Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc.Mídia de origem: Tecnologia de Engenharia Agrícola (horticultura com efeito de estufa)

A fábrica da planta combina indústria moderna, biotecnologia, hidroponia de nutrientes e tecnologia da informação para implementar o controle de alta precisão dos fatores ambientais na instalação.É totalmente fechado, tem baixos requisitos no ambiente circundante, encurta o período de colheita da planta, economiza água e fertilizantes e, com as vantagens de produção sem pesticidas e sem descarga de resíduos, a eficiência do uso da terra da unidade é de 40 a 108 vezes essa de produção em campo aberto.Entre eles, a fonte de luz artificial inteligente e sua regulação do ambiente de luz desempenham um papel decisivo em sua eficiência de produção.

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

■ Intensidade da 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 que gostam de luz, gostam de luz média e toleram pouca luz.Os vegetais são principalmente plantas que gostam de luz e seus pontos de compensação de luz e pontos de saturação de luz são relativamente altos.Em fábricas de plantas de luz artificial, os requisitos relevantes das culturas para intensidade de 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 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 é parte da radiação, e a radiação é uma onda eletromagnética.As ondas eletromagnéticas têm características ondulatórias 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 a 800 nm é chamada de radiação fisiologicamente ativa das plantas;e a radiação com uma faixa de comprimento de onda de 400 a 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, no qual o espectro de absorção da clorofila está concentrado nas bandas vermelha e azul.O sistema de iluminação é baseado 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 com as 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 uma determinada fase de seu crescimento;culturas de dias curtos, como cebola, soja, etc., requerem menos de 12-14h Horas de iluminação;culturas de sol médio, como pepinos, tomates, pimentões, etc., podem florescer e frutificar sob luz solar mais longa ou mais curta.
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 do fluxo de fótons fotossinteticamente efetivo PPFD ou PPF é o número de radiação fotossinteticamente efetiva que atinge ou passa por unidade de tempo e unidade de área, unidade：μmol/(m²·s)。Refere-se principalmente à intensidade de luz de 400~700nm diretamente relacionado com a fotossíntese.É também o indicador de intensidade de luz mais comumente usado no campo da produção vegetal.

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 suplementar para atender à demanda de luz das plantas.De um modo geral, o sistema de luz suplementar inclui equipamentos de luz suplementar, circuitos e seu sistema de controle.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 com o material fluorescente revestido no tubo.As lâmpadas fluorescentes têm bom desempenho espectral, alta eficiência luminosa, baixa potência, vida útil mais longa (12000h) em comparação com as lâmpadas incandescentes e custo relativamente baixo.Como a própria lâmpada fluorescente emite menos calor, ela pode ficar perto das 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 da fonte de luz efetiva das culturas na área de cultivo.A empresa japonesa adv-agri também desenvolveu um novo tipo de fonte de luz suplementar HEFL.HEFL realmente 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 4mm, e o comprimento pode ser ajustado de 450mm a 1200mm de acordo com a necessidade do cultivo.É uma versão melhorada da lâmpada fluorescente convencional.

■ Lâmpada de iodetos metálicos
A lâmpada de haleto metálico 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 têm alta eficiência luminosa, alta potência, boa cor de luz, longa vida útil e amplo espectro.No entanto, como a eficiência luminosa é menor que a das lâmpadas de sódio de alta pressão e a vida útil é menor que a das lâmpadas de sódio de alta pressão, atualmente ela é usada apenas 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 colocado no tubo de descarga e uma pequena quantidade de xenônio (Xe) e haleto metálico de mercúrio são adicionados.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 utilizadas na aplicação de luz suplementar em instalações agrícolas.No entanto, devido às deficiências de baixa eficiência fotossintética em seu espectro, eles apresentam 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.LED pode emitir luz monocromática necessária para o crescimento das plantas.Em comparação com lâmpadas fluorescentes comuns e outras fontes de luz suplementares, o LED tem as vantagens de economia de energia, proteção ambiental, longa vida útil, luz monocromática, fonte de luz fria e assim por diante.Com a melhoria da eficiência eletro-óptica dos LEDs e a redução dos custos causados ​​pelo efeito de escala, os sistemas de iluminação LED Grow se tornarão o equipamento principal para complementar a luz nas instalações agrícolas.Como resultado, as luzes de cultivo LED foram aplicadas em mais de 99,9% das fábricas de plantas.

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

Dispositivo de iluminação móvel
A intensidade da luz está intimamente relacionada com o crescimento das culturas.O cultivo tridimensional é freqüentemente usado em fábricas de plantas.No entanto, devido à limitação da estrutura das estantes de cultivo, a distribuição desigual de luz e temperatura entre as estantes afetará o rendimento das lavouras e o período de colheita não será sincronizado.Uma empresa em Pequim desenvolveu com sucesso um dispositivo de suplemento de luz de elevação manual (aparelho de iluminação HPS e aparelho de iluminação de crescimento LED) em 2010. O princípio é girar o eixo de acionamento 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 luminária de cultivo é conectado à roda de enrolamento do elevador por meio de vários conjuntos de rodas reversíveis, de modo a obter o efeito de ajustar a altura da luminária 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 tipo levantamento de fonte de luz de 3 camadas.A camada superior do aparelho é o nível com melhor condição de iluminação, por isso é equipado com lâmpadas de sódio de alta pressão;a camada do meio e a camada inferior são equipadas com luzes de cultivo 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 plantações.

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

Idéias de design de sistema de luz de cultivo típico
Não é difícil ver a partir do projeto do dispositivo suplementar de iluminação móvel que o projeto do sistema de iluminação suplementar da fábrica 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, alcançando o objetivo final de economia de energia e alto rendimento.

Atualmente, o design e a construção de luz suplementar para vegetais folhosos amadureceram gradualmente.Por exemplo, vegetais folhosos podem ser divididos em quatro estágios: estágio de muda, crescimento intermediário, crescimento tardio e estágio final;As frutas e hortaliças podem ser divididas em estágio de muda, estágio de crescimento vegetativo, estágio de floração e estágio de colheita.Dos atributos de intensidade de luz suplementar, a intensidade de luz no estágio de muda deve ser ligeiramente menor, em 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 da planta em cada período de crescimento e atender às necessidades de alto rendimento;Em termos de qualidade de luz, a proporção de vermelho para 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 luminosa.A proporção de vermelho para azul para vegetais folhosos pode ser definida como (3~6):1.Para o fotoperíodo, semelhante à intensidade luminosa, deve apresentar uma tendência de aumento com o prolongamento do período de crescimento, de forma que as hortaliças folhosas tenham mais tempo fotossintético para a fotossíntese.O design do suplemento leve de frutas e vegetais será mais complicado.Além das leis básicas acima mencionadas, devemos nos concentrar na configuração do fotoperíodo durante o período de floração, e a floração e frutificação dos vegetais deve ser promovida, para não sair pela culatra.

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

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.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 por WIFI e, ao mesmo tempo, é realizado um método de produção que não é limitado por condições externas.Este tipo de sistema de luz suplementar inteligente usa luminária de crescimento de LED como fonte de luz suplementar, combinada com sistema de controle remoto inteligente, pode atender às necessidades de iluminação de comprimento de onda da planta, é particularmente adequado para ambiente de cultivo de plantas controlado por luz e pode atender bem à demanda do mercado .

Observações finais
As fábricas de plantas são consideradas uma maneira importante de resolver os problemas mundiais de recursos, população e meio ambiente no século 21, e uma maneira importante de alcançar a autossuficiência alimentar em futuros projetos de alta tecnologia.Como um novo tipo de método de produção agrícola, as fábricas de plantas ainda estão em estágio de aprendizado e crescimento, e mais atenção e pesquisa são necessárias.Este artigo descreve as características e vantagens dos métodos comuns de iluminação suplementar em fábricas de plantas e apresenta as ideias de design de sistemas típicos de iluminação suplementar de culturas.Não é difícil encontrar por meio de comparação, a fim de lidar com a pouca luz causada por clima severo, como neblina e neblina contínuas, e garantir uma produção alta e estável de culturas de instalações, o equipamento de fonte de luz LED Grow está mais alinhado com o desenvolvimento atual tendências.

A direção do desenvolvimento futuro 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 controláveis ​​remotamente e sistemas de controle especializados.Ao mesmo tempo, as futuras fábricas de plantas continuarão a se desenvolver para baixo custo, inteligentes e auto-adaptativas.O uso e a popularização das fontes de luz LED para cultivo fornecem garantia para o controle ambiental de alta precisão das fábricas.A regulação do ambiente de luz LED é um processo complexo que envolve a regulação abrangente da qualidade da luz, intensidade da luz e fotoperíodo.Especialistas e estudiosos relevantes precisam realizar pesquisas aprofundadas, promovendo a iluminação suplementar de LED em fábricas de plantas de luz artificial.