Reka Bentuk Lampu Tumbuh Tumbuh Tumbuhan LED{0}}Kecekapan Tinggi-Tinggi dan Tinggi{1}}Seragam untuk Pertanian Menegak
Abstrak
Dengan pertumbuhan pesat penduduk global dan peningkatan urbanisasi, keselamatan makanan telah menjadi cabaran yang mendesak di seluruh dunia. Kaedah pertanian yang inovatif diperlukan segera untuk meningkatkan hasil tanaman dan kualiti pemakanan dalam ruang dan sumber yang terhad. Antaranya, Controlled Environment Agriculture (CEA), khususnya pertanian menegak, telah muncul sebagai penyelesaian yang menjanjikan. Komponen kritikal sistem pertanian menegak ialah pencahayaan buatan, yang menggantikan atau menambah cahaya matahari semula jadi untuk memacu fotosintesis. Cahaya-Diod Pemancar (LED) telah menjadi sumber cahaya pilihan kerana kecekapan tenaga, umur panjang, kebolehtalakan spektrum dan sinaran haba yang rendah. Walau bagaimanapun, penggunaan lampu LED yang berkesan dalam ladang menegak berbilang-lapisan memerlukan bukan sahaja keberkesanan foton fotosintetik yang tinggi tetapi juga keseragaman spatial yang luar biasa bagi pengedaran cahaya merentasi kanopi tumbuhan. Pencahayaan tidak-seragam boleh menyebabkan pertumbuhan tumbuhan tidak sekata, hasil keseluruhan berkurangan dan tenaga terbuang. Artikel ini menyelidiki reka bentuk optik novel untukpertumbuhan tumbuhan LEDlampu berdasarkan teori Medan Cahaya Digital, yang menggunakan kanta permukaan bentuk bebas{0}}tersuai tersuai untuk mencapai pengedaran ketumpatan fluks foton fotosintetik (PPFD) yang sangat seragam pada satah penanaman menggunakan tiub lampu tunggal yang dipasang di tengah, dengan itu menangani cabaran ekonomi dan operasi utama dalam pertanian menegak.
1. Pengenalan
Pertanian menegak mewakili anjakan paradigma dalam pengeluaran pertanian, yang melibatkan penanaman tanaman dalam lapisan disusun secara menegak, selalunya dalam bangunan atau persekitaran terkawal. Kaedah ini memaksimumkan kecekapan penggunaan tanah, mengurangkan penggunaan air, meminimumkan penggunaan racun perosak, dan membolehkan pengeluaran makanan tempatan di kawasan bandar. Asas teknologi ini ialah kawalan tepat terhadap persekitaran pertumbuhan, dengan pencahayaan menjadi salah satu faktor-intensif tenaga yang paling penting dan tenaga.
Pertumbuhan tumbuhan berasaskan LED-lampu menawarkan kelebihan ketara berbanding pencahayaan tradisional, seperti-lampu natrium (HPS) tekanan tinggi, termasuk kekhususan spektrum, kebolehmalapan dan output cahaya arah. Matlamat optik utama untuk lampu sedemikian di ladang menegak adalah untuk menghantar PPFD seragam - bilangan foton aktif fotosintesis yang tiba setiap unit kawasan sesaat - merentasi keseluruhan dulang penanaman. Mencapai keseragaman yang tinggi memastikan kadar pertumbuhan dan kualiti yang konsisten untuk semua tumbuhan, meminimumkan keperluan untuk pengisihan dan penggredan.
Secara konvensional, keseragaman tinggi dilakukan dengan menggunakan berbilang tiub lampu bersebelahan-menyebelah-di atas satu satah penanaman. Walaupun berkesan, pendekatan berbilang-lampu ini mempunyai beberapa kelemahan: kos modal permulaan yang tinggi disebabkan oleh bilangan lekapan yang banyak, sisa tenaga yang ketara daripada tumpahan cahaya di luar kawasan sasaran (terutamanya di bahagian tepi) dan peningkatan kerumitan dan kos penyelenggaraan. Oleh itu, alternatif yang menarik adalah untuk mereka bentuk sistem optik yang membolehkan abujangtiub lampu untuk menghasilkan taburan PPFD seragam di atas lebar penanaman standard (cth, 60 cm). Pendekatan ini menjanjikan untuk mengekalkan semua faedahPencahayaan LEDsambil mengurangkan isu kos, pembaziran tenaga dan penyelenggaraan. Kertas kerja ini membentangkan reka bentuk, simulasi dan pengesahan percubaan bagi sistem sedemikian, menggunakan-lensa bentuk percuma yang direka bentuk melalui metodologi Medan Cahaya Digital.
2. Metodologi: Medan Cahaya Digital dan Reka Bentuk Optik
2.1 Konsep Medan Cahaya Digital
Kuantiti fotometrik tradisional seperti pencahayaan dan keamatan bercahaya menerangkan ketumpatan fluks bercahaya pada permukaan atau dalam sudut pepejal. Walaupun penting untuk penilaian, mereka tidak secara langsung kondusif kepada proses reka bentuk songsang permukaan optik. Teori medan cahaya digital menyediakan rangka kerja yang lebih asas. Ia melibatkan mendiskrisikan ruang medan optik kepada unsur mikro. Setiap elemen dicirikan oleh kon cahaya yang melaluinya dan vektor normal permukaannya. Medan cahaya keseluruhan diterangkan oleh -fungsi medan cahaya digital bukan pengimejan (NDLFF). Pendigitalan ini mengubah masalah reka bentuk optik kepada salah satu memanipulasi NDLFF pada permukaan sasaran melalui penggunaan satu atau lebih permukaan optik, seperti kanta bentuk bebas-. Kaedah ini, dibangunkan oleh Teknologi Optik Xingye, membolehkan kawalan tepat ke atas penyinaran dan pengagihan intensiti, menjadikannya amat sesuai untuk tugas reka bentuk pencahayaan yang kompleks.
2.2 Sumber, Reka Letak dan Pengoptimuman Pengedaran Sasaran
Proses reka bentuk bermula dengan menentukan sumber cahaya dan sasaran. Sumber yang dipilih ialah-berkuasa tinggi dengan pakej 3535LEDdengan kanta kubah. Untuk rak penanaman biasa, sasaran adalah satah yang terletak 30 cm di bawah lampu, dengan lebar sedikit melebihi 60 cm. Tiub lampu terdiri daripada 25 LED sedemikian dengan jarak 48 mm dalam satu baris, menghasilkan jumlah panjang 1.2 m.
Langkah kritikal ialah menentukan taburan PPFD optimum yang abujangKombinasi lensa-LED harus menghasilkan pada satah sasaran. Jika setiap LED mencipta tempat seragam simetri putaran yang ringkas, superposisi 25 bintik tersebut daripada tatasusunan linear akan menghasilkan taburan "tengah terang, tepi gelap" disebabkan pertindihan. Oleh itu, pengedaran LED tunggal-yang ideal mesti mengimbanginya. Daripada penyelesaian analitik yang kompleks, pendekatan pengoptimuman berangka telah digunakan menggunakan MATLAB.
Taburan-PPFD LED tunggal telah dimodelkan sebagai fungsi simetri putaran ternormal P(r), dengan r ialah jarak jejarian dari pusat titik. Kawasan sasaran telah didiskrisikan, dan P(r) dianggap sebagai pembolehubah pengoptimuman. Objektif pengoptimuman adalah untuk meminimumkan varians jumlah taburan PPFD yang terhasil daripada superposisi 25 LED pada kedudukan tetapnya. Hasil yang dioptimumkan, ditunjukkan dalam Rajah 3 kertas asal, mendedahkan pengedaran-intuitif "pusat gelap, pinggir terang" untuk LED tunggal. Pengedaran unik ini memastikan bahawa apabila beberapa tompok LED bertindih, mereka mengisi kawasan malap antara satu sama lain, yang memuncak dalam pengedaran keseluruhan yang sangat seragam pada satah penanaman.
2.3 Percuma-Reka Bentuk Kanta melalui "Kaedah Permukaan Sumber Kedua"
Untuk mencapai pengedaran PPFD yang dioptimumkan yang diterangkan di atas, satu-lensa bentuk percuma telah direka bentuk. Kanta sfera konvensional tidak mempunyai darjah kebebasan untuk kawalan tepat sedemikian. Reka bentuk menggunakan "Kaedah Permukaan Sumber Sekunder" Xingye Optik, teknik berasaskan teori Medan Cahaya Digital yang berfungsi secara langsung dengan sumber lanjutan (daripada memudahkannya kepada sumber titik), memastikan ketepatan yang tinggi walaupun untuk sistem optik padat.
Kanta yang direka bentuk menampilkan permukaan bentuk bebas-tidak simetri berpusing-yang licin yang mengubah hala sinar cahaya dengan teliti. Seperti yang digambarkan dalam Rajah 4/5, sinar utama daripada LED dibiaskan pada sudut yang berbeza-beza, dengan ketumpatan sinar yang lebih tinggi diarahkan ke sudut yang lebih besar untuk mencipta gelang luar terang yang diperlukan dalam satu-titik LED. Model lensa kemudiannya diimport ke dalam perisian simulasi optik (cth, LightTools) untuk analisis yang teliti.
3. Keputusan dan Analisis
3.1 Simulasi Lensa-LED Tunggal
Simulasi penjejakan sinar-menggunakan kaedah Monte Carlo telah dilakukan pada kanta reka bentuk yang dipasangkan dengan model LED. Taburan PPFD yang terhasil pada satah sasaran (Rajah 5) menunjukkan persetujuan yang sangat baik dengan taburan sasaran yang dioptimumkan secara teori daripada Bahagian 2.2, mengesahkan kesahihan reka bentuk.
3.2 Prestasi Tiub Lampu Penuh
Tatasusunan 25 unit kanta-LED dengan jarak 48 mm dimodelkan untuk mensimulasikan tiub lampu 1.2 m yang lengkap. Taburan PPFD simulasi pada satah penanaman 30 cm di bawah ditunjukkan dalam Rajah 6. Keputusan menunjukkan medan cahaya yang luas dan sangat seragam dengan potongan tajam di tepi. Lebar dengan selesa menutupi rak sasaran 60 cm. Yang penting, nisbah penggunaan tenaga teori yang dikira – ditakrifkan sebagai PPF pada rak dibahagikan dengan jumlah PPF yang dipancarkan oleh LED – melebihi 92%. Ini menunjukkan bahawa lebih 92% daripada foton aktif fotosintesis yang dihasilkan oleh LED dihantar terus ke kanopi tumbuhan, secara drastik mengurangkan tumpahan dan sisa tenaga berbanding reka bentuk konvensional.
3.3 Kebolehskalaan untuk Persediaan Lanjutan
Dalam ladang menegak yang praktikal, rak penanaman selalunya disusun dari hujung-ke-penghujung dalam barisan yang panjang. Pengagihan PPFD simulasi daripada lampu tunggal menunjukkan hujung yang sedikit tirus. Apabila dua atau lebih lampu diletakkan dari hujung-ke-hujung, taburan PPFD mereka bertindih dan saling melengkapi dalam zon peralihan ini. Simulasi dua lampu yang disambungkan (Rajah 7) mengesahkan bahawa kawasan bertindih meningkatkan keseragaman, menghasilkan medan cahaya seragam yang lancar di atas kawasan membujur yang dilanjutkan.
3.4 Prototaip Eksperimen dan Pengesahan
Lampu prototaip telah direka berdasarkan reka bentuk, termasuk kanta bentuk bebas-acuan, penyemperitan haba aluminium dan penutup hujung. Gambar prototaip dan tempat bercahayanya (Rajah 8) secara visual menyokong corak cahaya lebar dan seragam yang disimulasikan.
Pengukuran percubaan menghasilkan metrik prestasi yang kukuh:
Kecekapan Tinggi:Kecekapan sistem melebihi 92%, dengan lebih 86% kejadian foton fotosintesis sumber pada satah penanaman.
Keseragaman Tinggi:Nisbah minimum kepada purata PPFD pada satah sasaran adalah lebih besar daripada 82%, menunjukkan keseragaman spatial yang sangat baik kritikal untuk pertumbuhan tumbuhan yang konsisten.
4. Perbincangan dan Kesimpulan
Reka bentuk dan pelaksanaan-kecekapan tinggi,-tinggi inipertumbuhan tumbuhan LEDlampu menangani beberapa titik kesakitan utama dalam pertanian menegak:
Pengurangan Kos:Dengan membolehkan liputan seragam dengan satu tiub lampu pusat bagi setiap rak, reka bentuk mengurangkan dengan ketara bilangan lekapan yang diperlukan bagi setiap lapisan penanaman, mengurangkan perbelanjaan modal awal (CapEx) dan kos penyelenggaraan yang berterusan.
Penjimatan Tenaga: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% penggunaan tenaga, secara langsung diterjemahkan kepada penggunaan elektrik yang lebih rendah dan perbelanjaan operasi (OpEx).
Kualiti Tanaman yang Diperbaiki:Keseragaman PPFD yang tinggi memastikan semua tumbuhan menerima tahap cahaya yang setara, menggalakkan pertumbuhan, kematangan dan kualiti yang konsisten. Ini mengurangkan kebolehubahan hasil dan keperluan seterusnya untuk-penyisihan intensif buruh.
Kesederhanaan Operasi:Lampu tunggal yang terletak di tengah lebih mudah dipasang, dibersihkan dan diservis berbanding dengan berbilang lekapan, memudahkan pengurusan ladang.
Kerja ini menunjukkan aplikasi berkuasa prinsip reka bentuk optik lanjutan, khususnya teori Medan Cahaya Digital dan-pembuatan permukaan bebas, kepada cabaran teknologi pertanian. "Kaedah permukaan sumber sekunder" terbukti berkesan dalam mereka bentuk kanta berprestasi tinggi-padat yang disesuaikan untuk jangka masa panjang.sumber LED. Sistem lampu pertumbuhan tumbuhan yang terhasil berjaya mengubah keluaran cahaya daripada tatasusunan LED linear kepada pengedaran yang luas,-seperti batwing yang menjelma menjadi medan yang sangat seragam.
Kesimpulannya, penyepaduan reka bentuk optik digital dengan teknologi LED membuka jalan untuk pencahayaan pertanian ketepatan generasi akan datang. Reka bentuk lampu yang dibentangkan di sini menawarkan penyelesaian yang menarik untuk ladang menegak, menggabungkan kecekapan penghantaran foton yang tinggi, keseragaman spatial yang unggul dan faedah ekonomi. Kerja masa depan mungkin meneroka penyesuaian metodologi ini untuk dimensi rak yang berbeza, mengoptimumkan spektrum untuk tanaman tertentu, dan menyepadukan lagi kawalan pintar untuk resipi pencahayaan dinamik, akhirnya menyumbang kepada sistem pertanian bandar yang lebih mampan dan produktif.
Rujukan
[1] Liu Wenke.Fisiologi Kualiti Cahaya Tumbuhan dan Peraturannya di Kilang Tumbuhan[M]. Beijing: Akhbar Sains dan Teknologi Pertanian China, 2019.
[2] Cheng Ying.Penyelidikan Kaedah Reka Bentuk dan Aplikasi Permukaan Bentuk Bebas Optik[D]. Tianjin: Universiti Tianjin, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, et al. Reka bentuk sistem optik pengimejan permukaan bentuk bebas: Teori, pembangunan dan aplikasi [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Penyelidikan mengenai Kaedah Reka Bentuk Optik-Bukan Dimensi{1}}Tiga Dimensi untuk Sumber LED[D]. Hangzhou: Universiti China Jiliang, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Sebuah-Tembok Penjimatan-Tenaga Dipasang Lampu Pertumbuhan Tumbuhan Direka Berdasarkan-Teori Medan Cahaya Digital Bukan pengimejan [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Pengalaman Pembangunan dan Pencerahan Pertanian Menegak Asing [J].Ekonomi Luar Bandar dan Sains-Teknologi, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lampu-untuk-houseplants.html
