Yazar: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu, vb. Kaynak Medya ： Tarım Mühendisliği Teknolojisi (Sera Bahçecileri)

Bitki fabrikası, tesisteki çevresel faktörlerin yüksek hassasiyetini uygulamak için modern endüstri, biyoteknoloji, besin hidroponik ve bilgi teknolojisini birleştirir. Tamamen kapalıdır, çevredeki ortamda düşük gereksinimlere sahiptir, bitki hasat süresini kısaltır, su ve gübre tasarrufu sağlar ve pestisit olmayan üretim avantajları ve atık deşarjı yoktur, birim arazi kullanım verimliliği bunun 40 ila 108 katıdır. açık saha üretimi. Bunlar arasında, akıllı yapay ışık kaynağı ve ışık ortam düzenlemesi üretim verimliliğinde belirleyici bir rol oynamaktadır.

Önemli bir fiziksel çevresel faktör olarak, ışık bitki büyümesi ve malzeme metabolizmasını düzenlemede önemli bir rol oynar. “Bitki fabrikasının ana özelliklerinden biri tam yapay ışık kaynağıdır ve ışık ortamının akıllı düzenlemesinin gerçekleştirilmesi” sektörde genel bir fikir birliği haline gelmiştir.

Bitkilerin Işık İhtiyacı

Işık, bitki fotosentezinin tek enerji kaynağıdır. Işık yoğunluğu, ışık kalitesi (spektrum) ve periyodik ışık değişiklikleri, ışık yoğunluğunun bitki fotosentezi üzerinde en büyük etkiye sahip olduğu mahsullerin büyümesi ve gelişimi üzerinde derin bir etkiye sahiptir.

■ Işık yoğunluğu

Işığın yoğunluğu, çiçeklenme, internod uzunluğu, gövde kalınlığı ve yaprak boyutu ve kalınlığı gibi bitkilerin morfolojisini değiştirebilir. Bitkilerin ışık yoğunluğu için gereksinimleri, ışığı seven, orta ışık seven ve düşük ışıklı toleranslı bitkilere bölünebilir. Sebzeler çoğunlukla ışık seven bitkilerdir ve ışık telafisi noktaları ve ışık doygunluğu noktaları nispeten yüksektir. Yapay ışık bitki fabrikalarında, ürünlerin ışık yoğunluğu için ilgili gereksinimleri, yapay ışık kaynaklarının seçilmesi için önemli bir temeldir. Farklı bitkilerin ışık gereksinimlerini anlamak, yapay ışık kaynakları tasarlamak için önemlidir, sistemin üretim performansını artırmak son derece gereklidir.

■ Hafif kalite

Işık kalitesi (spektral) dağılımının bitki fotosentezi ve morfogenezi üzerinde de önemli bir etkisi vardır (Şekil 1). Işık radyasyonun bir parçasıdır ve radyasyon elektromanyetik bir dalgadır. Elektromanyetik dalgalar dalga özelliklerine ve kuantum (partikül) özelliklerine sahiptir. Işık kuantumuna bahçecilik alanında foton denir. 300 ~ 800nm ​​dalga boyu aralığına sahip radyasyona bitkilerin fizyolojik olarak aktif radyasyonu denir; ve 400 ~ 700nm dalga boyu aralığına sahip radyasyona bitkilerin fotosentetik olarak aktif radyasyonu (par) denir.

Klorofil ve karotenler, bitki fotosentezindeki en önemli iki pigmenttir. Şekil 2, klorofil absorpsiyon spektrumunun kırmızı ve mavi bantlarda yoğunlaştığı her fotosentetik pigmentin spektral emilim spektrumunu göstermektedir. Aydınlatma sistemi, bitkilerin fotosentezini teşvik etmek için ışığı yapay olarak takviye etmek için mahsullerin spektral ihtiyaçlarına dayanmaktadır.

■ Fotoperiyod
Bitkilerin fotosentezi ve fotomorfogenezi ile günlük uzunluğu (veya fotoperiyod süresi) arasındaki ilişkiye bitkilerin fotoperiyoditesi denir. Fotoperiyodite, mahsulün ışıkla ışınlandığını ifade eden ışık saatleri ile yakından ilişkilidir. Farklı mahsuller, fotoperiyotu çiçek açmak ve meyve vermek için tamamlamak için belirli sayıda ışık gerektirir. Farklı fotoperiyodlara göre, büyümesinin belirli bir aşamasında 12-14 saatten fazla ışık saati gerektiren lahana vb. Gibi uzun günlük ürünlere ayrılabilir; Soğan, soya fasulyesi vb. Gibi kısa günlük ürünler 12-14 saatten daha az aydınlatma saatine ihtiyaç duyar; Salatalık, domates, biber, vb. Orta-güneş bitkileri daha uzun veya daha kısa güneş ışığı altında çiçek açabilir ve meyve verebilir.
Çevrenin üç unsuru arasında, ışık yoğunluğu yapay ışık kaynaklarını seçmek için önemli bir temeldir. Şu anda, esas olarak aşağıdaki üçü dahil olmak üzere ışık yoğunluğunu ifade etmenin birçok yolu vardır.
（1） Aydınlatma, aydınlatılmış düzlemde Lux (LX) 'de alınan aydınlık akının (birim alan başına aydınlık akı) yüzey yoğunluğunu ifade eder.

（2） Fotosentetik olarak aktif radyasyon, par ， birim ： w/m²。

（3） Fotosentetik açıdan etkili foton akı yoğunluğu PPFD veya PPF, birim zaman ve birim alanından geçen veya geçen fotosentetik olarak etkili radyasyon sayısıdır, ： μmol/(m² · s)。 doğrudan fotosentez ile ilişkili. Aynı zamanda bitki üretimi alanında en sık kullanılan ışık yoğunluğu göstergesidir.

Tipik ek ışık sisteminin ışık kaynağı analizi
Yapay ışık takviyesi, hedef alandaki ışık yoğunluğunu arttırmak veya bitkilerin ışık talebini yerine getirmek için bir ek ışık sistemi takarak ışık süresini uzatmaktır. Genel olarak konuşursak, ek ışık sistemi tamamlayıcı ışık ekipmanı, devreler ve kontrol sistemini içerir. Ek ışık kaynakları esas olarak akkor lambalar, floresan lambalar, metal halide lambalar, yüksek basınçlı sodyum lambalar ve LED'ler gibi çeşitli yaygın tipleri içerir. Akkor lambaların düşük elektrik ve optik verimliliği, düşük fotosentetik enerji verimliliği ve diğer eksiklikler nedeniyle, pazar tarafından ortadan kaldırılmıştır, bu nedenle bu makale ayrıntılı bir analiz yapmaz.

■ floresan lamba
Floresan lambalar düşük basınçlı gaz deşarj lambalarının tipine aittir. Cam tüp cıva buharı veya inert gaz ile doldurulur ve tüpün iç duvarı floresan tozu ile kaplanır. Açık renk, tüpte kaplanmış floresan malzemeye göre değişir. Floresan lambalar, akkor lambalara kıyasla iyi spektral performansa, yüksek ışık verimliliğine, düşük güç, daha uzun ömür (12000H) ve nispeten düşük maliyete sahiptir. Floresan lambanın kendisi daha az ısı yaydığından, aydınlatma için bitkilere yakın olabilir ve üç boyutlu yetiştirme için uygundur. Bununla birlikte, floresan lambanın spektral düzeni mantıksızdır. Dünyadaki en yaygın yöntem, ekim alanındaki ekinlerin etkili ışık kaynağı bileşenlerini en üst düzeye çıkarmak için reflektörler eklemektir. Japon Adv-AGRI şirketi de yeni bir ek ışık kaynağı HEFL geliştirdi. Hefle aslında floresan lambalar kategorisine aittir. Soğuk katot floresan lambalar (CCFL) ve dış elektrot floresan lambalar (EEFL) için genel terimdir ve karışık bir elektrot floresan lambadır. HEFL tüpü son derece incedir, sadece yaklaşık 4 mm çapında ve uzunluk, yetiştirme ihtiyaçlarına göre 450mm ila 1200 mm arasında ayarlanabilir. Geleneksel floresan lambanın geliştirilmiş bir versiyonudur.

■ Metal Halide lambası
Metal halide lambası, yüksek basınç tüpüne yüksek basınç tüpüne çeşitli metal halidler (kalay bromür, sodyum iyodür, vb.) Ekleyerek farklı dalga boyları üretmek için farklı elementleri uyarabilen yüksek yoğunluklu bir deşarj lambasıdır. Halojen lambalar yüksek aydınlık verimliliğe, yüksek güç, iyi açık renk, uzun ömür ve büyük spektruma sahiptir. Bununla birlikte, aydınlık verimlilik yüksek basınçlı sodyum lambalardan daha düşük olduğu ve ömür yüksek basınçlı sodyum lambalardan daha kısa olduğu için, şu anda sadece birkaç bitki fabrikasında kullanılmaktadır.

■ Yüksek basınçlı sodyum lamba
Yüksek basınçlı sodyum lambalar, yüksek basınçlı gaz deşarj lambalarının tipine aittir. Yüksek basınçlı sodyum lambası, deşarj tüpünde yüksek basınçlı sodyum buharının doldurulduğu ve az miktarda ksenon (XE) ve cıva metal halid ilave edildiği yüksek verimli bir lambadır. Yüksek basınçlı sodyum lambalar, daha düşük üretim maliyetleri ile yüksek elektro-optik dönüşüm verimliliğine sahip olduğundan, yüksek basınçlı sodyum lambalar şu anda tarım tesislerinde ek ışık uygulanmasında en yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, spektrumlarındaki düşük fotosentetik verimlilik eksiklikleri nedeniyle, düşük enerji verimliliği eksikliklerine sahiptirler. Öte yandan, yüksek basınçlı sodyum lambalar tarafından yayılan spektral bileşenler esas olarak bitki büyümesi için gerekli kırmızı ve mavi spektrumlardan yoksun olan sarı-turuncu ışık bandında yoğunlaşır.

■ Işık yayma diyotu
Yeni nesil ışık kaynakları olarak, ışık yayan diyotlar (LED'ler) daha yüksek elektro-optik dönüşüm verimliliği, ayarlanabilir spektrum ve yüksek fotosentetik verimlilik gibi birçok avantaja sahiptir. LED, bitki büyümesi için gereken monokromatik ışık yayabilir. Sıradan floresan lambalar ve diğer ek ışık kaynakları ile karşılaştırıldığında, LED enerji tasarrufu, çevre koruması, uzun ömür, monokromatik ışık, soğuk ışık kaynağı vb. LED'lerin elektro-optik verimliliğinin daha da iyileştirilmesi ve ölçek etkisinin neden olduğu maliyetlerin azaltılması ile LED büyüme aydınlatma sistemleri, tarım tesislerinde ışığı desteklemek için ana ekipman haline gelecektir. Sonuç olarak, LED büyüme ışıkları% 99,9 bitki fabrikası üzerinde uygulanmıştır.

Karşılaştırma yoluyla, Tablo 1'de gösterildiği gibi, farklı ek ışık kaynaklarının özellikleri açıkça anlaşılabilir.

Mobil aydınlatma cihazı
Işığın yoğunluğu, mahsullerin büyümesi ile yakından ilişkilidir. Üç boyutlu ekim genellikle bitki fabrikalarında kullanılır. Bununla birlikte, ekim raflarının yapısının sınırlandırılması nedeniyle, ışığın ve sıcaklığın raflar arasında eşit olmayan dağılımı mahsullerin verimini etkileyecek ve hasat süresi senkronize edilmeyecektir. Pekin'deki bir şirket, 2010 yılında bir manuel kaldırma ışık takviyesi cihazı (HPS aydınlatma fikstürü ve LED büyüme aydınlatma fikstürü) başarıyla geliştirdi. İlke, tahrik şaftını döndürmektir ve sarıcı, küçük film makarasını döndürmek için sapı sallayarak sabitlenir. tel ipi geri çekme ve gevşeme amacına ulaşmak. Büyüme ışığının tel ipi, büyüme ışığının yüksekliğini ayarlama etkisini elde etmek için, birden fazla ters tekerlek seti ile asansörün sarma tekerleği ile bağlanır. 2017 yılında, yukarıda belirtilen şirket, ürün büyüme ihtiyaçlarına göre ışık takviyesi yüksekliğini gerçek zamanlı olarak otomatik olarak ayarlayabilen yeni bir mobil ışık takviyesi cihazı tasarladı ve geliştirdi. Ayar cihazı şimdi 3 katmanlı ışık kaynağı kaldırma tipi üç boyutlu ekim rafına monte edilmiştir. Cihazın üst tabakası en iyi ışık koşuluna sahip seviyedir, bu nedenle yüksek basınçlı sodyum lambalarla donatılmıştır; Orta katman ve alt katman LED büyüme ışıkları ve bir kaldırma ayar sistemi ile donatılmıştır. Mahsuller için uygun bir aydınlatma ortamı sağlamak için büyüme ışığının yüksekliğini otomatik olarak ayarlayabilir.

Üç boyutlu ekim için tasarlanmış mobil ışık takviyesi cihazı ile karşılaştırıldığında, Hollanda yatay olarak hareketli bir LED büyüme ışık takviyesi ışık cihazı geliştirmiştir. Büyüme ışığının gölgesinin güneşte bitkilerin büyümesi üzerindeki etkisini önlemek için, büyüme ışığı sistemi, teleskopik slayt yoluyla braketin her iki tarafına yatay yönde itilebilir, böylece güneş tamamen bitkiler üzerinde ışınlandı; Güneş ışığı olmadan bulutlu ve yağmurlu günlerde, büyüme ışığı sistemini parlatma ışık sistemini büzücüleri eşit olarak doldurmasını sağlamak için braketin ortasına itin; Büyüme ışık sistemini parantez üzerindeki slayttan yatay olarak hareket ettirin, büyüme ışık sisteminin sık sık sökülmesini ve çıkarılmasını önleyin ve çalışanların emek yoğunluğunu azaltın, böylece iş verimliliğini etkili bir şekilde iyileştirin.

Tipik büyüme ışık sisteminin tasarım fikirleri
Mobil aydınlatma ek cihazının tasarımından, tesis fabrikasının tamamlayıcı aydınlatma sisteminin tasarımının genellikle tasarımın temel içeriği olarak farklı mahsul büyüme dönemlerinin ışık yoğunluğunu, ışık kalitesini ve fotoperiyot parametrelerini aldığını görmek zor değildir. , uygulamak için akıllı kontrol sistemine güvenerek, enerji tasarrufu ve yüksek verim hedefine ulaşarak.

Şu anda, yapraklı sebzeler için tamamlayıcı ışık tasarımı ve yapımı yavaş yavaş olgunlaşmıştır. Örneğin, yapraklı sebzeler dört aşamaya ayrılabilir: fide aşaması, orta büyüme, geç büyüme ve bitiş aşaması; Meyve vejetableler fide aşamasına, vejetatif büyüme aşamasına, çiçeklenme aşamasına ve hasat aşamasına ayrılabilir. Ek ışık yoğunluğunun özelliklerinden, fide aşamasındaki ışık yoğunluğu biraz daha düşük, 60 ~ 200 μmol/(m² · s) ve daha sonra yavaş yavaş artmalıdır. Yapraklı sebzeler 100 ~ 200 μmol/(m² · s) kadar ulaşabilir ve meyve sebzeleri, her bir büyüme döneminde bitki fotosentezinin ışık yoğunluğu gereksinimlerini sağlamak ve ihtiyaçlarını karşılamak için 300 ~ 500 μmol/(m² · s) ulaşabilir. yüksek verim; Işık kalitesi açısından, kırmızıdan maviye oranı çok önemlidir. Fidelerin kalitesini arttırmak ve fide aşamasında aşırı büyümeyi önlemek için, kırmızıın maviye oranı genellikle düşük bir seviyeye ayarlanır [(1 ~ 2): 1] ve daha sonra bitki ihtiyaçlarını karşılamak için yavaş yavaş azaldı. Işık morfolojisi. Kırmızı ila maviye yapraklı sebzelere oranı (3 ~ 6) olarak ayarlanabilir: 1. Fotoperiyod için, ışık yoğunluğuna benzer şekilde, büyüme süresinin uzatılmasıyla artma eğilimi göstermelidir, böylece yapraklı sebzeler fotosentez için daha fazla fotosentetik zamana sahiptir. Meyve ve sebzelerin ışık takviyesi tasarımı daha karmaşık olacaktır. Yukarıda belirtilen temel yasalara ek olarak, çiçeklenme döneminde fotoperiyodun ortamına odaklanmalıyız ve sebzelerin çiçeklenmesi ve meyvesi, geri tepmek için teşvik edilmelidir.

Işık formülünün ışık ortam ayarları için son tedaviyi içermesi gerektiğini belirtmek gerekir. Örneğin, sürekli ışık takviyesi, hidroponik yapraklı sebze fidelerinin verimini ve kalitesini büyük ölçüde artırabilir veya filizleri ve yapraklı sebzeleri (özellikle mor yapraklar ve kırmızı yaprak marul) beslenme kalitesini önemli ölçüde iyileştirmek için UV tedavisini kullanabilir.

Seçilen ürünler için ışık takviyesini optimize etmenin yanı sıra, bazı yapay ışık bitki fabrikalarının ışık kaynağı kontrol sistemi de son yıllarda hızla gelişmiştir. Bu kontrol sistemi genellikle b/s yapısına dayanır. Sıcaklık, nem, ışık ve CO2 konsantrasyonu gibi çevresel faktörlerin uzaktan kumanda ve otomatik kontrolü, ürünlerin büyümesi sırasında WiFi aracılığıyla gerçekleştirilir ve aynı zamanda dış koşullarla kısıtlanmayan bir üretim yöntemi gerçekleştirilir. Bu tür akıllı tamamlayıcı ışık sistemi, DEPLE ışık kaynağı, uzaktan akıllı kontrol sistemi ile birleştiğinde, bitki dalga boyu aydınlatmasının ihtiyaçlarını karşılayabilir, özellikle ışık kontrollü bitki yetiştirme ortamı için uygun olan LED büyüme ışık fikstürünü kullanır ve piyasa talebi için uygundur. .

Sonuç sözleri
Bitki fabrikaları, 21. yüzyılda dünya kaynağı, nüfus ve çevre sorunlarını çözmenin önemli bir yolu ve gelecekteki yüksek teknoloji projelerinde gıda kendi kendine yeterliliği elde etmenin önemli bir yolu olarak kabul edilmektedir. Yeni bir tarımsal üretim yöntemi olarak, bitki fabrikaları hala öğrenme ve büyüme aşamasındadır ve daha fazla dikkat ve araştırmaya ihtiyaç vardır. Bu makalede, bitki fabrikalarında ortak tamamlayıcı aydınlatma yöntemlerinin özelliklerini ve avantajlarını açıklamakta ve tipik mahsul ek aydınlatma sistemlerinin tasarım fikirlerini sunmaktadır. Karşılaştırma yoluyla bulmak zor değildir, sürekli bulutlu ve pus gibi şiddetli havanın neden olduğu düşük ışıkla başa çıkmak ve tesis bitkilerinin yüksek ve istikrarlı üretimini sağlamak için, LED büyüme ışık kaynağı ekipmanı en uygun gelişme ile uyumludur. trendler.

Bitki fabrikalarının gelecekteki geliştirme yönü, yeni yüksek hassasiyetli, düşük maliyetli sensörlere, uzaktan kontrol edilebilir, ayarlanabilir spektrum aydınlatma cihazı sistemlerine ve uzman kontrol sistemlerine odaklanmalıdır. Aynı zamanda, gelecekteki bitki fabrikaları düşük maliyetli, akıllı ve kendiliğinden uyarlamaya doğru gelişmeye devam edecektir. LED büyüme ışık kaynaklarının kullanımı ve popülerleştirilmesi, bitki fabrikalarının yüksek hassasiyetli çevre kontrolü için garanti sağlar. LED ışık ortam düzenlemesi, ışık kalitesi, ışık yoğunluğu ve fotoperiyodun kapsamlı bir düzenlemesini içeren karmaşık bir süreçtir. İlgili uzmanların ve akademisyenlerin, yapay ışık bitki fabrikalarında LED ek aydınlatmayı teşvik ederek derinlemesine araştırma yapmaları gerekmektedir.