Zasnova visoko{0}}učinkovitih in-enotnih LED svetilk za rast rastlin za vertikalno kmetovanje
Povzetek
S hitro rastjo svetovnega prebivalstva in naraščajočo urbanizacijo je prehranska varnost postala pereč svetovni izziv. Inovativne kmetijske metode so nujno potrebne za izboljšanje pridelka in prehranske kakovosti znotraj omejenega prostora in virov. Med njimi se je kot obetavna rešitev izkazalo kmetijstvo v nadzorovanem okolju (CEA), zlasti vertikalno kmetovanje. Ključna komponenta vertikalnih sistemov kmetovanja je umetna razsvetljava, ki nadomešča ali dopolnjuje naravno sončno svetlobo za spodbujanje fotosinteze. Svetleče-diode (LED) so postale prednostni vir svetlobe zaradi svoje energijske učinkovitosti, dolge življenjske dobe, spektralne nastavljivosti in nizkega toplotnega sevanja. Vendar pa učinkovita uporaba LED razsvetljave v več-slojnih vertikalnih farmah ne zahteva le visoke fotosintetske fotonske učinkovitosti, ampak tudi izjemno prostorsko enakomernost porazdelitve svetlobe po rastlinski krošnji. Ne-enakomerna osvetlitev lahko povzroči neenakomerno rast rastlin, zmanjšan skupni donos in izgubljeno energijo. Ta članek obravnava novo optično zasnovo zaLED rast rastlinsvetilke, ki temeljijo na teoriji digitalnega svetlobnega polja, ki uporablja površinsko lečo po meri-proste oblike za doseganje zelo enotne porazdelitve gostote toka fotosintetskih fotonov (PPFD) na ravnini pridelave z uporabo ene same, sredinsko nameščene cevi svetilke, s čimer obravnava ključne gospodarske in operativne izzive v vertikalnem kmetovanju.
1. Uvod
Vertikalno kmetovanje predstavlja spremembo paradigme v kmetijski proizvodnji, ki vključuje gojenje poljščin v navpično zloženih plasteh, pogosto znotraj zgradb ali nadzorovanih okolij. Ta metoda poveča učinkovitost rabe zemljišč, zmanjša porabo vode, zmanjša uporabo pesticidov in omogoči lokalno proizvodnjo hrane v urbanih območjih. Temelj te tehnologije je natančen nadzor okolja rasti, pri čemer je osvetlitev eden najbolj ključnih in energijsko-potratnih dejavnikov.
Rast rastlin-na podlagi LEDsvetilke nudijo znatne prednosti pred tradicionalno razsvetljavo, kot so visoko{0}}natrijeve (HPS) sijalke, vključno s spektralno specifičnostjo, zatemnitvijo in usmerjeno svetlobo. Primarni optični cilj za takšne svetilke v vertikalnih kmetijah je zagotoviti enoten PPFD – število fotosintetsko aktivnih fotonov, ki prispejo na enoto površine na sekundo – po celotnem pladnju za gojenje. Doseganje visoke enotnosti zagotavlja dosledne stopnje rasti in kakovost za vse rastline, kar zmanjšuje potrebo po sortiranju in razvrščanju.
Običajno si visoko enotnost prizadevamo z namestitvijo več cevi svetilk eno-ob-drugi nad eno ravnino gojenja. Čeprav je ta pristop z več-sijalkami učinkovit, ima več pomanjkljivosti: visoke začetne kapitalske stroške zaradi velikega števila napeljav, znatne izgube energije zaradi razlitja svetlobe izven ciljnega območja (zlasti na robovih) ter povečano zapletenost in stroške vzdrževanja. Zato je prepričljiva alternativa oblikovanje optičnega sistema, ki omogoča asamskicev svetilke za enakomerno porazdelitev PPFD po standardni širini gojenja (npr. 60 cm). Ta pristop obljublja ohranitev vseh prednostiLED osvetlitevhkrati pa ublaži težave s stroški, izgubo energije in vzdrževanjem. Ta članek predstavlja zasnovo, simulacijo in eksperimentalno validacijo takega sistema, ki uporablja lečo proste-oblike, zasnovano z metodologijo Digital Light Field.
2. Metodologija: digitalno svetlobno polje in optično načrtovanje
2.1 Koncept digitalnega svetlobnega polja
Tradicionalne fotometrične količine, kot sta osvetljenost in svetlobna jakost, opisujejo gostoto svetlobnega toka na površini ali znotraj prostorskega kota. Čeprav so bistvenega pomena za vrednotenje, ne prispevajo neposredno k inverznemu procesu oblikovanja optičnih površin. Teorija digitalnega svetlobnega polja zagotavlja bolj temeljni okvir. Vključuje diskretizacijo prostora optičnega polja v mikroelemente. Za vsak element je značilen svetlobni stožec, ki poteka skozi njega, in njegov površinski normalni vektor. Celotno svetlobno polje opisuje funkcija digitalnega svetlobnega polja brez-slikovanja (NDLFF). Ta digitalizacija spremeni problem optične zasnove v manipuliranje NDLFF na ciljni površini z uporabo ene ali več optičnih površin, kot so leče proste{7}}oblike. Ta metoda, ki jo je razvila optična tehnologija Xingye, omogoča natančen nadzor nad obsevanjem in porazdelitvijo intenzivnosti, zaradi česar je posebej primerna za zapletene naloge načrtovanja razsvetljave.
2.2 Optimizacija vira, postavitve in ciljne distribucije
Proces načrtovanja se začne z opredelitvijo vira svetlobe in cilja. Izbrani vir je visokozmogljiv-pakiran 3535LEDs kupolasto lečo. Za tipično polico za gojenje je tarča ravnina, ki se nahaja 30 cm pod svetilko, s širino, ki nekoliko presega 60 cm. Cev svetilke je sestavljena iz 25 takšnih LED diod, ki so v eni vrsti razmaknjene 48 mm druga od druge, kar pomeni skupno dolžino 1,2 m.
Ključni korak je določitev optimalne porazdelitve PPFD, ki asamskiLED{0}}kombinacija leč mora delovati na ciljni ravnini. Če vsaka LED ustvari preprosto, rotacijsko simetrično enakomerno točko, bi superpozicija 25 takšnih točk iz linearnega niza povzročila porazdelitev "svetlo središče, temni robovi" zaradi prekrivanja. Zato mora idealna posamezna-distribucija LED to nadomestiti. Namesto kompleksnih analitičnih rešitev je bil uporabljen pristop numerične optimizacije z uporabo MATLAB-a.
Porazdelitev PPFD z eno-LED diodo je bila modelirana kot normalizirana rotacijsko simetrična funkcija P(r), kjer je r radialna razdalja od središča točke. Ciljno območje je bilo diskretizirano, P(r) pa je bil obravnavan kot optimizacijska spremenljivka. Cilj optimizacije je bil čim bolj zmanjšati varianco celotne porazdelitve PPFD, ki izhaja iz superpozicije 25 LED na njihovih fiksnih položajih. Optimizirani rezultat, prikazan na sliki 3 izvirnega dokumenta, razkriva proti-intuitivno porazdelitev »temno središče, svetel obrobje« za posamezno LED. Ta edinstvena porazdelitev zagotavlja, da ko se več LED točk prekriva, zapolnijo zatemnjene regije druga druge, kar doseže vrhunec v zelo enakomerni splošni porazdelitvi na kultivacijski ravnini.
2.3 Oblikovanje objektiva proste{1}}oblike prek »metode površine sekundarnega vira«
Da bi dosegli zgoraj opisano optimizirano porazdelitev PPFD, je bila zasnovana-leča proste oblike. Običajnim sferičnim lečam primanjkuje stopenj svobode za tako natančen nadzor. Pri zasnovi je bila uporabljena "metoda sekundarne površine izvora" podjetja Xingye Optics, tehnika, ki temelji na teoriji digitalnega svetlobnega polja, ki neposredno deluje z razširjenimi viri (namesto da jih poenostavi na točkovne vire), kar zagotavlja visoko natančnost tudi za kompaktne optične sisteme.
Oblikovana leča ima gladko, ne-rotacijsko simetrično prosto-površino, ki natančno preusmerja svetlobne žarke. Kot je prikazano na sliki 4/5, se glavni žarki LED diode lomijo pod različnimi koti, pri čemer je večja gostota žarkov usmerjena proti večjim kotom, da se ustvari potreben svetel zunanji obroč v eni-točki LED. Model leče je bil nato uvožen v programsko opremo za optično simulacijo (npr. LightTools) za natančno analizo.
3. Rezultati in analiza
3.1 Simulacija-leče z enojno LED
Simulacija-sledenja žarkov z metodo Monte Carlo je bila izvedena na oblikovani leči v kombinaciji z modelom LED. Dobljena porazdelitev PPFD na ciljni ravnini (slika 5) se je odlično ujemala s teoretično optimizirano ciljno porazdelitvijo iz razdelka 2.2, kar potrjuje veljavnost načrta.
3.2 Celotna zmogljivost cevi žarnice
Niz 25 LED-enot leč, razporejenih 48 mm narazen, je bil modeliran za simulacijo celotne 1,2-metrske cevi svetilke. Simulirana porazdelitev PPFD na kultivacijski ravnini 30 cm spodaj je prikazana na sliki 6. Rezultati prikazujejo široko, zelo enakomerno svetlobno polje z ostro mejo na robovih. Širina udobno pokriva 60 cm ciljno polico. Bistveno je, da izračunano teoretično razmerje izkoriščenosti energije – definirano kot PPF na polici, deljeno s skupnim PPF, ki ga oddajajo LED diode – presega 92 %. To kaže, da je več kot 92 % fotosintetsko aktivnih fotonov, ki jih ustvarijo LED, dostavljenih neposredno v krošnje rastlin, kar drastično zmanjša razlitje in izgubo energije v primerjavi s konvencionalnimi zasnovami.
3.3 Razširljivost za razširjene nastavitve
V praktičnih vertikalnih kmetijah so police za gojenje pogosto razporejene od-do-konca v dolge vrste. Simulirana porazdelitev PPFD iz ene same svetilke kaže rahlo zožene konce. Ko sta dve ali več svetilk nameščeni ena do druge, se njihove porazdelitve PPFD prekrivajo in dopolnjujejo v teh prehodnih območjih. Simulacija dveh povezanih svetilk (slika 7) potrjuje, da prekrivajoča se območja povečujejo enakomernost, kar ima za posledico brezhibno enotno svetlobno polje na razširjenem vzdolžnem območju.
3.4 Eksperimentalni prototip in validacija
Prototip svetilke je bil izdelan na podlagi zasnove, vključno z oblikovanimi-lečami proste oblike, aluminijastim ekstrudiranim hladilnikom in končnimi pokrovi. Fotografije prototipa in njegove osvetljene točke (slika 8) vizualno potrjujejo simuliran širok in enakomeren svetlobni vzorec.
Eksperimentalne meritve so pokazale močne meritve delovanja:
Visoka učinkovitost:Učinkovitost sistema je presegla 92 %, pri čemer je več kot 86 % fotosintetskih fotonov vira padlo na kultivacijsko ravnino.
Visoka enotnost:Razmerje med minimalno in povprečno PPFD na ciljni ravnini je bilo večje od 82 %, kar kaže na odlično prostorsko enotnost, ki je kritična za dosledno rast rastlin.
4. Razprava in sklep
Zasnova in izvedba te visoke-učinkovitosti, visoke-enotnostiLED rast rastlinsvetilka obravnava več ključnih bolečih točk pri vertikalnem kmetovanju:
Znižanje stroškov:Z omogočanjem enakomerne pokritosti z eno osrednjo cevjo svetilke na polico zasnova znatno zmanjša število napeljav, potrebnih na posamezno plast za gojenje, s čimer zniža začetne kapitalske izdatke (CapEx) in tekoče stroške vzdrževanja.
Varčevanje z energijo: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92-odstotna izraba energije, kar neposredno pomeni nižjo porabo električne energije in operativne stroške (OpEx).
Izboljšana kakovost pridelka:Visoka enotnost PPFD zagotavlja, da vse rastline prejmejo enakovredne ravni svetlobe, kar spodbuja dosledno rast, zorenje in kakovost. To zmanjša variabilnost pridelka in posledično potrebo po delovno{1}}intenzivnem sortiranju.
Preprostost delovanja:Eno samo sredinsko nameščeno svetilko je lažje namestiti, čistiti in servisirati v primerjavi z več napeljavami, kar poenostavlja upravljanje kmetije.
To delo prikazuje zmogljivo uporabo naprednih načel optičnega načrtovanja, zlasti teorije digitalnega svetlobnega polja in proizvodnje površin-proste oblike, pri agritech izzivih. »Metoda površine sekundarnega izvora« se je izkazala za učinkovito pri oblikovanju kompaktnega, visoko{2}}zmogljivega objektiva, prilagojenega za razširjenoLED vir. Nastali sistem svetilk za rast rastlin uspešno pretvori svetlobni izhod iz linearnega niza LED v široko porazdelitev-podobno krilu netopirja, ki se prekriva v zelo enakomerno polje.
Skratka, integracija digitalne optične zasnove s tehnologijo LED utira pot naslednji generaciji natančne kmetijske razsvetljave. Zasnova svetilke, predstavljena tukaj, ponuja prepričljivo rešitev za vertikalne kmetije, ki združuje visoko učinkovitost dostave fotonov, vrhunsko prostorsko enotnost in gospodarske koristi. Prihodnje delo bo morda raziskalo prilagoditev te metodologije za različne dimenzije polic, optimizacijo spektrov za posebne pridelke in nadaljnjo integracijo pametnih kontrol za recepte za dinamično razsvetljavo, kar bo na koncu prispevalo k bolj trajnostnim in produktivnim sistemom urbanega kmetijstva.
Reference
[1] Liu Wenke.Fiziologija kakovosti rastlinske svetlobe in njena regulacija v rastlinskih tovarnah[M]. Peking: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] Cheng Ying.Raziskave metode načrtovanja in uporabe optične površine svobodne oblike[D]. Tianjin: Univerza Tianjin, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen et al. Načrtovanje optičnih sistemov za slikanje površin prostih oblik: teorija, razvoj in uporaba [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Raziskava tri{0}}dimenzionalne ne-slikovne optične metode oblikovanja za vire LED[D]. Hangzhou: Kitajska univerza Jiliang, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Energijsko{2}}varčna stenska-svetilka za rast rastlin, zasnovana na osnovi ne{4}}teorije digitalnega svetlobnega polja [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Razvojne izkušnje in osvetlitev tujega vertikalnega kmetijstva [J].Podeželsko gospodarstvo in znanost-tehnologija, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lights-for-houseplants.html
