Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc. Medios fuente: Tecnología de ingeniería agrícola (horticultura de invernadero)

La fábrica de plantas combina industria moderna, biotecnología, hidroponía de nutrientes y tecnología de la información para implementar un control de alta precisión de los factores ambientales en la instalación. Está completamente cerrado, tiene bajos requisitos para el medio ambiente, acorta el período de cosecha de las plantas, ahorra agua y fertilizantes y, con las ventajas de una producción sin pesticidas y sin descarga de desechos, la eficiencia del uso de la tierra por unidad es de 40 a 108 veces mayor. de producción en campo abierto. Entre ellos, la fuente de luz artificial inteligente y su regulación del entorno luminoso desempeñan un papel decisivo en la eficiencia de su producción.

Como factor ambiental físico importante, la luz juega un papel clave en la regulación del crecimiento de las plantas y el metabolismo de los materiales. "Una de las principales características de la fábrica es la fuente de luz artificial completa y la realización de una regulación inteligente del entorno luminoso" se ha convertido en un consenso general en la industria.

La necesidad de luz de las plantas

La luz es la única fuente de energía para la fotosíntesis de las plantas. La intensidad de la luz, la calidad de la luz (espectro) y los cambios periódicos de la luz tienen un profundo impacto en el crecimiento y desarrollo de los cultivos, entre los cuales la intensidad de la luz tiene el mayor impacto en la fotosíntesis de las plantas.

■ Intensidad de la luz

La intensidad de la luz puede cambiar la morfología de los cultivos, como la floración, la longitud de los entrenudos, el grosor del tallo y el tamaño y grosor de las hojas. Los requisitos de intensidad de luz de las plantas se pueden dividir en plantas amantes de la luz, amantes de la luz media y tolerantes a la luz baja. Las hortalizas son en su mayoría plantas amantes de la luz y sus puntos de compensación de luz y puntos de saturación de luz son relativamente altos. En las fábricas de plantas de iluminación artificial, los requisitos relevantes de los cultivos en cuanto a intensidad luminosa son una base importante para la selección de fuentes de luz artificial. Comprender los requisitos de luz de las diferentes plantas es importante para diseñar fuentes de luz artificial. Es extremadamente necesario mejorar el rendimiento de producción del sistema.

■ Calidad de la luz

La distribución (espectral) de la calidad de la luz también tiene una influencia importante en la fotosíntesis y morfogénesis de las plantas (Figura 1). La luz es parte de la radiación y la radiación es una onda electromagnética. Las ondas electromagnéticas tienen características ondulatorias y características cuánticas (partículas). El cuanto de luz se llama fotón en el campo de la horticultura. La radiación con un rango de longitud de onda de 300 ~ 800 nm se denomina radiación fisiológicamente activa de las plantas; y la radiación con un rango de longitud de onda de 400 ~ 700 nm se llama radiación fotosintéticamente activa (PAR) de las plantas.

La clorofila y los carotenos son los dos pigmentos más importantes en la fotosíntesis de las plantas. La Figura 2 muestra el espectro de absorción espectral de cada pigmento fotosintético, en la que el espectro de absorción de clorofila se concentra en las bandas roja y azul. El sistema de iluminación se basa en las necesidades espectrales de los cultivos para complementar la luz artificialmente, de modo de favorecer la fotosíntesis de las plantas.

■ fotoperíodo
La relación entre la fotosíntesis y la fotomorfogénesis de las plantas y la duración del día (o tiempo del fotoperiodo) se denomina fotoperiodidad de las plantas. La fotoperiodidad está estrechamente relacionada con las horas de luz, que se refieren al tiempo que el cultivo está irradiado por la luz. Los distintos cultivos requieren de un determinado número de horas de luz para completar el fotoperiodo para florecer y dar frutos. Según los diferentes fotoperiodos se puede dividir en cultivos de día largo, como col, etc., que requieren más de 12-14h de luz en una determinada fase de su crecimiento; los cultivos de día corto, como cebollas, soja, etc., requieren menos de 12-14 horas de iluminación; Los cultivos con exposición media al sol, como pepinos, tomates, pimientos, etc., pueden florecer y dar frutos con luz solar más o menos prolongada.
Entre los tres elementos del entorno, la intensidad de la luz es una base importante para seleccionar fuentes de luz artificial. En la actualidad, existen muchas formas de expresar la intensidad de la luz, entre las que se incluyen principalmente las tres siguientes.
(1) La iluminación se refiere a la densidad superficial del flujo luminoso (flujo luminoso por unidad de área) recibido en el plano iluminado, en lux (lx).

(2) Radiación fotosintéticamente activa, PAR, Unidad: W/m².

（3）La densidad de flujo de fotones fotosintéticamente efectiva PPFD o PPF es el número de radiación fotosintéticamente efectiva que alcanza o pasa a través de la unidad de tiempo y la unidad de área, unidad: μmol/(m²·s)。Se refiere principalmente a la intensidad de la luz de 400~700 nm directamente relacionado con la fotosíntesis. También es el indicador de intensidad de luz más utilizado en el campo de la producción vegetal.

Análisis de fuente de luz de un sistema de iluminación suplementario típico.
El complemento de luz artificial consiste en aumentar la intensidad de la luz en el área objetivo o extender el tiempo de iluminación instalando un sistema de iluminación complementario para satisfacer la demanda de luz de las plantas. En términos generales, el sistema de iluminación suplementaria incluye equipos de iluminación suplementaria, circuitos y su sistema de control. Las fuentes de luz suplementarias incluyen principalmente varios tipos comunes, como lámparas incandescentes, lámparas fluorescentes, lámparas de halogenuros metálicos, lámparas de sodio de alta presión y LED. Debido a la baja eficiencia eléctrica y óptica de las lámparas incandescentes, la baja eficiencia energética fotosintética y otras deficiencias, ha sido eliminada del mercado, por lo que este artículo no realiza un análisis detallado.

■ Lámpara fluorescente
Las lámparas fluorescentes pertenecen al tipo de lámparas de descarga de gas de baja presión. El tubo de vidrio se llena con vapor de mercurio o gas inerte y la pared interior del tubo se recubre con polvo fluorescente. El color de la luz varía según el material fluorescente recubierto en el tubo. Las lámparas fluorescentes tienen buen rendimiento espectral, alta eficiencia luminosa, baja potencia, vida útil más larga (12000 h) en comparación con las lámparas incandescentes y un costo relativamente bajo. Debido a que la lámpara fluorescente emite menos calor, puede estar cerca de las plantas para iluminarla y es adecuada para el cultivo tridimensional. Sin embargo, la disposición espectral de la lámpara fluorescente no es razonable. El método más común en el mundo es agregar reflectores para maximizar los componentes efectivos de la fuente de luz de los cultivos en el área de cultivo. La empresa japonesa adv-agri también ha desarrollado un nuevo tipo de fuente de luz complementaria HEFL. En realidad, HEFL pertenece a la categoría de lámparas fluorescentes. Es el término general para las lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) y las lámparas fluorescentes de electrodo externo (EEFL), y es una lámpara fluorescente de electrodo mixto. El tubo HEFL es extremadamente delgado, con un diámetro de sólo unos 4 mm, y la longitud se puede ajustar de 450 mm a 1200 mm según las necesidades del cultivo. Es una versión mejorada de la lámpara fluorescente convencional.

■ Lámpara de halogenuros metálicos
La lámpara de halogenuros metálicos es una lámpara de descarga de alta intensidad que puede excitar diferentes elementos para producir diferentes longitudes de onda añadiendo varios haluros metálicos (bromuro de estaño, yoduro de sodio, etc.) en el tubo de descarga sobre la base de una lámpara de mercurio de alta presión. Las lámparas halógenas tienen alta eficiencia luminosa, alta potencia, buen color de luz, larga vida útil y amplio espectro. Sin embargo, debido a que la eficiencia luminosa es menor que la de las lámparas de sodio de alta presión y la vida útil es más corta que la de las lámparas de sodio de alta presión, actualmente solo se utiliza en unas pocas fábricas.

■ Lámpara de sodio de alta presión
Las lámparas de sodio de alta presión pertenecen al tipo de lámparas de descarga de gas de alta presión. La lámpara de sodio de alta presión es una lámpara de alta eficiencia en la que se llena el tubo de descarga con vapor de sodio a alta presión y se agrega una pequeña cantidad de xenón (Xe) y haluro metálico de mercurio. Debido a que las lámparas de sodio de alta presión tienen una alta eficiencia de conversión electroóptica con costos de fabricación más bajos, las lámparas de sodio de alta presión son actualmente las más utilizadas en la aplicación de luz suplementaria en instalaciones agrícolas. Sin embargo, debido a las deficiencias de la baja eficiencia fotosintética en su espectro, tienen las deficiencias de la baja eficiencia energética. Por otro lado, los componentes espectrales emitidos por las lámparas de sodio de alta presión se concentran principalmente en la banda de luz amarilla-naranja, que carece de los espectros rojo y azul necesarios para el crecimiento de las plantas.

■ Diodo emisor de luz
Como nueva generación de fuentes de luz, los diodos emisores de luz (LED) tienen muchas ventajas, como una mayor eficiencia de conversión electroóptica, un espectro ajustable y una alta eficiencia fotosintética. El LED puede emitir la luz monocromática necesaria para el crecimiento de las plantas. En comparación con las lámparas fluorescentes comunes y otras fuentes de luz complementarias, la LED tiene las ventajas de ahorro de energía, protección ambiental, larga vida útil, luz monocromática, fuente de luz fría, etc. Con la mejora adicional de la eficiencia electroóptica de los LED y la reducción de costos causada por el efecto de escala, los sistemas de iluminación LED para cultivos se convertirán en el equipo principal para complementar la luz en las instalaciones agrícolas. Como resultado, las luces de cultivo LED se han aplicado en más del 99,9% de las fábricas de plantas.

Mediante comparación, se pueden entender claramente las características de diferentes fuentes de luz suplementarias, como se muestra en la Tabla 1.

Dispositivo de iluminación móvil
La intensidad de la luz está estrechamente relacionada con el crecimiento de los cultivos. El cultivo tridimensional se utiliza a menudo en las fábricas de plantas. Sin embargo, debido a la limitación de la estructura de los bastidores de cultivo, la distribución desigual de la luz y la temperatura entre los bastidores afectará el rendimiento de los cultivos y el período de cosecha no estará sincronizado. Una empresa de Beijing desarrolló con éxito un dispositivo complementario de iluminación de elevación manual (dispositivo de iluminación HPS y dispositivo de iluminación LED para cultivo) en 2010. El principio es girar el eje de transmisión y el enrollador fijado en él agitando el mango para girar el pequeño carrete de película. para lograr el propósito de retraer y desenrollar el cable. El cable metálico de la luz de crecimiento está conectado con la rueda enrollable del elevador a través de múltiples juegos de ruedas reversibles, para lograr el efecto de ajustar la altura de la luz de crecimiento. En 2017, la empresa antes mencionada diseñó y desarrolló un nuevo dispositivo móvil de suplemento de luz, que puede ajustar automáticamente la altura del suplemento de luz en tiempo real según las necesidades de crecimiento de los cultivos. El dispositivo de ajuste ahora está instalado en la rejilla de cultivo tridimensional tipo elevación de fuente de luz de 3 capas. La capa superior del dispositivo es el nivel con mejores condiciones de iluminación, por lo que está equipado con lámparas de sodio de alta presión; la capa intermedia y la capa inferior están equipadas con luces de cultivo LED y un sistema de ajuste de elevación. Puede ajustar automáticamente la altura de la luz de cultivo para proporcionar un entorno de iluminación adecuado para los cultivos.

En comparación con el dispositivo de iluminación suplementario móvil diseñado para el cultivo tridimensional, los Países Bajos han desarrollado un dispositivo de iluminación suplementario de iluminación LED de cultivo horizontal que se puede mover horizontalmente. Para evitar la influencia de la sombra de la luz de crecimiento en el crecimiento de las plantas bajo el sol, el sistema de luz de crecimiento se puede empujar hacia ambos lados del soporte a través del deslizador telescópico en dirección horizontal, de modo que el sol esté completamente irradiado sobre las plantas; en días nublados y lluviosos sin luz solar, empuje el sistema de luces de crecimiento hacia el centro del soporte para que la luz del sistema de luces de crecimiento llene uniformemente las plantas; mueva el sistema de luces de crecimiento horizontalmente a través de la corredera del soporte, evite el desmontaje y extracción frecuentes del sistema de luces de crecimiento y reduzca la intensidad de trabajo de los empleados, mejorando así de manera efectiva la eficiencia del trabajo.

Ideas de diseño de un sistema de iluminación de cultivo típico.
No es difícil ver en el diseño del dispositivo de iluminación adicional móvil que el diseño del sistema de iluminación adicional de la fábrica de plantas generalmente toma la intensidad de la luz, la calidad de la luz y los parámetros del fotoperiodo de diferentes períodos de crecimiento de los cultivos como contenido central del diseño. , confiando en el sistema de control inteligente para implementar, logrando el objetivo final de ahorro de energía y alto rendimiento.

En la actualidad, el diseño y construcción de iluminación suplementaria para hortalizas de hoja ha ido madurando paulatinamente. Por ejemplo, las hortalizas de hoja se pueden dividir en cuatro etapas: etapa de plántula, etapa de crecimiento medio, crecimiento tardío y etapa final; Las frutas y hortalizas se pueden dividir en etapa de plántula, etapa de crecimiento vegetativo, etapa de floración y etapa de cosecha. A partir de los atributos de la intensidad de la luz suplementaria, la intensidad de la luz en la etapa de plántula debe ser ligeramente menor, de 60 a 200 μmol/(m²·s), y luego aumentar gradualmente. Las hortalizas de hoja pueden alcanzar hasta 100~200 μmol/(m²·s), y las hortalizas de fruta pueden alcanzar 300~500 μmol/(m²·s) para garantizar los requisitos de intensidad de luz de la fotosíntesis de las plantas en cada período de crecimiento y satisfacer las necesidades de alto rendimiento; En términos de calidad de la luz, la proporción entre rojo y azul es muy importante. Para aumentar la calidad de las plántulas y evitar un crecimiento excesivo en la etapa de plántula, la proporción de rojo a azul generalmente se establece en un nivel bajo [(1~2:1] y luego se reduce gradualmente para satisfacer las necesidades de la planta. Morfología ligera. La proporción de vegetales rojos, azules y de hojas se puede establecer en (3~6):1. Para el fotoperíodo, similar a la intensidad de la luz, debería mostrar una tendencia a aumentar con la extensión del período de crecimiento, de modo que los vegetales de hoja tengan más tiempo fotosintético para la fotosíntesis. El diseño del suplemento ligero de frutas y verduras será más complicado. Además de las leyes básicas mencionadas anteriormente, debemos centrarnos en el establecimiento del fotoperíodo durante el período de floración, y debemos promover la floración y fructificación de las hortalizas, para que no resulte contraproducente.

Cabe mencionar que la fórmula ligera debe incluir el tratamiento final para ambientes luminosos. Por ejemplo, la suplementación con luz continua puede mejorar en gran medida el rendimiento y la calidad de las plántulas de hortalizas de hojas hidropónicas, o utilizar el tratamiento UV para mejorar significativamente la calidad nutricional de los brotes y las hortalizas de hojas (especialmente las hojas moradas y la lechuga de hoja roja).

Además de optimizar la suplementación lumínica para cultivos seleccionados, el sistema de control de fuentes de luz de algunas fábricas de plantas de luz artificial también se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. Este sistema de control se basa generalmente en la estructura B/S. El control remoto y el control automático de factores ambientales como temperatura, humedad, luz y concentración de CO2 durante el crecimiento de los cultivos se realizan a través de WIFI y, al mismo tiempo, se implementa un método de producción que no está restringido por condiciones externas. Este tipo de sistema de iluminación suplementaria inteligente utiliza una lámpara de cultivo LED como fuente de luz suplementaria, combinada con un sistema de control inteligente remoto, puede satisfacer las necesidades de iluminación de longitud de onda de las plantas, es particularmente adecuado para entornos de cultivo de plantas controlados por luz y puede satisfacer la demanda del mercado. .

Observaciones finales
Las fábricas de plantas se consideran una forma importante de resolver los problemas mundiales de recursos, población y medio ambiente en el siglo XXI, y una manera importante de lograr la autosuficiencia alimentaria en futuros proyectos de alta tecnología. Como nuevo tipo de método de producción agrícola, las fábricas de plantas aún se encuentran en la etapa de aprendizaje y crecimiento, y se necesita más atención e investigación. Este artículo describe las características y ventajas de los métodos de iluminación suplementaria comunes en las fábricas de plantas e introduce las ideas de diseño de los sistemas de iluminación suplementaria típicos para cultivos. No es difícil encontrar a través de la comparación, para hacer frente a la poca luz causada por el clima severo, como nubes y neblina continua, y para garantizar una producción alta y estable de los cultivos de las instalaciones, el equipo de fuente de luz LED Grow está más en línea con el desarrollo actual. tendencias.

El desarrollo futuro de las plantas industriales debería centrarse en nuevos sensores de alta precisión y bajo coste, sistemas de iluminación de espectro ajustable y controlables remotamente y sistemas de control expertos. Al mismo tiempo, las futuras fábricas seguirán desarrollándose hacia sistemas de bajo coste, inteligentes y autoadaptativos. El uso y la popularización de las fuentes de luz LED para cultivo garantizan un control ambiental de alta precisión de las fábricas de plantas. La regulación del entorno de iluminación LED es un proceso complejo que implica una regulación integral de la calidad, la intensidad y el fotoperiodo de la luz. Los expertos y académicos pertinentes deben realizar investigaciones en profundidad para promover la iluminación suplementaria LED en las fábricas de plantas de luz artificial.