Dizajn LED lámp na rast rastlín s vysokou-účinnosťou a vysokou{1}}jednotnosťou pre vertikálne poľnohospodárstvo
Abstraktné
S rýchlym rastom globálnej populácie a rastúcou urbanizáciou sa potravinová bezpečnosť stala naliehavou celosvetovou výzvou. Na zvýšenie výnosu plodín a nutričnej kvality v rámci obmedzeného priestoru a zdrojov sú naliehavo potrebné inovatívne poľnohospodárske metódy. Spomedzi nich sa ako sľubné riešenie ukázalo poľnohospodárstvo v kontrolovanom prostredí (CEA), najmä vertikálne poľnohospodárstvo. Kritickým komponentom vertikálnych poľnohospodárskych systémov je umelé osvetlenie, ktoré nahrádza alebo dopĺňa prirodzené slnečné svetlo na riadenie fotosyntézy. Svetelné-diódy (LED) sa stali preferovaným zdrojom svetla vďaka svojej energetickej účinnosti, dlhej životnosti, spektrálnej laditeľnosti a nízkemu tepelnému vyžarovaniu. Efektívne rozmiestnenie LED osvetlenia vo viac{6}}vrstvových vertikálnych farmách si však vyžaduje nielen vysokú fotosyntetickú účinnosť fotónov, ale aj výnimočnú priestorovú rovnomernosť distribúcie svetla v poraste rastlín. Nerovnomerné osvetlenie môže viesť k nerovnomernému rastu rastlín, zníženiu celkového výnosu a plytvaniu energiou. Tento článok sa ponorí do nového optického dizajnu preLED rast rastlínlampy založené na teórii digitálneho svetelného poľa, ktorá využíva vlastnú voľnú{0}}šošovku s povrchom na dosiahnutie vysoko rovnomerného rozdelenia hustoty fotosyntetického toku fotónov (PPFD) na kultivačnej rovine pomocou jedinej, centrálne namontovanej trubice lampy, čím sa riešia kľúčové ekonomické a prevádzkové výzvy vo vertikálnom poľnohospodárstve.
1. Úvod
Vertikálne poľnohospodárstvo predstavuje zmenu paradigmy v poľnohospodárskej výrobe, ktorá zahŕňa pestovanie plodín vo vertikálne naskladaných vrstvách, často v budovách alebo kontrolovaných prostrediach. Táto metóda maximalizuje efektívnosť využívania pôdy, znižuje spotrebu vody, minimalizuje používanie pesticídov a umožňuje miestnu produkciu potravín v mestských oblastiach. Základným kameňom tejto technológie je presná kontrola prostredia rastu, pričom osvetlenie je jedným z najdôležitejších a energeticky-najnáročnejších faktorov.
Rast rastlín-na báze LEDžiarivky ponúkajú významné výhody oproti tradičnému osvetleniu, ako sú napríklad vysokotlakové sodíkové výbojky (HPS), vrátane spektrálnej špecifickosti, stmievateľnosti a smerového svetelného výkonu. Primárnym optickým cieľom takýchto lámp vo vertikálnych farmách je dodávať jednotnú PPFD – počet fotosynteticky aktívnych fotónov prichádzajúcich na jednotku plochy za sekundu – cez celý kultivačný podnos. Dosiahnutie vysokej jednotnosti zaisťuje konzistentnú rýchlosť rastu a kvalitu pre všetky rastliny, čím sa minimalizuje potreba triedenia a triedenia.
Bežne sa vysoká rovnomernosť dosahuje umiestnením viacerých lampových trubíc vedľa seba--vedľa jednej kultivačnej roviny. Hoci je tento prístup s použitím viacerých lámp účinný, má niekoľko nevýhod: vysoké počiatočné kapitálové náklady v dôsledku veľkého počtu svietidiel, značné plytvanie energiou z rozliatia svetla mimo cieľovú oblasť (najmä na okrajoch) a zvýšenú zložitosť a náklady na údržbu. Preto je presvedčivou alternatívou navrhnúť optický systém, ktorý umožňuje aslobodnýlampová trubica na vytvorenie rovnomernej distribúcie PPFD v rámci štandardnej šírky kultivácie (napr. 60 cm). Tento prístup sľubuje zachovanie všetkých výhodLED osvetleniepri zmierňovaní nákladov, plytvania energiou a údržby. Tento dokument predstavuje návrh, simuláciu a experimentálne overenie takéhoto systému, ktorý využíva šošovku voľnej{1}}formy navrhnutú pomocou metodiky Digital Light Field.
2. Metodika: Digitálne svetelné pole a optický dizajn
2.1 Koncept digitálneho svetelného poľa
Tradičné fotometrické veličiny ako osvetlenosť a svietivosť popisujú hustotu svetelného toku na povrchu alebo v rámci priestorového uhla. Aj keď sú nevyhnutné na hodnotenie, priamo neprispievajú k inverznému procesu navrhovania optických povrchov. Teória digitálneho svetelného poľa poskytuje základnejší rámec. Zahŕňa diskretizáciu priestoru optického poľa na mikroelementy. Každý prvok je charakterizovaný tým, že ním prechádza svetelný kužeľ a jeho povrchový normálový vektor. Celkové svetelné pole je popísané -funkciou digitálneho svetelného poľa (NDLFF). Táto digitalizácia transformuje problém optického dizajnu na problém manipulácie s NDLFF na cieľovom povrchu pomocou jedného alebo viacerých optických povrchov, ako sú napríklad šošovky voľného tvaru. Táto metóda vyvinutá spoločnosťou Xingye Optical Technology umožňuje presnú kontrolu nad distribúciou ožiarenia a intenzity, vďaka čomu je obzvlášť vhodná pre komplexné úlohy pri navrhovaní osvetlenia.
2.2 Optimalizácia zdroja, rozloženia a cieľovej distribúcie
Proces návrhu začína definovaním svetelného zdroja a cieľa. Zvolený zdroj je v balení 3535-s vysokým výkonomLEDs kupolovou šošovkou. Pre typickú policu na pestovanie je cieľom rovina umiestnená 30 cm pod lampou so šírkou mierne presahujúcou 60 cm. Svetelná trubica obsahuje 25 takýchto LED diód vzdialených od seba 48 mm v jednom rade, čo vedie k celkovej dĺžke 1,2 m.
Kritickým krokom je určenie optimálnej distribúcie PPFD, ktorá aslobodnýKombinácia šošoviek LED- by mala produkovať v cieľovej rovine. Ak každá LED vytvorí jednoduchý, rotačne symetrický jednotný bod, superpozícia 25 takýchto bodov z lineárneho poľa by viedla k distribúcii „svetlého stredu, tmavých okrajov“ v dôsledku prekrývania. Ideálna distribúcia jednotlivých-LED to preto musí kompenzovať. Namiesto komplexných analytických riešení sa použil prístup numerickej optimalizácie pomocou MATLABu.
Jedno{0}}rozdelenie PPFD LED bolo modelované ako normalizovaná rotačne symetrická funkcia P(r), kde r je radiálna vzdialenosť od stredu bodu. Cieľová oblasť bola diskretizovaná a P(r) sa považovala za optimalizačnú premennú. Cieľom optimalizácie bolo minimalizovať rozptyl celkového rozdelenia PPFD vyplývajúci zo superpozície 25 LED diód na ich pevných pozíciách. Optimalizovaný výsledok, znázornený na obrázku 3 pôvodného článku, odhaľuje proti-intuitívne rozloženie „tmavého stredu, svetlého okraja“ pre jednu LED diódu. Táto jedinečná distribúcia zaisťuje, že keď sa viaceré body LED prekrývajú, vyplnia si navzájom stmievacie oblasti, čo vyvrcholí veľmi rovnomerným celkovým rozložením na rovine kultivácie.
2.3 Voľný-návrh objektívu pomocou metódy „Sekundárny zdroj povrchu“
Na dosiahnutie vyššie opísanej optimalizovanej distribúcie PPFD bola navrhnutá šošovka voľného tvaru. Bežným sférickým šošovkám chýbajú stupne voľnosti pre takéto presné ovládanie. Pri návrhu sa použila „metóda sekundárneho zdroja povrchu od spoločnosti Xingye Optics“, technika založená na teórii digitálneho svetelného poľa, ktorá priamo pracuje s rozšírenými zdrojmi (namiesto ich zjednodušovania na bodové zdroje), čím sa zabezpečuje vysoká presnosť aj pre kompaktné optické systémy.
Navrhnutá šošovka má hladký, -rotačne symetrický voľný- povrch, ktorý precízne presmeruje svetelné lúče. Ako je znázornené na obrázku 4/5, hlavné lúče z LED sa lámu v rôznych uhloch, pričom vyššia hustota lúčov smeruje k väčším uhlom, aby sa vytvoril požadovaný jasný vonkajší prstenec v jedinom -bode LED. Model šošovky bol potom importovaný do softvéru na optickú simuláciu (napr. LightTools) na dôkladnú analýzu.
3. Výsledky a analýza
3.1 Single LED-Simulácia šošovky
Simulácia-sledovania lúčov metódou Monte Carlo bola vykonaná na navrhnutej šošovke spárovanej s modelom LED. Výsledná distribúcia PPFD na cieľovej rovine (obrázok 5) ukázala vynikajúcu zhodu s teoreticky optimalizovanou cieľovou distribúciou z časti 2.2, čo potvrdzuje platnosť návrhu.
3.2 Plný výkon lampy
Pole 25 LED-šošoviek, ktoré sú od seba vzdialené 48 mm, bolo vymodelované tak, aby simulovalo kompletnú 1,2 m trubicu lampy. Simulovaná distribúcia PPFD na kultivačnej rovine o 30 cm nižšie je znázornená na obrázku 6. Výsledky ukazujú široké, vysoko rovnomerné svetelné pole s ostrým prerušením na okrajoch. Šírka pohodlne pokrýva 60 cm cieľovú policu. Rozhodujúce je, že vypočítaný pomer teoretického využitia energie – definovaný ako PPF na polici vydelený celkovým PPF vyžarovaným LED diódami – presahuje 92 %. To naznačuje, že viac ako 92 % fotosynteticky aktívnych fotónov generovaných LED diódami sa dodáva priamo do vrchlíka rastliny, čím sa drasticky znižuje únik a plytvanie energiou v porovnaní s konvenčnými návrhmi.
3.3 Škálovateľnosť pre rozšírené nastavenia
V praktických vertikálnych farmách sú police na pestovanie často usporiadané-k-koncu v dlhých radoch. Simulovaná distribúcia PPFD z jednej lampy ukazuje mierne zúžené konce. Keď sú dve alebo viac lámp umiestnených od seba-na{5}}koniec, ich rozdelenia PPFD sa v týchto prechodových zónach prekrývajú a dopĺňajú. Simulácia dvoch spojených svietidiel (obrázok 7) potvrdzuje, že prekrývajúce sa oblasti zvyšujú rovnomernosť, čo vedie k rovnomernému svetelnému poľu v rozšírenej pozdĺžnej oblasti.
3.4 Experimentálny prototyp a validácia
Na základe návrhu bol vyrobený prototyp lampy vrátane tvarovaných šošoviek voľného{0}}tvaru, hliníkového extrudovaného chladiča a koncoviek. Fotografie prototypu a jeho osvetleného bodu (obrázok 8) vizuálne potvrdzujú simulovaný široký a rovnomerný svetelný vzor.
Experimentálne merania priniesli silné metriky výkonnosti:
Vysoká účinnosť:Účinnosť systému presiahla 92 %, pričom viac ako 86 % fotosyntetických fotónov zdroja dopadlo na kultivačnej rovine.
Vysoká uniformita:Pomer minimálnej k priemernej PPFD na cieľovej rovine bol väčší ako 82 %, čo naznačuje vynikajúcu priestorovú uniformitu kritickú pre konzistentný rast rastlín.
4. Diskusia a záver
Návrh a implementácia tejto vysokej{0}}účinnosti a vysokej{1}}jednotnostiLED rast rastlínlampa rieši niekoľko kľúčových bolestivých bodov vo vertikálnom poľnohospodárstve:
Zníženie nákladov:Umožnením rovnomerného pokrytia jednou centrálnou trubicou lampy na policu dizajn výrazne znižuje počet zariadení potrebných na kultivovanú vrstvu, znižuje počiatočné kapitálové výdavky (CapEx) a priebežné náklady na údržbu.
Úspora energie: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% využitie energie sa priamo premieta do nižšej spotreby elektriny a prevádzkových nákladov (OpEx).
Vylepšená kvalita úrody:Vysoká jednotnosť PPFD zaisťuje, že všetky rastliny dostávajú rovnaké úrovne svetla, čím podporuje konzistentný rast, dozrievanie a kvalitu. Tým sa znižuje variabilita výnosov a následná potreba triedenia-intenzívneho na prácu.
Prevádzková jednoduchosť:Jedno, centrálne umiestnené svietidlo sa ľahšie inštaluje, čistí a servisuje v porovnaní s viacerými svietidlami, čím sa zjednodušuje správa farmy.
Táto práca demonštruje výkonnú aplikáciu pokročilých princípov optického dizajnu, konkrétne teórie digitálneho svetelného poľa a voľnej{0}}povrchovej výroby, na výzvy v oblasti poľnohospodárstva. „Metóda sekundárneho zdroja povrchu“ sa ukázala ako účinná pri navrhovaní kompaktného-výkonného objektívu prispôsobeného pre predĺženéLED zdroj. Výsledný systém lámp na rast rastlín úspešne transformuje svetelný výstup z lineárneho poľa LED na široké,-rozloženie podobné netopierom, ktoré sa superponuje do vysoko rovnomerného poľa.
Na záver, integrácia digitálneho optického dizajnu s technológiou LED dláždi cestu pre ďalšiu generáciu presného poľnohospodárskeho osvetlenia. Dizajn lampy, ktorý je tu prezentovaný, ponúka presvedčivé riešenie pre vertikálne farmy, pričom kombinuje vysokú účinnosť dodávania fotónov, vynikajúcu priestorovú jednotnosť a ekonomické výhody. Budúca práca môže preskúmať prispôsobenie tejto metodiky pre rôzne rozmery políc, optimalizáciu spektier pre konkrétne plodiny a ďalšiu integráciu inteligentných ovládacích prvkov pre recepty dynamického osvetlenia, čo v konečnom dôsledku prispeje k udržateľnejším a produktívnejším mestským poľnohospodárskym systémom.
Referencie
[1] Liu Wenke.Fyziológia kvality svetla rastlín a jej regulácia v závodoch rastlín[M]. Peking: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] Cheng Ying.Výskum metódy navrhovania a aplikácie optického povrchu voľného tvaru[D]. Tianjin: Univerzita Tianjin, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen a kol. Návrh optických systémov na zobrazovanie povrchu voľného tvaru: Teória, vývoj a aplikácia [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Výskum metódy trojrozmerného bez{1}}obrazového optického dizajnu pre zdroje LED[D]. Hangzhou: Čínska univerzita Jiliang, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Nástenná-úsporná lampa{3}}namontovaná na rast rastlín navrhnutá na základe-teórie digitálneho svetelného poľa bez zobrazovania [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Rozvojové skúsenosti a osveta zahraničného vertikálneho poľnohospodárstva [J].Vidiecka ekonomika a veda-technológie, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-trubicová-žiarovka/rast-svetlá-pre-izbové rastliny.html
