Hönnun á mikilli-hagkvæmni og-jafnhæfni LED plöntuvaxtarlömpum fyrir lóðrétta búskap
Ágrip
Með örum vexti jarðarbúa og vaxandi þéttbýlismyndun hefur fæðuöryggi orðið brýn áskorun um allan heim. Brýn þörf er á nýstárlegum landbúnaðaraðferðum til að auka uppskeru og næringargæði innan takmarkaðs rýmis og auðlinda. Meðal þeirra hefur stjórnað umhverfislandbúnaður (CEA), sérstaklega lóðrétt búskapur, komið fram sem efnileg lausn. Mikilvægur þáttur í lóðréttum búskaparkerfum er gervilýsing, sem kemur í stað eða bætir við náttúrulegu sólarljósi til að knýja fram ljóstillífun. Ljós-Ljósdíóðir (LED) hafa orðið ákjósanlegur ljósgjafi vegna orkunýtni, langlífis, litrófsstillingar og lítillar varmageislunar. Hins vegar krefst áhrifarík dreifing LED lýsingar í fjöl-laga lóðréttum bæjum ekki aðeins mikillar ljóstillífunar ljóseindavirkni heldur einnig einstakrar staðbundinnar einsleitni ljósdreifingar yfir plöntutjaldið. Ó-jöfn lýsing getur leitt til ójafns vaxtar plantna, minni heildaruppskeru og sóun á orku. Þessi grein kafar í nýja sjónhönnun fyrirLED plöntuvöxturlampar byggðir á Digital Light Field kenningunni, sem notar sérsniðna yfirborðslinsu í lausu-formi til að ná mjög einsleitri ljóstillífun ljósflæðisþéttleika (PPFD) dreifingu á ræktunarplaninu með því að nota eitt, miðlægt lamparör, og takast þannig á við helstu efnahagslegar og rekstrarlegar áskoranir í lóðréttri búskap.
1. Inngangur
Lóðrétt búskapur táknar hugmyndabreytingu í landbúnaðarframleiðslu, sem felur í sér ræktun ræktunar í lóðrétt staflað lögum, oft innan byggingar eða stýrt umhverfi. Þessi aðferð hámarkar landnýtingu, dregur úr vatnsnotkun, lágmarkar notkun skordýraeiturs og gerir staðbundna matvælaframleiðslu í þéttbýli kleift. Hornsteinn þessarar tækni er nákvæm stjórn á vaxtarumhverfinu, þar sem lýsing er einn mikilvægasti og-orkufrekasti þátturinn.
LED-bundinn plöntuvöxturlampar bjóða upp á umtalsverða kosti fram yfir hefðbundna lýsingu, eins og háþrýstingsnatríumperur (HPS), þar á meðal litrófssérhæfni, dimnleika og stefnuljósaútgang. Aðal sjónræn markmið slíkra lampa í lóðréttum bæjum er að skila samræmdu PPFD - fjöldi ljóstillífunarvirkra ljóseinda sem berast á hverja flatarmálseiningu á sekúndu - yfir allan ræktunarbakkann. Að ná mikilli einsleitni tryggir stöðugan vaxtarhraða og gæði fyrir allar plöntur, sem lágmarkar þörfina fyrir flokkun og flokkun.
Venjulega er mikil einsleitni unnin með því að setja mörg lamparör hlið-við-hlið fyrir ofan eitt ræktunarplan. Þótt hún sé áhrifarík hefur þessi fjöl-lampaaðferð nokkra galla: Hár stofnkostnaður vegna fjölda innréttinga, umtalsverð orkusóun vegna ljóssleka út fyrir marksvæðið (sérstaklega við brúnirnar) og aukið viðhaldsflókið og kostnaður. Þess vegna er sannfærandi valkostur að hanna ljóskerfi sem gerir aeinhleypurlampa rör til að framleiða samræmda PPFD dreifingu yfir venjulega ræktunarbreidd (td 60 cm). Þessi nálgun lofar að halda öllum ávinningi afLED lýsingum leið og dregið er úr kostnaði, orkusóun og viðhaldi. Þessi grein kynnir hönnun, uppgerð og tilraunastaðfestingu slíks kerfis, með því að nota linsu í ókeypis-formi sem er hönnuð með Digital Light Field aðferðafræði.
2. Aðferðafræði: Stafrænt ljóssvið og sjónhönnun
2.1 Hugmyndin um stafrænt ljóssvið
Hefðbundin ljósmælingarstærðir eins og birtustig og ljósstyrkur lýsa þéttleika ljósflæðis á yfirborði eða innan óslitins horns. Þótt þau séu nauðsynleg fyrir mat, þá eru þau ekki beint stuðlað að öfugu hönnunarferli sjónflata. Stafræna ljóssviðskenningin veitir meiri undirstöðuramma. Það felur í sér að sundurgreina sjónsviðsrýmið í örefni. Hvert frumefni einkennist af ljóskeilu sem fer í gegnum það og yfirborðsnormalvigur hans. Heildarljóssviðinu er lýst með ó-myndandi stafrænu ljóssviðsfalli (NDLFF). Þessi stafræna væðing umbreytir sjónhönnunarvandamálinu í það að vinna með NDLFF á markyfirborði með því að nota einn eða fleiri sjónflöt, eins og lausa-linsur. Þessi aðferð, þróuð af Xingye Optical Technology, gerir nákvæma stjórn á geislun og styrkleikadreifingu, sem gerir hana sérstaklega hentug fyrir flókin ljósahönnunarverkefni.
2.2 Fínstilling á uppruna, útliti og markdreifingu
Hönnunarferlið hefst með því að skilgreina ljósgjafa og skotmark. Valin uppspretta er 3535-pakkað-mikill krafturLEDmeð kúptu linsu. Fyrir dæmigerða ræktunarhillu er skotmarkið plan sem er staðsett 30 cm fyrir neðan lampann, með breidd aðeins yfir 60 cm. Lamparörið samanstendur af 25 slíkum ljósdíóðum með 48 mm millibili í einni röð, sem leiðir til heildarlengd 1,2 m.
Mikilvægt skref er að ákvarða bestu PPFD dreifingu sem aeinhleypurLED-linsusamsetning ætti að framleiða á markplaninu. Ef hver ljósdíóða myndar einfaldan, snúningssamhverfan einsleitan blett, myndi samsetning 25 slíkra bletta úr línulegu fylkinu leiða til dreifingar „björtra miðju, dökkra brúna“ vegna skörunar. Þess vegna verður hugsjón ein-LED dreifing að vega upp á móti þessu. Í stað flókinna greiningarlausna var töluleg hagræðingaraðferð notuð með MATLAB.
Eina-LED PPFD dreifingin var gerð sem eðlilegt snúningssamhverft fall P(r), þar sem r er geislamyndað fjarlægð frá punktmiðju. Marksvæðið var skilgreint og P(r) var meðhöndlað sem hagræðingarbreytu. Hagræðingarmarkmiðið var að lágmarka dreifingu heildar PPFD dreifingar sem stafar af samsetningu 25 ljósdíóða á föstum stöðum þeirra. Bjartsýni niðurstaðan, sem sýnd er á mynd 3 í upprunalegu blaðinu, sýnir gegn -innsæi "dökk miðja, björt jaðar" fyrir staka LED. Þessi einstaka dreifing tryggir að þegar margir LED blettir skarast, fylla þeir upp í dimmu svæði hvers annars, sem lýkur með mjög einsleitri heildardreifingu á ræktunarplaninu.
2.3 Frítt-formlinsuhönnun með „Secundary Source Surface Method“
Til að ná fram fínstilltu PPFD dreifingu sem lýst er hér að ofan var hönnuð linsa með ókeypis-formi. Hefðbundnar kúlulaga linsur skortir frelsisgráður fyrir svo nákvæma stjórn. Hönnunin notaði „Secondary Source Surface Method“ frá Xingye Optics, tækni sem byggir á Digital Light Field kenningunni sem vinnur beint með útbreiddum uppsprettum (frekar en að einfalda þær við punktgjafa), sem tryggir mikla nákvæmni jafnvel fyrir samsett sjónkerfi.
Hönnuð linsa er með sléttu, ó-snúningssamhverfu yfirborði sem er laust-formi sem beinir ljósgeislum nákvæmlega. Eins og sýnt er á mynd 4/5, eru aðalgeislarnir frá LED-ljósinu brotnir við mismunandi horn, með meiri þéttleika geisla beint í átt að stærri hornum til að búa til nauðsynlegan bjarta ytri hring í einum -LED-blettinum. Linsulíkanið var síðan flutt inn í ljóshermunarhugbúnað (td LightTools) til strangrar greiningar.
3. Niðurstöður og greining
3.1 Ein LED-Linsuppgerð
Ray-hermun með Monte Carlo aðferð var gerð á hönnuðu linsunni sem var parað við LED líkanið. PPFD dreifingin sem varð til á markplaninu (Mynd 5) sýndi frábært samræmi við fræðilega fínstilltu markdreifingu frá kafla 2.2, sem staðfestir réttmæti hönnunarinnar.
3.2 Full afköst lamparörs
Fylgi 25 LED-linsueininga með 48 mm millibili var mótað til að líkja eftir heildar 1,2 m lamparörinu. Hermt PPFD dreifing á ræktunarplaninu 30 cm fyrir neðan er sýnd á mynd 6. Niðurstöðurnar sýna breitt, mjög einsleitt ljóssvið með skörpum afskurði á brúnum. Breiddin nær yfir 60 cm markhilluna. Það sem skiptir sköpum er að reiknað fræðilegt orkunýtingarhlutfall - skilgreint sem PPF á hillunni deilt með heildar PPF frá ljósdíóðum - fer yfir 92%. Þetta gefur til kynna að yfir 92% af ljóstillífunarvirkum ljóseindum sem myndast af ljósdíóðum eru afhentar beint í álverið, sem dregur verulega úr leka og orkusóun miðað við hefðbundna hönnun.
3.3 Sveigjanleiki fyrir auknar uppsetningar
Í hagnýtum lóðréttum bæjum er ræktunarhillum oft raðað frá enda-til-enda í löngum raðir. Hermt PPFD dreifing frá einum lampa sýnir örlítið mjókkandi enda. Þegar tveir eða fleiri lampar eru settir frá enda-til-, skarast PPFD dreifing þeirra og bæta hvert annað upp á þessum umbreytingarsvæðum. Eftirlíking á tveimur tengdum lömpum (Mynd 7) staðfestir að svæðin sem skarast auka einsleitni, sem leiðir til óaðfinnanlega einsleits ljóssviðs yfir útvíkkað lengdarsvæði.
3.4 Frumgerð og sannprófun tilrauna
Frumgerð lampa var framleidd á grundvelli hönnunarinnar, þar á meðal mótaðar linsur í lausu-formi, útblásturskælir úr áli og endalok. Ljósmyndir af frumgerðinni og upplýstu bletti hennar (Mynd 8) staðfesta sjónrænt eftirlíkt breitt og einsleitt ljósmynstur.
Tilraunamælingar skiluðu sterkum frammistöðumælingum:
Mikil skilvirkni:Skilvirkni kerfisins fór yfir 92%, þar sem yfir 86% af ljóstillífunarljóseindum upprunans gerðist á ræktunarplaninu.
Mikil einsleitni:Hlutfall lágmarks og meðaltals PPFD á markplaninu var meira en 82%, sem gefur til kynna framúrskarandi staðbundna einsleitni sem er mikilvæg fyrir stöðugan vöxt plantna.
4. Umræður og ályktun
Hönnun og útfærsla á þessari miklu-hagkvæmni, miklu-jafnvægiLED plöntuvöxturlampi fjallar um nokkra helstu verkjapunkta í lóðréttri búskap:
Kostnaðarlækkun:Með því að gera samræmda þekju með einni miðlægri lampa í hverri hillu dregur hönnunin verulega úr fjölda innréttinga sem þarf á hverju ræktunarlagi, lækkar stofnfjárútgjöld (CapEx) og áframhaldandi viðhaldskostnað.
Orkusparnaður: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% orkunýtingu, skilar sér beint í minni raforkunotkun og rekstrarkostnað (OpEx).
Bætt uppskeru gæði:Mikil PPFD einsleitni tryggir að allar plöntur fái samsvarandi ljósstyrk, sem stuðlar að stöðugum vexti, þroska og gæðum. Þetta dregur úr breytileika uppskerunnar og í kjölfarið þörf fyrir vinnuafl-ákafa flokkun.
Einfaldleiki í rekstri:Einfaldur, miðlægur lampi er auðveldari í uppsetningu, hreinsun og þjónustu samanborið við margar innréttingar, sem einfaldar bústjórnun.
Þetta verk sýnir fram á öfluga beitingu háþróaðrar ljóshönnunarreglur, sérstaklega Digital Light Field kenningarinnar og frjálsa-yfirborðsframleiðslu, á landbúnaðaráskoranir. „Secondary source surface method“ reyndist árangursrík við að hanna fyrirferðarlítil,-afkastamikil linsa sem er sniðin fyrir lengriLED uppspretta. Plöntuvaxtarlampakerfið sem myndast umbreytir með góðum árangri ljósafgangi úr línulegu LED fylki í breitt, -líka dreifingu sem líkist kylfu sem fer yfir í mjög einsleitt sviði.
Að lokum, samþætting stafrænnar ljóshönnunar við LED tækni ryður brautina fyrir næstu kynslóð nákvæmrar landbúnaðarlýsingar. Lampahönnunin sem kynnt er hér býður upp á sannfærandi lausn fyrir lóðrétta bæi, sem sameinar mikla skilvirkni ljóseindaafhendingar, yfirburða staðbundna einsleitni og efnahagslegan ávinning. Framtíðarvinna gæti kannað að laga þessa aðferðafræði fyrir mismunandi hillustærðir, fínstilla litróf fyrir tiltekna ræktun og samþætta frekar snjallstýringar fyrir kraftmikla lýsingaruppskriftir, sem að lokum stuðla að sjálfbærari og afkastameiri landbúnaðarkerfum í þéttbýli.
Heimildir
[1] Liu Wenke.Lífeðlisfræði plöntuljósgæða og reglugerð hennar í plöntuverksmiðjum[M]. Peking: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] Cheng Ying.Rannsóknir á hönnunaraðferð og beitingu optísks frjálsrar yfirborðs[D]. Tianjin: Tianjin háskólinn, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, o.fl. Hönnun sjónkerfa fyrir yfirborðsmyndagerð með frjálsu formi: Kenning, þróun og notkun [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Rannsóknir á þrívíddar ó-myndandi ljóshönnunaraðferð fyrir LED ljósgjafa[D]. Hangzhou: Kína Jiliang háskólinn, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Orkusparandi-veggur-uppsettur plöntuvaxtarlampi sem hannaður er byggður á kenningum um stafræna ljóssvið sem ekki er-myndandi [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Þróunarreynsla og uppljómun erlendra lóðrétta landbúnaðar [J].Landsbyggðarhagkerfi og vísindi-Tækni, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lights-for-houseplants.html
