Kõrge-tõhusate ja{1}}ühtlaste LED-taimekasvatuslampide disain vertikaalseks põlluharimiseks
Abstraktne
Maailma rahvastiku kiire kasvu ja üha suureneva linnastumisega on toiduga kindlustatusest saanud ülemaailmne pakiline väljakutse. Kiiresti on vaja uuenduslikke põllumajandusmeetodeid, et parandada põllukultuuride saagikust ja toiteväärtust piiratud ruumis ja ressurssides. Nende hulgas on paljulubava lahendusena esile kerkinud kontrollitud keskkonnapõllumajandus (CEA), eriti vertikaalne põllumajandus. Vertikaalsete põllumajandussüsteemide kriitiline komponent on kunstlik valgustus, mis asendab või täiendab loomulikku päikesevalgust fotosünteesi käivitamiseks. Valgusdioodid (LED) on muutunud eelistatud valgusallikaks nende energiatõhususe, pikaealisuse, spektraalse häälestatavuse ja madala soojuskiirguse tõttu. LED-valgustuse tõhus kasutamine mitmekihilistes vertikaalsetes taludes ei nõua aga mitte ainult kõrget fotosünteesi footoni efektiivsust, vaid ka valguse jaotumise erakordset ruumilist ühtlust taimevõradel. Ebaühtlane{8}}valgustus võib põhjustada taimede ebaühtlast kasvu, vähendada üldist saagikust ja raisata energiat. See artikkel käsitleb uudset optilist disainiLED taimekasvlambid, mis põhinevad digitaalse valgusvälja teoorial, mis kasutab kohandatud vaba -kujulist pinnaobjektiivi, et saavutada kultiveerimistasandil väga ühtlane fotosünteetilise fotonivoo tiheduse (PPFD) jaotus, kasutades ühte tsentraalselt paigaldatud lambitoru, lahendades sellega vertikaalse põllumajanduse peamised majanduslikud ja tööprobleemid.
1. Sissejuhatus
Vertikaalne põllumajandus kujutab endast paradigma muutust põllumajandustootmises, mis hõlmab põllukultuuride kasvatamist vertikaalselt virnastatud kihtidena, sageli hoonetes või kontrollitud keskkonnas. See meetod maksimeerib maakasutuse tõhusust, vähendab veetarbimist, minimeerib pestitsiidide kasutamist ja võimaldab linnapiirkondades kohalikku toidutootmist. Selle tehnoloogia nurgakiviks on kasvukeskkonna täpne juhtimine, kusjuures valgustus on üks olulisemaid ja energiamahukamaid tegureid.
LED{0}}põhine taimekasvlambid pakuvad traditsioonilise valgustuse (nt kõrgrõhunaatriumlampide (HPS){0}) ees olulisi eeliseid, sealhulgas spektri spetsiifilisus, hämardatavus ja suunatav valguse väljund. Selliste lampide esmane optiline eesmärk vertikaalsetes farmides on tagada ühtlane PPFD – pinnaühiku kohta sekundis saabuvate fotosünteetiliselt aktiivsete footonite arv – kogu kultiveerimisaluse ulatuses. Kõrge ühtluse saavutamine tagab ühtlase kasvukiiruse ja kvaliteedi kõikidele taimedele, minimeerides sortimise ja liigitamise vajaduse.
Tavaliselt saavutatakse kõrge ühtlus, paigutades ühe kultiveerimistasandi kohale mitu lambitoru kõrvuti--kõrvuti. Kuigi sellel mitmelambilisel-lambil lähenemisviisil on tõhus, on sellel mitmeid puudusi: suur algkapitali maksumus, mis on tingitud valgustite suurest arvust, märkimisväärne energiaraiskamine valguse lekkimisel sihtpiirkonnast kaugemale (eriti servades) ning suurem hoolduse keerukus ja maksumus. Seetõttu on kaalukas alternatiiv kavandada optiline süsteem, mis võimaldab avallalinelambitoru, et saavutada ühtlane PPFD jaotus standardsel kultiveerimislaiusel (nt 60 cm). See lähenemine lubab säilitada kõik eelisedLED valgustusleevendades samal ajal kulude, energia raiskamise ja hooldusega seotud probleeme. See artikkel tutvustab sellise süsteemi kavandamist, simuleerimist ja eksperimentaalset valideerimist, kasutades digitaalse valgusvälja metoodika alusel loodud vaba-kujulist objektiivi.
2. Metoodika: digitaalne valgusväli ja optiline disain
2.1 Digitaalse valgusvälja kontseptsioon
Traditsioonilised fotomeetrilised suurused, nagu valgustus ja valgustugevus, kirjeldavad valgusvoo tihedust pinnal või ruuminurga piires. Kuigi need on hindamiseks olulised, ei soodusta need otseselt optiliste pindade pöördkujundamise protsessi. Digitaalne valgusvälja teooria pakub põhjalikumat raamistikku. See hõlmab optilise välja ruumi diskretiseerimist mikroelementideks. Iga elementi iseloomustab seda läbiv valguskoonus ja selle pinnanormaalvektor. Üldist valgusvälja kirjeldab mitte-kujutiste digitaalse valgusvälja funktsioon (NDLFF). See digitaliseerimine muudab optilise disaini probleemi NDLFF-i manipuleerimiseks sihtpinnal ühe või mitme optilise pinna, näiteks vabakujuliste{7}}objektiivide kasutamisega. See meetod, mille on välja töötanud Xingye Optical Technology, võimaldab täpselt juhtida kiirgustiheduse ja intensiivsuse jaotust, muutes selle eriti sobivaks keerukate valgustusprojektide jaoks.
2.2 Allika, paigutuse ja sihtjaotuse optimeerimine
Disainiprotsess algab valgusallika ja sihtmärgi määratlemisega. Valitud allikaks on suure-võimsusega 3535-pakettLEDkuppelläätsega. Tüüpilise kultiveerimisriiuli puhul on sihiks 30 cm lambi all asuv tasapind, mille laius on veidi üle 60 cm. Lambitoru koosneb 25 sellisest LED-ist, mis asuvad üksteisest 48 mm kaugusel ühes reas, mille kogupikkus on 1,2 m.
Kriitiline samm on optimaalse PPFD jaotuse kindlaksmääramine, mida avallalineLED{0}}-objektiivide kombinatsioon peaks tootma sihttasandil. Kui iga LED loob lihtsa, pöörlemissümmeetrilise ühtlase täpi, tooks 25 sellise laigu lineaarsest massiivist superpositsioon tulemuseks kattumise tõttu "heleda keskpunkti, tumedate servade" jaotuse. Seetõttu peab ideaalne ühe-LED-jaotus seda kompenseerima. Keeruliste analüütiliste lahenduste asemel kasutati MATLAB-i abil numbrilise optimeerimise lähenemisviisi.
Üksik-LED PPFD jaotus modelleeriti normaliseeritud pöörlemissümmeetrilise funktsioonina P(r), kus r on radiaalne kaugus punkti keskpunktist. Sihtala diskreteeriti ja P(r) käsitleti optimeerimismuutujana. Optimeerimise eesmärk oli minimeerida PPFD kogujaotuse dispersioon, mis tuleneb 25 LED-i superpositsioonist nende fikseeritud positsioonides. Algse paberi joonisel 3 näidatud optimeeritud tulemus näitab ühe LED-i intuitiivset -tumedat keskpunkti, heledat perifeeria jaotust. See ainulaadne jaotus tagab, et kui mitu LED-punkti kattuvad, täidavad need üksteise hämarad alad, mis kulmineeruvad väga ühtlase üldise jaotusega kultiveerimistasandil.
2.3 Vaba-vormiline objektiivide kujundus "teisese allika pinnameetodi" kaudu
Ülalkirjeldatud optimeeritud PPFD jaotuse saavutamiseks töötati välja vaba{0}}kujuline objektiiv. Tavalistel sfäärilistel läätsedel puudub selliseks täpseks juhtimiseks vabadus. Disain kasutas Xingye Opticsi "sekundaarse allika pinna meetodit", mis on digitaalse valgusvälja teoorial põhinev tehnika, mis töötab otseselt laiendatud allikatega (selle asemel, et lihtsustada neid punktallikateks), tagades suure täpsuse isegi kompaktsete optiliste süsteemide jaoks.
Disainitud objektiivil on sile, mitte-pöörlemissümmeetriline vaba-vormiline pind, mis suunab valguskiiri hoolikalt ümber. Nagu on näidatud joonisel 4/5, murduvad LED-i peamised kiired erinevate nurkade all, kusjuures kiirte suurem tihedus on suunatud suuremate nurkade poole, et luua ühes LED-punktis vajalik hele välimine rõngas. Seejärel imporditi objektiivi mudel täpseks analüüsiks optilisse simulatsioonitarkvarasse (nt LightTools).
3. Tulemused ja analüüs
3.1 Ühe LED-iga-objektiivi simulatsioon
Kiir{0}}jälgimise simulatsioon Monte Carlo meetodil viidi läbi disainitud objektiiviga, mis oli ühendatud LED-mudeliga. Saadud PPFD jaotus sihttasapinnal (joonis 5) näitas suurepärast kooskõlastatust teoreetiliselt optimeeritud sihtjaotusega jaotisest 2.2, kinnitades disaini paikapidavust.
3.2 Lambi toru täielik jõudlus
Kogu 1,2-meetrise lambitoru simuleerimiseks modelleeriti 25 LED--läätseplokki, mis paiknesid üksteisest 48 mm kaugusel. Simuleeritud PPFD jaotus kultiveerimistasandil 30 cm allpool on näidatud joonisel 6. Tulemused näitavad laia, väga ühtlast valgusvälja, mille servades on terav piir. Laius katab mugavalt 60 cm sihtriiuli. Oluline on see, et arvutatud teoreetiline energiakasutussuhe, mis on defineeritud kui riiulil olev PPF jagatuna LED-ide poolt kiiratava kogu PPF-iga, ületab 92%. See näitab, et üle 92% valgusdioodide tekitatud fotosünteetiliselt aktiivsetest footonitest toimetatakse otse taime võrasse, mis vähendab drastiliselt lekkeid ja energiaraiskamist võrreldes tavapäraste konstruktsioonidega.
3.3 Laiendatud seadistuste mastaapsus
Praktilistes vertikaalsetes taludes on harimisriiulid sageli paigutatud pikkade ridadena -otsa-otsani. Ühe lambi simuleeritud PPFD jaotus näitab veidi kitsenevaid otsasid. Kui kaks või enam lampi on paigutatud otsast-otsa-otsani, kattuvad nende PPFD jaotused ja täiendavad üksteist nendes üleminekutsoonides. Kahe ühendatud lambi simulatsioon (joonis 7) kinnitab, et kattuvad alad suurendavad ühtlust, mille tulemuseks on sujuvalt ühtlane valgusväli pikisuunalisel alal.
3.4 Eksperimentaalne prototüüp ja valideerimine
Lambi prototüüp valmistati selle disaini põhjal, mis hõlmas vormitud vaba{0}}läätsesid, alumiiniumist ekstrusioonradiaatorit ja otsakatteid. Fotod prototüübist ja selle valgustatud kohast (joonis 8) kinnitavad visuaalselt simuleeritud laia ja ühtlast valgusmustrit.
Eksperimentaalsed mõõtmised andsid tugevad jõudlusnäitajad:
Kõrge kasutegur:Süsteemi efektiivsus ületas 92%, kusjuures üle 86% allika fotosünteetilistest footonitest langes kultiveerimistasandile.
Kõrge ühtsus:Minimaalse ja keskmise PPFD suhe sihttasapinnal oli suurem kui 82%, mis näitab suurepärast ruumilist ühtlust, mis on taimede järjepideva kasvu jaoks kriitiline.
4. Arutelu ja järeldused
Selle suure{0}}tõhusa ja suure-ühtsuse disain ja rakendamineLED taimekasvlamp käsitleb vertikaalse põllumajanduse mitmeid peamisi valupunkte:
Kulude vähendamine:Võimaldades ühtlast katvust ühe keskse lambitoruga riiuli kohta, vähendab disain oluliselt kultiveerimiskihi kohta vajalike kinnitusdetailide arvu, vähendades algkapitalikulusid (CapEx) ja jooksvaid hoolduskulusid.
Energiasääst: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% energiakasutus, mis tähendab otseselt väiksemat elektritarbimist ja tegevuskulusid (OpEx).
Parem saagi kvaliteet:Kõrge PPFD ühtlus tagab, et kõik taimed saavad samaväärse valgustuse, soodustades ühtlast kasvu, küpsemist ja kvaliteeti. See vähendab saagikuse varieeruvust ja sellest tulenevat vajadust{1}}töömahuka sorteerimise järele.
Toimimise lihtsus:Võrreldes mitme valgustiga on ühtse, keskse asukohaga lampi lihtsam paigaldada, puhastada ja hooldada, mis lihtsustab farmi haldamist.
See töö demonstreerib täiustatud optilise disaini põhimõtete, täpsemalt digitaalse valgusvälja teooria ja vaba{0}}vormide pinnatootmise, võimsat rakendamist agritechi väljakutsetele. "Teisese allika pinna meetod" osutus tõhusaks kompaktse, suure jõudlusega-objektiivi kujundamisel, mis on kohandatud laiendatud objektiivideleLED allikas. Saadud taimekasvatuslampide süsteem muudab edukalt lineaarse LED-massiivi valguse laiaks, nahkhiire{1}}taoliseks jaotuseks, mis asetseb ülimalt ühtlaseks väljaks.
Kokkuvõtteks võib öelda, et digitaalse optilise disaini integreerimine LED-tehnoloogiaga sillutab teed järgmise põlvkonna põllumajanduslikule täppisvalgustusele. Siin esitatud lambi disain pakub kaalukat lahendust vertikaalsetele farmidele, ühendades endas kõrge footonite edastamise efektiivsuse, suurepärase ruumilise ühtluse ja majandusliku kasu. Edaspidine töö võib uurida selle metoodika kohandamist erinevate riiulimõõtmete jaoks, spektrite optimeerimist konkreetsete põllukultuuride jaoks ja dünaamiliste valgustusretseptide nutikate juhtimisseadmete täiendavat integreerimist, aidates lõpuks kaasa säästvamatele ja produktiivsematele linnapõllumajandussüsteemidele.
Viited
[1] Liu Wenke.Taimevalguse kvaliteedi füsioloogia ja selle reguleerimine taimetehastes[M]. Peking: Hiina põllumajandusteaduse ja -tehnoloogia ajakirjandus, 2019.
[2] Cheng Ying.Uuring projekteerimismeetodi ja optilise vabavormilise pinna rakendamise kohta[D]. Tianjin: Tianjini ülikool, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen jt. Vabakujuliste pinnakujutiste optiliste süsteemide projekteerimine: teooria, arendus ja rakendus [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.LED-allikate kolme-mitte{1}}pildistamise optilise disaini meetodi uurimine[D]. Hangzhou: Hiina Jiliangi ülikool, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Energiasäästlik-seina-paigaldatud taimekasvulamp, mis on loodud mittekujundava-digitaalse valgusvälja teooria põhjal [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Välismaise vertikaalse põllumajanduse arengukogemus ja valgustus [J].Maamajandus ja teadus{0}}tehnoloogia, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lights-for-houseplants.html
