Autors: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu utt. Avota mediji: lauksaimniecības inženierijas tehnoloģija (siltumnīcu dārzkopība)

Stādu rūpnīca apvieno moderno rūpniecību, biotehnoloģiju, barības vielu hidroponiku un informācijas tehnoloģijas, lai objektā ieviestu augstas precizitātes vides faktoru kontroli. Tas ir pilnībā norobežots, tam ir zemas prasības pret apkārtējo vidi, tas saīsina augu novākšanas periodu, taupa ūdeni un mēslojumu, kā arī ar nepesticīdu ražošanas priekšrocībām un bez atkritumu izvadīšanas, vienības zemes izmantošanas efektivitāte ir 40 līdz 108 reizes lielāka par to. atklātā lauka ražošanā. Tostarp viedajam mākslīgajam gaismas avotam un tā gaismas vides regulējumam ir izšķiroša nozīme tā ražošanas efektivitātē.

Kā svarīgs fiziskas vides faktors, gaismai ir galvenā loma augu augšanas un materiālu metabolisma regulēšanā. “Viena no rūpnīcas galvenajām iezīmēm ir pilns mākslīgās gaismas avots un inteliģentas gaismas vides regulēšanas realizācija” ir kļuvusi par vispārēju vienprātību nozarē.

Augu nepieciešamība pēc gaismas

Gaisma ir vienīgais augu fotosintēzes enerģijas avots. Gaismas intensitāte, gaismas kvalitāte (spektrs) un periodiskas gaismas izmaiņas būtiski ietekmē kultūraugu augšanu un attīstību, tostarp gaismas intensitātei ir vislielākā ietekme uz augu fotosintēzi.

■ Gaismas intensitāte

Gaismas intensitāte var mainīt kultūraugu morfoloģiju, piemēram, ziedēšanu, starpmezglu garumu, stublāju biezumu un lapu izmēru un biezumu. Augu prasības pēc gaismas intensitātes var iedalīt gaisma mīlošos, vidēji gaismas mīlošos un vāju gaismu izturīgos augos. Dārzeņi pārsvarā ir gaismu mīloši augi, un to gaismas kompensācijas punkti un gaismas piesātinājuma punkti ir salīdzinoši augsti. Mākslīgās gaismas augu rūpnīcās attiecīgās kultūras prasības attiecībā uz gaismas intensitāti ir svarīgs pamats mākslīgo gaismas avotu izvēlei. Izpratne par dažādu augu gaismas prasībām ir svarīga mākslīgo gaismas avotu projektēšanai, Ir ārkārtīgi nepieciešams uzlabot sistēmas ražošanas veiktspēju.

■ Gaismas kvalitāte

Gaismas kvalitātes (spektrālais) sadalījums arī būtiski ietekmē augu fotosintēzi un morfoģenēzi (1. attēls). Gaisma ir daļa no starojuma, un starojums ir elektromagnētiskais vilnis. Elektromagnētiskajiem viļņiem ir viļņu raksturlielumi un kvantu (daļiņu) raksturlielumi. Gaismas kvantu dārzkopībā sauc par fotonu. Starojumu ar viļņa garuma diapazonu 300–800 nm sauc par augu fizioloģiski aktīvo starojumu; un starojumu ar viļņu garuma diapazonu 400–700 nm sauc par augu fotosintētiski aktīvo starojumu (PAR).

Hlorofils un karotīni ir divi svarīgākie pigmenti augu fotosintēzē. 2. attēlā parādīts katra fotosintētiskā pigmenta spektrālās absorbcijas spektrs, kurā hlorofila absorbcijas spektrs ir koncentrēts sarkanajā un zilajā joslā. Apgaismojuma sistēmas pamatā ir kultūraugu spektrālās vajadzības, lai mākslīgi papildinātu gaismu, lai veicinātu augu fotosintēzi.

■ fotoperiods
Sakarību starp augu fotosintēzi un fotomorfoģenēzi un dienas garumu (vai fotoperioda laiku) sauc par augu fotoperioditāti. Fotoperioditāte ir cieši saistīta ar gaismas stundām, kas attiecas uz laiku, kad raža tiek apstarota ar gaismu. Dažādām kultūrām ir nepieciešams noteikts gaismas stundu skaits, lai pabeigtu fotoperiodu, lai tās ziedētu un nestu augļus. Atbilstoši dažādiem fotoperiodiem to var iedalīt garās dienas kultūrās, piemēram, kāpostos u.c., kam noteiktā augšanas stadijā nepieciešamas vairāk nekā 12-14h gaismas stundas; īsu dienu kultūrām, piemēram, sīpoliem, sojas pupiņām utt., nepieciešamas mazāk nekā 12–14 h apgaismojuma stundas; vidēji saulainās kultūras, piemēram, gurķi, tomāti, paprika utt., var ziedēt un nest augļus ilgākā vai īsākā saules gaismā.
Starp trim vides elementiem gaismas intensitāte ir svarīgs pamats mākslīgo gaismas avotu izvēlei. Pašlaik ir daudz veidu, kā izteikt gaismas intensitāti, galvenokārt tostarp trīs tālāk norādītos.
(1) Apgaismojums attiecas uz gaismas plūsmas virsmas blīvumu (gaismas plūsma uz laukuma vienību), kas saņemta uz apgaismotās plaknes, luksos (lx).

(2) Fotosintētiski aktīvais starojums, PAR, mērvienība: W/m².

(3) Fotosintētiski efektīvais fotonu plūsmas blīvums PPFD vai PPF ir fotosintētiski efektīvā starojuma skaits, kas sasniedz vai iziet cauri laika vienībai un laukuma vienībai, vienība: μmol/(m²·s). Galvenokārt attiecas uz gaismas intensitāti 400–700 nm. kas tieši saistīti ar fotosintēzi. Tas ir arī visbiežāk izmantotais gaismas intensitātes indikators augkopības jomā.

Tipiskas papildu gaismas sistēmas gaismas avota analīze
Mākslīgais gaismas papildinājums ir paredzēts, lai palielinātu gaismas intensitāti mērķa zonā vai pagarinātu gaismas laiku, uzstādot papildu gaismas sistēmu, lai apmierinātu augu gaismas pieprasījumu. Vispārīgi runājot, papildu gaismas sistēmā ietilpst papildu gaismas aprīkojums, ķēdes un tā vadības sistēma. Papildu gaismas avoti galvenokārt ietver vairākus izplatītus veidus, piemēram, kvēlspuldzes, dienasgaismas spuldzes, metālu halogenīdu spuldzes, augstspiediena nātrija spuldzes un gaismas diodes. Kvēlspuldžu zemās elektriskās un optiskās efektivitātes, zemās fotosintētiskās energoefektivitātes un citu trūkumu dēļ tirgus to ir novērsis, tāpēc šajā rakstā sīkāka analīze netiek veikta.

■ Luminiscences spuldze
Luminiscences spuldzes pieder zemspiediena gāzizlādes spuldžu tipam. Stikla caurule ir piepildīta ar dzīvsudraba tvaikiem vai inertu gāzi, un caurules iekšējā siena ir pārklāta ar fluorescējošu pulveri. Gaismas krāsa mainās atkarībā no fluorescējošā materiāla, kas pārklāts caurulē. Luminiscences spuldzēm ir laba spektrālā veiktspēja, augsta gaismas efektivitāte, zema jauda, ​​ilgāks kalpošanas laiks (12000h) salīdzinājumā ar kvēlspuldzēm un salīdzinoši zemas izmaksas. Tā kā pati dienasgaismas spuldze izstaro mazāk siltuma, tā var būt tuvu augiem apgaismošanai un ir piemērota trīsdimensiju audzēšanai. Tomēr dienasgaismas spuldzes spektrālais izkārtojums ir nepamatots. Pasaulē visizplatītākā metode ir atstarotāju pievienošana, lai maksimāli palielinātu kultivēšanas apgabalā esošo kultūraugu efektīvo gaismas avota komponentu. Japānas adv-agri uzņēmums ir izstrādājis arī jauna veida papildu gaismas avotu HEFL. HEFL faktiski pieder pie luminiscences spuldžu kategorijas. Tas ir vispārējs termins aukstā katoda dienasgaismas spuldzēm (CCFL) un ārējo elektrodu dienasgaismas spuldzēm (EEFL), un tā ir jaukta elektrodu dienasgaismas spuldze. HEFL caurule ir ārkārtīgi plāna, tās diametrs ir tikai aptuveni 4 mm, un tās garumu var noregulēt no 450 mm līdz 1200 mm atbilstoši audzēšanas vajadzībām. Tā ir uzlabota parastās dienasgaismas spuldzes versija.

■ Metāla halogenīdu lampa
Metālu halogenīdu lampa ir augstas intensitātes gāzizlādes spuldze, kas var ierosināt dažādus elementus, lai radītu dažādus viļņu garumus, pievienojot dažādus metālu halogenīdus (alvas bromīdu, nātrija jodīdu utt.) izlādes caurulē, pamatojoties uz augstspiediena dzīvsudraba lampu. Halogēna lampām ir augsta gaismas efektivitāte, liela jauda, ​​laba gaismas krāsa, ilgs kalpošanas laiks un liels spektrs. Tomēr, tā kā gaismas efektivitāte ir zemāka nekā augstspiediena nātrija lampām un kalpošanas laiks ir īsāks nekā augstspiediena nātrija lampām, to pašlaik izmanto tikai dažās rūpnīcās.

■ Augstspiediena nātrija lampa
Augstspiediena nātrija spuldzes pieder augstspiediena gāzizlādes spuldžu tipam. Augstspiediena nātrija lampa ir augstas efektivitātes spuldze, kurā augstspiediena nātrija tvaiki tiek iepildīti izlādes caurulē un pievienots neliels daudzums ksenona (Xe) un dzīvsudraba metālu halogenīda. Tā kā augstspiediena nātrija spuldzēm ir augsta elektrooptiskās konversijas efektivitāte ar zemākām ražošanas izmaksām, augstspiediena nātrija spuldzes pašlaik ir visplašāk izmantotās papildu gaismas pielietošanā lauksaimniecības objektos. Tomēr to spektra zemās fotosintēzes efektivitātes nepilnību dēļ tiem ir zemas energoefektivitātes trūkumi. No otras puses, augstspiediena nātrija spuldžu izstarotās spektrālās sastāvdaļas galvenokārt koncentrējas dzelteni oranžajā gaismas joslā, kurā trūkst augu augšanai nepieciešamā sarkanā un zilā spektra.

■ Gaismas diode
Kā jaunās paaudzes gaismas avoti gaismas diodēm (LED) ir daudz priekšrocību, piemēram, augstāka elektrooptiskās konversijas efektivitāte, regulējams spektrs un augsta fotosintēzes efektivitāte. LED var izstarot vienkrāsainu gaismu, kas nepieciešama augu augšanai. Salīdzinot ar parastajām dienasgaismas spuldzēm un citiem papildu gaismas avotiem, LED ir enerģijas taupīšanas, vides aizsardzības, ilga mūža, monohromatiskās gaismas, aukstās gaismas avota un tā tālāk priekšrocības. Līdz ar gaismas diožu elektrooptiskās efektivitātes turpmāku uzlabošanu un izmaksu samazināšanos, ko rada mēroga efekts, LED augšanas apgaismojuma sistēmas kļūs par galveno aprīkojumu lauksaimniecības objektu apgaismojuma papildināšanai. Rezultātā LED augšanas gaismas ir izmantotas vairāk nekā 99,9% rūpnīcu.

Salīdzinot, var skaidri saprast dažādu papildu gaismas avotu raksturlielumus, kā parādīts 1. tabulā.

Mobilā apgaismes ierīce
Gaismas intensitāte ir cieši saistīta ar kultūraugu augšanu. Augu rūpnīcās bieži izmanto trīsdimensiju audzēšanu. Tomēr kultivēšanas plauktu struktūras ierobežojuma dēļ nevienmērīgais gaismas un temperatūras sadalījums starp plauktiem ietekmēs labības ražu un ražas novākšanas periods netiks sinhronizēts. Uzņēmums Pekinā 2010. gadā ir veiksmīgi izstrādājis manuālu pacelšanas gaismas papildierīci (HPS apgaismes armatūra un LED augšanas apgaismojuma armatūra). Princips ir pagriezt piedziņas vārpstu un uz tās piestiprināto uztīšanas ierīci, kratot rokturi, lai pagrieztu mazo plēves spoli. lai sasniegtu stiepļu troses ievilkšanas un attīšanas mērķi. Augšanas gaismas stiepļu trose ir savienota ar lifta tinuma riteni, izmantojot vairākus atpakaļgaitas riteņu komplektus, lai panāktu augšanas gaismas augstuma regulēšanas efektu. Iepriekš minētais uzņēmums 2017. gadā izstrādāja un izstrādāja jaunu mobilo gaismas piedevas ierīci, kas spēj automātiski reāllaikā pielāgot gaismas piedevas augstumu atbilstoši kultūraugu augšanas vajadzībām. Regulēšanas ierīce tagad ir uzstādīta uz 3 slāņu gaismas avota pacelšanas tipa trīsdimensiju kultivēšanas plaukta. Ierīces augšējais slānis ir līmenī ar vislabāko apgaismojuma stāvokli, tāpēc tā ir aprīkota ar augstspiediena nātrija lampām; vidējais slānis un apakšējais slānis ir aprīkoti ar LED augšanas gaismām un pacelšanas regulēšanas sistēmu. Tas var automātiski pielāgot augšanas gaismas augstumu, lai nodrošinātu kultūrām piemērotu apgaismojuma vidi.

Salīdzinājumā ar mobilo gaismas papildierīci, kas pielāgota trīsdimensiju audzēšanai, Nīderlande ir izstrādājusi horizontāli pārvietojamu LED augšanas gaismas papildu gaismas ierīci. Lai izvairītos no augšanas gaismas ēnas ietekmes uz augu augšanu saulē, augšanas gaismas sistēmu var nobīdīt uz abām kronšteina pusēm caur teleskopisko slīdni horizontālā virzienā, lai saule būtu pilnībā. apstarots uz augiem; mākoņainās un lietainās dienās bez saules gaismas piespiediet augšanas gaismas sistēmu kronšteina vidū, lai augšanas gaismas sistēmas gaisma vienmērīgi piepildītu augus; pārvietojiet augšanas gaismas sistēmu horizontāli caur slīdni uz kronšteina, izvairieties no biežas augšanas gaismas sistēmas demontāžas un noņemšanas, kā arī samaziniet darbinieku darba intensitāti, tādējādi efektīvi uzlabojot darba efektivitāti.

Tipiskas augšanas gaismas sistēmas dizaina idejas
No mobilās apgaismojuma papildierīces konstrukcijas nav grūti saprast, ka rūpnīcas papildu apgaismojuma sistēmas projektēšanā par dizaina galveno saturu parasti ir ņemti dažādu kultūraugu augšanas periodu gaismas intensitātes, gaismas kvalitātes un fotoperiodu parametri. , paļaujoties uz inteliģento vadības sistēmu ieviešanā, sasniedzot galveno mērķi – enerģijas taupīšanu un augstu ražīgumu.

Šobrīd lapu dārzeņu papildu apgaismojuma projektēšana un konstrukcija ir pakāpeniski nobriedusi. Piemēram, lapu dārzeņus var iedalīt četrās stadijās: sējeņu stadija, vidēja augšana, vēlīna augšana un beigu stadija; augļus-dārzeņus var iedalīt sējeņu stadijā, veģetatīvās augšanas stadijā, ziedēšanas stadijā un ražas novākšanas stadijā. No papildu gaismas intensitātes atribūtiem gaismas intensitātei stādu stadijā jābūt nedaudz zemākai, 60–200 μmol/(m²·s), un pēc tam pakāpeniski jāpalielina. Lapu dārzeņi var sasniegt līdz 100–200 μmol/(m²·s), un augļu dārzeņi var sasniegt 300–500 μmol/(m²·s), lai nodrošinātu augu fotosintēzes gaismas intensitātes prasības katrā augšanas periodā un apmierinātu augu vajadzības. augsta raža; Gaismas kvalitātes ziņā sarkanās un zilās krāsas attiecība ir ļoti svarīga. Lai uzlabotu stādu kvalitāti un novērstu pārmērīgu augšanu sējeņu stadijā, sarkanās un zilās krāsas attiecība parasti tiek iestatīta zemā līmenī [(1 ~ 2): 1] un pēc tam pakāpeniski tiek samazināta, lai apmierinātu augu vajadzības. gaismas morfoloģija. Sarkano, zilo un lapu dārzeņu attiecību var iestatīt uz (3–6):1. Fotoperiodā, līdzīgi kā gaismas intensitātei, tai vajadzētu parādīties pieauguma tendencei, pagarinot augšanas periodu, lai lapu dārzeņiem būtu vairāk fotosintēzes laika fotosintēzei. Augļu un dārzeņu vieglo piedevu dizains būs sarežģītāks. Papildus iepriekšminētajiem pamatlikumiem jākoncentrējas uz fotoperioda iestatīšanu ziedēšanas periodā un jāveicina dārzeņu ziedēšana un augļošana, lai tas nenonāktu pretī.

Ir vērts pieminēt, ka gaismas formulā jāiekļauj gala apstrāde gaismas vides iestatījumiem. Piemēram, nepārtraukta gaismas papildināšana var ievērojami uzlabot hidroponisko lapu dārzeņu stādu ražu un kvalitāti vai izmantot UV apstrādi, lai ievērojami uzlabotu dīgstu un lapu dārzeņu (īpaši purpursarkano lapu un sarkano lapu salātu) uzturvērtību.

Papildus gaismas piedevas optimizēšanai izvēlētām kultūrām dažās mākslīgās gaismas augu rūpnīcās pēdējos gados ir strauji attīstījusies arī gaismas avotu kontroles sistēma. Šīs vadības sistēmas pamatā parasti ir B/S struktūra. Tādu vides faktoru kā temperatūras, mitruma, gaismas un CO2 koncentrācijas tālvadība un automātiska kontrole kultūraugu augšanas laikā tiek realizēta caur WIFI, un vienlaikus tiek realizēta ārējo apstākļu neierobežota ražošanas metode. Šāda veida viedā papildu gaismas sistēma izmanto LED augšanas gaismas ķermeņus kā papildu gaismas avotu, apvienojumā ar tālvadības inteliģento vadības sistēmu, tā var apmierināt augu viļņa garuma apgaismojuma vajadzības, ir īpaši piemērota ar gaismu kontrolētai augu audzēšanas videi un var labi apmierināt tirgus pieprasījumu. .

Noslēguma piezīmes
Augu rūpnīcas tiek uzskatītas par nozīmīgu veidu pasaules resursu, iedzīvotāju un vides problēmu risināšanai 21. gadsimtā un svarīgu veidu, kā sasniegt pārtikas pašpietiekamību turpmākajos augsto tehnoloģiju projektos. Kā jauna veida lauksaimnieciskās ražošanas metodes, augu rūpnīcas joprojām ir mācību un izaugsmes stadijā, un ir nepieciešama lielāka uzmanība un pētījumi. Šajā rakstā ir aprakstītas augu rūpnīcās izplatīto papildu apgaismojuma metožu īpašības un priekšrocības, kā arī sniegtas tipisku kultūraugu papildu apgaismojuma sistēmu dizaina idejas. Nav grūti atrast, izmantojot salīdzinājumu, lai tiktu galā ar vāju apgaismojumu, ko izraisa tādi smagi laikapstākļi kā nepārtraukts mākoņains un dūmaka, un lai nodrošinātu augstu un stabilu ražas ražu, LED Grow gaismas avota aprīkojums vislabāk atbilst pašreizējai attīstībai. tendences.

Rūpnīcu rūpnīcu turpmākajā attīstības virzienā jākoncentrējas uz jauniem augstas precizitātes, zemu izmaksu sensoriem, attālināti vadāmām, regulējama spektra apgaismojuma ierīču sistēmām un ekspertu vadības sistēmām. Tajā pašā laikā nākotnes rūpnīcu rūpnīcas turpinās attīstīties uz zemām izmaksām, inteliģentām un pašpielāgošanās spējām. LED augšanas gaismas avotu izmantošana un popularizēšana nodrošina rūpnīcu rūpnīcu augstas precizitātes vides kontroli. LED gaismas vides regulēšana ir sarežģīts process, kas ietver visaptverošu gaismas kvalitātes, gaismas intensitātes un fotoperioda regulēšanu. Attiecīgajiem ekspertiem un zinātniekiem ir jāveic padziļināta izpēte, veicinot LED papildu apgaismojumu mākslīgās gaismas augu rūpnīcās.