Disinn ta' Lampi LED għat-Tkabbir tal-Pjanti ta'-Effiċjenza Għolja u ta'-Uniformità Għolja għall-Biedja Vertikali
Astratt
Bit-tkabbir mgħaġġel tal-popolazzjoni globali u ż-żieda fl-urbanizzazzjoni, is-sigurtà tal-ikel saret sfida dinjija urġenti. Metodi agrikoli innovattivi huma meħtieġa b'mod urġenti biex itejbu r-rendiment tal-għelejjel u l-kwalità nutrizzjonali fi spazju u riżorsi limitati. Fost dawn, l-Agrikoltura tal-Ambjent Kontrollat (CEA), partikolarment il-biedja vertikali, ħarġet bħala soluzzjoni promettenti. Komponent kritiku tas-sistemi tal-biedja vertikali huwa d-dawl artifiċjali, li jissostitwixxi jew jissupplimenta d-dawl tax-xemx naturali biex imexxi l-fotosintesi. Dajodi li jarmu d-dawl (LEDs) saru s-sors tad-dawl preferut minħabba l-effiċjenza enerġetika, il-lonġevità, l-irregolarità spettrali u r-radjazzjoni termali baxxa tagħhom. Madankollu, l-iskjerament effettiv tad-dawl LED f'farms vertikali b'ħafna-saffi jitlob mhux biss effikaċja għolja tal-fotoni fotosintetiċi iżda wkoll uniformità spazjali eċċezzjonali tad-distribuzzjoni tad-dawl madwar il-kanupew tal-pjanti. Illuminazzjoni mhux-uniformi tista' twassal għal tkabbir irregolari tal-pjanti, tnaqqis fil-produzzjoni ġenerali, u ħela ta' enerġija. Dan l-artikolu jidħol f'disinn ottiku ġdid għalTkabbir tal-pjanti LEDlampi bbażati fuq it-teorija tal-Qasam tad-Dawl Diġitali, li tutilizza lenti tal-wiċċ tal-forma ħielsa tad-dwana- biex tikseb distribuzzjoni uniformi ħafna tad-densità tal-fluss tal-fotoni (PPFD) fuq il-pjan ta 'kultivazzjoni bl-użu ta' tubu tal-lampa wieħed, immuntat ċentralment, u b'hekk jiġu indirizzati sfidi ekonomiċi u operattivi ewlenin fil-biedja vertikali.
1. Introduzzjoni
Il-biedja vertikali tirrappreżenta bidla fil-paradigma fil-produzzjoni agrikola, li tinvolvi l-kultivazzjoni ta 'uċuħ tar-raba' f'saffi f'munzelli vertikali, ħafna drabi fi ħdan bini jew ambjenti kkontrollati. Dan il-metodu jimmassimizza l-effiċjenza fl-użu tal-art, inaqqas il-konsum tal-ilma, jimminimizza l-użu tal-pestiċidi, u jippermetti l-produzzjoni lokali tal-ikel fiż-żoni urbani. Pedament ta' din it-teknoloġija huwa l-kontroll preċiż ta' l-ambjent tat-tkabbir, bid-dawl ikun wieħed mill-aktar fatturi kruċjali u intensivi fl-enerġija-.
Tkabbir tal-pjanti bbażat-LEDlampi joffru vantaġġi sinifikanti fuq id-dawl tradizzjonali, bħal lampi tas-sodju bi pressjoni għolja-(HPS), inklużi l-ispeċifiċità spettrali, id-dimmability, u l-ħruġ tad-dawl direzzjonali. L-għan ottiku primarju għal bozoz bħal dawn f'irziezet vertikali huwa li jagħti PPFD uniformi - in-numru ta 'fotoni fotosintetikament attivi li jaslu għal kull unità ta' żona kull sekonda - madwar it-trej kollu tal-kultivazzjoni. Il-kisba ta 'uniformità għolja tiżgura rati ta' tkabbir konsistenti u kwalità għall-pjanti kollha, filwaqt li timminimizza l-ħtieġa għall-għażla u l-gradazzjoni.
B'mod konvenzjonali, l-uniformità għolja tiġi segwita billi jiġu skjerati tubi multipli tal-lampi ħdejn-maġenb-fuq pjan wieħed ta' kultivazzjoni. Filwaqt li huwa effettiv, dan l-approċċ b'ħafna-lampi għandu diversi żvantaġġi: spiża kapitali inizjali għolja minħabba n-numru kbir ta' attrezzaturi, ħela sinifikanti ta' enerġija minn tixrid ħafif lil hinn miż-żona fil-mira (speċjalment fit-truf), u żieda fil-kumplessità u l-ispiża tal-manutenzjoni. Għalhekk, alternattiva konvinċenti hija li tiddisinja sistema ottika li tippermetti awaħdienitubu tal-lampa biex jipproduċi distribuzzjoni uniformi tal-PPFD fuq wisa' standard ta' kultivazzjoni (eż., 60 ċm). Dan l-approċċ iwiegħed li jżomm il-benefiċċji kollha ta 'Dawl LEDfilwaqt li jittaffew il-kwistjonijiet tal-ispiża, l-iskart tal-enerġija, u l-manutenzjoni. Dan id-dokument jippreżenta d-disinn, is-simulazzjoni, u l-validazzjoni sperimentali ta' sistema bħal din, billi tuża lenti ta' -forma ħielsa mfassla permezz tal-metodoloġija tal-Qasam tad-Dawl Diġitali.
2. Metodoloġija: Qasam Dawl Diġitali u Disinn Ottiku
2.1 Il-Kunċett tal-Qasam tad-Dawl Diġitali
Kwantitajiet fotometriċi tradizzjonali bħall-illuminanza u l-intensità luminuża jiddeskrivu d-densità tal-fluss luminuż fuq wiċċ jew f'angolu solidu. Filwaqt li huma essenzjali għall-evalwazzjoni, ma jwasslux direttament għall-proċess ta 'disinn invers ta' uċuħ ottiċi. It-teorija tal-kamp tad-dawl diġitali tipprovdi qafas aktar fundamentali. Tinvolvi d-diskrezzjoni tal-ispazju tal-kamp ottiku f'mikroelementi. Kull element huwa kkaratterizzat minn kon tad-dawl li jgħaddi minnu u l-vettur normali tal-wiċċ tiegħu. Il-kamp tad-dawl ġenerali huwa deskritt b'funzjoni ta' kamp tad-dawl diġitali mhux tal--immaġini (NDLFF). Din id-diġitalizzazzjoni tittrasforma l-problema tad-disinn ottiku f'waħda ta' manipulazzjoni tal-NDLFF fuq wiċċ fil-mira permezz tal-użu ta' wiċċ ottiku wieħed jew aktar, bħal lentijiet ta'-forma ħielsa. Dan il-metodu, żviluppat minn Xingye Optical Technology, jippermetti kontroll preċiż fuq id-distribuzzjoni tal-irradjanza u l-intensità, li jagħmilha partikolarment adattata għal kompiti kumplessi ta 'disinn tad-dawl.
2.2 Sors, Layout, u Ottimizzazzjoni tad-Distribuzzjoni fil-Mira
Il-proċess tad-disinn jibda billi jiddefinixxi s-sors tad-dawl u l-mira. Is-sors magħżul huwa ppakkjat ta'-qawwa għolja 3535LEDb'lenti koppla. Għal xkaffa ta 'kultivazzjoni tipika, il-mira hija pjan li jinsab 30 ċm taħt il-lampa, b'wisa' li jaqbeż ftit is-60 ċm. It-tubu tal-lampa jinkludi 25 LED bħal dawn spazjati 48 mm 'il bogħod minn xulxin f'ringiela waħda, li jirriżultaw f'tul totali ta' 1.2 m.
Pass kritiku huwa d-determinazzjoni tad-distribuzzjoni ottimali tal-PPFD li awaħdieniIl-kombinazzjoni ta' lenti-LED għandha tipproduċi fuq il-pjan fil-mira. Jekk kull LED joħloq post uniformi sempliċi, b'rotazzjoni simmetrika, is-superpożizzjoni ta '25 spot bħal dawn mill-firxa lineari tirriżulta f'distribuzzjoni ta' "ċentru qawwi, truf skuri" minħabba s-superpożizzjoni. Għalhekk, id-distribuzzjoni ideali-LED għandha tikkumpensa għal dan. Minflok soluzzjonijiet analitiċi kumplessi, ġie użat approċċ ta 'ottimizzazzjoni numerika bl-użu ta' MATLAB.
Id-distribuzzjoni PPFD waħda-LED ġiet immudellata bħala funzjoni normalizzata b'rotazzjoni simmetrika P(r), fejn r hija d-distanza radjali miċ-ċentru tal-post. Iż-żona fil-mira kienet diskretizzata, u P(r) ġiet ittrattata bħala varjabbli ta 'ottimizzazzjoni. L-għan ta 'ottimizzazzjoni kien li timminimizza l-varjanza tad-distribuzzjoni totali tal-PPFD li tirriżulta mis-superpożizzjoni ta' 25 LED fil-pożizzjonijiet fissi tagħhom. Ir-riżultat ottimizzat, muri fil-Figura 3 tal-karta oriġinali, jiżvela distribuzzjoni kontro-intuwittiva "ċentru skur, periferija qawwi" għall-LED wieħed. Din id-distribuzzjoni unika tiżgura li meta spots LED multipli jikkoinċidu, jimlew ir-reġjuni dimmer ta 'xulxin, li jilħqu l-qofol tagħhom f'distribuzzjoni ġenerali uniformi ħafna fuq il-pjan ta' kultivazzjoni.
2.3 -Disinn tal-Lenti tal-Formola Ħieles permezz tal-"Metodu tas-Surface tas-Sors Sekondarju"
Biex tinkiseb id-distribuzzjoni ottimizzata tal-PPFD deskritta hawn fuq, ġiet iddisinjata lenti ta'-forma ħielsa. Lentijiet sferiċi konvenzjonali m'għandhomx il-gradi ta 'libertà għal kontroll preċiż bħal dan. Id-disinn impjega l-"Metodu tal-wiċċ tas-sors sekondarju" ta 'Xingye Optics, teknika msejsa fit-teorija tal-Qasam tad-Dawl Diġitali li taħdem direttament b'sorsi estiżi (aktar milli tissimplifikahom għal sorsi ta' punt), li tiżgura preċiżjoni għolja anke għal sistemi ottiċi kompatti.
Il-lenti ddisinjata għandha wiċċ lixx, mingħajr forma-simmetrika b'rotazzjoni-li tidderieġi mill-ġdid ir-raġġi tad-dawl bir-reqqa. Kif muri fil-Figura 4/5, ir-raġġi ewlenin mill-LED huma rifrattati f'angoli li jvarjaw, b'densità ogħla ta 'raġġi diretti lejn angoli akbar biex joħolqu ċ-ċirku ta' barra qawwi meħtieġ fil-post tal--LED wieħed. Il-mudell tal-lenti mbagħad ġie importat f'softwer ta 'simulazzjoni ottika (eż. LightTools) għal analiżi rigoruża.
3. Riżultati u Analiżi
3.1 Simulazzjoni ta' Lenti ta' LED Uniku-
Is-simulazzjoni tat-traċċar tar-Ray bl-użu tal-metodu Monte Carlo saret fuq il-lenti ddisinjata mqabbda mal-mudell LED. Id-distribuzzjoni PPFD li tirriżulta fuq il-pjan fil-mira (Figura 5) wriet qbil eċċellenti mad-distribuzzjoni tal-mira teoretikament ottimizzata mit-Taqsima 2.2, li tikkonferma l-validità tad-disinn.
3.2 Prestazzjoni sħiħa tat-tubu tal-lampa
Array ta' 25 LED-unità tal-lenti spazjati 48 mm 'il bogħod minn xulxin ġiet immudellata biex tissimula t-tubu tal-lampa komplut ta' 1.2 m. Id-distribuzzjoni simulata tal-PPFD fuq il-pjan tal-kultivazzjoni 30 ċm hawn taħt tidher fil-Figura 6. Ir-riżultati juru kamp ħafif wiesa 'u uniformi ħafna b'qtugħ qawwi fit-truf. Il-wisa 'tkopri bil-kumdità l-ixkaffa fil-mira ta' 60 ċm. B'mod kruċjali, il-proporzjon tal-użu tal-enerġija teoretiku kkalkulat - definit bħala l-PPF fuq l-ixkaffa diviż bil-PPF totali emess mill-LEDs - jaqbeż it-92%. Dan jindika li aktar minn 92% tal-fotoni fotosintetikament attivi ġġenerati mill-LEDs huma kkunsinnati direttament lill-kanupew tal-pjanti, u b'hekk tnaqqas drastikament it-tixrid u l-ħela tal-enerġija meta mqabbla ma 'disinji konvenzjonali.
3.3 Skalabbiltà għal Setups Estiżi
F'farms vertikali prattiċi, l-ixkafef tal-kultivazzjoni ħafna drabi huma rranġati tarf-sa-f'ringieli twal. Id-distribuzzjoni simulata tal-PPFD minn lampa waħda turi truf kemmxejn għax-xejn. Meta żewġ lampi jew aktar jitqiegħdu minn tarf-sa-tarf, id-distribuzzjonijiet PPFD tagħhom jikkoinċidu u jikkumplimentaw lil xulxin f'dawn iż-żoni tranżizzjonali. Is-simulazzjoni ta 'żewġ lampi konnessi (Figura 7) tikkonferma li ż-żoni li jikkoinċidu jsaħħu l-uniformità, li jirriżultaw f'kamp ta' dawl uniformi bla xkiel fuq żona lonġitudinali estiża.
3.4 Prototip u Validazzjoni Sperimentali
Lampa prototip ġiet iffabbrikata abbażi tad-disinn, inklużi lentijiet iffurmati b'forma ħielsa-, heatsink tal-estrużjoni tal-aluminju, u tappijiet tat-tarf. Ritratti tal-prototip u l-post illuminat tiegħu (Figura 8) jikkorroboraw viżwalment il-mudell tad-dawl wiesa 'u uniformi simulat.
Il-kejl sperimentali ta metriċi ta' prestazzjoni b'saħħithom:
Effiċjenza Għolja:L-effiċjenza tas-sistema qabżet it-92%, b'aktar minn 86% tal-fotoni fotosintetiċi tas-sors inċidentali fuq il-pjan tal-kultivazzjoni.
Uniformità Għolja:Il-proporzjon tal-PPFD minimu għall-medja fuq il-pjan fil-mira kien akbar minn 82%, li jindika uniformità spazjali eċċellenti kritika għat-tkabbir konsistenti tal-pjanti.
4. Diskussjoni u Konklużjoni
Id-disinn u l-implimentazzjoni ta' din l--effiċjenza għolja,-uniformità għoljaTkabbir tal-pjanti LEDlampa tindirizza diversi punti ewlenin ta 'uġigħ fil-biedja vertikali:
Tnaqqis fl-Ispejjeż:Billi tippermetti kopertura uniformi b'tubu tal-lampa ċentrali wieħed għal kull xkaffa, id-disinn inaqqas b'mod sinifikanti n-numru ta 'attrezzaturi meħtieġa għal kull saff ta' kultivazzjoni, inaqqas in-nefqa kapitali inizjali (CapEx) u l-ispejjeż ta 'manutenzjoni kontinwi.
Iffrankar tal-Enerġija: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% tal-użu tal-enerġija, jissarraf direttament f'inqas konsum tal-elettriku u spejjeż operattivi (OpEx).
Kwalità Mtejba tal-Uċuħ tar-Rabat:Uniformità għolja PPFD tiżgura li l-pjanti kollha jirċievu livelli ta 'dawl ekwivalenti, li jippromwovu tkabbir, maturazzjoni u kwalità konsistenti. Dan inaqqas il-varjabbiltà tar-rendiment u l-ħtieġa sussegwenti għal għażla intensiva ta' xogħol-.
Sempliċità Operattiva:Lampa waħda, li tinsab ċentralment hija aktar faċli biex tinstalla, tnaddaf u tisservi meta mqabbla ma 'tagħmir multipli, u tissimplifika l-ġestjoni tar-razzett.
Dan ix-xogħol juri l-applikazzjoni qawwija ta' prinċipji avvanzati tad-disinn ottiku, speċifikament it-teorija tal-Qasam tad-Dawl Diġitali u l-manifattura tal-wiċċ ta'-forma ħielsa, għall-isfidi agritech. Il-"metodu tas-superfiċje tas-sors sekondarju" wera li kien effettiv fit-tfassil ta' lenti kompatta, ta'-prestazzjoni għolja mfassla apposta għal estiżSors LED. Is-sistema tal-lampa tat-tkabbir tal-pjanti li tirriżulta b'suċċess tittrasforma l-output tad-dawl minn firxa LED lineari f'distribuzzjoni wiesgħa, -bħal tal-batwing li tissuperponi f'qasam uniformi ħafna.
Bħala konklużjoni, l-integrazzjoni tad-disinn ottiku diġitali mat-teknoloġija LED twitti t-triq għall-ġenerazzjoni li jmiss ta 'dawl agrikolu ta' preċiżjoni. Id-disinn tal-bozza ppreżentat hawnhekk joffri soluzzjoni konvinċenti għall-irziezet vertikali, li jgħaqqad effiċjenza għolja fil-kunsinna tal-fotoni, uniformità spazjali superjuri u benefiċċji ekonomiċi. Ix-xogħol fil-ġejjieni jista’ jesplora l-adattament ta’ din il-metodoloġija għal dimensjonijiet differenti ta’ l-ixkaffa, l-ottimizzazzjoni ta’ l-ispettri għal uċuħ tar-raba’ speċifiċi, u l-integrazzjoni ulterjuri ta’ kontrolli intelliġenti għal riċetti ta’ dawl dinamiċi, li fl-aħħar mill-aħħar tikkontribwixxi għal sistemi ta’ agrikoltura urbana aktar sostenibbli u produttivi.
Referenzi
[1] Liu Wenke.Il-Fiżjoloġija tal-Kwalità tad-Dawl tal-Pjanti u r-Regolament tagħha fil-Fabbriki tal-Pjanti[M]. Beijing: Istampa taċ-Ċina dwar ix-Xjenza u t-Teknoloġija Agrikola, 2019.
[2] Cheng Ying.Riċerka dwar il-Metodu tad-Disinn u l-Applikazzjoni tal-wiċċ Ottiku Freeform[D]. Tianjin: Tianjin University, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, et al. Disinn ta' sistemi ottiċi ta' immaġini tal-wiċċ ta' forma ħielsa: Teorija, żvilupp u applikazzjoni [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Riċerka dwar Metodu ta' Disinn Ottiku mhux-Tliet Dimensjonali għal Sorsi LED[D]. Hangzhou: China Jiliang University, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Lampa għat-Tkabbir tal-Pjanti Mmuntata -Ħajt-Muntat għall-Iffrankar tal-Enerġija Iddisinjat Ibbażat fuq Teorija tal-Qasam tad-Dawl Diġitali mhux ta'-immaġini [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Esperjenza ta' Żvilupp u Kjarifika tal-Agrikoltura Vertikali Barranija [J].Ekonomija Rurali u Xjenza-Teknoloġija, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lights-for-houseplants.html
