Nagy{0}}hatékonyságú és nagy-egyenletességű LED-es növénynövekedési lámpák tervezése függőleges gazdálkodáshoz
Absztrakt
A világ népességének gyors növekedésével és a növekvő urbanizációval az élelmezésbiztonság sürgető világméretű kihívássá vált. Sürgősen innovatív mezőgazdasági módszerekre van szükség a terméshozam és a táplálkozási minőség javítása érdekében korlátozott helyen és erőforrásokon belül. Ezek közül ígéretes megoldásként jelent meg a Controlled Environment Agriculture (CEA), különösen a vertikális gazdálkodás. A függőleges mezőgazdasági rendszerek kritikus eleme a mesterséges világítás, amely helyettesíti vagy kiegészíti a természetes napfényt a fotoszintézis előmozdítása érdekében. A fénykibocsátó diódák (LED-ek) energiahatékonyságuk, hosszú élettartamuk, spektrális hangolhatóságuk és alacsony hősugárzásuk miatt a preferált fényforrásokká váltak. A LED-es világítás többrétegű, függőleges farmokon való hatékony alkalmazása azonban nemcsak a fotoszintetikus fotonok magas hatékonyságát követeli meg, hanem a fényeloszlás kivételes térbeli egyenletességét is a növény lombkoronájában. Az egyenetlen megvilágítás a növények egyenetlen növekedéséhez, a teljes terméshozam csökkenéséhez és az energiaveszteséghez vezethet. Ez a cikk egy új optikai tervezéssel foglalkozikLED növénynövekedésA digitális fénymező elméleten alapuló lámpák, amelyek egyéni szabad formájú-felületi lencsét használnak a fotoszintetikus fotonfluxus-sűrűség (PPFD) rendkívül egyenletes eloszlásának eléréséhez a művelési síkon egyetlen, központilag szerelt lámpacsővel, ezzel megválaszolva a függőleges gazdálkodás kulcsfontosságú gazdasági és működési kihívásait.
1. Bevezetés
A vertikális gazdálkodás paradigmaváltást jelent a mezőgazdasági termelésben, amely magában foglalja a növények függőlegesen egymásra helyezett rétegekben történő termesztését, gyakran épületekben vagy ellenőrzött környezetben. Ez a módszer maximalizálja a földhasználat hatékonyságát, csökkenti a vízfogyasztást, minimalizálja a növényvédő szerek használatát, és lehetővé teszi a helyi élelmiszertermelést a városi területeken. Ennek a technológiának a sarokköve a növekedési környezet pontos szabályozása, ahol a világítás az egyik legfontosabb és legenergiaigényesebb tényező.
LED{0}}alapú növénynövekedésA lámpák jelentős előnyöket kínálnak a hagyományos világításhoz, például a nagy{0}nyomású nátriumlámpákhoz (HPS) képest, beleértve a spektrális specifitást, a szabályozhatóságot és az irányított fénykibocsátást. Az ilyen lámpák elsődleges optikai célja a függőleges gazdaságokban, hogy egységes PPFD-t – az egységnyi területre másodpercenként érkező fotoszintetikusan aktív fotonok számát – biztosítsák a teljes művelőtálcán. A magas egyöntetűség elérése egyenletes növekedési ütemet és minőséget biztosít minden növény számára, minimálisra csökkentve a válogatás és osztályozás szükségességét.
Hagyományosan a nagy egyenletességet úgy érik el, hogy egyetlen művelési sík fölé több lámpacsövet helyeznek el-egymás mellett-. Bár ez a több-lámpás megközelítés hatékony, számos hátránnyal rendelkezik: magas kezdeti tőkeköltség a lámpatestek nagy száma miatt, jelentős energiapazarlás a célterületen túl (különösen a széleken) kiszóródó fényből, valamint a megnövekedett karbantartási bonyolultság és költség. Ezért egy meggyőző alternatíva egy olyan optikai rendszer tervezése, amely lehetővé teszi aegyetlenlámpacső egyenletes PPFD-eloszlást biztosít szabványos művelési szélességen (pl. 60 cm). Ez a megközelítés azt ígéri, hogy megtartja az összes előnyétLED világításmiközben csökkenti a költségek, az energiapazarlás és a karbantartás problémáit. Ez a cikk egy ilyen rendszer tervezését, szimulációját és kísérleti validálását mutatja be, szabad-formájú lencsét használva, amelyet a Digital Light Field módszertan alapján terveztek.
2. Módszertan: Digitális fénymező és optikai tervezés
2.1 A digitális fénymező fogalma
A hagyományos fotometriai mennyiségek, például a megvilágítás és a fényintenzitás a fényáram sűrűségét írják le egy felületen vagy térszögön belül. Bár elengedhetetlenek az értékeléshez, nem segítik közvetlenül az optikai felületek inverz tervezési folyamatát. A digitális fénymező elmélet alaposabb keretet biztosít. Ez magában foglalja az optikai tértér mikroelemekké történő diszkretizálását. Minden elemet egy rajta áthaladó fénykúp és annak felületi normálvektora jellemez. Az általános fénymezőt egy nem-képalkotó digitális fénymező függvény (NDLFF) írja le. Ez a digitalizálás az optikai tervezési problémát az NDLFF-nek egy célfelületen történő manipulálásává alakítja át egy vagy több optikai felület, például szabad formájú{7}}lencsék használatával. Ez a Xingye Optical Technology által kifejlesztett módszer lehetővé teszi a besugárzás és az intenzitás eloszlás pontos szabályozását, így különösen alkalmas összetett világítástervezési feladatokra.
2.2 Forrás, elrendezés és céleloszlás optimalizálása
A tervezési folyamat a fényforrás és a céltárgy meghatározásával kezdődik. A kiválasztott forrás egy nagy teljesítményű-3535-ös csomagLEDkupola lencsével. Egy tipikus termesztési polc esetében a cél a lámpa alatt 30 cm-rel elhelyezkedő sík, amelynek szélessége valamivel meghaladja a 60 cm-t. A lámpacső 25 ilyen LED-et tartalmaz, amelyek egymástól 48 mm-re vannak elhelyezve egyetlen sorban, így a teljes hossza 1,2 m.
Egy kritikus lépés az optimális PPFD eloszlás meghatározása, amely aegyetlenA LED{0}}lencse kombinációnak a célsíkon kell működnie. Ha minden LED egy egyszerű, forgásszimmetrikus egyenletes foltot hoz létre, a lineáris tömbből 25 ilyen folt szuperpozíciója "világos középső, sötét élek" eloszlást eredményezne az átfedés miatt. Ezért az ideális egyetlen-LED-eloszlásnak ezt kompenzálnia kell. A komplex analitikai megoldások helyett a MATLAB segítségével numerikus optimalizálási megközelítést alkalmaztunk.
Az egyetlen-LED PPFD eloszlást normalizált forgásszimmetrikus P(r) függvényként modelleztük, ahol r a folt középpontjától mért sugárirányú távolság. A célterületet diszkretizáltuk, és a P(r)-t optimalizálási változóként kezeltük. Az optimalizálási cél az volt, hogy minimalizáljuk a teljes PPFD-eloszlás varianciáját, amely 25 LED fix helyzetében történő szuperpozíciójából adódik. Az optimalizált eredmény, amely az eredeti dokumentum 3. ábráján látható, az egyetlen LED ellen-intuitív "sötét középpontja, fényes perem" eloszlását mutatja. Ez az egyedülálló eloszlás biztosítja, hogy amikor több LED-es folt átfedi egymást, kitöltik egymás halványabb tartományait, ami a művelési síkon rendkívül egyenletes általános eloszlást eredményez.
2.3 Szabad-formájú lencsetervezés a "Másodlagos forrásfelületi módszerrel"
A fent leírt optimalizált PPFD-eloszlás elérése érdekében szabad{0}}formájú objektívet terveztünk. A hagyományos gömblencsékből hiányzik az ilyen precíz vezérléshez szükséges szabadságfok. A tervezésben a Xingye Optics „Másodlagos forrásfelszíni módszerét” alkalmazták, amely a digitális fénymező elméletén alapszik, és amely közvetlenül működik kiterjesztett fényforrásokkal (ahelyett, hogy pontforrásokra egyszerűsítette volna), így még kompakt optikai rendszerek esetén is nagy pontosságot biztosít.
A tervezett lencse sima, nem -forgásszimmetrikus, szabad-formájú felülettel rendelkezik, amely aprólékosan átirányítja a fénysugarakat. Amint az a 4/5. ábrán látható, a LED-ből érkező fő sugarak különböző szögekben törnek meg, és a sugarak nagyobb sűrűsége irányul nagyobb szögek felé, hogy a szükséges fényes külső gyűrűt az egyetlen -LED foltban hozza létre. A lencsemodellt ezután optikai szimulációs szoftverbe (pl. LightTools) importálták a szigorú elemzés érdekében.
3. Eredmények és elemzés
3.1 Egy LED-es{1}}lencse szimuláció
A Monte Carlo módszerrel végzett sugárkövetési szimulációt a LED-modellel párosított lencsén végezték el. A kapott PPFD eloszlás a célsíkon (5. ábra) kiváló egyezést mutatott a 2.2. szakasz elméletileg optimalizált céleloszlásával, megerősítve a terv érvényességét.
3.2 Teljes lámpacső teljesítménye
Egy sor 25 LED{1}}lencse egységet 48 mm-re egymástól 48 mm-re modelleztek a teljes 1,2 m-es lámpacső szimulálására. A szimulált PPFD eloszlás a művelési síkon 30 cm-rel lentebb a 6. ábrán látható. Az eredmények széles, nagyon egyenletes fénymezőt mutatnak, éles levágással a széleken. A szélesség kényelmesen lefedi a 60 cm-es célpolcot. Lényeges, hogy a számított elméleti energiafelhasználási arány – a polcon lévő PPF osztva a LED-ek által kibocsátott teljes PPF-el – meghaladja a 92%-ot. Ez azt jelzi, hogy a LED-ek által generált fotoszintetikusan aktív fotonok több mint 92%-a közvetlenül a növény lombkoronájába kerül, ami drasztikusan csökkenti a kiömlést és az energiapazarlást a hagyományos kialakításokhoz képest.
3.3 Skálázhatóság kiterjesztett beállításokhoz
A gyakorlati, függőleges gazdaságokban a művelési polcokat gyakran hosszú sorokban helyezik el -végig-. Az egyetlen lámpa szimulált PPFD-eloszlása enyhén kúpos végeket mutat. Ha két vagy több lámpát -végig-végig elhelyezünk, a PPFD-eloszlásuk átfedi és kiegészíti egymást ezekben az átmeneti zónákban. Két összekapcsolt lámpa szimulációja (7. ábra) megerősíti, hogy az átfedő területek fokozzák az egyenletességet, ami zökkenőmentesen egyenletes fénymezőt eredményez egy kiterjesztett hosszanti területen.
3.4 Kísérleti prototípus és érvényesítés
A konstrukció alapján egy lámpa prototípust készítettek, beleértve az öntött{0}}szabad formájú lencséket, az alumínium extrudált hűtőbordát és a végsapkákat. A prototípusról és annak megvilágított pontjáról készült fényképek (8. ábra) vizuálisan igazolják a szimulált széles és egyenletes fénymintát.
A kísérleti mérések erős teljesítménymutatókat eredményeztek:
Nagy hatékonyság:A rendszer hatékonysága meghaladta a 92%-ot, a forrás fotoszintetikus fotonjainak több mint 86%-a esett a művelési síkra.
Magas egyenletesség:A minimális és átlagos PPFD aránya a célsíkon nagyobb volt, mint 82%, ami kiváló térbeli egyenletességre utal, amely kritikus a következetes növénynövekedéshez.
4. Megbeszélés és következtetés
Ennek a nagy{0}}hatékonyságnak és nagy-egyenletességnek a tervezése és megvalósításaLED növénynövekedésA lámpa számos kulcsfontosságú fájdalompontot kezel a vertikális gazdálkodásban:
Költségcsökkentés:Azáltal, hogy polconként egyetlen központi lámpacsővel egyenletes lefedettséget tesz lehetővé, a kialakítás jelentősen csökkenti a művelési rétegenként szükséges szerelvények számát, csökkentve a kezdeti beruházási ráfordítást (CapEx) és a folyamatos karbantartási költségeket.
Energiamegtakarítás: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92%-os energiafelhasználás, ami közvetlenül az alacsonyabb villamosenergia-fogyasztást és működési költségeket (OpEx) jelenti.
Jobb termésminőség:A magas PPFD egyenletesség biztosítja, hogy minden növény azonos fényerőt kapjon, elősegítve az egyenletes növekedést, érést és minőséget. Ez csökkenti a hozamingadozást, és csökkenti a munkaigényes{1}}válogatás szükségességét.
Működési egyszerűség:Egyetlen, központi helyen elhelyezett lámpa könnyebben telepíthető, tisztítható és szervizelhető, mint a több lámpatest, ami egyszerűsíti a gazdaság kezelését.
Ez a munka bemutatja a fejlett optikai tervezési elvek, különösen a digitális fénytér elmélet és a szabad-formájú felületgyártás hatékony alkalmazását az agritech kihívásokra. A "másodlagos forrású felületi módszer" hatékonynak bizonyult egy kompakt, nagy teljesítményű,{2}}kibővített objektív megtervezésében.LED forrás. Az így létrejövő növénynövekedési lámparendszer sikeresen alakítja át a lineáris LED-sorozat fénykibocsátását egy széles, denevérszárnyszerű eloszlássá-, amely rendkívül egyenletes mezővé válik.
Összefoglalva, a digitális optikai tervezés és a LED-technológia integrálása megnyitja az utat a precíziós mezőgazdasági világítás következő generációja előtt. Az itt bemutatott lámpakialakítás lenyűgöző megoldást kínál a függőleges farmok számára, a magas fotonszállítási hatékonysággal, a kiváló térbeli egyenletességgel és a gazdasági előnyökkel kombinálva. A jövőbeni munkák feltárhatják ennek a módszernek a különböző polcméretekhez való adaptálását, a spektrumok optimalizálását adott terményekhez, valamint az intelligens vezérlések további integrálását a dinamikus világítási receptúrákhoz, végső soron hozzájárulva a fenntarthatóbb és termelékenyebb városi mezőgazdasági rendszerek kialakításához.
Hivatkozások
[1] Liu Wenke.A növényi fényminőség élettana és szabályozása a növénygyárakban[M]. Peking: Kínai mezőgazdasági tudományos és technológiai sajtó, 2019.
[2] Cheng Ying.Az optikai szabad formájú felület tervezési módszerének és alkalmazásának kutatása[D]. Tiencsin: Tiencsin Egyetem, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen és mások. Szabad formájú felületi képalkotó optikai rendszerek tervezése: Elmélet, fejlesztés és alkalmazás [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.A LED-források háromdimenziós, nem{1}}képalkotó optikai tervezési módszerével kapcsolatos kutatás[D]. Hangzhou: Kínai Jiliang Egyetem, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Energiatakarékos-fali-növénynövekedési lámpa, amelyet a nem-képalkotó digitális fénymező elmélet alapján terveztek [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. A külföldi vertikális mezőgazdaság fejlesztési tapasztalatai és felvilágosodása [J].Vidéki gazdaság és tudomány-technológia, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lights-for-houseplants.html
