Didelio{0}}efektyvumo ir vienodo{1}}LED augalų augimo lempų, skirtų vertikaliam ūkininkavimui, dizainas
Abstraktus
Sparčiai augant pasaulio gyventojų skaičiui ir didėjant urbanizacijai, aprūpinimas maistu tapo neatidėliotinu pasauliniu iššūkiu. Norint padidinti pasėlių derlių ir mitybos kokybę ribotoje erdvėje ir ištekliais, skubiai reikalingi novatoriški žemės ūkio metodai. Tarp jų, kontroliuojamos aplinkos žemdirbystė (CEA), ypač vertikalus ūkininkavimas, pasirodė kaip perspektyvus sprendimas. Svarbi vertikalių ūkininkavimo sistemų sudedamoji dalis yra dirbtinis apšvietimas, kuris pakeičia arba papildo natūralią saulės šviesą, kad paskatintų fotosintezę. Šviesos-šviesos diodai (LED) tapo pageidaujamu šviesos šaltiniu dėl savo energijos vartojimo efektyvumo, ilgaamžiškumo, spektrinio derinimo ir mažos šiluminės spinduliuotės. Tačiau norint efektyviai diegti LED apšvietimą daugiasluoksniuose vertikaliuose ūkiuose, reikia ne tik didelio fotosintezės efektyvumo, bet ir išskirtinio erdvinio vienodo šviesos pasiskirstymo per augalų vainiką. Nevienodas apšvietimas gali sukelti netolygų augalų augimą, sumažinti bendrą derlių ir eikvoti energiją. Šiame straipsnyje aprašomas naujas optinis dizainasLED augalų augimaslempos, pagrįstos skaitmeninio šviesos lauko teorija, kuri naudoja tinkintą laisvos -formos paviršiaus lęšį, kad būtų pasiektas labai tolygus fotosintezės fotonų srauto tankio (PPFD) pasiskirstymas kultivavimo plokštumoje, naudojant vieną centre sumontuotą lempos vamzdelį, taip sprendžiant pagrindinius ekonominius ir veiklos iššūkius vertikalioje žemdirbystėje.
1. Įvadas
Vertikalus ūkininkavimas reiškia žemės ūkio gamybos paradigmos pokytį, apimantį javų auginimą vertikaliai sukrautuose sluoksniuose, dažnai pastatuose arba kontroliuojamoje aplinkoje. Šis metodas maksimaliai padidina žemės naudojimo efektyvumą, sumažina vandens suvartojimą, sumažina pesticidų naudojimą ir leidžia gaminti vietinį maistą miesto vietovėse. Šios technologijos kertinis akmuo yra tikslus augimo aplinkos valdymas, o apšvietimas yra vienas iš svarbiausių ir daug energijos reikalaujančių veiksnių.
LED{0}}pagrįstas augalų augimaslempos turi didelių pranašumų, palyginti su tradiciniu apšvietimu, pvz., aukšto -natrio slėgio (HPS) lempomis, įskaitant spektrinį specifiškumą, pritemdymą ir kryptingą šviesos srautą. Pagrindinis optinis tokių lempų tikslas vertikaliuose ūkiuose yra užtikrinti vienodą PPFD – fotosintetiškai aktyvių fotonų, patenkančių į ploto vienetą per sekundę, skaičių – visame auginimo dėkle. Pasiekus aukštą vienodumą užtikrinamas pastovus visų augalų augimo greitis ir kokybė, todėl rūšiavimo ir rūšiavimo poreikis sumažėja iki minimumo.
Įprastai aukšto vienodumo siekiama įrengiant kelis lempos vamzdžius vienas šalia kito virš vienos kultivavimo plokštumos. Nors šis kelių lempų metodas yra veiksmingas, jis turi keletą trūkumų: didelės pradinės kapitalo sąnaudos dėl daugybės šviestuvų, didelis energijos švaistymas dėl šviesos išsiliejimo už tikslinės zonos (ypač pakraščiuose) ir padidintos priežiūros sudėtingumas bei išlaidos. Todėl įtikinama alternatyva yra sukurti optinę sistemą, kuri leistų avienišaslempos vamzdis, kad būtų sukurtas vienodas PPFD pasiskirstymas per standartinį kultivavimo plotį (pvz., 60 cm). Šis metodas žada išlaikyti visus privalumusLED apšvietimassumažinant sąnaudų, energijos švaistymo ir priežiūros problemas. Šiame straipsnyje pristatomas tokios sistemos projektavimas, modeliavimas ir eksperimentinis patvirtinimas naudojant laisvos formos objektyvą, sukurtą naudojant skaitmeninio šviesos lauko metodiką.
2. Metodika: Skaitmeninis šviesos laukas ir optinis projektavimas
2.1 Skaitmeninio šviesos lauko samprata
Tradiciniai fotometriniai dydžiai, tokie kaip apšvietimas ir šviesos intensyvumas, apibūdina šviesos srauto tankį paviršiuje arba kietojo kampo ribose. Nors jie yra būtini vertinimui, jie nėra tiesiogiai palankūs atvirkštiniam optinių paviršių projektavimo procesui. Skaitmeninė šviesos lauko teorija suteikia pagrindinį pagrindą. Tai apima optinio lauko erdvės išskaidymą į mikroelementus. Kiekvienam elementui būdingas pro jį einantis šviesos kūgis ir jo paviršiaus normaliojo vektorius. Bendras šviesos laukas apibūdinamas ne{5}}vaizdo skaitmeninio šviesos lauko funkcija (NDLFF). Šis skaitmeninimas paverčia optinio dizaino problemą į manipuliavimą NDLFF tiksliniame paviršiuje, naudojant vieną ar daugiau optinių paviršių, pvz., laisvos formos lęšius. Šis metodas, sukurtas Xingye Optical Technology, leidžia tiksliai valdyti apšvitos ir intensyvumo pasiskirstymą, todėl jis ypač tinka sudėtingoms apšvietimo projektavimo užduotims.
2.2 Šaltinio, išdėstymo ir tikslinio paskirstymo optimizavimas
Projektavimo procesas prasideda apibrėžiant šviesos šaltinį ir taikinį. Pasirinktas šaltinis yra didelės-galios 3535 paketasLEDsu kupoliniu objektyvu. Įprastoje auginimo lentynoje taikinys yra plokštuma, esanti 30 cm žemiau lempos, o plotis šiek tiek didesnis nei 60 cm. Lempos vamzdį sudaro 25 tokie šviesos diodai, išdėstyti 48 mm atstumu viena eile, todėl bendras ilgis yra 1,2 m.
Svarbus žingsnis yra nustatyti optimalų PPFD pasiskirstymą, kad avienišasLED{0}}lęšių derinys turėtų veikti tikslinėje plokštumoje. Jei kiekvienas šviesos diodas sukuria paprastą, sukimosi simetrišką vienodą dėmę, 25 tokių dėmių superpozicija iš linijinės matricos sukeltų „šviesaus centro, tamsių kraštų“ pasiskirstymą dėl persidengimo. Todėl idealus vieno-LED paskirstymas turi tai kompensuoti. Vietoj sudėtingų analitinių sprendimų, naudojant MATLAB, buvo naudojamas skaitmeninio optimizavimo metodas.
Vieno -LED PPFD skirstinys buvo sumodeliuotas kaip normalizuota sukimosi simetriška funkcija P(r), kur r yra radialinis atstumas nuo taško centro. Tikslinė sritis buvo diskretizuota, o P (r) buvo traktuojamas kaip optimizavimo kintamasis. Optimizavimo tikslas buvo sumažinti viso PPFD pasiskirstymo dispersiją, atsirandančią dėl 25 šviesos diodų superpozicijos fiksuotose padėtyse. Optimizuotas rezultatas, parodytas pradinio dokumento 3 paveiksle, atskleidžia prieš-intuityvų vieno šviesos diodo „tamsaus centro, šviesaus periferijos“ pasiskirstymą. Šis unikalus paskirstymas užtikrina, kad kai kelios šviesos diodų dėmės persidengia, jos užpildo viena kitos ryškesnes sritis, o tai pasiekia labai tolygų bendrą pasiskirstymą kultivavimo plokštumoje.
2.3 Laisvos-formos objektyvo dizainas naudojant „antrinio šaltinio paviršiaus metodą“
Norint pasiekti aukščiau aprašytą optimizuotą PPFD paskirstymą, buvo sukurtas laisvos{0}}formos objektyvas. Įprastiems sferiniams lęšiams trūksta tokio tikslaus valdymo laisvės. Projektuojant buvo naudojamas „Xingye Optics“ „antrinio šaltinio paviršiaus metodas“ – technologija, pagrįsta skaitmeninio šviesos lauko teorija, kuri tiesiogiai veikia su išplėstiniais šaltiniais (o ne supaprastinant juos iki taškinių šaltinių), užtikrinant aukštą tikslumą net ir kompaktiškoms optinėms sistemoms.
Sukurtas objektyvas turi lygų, ne{0}}sukimosi simetrišką laisvos formos- paviršių, kuris kruopščiai nukreipia šviesos spindulius. Kaip parodyta 4/5 paveiksle, pagrindiniai šviesos diodo spinduliai lūžta įvairiais kampais, o spindulių tankis yra nukreiptas į didesnius kampus, kad būtų sukurtas reikiamas ryškus išorinis žiedas vienoje{5}}LED vietoje. Tada objektyvo modelis buvo importuotas į optinio modeliavimo programinę įrangą (pvz., „LightTools“), kad būtų atlikta griežta analizė.
3. Rezultatai ir analizė
3.1 Vieno šviesos diodo{1}}objektyvo modeliavimas
Spindulinio-sekimo modeliavimas naudojant Monte Karlo metodą buvo atliktas suprojektuotame objektyve, suporuotame su LED modeliu. Gautas PPFD pasiskirstymas tikslinėje plokštumoje (5 pav.) puikiai sutapo su teoriškai optimizuotu tiksliniu pasiskirstymu pagal 2.2 skyrių, patvirtinantį projekto pagrįstumą.
3.2 Viso lempos vamzdžio veikimas
Buvo sumodeliuota 25 LED-lęšių rinkinys, išdėstytas 48 mm atstumu, kad imituotų visą 1,2 m lempos vamzdį. Imituotas PPFD pasiskirstymas kultivavimo plokštumoje, esančioje 30 cm žemiau, parodytas 6 paveiksle. Rezultatai rodo platų, labai vienodą šviesos lauką su aštriu pjovimu kraštuose. Plotis patogiai dengia 60 cm tikslinę lentyną. Svarbiausia, kad apskaičiuotas teorinis energijos panaudojimo koeficientas, apibrėžiamas kaip lentynoje esantis PPF, padalintas iš bendro šviesos diodų skleidžiamo PPF, viršija 92%. Tai rodo, kad daugiau nei 92% fotosintetiškai aktyvių fotonų, kuriuos sukuria šviesos diodai, tiekiami tiesiai į augalų stogelį, o tai žymiai sumažina išsiliejimą ir energijos švaistymą, palyginti su įprastomis konstrukcijomis.
3.3 Išplėstinių sąrankų mastelio keitimas
Praktiniuose vertikaliuose ūkiuose auginimo lentynos dažnai išdėstomos ilgomis eilėmis{0}}į-galais. Imituotas PPFD pasiskirstymas iš vienos lempos rodo šiek tiek kūginius galus. Kai dvi ar daugiau lempų yra išdėstytos nuo galo- iki- galo, jų PPFD skirstiniai persidengia ir papildo vienas kitą šiose pereinamosiose zonose. Dviejų sujungtų lempų modeliavimas (7 pav.) patvirtina, kad persidengiančios sritys padidina vienodumą, todėl išilginėje išilginėje srityje susidaro vientisai vienodas šviesos laukas.
3.4 Eksperimentinis prototipas ir patvirtinimas
Pagal dizainą buvo pagamintas lempos prototipas, įskaitant suformuotus laisvos{0}}formos lęšius, aliuminio ekstruzijos radiatorių ir galinius dangtelius. Prototipo ir jo apšviestos vietos nuotraukos (8 pav.) vizualiai patvirtina modeliuojamą platų ir vienodą šviesos modelį.
Eksperimentiniai matavimai parodė stiprią našumo metriką:
Didelis efektyvumas:Sistemos efektyvumas viršijo 92 %, o daugiau nei 86 % šaltinio fotosintetinių fotonų patenka į auginimo plokštumą.
Didelis vienodumas:Minimalaus ir vidutinio PPFD santykis tikslinėje plokštumoje buvo didesnis nei 82%, o tai rodo puikų erdvinį vienodumą, kuris yra būtinas nuosekliam augalų augimui.
4. Diskusija ir išvados
Šio didelio{0}}efektyvumo, didelio-vienodumo dizainas ir įgyvendinimasLED augalų augimaslempa sprendžia kelis pagrindinius vertikaliojo ūkininkavimo skausmo taškus:
Išlaidų sumažinimas:Įgalinus vienodą aprėptį su vienu centriniu lempos vamzdžiu vienoje lentynoje, dizainas žymiai sumažina įtaisų, reikalingų vienam auginimo sluoksniui, skaičių, sumažina pradines kapitalo išlaidas (CapEx) ir nuolatines priežiūros išlaidas.
Energijos taupymas: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92 % energijos suvartojimas, tiesiogiai reiškia mažesnes elektros sąnaudas ir eksploatacines išlaidas (OpEx).
Geresnė pasėlių kokybė:Didelis PPFD vienodumas užtikrina, kad visi augalai gauna vienodą šviesos lygį, skatinant nuoseklų augimą, brendimą ir kokybę. Tai sumažina derliaus kintamumą ir vėliau reikalaujantį-darbo intensyvaus rūšiavimo poreikį.
Veikimo paprastumas:Vieną centre esančią lempą lengviau sumontuoti, valyti ir prižiūrėti, palyginti su keliais šviestuvais, todėl ūkio valdymas supaprastinamas.
Šiame darbe demonstruojamas galingas pažangių optinio projektavimo principų, ypač skaitmeninio šviesos lauko teorijos ir laisvos -formos paviršiaus gamybos, pritaikymas agritech iššūkiams. „Antrinio šaltinio paviršiaus metodas“ pasirodė veiksmingas kuriant kompaktišką, didelio našumo{2}} objektyvą, pritaikytą išplėstiniamLED šaltinis. Gauta augalų augimo lempų sistema sėkmingai paverčia šviesą iš linijinės LED matricos į platų, šikšnosparnių{1}}panašų paskirstymą, kuris virsta labai vienodame lauke.
Apibendrinant galima pasakyti, kad skaitmeninio optinio dizaino integravimas su LED technologija atveria kelią naujos kartos tiksliam žemės ūkio apšvietimui. Čia pateikta lempos konstrukcija siūlo patrauklų sprendimą vertikaliems ūkiams, derinant aukštą fotonų tiekimo efektyvumą, puikų erdvinį vienodumą ir ekonominę naudą. Būsimame darbe gali būti siekiama pritaikyti šią metodiką skirtingiems lentynų matmenims, optimizuoti konkrečių pasėlių spektrus ir toliau integruoti išmaniuosius dinaminio apšvietimo receptų valdiklius, galiausiai prisidedant prie tvaresnių ir produktyvesnių miesto žemės ūkio sistemų.
Nuorodos
[1] Liu Wenke.Augalų šviesos kokybės fiziologija ir jos reguliavimas augalų gamyklose[M]. Pekinas: Kinijos žemės ūkio mokslo ir technologijų spauda, 2019 m.
[2] Cheng Ying.Optinio laisvos formos paviršiaus projektavimo metodo ir taikymo tyrimas[D]. Tiandzinas: Tiandzino universitetas, 2013 m.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen ir kt. Laisvos formos paviršiaus vaizdo optinių sistemų projektavimas: teorija, kūrimas ir taikymas [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Trijų{0}}ne{1}}vaizdų optinio projektavimo metodo, skirto LED šaltiniams, tyrimas[D]. Hangdžou: Kinijos Jiliang universitetas, 2015 m.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Energiją{2}}taupanti sieninė-įmontuota augalų augimo lempa, sukurta remiantis ne-vaizdo skaitmeninio šviesos lauko teorija [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Užsienio vertikalaus žemės ūkio plėtros patirtis ir išprusimas [J].Kaimo ekonomika ir mokslas{0}}Technologijos, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lights-for-houseplants.html
