Awdur: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong bu, ac ati. Cyfryngau Ffynhonnell ： Technoleg Peirianneg Amaethyddol (Garddwriaeth Tŷ Gwydr)

Mae'r ffatri planhigion yn cyfuno diwydiant modern, biotechnoleg, hydroponeg maetholion a thechnoleg gwybodaeth i weithredu rheolaeth manwl uchel ar ffactorau amgylcheddol yn y cyfleuster. Mae wedi'i amgáu'n llawn, mae ganddo ofynion isel ar yr amgylchedd cyfagos, yn byrhau cyfnod cynhaeaf planhigion, yn arbed dŵr a gwrtaith, a chyda manteision cynhyrchu nad yw'n plaladdwyr a dim rhyddhau gwastraff, mae effeithlonrwydd defnydd tir yr uned 40 i 108 gwaith o hynny o gynhyrchu maes agored. Yn eu plith, mae'r ffynhonnell golau artiffisial deallus a'i rheoliad amgylchedd golau yn chwarae rhan bendant yn ei effeithlonrwydd cynhyrchu.

Fel ffactor amgylcheddol corfforol pwysig, mae golau yn chwarae rhan allweddol wrth reoleiddio twf planhigion a metaboledd materol. “Un o brif nodweddion y ffatri planhigion yw ffynhonnell golau artiffisial llawn ac mae gwireddu rheoleiddio deallus yr amgylchedd golau” wedi dod yn gonsensws cyffredinol yn y diwydiant.

Angen planhigion am olau

Golau yw'r unig ffynhonnell ynni ffotosynthesis planhigion. Mae dwyster golau, ansawdd golau (sbectrwm) a newidiadau cyfnodol mewn golau yn cael effaith ddwys ar dwf a datblygiad cnydau, lle mae'r dwyster golau yn cael yr effaith fwyaf ar ffotosynthesis planhigion.

■ Dwyster ysgafn

Gall dwyster golau newid morffoleg cnydau, megis blodeuo, hyd internode, trwch coesyn, a maint a thrwch dail. Gellir rhannu gofynion planhigion ar gyfer dwyster golau yn blanhigion sy'n hoff o olau, sy'n hoff o olau canolig, sy'n goddef golau isel. Mae llysiau yn blanhigion sy'n hoff o ysgafn yn bennaf, ac mae eu pwyntiau iawndal ysgafn a'u pwyntiau dirlawnder ysgafn yn gymharol uchel. Mewn ffatrïoedd planhigion golau artiffisial, mae gofynion perthnasol cnydau ar gyfer dwyster golau yn sylfaen bwysig ar gyfer dewis ffynonellau golau artiffisial. Mae deall gofynion golau gwahanol blanhigion yn bwysig ar gyfer dylunio ffynonellau golau artiffisial, mae'n hynod angenrheidiol gwella perfformiad cynhyrchu'r system.

■ Ansawdd ysgafn

Mae'r dosbarthiad ansawdd golau (sbectrol) hefyd yn cael dylanwad pwysig ar ffotosynthesis planhigion a morffogenesis (Ffigur 1). Mae golau yn rhan o ymbelydredd, ac mae ymbelydredd yn don electromagnetig. Mae gan donnau electromagnetig nodweddion tonnau a nodweddion cwantwm (gronynnau). Gelwir cwantwm y golau yn ffoton yn y maes garddwriaeth. Gelwir ymbelydredd ag ystod tonfedd o 300 ~ 800Nm yn ymbelydredd gweithgar yn ffisiolegol; a gelwir ymbelydredd ag ystod tonfedd o 400 ~ 700nm yn ymbelydredd ffotosynthetig weithredol (PAR) o blanhigion.

Cloroffyl a carotenau yw'r ddau bigment pwysicaf mewn ffotosynthesis planhigion. Mae Ffigur 2 yn dangos sbectrwm amsugno sbectrol pob pigment ffotosynthetig, lle mae'r sbectrwm amsugno cloroffyl wedi'i ganoli yn y bandiau coch a glas. Mae'r system oleuadau yn seiliedig ar anghenion sbectrol cnydau i ategu golau artiffisial, er mwyn hyrwyddo ffotosynthesis planhigion.

■ Photoperiod
Gelwir y berthynas rhwng ffotosynthesis a ffotomorffogenesis planhigion ac hyd dydd (neu amser ffotoperiod) yn ffotoperiodrwydd planhigion. Mae cysylltiad agos rhwng y ffotoperiodity â'r oriau golau, sy'n cyfeirio at yr amser y mae'r cnwd yn cael ei arbelydru gan olau. Mae angen nifer penodol o oriau o olau ar wahanol gnydau i gwblhau'r ffotoperiod i flodeuo a dwyn ffrwyth. Yn ôl y gwahanol ffotoperiodau, gellir ei rannu'n gnydau diwrnod hir, fel bresych, ac ati, sy'n gofyn am fwy na 12-14h oriau golau ar gam penodol o'i dwf; Mae cnydau diwrnod byr, fel winwns, ffa soia, ac ati, yn gofyn am oriau goleuo llai na 12-14h; Gall cnydau canolig-haul, fel ciwcymbrau, tomatos, pupurau, ac ati, flodeuo a dwyn ffrwythau o dan olau haul hirach neu fyrrach.
Ymhlith tair elfen yr amgylchedd, mae dwyster golau yn sylfaen bwysig ar gyfer dewis ffynonellau golau artiffisial. Ar hyn o bryd, mae yna lawer o ffyrdd i fynegi dwyster golau, gan gynnwys y tri canlynol yn bennaf.
（1） Mae goleuo'n cyfeirio at ddwysedd wyneb fflwcs goleuol (fflwcs goleuol fesul ardal uned) a dderbynnir ar yr awyren wedi'i goleuo, yn Lux (LX).

（2） Ymbelydredd gweithredol ffotosynthetig, par ， uned ： w/m²。

（3. yn uniongyrchol gysylltiedig â ffotosynthesis. Dyma hefyd y dangosydd dwyster golau a ddefnyddir amlaf ym maes cynhyrchu planhigion.

Dadansoddiad ffynhonnell golau o'r system golau atodol nodweddiadol
Ychwanegiad golau artiffisial yw cynyddu'r dwyster golau yn yr ardal darged neu ymestyn yr amser golau trwy osod system golau atodol i gyflawni galw ysgafn planhigion. A siarad yn gyffredinol, mae'r system golau atodol yn cynnwys offer golau atodol, cylchedau a'i system reoli. Mae ffynonellau golau atodol yn bennaf yn cynnwys sawl math cyffredin fel lampau gwynias, lampau fflwroleuol, lampau halid metel, lampau sodiwm pwysedd uchel a LEDs. Oherwydd effeithlonrwydd trydanol ac optegol isel lampau gwynias, effeithlonrwydd ynni ffotosynthetig isel a diffygion eraill, mae wedi cael ei ddileu gan y farchnad, felly nid yw'r erthygl hon yn gwneud dadansoddiad manwl.

■ Lamp fflwroleuol
Mae lampau fflwroleuol yn perthyn i'r math o lampau gollwng nwy pwysedd isel. Mae'r tiwb gwydr wedi'i lenwi ag anwedd mercwri neu nwy anadweithiol, ac mae wal fewnol y tiwb wedi'i orchuddio â phowdr fflwroleuol. Mae'r lliw golau yn amrywio yn ôl y deunydd fflwroleuol sydd wedi'i orchuddio yn y tiwb. Mae gan lampau fflwroleuol berfformiad sbectrol da, effeithlonrwydd goleuol uchel, pŵer isel, oes hirach (12000h) o'i gymharu â lampau gwynias, a chost gymharol isel. Oherwydd bod y lamp fflwroleuol ei hun yn allyrru llai o wres, gall fod yn agos at y planhigion ar gyfer goleuadau ac mae'n addas ar gyfer tyfu tri dimensiwn. Fodd bynnag, mae cynllun sbectrol y lamp fflwroleuol yn afresymol. Y dull mwyaf cyffredin yn y byd yw ychwanegu adlewyrchyddion i wneud y mwyaf o gydrannau ffynhonnell golau effeithiol y cnydau yn yr ardal drin. Mae Cwmni Adv-Agri Japaneaidd hefyd wedi datblygu math newydd o ffynhonnell golau atodol HEFL. Mae HEFL mewn gwirionedd yn perthyn i'r categori lampau fflwroleuol. Dyma'r term cyffredinol ar gyfer lampau fflwroleuol catod oer (CCFL) a lampau fflwroleuol electrod allanol (EEFL), ac mae'n lamp fflwroleuol electrod cymysg. Mae'r tiwb HEFL yn denau iawn, gyda diamedr o ddim ond tua 4mm, a gellir addasu'r hyd o 450mm i 1200mm yn unol ag anghenion y tyfu. Mae'n fersiwn well o'r lamp fflwroleuol confensiynol.

■ Lamp halid metel
Mae'r lamp halid metel yn lamp gollwng dwyster uchel a all gyffroi gwahanol elfennau i gynhyrchu gwahanol donfeddi trwy ychwanegu amryw o halidau metel (bromid tun, ïodid sodiwm, ac ati) yn y tiwb gollwng ar sail lamp mercwri gwasgedd uchel. Mae gan lampau halogen effeithlonrwydd goleuol uchel, pŵer uchel, lliw golau da, oes hir, a sbectrwm mawr. Fodd bynnag, oherwydd bod yr effeithlonrwydd goleuol yn is nag effeithlonrwydd lampau sodiwm pwysedd uchel, ac mae'r oes yn fyrrach nag effeithlonrwydd lampau sodiwm pwysedd uchel, dim ond mewn ychydig o ffatrïoedd planhigion y mae'n cael ei ddefnyddio ar hyn o bryd.

■ Lamp sodiwm pwysedd uchel
Mae lampau sodiwm pwysedd uchel yn perthyn i'r math o lampau gollwng nwy pwysedd uchel. Mae'r lamp sodiwm pwysedd uchel yn lamp effeithlonrwydd uchel lle mae anwedd sodiwm pwysedd uchel yn cael ei lenwi yn y tiwb gollwng, ac ychwanegir ychydig bach o xenon (XE) a halid metel mercwri. Oherwydd bod gan lampau sodiwm pwysedd uchel effeithlonrwydd trosi electro-optegol uchel gyda chostau gweithgynhyrchu is, lampau sodiwm pwysedd uchel yw'r rhai a ddefnyddir fwyaf ar hyn o bryd wrth gymhwyso golau atodol mewn cyfleusterau amaethyddol. Fodd bynnag, oherwydd diffygion effeithlonrwydd ffotosynthetig isel yn eu sbectrwm, mae ganddynt ddiffygion effeithlonrwydd ynni isel. Ar y llaw arall, mae'r cydrannau sbectrol a allyrrir gan lampau sodiwm pwysedd uchel wedi'u crynhoi yn bennaf yn y band golau melyn-oren, sydd heb y sbectra coch a glas sy'n angenrheidiol ar gyfer tyfiant planhigion.

■ Deuod allyrru ysgafn
Fel cenhedlaeth newydd o ffynonellau golau, mae gan ddeuodau allyrru golau (LEDau) lawer o fanteision megis effeithlonrwydd trosi electro-optegol uwch, sbectrwm addasadwy, ac effeithlonrwydd ffotosynthetig uchel. Gall LED allyrru golau monocromatig sydd ei angen ar gyfer tyfiant planhigion. O'i gymharu â lampau fflwroleuol cyffredin a ffynonellau golau atodol eraill, mae gan LED fanteision arbed ynni, diogelu'r amgylchedd, oes hir, golau monocromatig, ffynhonnell golau oer ac ati. Gyda gwelliant pellach i effeithlonrwydd electro-optegol LEDau a lleihau costau a achosir gan yr effaith raddfa, bydd systemau goleuo tyfu LED yn dod yn offer prif ffrwd ar gyfer ychwanegu golau mewn cyfleusterau amaethyddol. O ganlyniad, mae goleuadau tyfu LED wedi'u cymhwyso dros 99.9% o ffatrïoedd planhigion.

Trwy gymharu, gellir deall nodweddion gwahanol ffynonellau golau atodol yn glir, fel y dangosir yn Nhabl 1.

Dyfais Goleuadau Symudol
Mae cysylltiad agos rhwng dwyster y golau â thwf cnydau. Defnyddir tyfu tri dimensiwn yn aml mewn ffatrïoedd planhigion. Fodd bynnag, oherwydd cyfyngiad strwythur y rheseli tyfu, bydd dosbarthiad anwastad golau a thymheredd rhwng y rheseli yn effeithio ar gynnyrch y cnydau ac ni fydd y cyfnod cynaeafu yn cael ei gydamseru. Mae cwmni yn Beijing wedi llwyddo i ddatblygu dyfais atodiad golau codi â llaw (gosodiad goleuadau HPS a gosodiad goleuo tyfu LED) yn 2010. Yr egwyddor yw cylchdroi'r siafft yrru a'r gwyntwr yn sefydlog arni trwy ysgwyd yr handlen i gylchdroi'r rîl ffilm fach rîl fach i gyflawni'r pwrpas o dynnu a dad -dynnu'r rhaff wifren. Mae rhaff wifren y golau tyfu wedi'i chysylltu ag olwyn droellog yr elevydd trwy setiau lluosog o olwynion gwrthdroi, er mwyn sicrhau effaith addasu uchder y golau tyfu. Yn 2017, dyluniodd a datblygodd y cwmni uchod ddyfais atodol golau symudol newydd, a all addasu uchder yr atodiad golau yn awtomatig mewn amser real yn unol ag anghenion twf cnydau. Mae'r ddyfais addasu bellach wedi'i gosod ar y rac tyfu tri dimensiwn math 3-haen Ffynhonnell Golau. Haen uchaf y ddyfais yw'r lefel gyda'r cyflwr golau gorau, felly mae ganddo lampau sodiwm pwysedd uchel; Mae'r haen ganol a'r haen waelod yn cynnwys goleuadau tyfu LED a system addasu codi. Gall addasu uchder y golau tyfu yn awtomatig i ddarparu amgylchedd goleuo addas ar gyfer y cnydau.

O'i gymharu â'r ddyfais atodiad golau symudol wedi'i theilwra ar gyfer tyfu tri dimensiwn, mae'r Iseldiroedd wedi datblygu dyfais golau ysgafn Tyfu LED sy'n symud yn llorweddol. Er mwyn osgoi dylanwad cysgod y golau tyfu ar dwf planhigion yn yr haul, gellir gwthio'r system golau tyfu i ddwy ochr y braced trwy'r sleid telesgopig yn y cyfeiriad llorweddol, fel bod yr haul yn llawn arbelydredig ar y planhigion; Ar ddiwrnodau cymylog a glawog heb olau haul, gwthiwch y system Grow Light i ganol y braced i wneud golau'r system golau tyfu yn llenwi'r planhigion yn gyfartal; Symudwch y system Grow Light yn llorweddol trwy'r sleid ar y braced, osgoi dadosod a chael gwared ar y system Grow Light yn aml, a lleihau dwyster llafur gweithwyr, a thrwy hynny wella effeithlonrwydd gwaith yn effeithiol.

Syniadau dylunio system Grow Golau nodweddiadol
Nid yw'n anodd gweld o ddyluniad y ddyfais atodol goleuadau symudol bod dyluniad system goleuadau atodol y ffatri planhigion fel arfer yn cymryd dwyster golau, ansawdd golau a pharamedrau ffotoperiod gwahanol gyfnodau twf cnydau fel cynnwys craidd y dyluniad , gan ddibynnu ar y system reoli ddeallus i'w gweithredu, gan gyflawni'r nod eithaf o arbed ynni a chynnyrch uchel.

Ar hyn o bryd, mae dylunio ac adeiladu golau atodol ar gyfer llysiau deiliog wedi aeddfedu'n raddol. Er enghraifft, gellir rhannu llysiau deiliog yn bedwar cam: cam eginblanhigyn, twf canol, twf hwyr, a cham diwedd; Gellir rhannu llysiau ffrwythau yn gam eginblanhigyn, cam twf llystyfol, cam blodeuo, a cham cynaeafu. O briodoleddau dwyster golau atodol, dylai'r dwyster golau yn y cam eginblanhigyn fod ychydig yn is, ar 60 ~ 200 μmol/(m² · s), ac yna cynyddu'n raddol. Gall llysiau deiliog gyrraedd hyd at 100 ~ 200 μmol/(m² · s), a gall llysiau ffrwythau gyrraedd 300 ~ 500 μmol/(m² · s) i sicrhau gofynion dwyster golau ffotosynthesis planhigion ym mhob cyfnod twf a diwallu anghenion anghenion y cynnyrch uchel; O ran ansawdd golau, mae'r gymhareb coch i las yn bwysig iawn. Er mwyn cynyddu ansawdd eginblanhigion ac atal tyfiant gormodol yn y cam eginblanhigyn, mae'r gymhareb coch i las yn gyffredinol yn cael ei osod ar lefel isel [(1 ~ 2): 1], ac yna'n cael ei leihau'n raddol i ddiwallu anghenion planhigyn morffoleg ysgafn. Gellir gosod y gymhareb o lysiau coch i las i las i (3 ~ 6): 1. Ar gyfer y ffotoperiod, yn debyg i'r dwyster golau, dylai ddangos tuedd o gynyddu wrth ymestyn y cyfnod twf, fel bod gan lysiau deiliog fwy o amser ffotosynthetig ar gyfer ffotosynthesis. Bydd dyluniad ychwanegiad ysgafn ffrwythau a llysiau yn fwy cymhleth. Yn ychwanegol at y deddfau sylfaenol uchod, dylem ganolbwyntio ar osod y ffotoperiod yn ystod y cyfnod blodeuo, a rhaid hyrwyddo blodeuo a ffrwytho llysiau, er mwyn peidio â thanio.

Mae'n werth nodi y dylai'r fformiwla golau gynnwys y driniaeth ddiwedd ar gyfer gosodiadau amgylchedd ysgafn. Er enghraifft, gall ychwanegiad golau parhaus wella cynnyrch ac ansawdd eginblanhigion llysiau deiliog hydroponig yn fawr, neu ddefnyddio triniaeth UV i wella ysgewyll a llysiau deiliog yn sylweddol (yn enwedig dail porffor a letys dail coch) ansawdd maethol.

Yn ogystal ag optimeiddio ychwanegiad golau ar gyfer cnydau dethol, mae system rheoli ffynhonnell golau rhai ffatrïoedd planhigion golau artiffisial hefyd wedi datblygu'n gyflym yn ystod y blynyddoedd diwethaf. Mae'r system reoli hon yn gyffredinol yn seiliedig ar y strwythur b/s. Mae rheolaeth o bell a rheolaeth awtomatig ar ffactorau amgylcheddol fel tymheredd, lleithder, golau a chrynodiad CO2 yn ystod tyfiant cnydau yn cael eu gwireddu trwy WiFi, ac ar yr un pryd, gwireddir dull cynhyrchu nad yw wedi'i gyfyngu gan amodau allanol. Mae'r math hwn o system golau atodol ddeallus yn defnyddio gosodiad golau tyfu LED fel ffynhonnell golau atodol, wedi'i gyfuno â system reoli ddeallus o bell, yn gallu diwallu anghenion goleuo tonfedd planhigion, yn arbennig o addas ar gyfer amgylchedd tyfu planhigion a reolir gan olau, a gall fodloni galw'r farchnad yn dda .

Sylwadau i gloi
Mae ffatrïoedd planhigion yn cael eu hystyried yn ffordd bwysig o ddatrys adnoddau'r byd, problemau poblogaeth ac amgylcheddol yn yr 21ain ganrif, ac yn ffordd bwysig o gyflawni hunangynhaliaeth bwyd mewn prosiectau uwch-dechnoleg yn y dyfodol. Fel math newydd o ddull cynhyrchu amaethyddol, mae ffatrïoedd planhigion yn dal i fod yn y cam dysgu a thwf, ac mae angen mwy o sylw ac ymchwil. Mae'r erthygl hon yn disgrifio nodweddion a manteision dulliau goleuo atodol cyffredin mewn ffatrïoedd planhigion, ac yn cyflwyno syniadau dylunio systemau goleuo atodol cnwd nodweddiadol. Nid yw'n anodd dod o hyd iddo trwy gymharu, er mwyn ymdopi â'r golau isel a achosir gan dywydd garw fel cymylog parhaus a syllu a sicrhau cynhyrchu cnydau cyfleusterau yn uchel ac yn sefydlog, mae offer ffynhonnell golau Tyfu LED yn unol â'r datblygiad cyfredol tueddiadau.

Dylai cyfeiriad datblygu ffatrïoedd planhigion yn y dyfodol ganolbwyntio ar synwyryddion manwl uchel, cost isel, systemau dyfeisiau sbectrwm y gellir eu haddasu o bell a systemau rheoli arbenigol. Ar yr un pryd, bydd ffatrïoedd planhigion y dyfodol yn parhau i ddatblygu tuag at gost isel, deallus a hunan-addasol. Mae defnyddio a phoblogeiddio ffynonellau golau tyfu LED yn darparu gwarant ar gyfer rheolaeth amgylcheddol manwl uchel ar ffatrïoedd planhigion. Mae rheoleiddio amgylchedd golau LED yn broses gymhleth sy'n cynnwys rheoleiddio cynhwysfawr o ansawdd golau, dwyster golau a ffotoperiod. Mae angen i arbenigwyr ac ysgolheigion perthnasol gynnal ymchwil fanwl, gan hyrwyddo goleuadau atodol LED mewn ffatrïoedd planhigion golau artiffisial.