Σχεδιασμός λαμπτήρων ανάπτυξης φυτών LED υψηλής-απόδοσης και υψηλής- ομοιομορφίας για κάθετη γεωργία
Περίληψη
Με την ταχεία αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού και την αυξανόμενη αστικοποίηση, η επισιτιστική ασφάλεια έχει γίνει μια πιεστική παγκόσμια πρόκληση. Απαιτούνται επειγόντως καινοτόμες γεωργικές μέθοδοι για τη βελτίωση της απόδοσης των καλλιεργειών και της διατροφικής ποιότητας εντός περιορισμένου χώρου και πόρων. Μεταξύ αυτών, η Ελεγχόμενη Περιβαλλοντική Γεωργία (CEA), ιδιαίτερα η κάθετη γεωργία, έχει αναδειχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη λύση. Ένα κρίσιμο συστατικό των συστημάτων κάθετης καλλιέργειας είναι ο τεχνητός φωτισμός, ο οποίος υποκαθιστά ή συμπληρώνει το φυσικό ηλιακό φως για να οδηγήσει τη φωτοσύνθεση. Οι δίοδοι εκπομπής φωτός-Οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) έχουν γίνει η προτιμώμενη πηγή φωτός λόγω της ενεργειακής απόδοσης, της μακροζωίας, της φασματικής δυνατότητας συντονισμού και της χαμηλής θερμικής ακτινοβολίας τους. Ωστόσο, η αποτελεσματική ανάπτυξη του φωτισμού LED σε κατακόρυφα αγροκτήματα πολλαπλών-στρωμάτων απαιτεί όχι μόνο υψηλή φωτοσυνθετική αποτελεσματικότητα φωτονίων αλλά και εξαιρετική χωρική ομοιομορφία κατανομής φωτός σε όλο τον θόλο του φυτού. Ο μη ομοιόμορφος φωτισμός μπορεί να οδηγήσει σε ανομοιόμορφη ανάπτυξη των φυτών, μειωμένη συνολική απόδοση και σπατάλη ενέργειας. Αυτό το άρθρο εμβαθύνει σε μια νέα οπτική σχεδίαση γιαLED ανάπτυξη φυτώνλαμπτήρες βασισμένοι στη θεωρία Ψηφιακού Φωτεινού Πεδίου, ο οποίος χρησιμοποιεί έναν επιφανειακό φακό ελεύθερης μορφής-για την επίτευξη εξαιρετικά ομοιόμορφης κατανομής φωτοσυνθετικής πυκνότητας ροής φωτονίων (PPFD) στο επίπεδο καλλιέργειας χρησιμοποιώντας έναν μόνο, κεντρικά τοποθετημένο σωλήνα λαμπτήρα, αντιμετωπίζοντας έτσι βασικές οικονομικές και λειτουργικές προκλήσεις στην κάθετη γεωργία.
1. Εισαγωγή
Η κάθετη γεωργία αντιπροσωπεύει μια αλλαγή παραδείγματος στη γεωργική παραγωγή, που περιλαμβάνει την καλλιέργεια καλλιεργειών σε κατακόρυφα στοιβαγμένα στρώματα, συχνά μέσα σε κτίρια ή ελεγχόμενα περιβάλλοντα. Αυτή η μέθοδος μεγιστοποιεί την αποδοτικότητα της χρήσης γης, μειώνει την κατανάλωση νερού, ελαχιστοποιεί τη χρήση φυτοφαρμάκων και επιτρέπει την τοπική παραγωγή τροφίμων σε αστικές περιοχές. Ακρογωνιαίος λίθος αυτής της τεχνολογίας είναι ο ακριβής έλεγχος του περιβάλλοντος ανάπτυξης, με τον φωτισμό να είναι ένας από τους πιο σημαντικούς και ενεργοβόρους-παράγοντες.
Ανάπτυξη φυτών με βάση LEDΟι λαμπτήρες προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τον παραδοσιακό φωτισμό, όπως οι λαμπτήρες νατρίου υψηλής{0}πίεσης (HPS), συμπεριλαμβανομένης της φασματικής εξειδίκευσης, της δυνατότητας μείωσης του φωτισμού και της κατευθυντικής απόδοσης φωτός. Ο πρωταρχικός οπτικός στόχος για τέτοιους λαμπτήρες σε κάθετες φάρμες είναι η παροχή ενός ομοιόμορφου PPFD - ο αριθμός των φωτοσυνθετικά ενεργών φωτονίων που φτάνουν ανά μονάδα επιφάνειας ανά δευτερόλεπτο - σε ολόκληρο τον δίσκο καλλιέργειας. Η επίτευξη υψηλής ομοιομορφίας εξασφαλίζει σταθερούς ρυθμούς ανάπτυξης και ποιότητα για όλα τα φυτά, ελαχιστοποιώντας την ανάγκη για ταξινόμηση και ταξινόμηση.
Συμβατικά, η υψηλή ομοιομορφία επιδιώκεται με την ανάπτυξη πολλαπλών σωλήνων λαμπτήρων δίπλα-δίπλα πάνω από ένα μόνο επίπεδο καλλιέργειας. Αν και είναι αποτελεσματική, αυτή η προσέγγιση πολλών{3} λαμπτήρων έχει πολλά μειονεκτήματα: υψηλό αρχικό κόστος κεφαλαίου λόγω του μεγάλου αριθμού εξαρτημάτων, σημαντική σπατάλη ενέργειας από διαρροή φωτός πέρα από την περιοχή στόχο (ειδικά στα άκρα) και αυξημένη πολυπλοκότητα και κόστος συντήρησης. Επομένως, μια συναρπαστική εναλλακτική είναι ο σχεδιασμός ενός οπτικού συστήματος που επιτρέπει αμονόκλινοσωλήνας λαμπτήρα για την παραγωγή ομοιόμορφης κατανομής PPFD σε ένα τυπικό πλάτος καλλιέργειας (π.χ. 60 cm). Αυτή η προσέγγιση υπόσχεται να διατηρήσει όλα τα οφέλη τουΦωτισμός LEDμετριάζοντας παράλληλα τα ζητήματα του κόστους, της σπατάλης ενέργειας και της συντήρησης. Αυτή η εργασία παρουσιάζει τη σχεδίαση, την προσομοίωση και την πειραματική επικύρωση ενός τέτοιου συστήματος, χρησιμοποιώντας έναν φακό ελεύθερης-μορφής που έχει σχεδιαστεί μέσω της μεθοδολογίας Digital Light Field.
2. Μεθοδολογία: Ψηφιακό Φωτεινό Πεδίο και Οπτικός Σχεδιασμός
2.1 Η έννοια του ψηφιακού φωτεινού πεδίου
Παραδοσιακά φωτομετρικά μεγέθη όπως η φωτεινότητα και η φωτεινή ένταση περιγράφουν την πυκνότητα της φωτεινής ροής σε μια επιφάνεια ή εντός μιας στερεής γωνίας. Αν και είναι απαραίτητα για την αξιολόγηση, δεν ευνοούν άμεσα την αντίστροφη διαδικασία σχεδιασμού των οπτικών επιφανειών. Η θεωρία του ψηφιακού φωτεινού πεδίου παρέχει ένα πιο θεμελιώδες πλαίσιο. Περιλαμβάνει τη διακριτοποίηση του χώρου του οπτικού πεδίου σε μικροστοιχεία. Κάθε στοιχείο χαρακτηρίζεται από έναν φωτεινό κώνο που περνά μέσα από αυτό και την επιφάνειά του κανονικό διάνυσμα. Το συνολικό πεδίο φωτός περιγράφεται από μια μη-απεικόνιση λειτουργία ψηφιακού φωτεινού πεδίου (NDLFF). Αυτή η ψηφιοποίηση μετατρέπει το πρόβλημα οπτικού σχεδιασμού σε πρόβλημα χειρισμού του NDLFF σε μια επιφάνεια στόχο μέσω της χρήσης μιας ή περισσότερων οπτικών επιφανειών, όπως φακοί ελεύθερης-μορφής. Αυτή η μέθοδος, που αναπτύχθηκε από την Xingye Optical Technology, επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο της κατανομής ακτινοβολίας και έντασης, καθιστώντας την ιδιαίτερα κατάλληλη για σύνθετες εργασίες σχεδιασμού φωτισμού.
2.2 Βελτιστοποίηση διανομής πηγής, διάταξης και στόχου
Η διαδικασία σχεδιασμού ξεκινά με τον καθορισμό της πηγής φωτός και του στόχου. Η επιλεγμένη πηγή είναι ένα πακέτο υψηλής ισχύος-3535LEDμε φακό θόλου. Για ένα τυπικό ράφι καλλιέργειας, ο στόχος είναι ένα επίπεδο που βρίσκεται 30 cm κάτω από τη λάμπα, με πλάτος που ξεπερνά ελαφρώς τα 60 cm. Ο σωλήνας της λάμπας περιλαμβάνει 25 τέτοια LED σε απόσταση 48 mm σε μία μόνο σειρά, με αποτέλεσμα το συνολικό μήκος να είναι 1,2 m.
Ένα κρίσιμο βήμα είναι ο προσδιορισμός της βέλτιστης κατανομής PPFD που αμονόκλινοΟ συνδυασμός φακών LED-θα πρέπει να παράγει στο επίπεδο στόχο. Εάν κάθε LED δημιουργεί ένα απλό, περιστροφικά συμμετρικό ομοιόμορφο σημείο, η υπέρθεση 25 τέτοιων σημείων από τη γραμμική διάταξη θα είχε ως αποτέλεσμα μια κατανομή "φωτεινό κέντρο, σκοτεινές άκρες" λόγω επικάλυψης. Επομένως, η ιδανική διανομή μεμονωμένων-LED πρέπει να αντισταθμίζει αυτό. Αντί για πολύπλοκες αναλυτικές λύσεις, χρησιμοποιήθηκε μια προσέγγιση αριθμητικής βελτιστοποίησης χρησιμοποιώντας το MATLAB.
Η απλή κατανομή-LED PPFD μοντελοποιήθηκε ως μια κανονικοποιημένη περιστροφικά συμμετρική συνάρτηση P(r), όπου r είναι η ακτινική απόσταση από το κέντρο κηλίδας. Η περιοχή στόχος διακρίθηκε και η P(r) αντιμετωπίστηκε ως μεταβλητή βελτιστοποίησης. Ο στόχος βελτιστοποίησης ήταν να ελαχιστοποιηθεί η διακύμανση της συνολικής κατανομής PPFD που προκύπτει από την υπέρθεση 25 LED στις σταθερές τους θέσεις. Το βελτιστοποιημένο αποτέλεσμα, που φαίνεται στο Σχήμα 3 του αρχικού χαρτιού, αποκαλύπτει μια μετρ-διαισθητική κατανομή "σκοτεινό κέντρο, φωτεινή περιφέρεια" για το μεμονωμένο LED. Αυτή η μοναδική κατανομή διασφαλίζει ότι όταν επικαλύπτονται πολλαπλά σημεία LED, γεμίζουν το ένα τις πιο σκοτεινές περιοχές του άλλου, με αποκορύφωμα μια εξαιρετικά ομοιόμορφη συνολική κατανομή στο επίπεδο καλλιέργειας.
2.3 Δωρεάν-Σχεδίαση φακού φόρμας μέσω της "Μεθόδου επιφάνειας δευτερεύουσας πηγής"
Για να επιτευχθεί η βελτιστοποιημένη κατανομή PPFD που περιγράφεται παραπάνω, σχεδιάστηκε ένας φακός ελεύθερης-φόρμας. Οι συμβατικοί σφαιρικοί φακοί δεν διαθέτουν τους βαθμούς ελευθερίας για τέτοιο ακριβή έλεγχο. Ο σχεδιασμός χρησιμοποίησε τη "Μέθοδο Επιφάνειας Δευτερεύουσας Πηγής Πηγής" της Xingye Optics, μια τεχνική βασισμένη στη θεωρία Ψηφιακού Φωτεινού Πεδίου που λειτουργεί άμεσα με εκτεταμένες πηγές (αντί να τις απλοποιεί σε σημειακές πηγές), εξασφαλίζοντας υψηλή ακρίβεια ακόμη και για συμπαγή οπτικά συστήματα.
Ο σχεδιασμένος φακός διαθέτει μια λεία, μη{0}}μη περιστροφικά συμμετρική ελεύθερη-επιφάνεια που ανακατευθύνει σχολαστικά τις ακτίνες φωτός. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4/5, οι κύριες ακτίνες από το LED διαθλώνται σε διάφορες γωνίες, με μεγαλύτερη πυκνότητα ακτίνων που κατευθύνονται προς μεγαλύτερες γωνίες για να δημιουργηθεί ο απαιτούμενος φωτεινός εξωτερικός δακτύλιος στο ενιαίο σημείο-LED. Το μοντέλο φακού στη συνέχεια εισήχθη σε λογισμικό οπτικής προσομοίωσης (π.χ. LightTools) για αυστηρή ανάλυση.
3. Αποτελέσματα και Ανάλυση
3.1 Μονό LED-Προομοίωση φακού
Η προσομοίωση ανίχνευσης ακτίνων-με τη μέθοδο Monte Carlo πραγματοποιήθηκε στον σχεδιασμένο φακό που συνδυάστηκε με το μοντέλο LED. Η προκύπτουσα κατανομή PPFD στο επίπεδο στόχου (Εικόνα 5) έδειξε εξαιρετική συμφωνία με τη θεωρητικά βελτιστοποιημένη κατανομή στόχου από την Ενότητα 2.2, επιβεβαιώνοντας την εγκυρότητα του σχεδιασμού.
3.2 Απόδοση Full Lamp Tube
Μια συστοιχία 25 μονάδων φακών LED- σε απόσταση 48 mm διαμορφώθηκε για να προσομοιώσει τον πλήρη σωλήνα λαμπτήρα μήκους 1,2 m. Η προσομοιωμένη κατανομή PPFD στο επίπεδο καλλιέργειας 30 cm παρακάτω φαίνεται στο Σχήμα 6. Τα αποτελέσματα δείχνουν ένα ευρύ, εξαιρετικά ομοιόμορφο πεδίο φωτός με μια απότομη αποκοπή στις άκρες. Το πλάτος καλύπτει άνετα το ράφι στόχου 60 cm. Είναι σημαντικό ότι ο υπολογισμένος θεωρητικός λόγος χρήσης ενέργειας – που ορίζεται ως το PPF στο ράφι διαιρούμενο με το συνολικό PPF που εκπέμπεται από τα LED – υπερβαίνει το 92%. Αυτό υποδηλώνει ότι πάνω από το 92% των φωτοσυνθετικά ενεργών φωτονίων που παράγονται από τα LED παραδίδονται απευθείας στο θόλο της εγκατάστασης, μειώνοντας δραστικά τη διαρροή και τη σπατάλη ενέργειας σε σύγκριση με τα συμβατικά σχέδια.
3.3 Επεκτασιμότητα για εκτεταμένες ρυθμίσεις
Σε πρακτικές κατακόρυφες φάρμες, τα ράφια καλλιέργειας είναι συχνά διατεταγμένα-με- σε μεγάλες σειρές. Η προσομοιωμένη κατανομή PPFD από έναν μόνο λαμπτήρα δείχνει ελαφρώς κωνικά άκρα. Όταν δύο ή περισσότεροι λαμπτήρες τοποθετούνται από άκρο--, οι κατανομές PPFD τους επικαλύπτονται και αλληλοσυμπληρώνονται σε αυτές τις μεταβατικές ζώνες. Η προσομοίωση δύο συνδεδεμένων λαμπτήρων (Εικόνα 7) επιβεβαιώνει ότι οι επικαλυπτόμενες περιοχές ενισχύουν την ομοιομορφία, με αποτέλεσμα ένα απρόσκοπτα ομοιόμορφο πεδίο φωτός σε μια εκτεταμένη διαμήκη περιοχή.
3.4 Πειραματικό πρωτότυπο και επικύρωση
Ένας πρωτότυπος λαμπτήρας κατασκευάστηκε με βάση το σχέδιο, συμπεριλαμβανομένων χυτευμένων-φακών χωρίς μορφή, ψύκτρας διέλασης αλουμινίου και ακραίων καλυμμάτων. Οι φωτογραφίες του πρωτοτύπου και του φωτισμένου σημείου του (Εικόνα 8) επιβεβαιώνουν οπτικά το προσομοιωμένο πλατύ και ομοιόμορφο μοτίβο φωτός.
Οι πειραματικές μετρήσεις απέδωσαν ισχυρές μετρήσεις απόδοσης:
Υψηλή απόδοση:Η απόδοση του συστήματος ξεπέρασε το 92%, με πάνω από το 86% των φωτοσυνθετικών φωτονίων της πηγής να προσπίπτουν στο επίπεδο καλλιέργειας.
Υψηλή ομοιομορφία:Ο λόγος του ελάχιστου προς το μέσο PPFD στο επίπεδο στόχο ήταν μεγαλύτερος από 82%, υποδεικνύοντας εξαιρετική χωρική ομοιομορφία κρίσιμη για τη συνεπή ανάπτυξη των φυτών.
4. Συζήτηση και Συμπέρασμα
Ο σχεδιασμός και η υλοποίηση αυτής της υψηλής-αποτελεσματικότητας, υψηλής-ομοιομορφίαςLED ανάπτυξη φυτώνΗ λάμπα αντιμετωπίζει πολλά βασικά σημεία πόνου στην κάθετη γεωργία:
Μείωση κόστους:Επιτρέποντας ομοιόμορφη κάλυψη με έναν μόνο κεντρικό σωλήνα λαμπτήρα ανά ράφι, ο σχεδιασμός μειώνει σημαντικά τον αριθμό των εξαρτημάτων που απαιτούνται ανά στρώμα καλλιέργειας, μειώνοντας την αρχική κεφαλαιουχική δαπάνη (CapEx) και το κόστος συνεχούς συντήρησης.
Εξοικονόμηση ενέργειας: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% χρήση ενέργειας, μεταφράζεται άμεσα σε χαμηλότερη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και λειτουργικά έξοδα (OpEx).
Βελτιωμένη ποιότητα καλλιέργειας:Η υψηλή ομοιομορφία PPFD διασφαλίζει ότι όλα τα φυτά λαμβάνουν ισοδύναμα επίπεδα φωτός, προάγοντας τη σταθερή ανάπτυξη, ωρίμανση και ποιότητα. Αυτό μειώνει τη μεταβλητότητα της απόδοσης και την επακόλουθη ανάγκη για εργασία-εντατική ταξινόμηση.
Λειτουργική απλότητα:Ένας ενιαίος λαμπτήρας που βρίσκεται σε κεντρική τοποθεσία είναι ευκολότερος στην εγκατάσταση, τον καθαρισμό και το σέρβις σε σύγκριση με πολλά φωτιστικά, απλοποιώντας τη διαχείριση του αγροκτήματος.
Αυτή η εργασία καταδεικνύει την ισχυρή εφαρμογή προηγμένων αρχών οπτικού σχεδιασμού, ειδικά της θεωρίας του Ψηφιακού Φωτεινού Πεδίου και της κατασκευής επιφανειών ελεύθερης-μορφής, στις προκλήσεις της γεωργίας. Η "μέθοδος επιφάνειας δευτερεύουσας πηγής" αποδείχθηκε αποτελεσματική στο σχεδιασμό ενός συμπαγούς φακού-υψηλής απόδοσης προσαρμοσμένου για εκτεταμένηΠηγή LED. Το προκύπτον σύστημα λαμπτήρων ανάπτυξης φυτών μετατρέπει επιτυχώς την έξοδο φωτός από μια γραμμική συστοιχία LED σε μια ευρεία κατανομή-όπως η οποία υπερτίθεται σε ένα εξαιρετικά ομοιόμορφο πεδίο.
Συμπερασματικά, η ενσωμάτωση του ψηφιακού οπτικού σχεδιασμού με την τεχνολογία LED ανοίγει το δρόμο για την επόμενη γενιά αγροτικού φωτισμού ακριβείας. Ο σχεδιασμός του λαμπτήρα που παρουσιάζεται εδώ προσφέρει μια συναρπαστική λύση για κάθετες φάρμες, συνδυάζοντας υψηλή απόδοση διανομής φωτονίων, ανώτερη χωρική ομοιομορφία και οικονομικά οφέλη. Μελλοντικές εργασίες ενδέχεται να διερευνήσουν την προσαρμογή αυτής της μεθοδολογίας για διαφορετικές διαστάσεις ραφιών, τη βελτιστοποίηση φασμάτων για συγκεκριμένες καλλιέργειες και την περαιτέρω ενσωμάτωση έξυπνων ελέγχων για συνταγές δυναμικού φωτισμού, συμβάλλοντας τελικά σε πιο βιώσιμα και παραγωγικά συστήματα αστικής γεωργίας.
Αναφορές
[1] Liu Wenke.Φυσιολογία Ποιότητας Φωτός Φυτών και Ρύθμισή του σε Εργοστάσια Φυτών[Μ]. Πεκίνο: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] Τσενγκ Γινγκ.Έρευνα για τη μέθοδο σχεδίασης και την εφαρμογή της οπτικής επιφάνειας ελεύθερης μορφής[ΡΕ]. Tianjin: Πανεπιστήμιο Tianjin, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, et al. Σχεδιασμός οπτικών συστημάτων απεικόνισης επιφανειών ελεύθερης μορφής: Θεωρία, ανάπτυξη και εφαρμογή [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Γιν Σία.Έρευνα σχετικά με την τρισδιάστατη μέθοδο οπτικής σχεδίασης-μη{1}}μη απεικόνισης για πηγές LED[ΡΕ]. Hangzhou: China Jiliang University, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Ένας-τοίχος εξοικονόμησης ενέργειας-Εναρμοσμένος λαμπτήρας ανάπτυξης φυτών που έχει σχεδιαστεί με βάση τη μη{4}}ψηφιακή θεωρία φωτεινού πεδίου χωρίς απεικόνιση [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Αναπτυξιακή Εμπειρία και Διαφωτισμός της Ξένης Κάθετης Γεωργίας [J].Αγροτική Οικονομία και Επιστήμη-Τεχνολογία, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lights-for-houseplants.html
