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

A növénygyár a modern ipart, a biotechnológiát, a tápanyag-hidroponikát és az információtechnológiát ötvözi a környezeti tényezők nagy pontosságú szabályozásának megvalósítása érdekében a létesítményben.Teljesen zárt, csekély a környezeti igénye, lerövidíti a betakarítási időszakot, vizet és műtrágyát takarít meg, a növényvédőszermentes termelés és a hulladékkibocsátás nélküli termelés előnyeinek köszönhetően az egységnyi földhasználat hatékonysága ennek 40-108-szorosa. szabadföldi termelés.Ezek közül az intelligens mesterséges fényforrás és annak fénykörnyezet-szabályozása meghatározó szerepet játszik a termelés hatékonyságában.

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

A növények fényigénye

A fény a növényi fotoszintézis egyetlen energiaforrása.A fény intenzitása, a fény minősége (spektruma) és a fény periodikus változásai nagymértékben befolyásolják a növények növekedését és fejlődését, amelyek közül a fényintenzitás a legnagyobb hatással a növények fotoszintézisére.

■ Fény intenzitása

A fény intenzitása megváltoztathatja a növények morfológiáját, például a virágzást, a csomópontok hosszát, a szár vastagságát, valamint a levelek méretét és vastagságát.A növények fényintenzitásra vonatkozó követelményei fénykedvelő, közepes fénykedvelő és gyenge fénytűrő növényekre oszthatók.A zöldségfélék többnyire fénykedvelő növények, fénykompenzációs és fénytelítettségi pontjaik viszonylag magasak.A mesterséges fényű növénygyárakban a növények megfelelő fényintenzitási követelményei a mesterséges fényforrások kiválasztásának fontos alapját képezik.A mesterséges fényforrások tervezésénél fontos a különböző üzemek fényigényének megértése, Rendkívül szükséges a rendszer termelési teljesítményének javítása.

■ Fényminőség

A fény minőségi (spektrális) eloszlása ​​is jelentős hatással van a növények fotoszintézisére és morfogenezisére (1. ábra).A fény a sugárzás része, a sugárzás pedig elektromágneses hullám.Az elektromágneses hullámok hullámkarakterisztikával és kvantum (részecske) jellemzőkkel rendelkeznek.A fénykvantumot a kertészetben fotonnak nevezik.A 300-800 nm hullámhossz-tartományú sugárzást a növények élettanilag aktív sugárzásának nevezik;a 400-700 nm hullámhossz-tartományú sugárzást pedig a növények fotoszintetikusan aktív sugárzásának (PAR) nevezik.

A klorofill és a karotinok a növényi fotoszintézis két legfontosabb pigmentje.A 2. ábra az egyes fotoszintetikus pigmentek spektrális abszorpciós spektrumát mutatja, amelyben a klorofill abszorpciós spektruma a vörös és kék sávban koncentrálódik.A világítási rendszer a növények spektrális szükségletén alapul, hogy mesterségesen kiegészítse a fényt, elősegítve ezzel a növények fotoszintézisét.

■ fotoperiódus
A növények fotoszintézise és fotomorfogenezise, ​​valamint a naphossz (vagy a fotoperiódusidő) közötti összefüggést a növények fotoperioditásának nevezzük.A fotoperioditás szorosan összefügg a fényórákkal, ami arra az időre vonatkozik, amikor a növényt a fény besugározza.Különböző növényeknek bizonyos számú fényre van szükségük ahhoz, hogy a virágzáshoz és gyümölcsterméshez a fényperiódus befejeződjenek.A különböző fotoperiódusok szerint hosszúnapos növényekre osztható, mint például káposzta stb., amelyek növekedésének egy bizonyos szakaszában több mint 12-14 órás fényórát igényelnek;a rövidnapos növények, mint például a hagyma, szójabab stb., kevesebb mint 12-14 órát igényelnek.a közepesen napfényes növények, mint az uborka, paradicsom, paprika stb., hosszabb-rövidebb napsütés mellett is virágozhatnak és gyümölcsöt teremhetnek.
A három környezeti elem közül a fényintenzitás fontos alapja a mesterséges fényforrások kiválasztásának.Jelenleg számos módja van a fényintenzitás kifejezésének, főként a következő három módszerrel.
(1) A megvilágítás a megvilágított síkon kapott fényáram felületi sűrűségét (területegységenkénti fényáram) jelenti lux-ban (lx).

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

(3) A fotoszintetikusan effektív fotonfluxussűrűség PPFD vagy PPF annak a fotoszintetikusan hatékony sugárzásnak a száma, amely eléri vagy áthalad az egységnyi időt és egységnyi területet, egység: μmol/(m²·s). Főleg a 400-700 nm fényintenzitásra vonatkozik közvetlenül kapcsolódik a fotoszintézishez.A növénytermesztés területén is ez a leggyakrabban használt fényintenzitás-mutató.

Tipikus kiegészítő fényrendszer fényforráselemzése
A mesterséges fény-kiegészítés célja a fényintenzitás növelése a célterületen vagy a megvilágítási idő meghosszabbítása a növények fényigényének kielégítésére szolgáló kiegészítő világítási rendszer beépítésével.Általánosságban elmondható, hogy a kiegészítő világítási rendszer kiegészítő világítási berendezéseket, áramköröket és annak vezérlőrendszerét tartalmazza.A kiegészítő fényforrások főként több általános típust foglalnak magukban, például izzólámpákat, fénycsöveket, fémhalogén lámpákat, nagynyomású nátriumlámpákat és LED-eket.Az izzólámpák alacsony elektromos és optikai hatásfoka, alacsony fotoszintetikus energiahatékonysága és egyéb hiányosságai miatt a piac kiküszöbölte, ezért ez a cikk nem készít részletes elemzést.

■ Fénycső
A fénycsövek az alacsony nyomású gázkisülési lámpák típusába tartoznak.Az üvegcsövet higanygőzzel vagy inert gázzal töltik meg, a cső belső falát fluoreszcens porral vonják be.A fény színe a csőbe bevont fluoreszkáló anyagtól függően változik.A fénycsövek jó spektrális teljesítménnyel, nagy fényhatékonysággal, alacsony teljesítménnyel, az izzólámpákhoz képest hosszabb élettartammal (12000 óra) és viszonylag alacsony költséggel rendelkeznek.Mivel maga a fénycső kevesebb hőt bocsát ki, a növények közelében lehet világítás céljából, és alkalmas háromdimenziós termesztésre.A fénycső spektrális elrendezése azonban ésszerűtlen.A világon a legelterjedtebb módszer a reflektorok alkalmazása, hogy maximalizálják a termőterületen lévő növények hatékony fényforrás-komponenseit.A japán adv-agri cég egy új típusú HEFL kiegészítő fényforrást is kifejlesztett.A HEFL valójában a fénycsövek kategóriájába tartozik.Ez a hidegkatódos fénycsövek (CCFL) és a külső elektródás fénycsövek (EEFL) általános kifejezése, és egy vegyes elektródás fénycső.A HEFL cső rendkívül vékony, mindössze körülbelül 4 mm átmérőjű, hossza pedig 450 mm-től 1200 mm-ig állítható a művelési igényeknek megfelelően.Ez a hagyományos fénycső továbbfejlesztett változata.

■ Fémhalogén lámpa
A fémhalogén lámpa egy nagy intenzitású kisülési lámpa, amely nagynyomású higanylámpa alapján különböző fémhalogenidek (ón-bromid, nátrium-jodid stb.) hozzáadásával a kisülőcsőbe különböző hullámhosszúságú elemeket gerjeszthet.A halogén lámpák nagy fényhatékonysággal, nagy teljesítménnyel, jó fényszínnel, hosszú élettartammal és nagy spektrummal rendelkeznek.Mivel azonban a fényhatásfoka alacsonyabb, mint a nagynyomású nátriumlámpáké, és az élettartama is rövidebb, mint a nagynyomású nátriumlámpáké, jelenleg csak néhány üzemben használják.

■ Nagynyomású nátriumlámpa
A nagynyomású nátriumlámpák a nagynyomású gázkisülési lámpák típusába tartoznak.A nagynyomású nátriumlámpa egy nagy hatásfokú lámpa, amelyben a kisülőcsőbe nagynyomású nátriumgőzt töltenek, és kis mennyiségű xenont (Xe) és higany-fémhalogenidet adnak hozzá.Mivel a nagynyomású nátriumlámpák magas elektro-optikai konverziós hatásfokkal rendelkeznek alacsonyabb gyártási költségek mellett, a nagynyomású nátriumlámpákat jelenleg a legszélesebb körben használják a mezőgazdasági létesítmények kiegészítő fényében.A spektrumuk alacsony fotoszintetikus hatékonyságának hiányosságai miatt azonban az alacsony energiahatékonyság hiányosságai vannak.Másrészt a nagynyomású nátriumlámpák által kibocsátott spektrális komponensek főként a sárga-narancssárga fénysávban koncentrálódnak, amelyből hiányzik a növénynövekedéshez szükséges vörös és kék színkép.

■ Fénykibocsátó dióda
A fényforrások új generációjaként a fénykibocsátó diódák (LED) számos előnnyel rendelkeznek, mint például a magasabb elektro-optikai konverziós hatékonyság, állítható spektrum és magas fotoszintetikus hatásfok.A LED monokromatikus fényt bocsát ki, amely a növények növekedéséhez szükséges.A hagyományos fénycsövekhez és más kiegészítő fényforrásokhoz képest a LED-nek az energiatakarékosság, a környezetvédelem, a hosszú élettartam, a monokromatikus fény, a hideg fényforrás és így tovább előnyei vannak.A LED-ek elektro-optikai hatásfokának további javításával és a léptékhatás okozta költségek csökkenésével a LED-es világítási rendszerek a mezőgazdasági létesítmények fénykiegészítő berendezéseivé válnak.Ennek eredményeként a növénygyárak 99,9%-ában LED-es termesztőlámpákat alkalmaztak.

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

Mobil világító berendezés
A fény intenzitása szorosan összefügg a növények növekedésével.Növénygyárakban gyakran alkalmazzák a háromdimenziós termesztést.A termesztési állványok szerkezetének korlátai miatt azonban az állványok közötti egyenetlen fény- és hőmérsékleteloszlás befolyásolja a terméshozamot, és a betakarítási időszak nem lesz szinkronban.Egy pekingi cég 2010-ben sikeresen kifejlesztett egy kézi emelőfény-kiegészítő eszközt (HPS világítótestet és LED-es világítótestet). Az alapelv az, hogy a hajtótengelyt és a ráerősített csévélőt a fogantyú megrázásával forgatják a kis filmtekercs elforgatásához. hogy elérjük a drótkötél be- és letekercselésének célját.A növekedési lámpa drótkötelét a felvonó tekercselő kerekével több tolatókerék-készleten keresztül csatlakoztatják, hogy elérjék a növekedési lámpa magasságának beállítását.A fent említett cég 2017-ben tervezett és fejlesztett egy új mobil fénykiegészítő készüléket, amely automatikusan, valós időben tudja beállítani a fénykiegészítő magasságát a termésnövekedési igényeknek megfelelően.A beállító berendezés most a 3 rétegű fényforrás-emelő típusú háromdimenziós talajművelő állványra van felszerelve.A készülék felső rétege a legjobb fényviszonyokkal rendelkező szint, ezért nagynyomású nátriumlámpákkal van felszerelve;a középső és az alsó réteg LED-es növekedési lámpákkal és emelési szabályozó rendszerrel van felszerelve.Automatikusan be tudja állítani a növekedési fény magasságát, hogy megfelelő megvilágítási környezetet biztosítson a növények számára.

A háromdimenziós termesztésre szabott mobil fénykiegészítő készülékhez képest Hollandia kifejlesztett egy vízszintesen mozgatható LED-es növekedési lámpa kiegészítő lámpát.Annak érdekében, hogy elkerüljük a növekedési fény árnyékának a növények napsütéses növekedésére gyakorolt ​​hatását, a növekedési fényrendszer a teleszkópos csúszdán keresztül vízszintes irányban a konzol mindkét oldalára tolható, így a nap teljes mértékben besugározzák a növényeket;felhős és esős, napfény nélküli napokon tolja a növekedési világítási rendszert a konzol közepére, hogy a növekedési lámparendszer fénye egyenletesen kitöltse a növényeket;mozgassa vízszintesen a növekedési fényrendszert a konzolon lévő csúszdán keresztül, elkerülje a növekedési lámpa rendszer gyakori szétszerelését és eltávolítását, és csökkentse az alkalmazottak munkaintenzitását, így hatékonyan javítva a munka hatékonyságát.

Tipikus növekedési fényrendszer tervezési ötletei
A mobil világítás-kiegészítő berendezés kialakításából nem nehéz belátni, hogy a növénygyár kiegészítő világítási rendszerének tervezése általában a különböző termésnövekedési periódusok fényintenzitási, fényminőségi és fotoperiódus paramétereit veszi a tervezés lényegének. , az intelligens vezérlőrendszerre támaszkodva megvalósítva, elérve a végső célt, az energiamegtakarítást és a magas hozamot.

Jelenleg a leveles zöldségek kiegészítő fényének tervezése és kivitelezése fokozatosan kiforrott.Például a leveles zöldségek négy szakaszra oszthatók: csíranövény szakasz, középnövekedés, késői növekedés és végstádium;A gyümölcs-zöldségek feloszthatók palánta, vegetatív növekedési, virágzási és betakarítási szakaszra.A kiegészítő fényintenzitás jellemzői közül a csíranövény állapotában a fényintenzitás valamivel alacsonyabb, 60-200 μmol/(m²·s) legyen, majd fokozatosan növekedjen.A leveles zöldségek elérhetik a 100-200 μmol/(m²·s), a gyümölcsös zöldségek a 300-500 μmol/(m²·s) értéket, hogy minden növekedési periódusban biztosítsák a növényi fotoszintézis fényintenzitásigényét, és kielégítsék a magas hozam;A fényminőség szempontjából nagyon fontos a piros és a kék aránya.A palánták minőségének javítása és a csírakorban a túlzott növekedés megakadályozása érdekében a vörös és a kék arányát általában alacsony szintre állítják [(1~2):1], majd fokozatosan csökkentik a növény igényeinek megfelelően. fénymorfológia.A piros-kék és a leveles zöldségek aránya (3~6):1-re állítható.A fotoperiódusra a fényintenzitáshoz hasonlóan a növekedési periódus meghosszabbodásával növekvő tendenciát kell mutatnia, hogy a leveles zöldségeknek több fotoszintetikus ideje legyen a fotoszintézishez.A gyümölcsök és zöldségek könnyű kiegészítő kialakítása bonyolultabb lesz.A fent említett alaptörvényeken túl a virágzási időszakban a fotoperiódus beállítására kell összpontosítani, illetve a zöldségfélék virágzását, termését elő kell segíteni, nehogy visszaüthessen.

Érdemes megemlíteni, hogy a fény formulának tartalmaznia kell a fénykörnyezeti beállítások végkezelését.Például a folyamatos fénykiegészítés nagymértékben javíthatja a hidroponikus leveles zöldség palánták hozamát és minőségét, vagy UV-kezeléssel jelentősen javíthatja a csírák és a leveles zöldségek (különösen a lila levelek és a vörös saláta) táplálkozási minőségét.

A kiválasztott növények fénykiegészítésének optimalizálása mellett egyes mesterséges fénynövénygyárak fényforrás-szabályozó rendszere is gyorsan fejlődött az elmúlt években.Ez a vezérlőrendszer általában a B/S struktúrán alapul.A WIFI-n keresztül valósul meg a környezeti tényezők, mint a hőmérséklet, páratartalom, fény és CO2-koncentráció távvezérlése és automatikus szabályozása a növények növekedése során, és ezzel egyidejűleg olyan termelési mód valósul meg, amelyet nem korlátoznak a külső körülmények.Ez a fajta intelligens kiegészítő fényrendszer kiegészítő fényforrásként LED-es lámpatestet használ, intelligens távoli vezérlőrendszerrel kombinálva, megfelel a növényi hullámhosszú megvilágítás igényeinek, különösen alkalmas a fényvezérelt növénytermesztési környezetre, és jól megfelel a piaci igényeknek. .

Záró megjegyzések
Az üzemi gyárakat a 21. századi világ erőforrás-, népesség- és környezeti problémáinak megoldásának fontos módjaként tartják számon, és fontos módja annak, hogy a jövőbeni high-tech projektekben az élelmiszer-önellátást megvalósítsák.Új típusú mezőgazdasági termelési módként a növénygyárak még tanulási és növekedési szakaszban vannak, ezért több odafigyelést és kutatást igényelnek.Ez a cikk leírja a növénygyárakban elterjedt kiegészítő világítási módszerek jellemzőit és előnyeit, és bemutatja a tipikus növénykiegészítő világítási rendszerek tervezési ötleteit.Összehasonlításon keresztül nem nehéz megtalálni, hogy megbirkózzanak a zord időjárási körülményekkel, például a folyamatos felhősséggel és ködösséggel, valamint hogy biztosítsák a magas és stabil terméshozamot, a LED Grow fényforrás berendezések a leginkább megfelelnek a jelenlegi fejlesztéseknek. trendek.

Az üzemgyárak jövőbeni fejlesztési iránya új, nagy pontosságú, olcsó érzékelőkre, távvezérelhető, állítható spektrumú világítóberendezés-rendszerekre és szakértői vezérlőrendszerekre irányuljon.Ugyanakkor a leendő növénygyárak továbbra is az alacsony költségű, intelligens és önalkalmazkodó képességek felé fognak fejlődni.A LED-es fényforrások használata és népszerűsítése garanciát jelent a növénygyárak nagy pontosságú környezeti ellenőrzésére.A LED fénykörnyezet szabályozása egy összetett folyamat, amely magában foglalja a fényminőség, a fényintenzitás és a fényperiódus átfogó szabályozását.Az érintett szakértőknek és tudósoknak mélyreható kutatásokat kell végezniük, népszerűsítve a LED-es kiegészítő világítást a mesterséges fényű növénygyárakban.