저자: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu 등 출처 미디어 : 농업 공학 기술 (온실 원예)

식물 공장은 현대 산업, 생명 공학, 영양 수경법 및 정보 기술을 결합하여 시설 내 환경 요인에 대한 고정밀 제어를 구현합니다. 완전밀폐형으로 주변환경에 대한 요구사항이 낮고, 식물수확기간을 단축시키며, 물과 비료를 절약하고, 무농약 생산 및 폐기물 배출이 없는 장점으로 단위토지이용효율이 40~108배에 달합니다. 오픈 필드 생산. 그 중 지능형 인공 광원과 조명 환경 조절은 생산 효율성에 결정적인 역할을 합니다.

중요한 물리적 환경 요인인 빛은 식물 성장과 물질 대사를 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. “식물 공장의 주요 특징 중 하나는 완전한 인공 광원과 빛 환경의 지능적인 조절 실현입니다.”는 업계의 일반적인 공감대가 되었습니다.

식물의 빛 필요

빛은 식물 광합성의 유일한 에너지원이다. 빛의 강도, 빛의 품질(스펙트럼) 및 빛의 주기적인 변화는 작물의 성장과 발달에 지대한 영향을 미치며, 그 중 빛의 강도는 식물의 광합성에 가장 큰 영향을 미칩니다.

■ 빛의 강도

빛의 강도는 개화, 절간 길이, 줄기 두께, 잎 크기 및 두께와 같은 작물의 형태를 변경할 수 있습니다. 광도에 대한 식물의 요구 사항은 빛을 좋아하는 식물, 중간 빛을 좋아하는 식물, 낮은 빛을 좋아하는 식물로 나눌 수 있습니다. 야채는 대부분 빛을 좋아하는 식물로 빛보상점과 빛포화점이 상대적으로 높다. 인공 조명 공장에서는 작물의 광도 관련 요구 사항이 인공 광원을 선택하는 중요한 기준입니다. 다양한 공장의 조명 요구 사항을 이해하는 것은 인공 광원을 설계하는 데 중요하며, 시스템의 생산 성능을 향상시키는 데 매우 필요합니다.

■ 조명 품질

광질(스펙트럼) 분포도 식물의 광합성과 형태형성에 중요한 영향을 미칩니다(그림 1). 빛은 방사선의 일부이고 방사선은 전자기파입니다. 전자기파에는 파동특성과 양자(입자) 특성이 있습니다. 원예 분야에서는 빛의 양자를 광자(Photon)라고 부릅니다. 300~800nm ​​파장 범위의 방사선을 식물의 생리활성 방사선이라고 합니다. 400~700nm의 파장 범위를 갖는 방사선을 식물의 광합성 활성 방사선(PAR)이라고 합니다.

엽록소와 카로틴은 식물 광합성에서 가장 중요한 두 가지 색소입니다. 그림 2는 각 광합성 색소의 스펙트럼 흡수 스펙트럼을 보여주며, 엽록소 흡수 스펙트럼은 빨간색과 파란색 띠에 집중되어 있습니다. 조명 시스템은 식물의 광합성을 촉진하기 위해 인위적으로 빛을 보충하기 위한 작물의 스펙트럼 요구를 기반으로 합니다.

■ 광주기
식물의 광합성과 광형태형성과 낮의 길이(또는 광주기 시간) 사이의 관계를 식물의 광주기성이라고 합니다. 광주기는 작물에 빛이 조사되는 시간인 광시간과 밀접한 관련이 있습니다. 다양한 작물이 꽃을 피우고 열매를 맺는 광주기를 완성하려면 일정 시간의 빛이 필요합니다. 다양한 광주기에 따라 양배추 등과 같은 장일 작물로 나눌 수 있으며 특정 성장 단계에서 12~14시간 이상의 광시간이 필요합니다. 양파, 대두 등과 같은 단일 작물에는 12~14시간 미만의 조명 시간이 필요합니다. 오이, 토마토, 고추 등과 같은 중간 햇빛 작물은 길거나 짧은 햇빛 아래에서 꽃이 피고 열매를 맺을 수 있습니다.
환경의 3대 요소 중 빛의 세기는 인공광원을 선택하는 중요한 기준이 됩니다. 현재 빛의 세기를 표현하는 방법은 다양하며 주로 다음 세 가지를 포함합니다.
(1) 조명은 조명된 평면에서 받는 광속(단위 면적당 광속)의 표면 밀도(럭스(lx))를 나타냅니다.

(2) 광합성 활성 방사선, PAR, 단위: W/m².

(3) 광합성 유효 광자속 밀도 PPFD 또는 PPF는 단위 시간 및 단위 면적에 도달하거나 통과하는 광합성 유효 방사선의 수, 단위: μmol/(m²·s)입니다. 주로 400~700nm의 광 강도를 나타냅니다. 광합성과 직접적인 관련이 있습니다. 이는 또한 식물 생산 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 광도 표시기입니다.

일반적인 보조광 시스템의 광원 분석
인공 조명 보충은 식물의 빛 수요를 충족시키기 위해 보충 조명 시스템을 설치하여 대상 영역의 빛 강도를 높이거나 조명 시간을 연장하는 것입니다. 일반적으로 보조 조명 시스템에는 보조 조명 장비, 회로 및 제어 시스템이 포함됩니다. 보조 광원에는 주로 백열등, 형광등, 메탈 할라이드 램프, 고압 나트륨 램프 및 LED와 같은 몇 가지 일반적인 유형이 포함됩니다. 백열등은 낮은 전기적, 광학적 효율, 낮은 광합성 에너지 효율 및 기타 단점으로 인해 시장에서 제거되었으므로 이 기사에서는 자세한 분석을 수행하지 않습니다.

■ 형광등
형광등은 저압 가스 방전 램프 유형에 속합니다. 유리관은 수은증기나 불활성가스로 채워져 있고, 관의 내벽은 형광분말로 코팅되어 있다. 튜브에 코팅된 형광 물질에 따라 빛의 색상이 달라집니다. 형광등은 백열등에 비해 스펙트럼 성능이 좋고 발광 효율이 높으며 전력이 낮고 수명(12000h)이 길며 가격이 상대적으로 저렴합니다. 형광등 자체의 열발산이 적기 때문에 식물과 가까운 곳에 조명을 둘 수 있어 입체 재배에 적합합니다. 그러나 형광등의 스펙트럼 레이아웃은 불합리합니다. 세계에서 가장 일반적인 방법은 반사판을 추가하여 재배 지역에서 작물의 유효 광원 구성 요소를 최대화하는 것입니다. 일본 adv-agri 회사도 새로운 유형의 보조 광원 HEFL을 개발했습니다. HEFL은 실제로 형광등 범주에 속합니다. 냉음극형광램프(CCFL), 외부전극형광램프(EEFL)의 총칭으로 혼합전극형광램프를 말한다. HEFL 튜브는 직경이 약 4mm에 불과할 정도로 매우 얇으며 재배 필요에 따라 길이를 450mm에서 1200mm까지 조정할 수 있습니다. 기존의 형광등을 개선한 버전입니다.

■ 메탈할라이드 램프
메탈할라이드램프는 고압 수은램프를 기본으로 방전관에 각종 메탈할로겐화물(브롬화주석, 요오드화나트륨 등)을 첨가해 서로 다른 원소를 여기시켜 서로 다른 파장을 낼 수 있는 고강도 방전램프이다. 할로겐 램프는 높은 발광 효율, 높은 출력, 좋은 조명 색상, 긴 수명 및 큰 스펙트럼을 가지고 있습니다. 그러나 고압나트륨램프에 비해 발광효율이 낮고, 수명도 고압나트륨램프에 비해 짧기 때문에 현재 일부 식물공장에서만 사용되고 있다.

■ 고압 나트륨 램프
고압 나트륨 램프는 고압 가스 방전 램프 유형에 속합니다. 고압나트륨램프는 방전관에 고압의 나트륨 증기를 채우고, 미량의 크세논(Xe)과 수은금속할로겐화물을 첨가한 고효율 램프이다. 고압 나트륨 램프는 전기광학 변환 효율이 높고 제조 비용이 저렴하기 때문에 현재 농업 시설의 보조등 적용에 고압 나트륨 램프가 가장 널리 사용되고 있습니다. 그러나 스펙트럼상 광합성 효율이 낮다는 단점으로 인해 에너지 효율이 낮다는 단점이 있습니다. 반면, 고압 나트륨 램프에서 방출되는 스펙트럼 성분은 주로 노란색-주황색 광 대역에 집중되어 있어 식물 성장에 필요한 빨간색 및 파란색 스펙트럼이 부족합니다.

■ 발광 다이오드
차세대 광원인 발광 다이오드(LED)는 더 높은 전기광학 변환 효율, 조정 가능한 스펙트럼, 높은 광합성 효율 등 많은 장점을 가지고 있습니다. LED는 식물 성장에 필요한 단색광을 방출할 수 있습니다. 일반 형광등 및 기타 보조 광원과 비교하여 LED는 에너지 절약, 환경 보호, 긴 수명, 단색광, 냉광원 등의 장점을 가지고 있습니다. LED의 전기 광학 효율이 더욱 향상되고 스케일 효과로 인한 비용이 절감됨에 따라 LED 성장 조명 시스템은 농업 시설의 조명을 보완하는 주류 장비가 될 것입니다. 그 결과, 식물공장 전체의 99.9% 이상에 LED 성장조명이 적용되었습니다.

비교를 통해 표 1과 같이 다양한 보조 광원의 특성을 명확하게 이해할 수 있습니다.

모바일 조명 장치
빛의 강도는 작물의 성장과 밀접한 관련이 있습니다. 입체 재배는 식물 공장에서 자주 사용됩니다. 그러나 재배 선반 구조의 한계로 인해 선반 사이의 빛과 온도의 고르지 못한 분포는 작물의 수확량에 영향을 미치고 수확 기간이 동기화되지 않습니다. 2010년 북경의 한 업체가 수동 리프팅 조명보조장치(HPS 조명기구 및 LED 성장조명기구) 개발에 성공했다. 원리는 핸들을 흔들어 구동축과 그에 고정된 와인더를 회전시켜 소형 필름 릴을 회전시키는 것이다. 와이어 로프를 철회하고 풀기 위한 목적을 달성하기 위해. 성장 조명의 와이어 로프는 여러 세트의 반전 휠을 통해 엘리베이터의 감기 휠과 연결되어 성장 조명의 높이를 조정하는 효과를 얻습니다. 2017년에 위에서 언급한 회사는 작물 성장 요구에 따라 실시간으로 빛 보충 높이를 자동으로 조정할 수 있는 새로운 모바일 빛 보충 장치를 설계 및 개발했습니다. 이제 3단 광원 승강형 입체 재배 랙에 조정 장치가 설치되었습니다. 장치의 최상층은 조명 상태가 가장 좋은 수준이므로 고압 나트륨 램프가 장착되어 있습니다. 중간 레이어와 하단 레이어에는 LED 성장 조명과 리프팅 조정 시스템이 장착되어 있습니다. 재배 조명의 높이를 자동으로 조정하여 작물에 적합한 조명 환경을 제공할 수 있습니다.

입체 재배에 맞춰진 이동식 조명 보충 장치에 비해 네덜란드에서는 수평 이동이 가능한 LED 성장 조명 보충 조명 장치를 개발했습니다. 성장 조명의 그림자가 태양 아래 식물의 성장에 미치는 영향을 피하기 위해 성장 조명 시스템을 텔레스코픽 슬라이드를 통해 수평 방향으로 브래킷 양쪽으로 밀어서 태양이 완전히 빛나도록 할 수 있습니다. 식물에 조사; 햇빛이 없고 흐리고 비오는 날에는 성장 조명 시스템을 브래킷 중앙으로 밀어 성장 조명 시스템의 빛이 식물을 고르게 채우도록 합니다. 브라켓의 슬라이드를 통해 재배등 시스템을 수평으로 이동시키고 재배등 시스템의 잦은 분해 및 제거를 방지하며 직원의 노동 강도를 줄여 작업 효율성을 효과적으로 향상시킵니다.

일반적인 성장 조명 시스템의 디자인 아이디어
식물 공장의 보조 조명 시스템 설계는 일반적으로 다양한 작물 성장 기간의 광도, 광질 및 광주기 매개변수를 설계의 핵심 내용으로 취한다는 것을 이동식 조명 보조 장치의 설계에서 쉽게 알 수 있습니다. , 구현하는 지능형 제어 시스템에 의존하여 에너지 절약 및 높은 수율이라는 궁극적인 목표를 달성합니다.

현재 잎채소용 보조등의 설계와 구성은 점차 성숙해졌습니다. 예를 들어, 잎채소는 묘목 단계, 중간 성장, 늦은 성장 및 말기의 4단계로 나눌 수 있습니다. 과채류는 묘목단계, 영양생장단계, 개화단계, 수확단계로 나눌 수 있다. 보충 광도의 특성상 묘목 단계의 광도는 60~200 μmol/(m²·s)로 약간 낮았다가 점차 증가해야 합니다. 잎채소는 최대 100~200 μmol/(m²·s)에 도달할 수 있고 과일 채소는 300~500 μmol/(m²·s)에 도달하여 각 성장 기간에 식물 광합성에 필요한 광도 요구 사항을 보장하고 광도 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 높은 수율; 빛의 질은 빨간색과 파란색의 비율이 매우 중요합니다. 묘목의 품질을 높이고 묘목단계의 과도한 성장을 방지하기 위해 일반적으로 빨간색과 파란색의 비율을 낮은 수준((1~2):1)으로 설정한 후 식물의 요구에 맞게 점차 줄여갑니다. 가벼운 형태. 빨간색과 파란색, 잎채소의 비율은 (3~6):1로 설정할 수 있습니다. 광주기의 경우 광강도와 유사하게 생육기간이 길어질수록 증가하는 경향을 나타내어 잎채소의 광합성을 위한 광합성 시간이 길어져야 한다. 과일과 채소의 가벼운 보충제 디자인은 더욱 복잡해집니다. 위에서 언급한 기본법칙 외에 개화기의 광주기 설정에 중점을 두고 채소의 개화 및 결실을 촉진하여 역효과를 내지 않도록 해야 한다.

조명 공식에는 조명 환경 설정에 대한 최종 처리가 포함되어야 한다는 점은 언급할 가치가 있습니다. 예를 들어, 지속적인 빛 보충은 수경 잎채소 묘목의 수확량과 품질을 크게 향상시킬 수 있으며, UV 처리를 사용하여 새싹과 잎채소(특히 보라색 잎과 붉은 잎 상추)의 영양 품질을 크게 향상시킬 수 있습니다.

선택한 작물에 대한 빛 보충을 최적화하는 것 외에도 일부 인공 조명 식물 공장의 광원 제어 시스템도 최근 몇 년 동안 빠르게 발전했습니다. 이 제어 시스템은 일반적으로 B/S 구조를 기반으로 합니다. 작물 생육 중 온도, 습도, 빛, CO2 농도 등 환경 요인에 대한 원격 제어 및 자동 제어가 WIFI를 통해 구현됨과 동시에 외부 조건에 제약받지 않는 생산 방식을 구현합니다. 이러한 종류의 지능형 보조 조명 시스템은 LED 성장 조명을 보조 광원으로 사용하고 원격 지능형 제어 시스템과 결합하여 식물 파장 조명 요구 사항을 충족할 수 있으며 특히 조명 제어 식물 재배 환경에 적합하며 시장 수요를 잘 충족할 수 있습니다. .

결론
식물공장은 21세기 세계 자원, 인구, 환경 문제를 해결하는 중요한 방법이자, 미래 첨단기술 프로젝트에서 식량 자급자족을 달성하는 중요한 방법으로 꼽힌다. 새로운 형태의 농업 생산 방식인 식물공장은 아직 학습과 성장 단계에 있으므로 더 많은 관심과 연구가 필요하다. 이 글에서는 식물 공장에서 흔히 사용되는 보조 조명 방식의 특징과 장점을 설명하고, 일반적인 작물 보조 조명 시스템의 설계 아이디어를 소개합니다. 계속되는 흐림, 안개 등 악천후로 인한 저조도에 대처하고 시설작물의 높고 안정적인 생산을 보장하기 위해서는 LED Grow 광원장비가 현재의 개발과 가장 일치하는 것으로 비교를 통해 어렵지 않게 찾을 수 있습니다. 트렌드.

식물공장의 향후 개발 방향은 새로운 고정밀, 저비용 센서, 원격 제어 및 조정 가능한 스펙트럼 조명 장치 시스템 및 전문가 제어 시스템에 중점을 두어야 합니다. 동시에 미래의 식물공장은 저비용, 지능화, 자가 적응형으로 계속해서 발전할 것입니다. LED 재배광원의 사용 및 대중화는 식물 공장의 고정밀 환경 제어를 보장합니다. LED 조명 환경 규제는 광질, 광도, 광주기 등을 종합적으로 규제하는 복잡한 과정이다. 관련 전문가와 학자들은 인공조명 공장의 LED 보조조명을 홍보하는 심층적인 연구를 수행해야 합니다.