저자 : Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong BU 등. 소스 미디어 ： 농업 공학 기술 (온실 원예)

Plant Factory는 현대 산업, 생명 공학, 영양소 수경 및 정보 기술을 결합하여 시설의 환경 요인에 대한 고정밀 제어를 구현합니다. 그것은 완전히 밀폐되어 있고, 주변 환경에 대한 요구 사항이 낮고, 식물 수확 기간을 단축시키고, 물과 비료를 절약하며, 비 병약 생산의 장점과 폐기물 배출이 없기 때문에 단위 토지 사용 효율은 40 ~ 108 배입니다. 오픈 필드 생산. 그중에서도 지능적인 인공 광원과 가벼운 환경 규제는 생산 효율성에 결정적인 역할을합니다.

중요한 물리적 환경 요인으로서, 빛은 식물 성장과 물질 대사를 조절하는 데 중요한 역할을합니다. “식물 공장의 주요 특징 중 하나는 완전한 인공 광원이며 가벼운 환경의 지능형 규제의 실현”은 업계에서 일반적인 합의가되었습니다.

식물의 빛이 필요합니다

빛은 식물 광합성의 유일한 에너지 원입니다. 빛의 강도, 빛의 품질 (스펙트럼) 및 조명의 주기적 변화는 작물의 성장과 발달에 큰 영향을 미치며, 그 중 빛 강도는 식물 광합성에 가장 큰 영향을 미칩니다.

■ 빛의 강도

빛의 강도는 개화, 노드 길이, 줄기 두께 및 잎 크기 및 두께와 같은 작물의 형태를 변화시킬 수 있습니다. 광도에 대한 식물의 요구 사항은 가벼운, 중간 광선을 좋아하며 저 조명 내성 식물로 나눌 수 있습니다. 야채는 대부분 가벼운 식물이며, 가벼운 보상 지점과 가벼운 포화 지점은 비교적 높습니다. 인공 가벼운 식물 공장에서, 광 강도를위한 작물의 관련 요구 사항은 인공 광원을 선택하는 데 중요한 기초입니다. 다른 식물의 빛의 요구 사항을 이해하는 것은 인공 광원을 설계하는 데 중요하며 시스템의 생산 성능을 향상시켜야합니다.

■ 가벼운 품질

광 품질 (스펙트럼) 분포는 또한 식물 광합성 및 형태 형성에 중요한 영향을 미칩니다 (그림 1). 빛은 방사선의 일부이며 방사선은 전자기파입니다. 전자기파는 파동 특성과 양자 (입자) 특성을 가지고 있습니다. 빛의 양은 원예 분야에서 광자라고 불립니다. 300 ~ 800nm의 파장 범위를 갖는 방사선은 식물의 생리 학적 활성 방사선이라고한다. 400 ~ 700nm의 파장 범위를 갖는 방사선을 식물의 광합성 활성 방사선 (PA)이라고한다.

엽록소와 카로 텐은 식물 광합성에서 가장 중요한 두 가지 색소입니다. 그림 2는 엽록소 흡수 스펙트럼이 적색 및 청색 대역에 집중되는 각 광합성 안료의 스펙트럼 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 조명 시스템은 식물의 광합성을 촉진하기 위해 조명을 인위적으로 보충하기위한 작물의 스펙트럼 요구를 기반으로합니다.

■ Photoperiod
식물의 광합성과 광 성과의 관계와 주간 길이 (또는 광주기 시간)를 식물의 광주기를 불린다. 광주기는 가벼운 시간과 밀접한 관련이 있으며, 이는 작물이 빛에 의해 조사되는 시간을 나타냅니다. 다른 작물은 광주기를 완성하기 위해 특정 수의 빛이 필요합니다. 다른 광주 기에 따르면, 그것은 양배추 등과 같은 장기 작물로 나눌 수 있으며, 이는 성장의 특정 단계에서 12-14 시간 이상의 가벼운 시간이 필요합니다. 양파, 콩 등과 같은 단기 작물에는 12-14 시간 미만의 조명 시간이 필요합니다. 오이, 토마토, 고추 등과 같은 중간 선 작물은 더 길거나 짧은 햇빛 아래에서 피고 과일을 뿌릴 수 있습니다.
환경의 세 가지 요소 중에서, 광도는 인공 광원을 선택하는 데 중요한 기초입니다. 현재, 주로 다음 세 가지를 포함하여 빛의 강도를 표현하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.
(1) 조명은 Lux (LX)의 조명 평면에서 수신 된 빛나는 플럭스 (단위 면적당 빛나는 플럭스)의 표면 밀도를 나타냅니다.

(2} 광합성 활성 방사선, 파, 단위 ： w/m²。

+) 광 광합성과 직접 관련이 있습니다. 또한 식물 생산 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 광도 지표입니다.

전형적인 보충 광 시스템의 광원 분석
인공 광 보조는 식물의 가벼운 수요를 충족시키기 위해 보충 조명 시스템을 설치하여 대상 영역의 광 강도를 높이거나 가벼운 시간을 연장하는 것입니다. 일반적으로 보충 조명 시스템에는 보충 조명 장비, 회로 및 제어 시스템이 포함됩니다. 보충 광원에는 주로 백열 램프, 형광등, 금속 할라이드 램프, 고압 나트륨 램프 및 LED와 같은 몇 가지 일반적인 유형이 포함됩니다. 백열 램프의 전기 및 광학 효율이 낮기, 광합성 에너지 효율이 낮고 기타 단점으로 인해 시장에 의해 제거 되었으므로이 기사는 자세한 분석을하지 않습니다.

■ 형광등
형광등은 저압 가스 배출 램프의 유형에 속합니다. 유리 튜브는 수은 증기 또는 불활성 가스로 채워지고 튜브의 내벽은 형광 분말로 코팅됩니다. 밝은 색은 튜브에 코팅 된 형광 물질에 따라 다릅니다. 형광등은 스펙트럼 성능이 우수하고, 발광 효율이 높고, 저전력, 더 긴 수명 (12000h)과 백열 램프 및 상대적으로 저렴한 비용이 있습니다. 형광 램프 자체는 열이 덜 방출되므로 조명을 위해 식물에 가까울 수 있으며 3 차원 재배에 적합합니다. 그러나 형광등의 스펙트럼 레이아웃은 불합리합니다. 세계에서 가장 일반적인 방법은 재배 지역의 작물의 효과적인 광원 구성 요소를 최대화하기 위해 반사기를 추가하는 것입니다. 일본 Adv-agri Company는 또한 새로운 유형의 보충 광원 HEFL을 개발했습니다. Hefl은 실제로 형광등의 범주에 속합니다. 차가운 음극 형광 램프 (CCFL) 및 외부 전극 형광등 (EEFL)의 일반적인 용어이며 혼합 전극 형광 램프입니다. HEFL 튜브는 지름이 약 4mm 인 매우 얇으며, 재배의 요구에 따라 길이를 450mm ~ 1200mm로 조정할 수 있습니다. 기존 형광등의 개선 된 버전입니다.

■ 금속 할라이드 램프
금속 할라이드 램프는 고압 수은 램프를 기반으로 배출 튜브에 다양한 금속 할로드 (주석 브로마이드, 요오드화 나트륨 등)를 첨가하여 다른 파장을 생성하기 위해 다른 원소를 자극 할 수있는 고강도 방전 램프입니다. 할로겐 램프는 빛나는 효율, 고출력, 경광, 장수 및 큰 스펙트럼을 가지고 있습니다. 그러나 빛나는 효율은 고압 나트륨 램프의 효율보다 낮고 수명이 고압 나트륨 램프보다 짧기 때문에 현재 일부 식물 공장에서만 사용됩니다.

■ 고압 나트륨 램프
고압 나트륨 램프는 고압 가스 배출 램프의 유형에 속합니다. 고압 나트륨 램프는 고압 나트륨 증기가 방전 튜브에 채워지고 소량의 크세논 (XE) 및 수은 금속 할라이드가 첨가되는 고효율 램프입니다. 고압 나트륨 램프는 제조 비용이 낮아 전기 광학 전환 효율이 높기 때문에 고압 나트륨 램프는 현재 농업 시설에서 보충 조명을 적용하는 데 가장 널리 사용됩니다. 그러나 스펙트럼에서 광합성 효율이 낮은 단점으로 인해 에너지 효율이 낮은 단점이 있습니다. 한편, 고압 나트륨 램프에 의해 방출되는 스펙트럼 성분은 주로 황색 오렌지 광 밴드에 집중되며, 이는 식물 성장에 필요한 적색 및 청색 스펙트럼이 부족합니다.

■ 광 방출 다이오드
새로운 세대의 광원으로서, 광 방출 다이오드 (LED)는 더 높은 전기 광학 변환 효율, 조절 가능한 스펙트럼 및 높은 광합성 효율과 같은 많은 장점을 가지고 있습니다. LED는 식물 성장에 필요한 단색 광을 방출 할 수 있습니다. 일반적인 형광등 및 기타 보충 광원과 비교하여 LED는 에너지 절약, 환경 보호, 장수, 단색 광, 냉간 광원 등의 장점을 가지고 있습니다. LED의 전기 광학 효율의 추가 개선과 스케일 효과로 인한 비용 절감으로 LED 성장 조명 시스템은 농업 시설의 조명을 보충하기위한 주류 장비가 될 것입니다. 결과적으로 LED Grow Lights는 99.9% 이상의 식물 공장 이상을 적용했습니다.

비교를 통해, 다른 보충 광원의 특성은 표 1에 도시 된 바와 같이 명확하게 이해 될 수있다.

모바일 조명 장치
빛의 강도는 작물의 성장과 밀접한 관련이 있습니다. 3 차원 재배는 종종 식물 공장에서 사용됩니다. 그러나 재배 랙의 구조의 한계로 인해 랙 사이의 빛과 온도의 고르지 않은 분포는 작물의 수율에 영향을 미치며 수확 기간은 동기화되지 않습니다. 베이징에있는 회사는 2010 년에 수동 리프팅 조명 보충 장치 (HPS 조명 조명기구 및 LED 성장 조명 조명)를 성공적으로 개발했습니다. 원리는 작은 필름 릴을 회전시키기 위해 손잡이를 흔들어 드라이브 샤프트를 회전시키는 것입니다. 와이어 로프를 수축하고 풀기위한 목적을 달성합니다. 재배 광의 와이어 로프는 여러 개의 역전 휠 세트를 통해 엘리베이터의 와인딩 휠과 연결되어 성장하는 빛의 높이를 조정하는 효과를 달성합니다. 2017 년에 위에서 언급 한 회사는 새로운 모바일 조명 보충 장치를 설계하고 개발했으며, 이는 작물 성장 요구에 따라 조명 보충 높이를 자동으로 조정할 수 있습니다. 조정 장치는 이제 3 층 광원 리프팅 타입 3 차원 재배 랙에 설치되었습니다. 장치의 최상층은 최상의 가벼운 상태를 가진 레벨이므로 고압 나트륨 램프가 장착되어 있습니다. 중간 층과 하단 레이어에는 LED 성장 조명과 리프팅 조정 시스템이 장착되어 있습니다. 작물에 적합한 조명 환경을 제공하기 위해 조명의 높이를 자동으로 조정할 수 있습니다.

네덜란드는 3 차원 재배를 위해 맞춤형 모바일 라이트 보충 장치와 비교하여 수평으로 이동 가능한 LED 성장 조명 조명 장치를 개발했습니다. 햇볕에 식물의 성장에 대한 성장 빛의 그림자의 영향을 피하기 위해, 성장한 빛 시스템은 수평 방향으로 망원경 슬라이드를 통해 괄호의 양쪽으로 밀려서 태양이 완전히 가득 차게 할 수 있습니다. 식물에서 조사; 햇빛이없는 흐린 비오는 날에는 성장한 가벼운 시스템을 괄호의 중앙으로 밀어 성장한 빛 시스템의 빛을 식물을 고르게 채 웁니다. 괄호의 슬라이드를 통해 성장광 시스템을 가로로 이동하고, 빈번한 분해와 경력 시스템의 제거를 피하고, 직원의 노동 강도를 줄여서 효과적으로 업무 효율성을 향상시킵니다.

전형적인 성장광 시스템의 디자인 아이디어
식물 공장의 보충 조명 시스템의 설계는 일반적으로 디자인의 핵심 함량으로 다른 작물 성장 기간의 광도, 가벼운 품질 및 광주기 매개 변수를 사용한다는 모바일 조명 보충 장치의 설계에서보기가 어렵지 않습니다. , 지능형 제어 시스템에 의존하여 에너지 절약 및 높은 수율의 궁극적 인 목표를 달성합니다.

현재 잎이 많은 채소를위한 보충 조명의 설계 및 구조가 점차 성숙되었습니다. 예를 들어, 잎이 많은 채소는 4 단계로 나눌 수 있습니다 : 묘목 단계, 중간 성장, 늦은 성장 및 종료 단계; 과일 예약은 묘목 단계, 식물성 성장 단계, 개화 단계 및 수확 단계로 나눌 수 있습니다. 보충 광 강도의 속성으로부터, 묘목 단계의 빛 강도는 60 ~ 200 μmol/(m² · s)에서 약간 낮아야하며 점차적으로 증가해야한다. 잎이 많은 채소는 최대 100 ~ 200 μmol/(m² · s)에 도달 할 수 있으며 과일 채소는 각 성장 기간 동안 식물 광합성의 광 강도 요구 사항을 보장하고의 필요를 충족시키기 위해 300 ~ 500 μmol/(m² · s)에 도달 할 수 있습니다. 높은 수율; 빛의 품질 측면에서, 빨강 대 파란색의 비율은 매우 중요합니다. 묘목의 품질을 높이고 묘목 단계에서 과도한 성장을 방지하기 위해, 빨강 대 파란색의 비율은 일반적으로 낮은 수준으로 설정된 다음 [(1 ~ 2) : 1]. 가벼운 형태. 적색 대 청색 대 잎이 많은 채소의 비율은 (3 ~ 6)으로 설정 될 수 있습니다. 광 강도와 유사한 광주 기의 경우, 성장 기간의 연장에 따라 증가하는 경향을 보여 주어 잎이 많은 채소가 광합성에 대한 광합성 시간이 더 많습니다. 과일과 채소의 가벼운 보충제 설계가 더 복잡합니다. 위에서 언급 한 기본 법률 외에도 개화 기간 동안 광주 기의 설정에 중점을 두어야하며, 야채의 개화와 열매는 역효과를 촉진해야합니다.

빛 공식에는 가벼운 환경 설정에 대한 최종 처리가 포함되어야한다는 것은 언급 할 가치가 있습니다. 예를 들어, 연속 광 보충제는 수경 잎이 많은 채소 묘목의 수율과 품질을 크게 향상 시키거나 UV 처리를 사용하여 콩나물과 잎이 많은 채소 (특히 자주색 잎과 붉은 잎 상추) 영양 품질을 크게 향상시킬 수 있습니다.

선택된 작물에 대한 가벼운 보충을 최적화하는 것 외에도 일부 인공 광 공장 공장의 광원 제어 시스템도 최근 몇 년 동안 빠르게 발전했습니다. 이 제어 시스템은 일반적으로 B/S 구조를 기반으로합니다. 작물의 성장 중 온도, 습도, 빛 및 CO2 농도와 같은 환경 요인의 원격 제어 및 자동 제어는 WiFi를 통해 실현되며 동시에 외부 조건에 의해 제한되지 않는 생산 방법이 실현됩니다. 이러한 종류의 지능형 보충 조명 시스템 사용 LED Grow Light Fixture 사용은 원격 지능형 제어 시스템과 결합 된 보충 광원이 식물 파장 조명의 요구를 충족시킬 수 있으며 특히 조명이 제어 된 식물 재배 환경에 적합하며 시장 수요를 충족시킬 수 있습니다. .

결론 발언
플랜트 공장은 21 세기 세계 자원, 인구 및 환경 문제를 해결하는 중요한 방법이며 향후 첨단 기술 프로젝트에서 식품 자급 자족을 달성하는 중요한 방법으로 간주됩니다. 새로운 유형의 농업 생산 방법으로서 식물 공장은 여전히 ​​학습 및 성장 단계에 있으며 더 많은 관심과 연구가 필요합니다. 이 기사는 식물 공장의 일반적인 보충 조명 방법의 특성과 장점을 설명하고 전형적인 작물 보충 조명 시스템의 설계 아이디어를 소개합니다. 연속 흐린 및 안개와 같은 심한 날씨로 인한 저조도에 대처하고 시설 작물의 높은 수고 안정적인 생산을 보장하기 위해 비교를 통해 찾기가 어렵지 않습니다. LED 성장 광원 장비는 현재 개발과 가장 일치합니다. 트렌드.

플랜트 공장의 미래 개발 방향은 새로운 고정밀, 저비용 센서, 원격 제어 가능한 조절 가능한 스펙트럼 조명 장치 시스템 및 전문가 제어 시스템에 중점을 두어야합니다. 동시에, 미래의 식물 공장은 저비용, 지능적이며 자체 적응 형을 향해 계속 발전 할 것입니다. LED 성장 광원의 사용 및 대중화는 식물 공장의 고정밀 환경 제어를 보장합니다. LED 조명 환경 조절은 조명 품질, 조명 강도 및 광주 기의 포괄적 인 조절을 포함하는 복잡한 프로세스입니다. 관련 전문가와 학자들은 심층적 인 연구를 수행하여 인공 조명 공장 공장에서 LED 보충 조명을 촉진해야합니다.