Vertikal dehqonchilik uchun yuqori-samaradorlik va yuqori-bir xillikdagi oʻsimliklar oʻsishi uchun LED lampalar dizayni
Abstrakt
Dunyo aholisining tez o'sishi va urbanizatsiyaning kuchayishi bilan oziq-ovqat xavfsizligi butun dunyo bo'ylab dolzarb muammoga aylandi. Cheklangan maydon va resurslar doirasida ekinlar hosildorligi va ozuqa sifatini oshirish uchun innovatsion qishloq xo'jaligi usullari zudlik bilan talab qilinadi. Ular orasida boshqariladigan muhit qishloq xo'jaligi (CEA), ayniqsa vertikal dehqonchilik istiqbolli yechim sifatida paydo bo'ldi. Vertikal dehqonchilik tizimlarining muhim tarkibiy qismi bu sun'iy yoritish bo'lib, u fotosintez uchun tabiiy quyosh nurini almashtiradi yoki to'ldiradi. Yorug'lik-Emitent diodlar (LED) energiya samaradorligi, uzoq umr ko'rish, spektral sozlanishi va past issiqlik nurlanishi tufayli afzal yorug'lik manbasiga aylandi. Biroq, ko'p qatlamli vertikal fermalarda LED yoritgichlarni samarali joylashtirish nafaqat yuqori fotosintetik foton samaradorligini, balki o'simlik soyabonlari bo'ylab yorug'lik tarqalishining fazoviy bir xilligini ham talab qiladi. Bir xil boʻlmagan{8}}yorugʻlik oʻsimliklarning notekis oʻsishiga, umumiy hosildorlikning pasayishiga va energiya sarflanishiga olib kelishi mumkin. Ushbu maqola yangi optik dizaynni o'rganadiLED o'simliklarining o'sishi“Raqamli yorugʻlik maydoni” nazariyasiga asoslangan lampalar, ular bitta, markazga oʻrnatilgan lampa trubkasi yordamida yetishtirish tekisligida fotosintetik foton oqimi zichligi (PPFD) yuqori darajada bir xil taqsimlanishiga erishish uchun maxsus bepul{0}}forma sirt linzalaridan foydalanadi va shu bilan vertikal dehqonchilikdagi asosiy iqtisodiy va operatsion muammolarni hal qiladi.
1. Kirish
Vertikal dehqonchilik qishloq xo'jaligi ishlab chiqarishidagi paradigmaning o'zgarishini ifodalaydi, bu ekinlarni vertikal qatlamlarda, ko'pincha binolar yoki boshqariladigan muhitda etishtirishni o'z ichiga oladi. Bu usul erdan foydalanish samaradorligini maksimal darajada oshiradi, suv sarfini kamaytiradi, pestitsidlardan foydalanishni kamaytiradi va shaharlarda mahalliy oziq-ovqat mahsulotlarini ishlab chiqarish imkonini beradi. Bu texnologiyaning asosi oʻsish muhitini aniq nazorat qilish boʻlib, yorugʻlik eng muhim va energiya-intensiv omillardan biridir.
LED{0}}asosidagi o'simlik o'sishilampalar yuqori{0}}bosimli natriy (HPS) lampalar kabi an'anaviy yoritishga nisbatan sezilarli afzalliklarga ega, jumladan, spektral o'ziga xoslik, xiralashganlik va yo'nalishli yorug'lik chiqishi. Vertikal fermalarda bunday lampalar uchun asosiy optik maqsad butun ekin maydonchasi bo'ylab yagona PPFD - soniyada birlik maydonga keladigan fotosintetik faol fotonlar sonini etkazishdir. Yuqori bir xillikka erishish barcha o'simliklarning barqaror o'sish sur'atlari va sifatini ta'minlaydi, saralash va tasniflash zaruratini minimallashtiradi.
An'anaviy ravishda yuqori bir xillikka erishish uchun bir nechta lampa trubalarini -yon-bir o'stirish tekisligi ustida yonma-yon joylashtirish orqali erishiladi. Samarali bo'lsa-da, bu ko'p{3}}chiroq usuli bir nechta kamchiliklarga ega: ko'p sonli armatura tufayli yuqori boshlang'ich kapital qiymati, maqsadli hududdan (ayniqsa, chekkalarda) yorug'lik to'kilishidan sezilarli energiya chiqindilari va texnik xizmat ko'rsatishning murakkabligi va narxining oshishi. Shuning uchun, jozibali muqobil a imkonini beruvchi optik tizimni loyihalashdiryagonastandart kultivatsiya kengligi (masalan, 60 sm) bo'yicha yagona PPFD taqsimotini ishlab chiqarish uchun chiroq trubkasi. Ushbu yondashuv barcha afzalliklarni saqlab qolishni va'da qiladiLED yoritishxarajatlar, energiya chiqindilari va texnik xizmat ko'rsatish masalalarini yumshatish bilan birga. Ushbu maqolada Digital Light Field metodologiyasi orqali ishlab chiqilgan bepul{1}}forma linzalaridan foydalangan holda bunday tizimning dizayni, simulyatsiyasi va eksperimental tekshiruvi taqdim etilgan.
2. Metodologiya: Raqamli yorug'lik maydoni va optik dizayn
2.1 Raqamli yorug'lik maydoni tushunchasi
Yorug'lik va yorug'lik intensivligi kabi an'anaviy fotometrik miqdorlar sirtdagi yoki qattiq burchakdagi yorug'lik oqimining zichligini tavsiflaydi. Baholash uchun zarur bo'lsa-da, ular optik sirtlarning teskari dizayn jarayoniga bevosita yordam bermaydi. Raqamli yorug'lik maydoni nazariyasi yanada asosli asosni ta'minlaydi. Bu optik maydon bo'shlig'ini mikroelementlarga ajratishni o'z ichiga oladi. Har bir element u orqali o'tadigan yorug'lik konusi va uning yuzasi normal vektori bilan tavsiflanadi. Umumiy yorug'lik maydoni -ko'rsatilmaydigan raqamli yorug'lik maydoni funktsiyasi (NDLFF) bilan tavsiflanadi. Ushbu raqamlashtirish optik dizayn muammosini bir yoki bir nechta optik sirtlardan, masalan, erkin shakldagi linzalar-foydalanish orqali maqsadli yuzada NDLFFni manipulyatsiya qilish muammosiga aylantiradi. Xingye Optical Technology tomonidan ishlab chiqilgan ushbu usul nurlanish va intensivlikni taqsimlash ustidan aniq nazoratni ta'minlaydi, bu ayniqsa, murakkab yoritish dizayn vazifalari uchun mos keladi.
2.2 Manba, tartib va maqsadli taqsimotni optimallashtirish
Dizayn jarayoni yorug'lik manbai va maqsadni aniqlashdan boshlanadi. Tanlangan manba 3535 oʻramli yuqori-quvvatdirLEDgumbazli linza bilan. Oddiy o'stirish tokchasi uchun maqsad chiroqdan 30 sm pastda joylashgan, kengligi 60 sm dan biroz oshib ketadigan tekislikdir. Chiroq trubkasi bir qatorda 48 mm masofada joylashgan 25 ta shunday LEDni o'z ichiga oladi, natijada umumiy uzunligi 1,2 m.
Muhim qadam PPFDning optimal taqsimlanishini aniqlashdir, bu ayagonaLED{0}}linzalar kombinatsiyasi maqsadli tekislikda ishlab chiqarilishi kerak. Agar har bir LED oddiy, aylanadigan simmetrik bir xil nuqta hosil qilsa, chiziqli massivdan 25 ta bunday nuqtaning superpozitsiyasi bir-birining ustiga chiqishi sababli "yorqin markaz, qorong'u qirralar" taqsimotiga olib keladi. Shuning uchun ideal yagona LED distribyutor- buni qoplashi kerak. Murakkab analitik echimlar o'rniga MATLAB yordamida raqamli optimallashtirish usuli qo'llanildi.
Yagona{0}}LED PPFD taqsimoti normallashtirilgan aylanma nosimmetrik funksiya P(r) sifatida modellashtirildi, bu erda r nuqta markazidan radial masofadir. Maqsadli maydon diskretlashtirildi va P (r) optimallash o'zgaruvchisi sifatida ko'rib chiqildi. Optimallashtirish maqsadi 25 LEDning sobit pozitsiyalarida superpozitsiyasi natijasida yuzaga keladigan umumiy PPFD taqsimotidagi farqni minimallashtirish edi. Asl qog'ozning 3-rasmida ko'rsatilgan optimallashtirilgan natija bitta LED uchun hisoblagich{6}}intuitiv "qorong'i markaz, yorqin atrof" taqsimotini ochib beradi. Ushbu noyob taqsimot bir nechta LED nuqtalari bir-biriga yopishganda, ular bir-birining xiralashgan hududlarini to'ldirishini ta'minlaydi, bu esa o'stirish tekisligida juda bir xil umumiy taqsimot bilan yakunlanadi.
2.3 "Ikkinchi darajali manba sirt usuli" orqali bepul-ob'ektiv dizayni
Yuqorida tavsiflangan optimallashtirilgan PPFD taqsimotiga erishish uchun bepul{0}}forma linzalari ishlab chiqilgan. An'anaviy sferik linzalarda bunday aniq nazorat qilish uchun erkinlik darajasi yo'q. Dizaynda Xingye Optics kompaniyasining "Ikkilamchi manba sirt usuli" qo'llanilgan, bu usul Raqamli yorug'lik maydoni nazariyasiga asoslangan bo'lib, to'g'ridan-to'g'ri kengaytirilgan manbalar bilan ishlaydi (ularni nuqta manbalariga soddalashtirish o'rniga), hatto ixcham optik tizimlar uchun ham yuqori aniqlikni ta'minlaydi.
Dizayn linzalari silliq, -aylanma nosimmetrik-formatsiz sirtga ega boʻlib, yorugʻlik nurlarini diqqat bilan qayta yoʻnaltiradi. 4/5-rasmda ko'rsatilganidek, LEDning asosiy nurlari turli burchaklarda sinadi va bitta LED nuqtasida kerakli yorqin tashqi halqani yaratish uchun nurlarning yuqori zichligi kattaroq burchaklarga yo'naltiriladi. Keyinchalik ob'ektiv modeli jiddiy tahlil qilish uchun optik simulyatsiya dasturiga (masalan, LightTools) import qilindi.
3. Natijalar va tahlillar
3.1 Yagona LED-Obyektiv simulyatsiyasi
Monte-Karlo usulidan-ray kuzatuvi simulyatsiyasi LED modeli bilan bogʻlangan moʻljallangan linzada amalga oshirildi. Maqsadli tekislikda olingan PPFD taqsimoti (5-rasm) 2.2-bo'limdagi nazariy jihatdan optimallashtirilgan maqsadli taqsimot bilan mukammal kelishuvni ko'rsatdi va bu dizaynning haqiqiyligini tasdiqladi.
3.2 Chiroq trubkasining to'liq ishlashi
To'liq 1,2 m chiroq trubkasini taqlid qilish uchun bir-biridan 48 mm masofada joylashgan 25 ta LED{1}}ob'ektiv birliklari qatori modellashtirildi. 30 sm pastda o'stirish tekisligida simulyatsiya qilingan PPFD taqsimoti 6-rasmda ko'rsatilgan. Natijalar chekkalarida keskin kesilgan keng, bir xil yorug'lik maydonini ko'rsatadi. Kengligi 60 sm maqsadli tokchani qulay tarzda qoplaydi. Eng muhimi, hisoblangan nazariy energiyadan foydalanish koeffitsienti - javondagi PPF sifatida aniqlangan, LEDlar tomonidan chiqarilgan umumiy PPFga bo'lingan - 92% dan oshadi. Bu shuni ko'rsatadiki, LEDlar tomonidan ishlab chiqarilgan fotosintetik faol fotonlarning 92% dan ortig'i to'g'ridan-to'g'ri o'simlik soyaboniga etkaziladi, bu an'anaviy dizaynlarga nisbatan to'kilmasin va energiya chiqindilarini keskin kamaytiradi.
3.3 Kengaytirilgan sozlamalar uchun masshtablilik
Amaliy vertikal fermalarda o'stirish tokchalari ko'pincha -oxirigacha- uzun qatorlarda joylashtiriladi. Bitta chiroqdan simulyatsiya qilingan PPFD taqsimoti biroz toraygan uchlarini ko'rsatadi. Ikki yoki undan ortiq lampalar uchi-uchun-o‘rnatilganda, ularning PPFD taqsimotlari bir-biriga mos tushadi va bu o‘tish zonalarida bir-birini to‘ldiradi. Ikkita bog'langan lampalarni simulyatsiya qilish (7-rasm) bir-birining ustiga tushadigan joylar bir xillikni kuchaytirishini tasdiqlaydi, buning natijasida cho'zilgan uzunlamasına maydonda muammosiz bir xil yorug'lik maydoni paydo bo'ladi.
3.4 Eksperimental prototip va tasdiqlash
Dizayn asosida lampaning prototipi ishlab chiqarildi, jumladan, qoliplangan erkin shakldagi linzalar, alyuminiy ekstrusion sovutgich va so'nggi qopqoqlar{0}}. Prototipning fotosuratlari va uning yoritilgan joyi (8-rasm) simulyatsiya qilingan keng va bir xil yorug'lik naqshini vizual ravishda tasdiqlaydi.
Eksperimental o'lchovlar kuchli ishlash ko'rsatkichlarini berdi:
Yuqori samaradorlik:Tizim samaradorligi 92% dan oshdi, manbaning fotosintetik fotonlarining 86% dan ortigʻi kultivatsiya tekisligida sodir boʻldi.
Yuqori bir xillik:Maqsadli tekislikdagi minimal va o'rtacha PPFD nisbati 82% dan ortiq edi, bu o'simliklarning izchil o'sishi uchun juda muhim bo'lgan mukammal fazoviy bir xillikni ko'rsatadi.
4. Munozara va xulosa
Ushbu yuqori{0}}samaradorlik, yuqori{1}}bir xillikni loyihalash va amalga oshirishLED o'simliklarining o'sishichiroq vertikal dehqonchilikda bir nechta asosiy og'riqli nuqtalarga murojaat qiladi:
Xarajatlarni kamaytirish:Har bir javonda bitta markaziy lampa trubkasi bilan bir xil qoplamani ta'minlash orqali dizayn har bir o'stirish qatlami uchun zarur bo'lgan armatura sonini sezilarli darajada kamaytiradi, boshlang'ich kapital xarajatlarni (CapEx) va davomiy ta'mirlash xarajatlarini kamaytiradi.
Energiyani tejash: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% energiyadan foydalanish, to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasi iste'moli va operatsion xarajatlarni (OpEx) kamaytirishga olib keladi.
Yaxshilangan hosil sifati:Yuqori PPFD bir xilligi barcha o'simliklarning ekvivalent yorug'lik darajasini olishini ta'minlaydi, izchil o'sishni, etuklikni va sifatni ta'minlaydi. Bu hosilning o'zgaruvchanligini va keyinchalik intensiv saralash-kerakligini kamaytiradi.
Operatsion soddaligi:Yagona, markazda joylashgan chiroqni o'rnatish, tozalash va xizmat ko'rsatish bir nechta armatura bilan solishtirganda osonroq bo'lib, fermer xo'jaligini boshqarishni soddalashtiradi.
Bu ish ilg‘or optik dizayn tamoyillarining, xususan, Raqamli yorug‘lik maydoni nazariyasi va{0}}erkin shaklli sirt ishlab chiqarishning agrotexnika muammolariga kuchli tatbiq etilishini namoyish etadi. "Ikkilamchi manba sirt usuli" kengaytirilgan ob'ektiv uchun mo'ljallangan ixcham, yuqori samarali-linzalarni loyihalashda samarali bo'ldi.LED manbai. Natijada paydo bo'lgan o'simliklar o'sishi uchun chiroq tizimi yorug'lik chiqishini chiziqli LED massivdan yuqori darajada bir xil maydonga joylashadigan keng-bo'yoqqa o'xshash taqsimotga aylantiradi.
Xulosa qilib aytadigan bo'lsak, raqamli optik dizaynning LED texnologiyasi bilan integratsiyalashuvi qishloq xo'jaligini aniq yoritishning keyingi avlodiga yo'l ochadi. Bu erda taqdim etilgan chiroq dizayni vertikal fermer xo'jaliklari uchun yuqori fotonlarni etkazib berish samaradorligi, yuqori fazoviy bir xillik va iqtisodiy foydalarni birlashtirgan jozibali echimni taklif etadi. Kelajakdagi ishlar ushbu metodologiyani turli javon o'lchamlari uchun moslashtirishni, muayyan ekinlar uchun spektrlarni optimallashtirishni va dinamik yoritish retseptlari uchun aqlli boshqaruvlarni yanada integratsiyalashni o'rganishi mumkin, natijada shahar qishloq xo'jaligining yanada barqaror va samarali tizimlariga hissa qo'shadi.
Ma'lumotnomalar
[1] Liu Venke.O'simliklarning yorug'lik sifati fiziologiyasi va o'simlik fabrikalarida uni tartibga solish[M]. Pekin: Xitoy qishloq xo'jaligi fanlari va texnologiyalari matbuoti, 2019 yil.
[2] Cheng Ying.Optik erkin shaklli sirtni loyihalash usuli va qo'llanilishi bo'yicha tadqiqotlar[D]. Tyantszin: Tyantszin universiteti, 2013 yil.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen va boshqalar. Erkin shakldagi sirt tasvirlash optik tizimlarini loyihalash: nazariya, ishlab chiqish va qo'llash [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.LED manbalari uchun uch o'lchovli-tasvirga ega bo'lmagan optik dizayn usuli bo'yicha tadqiqot[D]. Xanchjou: Xitoy Jiliang universiteti, 2015 yil.
[5] Chjao Liang, Cen Songyuan. Energiyani tejovchi devor--Raqamli yorugʻlik maydoni nazariyasi [J] asosida yaratilgan-tasvirga olinmaydigan oʻsimlik oʻsishi uchun oʻrnatilgan chiroq.Chjaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Jimin. Chet el vertikal qishloq xo'jaligini rivojlantirish tajribasi va ma'rifati [J].Qishloq iqtisodiyoti va fan-Texnologiyasi, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-chiroqlar-uchun{6}}houseplants.html
