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

식물 공장은 현대 산업, 생명 공학, 양분 수경재배 및 정보 기술을 결합하여 시설의 환경 요인을 고정밀하게 제어합니다.완전 밀폐형으로 주변 환경에 대한 요구가 적고 식물 수확 기간이 단축되며 물과 비료가 절약되며 무농약 생산 및 폐기물 배출이 없는 장점으로 단위 토지 이용 효율이 40~108배입니다. 오픈 필드 생산의.그 중 지능형 인공 광원과 조명 환경 규제는 생산 효율성에 결정적인 역할을 합니다.

중요한 물리적 환경 요인인 빛은 식물의 성장과 물질 대사를 조절하는 데 중요한 역할을 합니다."식물 공장의 주요 특징 중 하나는 완전한 인공 광원과 조명 환경의 지능형 규제 실현"이 업계에서 일반적인 합의가 되었습니다.

빛에 대한 식물의 필요성

빛은 식물 광합성의 유일한 에너지원이다.빛의 세기, 빛의 질(스펙트럼), 주기적인 빛의 변화는 작물의 성장과 발달에 지대한 영향을 미치며, 그 중 빛의 세기는 식물의 광합성에 가장 큰 영향을 미칩니다.

■ 빛의 세기

빛의 강도는 개화, 절간 길이, 줄기 두께, 잎 크기 및 두께와 같은 작물의 형태를 변경할 수 있습니다.빛의 강도에 대한 식물의 요구 사항은 빛을 좋아하는 식물, 중간 빛을 좋아하는 식물 및 낮은 빛에 강한 식물로 나눌 수 있습니다.채소는 대부분 빛을 좋아하는 식물로 광보상점과 광포화점이 상대적으로 높다.인공 조명 식물 공장에서 광도에 대한 작물의 관련 요구 사항은 인공 조명 소스를 선택하는 중요한 기준입니다.다양한 식물의 조명 요구 사항을 이해하는 것은 인공 광원을 설계하는 데 중요하며 시스템의 생산 성능을 향상시키는 데 매우 필요합니다.

■ 조명 품질

광질(스펙트럼) 분포는 또한 식물 광합성과 형태 형성에 중요한 영향을 미칩니다(그림 1).빛은 복사의 일부이고 복사는 전자기파입니다.전자파는 파동의 특성과 양자(입자)의 특성을 가지고 있습니다.빛의 양자를 원예분야에서는 포톤(photon)이라고 부른다.300~800nm의 파장 범위를 갖는 방사선을 식물의 생리 활성 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 분광흡수스펙트럼을 나타낸 것으로, 엽록소 흡수스펙트럼은 적색띠와 청색띠에 집중되어 있다.조명 시스템은 식물의 광합성을 촉진하기 위해 인위적으로 빛을 보충하기 위해 작물의 스펙트럼 요구 사항을 기반으로 합니다.

■ 광주기
식물의 광합성과 광형태형성과 낮의 길이(또는 광주기 시간) 사이의 관계를 식물의 광주기성(photoperiodity)이라고 합니다.광주기는 작물이 빛을 받는 시간을 의미하는 광시간과 밀접한 관련이 있다.다른 작물은 꽃이 피고 열매를 맺기 위해 광주기를 완료하기 위해 일정한 시간의 빛이 필요합니다.다양한 광주기에 따라 양배추 등과 같은 장일 작물로 나눌 수 있으며 특정 성장 단계에서 12-14시간 광시간 이상을 필요로 합니다.양파, 콩 등과 같은 단기 작물은 12-14시간 미만의 조명 시간이 필요합니다.오이, 토마토, 고추 등과 같은 중간 태양 작물은 더 길거나 짧은 햇빛 아래에서 꽃을 피우고 열매를 맺을 수 있습니다.
환경의 세 가지 요소 중 광도는 인공 광원을 선택하는 중요한 기준입니다.현재 빛의 강도를 표현하는 방법에는 여러 가지가 있으며 주로 다음 세 가지를 포함합니다.
(1) 조도는 조명면에서 받는 광속(단위 면적당 광속)의 표면 밀도를 말하며 단위는 럭스(lx)입니다.

(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 수입니다. 단위: μmol/(m²·s)。 주로 400~700nm의 광도를 나타냅니다. 광합성과 직접적인 관련이 있습니다.또한 식물 생산 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 광도 표시기입니다.

일반적인 보조광 시스템의 광원 분석
인공조명보충은 식물의 광수요를 충족시키기 위해 보조조명시스템을 설치하여 대상지역의 조도를 높이거나 조명시간을 연장하는 것이다.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.백열 램프의 낮은 전기 및 광학 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 수은 증기 또는 불활성 기체로 채워져 있고 관의 내벽은 형광 분말로 코팅되어 있습니다.빛의 색상은 튜브에 코팅된 형광 물질에 따라 다릅니다.형광등은 백열등에 비해 분광 성능이 좋고 발광 효율이 높으며 저전력, 장수명(12000h), 상대적으로 비용이 저렴합니다.형광등 자체의 발열량이 적어 식물과 가까이 조명을 할 수 있어 입체 재배에 적합하다.그러나, 형광등의 스펙트럼 배치는 불합리하다.세계에서 가장 보편적인 방법은 경작지에서 작물의 유효 광원 성분을 극대화하기 위해 반사경을 추가하는 것입니다.일본 adv-agri 회사도 새로운 유형의 보조 광원 HEFL을 개발했습니다.HEFL은 실제로 형광등의 범주에 속합니다.냉음극형광램프(CCFL)와 외부전극형광램프(EEFL)의 총칭으로 혼합전극형광램프이다.HEFL 튜브는 직경이 약 4mm에 불과한 매우 가늘고 재배 필요에 따라 길이를 450mm에서 1200mm까지 조정할 수 있습니다.기존 형광등의 개량형입니다.

■ 메탈 할라이드 램프
메탈할라이드램프는 고압수은램프를 기본으로 방전관에 각종 메탈할라이드(브롬화주석, 요오드화나트륨 등)를 첨가하여 서로 다른 원소를 여기시켜 서로 다른 파장을 낼 수 있는 고휘도 방전램프입니다.할로겐 램프는 높은 발광 효율, 높은 전력, 좋은 광색, 긴 수명 및 넓은 스펙트럼을 가지고 있습니다.그러나 고압 나트륨 램프보다 발광 효율이 낮고, 고압 나트륨 램프보다 수명이 짧아 현재 일부 식물 공장에서만 사용되고 있다.

■ 고압 나트륨 램프
고압 나트륨 램프는 고압 가스 방전 램프 유형에 속합니다.고압 나트륨 램프는 방전관에 고압 나트륨 증기를 채우고 소량의 크세논(Xe)과 수은 금속 할로겐화물을 첨가한 고효율 램프입니다.고압 나트륨등은 전기광 변환 효율이 높고 제조원가가 낮기 때문에 현재 농업시설의 보조등 용도로 고압 나트륨등이 가장 널리 사용되고 있다.그러나 스펙트럼에서 광합성 효율이 낮다는 단점으로 인해 에너지 효율이 낮은 단점이 있다.한편, 고압 나트륨 램프에서 방출되는 스펙트럼 성분은 식물 성장에 필요한 빨간색 및 파란색 스펙트럼이 부족한 노란색-오렌지색 빛 밴드에 주로 집중됩니다.

■ 발광 다이오드
차세대 광원으로서 발광 다이오드(LED)는 더 높은 전기 광학 변환 효율, 조정 가능한 스펙트럼 및 높은 광합성 효율과 같은 많은 이점을 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 장점이 있습니다.LED의 전기 광학 효율이 더욱 향상되고 스케일 효과로 인한 비용이 절감됨에 따라 LED 재배 조명 시스템은 농업 시설에서 빛을 보충하는 주류 장비가 될 것입니다.그 결과 식물공장의 99.9%에 LED 재배조명을 적용했습니다.

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

모바일 조명 장치
빛의 강도는 작물의 성장과 밀접한 관련이 있습니다.3차원 재배는 종종 식물 공장에서 사용됩니다.그러나 재배대 구조의 한계로 인해 랙 사이의 빛과 온도의 불균일한 분포는 작물의 수확량에 영향을 미치고 수확 기간이 동기화되지 않습니다.북경의 한 회사는 2010년 수동 승강식 조명기구(HPS 조명기구 및 LED 성장조명기구) 개발에 성공하였다. 원리는 구동축과 그 위에 고정된 와인더를 손잡이를 흔들어 소형 필름 릴을 회전시키는 것이다. 철사 밧줄을 철회하고 풀기의 목적을 달성하기 위하여.성장 조명의 와이어 로프는 성장 조명의 높이를 조정하는 효과를 얻기 위해 여러 세트의 반전 휠을 통해 엘리베이터의 와인딩 휠과 연결됩니다.2017년에 위에서 언급한 회사는 작물 성장 요구에 따라 자동으로 조명 보충 높이를 실시간으로 조정할 수 있는 새로운 모바일 조명 보충 장치를 설계 및 개발했습니다.조정 장치는 이제 3단 광원 리프팅 유형의 3차원 재배 랙에 설치됩니다.장치의 최상층은 조명 조건이 가장 좋은 수준이므로 고압 나트륨 램프가 장착되어 있습니다.중간층과 하단층에는 LED 성장 조명과 리프팅 조절 시스템이 장착되어 있습니다.작물에 적합한 조명 환경을 제공하기 위해 재배 조명의 높이를 자동으로 조정할 수 있습니다.

3차원 재배에 맞춘 이동식 조명 보조 장치와 비교하여 네덜란드에서는 수평 이동이 가능한 LED 재배 조명 보조 조명 장치를 개발했습니다.성장 조명의 그림자가 태양 아래에서 식물의 성장에 미치는 영향을 피하기 위해 성장 조명 시스템은 텔레스코픽 슬라이드를 통해 수평 방향으로 브래킷의 양쪽으로 밀 수 있으므로 태양이 완전히 식물에 조사;흐리고 비오는 날 햇빛이 없으면 성장 조명 시스템을 브래킷 중앙으로 밀어 성장 조명 시스템의 빛이 식물을 고르게 채우도록 합니다.브래킷의 슬라이드를 통해 재배 조명 시스템을 수평으로 이동하고 재배 조명 시스템의 빈번한 분해 및 제거를 피하고 직원의 노동 강도를 줄여 작업 효율성을 효과적으로 향상시킵니다.

일반적인 성장 조명 시스템의 디자인 아이디어
식물공장 보조조명시스템의 설계는 보통 작물의 생육기간이 다른 광도, 광질, 광주기 변수를 설계의 핵심 내용으로 삼는다는 것을 이동식 조명 보조장치의 설계에서 쉽게 알 수 있다. , 구현하는 지능형 제어 시스템에 의존하여 에너지 절약 및 높은 수율의 궁극적인 목표를 달성합니다.

현재, 잎이 많은 채소를 위한 보조 조명의 설계와 구조는 점차 성숙해졌습니다.예를 들어 잎이 많은 채소는 4단계로 나눌 수 있습니다.과채류는 유묘기, 영양생장기, 개화기, 수확기로 나눌 수 있다.보충 광량의 속성상 유묘기의 광량은 60~200 μmol/(m²·s)로 약간 낮아졌다가 점차 증가해야 한다.잎이 많은 채소는 최대 100~200 μmol/(m²·s), 과일 채소는 300~500 μmol/(m²·s)까지 도달할 수 있어 각 성장 기간에서 식물 광합성의 광도 요구 사항을 보장하고 높은 수율;조명 품질 측면에서 빨강과 파랑의 비율은 매우 중요합니다.유묘의 질을 높이고 유묘기의 과생장을 방지하기 위하여 일반적으로 적색 대 청색의 비율을 낮은 수준[(1~2):1]으로 설정한 후 점차적으로 식물의 필요에 맞게 감소시킨다. 가벼운 형태.빨강, 파랑, 잎채소의 비율은 (3~6):1로 설정할 수 있습니다.광주기는 빛의 세기와 마찬가지로 생육기간이 길어질수록 증가하는 경향을 보여야 잎채소가 광합성을 할 수 있는 시간이 많아진다.과일과 채소의 가벼운 보충제 디자인은 더욱 복잡해질 것입니다.위에서 언급한 기본법 외에도 개화기의 광주기 설정에 중점을 두고 채소의 개화와 결실을 촉진하여 역효과를 내지 않도록 해야 한다.

라이트 포뮬러에는 라이트 환경 설정을 위한 최종 처리가 포함되어야 한다는 점을 언급할 가치가 있습니다.예를 들어, 지속적인 빛 보충은 수경 재배 잎 채소 묘목의 수확량과 품질을 크게 향상시키거나 UV 처리를 사용하여 새싹과 잎 채소(특히 자주색 잎과 붉은 잎 상추)의 영양 품질을 크게 향상시킬 수 있습니다.

선택된 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.작물이 자라는 동안 온도, 습도, 빛, CO2농도 등의 환경적 요소를 WIFI를 통해 원격 제어 및 자동 제어함과 동시에 외부 조건에 구애받지 않는 생산 방식을 구현합니다.이러한 종류의 지능형 보조 조명 시스템은 LED 성장 조명 기구를 보조 광원으로 사용하고 원격 지능형 제어 시스템과 결합하여 식물 파장 조명의 요구를 충족할 수 있으며 특히 조명 제어 식물 재배 환경에 적합하며 시장 수요를 잘 충족할 수 있습니다. .

끝 맺는 말
식물공장은 21세기 세계 자원, 인구, 환경 문제를 해결하는 중요한 방법이자 미래 첨단 프로젝트에서 식량 자급을 달성하는 중요한 방법으로 여겨진다.새로운 형태의 농업생산방식인 식물공장은 아직 학습과 성장단계에 있으며 더 많은 관심과 연구가 필요하다.이 기사에서는 식물 공장에서 일반적인 보조 조명 방법의 특성과 장점을 설명하고 일반적인 작물 보조 조명 시스템의 설계 아이디어를 소개합니다.비교를 통해 찾기 어렵지 않은데, 지속적인 흐림과 연무 등 악천후로 인한 저조도에 대처하고 시설작물의 높고 안정적인 생산을 위해 현재 개발 중인 LED Grow 광원 장비가 가장 적합합니다. 트렌드.

식물 공장의 향후 발전 방향은 새로운 고정밀, 저비용 센서, 원격 제어가 가능하고 스펙트럼 조정이 가능한 조명 장치 시스템 및 전문가 제어 시스템에 초점을 맞춰야 합니다.동시에 미래의 식물 공장은 저비용, 지능형 및 자체 적응형으로 계속 발전할 것입니다.LED 재배 광원의 사용 및 대중화는 식물 공장의 고정밀 환경 제어를 보장합니다.LED 조명 환경 규제는 광질, 광도, 광주기 등을 종합적으로 규제하는 복잡한 과정입니다.인공조명 식물공장에서 LED 보조조명을 활성화하기 위해 관련 전문가 및 학자들의 심도 있는 연구가 필요하다.