkára, a paradicsomra, a paprikára stb., hosszabb vagy rövidebb napfényben is virágozhatnak és termhetnek.
A környezet három eleme közül a fényintenzitás fontos alapja a mesterséges fényforrások kiválasztásának. Jelenleg számos módja van a fényintenzitás kifejezésének, főként a következő három.
(1) A megvilágítás a megvilágított síkra jutó fényáram felületi sűrűségét (egységnyi felületre jutó fényáram) jelenti luxban (lx) kifejezve.

(2) Fotoszintetikusan aktív sugárzás, PAR, mértékegység: W/m².

(3) A fotoszintetikusan hatékony fotonfluxussűrűség (PPFD vagy PPF) az a fotoszintetikusan hatékony sugárzás mennyisége, amely időegység alatt és felületegységen belül eléri vagy áthalad rajta. Mértékegysége: μmol/(m²·s). Főként a fotoszintézissel közvetlenül összefüggő 400–700 nm-es fényintenzitásra utal. Ez a növénytermesztésben is leggyakrabban használt fényintenzitás-indikátor.

Tipikus kiegészítő világítási rendszer fényforrás-elemzése
A mesterséges fénykiegészítés célja a célterület fényintenzitásának növelése vagy a világítási idő meghosszabbítása kiegészítő világítási rendszer telepítésével, a növények fényigényének kielégítése érdekében. Általánosságban elmondható, hogy a kiegészítő világítási rendszer magában foglalja a kiegészítő világítóberendezéseket, áramköröket és azok vezérlőrendszerét. A kiegészítő fényforrások főként több elterjedt típust foglalnak magukban, mint például az izzólámpák, fénycsövek, fémhalogén lámpák, nagynyomású nátriumlámpák és LED-ek. Az izzólámpák alacsony elektromos és optikai hatásfoka, az alacsony fotoszintetikus energiahatékonyság és egyéb hiányosságok miatt a piac már kiszorította őket, ezért ez a cikk nem tartalmaz részletes elemzést.

■ Fénycső
A fénycsövek az alacsony nyomású gázkisüléses lámpák közé tartoznak. Az üvegcső higanygőzzel vagy inert gázzal van töltve, és a cső belső fala fluoreszkáló porral van bevonva. A fény színe a csőben bevont fluoreszkáló anyagtól függően változik. A fénycsövek jó spektrális teljesítménnyel, magas fényhasznosítással, alacsony fogyasztásúakkal, hosszabb élettartammal (12000 óra) rendelkeznek az izzólámpákhoz képest, és viszonylag alacsony költséggel. Mivel maga a fénycső kevesebb hőt bocsát ki, a növényekhez közel helyezhető el világítás céljából, és alkalmas háromdimenziós termesztésre. A fénycső spektrális elrendezése azonban nem megfelelő. A világon a legelterjedtebb módszer a reflektorok hozzáadása, hogy maximalizálják a termesztési területen lévő növények hatékony fényforrás-összetevőit. A japán adv-agri cég kifejlesztett egy új típusú kiegészítő fényforrást, a HEFL-t. A HEFL valójában a fénycsövek kategóriájába tartozik. Ez a hidegkatódos fénycsövek (CCFL) és a külső elektródás fénycsövek (EEFL) általános elnevezése, és egy vegyes elektródás fénycső. A HEFL cső rendkívül vékony, mindössze körülbelül 4 mm átmérőjű, hossza pedig 450 mm és 1200 mm között állítható a termesztés igényei szerint. Ez a hagyományos fénycső továbbfejlesztett változata.

■ Fémhalogén lámpa
A fémhalogénlámpa egy nagy intenzitású kisülőlámpa, amely különböző elemek gerjesztésével különböző hullámhosszakat hoz létre különböző fémhalogenidek (ón-bromid, nátrium-jodid stb.) hozzáadásával a kisülőcsőhöz, nagynyomású higanylámpa alapján. A halogénlámpák nagy fényhasznosítással, nagy teljesítménnyel, jó fényszínnel, hosszú élettartammal és széles spektrummal rendelkeznek. Mivel azonban a fényhasznosítás alacsonyabb, mint a nagynyomású nátriumlámpáké, és az élettartam rövidebb, mint a nagynyomású nátriumlámpáké, jelenleg csak néhány üzemben használják.

■ Nagynyomású nátriumlámpa
A nagynyomású nátriumlámpák a nagynyomású gázkisüléses lámpák típusába tartoznak. A nagynyomású nátriumlámpa egy nagy hatásfokú lámpa, amelyben a kisülési csőben nagynyomású nátriumgőz van, és kis mennyiségű xenont (Xe) és higanyfémhalogenidet adnak hozzá. Mivel a nagynyomású nátriumlámpák magas elektrooptikai konverziós hatásfokkal és alacsonyabb gyártási költségekkel rendelkeznek, a nagynyomású nátriumlámpák jelenleg a legszélesebb körben használt kiegészítő világítási alkalmazások a mezőgazdasági létesítményekben. Azonban a spektrumukban mutatkozó alacsony fotoszintetikus hatékonyság hiányosságai miatt alacsony energiahatékonysággal rendelkeznek. Másrészt a nagynyomású nátriumlámpák által kibocsátott spektrális komponensek főként a sárga-narancssárga fénysávban koncentrálódnak, amelyből hiányoznak a növények növekedéséhez szükséges vörös és kék spektrumok.

■ Fénykibocsátó dióda
A fénykibocsátó diódák (LED-ek), mint a fényforrások új generációja, számos előnnyel rendelkeznek, mint például a magasabb elektrooptikai konverziós hatásfok, az állítható spektrum és a magas fotoszintetikus hatásfok. A LED képes a növények növekedéséhez szükséges monokromatikus fényt kibocsátani. A hagyományos fénycsövekkel és más kiegészítő fényforrásokkal összehasonlítva a LED előnyei közé tartozik az energiatakarékosság, a környezetvédelem, a hosszú élettartam, a monokromatikus fény, a hidegfényforrás és így tovább. A LED-ek elektrooptikai hatásfokának további javulásával és a méretarányhatás okozta költségek csökkentésével a LED-es növénytermesztő világítási rendszerek a mezőgazdasági létesítmények világításának kiegészítő eszközeivé válnak. Ennek eredményeként a LED-es növénytermesztő lámpákat a növénygyárak több mint 99,9%-ában alkalmazzák.

Összehasonlítás révén a különböző kiegészítő fényforrások jellemzői világosan megérthetők, amint azt az 1. táblázat mutatja.

Mobil világítóberendezés
A fény intenzitása szorosan összefügg a növények növekedésével. A háromdimenziós művelést gyakran alkalmazzák a növénygyárakban. A termesztőállványok szerkezetének korlátai miatt azonban a fény és a hőmérséklet egyenetlen eloszlása ​​az állványok között befolyásolja a növények terméshozamát, és a betakarítási időszak nem lesz szinkronizálva. Egy pekingi cég 2010-ben sikeresen kifejlesztett egy kézi emelésű fénykiegészítő eszközt (HPS világítótestet és LED termesztővilágító lámpatestet). Az elv az, hogy a hajtótengelyt és a rajta rögzített tekercset a fogantyú rázásával forgatva forgatják a kis fóliatekercset, hogy elérjék a drótkötél visszahúzásának és letekerésének célját. A termesztőlámpa drótkötele több irányváltó kerékkészleten keresztül kapcsolódik a felvonó tekercselő kerekéhez, így érhető el a termesztőlámpa magasságának beállítása. 2017-ben a fent említett cég egy új mobil fénykiegészítő eszközt tervezett és fejlesztett ki, amely valós időben automatikusan beállítja a fénykiegészítő magasságát a növény növekedési igényeinek megfelelően. A beállító eszközt most egy háromrétegű fényforrású emelő típusú háromdimenziós termesztőállványra szerelik. A készülék felső rétege a legjobb fényviszonyokat biztosító szint, ezért nagynyomású nátriumlámpákkal van felszerelve; a középső és az alsó réteg LED-es növénytermesztő lámpákkal és egy emelésszabályozó rendszerrel van felszerelve. Automatikusan képes beállítani a növénytermesztő lámpák magasságát, hogy megfelelő fénykörnyezetet biztosítson a növények számára.

A háromdimenziós termesztéshez kifejlesztett mobil fénykiegészítő eszközzel összehasonlítva Hollandiában egy vízszintesen mozgatható LED-es növénytermesztő lámpát fejlesztettek ki. Annak érdekében, hogy elkerüljék a növénytermesztő lámpák árnyékának a növények napfényben történő növekedésére gyakorolt ​​hatását, a növénytermesztő lámpákat a teleszkópos csúszkán keresztül vízszintes irányban a konzol mindkét oldalára lehet tolni, így a nap teljes mértékben megvilágítja a növényeket; felhős és esős napokon, napfény nélkül tolja a növénytermesztő lámpákat a konzol közepére, hogy a fény egyenletesen világítsa meg a növényeket; mozgassa a növénytermesztő lámpákat vízszintesen a konzolon lévő csúszkán keresztül, elkerülve a növénytermesztő lámpák gyakori szétszerelését és eltávolítását, és csökkentve az alkalmazottak munkaigényét, ezáltal hatékonyan javítva a munka hatékonyságát.

Tipikus termesztőlámpa-rendszer tervezési ötletei
A mobil világító kiegészítő eszköz tervéből nem nehéz belátni, hogy az üzemi kiegészítő világítási rendszer tervezése általában a különböző növényi növekedési időszakok fényintenzitását, fényminőségét és fotoperiódus paramétereit veszi figyelembe a tervezés központi elemeként, az intelligens vezérlőrendszerre támaszkodva a megvalósításhoz, elérve az energiamegtakarítás és a magas hozam végső célját.

Jelenleg a leveles zöldségek kiegészítő fényének tervezése és kivitelezése fokozatosan kiforrott. Például a leveles zöldségek négy szakaszra oszthatók: palánta, középnövekedési szakasz, késői növekedési szakasz és végnövekedési szakasz; a gyümölcs-zöldségek palánta, vegetatív növekedési szakasz, virágzási szakasz és betakarítási szakaszra oszthatók. A kiegészítő fényintenzitás jellemzői közül a palánta szakaszban a fényintenzitásnak kissé alacsonyabbnak, 60~200 μmol/(m²·s)-nak kell lennie, majd fokozatosan növelni kell. A leveles zöldségeknél akár 100~200 μmol/(m²·s), a gyümölcszöldségeknél pedig 300~500 μmol/(m²·s) is lehet, hogy biztosítsák a növények fotoszintézisének fényintenzitás-igényét minden növekedési időszakban, és kielégítsék a magas terményhozás igényeit; A fényminőség szempontjából a vörös és kék aránya nagyon fontos. A palánták minőségének javítása és a palántanevelés során a túlzott növekedés megakadályozása érdekében a piros és kék arányát általában alacsony szintre állítják be [(1~2):1], majd fokozatosan csökkentik a növények fénymorfológiai igényeinek kielégítése érdekében. A piros, kék és a leveles zöldségek aránya (3~6):1-re állítható be. A fotoperiódusnak, hasonlóan a fényintenzitáshoz, a növekedési időszak hosszabbodásával növekvő tendenciát kell mutatnia, hogy a leveles zöldségeknek több fotoszintetikus idejük legyen a fotoszintézishez. A gyümölcsök és zöldségek fénypótlásának megtervezése bonyolultabb lesz. A fent említett alapvető törvényeken túl a virágzási időszakban a fotoperiódus beállítására is összpontosítanunk kell, és a zöldségek virágzását és terméshozását elő kell segíteni, hogy ne sérüljön meg a visszaesés.

Érdemes megemlíteni, hogy a fényformulának tartalmaznia kell a fénykörnyezethez szükséges végső kezelést is. Például a folyamatos fénykiegészítés nagymértékben javíthatja a hidroponikus leveles zöldségpalánták terméshozamát és minőségét, vagy UV-kezeléssel jelentősen javítható a csírák és leveles zöldségek (különösen a lila levelűek és a vörös levelű saláta) tápértéke.

A kiválasztott növények fénykiegészítésének optimalizálása mellett egyes mesterséges fényt termelő növénygyárak fényforrás-szabályozó rendszere is gyorsan fejlődött az elmúlt években. Ez a vezérlőrendszer általában a B/S struktúrán alapul. A környezeti tényezők, például a hőmérséklet, a páratartalom, a fény és a CO2-koncentráció távvezérlése és automatikus szabályozása a növények növekedése során WIFI-n keresztül valósítható meg, ugyanakkor egy olyan termelési módszer valósítható meg, amelyet nem korlátoznak a külső körülmények. Ez a fajta intelligens kiegészítő világítási rendszer LED-es növénytermesztő lámpákat használ kiegészítő fényforrásként, a távirányítású intelligens vezérlőrendszerrel kombinálva kielégíti a növények hullámhosszú megvilágításának igényeit, különösen alkalmas fényvezérelt növénytermesztési környezetbe, és jól kielégíti a piaci igényeket.

Záró megjegyzések
A növénygyárakat a 21. században a világ erőforrás-, népesség- és környezeti problémáinak megoldásának fontos módjának, valamint a jövőbeli high-tech projektekben az élelmiszer-önellátás elérésének fontos módjának tekintik. Új típusú mezőgazdasági termelési módszerként a növénygyárak még mindig a tanulási és növekedési szakaszban vannak, és több figyelemre és kutatásra van szükség. Ez a cikk a növénygyárakban elterjedt kiegészítő világítási módszerek jellemzőit és előnyeit ismerteti, és bemutatja a tipikus növényi kiegészítő világítási rendszerek tervezési ötleteit. Összehasonlítással nem nehéz megtalálni, hogy a zord időjárás, például a folyamatos felhős és párás időjárás okozta gyenge fényviszonyok kezelése, valamint a növénytermesztés magas és stabil termelésének biztosítása érdekében a LED Grow fényforrás-berendezések a leginkább összhangban vannak a jelenlegi fejlesztési trendekkel.

A növénytermesztő üzemek jövőbeli fejlesztési irányának az új, nagy pontosságú, alacsony költségű érzékelőkre, a távolról vezérelhető, állítható spektrumú világítóberendezés-rendszerekre és a szakértői vezérlőrendszerekre kell összpontosítania. Ugyanakkor a jövőbeli növénytermesztő üzemek továbbra is az alacsony költségű, intelligens és önadaptív megoldások felé fognak fejlődni. A LED-es növénytermesztő fényforrások használata és elterjedése garanciát jelent a növénytermesztő üzemek nagy pontosságú környezetszabályozására. A LED-es fénykörnyezet szabályozása összetett folyamat, amely magában foglalja a fényminőség, a fényintenzitás és a fotoperiódus átfogó szabályozását. A releváns szakértőknek és tudósoknak mélyreható kutatásokat kell végezniük, népszerűsítve a LED-es kiegészítő világítást a mesterséges fényt biztosító növénytermesztő üzemekben.