Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc. Fonte de mídia: Tecnologia de Engenharia Agrícola (horticultura em estufa)

A fábrica combina indústria moderna, biotecnologia, hidroponia de nutrientes e tecnologia da informação para implementar o controle de alta precisão dos fatores ambientais nas instalações. É totalmente fechado, tem baixas exigências sobre o meio ambiente, encurta o período de colheita das plantas, economiza água e fertilizantes, e com as vantagens da produção sem pesticidas e sem descarga de resíduos, a eficiência do uso da terra da unidade é de 40 a 108 vezes maior que isso. de produção em campo aberto. Entre eles, a fonte de luz artificial inteligente e a regulação do ambiente luminoso desempenham um papel decisivo na eficiência da sua produção.

Como um importante fator ambiental físico, a luz desempenha um papel fundamental na regulação do crescimento das plantas e do metabolismo dos materiais. “Uma das principais características da fábrica é a fonte de luz totalmente artificial e a realização da regulação inteligente do ambiente luminoso” tornou-se um consenso geral na indústria.

A necessidade de luz das plantas

A luz é a única fonte de energia da fotossíntese das plantas. A intensidade da luz, a qualidade da luz (espectro) e as mudanças periódicas de luz têm um impacto profundo no crescimento e desenvolvimento das culturas, entre as quais a intensidade da luz tem o maior impacto na fotossíntese das plantas.

■ Intensidade de luz

A intensidade da luz pode alterar a morfologia das culturas, como floração, comprimento dos entrenós, espessura do caule e tamanho e espessura das folhas. Os requisitos das plantas para intensidade de luz podem ser divididos em plantas amantes da luz, amantes da luz média e tolerantes à pouca luz. Os vegetais são, em sua maioria, plantas que gostam de luz e seus pontos de compensação e saturação de luz são relativamente altos. Nas fábricas de plantas de luz artificial, os requisitos relevantes das culturas quanto à intensidade da luz são uma base importante para a seleção de fontes de luz artificial. Compreender os requisitos de luz de diferentes plantas é importante para projetar fontes de luz artificial. É extremamente necessário para melhorar o desempenho de produção do sistema.

■ Qualidade de luz

A distribuição da qualidade da luz (espectral) também tem uma influência importante na fotossíntese e na morfogênese das plantas (Figura 1). A luz faz parte da radiação e a radiação é uma onda eletromagnética. As ondas eletromagnéticas têm características de onda e características quânticas (partículas). O quantum de luz é chamado de fóton no campo da horticultura. A radiação com comprimento de onda de 300 ~ 800 nm é chamada de radiação fisiologicamente ativa das plantas; e a radiação com uma faixa de comprimento de onda de 400 ~ 700 nm é chamada de radiação fotossinteticamente ativa (PAR) das plantas.

A clorofila e os carotenos são os dois pigmentos mais importantes na fotossíntese das plantas. A Figura 2 mostra o espectro de absorção espectral de cada pigmento fotossintético, em que o espectro de absorção da clorofila está concentrado nas faixas vermelha e azul. O sistema de iluminação baseia-se nas necessidades espectrais das culturas para complementar artificialmente a luz, de modo a promover a fotossíntese das plantas.

■ fotoperíodo
A relação entre a fotossíntese e a fotomorfogênese das plantas e a duração do dia (ou tempo do fotoperíodo) é chamada de fotoperiodidade das plantas. A fotoperiodidade está intimamente relacionada às horas de luz, que se refere ao tempo em que a cultura é irradiada pela luz. Diferentes culturas requerem um certo número de horas de luz para completar o fotoperíodo para florescer e frutificar. De acordo com os diferentes fotoperíodos, pode ser dividido em culturas de dias longos, como repolho, etc., que requerem mais de 12-14 horas de luz em determinada fase de seu crescimento; culturas de dias curtos, como cebola, soja, etc., requerem menos de 12-14h de iluminação; culturas de sol médio, como pepino, tomate, pimentão, etc., podem florescer e dar frutos sob luz solar mais ou menos longa.
Entre os três elementos do ambiente, a intensidade da luz é uma base importante para a seleção de fontes de luz artificial. Atualmente, existem muitas maneiras de expressar a intensidade da luz, incluindo principalmente as três seguintes.
（1） Iluminação refere-se à densidade superficial do fluxo luminoso (fluxo luminoso por unidade de área) recebido no plano iluminado, em lux (lx).

(2) Radiação fotossinteticamente ativa, PAR, Unidade: W/m²。

（3） A densidade de fluxo de fótons fotossinteticamente eficaz PPFD ou PPF é o número de radiação fotossinteticamente eficaz que atinge ou passa pela unidade de tempo e unidade de área, unidade: μmol/(m²·s)。 Refere-se principalmente à intensidade de luz de 400 ~ 700 nm diretamente relacionado à fotossíntese. É também o indicador de intensidade de luz mais utilizado no campo da produção vegetal.

Análise da fonte de luz de um sistema de luz suplementar típico
O suplemento de luz artificial visa aumentar a intensidade da luz na área alvo ou estender o tempo de luz instalando um sistema de luz suplementar para atender à demanda de luz das plantas. De modo geral, o sistema de iluminação suplementar inclui equipamentos de iluminação suplementar, circuitos e seu sistema de controle. As fontes de luz suplementares incluem principalmente vários tipos comuns, como lâmpadas incandescentes, lâmpadas fluorescentes, lâmpadas de iodetos metálicos, lâmpadas de sódio de alta pressão e LEDs. Devido à baixa eficiência elétrica e óptica das lâmpadas incandescentes, baixa eficiência energética fotossintética e outras deficiências, ela foi eliminada pelo mercado, portanto este artigo não faz uma análise detalhada.

■ Lâmpada fluorescente
As lâmpadas fluorescentes pertencem ao tipo de lâmpadas de descarga de gás de baixa pressão. O tubo de vidro é preenchido com vapor de mercúrio ou gás inerte, e a parede interna do tubo é revestida com pó fluorescente. A cor da luz varia de acordo com o material fluorescente revestido no tubo. As lâmpadas fluorescentes apresentam bom desempenho espectral, alta eficiência luminosa, baixo consumo de energia, maior vida útil (12.000h) em comparação com as lâmpadas incandescentes e custo relativamente baixo. Como a própria lâmpada fluorescente emite menos calor, ela pode ficar próxima às plantas para iluminação e é adequada para cultivo tridimensional. No entanto, o layout espectral da lâmpada fluorescente não é razoável. O método mais comum no mundo é adicionar refletores para maximizar os componentes efetivos da fonte de luz das culturas na área de cultivo. A empresa japonesa adv-agri também desenvolveu um novo tipo de fonte de luz suplementar HEFL. HEFL na verdade pertence à categoria de lâmpadas fluorescentes. É o termo geral para lâmpadas fluorescentes de cátodo frio (CCFL) e lâmpadas fluorescentes de eletrodo externo (EEFL), e é uma lâmpada fluorescente de eletrodo misto. O tubo HEFL é extremamente fino, com diâmetro de apenas cerca de 4 mm, e o comprimento pode ser ajustado de 450 mm a 1200 mm de acordo com as necessidades de cultivo. É uma versão melhorada da lâmpada fluorescente convencional.

■ Lâmpada de iodetos metálicos
A lâmpada de iodetos metálicos é uma lâmpada de descarga de alta intensidade que pode excitar diferentes elementos para produzir diferentes comprimentos de onda, adicionando vários haletos metálicos (brometo de estanho, iodeto de sódio, etc.) no tubo de descarga com base em uma lâmpada de mercúrio de alta pressão. As lâmpadas halógenas possuem alta eficiência luminosa, alta potência, boa cor de luz, longa vida útil e amplo espectro. No entanto, como a eficiência luminosa é inferior à das lâmpadas de sódio de alta pressão e a vida útil é mais curta do que a das lâmpadas de sódio de alta pressão, atualmente só é utilizada em algumas fábricas.

■ Lâmpada de sódio de alta pressão
As lâmpadas de sódio de alta pressão pertencem ao tipo de lâmpadas de descarga de gás de alta pressão. A lâmpada de sódio de alta pressão é uma lâmpada de alta eficiência na qual o vapor de sódio de alta pressão é preenchido no tubo de descarga e uma pequena quantidade de xenônio (Xe) e iodetos metálicos de mercúrio são adicionados. Como as lâmpadas de sódio de alta pressão apresentam alta eficiência de conversão eletro-óptica com menores custos de fabricação, as lâmpadas de sódio de alta pressão são atualmente as mais utilizadas na aplicação de luz suplementar em instalações agrícolas. No entanto, devido às deficiências de baixa eficiência fotossintética em seu espectro, eles apresentam as deficiências de baixa eficiência energética. Por outro lado, os componentes espectrais emitidos pelas lâmpadas de sódio de alta pressão concentram-se principalmente na faixa de luz amarelo-laranja, que carece dos espectros vermelho e azul necessários para o crescimento das plantas.

■ Diodo emissor de luz
Como uma nova geração de fontes de luz, os diodos emissores de luz (LEDs) têm muitas vantagens, como maior eficiência de conversão eletro-óptica, espectro ajustável e alta eficiência fotossintética. O LED pode emitir luz monocromática necessária para o crescimento das plantas. Comparado com lâmpadas fluorescentes comuns e outras fontes de luz suplementares, o LED tem as vantagens de economia de energia, proteção ambiental, longa vida, luz monocromática, fonte de luz fria e assim por diante. Com a melhoria adicional da eficiência eletro-óptica dos LEDs e a redução dos custos causados ​​pelo efeito de escala, os sistemas de iluminação LED para cultivo se tornarão o equipamento principal para complementar a luz em instalações agrícolas. Como resultado, as luzes LED de cultivo foram aplicadas em 99,9% das fábricas.

Através da comparação, as características das diferentes fontes de luz suplementares podem ser claramente compreendidas, conforme mostrado na Tabela 1.

Dispositivo de iluminação móvel
A intensidade da luz está intimamente relacionada ao crescimento das culturas. O cultivo tridimensional é frequentemente usado em fábricas de plantas. Porém, devido à limitação da estrutura das estantes de cultivo, a distribuição desigual de luz e temperatura entre as estantes afetará o rendimento das culturas e o período de colheita não será sincronizado. Uma empresa em Pequim desenvolveu com sucesso um dispositivo de suplemento de luz de elevação manual (luminária HPS e luminária LED para cultivo) em 2010. O princípio é girar o eixo de transmissão e o enrolador fixado nele, agitando a alça para girar o pequeno rolo de filme para atingir o objetivo de retrair e desenrolar o cabo de aço. O cabo de aço da luz de cultivo é conectado à roda sinuosa do elevador por meio de vários conjuntos de rodas reversíveis, de modo a obter o efeito de ajuste da altura da luz de cultivo. Em 2017, a empresa acima mencionada projetou e desenvolveu um novo dispositivo móvel de suplemento de luz, que pode ajustar automaticamente a altura do suplemento de luz em tempo real de acordo com as necessidades de crescimento da cultura. O dispositivo de ajuste agora está instalado no rack de cultivo tridimensional do tipo fonte de luz de 3 camadas. A camada superior do aparelho é o nível com melhor condição de luminosidade, por isso é equipado com lâmpadas de sódio de alta pressão; a camada intermediária e a camada inferior estão equipadas com luzes LED de cultivo e um sistema de ajuste de elevação. Ele pode ajustar automaticamente a altura da luz de cultivo para fornecer um ambiente de iluminação adequado para as plantações.

Em comparação com o dispositivo móvel de suplemento de luz adaptado para cultivo tridimensional, a Holanda desenvolveu um dispositivo de suplemento de luz LED móvel horizontalmente. Para evitar a influência da sombra da luz de cultivo no crescimento das plantas ao sol, o sistema de luz de cultivo pode ser empurrado para ambos os lados do suporte através da corrediça telescópica na direção horizontal, para que o sol fique totalmente irradiado nas plantas; em dias nublados e chuvosos sem luz solar, empurre o sistema de luz de cultivo para o meio do suporte para fazer com que a luz do sistema de luz de cultivo preencha uniformemente as plantas; mova o sistema de cultivo de luz horizontalmente através do deslizamento no suporte, evite a desmontagem e remoção frequente do sistema de cultivo de luz e reduza a intensidade de trabalho dos funcionários, melhorando efetivamente a eficiência do trabalho.

Ideias de design de um sistema típico de cultivo de luz
Não é difícil ver a partir do projeto do dispositivo suplementar de iluminação móvel que o projeto do sistema de iluminação suplementar da fábrica da planta geralmente leva a intensidade da luz, a qualidade da luz e os parâmetros do fotoperíodo de diferentes períodos de crescimento da cultura como o conteúdo central do projeto , contando com o sistema de controle inteligente para implementar, atingindo o objetivo final de economia de energia e alto rendimento.

Atualmente, o projeto e a construção de luz suplementar para vegetais folhosos amadureceram gradualmente. Por exemplo, os vegetais folhosos podem ser divididos em quatro estágios: estágio de muda, crescimento intermediário, crescimento tardio e estágio final; os vegetais frutíferos podem ser divididos em estágio de muda, estágio de crescimento vegetativo, estágio de floração e estágio de colheita. A partir dos atributos de intensidade de luz suplementar, a intensidade de luz na fase de muda deve ser um pouco menor, de 60~200 μmol/(m²·s), e depois aumentar gradativamente. Os vegetais folhosos podem atingir até 100 ~ 200 μmol/(m²·s) e os vegetais frutíferos podem atingir 300 ~ 500 μmol/(m²·s) para garantir os requisitos de intensidade de luz da fotossíntese das plantas em cada período de crescimento e atender às necessidades de alto rendimento; Em termos de qualidade da luz, a proporção entre vermelho e azul é muito importante. A fim de aumentar a qualidade das mudas e evitar o crescimento excessivo na fase de mudas, a proporção de vermelho para azul é geralmente definida em um nível baixo [(1 ~ 2): 1] e depois reduzida gradualmente para atender às necessidades da planta. morfologia da luz. A proporção de vegetais com folhas vermelhas, azuis e folhosas pode ser definida para (3 ~ 6): 1. Para o fotoperíodo, semelhante à intensidade luminosa, deve apresentar tendência de aumento com o prolongamento do período de crescimento, de modo que os vegetais folhosos tenham mais tempo fotossintético para a fotossíntese. O design de suplementos leves de frutas e vegetais será mais complicado. Além das leis básicas acima mencionadas, devemos focar na fixação do fotoperíodo durante o período de floração, e a floração e a frutificação dos vegetais devem ser promovidas, para não sair pela culatra.

Vale ressaltar que a fórmula light deve incluir o tratamento final para ambientes claros. Por exemplo, a suplementação contínua de luz pode melhorar muito o rendimento e a qualidade das mudas de vegetais folhosos hidropônicos, ou usar o tratamento UV para melhorar significativamente a qualidade nutricional dos brotos e dos vegetais folhosos (especialmente folhas roxas e alface vermelha).

Além de otimizar a suplementação de luz para culturas selecionadas, o sistema de controle da fonte de luz de algumas fábricas de plantas de luz artificial também se desenvolveu rapidamente nos últimos anos. Este sistema de controle é geralmente baseado na estrutura B/S. O controle remoto e o controle automático de fatores ambientais como temperatura, umidade, luz e concentração de CO2 durante o crescimento das culturas são realizados através de WIFI e, ao mesmo tempo, é realizado um método de produção que não é restrito por condições externas. Este tipo de sistema de luz suplementar inteligente usa luminária LED para cultivo como fonte de luz suplementar, combinado com sistema de controle remoto inteligente, pode atender às necessidades de iluminação de comprimento de onda de plantas, é particularmente adequado para ambientes de cultivo de plantas com controle de luz e pode atender bem à demanda do mercado .

Observações finais
As fábricas são consideradas uma forma importante de resolver problemas mundiais de recursos, população e ambientais no século XXI, e uma forma importante de alcançar a auto-suficiência alimentar em futuros projectos de alta tecnologia. Sendo um novo tipo de método de produção agrícola, as fábricas vegetais ainda estão em fase de aprendizagem e crescimento, sendo necessária mais atenção e investigação. Este artigo descreve as características e vantagens dos métodos comuns de iluminação suplementar em fábricas e apresenta as idéias de design de sistemas típicos de iluminação suplementar para culturas. Não é difícil encontrar por comparação, a fim de lidar com a pouca luz causada por condições climáticas severas, como nebulosidade e neblina contínuas, e para garantir uma produção alta e estável de culturas agrícolas, o equipamento de fonte de luz LED Grow está mais alinhado com o desenvolvimento atual tendências.

A futura direção de desenvolvimento das fábricas deve se concentrar em novos sensores de alta precisão e baixo custo, sistemas de dispositivos de iluminação de espectro ajustáveis ​​e controláveis ​​remotamente e sistemas de controle especializados. Ao mesmo tempo, as futuras fábricas continuarão a se desenvolver em direção a baixo custo, inteligentes e auto-adaptáveis. O uso e a popularização de fontes de luz LED para cultivo garantem um controle ambiental de alta precisão das fábricas. A regulação do ambiente de luz LED é um processo complexo que envolve regulação abrangente da qualidade da luz, intensidade da luz e fotoperíodo. Especialistas e acadêmicos relevantes precisam realizar pesquisas aprofundadas, promovendo iluminação suplementar LED em fábricas de plantas de luz artificial.