Autor: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu, etc. Mídia de origem: Tecnologia de Engenharia Agrícola (Horticultura de Greenhouse)

A fábrica de plantas combina a indústria moderna, a biotecnologia, a hidroponia de nutrientes e a tecnologia da informação para implementar o controle de alta precisão de fatores ambientais na instalação. Está totalmente fechado, possui baixos requisitos no ambiente circundante, diminui o período de colheita da planta, salva água e fertilizante e, com as vantagens da produção não pesticida e sem descarga de resíduos, a eficiência da terra é de 40 a 108 vezes of open field production. Among them, the intelligent artificial light source and its light environment regulation play a decisive role in its production efficiency.

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

Necessidade das plantas de luz

A luz é a única fonte de energia da fotossíntese de plantas. A intensidade da luz, a qualidade da luz (espectro) e as mudanças periódicas da 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 da luz

The intensity of light can change the morphology of crops, such as flowering, internode length, stem thickness, and leaf size and thickness. The requirements of plants for light intensity can be divided into light-loving, medium-light-loving, and low-light-tolerant plants. Os vegetais são principalmente plantas que amam a luz, e seus pontos de compensação de luz e pontos de saturação da luz são relativamente altos. Nas fábricas artificiais das plantas de luz, os requisitos relevantes das culturas para a intensidade da luz são uma base importante para a seleção de fontes de luz artificiais. Compreender os requisitos de luz de diferentes plantas é importante para projetar fontes de luz artificiais, é extremamente necessário melhorar o desempenho da produção do sistema.

■ Qualidade de luz

A distribuição da qualidade da luz (espectral) também tem uma influência importante na fotossíntese e morfogênese da planta (Figura 1). A luz faz parte da radiação e a radiação é uma onda eletromagnética. 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 uma faixa de comprimento de onda de 300 ~ 800nm ​​é chamada radiação fisiologicamente ativa das plantas; e a radiação com uma faixa de comprimento de onda de 400 ~ 700nm é chamada de radiação fotossinteticamente ativa (PAR) das plantas.

Clorofila e carotenos são os dois pigmentos mais importantes na fotossíntese de plantas. A Figura 2 mostra o espectro de absorção espectral de cada pigmento fotossintético, no qual o espectro de absorção de clorofila está concentrado nas bandas vermelha e azul. The lighting system is based on the spectral needs of crops to artificially supplement light, so as to promote the photosynthesis of plants.

■ Fotoperiod
A relação entre fotossíntese e fotomorfogênese de plantas e duração do dia (ou tempo de fotoperíodo) é chamada de fotoperiodidade das plantas. A fotoperiodidade está intimamente relacionada às horas -luz, que se refere ao tempo em que a colheita é irradiada pela luz. Diferentes culturas requerem um certo número de horas de luz para completar o fotoperíodo para florescer e dar frutos. De acordo com os diferentes fotoperíodos, ele pode ser dividido em culturas de longo dia, como repolho, etc., que requerem mais de 12-14h horas-luz em um certo estágio de seu crescimento; short-day crops, such as onions, soybeans, etc., require less than 12-14h Illumination hours; medium-sun crops, such as cucumbers, tomatoes, peppers, etc., can bloom and bear fruit under longer or shorter sunlight.
Entre os três elementos do ambiente, a intensidade da luz é uma base importante para a seleção de fontes de luz artificiais. Atualmente, existem muitas maneiras de expressar intensidade da luz, incluindo principalmente os três a seguir.
（1) A iluminação refere -se à densidade da superfície 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 e efetivos fotossinteticamente PPFD ou PPF é o número de radiação fotossinteticamente eficazes que atinge ou passa pela área da unidade e da unidade, unidade: μmol/(m² · s)。 refere -se à luz de intensidade de 400 ~ 700nm directly related to photosynthesis. It is also the most commonly used light intensity indicator in the field of plant production.

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

■ Lâmpada fluorescente
Fluorescent lamps belong to the type of low-pressure gas discharge lamps. The glass tube is filled with mercury vapor or inert gas, and the inner wall of the tube is coated with fluorescent powder. The light color varies with the fluorescent material coated in the tube. As lâmpadas fluorescentes têm bom desempenho espectral, alta eficiência luminosa, baixa potência, vida útil mais longa (12000h) em comparação com lâmpadas incandescentes e custo relativamente baixo. Como a própria lâmpada fluorescente emite menos calor, ela pode estar próxima das plantas para iluminação e é adequada para o 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 -GRI também desenvolveu um novo tipo de fonte de luz suplementar Hefl. HEFL actually belongs to the category of fluorescent lamps. É o termo geral para lâmpadas fluorescentes do cátodo frio (CCFL) e lâmpadas fluorescentes de eletrodo externas (EEFL) e é uma lâmpada fluorescente de eletrodo misto. O tubo HEFL é extremamente fino, com um 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 aprimorada da lâmpada fluorescente convencional.

■ Lâmpada metálida de metal
A lâmpada de halogeneto de metal é uma lâmpada de descarga de alta intensidade que pode excitar elementos diferentes para produzir diferentes comprimentos de onda adicionando vários halogenetos de metal (brometo de estanho, iodeto de sódio, etc.) no tubo de descarga com base em uma lâmpada de mercúrio de alta pressão. Halogen lamps have high luminous efficiency, high power, good light color, long life, and large spectrum. No entanto, como a eficiência luminosa é menor que a das lâmpadas de sódio de alta pressão, e a vida útil é mais curta que a das lâmpadas de sódio de alta pressão, atualmente é usada apenas em algumas fábricas de plantas.

■ 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 é adicionada uma pequena quantidade de xenônio (XE) e halogeneto de metal de mercúrio. Como as lâmpadas de sódio de alta pressão têm alta eficiência de conversão eletro-óptica com custos de fabricação mais baixos, as lâmpadas de sódio de alta pressão são atualmente as mais amplamente utilizadas na aplicação de luz suplementar nas instalações agrícolas. No entanto, devido às deficiências de baixa eficiência fotossintética em seu espectro, elas têm as deficiências de baixa eficiência energética. Por outro lado, os componentes espectrais emitidos por lâmpadas de sódio de alta pressão estão concentrados principalmente na banda de luz amarela-laranja, que não possui os espectros vermelhos e azuis necessários para o crescimento da planta.

■ 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. LED can emit monochromatic light needed for plant growth. Comparado com lâmpadas fluorescentes comuns e outras fontes de luz suplementares, o LED tem as vantagens de economia de energia, proteção ambiental, vida longa, 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 da escala, os sistemas de iluminação de crescimento LED se tornarão o equipamento convencional para suplementar luz nas instalações agrícolas. As a result, LED grow lights have been applied over 99.9% plant factories.

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

Dispositivo de iluminação móvel
A intensidade da luz está intimamente relacionada ao crescimento de culturas. O cultivo tridimensional é frequentemente usado em fábricas de plantas. No entanto, devido à limitação da estrutura dos racks de cultivo, a distribuição desigual da luz e a temperatura entre os racks 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 levantamento manual (luminária HPS e luminária de cultivo de LED) em 2010. O princípio é girar o eixo de acionamento e o enrolador fixado nele agitando a alça para girar o rolo de filme pequeno Para alcançar o objetivo de retrair e desenrolar a corda de aço. A corda de aço da luz de cultivo é conectada com a roda enrolada do elevador através de vários conjuntos de rodas reversa, de modo a alcançar o efeito de ajustar a altura da luz de cultivo. Em 2017, a empresa acima mencionada projetou e desenvolveu um novo dispositivo de suplemento de luz móvel, que pode ajustar automaticamente a altura do suplemento de luz em tempo real, de acordo com as necessidades de crescimento das culturas. O dispositivo de ajuste agora está instalado no rack de cultivo tridimensional da fonte de luz de 3 camadas. A camada superior do dispositivo é o nível com a melhor condição de luz, por isso está equipado com lâmpadas de sódio de alta pressão; A camada do meio e a camada inferior estão equipadas com luzes de cultivo de LED 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 culturas.

Comparado com o dispositivo de suplemento de luz móvel adaptado para o cultivo tridimensional, a Holanda desenvolveu um dispositivo de luz de luz de luz LED de LED de LED horizontalmente móvel. Para evitar a influência da sombra da luz de crescimento sobre o crescimento das plantas ao sol, o sistema de luz de cultivo pode ser empurrado para os dois lados do suporte através da lâmina telescópica na direção horizontal, de modo que o sol fique totalmente irradiado nas plantas; Nos dias nublados e chuvosos, sem luz solar, empurre o sistema de luz de cultivo para o meio do suporte para tornar a luz do sistema de luz de cultivo uniformemente as plantas; Mova o sistema de luz de cultivo horizontalmente através do slide no suporte, evite a desmontagem frequente e a remoção do sistema de luz de cultivo e reduza a intensidade do trabalho dos funcionários, melhorando efetivamente a eficiência do trabalho.

Não é difícil ver pelo design do dispositivo suplementar de iluminação móvel que o design do sistema de iluminação suplementar da fábrica de plantas geralmente toma a intensidade da luz, a qualidade da luz e os parâmetros de fotoperíodo de diferentes períodos de crescimento da colheita, como o conteúdo principal do projeto , relying on the intelligent control system to implement, achieving the ultimate goal of energy saving and high yield.

At present, the design and construction of supplementary light for leafy vegetables has gradually matured. For example, leafy vegetables can be divided into four stages: seedling stage, mid-growth, late-growth, and end stage; fruit-vegetables can be divided into seedling stage, vegetative growth stage, flowering stage, and harvesting stage. A partir dos atributos da intensidade da luz suplementar, a intensidade da luz no estágio de mudas deve ser ligeiramente menor, a 60 ~ 200 μmol/(m² · s) e depois aumentar gradualmente. Vegetais frondosos podem atingir até 100 ~ 200 μmol/(m² · s), e os vegetais de frutas podem atingir 300 ~ 500 μmol/(m² · s) para garantir os requisitos de intensidade da luz da fotossíntese de plantas em cada período de crescimento e atender às necessidades das necessidades de alto rendimento; In terms of light quality, the ratio of red to blue is very important. Para aumentar a qualidade das mudas e impedir o crescimento excessivo no estágio de mudas, a proporção de vermelho para azul é geralmente definido em um nível baixo [(1 ~ 2): 1] e depois gradualmente reduzido para atender às necessidades da planta light morphology. The ratio of red to blue to leafy vegetables can be set to (3~6):1. Para o fotoperíodo, semelhante à intensidade da luz, ele deve mostrar uma tendência de aumentar com a extensão do período de crescimento, para que os vegetais folhosos tenham mais tempo fotossintético para a fotossíntese. The light supplement design of fruits and vegetables will be more complicated. Além das leis básicas acima mencionadas, devemos nos concentrar no cenário do fotoperíodo durante o período de floração, e a floração e frutificação dos vegetais devem ser promovidos, para não sair pela culatra.

It is worth mentioning that the light formula should include the end treatment for light environment settings. Por exemplo, a suplementação contínua de luz pode melhorar bastante o rendimento e a qualidade das mudas vegetais de folhas hidropônicas ou usar o tratamento UV para melhorar significativamente os brotos e os vegetais folhosos (especialmente as folhas roxas e a alface vermelha) da qualidade nutricional.

Além de otimizar a suplementação de luz para culturas selecionadas, o sistema de controle de fonte de luz de algumas fábricas de plantas de luz artificial também se desenvolveu rapidamente nos últimos anos. Esse sistema de controle geralmente é 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 do WiFi e, ao mesmo tempo, é realizado um método de produção que não é restrito por condições externas. Esse tipo de sistema de luz suplementar inteligente usa a luminária de cultivo de LED como fonte de luz suplementar, combinada com o sistema de controle inteligente remoto, pode atender às necessidades de iluminação de comprimento de onda de plantas, é particularmente adequado para o ambiente de cultivo de plantas controlado pela luz e pode atender à demanda de mercado .

Comentários finais
As fábricas de plantas são consideradas uma maneira importante de resolver os recursos mundiais, problemas populacionais e ambientais no século XXI, e uma maneira importante de alcançar a auto-suficiência alimentar em futuros projetos de alta tecnologia. Como um novo tipo de método de produção agrícola, as fábricas de plantas ainda estão no estágio de aprendizado e crescimento, e mais atenção e pesquisa são necessárias. Este artigo descreve as características e vantagens dos métodos de iluminação suplementar comum nas fábricas de plantas e introduz as idéias de design dos sistemas de iluminação suplementar de culturas típicos. Não é difícil de encontrar através da comparação, a fim de lidar com a baixa luz causada por clima severo, como nublado e neblina contínua e garantir alta e estável produção de culturas de instalações, o equipamento de fonte de luz de cultivo LED está mais alinhado com o desenvolvimento atual tendências.

A direção futura do desenvolvimento das fábricas de plantas deve se concentrar em novos sensores de alta precisão e baixo custo, sistemas de dispositivos de iluminação de espectro ajustáveis ​​e remotamente controláveis ​​e sistemas de controle de especialistas. Ao mesmo tempo, as futuras fábricas de plantas continuarão a se desenvolver em direção a baixo custo, inteligente e auto-adaptativo. O uso e a popularização de fontes de luz de crescimento LED fornecem garantia para o controle ambiental de alta precisão das fábricas de plantas. 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 estudiosos relevantes precisam realizar pesquisas aprofundadas, promovendo a iluminação suplementar LED em fábricas de plantas de luz artificiais.