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

La fábrica de plantas combina la industria moderna, la biotecnología, la hidroponía de nutrientes y la tecnología de la información para implementar el control de alta precisión de los factores ambientales en las instalaciones. Está completamente cerrado, tiene bajos requisitos en el entorno circundante, acorta el período de cosecha de la planta, ahorra agua y fertilizantes, y con las ventajas de la producción no pesticida y sin descarga de residuos, la eficiencia de uso de la tierra es 40 a 108 veces que de producción de campo abierto. Entre ellos, la fuente de luz artificial inteligente y su regulación del entorno de luz juegan un papel decisivo en su eficiencia de producción.

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

La necesidad de la luz de las plantas

La luz es la única fuente de energía de fotosíntesis de 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 el desarrollo de los cultivos, entre los cuales la intensidad de la luz tiene el mayor impacto en la fotosíntesis de las plantas.

■ Intensidad de luz

La intensidad de la luz puede cambiar la morfología de los cultivos, como la floración, la longitud del internodo, el grosor del tallo y el tamaño de la hoja y el grosor. Los requisitos de las plantas para la intensidad de la luz se pueden dividir en plantas amantes de la luz, amantes de la luz media y poca luz. Las verduras son en su mayoría plantas amantes de la luz, y sus puntos de compensación de luz y los puntos de saturación de luz son relativamente altos. En las fábricas de plantas de luz artificial, los requisitos relevantes de los cultivos para la intensidad de la luz son una base importante para seleccionar fuentes de luz artificiales. Comprender los requisitos de luz de diferentes plantas es importante para diseñar fuentes de luz artificiales, es extremadamente necesario mejorar el rendimiento de producción del sistema.

■ Calidad de luz

La distribución de la calidad de la luz (espectral) también tiene una influencia importante en la fotosíntesis y la 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 de onda y características cuánticas (partículas). La cantidad de luz se llama fotón en el campo de horticultura. La radiación con un rango de longitud de onda de 300 ~ 800 nm se llama radiación fisiológicamente activa de plantas; y la radiación con un rango de longitud de onda de 400 ~ 700 nm se llama radiación fotosintéticamente activa (PAR) de 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 el que el espectro de absorción de clorofila se concentra en las bandas rojo y azul. El sistema de iluminación se basa en las necesidades espectrales de los cultivos para complementar artificialmente la luz, a fin de promover la fotosíntesis de las plantas.

■ Fotoperíodo
La relación entre la fotosíntesis y la fotomorfogénesis de las plantas y la longitud del día (o el tiempo del fotoperíodo) se llama fotoperiotidad de las plantas. La fotoperiodidad está estrechamente relacionada con las horas de luz, que se refiere al tiempo en que el cultivo está irradiado por la luz. Diferentes cultivos requieren un cierto número de horas de luz para completar el fotoperíodo para florecer y dar frutos. Según los diferentes fotoperíodos, se puede dividir en cultivos de día largo, como el repollo, etc., que requieren más de 12-14h horas de luz en una determinada etapa de su crecimiento; Los cultivos de día corto, como cebollas, soja, etc., requieren menos de 12-14h horas de iluminación; Los cultivos medianos, como pepinos, tomates, pimientos, etc., pueden florecer y dar frutos bajo la luz solar más larga o más corta.
Entre los tres elementos del entorno, la intensidad de la luz es una base importante para seleccionar fuentes de luz artificiales. En la actualidad, hay muchas formas de expresar la intensidad de la luz, principalmente incluyendo los siguientes tres.
（1） La iluminación se refiere a la densidad de la superficie 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 del tiempo de la unidad y el área de la unidad, Unidad: μmol/(m² · S)。 Se refiere principalmente a la intensidad 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 de plantas.

Análisis de fuente de luz del sistema de luz complementario típico
El suplemento de luz artificial es aumentar la intensidad de la luz en el área objetivo o extender el tiempo de luz instalando un sistema de luz de suplemento para satisfacer la demanda de la luz de las plantas. En términos generales, el sistema de luz complementario incluye equipos de luz suplementarios, circuitos y su sistema de control. Las fuentes de luz complementarias incluyen principalmente varios tipos comunes, como lámparas incandescentes, lámparas fluorescentes, lámparas de haluro de metal, 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, el mercado lo ha eliminado, por lo que este artículo no hace un análisis detallado.

■ Lámpara fluorescente
Las lámparas fluorescentes pertenecen al tipo de lámparas de descarga de gas de baja presión. El tubo de vidrio está lleno de vapor de mercurio o gas inerte, y la pared interna del tubo está recubierta con polvo fluorescente. El color de la luz varía con el material fluorescente recubierto en el tubo. Las lámparas fluorescentes tienen un 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 en sí misma emite menos calor, puede estar cerca de las plantas para la iluminación y es adecuada para el cultivo tridimensional. Sin embargo, el diseño 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 compañía japonesa adv-Igri también ha desarrollado un nuevo tipo de fuente de luz complementaria Hefl. Hefl en realidad pertenece a la categoría de lámparas fluorescentes. Es el término general para lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) y lámparas fluorescentes de electrodos externos (EEFL), y es una lámpara fluorescente de electrodo mixto. El tubo de Hefl es extremadamente delgado, con un diámetro de solo unos 4 mm, y la longitud se puede ajustar de 450 mm a 1200 mm de acuerdo con las necesidades de cultivo. Es una versión mejorada de la lámpara fluorescente convencional.

■ Lámpara de haluro de metal
La lámpara de haluro de metal es una lámpara de descarga de alta intensidad que puede excitar diferentes elementos para producir diferentes longitudes de onda agregando 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, vida larga y gran 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 usa en algunas fábricas de plantas.

■ 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 vapor de sodio de alta presión en el tubo de descarga, y se agrega una pequeña cantidad de haluro de xenón (XE) y mercurio. Debido a que las lámparas de sodio de alta presión tienen una alta eficiencia de conversión electroóptica con menores costos de fabricación, las lámparas de sodio de alta presión son actualmente las más utilizadas en la aplicación de la luz suplementaria en las instalaciones agrícolas. Sin embargo, debido a las deficiencias de baja eficiencia fotosintética en su espectro, tienen las deficiencias de baja eficiencia energética. Por otro lado, los componentes espectrales emitidos por lámparas de sodio de alta presión se concentran principalmente en la banda de luz amarilla-naranja, que carece de los espectros rojos y azules necesarios para el crecimiento de las plantas.

■ Diodo emisor de luz
Como una 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. LED puede emitir luz monocromática necesaria para el crecimiento de las plantas. En comparación con las lámparas fluorescentes comunes y otras fuentes de luz complementarias, LED tiene las ventajas de ahorro de energía, protección del medio ambiente, vida larga, luz monocromática, fuente de luz fría, etc. Con la mejora adicional de la eficiencia electroóptica de los LED y la reducción de los costos causados ​​por el efecto de escala, los sistemas de iluminación de cultivo LED se convertirán en el equipo principal para complementar la luz en las instalaciones agrícolas. Como resultado, las luces de cultivo LED se han aplicado más del 99.9% de fábricas de plantas.

A través de la comparación, las características de diferentes fuentes de luz complementarias pueden entenderse claramente, 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 a menudo se usa 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 recolección no se sincronizará. Una empresa en Beijing ha desarrollado con éxito un dispositivo de suplemento de luz de elevación manual (accesorio de iluminación HPS y accesorio de iluminación de cultivo LED) en 2010. El principio es rotar el eje de transmisión y el enrollador fijado en él sacudiendo el mango para rotar el carrete de película pequeña Para lograr el propósito de retraerse y relajarse la cuerda de alambre. La cuerda de alambre de la luz de cultivo está conectada con la rueda de devanado del ascensor a través de múltiples conjuntos de ruedas inversas, para lograr el efecto de ajustar la altura de la luz de cultivo. En 2017, la compañía mencionada anteriormente diseñó y desarrolló un nuevo dispositivo de suplemento de luz móvil, que puede ajustar automáticamente la altura del suplemento de luz en tiempo real de acuerdo con las necesidades de crecimiento de los cultivos. El dispositivo de ajuste ahora está instalado en el estante de cultivo tridimensional de la fuente de luz de 3 capas. La capa superior del dispositivo es el nivel con la mejor condición de luz, por lo que está equipada con lámparas de sodio de alta presión; La capa media 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 suplemento de luz móvil adaptado para el cultivo tridimensional, los Países Bajos han desarrollado un dispositivo de luz de luz LED de cultivo LED horizontalmente móvil. Para evitar la influencia de la sombra de la luz de cultivo en el crecimiento de las plantas al sol, el sistema de luz de cultivo se puede empujar a ambos lados del soporte a través del portaobjetos telescópico en la dirección horizontal, de modo que el sol está completamente irradiado en las plantas; En los días nublados y lluviosos sin luz solar, empuje el sistema de luz de cultivo hacia el centro del soporte para que la luz del sistema de luz de crecimiento llene uniformemente las plantas; Mueva el sistema de luz de crecimiento horizontalmente a través del portaobjetos en el soporte, evite el desmontaje frecuente y la eliminación del sistema de luz de crecimiento, y reduzca la intensidad laboral de los empleados, mejorando así efectivamente la eficiencia laboral.

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

En la actualidad, el diseño y la construcción de la luz suplementaria para las verduras de hoja ha madurado gradualmente. Por ejemplo, las verduras de hoja se pueden dividir en cuatro etapas: etapa de plántulas, crecimiento medio, crecimiento tardío y etapa final; Los vegetables de la fruta se pueden dividir en la etapa de plántula, la etapa de crecimiento vegetativo, la etapa de floración y la 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, a 60 ~ 200 μmol/(m² · s), y luego aumentar gradualmente. Las verduras de hoja pueden alcanzar hasta 100 ~ 200 μmol/(m² · s), y las verduras de frutas pueden alcanzar 300 ~ 500 μmol/(m² · s) para garantizar los requisitos de intensidad de luz de la fotosíntesis de la planta en cada período de crecimiento y satisfacer las necesidades de alto rendimiento; En términos de calidad de luz, la relación de rojo a azul es muy importante. Para aumentar la calidad de las plántulas y evitar el crecimiento excesivo en la etapa de plántulas, la relación 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 de la luz. La relación de verduras rojo a azul a hoja 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 las verduras de hoja tienen más tiempo fotosintético para la fotosíntesis. El diseño de suplemento ligero de frutas y verduras será más complicado. Además de las leyes básicas mencionadas anteriormente, debemos centrarnos en el entorno del fotoperíodo durante el período de floración, y la floración y fructificación de las verduras debe promoverse, para no ser contraproducente.

Vale la pena mencionar que la fórmula de luz debe incluir el tratamiento final para la configuración del entorno de la luz. Por ejemplo, la suplementación de luz continua puede mejorar en gran medida el rendimiento y la calidad de las plántulas de vegetales de hoja hidropónica, o utilizar el tratamiento con UV para mejorar significativamente los brotes y las vegetales de hoja (especialmente las hojas moradas y la lechuga de hoja roja) de calidad nutricional.

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

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

La dirección de desarrollo futura de las fábricas de plantas debe centrarse en los nuevos sensores de alta precisión, de bajo costo, sistemas de dispositivos de iluminación de espectro ajustables de alta precisión y control de espectro remotamente y sistemas de control de expertos. Al mismo tiempo, las futuras fábricas de plantas continuarán desarrollándose hacia el costo, inteligente y autoadaptativo. El uso y la popularización de las fuentes de luz de cultivo LED brindan garantía para el control ambiental de alta precisión de las fábricas de plantas. La regulación del entorno de luz LED es un proceso complejo que implica una regulación integral de la calidad de la luz, la intensidad de la luz y el fotoperíodo. Los expertos y académicos relevantes deben realizar investigaciones en profundidad, promoviendo la iluminación complementaria LED en las fábricas de plantas de luz artificial.