Augstas-efektivitātes un augstas{1}}viendabīgas LED augu augšanas lampu dizains vertikālai lauksaimniecībai
Abstrakts
Strauji pieaugot pasaules iedzīvotāju skaitam un pieaugot urbanizācijai, nodrošinātība ar pārtiku ir kļuvusi par neatliekamu pasaules mēroga izaicinājumu. Steidzami ir nepieciešamas novatoriskas lauksaimniecības metodes, lai ierobežotu vietu un resursu robežās uzlabotu ražu un uzturvielu kvalitāti. To vidū kontrolētās vides lauksaimniecība (CEA), jo īpaši vertikālā lauksaimniecība, ir kļuvusi par daudzsološu risinājumu. Svarīga vertikālo lauksaimniecības sistēmu sastāvdaļa ir mākslīgais apgaismojums, kas aizstāj vai papildina dabisko saules gaismu, lai veicinātu fotosintēzi. Gaismas -Emitting diodes (LED) ir kļuvušas par vēlamo gaismas avotu to energoefektivitātes, ilgmūžības, spektrālās regulējamības un zemā termiskā starojuma dēļ. Tomēr efektīvai LED apgaismojuma izvietošanai daudzslāņu vertikālās fermās ir nepieciešama ne tikai augsta fotosintēzes fotonu efektivitāte, bet arī izcila telpiskā viendabība gaismas sadalījumam visā augu lapotnē. Nevienmērīgs apgaismojums var izraisīt nevienmērīgu augu augšanu, samazināt kopējo ražu un izšķērdēt enerģiju. Šajā rakstā ir apskatīts jauns optiskais dizainsLED augu augšanalampas, kuru pamatā ir digitālā gaismas lauka teorija, kas izmanto pielāgotu -formas virsmas objektīvu, lai kultivēšanas plaknē panāktu ļoti vienmērīgu fotosintētisko fotonu plūsmas blīvuma (PPFD) sadalījumu, izmantojot vienu centrāli uzstādītu lampas cauruli, tādējādi risinot galvenās ekonomiskās un darbības problēmas vertikālajā lauksaimniecībā.
1. Ievads
Vertikālā lauksaimniecība ir paradigmas maiņa lauksaimnieciskajā ražošanā, kas ietver kultūraugu audzēšanu vertikāli sakrautos slāņos, bieži vien ēkās vai kontrolētā vidē. Šī metode palielina zemes izmantošanas efektivitāti, samazina ūdens patēriņu, samazina pesticīdu izmantošanu un nodrošina vietējo pārtikas ražošanu pilsētu teritorijās. Šīs tehnoloģijas stūrakmens ir precīza augšanas vides kontrole, un apgaismojums ir viens no svarīgākajiem un energoietilpīgākajiem{2}}faktoriem.
LED{0}}bāzēta augu augšanaspuldzēm ir būtiskas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālo apgaismojumu, piemēram, augsts{0}nātrija (HPS) spuldzēm, tostarp spektrālo specifiku, regulējamību un virziena gaismas izvadi. Šādu lampu primārais optiskais mērķis vertikālajās saimniecībās ir nodrošināt vienotu PPFD — fotosintētiski aktīvo fotonu skaitu, kas ierodas uz laukuma vienību sekundē – visā kultivēšanas paplātē. Augstas viendabīguma sasniegšana nodrošina vienmērīgu augšanas ātrumu un kvalitāti visiem augiem, līdz minimumam samazinot vajadzību pēc šķirošanas un šķirošanas.
Parasti augstu viendabīgumu nodrošina, izvietojot vairākas lampas caurules blakus-pie-vienas virs vienas kultivēšanas plaknes. Lai gan šī vairāku -lampu pieeja ir efektīva, tai ir vairāki trūkumi: augstās sākotnējās kapitāla izmaksas lielā ķermeņu skaita dēļ, ievērojams enerģijas izšķiešana no gaismas izšļakstīšanās ārpus mērķa zonas (īpaši malās), kā arī palielināta apkopes sarežģītība un izmaksas. Tāpēc pārliecinoša alternatīva ir izveidot optisko sistēmu, kas ļauj avientuļšlampas caurule, lai nodrošinātu vienmērīgu PPFD sadalījumu standarta kultivēšanas platumā (piemēram, 60 cm). Šī pieeja sola saglabāt visas priekšrocībasLED apgaismojumsvienlaikus mazinot izmaksas, enerģijas izšķērdēšanu un apkopi. Šajā rakstā ir aprakstīta šādas sistēmas projektēšana, simulācija un eksperimentāla validācija, izmantojot brīvas-formas objektīvu, kas izstrādāts, izmantojot digitālā gaismas lauka metodoloģiju.
2. Metodoloģija: digitālais gaismas lauks un optiskais dizains
2.1. Digitālā gaismas lauka jēdziens
Tradicionālie fotometriskie lielumi, piemēram, apgaismojums un gaismas intensitāte, apraksta gaismas plūsmas blīvumu uz virsmas vai telpiskā leņķī. Lai gan tie ir nepieciešami novērtēšanai, tie tieši neveicina optisko virsmu apgriezto projektēšanas procesu. Digitālā gaismas lauka teorija nodrošina pamatīgāku sistēmu. Tas ietver optiskā lauka telpas diskretizāciju mikroelementos. Katram elementam ir raksturīgs gaismas konuss, kas iet caur to, un tā virsmas normālvektors. Kopējo gaismas lauku apraksta ar ne-attēlveidošanas digitālā gaismas lauka funkciju (NDLFF). Šī digitalizācija pārveido optiskā dizaina problēmu par manipulāciju ar NDLFF uz mērķa virsmas, izmantojot vienu vai vairākas optiskās virsmas, piemēram, brīvas -formas objektīvus. Šī metode, ko izstrādājusi Xingye Optical Technology, ļauj precīzi kontrolēt izstarojuma un intensitātes sadalījumu, padarot to īpaši piemērotu sarežģītiem apgaismojuma projektēšanas uzdevumiem.
2.2 Avota, izkārtojuma un mērķa izplatīšanas optimizācija
Projektēšanas process sākas ar gaismas avota un mērķa definēšanu. Izvēlētais avots ir -jaudas 3535 pakotneLEDar kupola objektīvu. Tipiskam kultivēšanas plauktam mērķis ir plakne, kas atrodas 30 cm zem luktura un kuras platums nedaudz pārsniedz 60 cm. Lampas caurulē ir 25 šādas gaismas diodes, kas atrodas 48 mm attālumā viena no otras vienā rindā, kā rezultātā kopējais garums ir 1,2 m.
Kritisks solis ir optimālā PPFD sadalījuma noteikšana, kas avientuļšLED{0}}objektīvu kombinācijai ir jādarbojas mērķa plaknē. Ja katra gaismas diode izveido vienkāršu, rotācijas simetrisku vienmērīgu plankumu, 25 šādu punktu superpozīcija no lineārā masīva radītu "spilgtu centru, tumšas malas" pārklāšanās dēļ. Tāpēc ideālajam viena-LED sadalījumam tas ir jākompensē. Sarežģītu analītisko risinājumu vietā, izmantojot MATLAB, tika izmantota skaitliskā optimizācijas pieeja.
Viens -LED PPFD sadalījums tika modelēts kā normalizēta rotācijas simetriska funkcija P(r), kur r ir radiālais attālums no vietas centra. Mērķa apgabals tika diskretizēts, un P (r) tika uzskatīts par optimizācijas mainīgo. Optimizācijas mērķis bija samazināt kopējā PPFD sadalījuma dispersiju, kas izriet no 25 gaismas diožu superpozīcijas to fiksētajās pozīcijās. Optimizētais rezultāts, kas parādīts sākotnējā dokumenta 3. attēlā, atklāj pret-intuitīvu "tumšā centra, gaišās perifērijas" sadalījumu vienam LED. Šis unikālais sadalījums nodrošina, ka tad, kad vairāki LED plankumi pārklājas, tie aizpilda viens otra blāvākos apgabalus, kulminējot ar ļoti vienmērīgu kopējo sadalījumu kultivēšanas plaknē.
2.3. Brīvās-veidlapas objektīva dizains, izmantojot "sekundārā avota virsmas metodi"
Lai sasniegtu iepriekš aprakstīto optimizēto PPFD sadalījumu, tika izstrādāts brīvas{0}}formas objektīvs. Parastajām sfēriskām lēcām trūkst brīvības pakāpes tik precīzai kontrolei. Dizainā tika izmantota Xingye Optics "sekundārā avota virsmas metode", kas ir digitālā gaismas lauka teorijā balstīta tehnika, kas tieši darbojas ar paplašinātiem avotiem (nevis vienkāršojot tos līdz punktveida avotiem), nodrošinot augstu precizitāti pat kompaktām optiskām sistēmām.
Izstrādātajam objektīvam ir gluda, -nerotācijas simetriska brīvas formas-virsma, kas rūpīgi novirza gaismas starus. Kā parādīts 4./5. attēlā, galvenie gaismas diodes stari tiek lauzti dažādos leņķos ar lielāku staru blīvumu, kas vērsti uz lielākiem leņķiem, lai izveidotu vajadzīgo spilgtu ārējo gredzenu vienā-LED vietā. Pēc tam objektīva modelis tika importēts optiskās simulācijas programmatūrā (piemēram, LightTools), lai veiktu rūpīgu analīzi.
3. Rezultāti un analīze
3.1. Viena LED{1}}objektīva simulācija
Staru-izsekošanas simulācija, izmantojot Montekarlo metodi, tika veikta projektētajam objektīvam, kas savienots pārī ar LED modeli. Rezultātā iegūtais PPFD sadalījums mērķa plaknē (5. attēls) lieliski saskan ar teorētiski optimizēto mērķa sadalījumu no 2.2. sadaļas, apstiprinot konstrukcijas derīgumu.
3.2 Pilnas lampas caurules veiktspēja
Tika modelēts 25 LED{1}}objektīvu bloku masīvs, kas atrodas 48 mm attālumā viens no otra, lai simulētu visu 1,2 m lampas cauruli. Simulētais PPFD sadalījums kultivēšanas plaknē 30 cm zemāk ir parādīts 6. attēlā. Rezultāti parāda plašu, ļoti vienmērīgu gaismas lauku ar asu nogriezni malās. Platums ērti nosedz 60 cm mērķa plauktu. Būtiski, ka aprēķinātais teorētiskais enerģijas izmantošanas koeficients, kas definēts kā plauktā esošais PPF, dalīts ar kopējo gaismas diožu emitēto PPF, pārsniedz 92%. Tas norāda, ka vairāk nekā 92% no fotosintētiski aktīvajiem fotoniem, ko rada gaismas diodes, tiek piegādāti tieši uz augu nojumes, krasi samazinot izšļakstīšanos un enerģijas atkritumus salīdzinājumā ar parastajiem dizainiem.
3.3. Mērogojamība paplašinātajiem iestatījumiem
Praktiskās vertikālās saimniecībās kultivēšanas plaukti bieži tiek izkārtoti no gala -līdz-galam garās rindās. Simulētais PPFD sadalījums no vienas lampas parāda nedaudz konusveida galus. Ja divas vai vairākas lampas ir novietotas no gala -līdz-galam, to PPFD sadalījumi pārklājas un papildina viens otru šajās pārejas zonās. Divu savienotu lukturu simulācija (7. attēls) apstiprina, ka pārklājošās zonas uzlabo viendabīgumu, kā rezultātā tiek iegūts nemanāmi vienmērīgs gaismas lauks paplašinātā garenvirzienā.
3.4. Eksperimentālais prototips un validācija
Pamatojoties uz dizainu, tika izgatavots lampas prototips, kurā bija brīvas formas{0}}lēcas, alumīnija ekstrūzijas radiators un gala vāciņi. Prototipa un tā izgaismotās vietas fotogrāfijas (8. attēls) vizuāli apstiprina simulēto plato un vienmērīgo gaismas modeli.
Eksperimentālie mērījumi sniedza spēcīgus veiktspējas rādītājus:
Augsta efektivitāte:Sistēmas efektivitāte pārsniedza 92%, un vairāk nekā 86% no avota fotosintēzes fotoniem notika kultivēšanas plaknē.
Augsta viendabīgums:Minimālā un vidējā PPFD attiecība mērķa plaknē bija lielāka par 82%, kas norāda uz izcilu telpisko viendabīgumu, kas ir būtiska konsekventai augu augšanai.
4. Diskusija un secinājumi
Šīs augstās{0}}efektivitātes, augstās-vienveidības dizains un ieviešanaLED augu augšanalampa pievēršas vairākiem galvenajiem sāpju punktiem vertikālajā lauksaimniecībā:
Izmaksu samazināšana:Nodrošinot vienmērīgu pārklājumu ar vienu centrālo lampas cauruli katrā plauktā, dizains ievērojami samazina armatūru skaitu, kas nepieciešams kultivēšanas slānim, samazinot sākotnējos kapitālizdevumus (CapEx) un pastāvīgās uzturēšanas izmaksas.
Enerģijas ietaupījums: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% enerģijas patēriņš, kas tieši nozīmē zemāku elektroenerģijas patēriņu un ekspluatācijas izdevumus (OpEx).
Uzlabota ražas kvalitāte:Augsta PPFD vienmērība nodrošina, ka visi augi saņem līdzvērtīgu gaismas līmeni, veicinot konsekventu augšanu, nobriešanu un kvalitāti. Tas samazina ražas mainīgumu un no tā izrietošo vajadzību pēc darbietilpīgas{1}}šķirošanas.
Darbības vienkāršība:Vienu, centrā novietotu lampu ir vieglāk uzstādīt, tīrīt un apkalpot, salīdzinot ar vairākiem ķermeņiem, tādējādi vienkāršojot saimniecības pārvaldību.
Šis darbs parāda progresīvu optisko projektēšanas principu, īpaši digitālā gaismas lauka teorijas un brīvas{0}}formas virsmas ražošanas, jaudīgu pielietojumu agritech izaicinājumiem. "Sekundārā avota virsmas metode" izrādījās efektīva, izstrādājot kompaktu, augstas veiktspējas{2}}objektīvu, kas pielāgots pagarinātamLED avots. Iegūtā augu augšanas spuldžu sistēma veiksmīgi pārveido gaismas izvadi no lineāra LED bloka plašā, sikspārni{1}}līdzīgā sadalījumā, kas pārklājas ļoti vienmērīgā laukā.
Noslēgumā jāsaka, ka digitālā optiskā dizaina integrācija ar LED tehnoloģiju paver ceļu nākamās paaudzes precīzajam lauksaimniecības apgaismojumam. Šeit parādītais lampas dizains piedāvā pārliecinošu risinājumu vertikālām saimniecībām, apvienojot augstu fotonu piegādes efektivitāti, izcilu telpisko viendabīgumu un ekonomiskus ieguvumus. Turpmākajā darbā var izpētīt šīs metodoloģijas pielāgošanu dažādiem plauktu izmēriem, spektru optimizēšanu konkrētām kultūrām un dinamisku apgaismojuma receptūru viedo vadības ierīču turpmāku integrēšanu, galu galā veicinot ilgtspējīgākas un produktīvākas pilsētas lauksaimniecības sistēmas.
Atsauces
[1] Liu Venke.Augu gaismas kvalitātes fizioloģija un tās regulējums rūpnīcās[M]. Pekina: Ķīnas lauksaimniecības zinātnes un tehnoloģiju prese, 2019.
[2] Cheng Ying.Pētījums par projektēšanas metodi un optiskās brīvformas virsmas pielietojumu[D]. Tjaņdzjiņa: Tjaņdzjiņas Universitāte, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen u.c. Brīvas formas virsmas attēlveidošanas optisko sistēmu projektēšana: teorija, izstrāde un pielietojums [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Iņ Sja.Pētījumi par trīsdimensiju bez{1}}attēlveidošanas LED avotu optiskās projektēšanas metodi[D]. Hangdžou: Ķīnas Džilianas universitāte, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Enerģiju{2}}taupoša sienas-uzmontēta augu augšanas lampa, kas izstrādāta, pamatojoties uz digitālā gaismas lauka teoriju, kas nav-attēlveidojoša [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Dzjans Jifans, Čeņs Žimins. Ārvalstu vertikālās lauksaimniecības attīstības pieredze un apgaismība [J].Lauku ekonomika un zinātne{0}}tehnoloģijas, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lights-for-houseplants.html
