Autore: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, ecc. Fonte Media: Tecnulugia di l'ingegneria agricula (orticultura in serra)

A fabbrica di piante combina l'industria muderna, a biotecnologia, l'idroponica di nutrienti è a tecnulugia di l'infurmazione per implementà un cuntrollu di alta precisione di i fattori ambientali in l'installazione. Hè cumpletamente chjusa, hà bassi requisiti per l'ambiente circundante, accurta u periodu di raccolta di e piante, risparmia acqua è fertilizzanti, è cù i vantaghji di a pruduzzione senza pesticidi è senza scaricu di rifiuti, l'efficienza di l'usu di a terra unitaria hè da 40 à 108 volte quella di a pruduzzione in campu apertu. Trà elle, a fonte di luce artificiale intelligente è a so regulazione di l'ambiente luminosu ghjocanu un rolu decisivu in a so efficienza di pruduzzione.

Cum'è un fattore ambientale fisicu impurtante, a luce ghjoca un rollu chjave in a regulazione di a crescita di e piante è di u metabolismu di i materiali. "Una di e caratteristiche principali di a fabbrica di piante hè a fonte di luce artificiale cumpleta è a realizazione di una regulazione intelligente di l'ambiente luminosu" hè diventata un cunsensu generale in l'industria.

U bisognu di luce di e piante

A luce hè l'unica fonte d'energia di a fotosintesi di e piante. L'intensità luminosa, a qualità di a luce (spettru) è i cambiamenti periodichi di a luce anu un impattu prufondu nantu à a crescita è u sviluppu di e culture, frà i quali l'intensità luminosa hà u più grande impattu nantu à a fotosintesi di e piante.

■ Intensità di a luce

L'intensità di a luce pò cambià a morfologia di e culture, cum'è a fioritura, a lunghezza di l'internodu, u spessore di u stelu, è a dimensione è u spessore di e foglie. I bisogni di e piante per l'intensità luminosa ponu esse divisi in piante chì amanu a luce, piante chì amanu a luce media è piante chì tolleranu poca luce. L'ortaggi sò per u più piante chì amanu a luce, è i so punti di compensazione di a luce è i punti di saturazione di a luce sò relativamente alti. In e fabbriche di piante cù luce artificiale, i bisogni pertinenti di e culture per l'intensità luminosa sò una basa impurtante per a selezzione di e fonti di luce artificiale. Capisce i bisogni di luce di e diverse piante hè impurtante per a cuncepimentu di fonti di luce artificiale, hè estremamente necessariu migliurà e prestazioni di pruduzzione di u sistema.

■ Qualità di a luce

A distribuzione di a qualità di a luce (spettrale) hà ancu una influenza impurtante nantu à a fotosintesi è a morfogenesi di e piante (Figura 1). A luce face parte di a radiazione, è a radiazione hè un'onda elettromagnetica. L'onde elettromagnetiche anu caratteristiche d'onda è caratteristiche quantiche (particelle). U quantum di luce hè chjamatu fotone in u campu di l'orticultura. A radiazione cù una gamma di lunghezza d'onda di 300 ~ 800 nm hè chjamata radiazione fisiologicamente attiva di e piante; è a radiazione cù una gamma di lunghezza d'onda di 400 ~ 700 nm hè chjamata radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) di e piante.

A clorofilla è i caroteni sò i dui pigmenti i più impurtanti in a fotosintesi di e piante. A figura 2 mostra u spettru d'assorbimentu spettrale di ogni pigmentu fotosinteticu, in u quale u spettru d'assorbimentu di a clorofilla hè cuncintratu in e bande rosse è blu. U sistema d'illuminazione hè basatu annantu à i bisogni spettrali di e culture per supplementà artificialmente a luce, in modu da prumove a fotosintesi di e piante.

■ fotoperiodu
A relazione trà a fotosintesi è a fotomorfogenesi di e piante è a durata di u ghjornu (o tempu di u fotoperiodu) hè chjamata fotoperiodu di e piante. A fotoperiodu hè strettamente ligata à l'ore di luce, chì si riferisce à u tempu chì a cultura hè irradiata da a luce. Diverse culture necessitanu un certu numeru d'ore di luce per cumpletà u fotoperiodu per fiurisce è dà frutti. Sicondu i diversi fotoperiodi, si pò divisu in culture à ghjornu longu, cum'è u cavulu, ecc., chì necessitanu più di 12-14 ore di luce in una certa fase di a so crescita; culture à ghjornu cortu, cum'è e cipolle, a soia, ecc., necessitanu menu di 12-14 ore d'illuminazione; culture à sole mediu, cum'è i cucumari, i pumati, i peperoni, ecc., ponu fiurisce è dà frutti sottu à una luce solare più longa o più corta.
Trà i trè elementi di l'ambiente, l'intensità luminosa hè una basa impurtante per a selezzione di e fonti di luce artificiale. Attualmente, ci sò parechji modi per sprime l'intensità luminosa, frà i quali si tratta principalmente di i trè seguenti.
(1) L'illuminazione si riferisce à a densità superficiale di u flussu luminosu (flussu luminosu per unità di superficie) ricevutu nantu à u pianu illuminatu, in lux (lx).

(2) Radiazione fotosinteticamente attiva, PAR, Unità: W/m².

(3) A densità di flussu di fotoni fotosinteticamente efficace PPFD o PPF hè u numeru di radiazioni fotosinteticamente efficaci chì righjunghjenu o passanu per unità di tempu è unità di area, unità: μmol / (m² · s). Si riferisce principalmente à l'intensità luminosa di 400 ~ 700 nm direttamente ligata à a fotosintesi. Hè ancu l'indicatore di intensità luminosa più cumunimenti utilizatu in u campu di a pruduzzione vegetale.

Analisi di a fonte luminosa di un sistema di luce supplementaria tipicu
U supplementu di luce artificiale hè di aumentà l'intensità luminosa in a zona di destinazione o di allargà u tempu di luce installendu un sistema di luce supplementariu per risponde à a dumanda di luce di e piante. In generale, u sistema di luce supplementariu include apparecchiature di luce supplementarie, circuiti è u so sistema di cuntrollu. E fonti di luce supplementarie includenu principalmente parechji tipi cumuni cum'è lampade incandescenti, lampade fluorescenti, lampade à ioduri metallichi, lampade à sodiu à alta pressione è LED. A causa di a bassa efficienza elettrica è ottica di e lampade incandescenti, a bassa efficienza energetica fotosintetica è altre carenze, hè statu eliminatu da u mercatu, dunque questu articulu ùn face micca un'analisi dettagliata.

■ Lampada fluorescente
E lampade fluorescenti appartenenu à u tipu di lampade à scarica di gas à bassa pressione. U tubu di vetru hè pienu di vapore di mercuriu o gas inerte, è a parete interna di u tubu hè rivestita di polvere fluorescente. U culore di a luce varieghja secondu u materiale fluorescente rivestitu in u tubu. E lampade fluorescenti anu una bona prestazione spettrale, alta efficienza luminosa, bassa putenza, vita più longa (12000h) paragunata à e lampade à incandescenza, è un costu relativamente bassu. Siccome a lampada fluorescente stessa emette menu calore, pò esse vicinu à e piante per l'illuminazione è hè adatta per a cultura tridimensionale. Tuttavia, a disposizione spettrale di a lampada fluorescente hè irragionevule. U metudu più cumunu in u mondu hè di aghjunghje riflettori per massimizà i cumpunenti efficaci di a fonte luminosa di e culture in a zona di cultura. A cumpagnia giapponese adv-agri hà ancu sviluppatu un novu tipu di fonte luminosa supplementaria HEFL. HEFL appartene in realtà à a categuria di e lampade fluorescenti. Hè u termine generale per e lampade fluorescenti à catodu fretu (CCFL) è e lampade fluorescenti à elettrodu esternu (EEFL), è hè una lampada fluorescente à elettrodu mistu. U tubu HEFL hè estremamente finu, cù un diametru di solu circa 4 mm, è a lunghezza pò esse aghjustata da 450 mm à 1200 mm secondu i bisogni di a cultura. Hè una versione migliorata di a lampada fluorescente cunvinziunale.

■ Lampada à ioduri metallichi
A lampada à ioduri metallichi hè una lampada à scarica d'alta intensità chì pò eccità diversi elementi per pruduce diverse lunghezze d'onda aghjunghjendu vari alogenuri metallichi (bromuru di stagnu, ioduru di sodiu, ecc.) in u tubu di scarica nantu à a basa di una lampada à mercuriu d'alta pressione. E lampade alogene anu una alta efficienza luminosa, alta putenza, bon culore di luce, longa durata è largu spettru. Tuttavia, postu chì l'efficienza luminosa hè più bassa di quella di e lampade à sodiu d'alta pressione, è a durata di vita hè più corta di quella di e lampade à sodiu d'alta pressione, hè attualmente aduprata solu in poche fabbriche.

■ Lampada à sodiu à alta pressione
E lampade à sodiu à alta pressione appartenenu à u tipu di lampade à scarica di gas à alta pressione. A lampada à sodiu à alta pressione hè una lampada à alta efficienza in a quale u vapore di sodiu à alta pressione hè riempitu in u tubu di scarica, è una piccula quantità di xenon (Xe) è alogenuri metallichi di mercuriu sò aghjunte. Siccome e lampade à sodiu à alta pressione anu una alta efficienza di cunversione elettro-ottica cù costi di fabricazione più bassi, e lampade à sodiu à alta pressione sò attualmente e più aduprate in l'applicazione di luce supplementaria in l'installazioni agricule. Tuttavia, per via di e carenze di bassa efficienza fotosintetica in u so spettru, anu e carenze di bassa efficienza energetica. D’altronde, i cumpunenti spettrali emessi da e lampade à sodiu à alta pressione sò principalmente cuncentrati in a banda di luce gialla-aranciu, chì manca di i spettri rossi è blu necessarii per a crescita di e piante.

■ Diodu emettitore di luce
Cum'è una nova generazione di fonti luminose, i diodi emettitori di luce (LED) anu parechji vantaghji cum'è una maggiore efficienza di cunversione elettro-ottica, un spettru regulabile è una alta efficienza fotosintetica. I LED ponu emette luce monocromatica necessaria per a crescita di e piante. In paragone cù e lampade fluorescenti ordinarie è altre fonti luminose supplementari, i LED anu i vantaghji di u risparmiu energeticu, a prutezzione ambientale, a longa durata, a luce monocromatica, a fonte di luce fredda è cusì. Cù l'ulteriore miglioramentu di l'efficienza elettro-ottica di i LED è a riduzione di i costi causati da l'effettu di scala, i sistemi di illuminazione di crescita LED diventeranu l'equipaggiu principale per supplementà a luce in l'installazioni agricule. Di cunsiguenza, e luci di crescita LED sò state applicate in più di u 99,9% di e fabbriche di piante.

Per via di a paragunazione, e caratteristiche di e diverse fonti luminose supplementarie ponu esse capite chjaramente, cum'è mostratu in a Tavula 1.

Dispositivu d'illuminazione mobile
L'intensità di a luce hè strettamente ligata à a crescita di e culture. A cultura tridimensionale hè spessu aduprata in e fabbriche di piante. Tuttavia, per via di a limitazione di a struttura di i scaffali di cultura, a distribuzione irregulare di a luce è di a temperatura trà i scaffali affetterà u rendimentu di e culture è u periodu di racolta ùn serà micca sincronizatu. Una sucietà in Pechino hà sviluppatu cù successu un dispositivu di supplementu di luce di sollevamentu manuale (apparecchiu di illuminazione HPS è apparecchiu di illuminazione di crescita LED) in u 2010. U principiu hè di rotà l'arburu di trasmissione è l'avvolgitore fissatu nantu à questu scuzzulendu a maniglia per rotà a piccula bobina di film per ottene u scopu di ritrattà è srotolà a corda metallica. A corda metallica di a luce di crescita hè cunnessa cù a rota di avvolgimentu di l'elevatore attraversu parechji insemi di rote inverse, in modu da ottene l'effettu di aghjustà l'altezza di a luce di crescita. In u 2017, a sucietà sopra menzionata hà cuncipitu è ​​​​sviluppatu un novu dispositivu mobile di supplementu di luce, chì pò aghjustà automaticamente l'altezza di u supplementu di luce in tempu reale secondu i bisogni di crescita di e culture. U dispositivu di regulazione hè avà installatu nantu à u scaffale di cultura tridimensionale di tipu di sollevamentu di fonte di luce à 3 strati. U stratu superiore di u dispusitivu hè u livellu cù a megliu cundizione di luce, dunque hè dotatu di lampade à sodiu à alta pressione; u stratu mediu è u stratu inferiore sò dotati di luci di crescita LED è di un sistema di regulazione di u sollevamentu. Pò aghjustà automaticamente l'altezza di a luce di crescita per furnisce un ambiente di illuminazione adattatu per e culture.

In paragone cù u dispusitivu mobile di supplementu di luce adattatu per a cultura tridimensionale, i Paesi Bassi anu sviluppatu un dispusitivu di luce di crescita supplementu LED mobile orizzontalmente. Per evità l'influenza di l'ombra di a luce di crescita nantu à a crescita di e piante à u sole, u sistema di luce di crescita pò esse spintu da i dui lati di a staffa attraversu a slitta telescopica in direzzione orizzontale, in modu chì u sole sia cumpletamente irradiatu nantu à e piante; in i ghjorni nuvolosi è piovosi senza luce solare, spinghje u sistema di luce di crescita versu u centru di a staffa per fà chì a luce di u sistema di luce di crescita riempia uniformemente e piante; spustà u sistema di luce di crescita orizzontalmente attraversu a slitta nantu à a staffa, evità u smontaggio è a rimozione frequenti di u sistema di luce di crescita, è riduce l'intensità di u travagliu di l'impiegati, migliurendu cusì efficacemente l'efficienza di u travagliu.

Idee di cuncepimentu di un sistema tipicu di luce di crescita
Ùn hè micca difficiule di vede da u cuncepimentu di u dispusitivu supplementariu di illuminazione mobile chì u cuncepimentu di u sistema di illuminazione supplementariu di a fabbrica di piante piglia di solitu l'intensità luminosa, a qualità di a luce è i parametri di u fotoperiodu di diversi periodi di crescita di e culture cum'è u cuntenutu principale di u cuncepimentu, basendu si nantu à u sistema di cuntrollu intelligente per implementà, ottenendu l'ubbiettivu finale di risparmiu energeticu è altu rendimentu.

Attualmente, a cuncepzione è a custruzzione di a luce supplementaria per i ligumi à foglia hè maturata gradualmente. Per esempiu, i ligumi à foglia ponu esse divisi in quattru fasi: fase di piantina, crescita media, crescita tardiva è fase finale; i ligumi da fruttu ponu esse divisi in fase di piantina, fase di crescita vegetativa, fase di fioritura è fase di raccolta. Da l'attributi di l'intensità luminosa supplementare, l'intensità luminosa in a fase di piantina deve esse ligeramente più bassa, à 60 ~ 200 μmol / (m² · s), è poi aumentà gradualmente. I ligumi à foglia ponu ghjunghje sin'à 100 ~ 200 μmol / (m² · s), è i ligumi da fruttu ponu ghjunghje à 300 ~ 500 μmol / (m² · s) per assicurà i requisiti di intensità luminosa di a fotosintesi di e piante in ogni periodu di crescita è risponde à i bisogni di un altu rendimentu; In termini di qualità di a luce, u rapportu trà rossu è blu hè assai impurtante. Per aumentà a qualità di e piantine è impedisce una crescita eccessiva in u stadiu di piantina, u rapportu trà u rossu è u turchinu hè generalmente fissatu à un livellu bassu [(1~2):1], è dopu riduttu gradualmente per risponde à i bisogni di a morfologia luminosa di a pianta. U rapportu trà u rossu è u turchinu è i ligumi à foglia pò esse fissatu à (3~6):1. Per u fotoperiodu, simile à l'intensità luminosa, deve mustrà una tendenza à aumentà cù l'estensione di u periodu di crescita, affinchì i ligumi à foglia abbianu più tempu fotosinteticu per a fotosintesi. U cuncepimentu di supplementi luminosi di frutti è ligumi serà più cumplicatu. In più di e lege basiche sopra menzionate, duvemu fucalizza nantu à l'impostazione di u fotoperiodu durante u periodu di fioritura, è a fioritura è a fruttificazione di i ligumi devenu esse promosse, per ùn avè micca cunsequenze negative.

Vale a pena di mintuvà chì a formula di luce deve include u trattamentu finale per i paràmetri di l'ambiente luminosu. Per esempiu, a supplementazione cuntinua di luce pò migliurà assai u rendimentu è a qualità di e piantine di ligumi à foglia idroponica, o aduprà u trattamentu UV per migliurà significativamente a qualità nutrizionale di i germogli è di i ligumi à foglia (in particulare e foglie viola è a lattuga rossa).

In più di l'ottimisazione di a supplementazione luminosa per e culture selezziunate, u sistema di cuntrollu di a fonte luminosa di alcune fabbriche di piante di luce artificiale s'hè ancu sviluppatu rapidamente in l'ultimi anni. Stu sistema di cuntrollu hè generalmente basatu annantu à a struttura B/S. U cuntrollu remotu è u cuntrollu automaticu di i fattori ambientali cum'è a temperatura, l'umidità, a luce è a cuncentrazione di CO2 durante a crescita di e culture sò realizati via WIFI, è à u listessu tempu, si realizza un metudu di pruduzzione chì ùn hè micca limitatu da e cundizioni esterne. Stu tipu di sistema di luce supplementaria intelligente usa un apparecchiu di luce di crescita LED cum'è fonte luminosa supplementaria, cumminatu cù un sistema di cuntrollu intelligente remotu, pò risponde à i bisogni di l'illuminazione di a lunghezza d'onda di e piante, hè particularmente adattatu per l'ambiente di cultura di e piante cuntrullatu da a luce, è pò risponde bè à a dumanda di u mercatu.

Osservazioni conclusive
E fabbriche di piante sò cunsiderate cum'è un modu impurtante per risolve i prublemi mundiali di risorse, pupulazione è ambiente in u XXI seculu, è un modu impurtante per ottene l'autosufficienza alimentaria in i futuri prughjetti high-tech. Cum'è un novu tipu di metudu di pruduzzione agricula, e fabbriche di piante sò sempre in a fase di apprendimentu è di crescita, è hè necessaria più attenzione è ricerca. Questu articulu descrive e caratteristiche è i vantaghji di i metudi cumuni di illuminazione supplementaria in e fabbriche di piante, è introduce l'idee di cuncepimentu di i sistemi tipici di illuminazione supplementaria per e culture. Ùn hè micca difficiule di truvà per mezu di a paragone, per fà fronte à a poca luce causata da u clima severu cum'è nuvolosu è foschia cuntinua è per assicurà una pruduzzione alta è stabile di e culture di l'installazione, l'equipaggiu di fonte di luce LED Grow hè più in linea cù e tendenze di sviluppu attuali.

A direzzione di sviluppu futuru di e fabbriche di piante deve fucalizà si nantu à novi sensori d'alta precisione è à bassu costu, sistemi di dispositivi d'illuminazione à spettru regulabile è cuntrullati à distanza è sistemi di cuntrollu esperti. À u listessu tempu, e fabbriche di piante di u futuru continueranu à sviluppassi versu un costu bassu, intelligente è autoadattivu. L'usu è a pupularizazione di e fonti di luce di crescita LED furniscenu una garanzia per un cuntrollu ambientale d'alta precisione di e fabbriche di piante. A regulazione di l'ambiente di luce LED hè un prucessu cumplessu chì implica una regulazione cumpleta di a qualità di a luce, l'intensità di a luce è u fotoperiodu. Esperti è studiosi pertinenti anu bisognu di fà ricerche approfondite, prumove l'illuminazione supplementaria LED in e fabbriche di piante di luce artificiale.