Korkean{0}}tehokkaiden ja{1}}tasaisten LED-kasvien kasvulamppujen suunnittelu pystysuoraan viljelyyn
Abstrakti
Maailman väestön nopean kasvun ja lisääntyvän kaupungistumisen myötä elintarviketurvasta on tullut kiireellinen maailmanlaajuinen haaste. Innovatiivisia maatalousmenetelmiä tarvitaan kiireellisesti sadon ja ravitsemuksellisen laadun parantamiseksi rajoitetuissa tiloissa ja resursseissa. Näistä Controlled Environment Agriculture (CEA), erityisesti vertikaalinen viljely, on noussut lupaavaksi ratkaisuksi. Vertikaalisten viljelyjärjestelmien kriittinen osa on keinovalaistus, joka korvaa tai täydentää luonnollista auringonvaloa fotosynteesin edistämiseksi. Valodiodeista (LED:istä) on tullut suosituin valonlähde niiden energiatehokkuuden, pitkäikäisyyden, spektrin viritettävyyden ja alhaisen lämpösäteilyn vuoksi. LED-valaistuksen tehokas käyttö monikerroksisilla pystysuorilla tiloilla vaatii kuitenkin korkean fotosynteettisen fotonitehokkuuden lisäksi myös poikkeuksellisen yhtenäisen valon jakautumisen kasvin katolla. Epätasainen valaistus-voi johtaa kasvien epätasaiseen kasvuun, kokonaissadon vähenemiseen ja energian hukkaan. Tässä artikkelissa käsitellään uudenlaista optista suunnitteluaLED-kasvien kasvulamppuja, jotka perustuvat Digital Light Field -teoriaan, joka käyttää mukautettua vapaamuotoista-pintalinssiä erittäin tasaisen fotosynteettisen fotonivuon tiheyden (PPFD) jakamiseen viljelytasolla käyttämällä yhtä, keskitetysti asennettua lamppuputkea, mikä vastaa vertikaalisen viljelyn keskeisiin taloudellisiin ja toiminnallisiin haasteisiin.
1. Johdanto
Vertikaalinen viljely edustaa paradigman muutosta maataloustuotannossa, jossa kasveja viljellään pystysuunnassa pinottuissa kerroksissa, usein rakennuksissa tai valvotuissa ympäristöissä. Tämä menetelmä maksimoi maankäytön tehokkuuden, vähentää veden kulutusta, minimoi torjunta-aineiden käyttöä ja mahdollistaa paikallisen ruoan tuotannon kaupunkialueilla. Tämän tekniikan kulmakivi on kasvuympäristön tarkka hallinta, ja valaistus on yksi tärkeimmistä ja energiaintensiivisistä tekijöistä.
LED{0}}pohjainen kasvien kasvulamput tarjoavat merkittäviä etuja verrattuna perinteiseen valaistukseen, kuten{0}}korkeapaineisiin natriumlamppuihin (HPS), mukaan lukien spektrinen spesifisyys, himmennettävyys ja suunnattu valoteho. Tällaisten lamppujen ensisijainen optinen tavoite pystytiloilla on tuottaa yhtenäinen PPFD – pinta-alayksikköä kohden sekunnissa saapuvien fotosynteettisesti aktiivisten fotonien määrä – koko viljelyalustalle. Korkean tasaisuuden saavuttaminen varmistaa tasaisen kasvunopeuden ja laadun kaikille kasveille, minimoiden lajittelun ja luokittelun tarpeen.
Perinteisesti korkeaan tasaisuuteen pyritään sijoittamalla useita lamppuputkia vierekkäin-vierestä- yhden viljelytason yläpuolelle. Vaikka tämä monilamppuinen lähestymistapa on tehokas, siinä on useita haittoja: korkeat alkupääomakustannukset, jotka johtuvat valaisimien suuresta määrästä, huomattava energianhukkaa valon roiskumisesta kohdealueen ulkopuolelle (erityisesti reunoilla) ja lisääntynyt ylläpidon monimutkaisuus ja kustannukset. Siksi vakuuttava vaihtoehto on suunnitella optinen järjestelmä, joka mahdollistaa asinkkulampun putki tuottaa tasaisen PPFD-jakauman normaalilla viljelyleveydellä (esim. 60 cm). Tämä lähestymistapa lupaa säilyttää kaikki edutLED valaistusvähentäen samalla kustannuksiin, energian hukkaan ja kunnossapitoon liittyviä ongelmia. Tässä artikkelissa esitellään tällaisen järjestelmän suunnittelu, simulointi ja kokeellinen validointi käyttämällä vapaamuotoista-linssiä, joka on suunniteltu Digital Light Field -metodologialla.
2. Metodologia: Digitaalinen valokenttä ja optinen suunnittelu
2.1 Digitaalisen valokentän käsite
Perinteiset fotometriset suureet, kuten valaistus ja valovoimakkuus, kuvaavat valovirran tiheyttä pinnalla tai avaruuskulmassa. Vaikka ne ovat välttämättömiä arvioinnin kannalta, ne eivät suoraan edistä optisten pintojen käänteistä suunnitteluprosessia. Digitaalinen valokenttäteoria tarjoaa perustavanlaatuisemman kehyksen. Se sisältää optisen kenttätilan diskreettiä mikroelementeiksi. Jokaiselle elementille on tunnusomaista sen läpi kulkeva valokartio ja sen pintanormaalivektori. Kokonaisvalokenttää kuvaa ei--kuvantava digitaalinen valokenttätoiminto (NDLFF). Tämä digitalisointi muuttaa optisen suunnitteluongelman NDLFF:n manipuloimiseksi kohdepinnalla käyttämällä yhtä tai useampaa optista pintaa, kuten vapaamuotoisia linssejä. Tämä Xingye Optical Technologyn kehittämä menetelmä mahdollistaa tarkan säteilyn ja intensiteetin jakautumisen hallinnan, mikä tekee siitä erityisen sopivan monimutkaisiin valaistussuunnittelutehtäviin.
2.2 Lähteen, asettelun ja kohdejakelun optimointi
Suunnitteluprosessi alkaa määrittämällä valonlähde ja kohde. Valittu lähde on suuritehoinen-3535-pakettiLEDkupulinssillä. Tyypillisessä viljelyhyllyssä kohteena on taso, joka sijaitsee 30 cm lampun alapuolella ja jonka leveys on hieman yli 60 cm. Lamppuputkessa on 25 tällaista LEDiä 48 mm:n etäisyydellä toisistaan yhdessä rivissä, jolloin kokonaispituus on 1,2 m.
Kriittinen vaihe on määrittää optimaalinen PPFD-jakauma, joka asinkkuLED{0}}linssiyhdistelmän pitäisi tuottaa kohdetasolla. Jos kukin LED luo yksinkertaisen, pyörimissymmetrisen tasaisen pisteen, 25 tällaisen pisteen superpositio lineaarista ryhmästä johtaisi "kirkkaan keskustan, tummien reunojen" jakautumiseen päällekkäisyyden vuoksi. Siksi ihanteellisen yhden-LED-jakauman on kompensoitava tämä. Monimutkaisten analyyttisten ratkaisujen sijaan käytettiin numeerista optimointitapaa käyttämällä MATLABia.
Yksittäinen-LED PPFD -jakauma mallinnettiin normalisoiduksi rotaatiosymmetriseksi funktioksi P(r), jossa r on säteittäinen etäisyys pisteen keskustasta. Kohdealue erotettiin ja P(r):tä käsiteltiin optimointimuuttujana. Optimoinnin tavoitteena oli minimoida PPFD:n kokonaisjakauman varianssi, joka johtuu 25 LEDin superpositiosta kiinteissä paikoissaan. Optimoitu tulos, joka näkyy alkuperäisen paperin kuvassa 3, paljastaa intuitiivisen "tumma keskusta, kirkas reuna" -jakauman yhdelle LEDille. Tämä ainutlaatuinen jakautuminen varmistaa, että kun useat LED-pisteet menevät päällekkäin, ne täyttävät toistensa himmeämmät alueet, mikä huipentuu erittäin tasaiseen yleisjakaumaan viljelytasolla.
2.3 Vapaan-muotoisen linssin suunnittelu "toissijaisen lähteen pintamenetelmällä"
Yllä kuvatun optimoidun PPFD-jakauman saavuttamiseksi suunniteltiin vapaamuotoinen-objektiivi. Perinteisistä pallomaisista linsseistä puuttuu vapausasteet niin tarkkaan ohjaukseen. Suunnittelussa käytettiin Xingye Opticsin "Secondary Source Surface Method" -tekniikkaa, joka perustuu Digital Light Field -teoriaan ja joka toimii suoraan laajennettujen lähteiden kanssa (eikä yksinkertaistanut niitä pistelähteiksi), mikä takaa korkean tarkkuuden jopa pienikokoisille optisille järjestelmille.
Suunnitellussa linssissä on sileä, ei--pyörimissymmetrinen vapaamuotoinen-pinta, joka ohjaa tarkasti valonsäteet. Kuten kuvassa 4/5 näkyy, LEDin pääsäteet taittuvat eri kulmissa, jolloin suurempi tiheys on suunnattu suurempiin kulmiin, jotta saadaan aikaan vaadittu kirkas ulkorengas yhteen -LED-pisteeseen. Linssimalli tuotiin sitten optiseen simulointiohjelmistoon (esim. LightTools) tarkkaa analysointia varten.
3. Tulokset ja analyysi
3.1 Yhden LED--linssin simulointi
Säteen-jäljityssimulaatio Monte Carlo -menetelmällä suoritettiin suunnitellulle objektiiville, joka oli yhdistetty LED-malliin. Tuloksena saatu PPFD-jakauma kohdetasolla (kuva 5) osoitti erinomaista yhteensopivuutta teoreettisesti optimoidun kohdejakauman kanssa kohdasta 2.2, mikä vahvisti suunnitelman validiteetin.
3.2 Täysi lamppuputken suorituskyky
25 LED-linssiyksikköä, jotka olivat 48 mm:n etäisyydellä toisistaan, mallinnettiin simuloimaan koko 1,2 metrin lamppuputkea. Simuloitu PPFD-jakauma viljelytasolla 30 cm alapuolella on esitetty kuvassa 6. Tulokset osoittavat laajan, erittäin tasaisen valokentän, jossa on terävä leikkaus reunoilla. Leveys peittää mukavasti 60 cm:n kohdehyllyn. Ratkaisevaa on, että laskettu teoreettinen energiankäyttösuhde – joka määritellään hyllyssä olevalla PPF:llä jaettuna LEDien lähettämällä PPF:llä – ylittää 92 %. Tämä osoittaa, että yli 92 % LEDien tuottamista fotosynteettisesti aktiivisista fotoneista toimitetaan suoraan kasvin katolle, mikä vähentää merkittävästi roiskeita ja energiahukkaa verrattuna perinteisiin malleihin.
3.3 Laajennettujen asetusten skaalautuvuus
Käytännöllisillä pystysuoralla maatiloilla viljelyhyllyt on usein järjestetty päistä-päähän-pitkiin riveihin. Simuloitu PPFD-jakauma yhdestä lampusta näyttää hieman kapenevat päät. Kun kaksi tai useampia lamppuja sijoitetaan päästä-päähän-, niiden PPFD-jakaumat menevät päällekkäin ja täydentävät toisiaan näillä siirtymävyöhykkeillä. Kahden yhdistetyn lampun simulointi (kuva 7) vahvistaa, että päällekkäiset alueet lisäävät tasaisuutta, mikä johtaa saumattomasti tasaiseen valokenttään laajennetulla pitkittäisalueella.
3.4 Kokeellinen prototyyppi ja validointi
Suunnittelun perusteella valmistettiin prototyyppilamppu, joka sisälsi muovatut vapaamuotoiset{0}}linssit, alumiinipuristettu jäähdytyselementti ja päätykappaleet. Valokuvat prototyypistä ja sen valaistusta pisteestä (kuva 8) vahvistavat visuaalisesti simuloidun laajan ja yhtenäisen valokuvion.
Kokeelliset mittaukset tuottivat vahvoja suorituskykymittareita:
Korkea tehokkuus:Järjestelmän tehokkuus ylitti 92 %, ja yli 86 % lähteen fotosynteettisistä fotoneista sattui viljelytasolle.
Korkea tasaisuus:Vähimmäis-keskimääräisen PPFD:n suhde kohdetasolla oli yli 82 %, mikä osoitti erinomaista alueellista tasaisuutta, joka on kriittistä tasaisen kasvien kasvun kannalta.
4. Keskustelu ja johtopäätökset
Tämän tehokkaan-tehokkaan-yhtenäisyyden suunnittelu ja toteutusLED-kasvien kasvulamppu käsittelee useita avainkohtia vertikaalisessa viljelyssä:
Kustannusten alennus:Mahdollistaa yhtenäisen peiton yhdellä keskilamppuputkella per hylly, suunnittelu vähentää merkittävästi tarvittavien kiinnikkeiden määrää viljelykerrosta kohti, mikä pienentää alkupääomainvestointeja (CapEx) ja jatkuvia ylläpitokustannuksia.
Energiansäästö: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92 %:n energiankäyttö, mikä tarkoittaa suoraan alhaisempaa sähkönkulutusta ja käyttökustannuksia (OpEx).
Parempi sadon laatu:Korkea PPFD-tasaisuus varmistaa, että kaikki kasvit saavat saman valon, mikä edistää tasaista kasvua, kypsymistä ja laatua. Tämä vähentää tuoton vaihtelua ja sitä seuraavaa työvoimavaltaisen-lajittelun tarvetta.
Toiminnan yksinkertaisuus:Yksi, keskeisesti sijoitettu lamppu on helpompi asentaa, puhdistaa ja huoltaa useisiin valaisimiin verrattuna, mikä yksinkertaistaa maatilan hallintaa.
Tämä työ osoittaa edistyneiden optisten suunnitteluperiaatteiden, erityisesti Digital Light Field -teorian ja vapaan{0}}muotoisen pintavalmistuksen tehokkaan soveltamisen maatalousalan haasteisiin. "Toissijaisen lähteen pintamenetelmä" osoittautui tehokkaaksi suunniteltaessa kompaktia, -suorituskykyistä objektiivia, joka on räätälöity pidennetylleLED-lähde. Tuloksena saatu kasvien kasvulamppujärjestelmä muuntaa menestyksekkäästi lineaarisen LED-ryhmän valon laajaksi, lepakko{1}}kaltaiseksi jakaumaksi, joka muodostuu erittäin tasaiseksi kenttään.
Yhteenvetona voidaan todeta, että digitaalisen optisen suunnittelun integrointi LED-tekniikkaan tasoittaa tietä seuraavan sukupolven maatalouden tarkkuusvalaistukseen. Tässä esitelty lamppurakenne tarjoaa vakuuttavan ratkaisun vertikaalisille maatiloille, jossa yhdistyvät korkea fotonien toimitustehokkuus, ylivoimainen tilan tasaisuus ja taloudelliset edut. Tulevaisuudessa voidaan tutkia tämän menetelmän mukauttamista eri hyllymitoihin, spektrien optimointia tietyille viljelykasveille ja älykkäiden ohjainten integrointia dynaamisiin valaistusresepteihin, mikä viime kädessä edistää kestävämpiä ja tuottavampia kaupunkiviljelyjärjestelmiä.
Viitteet
[1] Liu Wenke.Kasvien valon laadun fysiologia ja sen säätely kasvitehtaissa[M]. Peking: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] Cheng Ying.Optisen vapaamuotoisen pinnan suunnittelumenetelmän ja soveltamisen tutkimus[D]. Tianjin: Tianjinin yliopisto, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen et ai. Vapaamuotoisten pintakuvausoptisten järjestelmien suunnittelu: teoria, kehitys ja sovellus [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Tutkimus kolmiulotteisesta ei--kuvantavasta LED-lähteiden optisesta suunnittelumenetelmästä[D]. Hangzhou: China Jiliang University, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Energiaa säästävä-seinä-kasvien kasvulamppu, joka perustuu ei--kuvaavaan digitaaliseen valokenttäteoriaan [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Ulkomaisen vertikaalisen maatalouden kehityskokemus ja valistus [J].Maaseututalous ja tiede-teknologia, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lights-for-houseplants.html
