Projektowanie wysoko-wydajnych i-jednorodnych lamp LED do uprawy roślin do upraw pionowych
Abstrakcyjny
Wraz z szybkim wzrostem liczby ludności na świecie i postępującą urbanizacją bezpieczeństwo żywnościowe stało się pilnym wyzwaniem na skalę światową. Pilnie potrzebne są innowacyjne metody rolnicze, aby zwiększyć plony i jakość składników odżywczych w ograniczonej przestrzeni i zasobach. Wśród nich obiecującym rozwiązaniem okazało się rolnictwo w kontrolowanym środowisku (CEA), w szczególności rolnictwo wertykalne. Krytycznym elementem systemów rolnictwa wertykalnego jest sztuczne oświetlenie, które zastępuje lub uzupełnia naturalne światło słoneczne w celu pobudzenia fotosyntezy. Diody elektroluminescencyjne (LED) stały się preferowanym źródłem światła ze względu na ich efektywność energetyczną, trwałość, możliwość regulacji widma i niskie promieniowanie cieplne. Jednak skuteczne wdrożenie oświetlenia LED w wielowarstwowych-farmach pionowych wymaga nie tylko wysokiej skuteczności fotosyntezy fotonów, ale także wyjątkowej przestrzennej równomierności rozkładu światła w koronach roślin. Nie-równomierne oświetlenie może prowadzić do nierównomiernego wzrostu roślin, zmniejszenia ogólnego plonu i marnowania energii. W tym artykule omówiono nowatorską konstrukcję optycznąWzrost roślin LEDlampy oparte na teorii cyfrowego pola świetlnego, która wykorzystuje niestandardową-soczewkę powierzchniową o dowolnym kształcie, aby uzyskać wysoce równomierny rozkład gęstości strumienia fotonów fotosyntetycznych (PPFD) na płaszczyźnie uprawy przy użyciu pojedynczej, centralnie zamontowanej lampy, co pozwala sprostać kluczowym wyzwaniom ekonomicznym i operacyjnym w rolnictwie pionowym.
1. Wprowadzenie
Rolnictwo pionowe reprezentuje zmianę paradygmatu w produkcji rolnej, obejmującą uprawę roślin w pionowo ułożonych warstwach, często w budynkach lub w kontrolowanych środowiskach. Metoda ta maksymalizuje efektywność wykorzystania gruntów, zmniejsza zużycie wody, minimalizuje użycie pestycydów i umożliwia lokalną produkcję żywności na obszarach miejskich. Podstawą tej technologii jest precyzyjna kontrola środowiska wzrostu, przy czym oświetlenie jest jednym z najważniejszych i-energochłonnych czynników.
Wzrost roślin-oparty na diodach LEDoferują znaczne korzyści w porównaniu z tradycyjnym oświetleniem, takim jak wysokoprężne-lampy sodowe (HPS), obejmujące specyficzność widmową, możliwość przyciemniania i kierunkowy strumień światła. Podstawowym celem optycznym takich lamp w gospodarstwach pionowych jest zapewnienie jednolitego PPFD – liczby aktywnych fotosyntetycznie fotonów przybywających na jednostkę powierzchni na sekundę – na całej tacy uprawnej. Osiągnięcie wysokiej jednorodności zapewnia stałe tempo wzrostu i jakość wszystkich roślin, minimalizując potrzebę sortowania i klasyfikacji.
Tradycyjnie wysoką jednorodność osiąga się poprzez rozmieszczenie wielu świetlówek obok siebie--obok siebie nad pojedynczą płaszczyzną uprawy. Chociaż to podejście wykorzystujące wiele-lamp jest skuteczne, ma kilka wad: wysoki początkowy koszt inwestycyjny ze względu na dużą liczbę opraw, znaczne straty energii w wyniku rozproszenia światła poza obszar docelowy (szczególnie na krawędziach) oraz zwiększoną złożoność i koszty konserwacji. Dlatego też atrakcyjną alternatywą jest zaprojektowanie układu optycznego, który umożliwia:pojedynczyświetlówkę zapewniającą równomierny rozkład PPFD na standardowej szerokości uprawy (np. 60 cm). Takie podejście obiecuje zachować wszystkie zaletyOświetlenie LEDjednocześnie łagodząc problemy związane z kosztami, marnotrawstwem energii i konserwacją. W artykule przedstawiono projekt, symulację i weryfikację eksperymentalną takiego systemu, w którym zastosowano soczewkę o swobodnym-formie zaprojektowaną przy użyciu metodologii Digital Light Field.
2. Metodologia: Cyfrowe pole świetlne i konstrukcja optyczna
2.1 Koncepcja cyfrowego pola świetlnego
Tradycyjne wielkości fotometryczne, takie jak natężenie oświetlenia i natężenie światła, opisują gęstość strumienia świetlnego na powierzchni lub w kącie bryłowym. Chociaż są one niezbędne do oceny, nie sprzyjają bezpośrednio odwrotnemu procesowi projektowania powierzchni optycznych. Bardziej fundamentalne ramy zapewnia cyfrowa teoria pola świetlnego. Polega ona na dyskretyzacji przestrzeni pola optycznego na mikroelementy. Każdy element charakteryzuje się przechodzącym przez niego stożkiem świetlnym i wektorem normalnym jego powierzchni. Całkowite pole świetlne jest opisywane za pomocą-nieobrazowej funkcji cyfrowego pola świetlnego (NDLFF). Ta cyfryzacja przekształca problem projektowania optycznego w problem manipulacji NDLFF na powierzchni docelowej poprzez zastosowanie jednej lub większej liczby powierzchni optycznych, takich jak soczewki o swobodnym-formie. Metoda ta, opracowana przez Xingye Optical Technology, umożliwia precyzyjną kontrolę natężenia promieniowania i rozkładu natężenia, dzięki czemu jest szczególnie przydatna do złożonych zadań związanych z projektowaniem oświetlenia.
2.2 Optymalizacja źródła, układu i dystrybucji docelowej
Proces projektowania rozpoczyna się od zdefiniowania źródła i celu światła. Wybrane źródło to zestaw-3535 o dużej mocyPROWADZONYz soczewką kopułkową. Dla typowej półki uprawowej celem jest płaszczyzna znajdująca się 30 cm pod lampą, o szerokości nieco przekraczającej 60 cm. Rura lampy składa się z 25 takich diod LED rozmieszczonych w jednym rzędzie co 48 mm, co daje łączną długość 1,2 m.
Krytycznym krokiem jest określenie optymalnego rozkładu PPFD, który apojedynczyKombinacja soczewek-LED powinna generować światło na płaszczyźnie docelowej. Jeśli każda dioda LED tworzy prostą, obrotowo symetryczną, jednolitą plamkę, superpozycja 25 takich plam z układu liniowego skutkowałaby rozkładem „jasny środek, ciemne krawędzie” z powodu nakładania się. Dlatego idealny rozsył pojedynczej-LED musi to kompensować. Zamiast skomplikowanych rozwiązań analitycznych zastosowano podejście optymalizacji numerycznej z wykorzystaniem MATLAB-a.
Rozkład pojedynczej-LED PPFD modelowano jako znormalizowaną funkcję obrotowo-symetryczną P(r), gdzie r jest promieniową odległością od środka plamki. Powierzchnię docelową poddano dyskretyzacji, a P(r) potraktowano jako zmienną optymalizacyjną. Celem optymalizacji było zminimalizowanie wariancji całkowitego rozkładu PPFD wynikającej z superpozycji 25 diod LED w ich stałych pozycjach. Zoptymalizowany wynik, pokazany na rysunku 3 oryginalnej pracy, ujawnia{{6}intuicyjny rozkład „ciemny środek, jasne obrzeża” dla pojedynczej diody LED. Ta wyjątkowa dystrybucja zapewnia, że gdy wiele plamek LED nakłada się na siebie, wypełniają one nawzajem swoje ciemniejsze obszary, co kończy się bardzo równomiernym ogólnym rozkładem na płaszczyźnie uprawy.
2.3 Projekt soczewki-dowolnej formy za pomocą „metody powierzchni źródła wtórnego”
Aby uzyskać opisany powyżej zoptymalizowany rozkład PPFD, zaprojektowano-soczewkę o swobodnym kształcie. Konwencjonalnym soczewkom sferycznym brakuje stopni swobody umożliwiających tak precyzyjną kontrolę. W projekcie zastosowano „metodę powierzchni źródła wtórnego” firmy Xingye Optics, technikę opartą na teorii cyfrowego pola świetlnego, która bezpośrednio współpracuje z rozszerzonymi źródłami (zamiast upraszczać je do źródeł punktowych), zapewniając wysoką dokładność nawet w przypadku kompaktowych systemów optycznych.
Zaprojektowana soczewka ma gładką, nie-obrotowo-symetryczną, swobodną-powierzchnię, która dokładnie przekierowuje promienie świetlne. Jak pokazano na rysunku 4/5, główne promienie diody LED są załamywane pod różnymi kątami, przy czym większa gęstość promieni jest kierowana pod większymi kątami, aby utworzyć wymagany jasny pierścień zewnętrzny w pojedynczej-plamce diody LED. Model soczewki następnie zaimportowano do oprogramowania do symulacji optycznej (np. LightTools) w celu rygorystycznej analizy.
3. Wyniki i analiza
3.1 Symulacja pojedynczego obiektywu-LED
Symulację-śledzenia promieni metodą Monte Carlo przeprowadzono na zaprojektowanym obiektywie w połączeniu z modelem LED. Wynikowy rozkład PPFD na płaszczyźnie docelowej (rysunek 5) wykazał doskonałą zgodność z teoretycznie zoptymalizowanym rozkładem docelowym z sekcji 2.2, potwierdzając ważność projektu.
3.2 Pełna wydajność lampy
Aby symulować całą świetlówkę o długości 1,2 m, zamodelowano układ 25 soczewek-LED oddalonych od siebie o 48 mm. Symulowany rozkład PPFD na płaszczyźnie uprawy 30 cm poniżej pokazano na rysunku 6. Wyniki pokazują szerokie, bardzo jednolite pole świetlne z ostrym odcięciem na krawędziach. Szerokość wygodnie pokrywa docelową półkę 60 cm. Co najważniejsze, obliczony teoretyczny współczynnik wykorzystania energii – zdefiniowany jako PPF na półce podzielony przez całkowity PPF emitowany przez diody LED – przekracza 92%. Oznacza to, że ponad 92% fotosyntetycznie aktywnych fotonów generowanych przez diody LED jest dostarczanych bezpośrednio do korony roślin, drastycznie zmniejszając wycieki i straty energii w porównaniu z konwencjonalnymi konstrukcjami.
3.3 Skalowalność dla rozszerzonych konfiguracji
W praktycznych gospodarstwach pionowych półki uprawne są często ułożone-od końca-w długie rzędy. Symulowany rozkład PPFD z pojedynczej lampy pokazuje lekko zwężone końce. Kiedy dwie lub więcej lamp ustawionych jest-od siebie-, ich rozkłady PPFD nakładają się i uzupełniają w tych strefach przejściowych. Symulacja dwóch połączonych lamp (rysunek 7) potwierdza, że nakładające się obszary zwiększają równomierność, co skutkuje płynnie jednolitym polem świetlnym na większym obszarze wzdłużnym.
3.4 Eksperymentalny prototyp i walidacja
Na podstawie projektu wykonano prototypową lampę, obejmującą formowane-formy swobodne, radiator z wytłaczanego aluminium i zaślepki końcowe. Fotografie prototypu i jego oświetlonego punktu (rysunek 8) wizualnie potwierdzają symulowany szeroki i jednolity wzór światła.
Pomiary eksperymentalne dostarczyły solidnych wskaźników wydajności:
Wysoka wydajność:Wydajność systemu przekroczyła 92%, a ponad 86% fotosyntetycznych fotonów źródła pada na płaszczyznę uprawy.
Wysoka jednolitość:Stosunek minimalnego do średniego PPFD na płaszczyźnie docelowej był większy niż 82%, co wskazuje na doskonałą jednorodność przestrzenną, krytyczną dla spójnego wzrostu roślin.
4. Dyskusja i wnioski
Projekt i wdrożenie tej wysokiej-wydajności i wysokiej-jednolitościWzrost roślin LEDLampa rozwiązuje kilka kluczowych problemów w rolnictwie wertykalnym:
Redukcja kosztów:Umożliwiając równomierne pokrycie pojedynczą centralną świetlówką na półkę, projekt znacznie zmniejsza liczbę opraw wymaganych na warstwę uprawną, obniżając początkowe nakłady inwestycyjne (CapEx) i bieżące koszty konserwacji.
Oszczędność energii: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >Zużycie energii na poziomie 92% przekłada się bezpośrednio na niższe zużycie energii elektrycznej i koszty operacyjne (OpEx).
Poprawiona jakość plonów:Wysoka jednorodność PPFD zapewnia, że wszystkie rośliny otrzymują równoważny poziom światła, promując spójny wzrost, dojrzewanie i jakość. Zmniejsza to zmienność plonów i wynikającą z tego potrzebę pracochłonnego-sortowania.
Prostota operacyjna:Pojedyncza, centralnie umieszczona lampa jest łatwiejsza w instalacji, czyszczeniu i serwisowaniu w porównaniu z wieloma oprawami, co upraszcza zarządzanie gospodarstwem.
Ta praca pokazuje potężne zastosowanie zaawansowanych zasad projektowania optyki, w szczególności teorii cyfrowego pola świetlnego i swobodnej-produkcji powierzchni, do wyzwań związanych z technologią agrotechniczną. „Metoda powierzchni źródła wtórnego” okazała się skuteczna w projektowaniu kompaktowego,-obiektywu o wysokich parametrach, dostosowanego do dłuższychŹródło LED. Powstały system lamp do wzrostu roślin skutecznie przekształca strumień świetlny liniowego układu LED w szeroki rozkład-podobny do skrzydeł nietoperza, który nakłada się na bardzo jednolite pole.
Podsumowując, integracja cyfrowej konstrukcji optycznej z technologią LED toruje drogę nowej generacji precyzyjnego oświetlenia rolniczego. Przedstawiona tutaj konstrukcja lampy stanowi atrakcyjne rozwiązanie dla gospodarstw pionowych, łącząc wysoką wydajność dostarczania fotonów, doskonałą jednorodność przestrzenną i korzyści ekonomiczne. Przyszłe prace mogą obejmować dostosowanie tej metodologii do różnych wymiarów półek, optymalizację widm dla określonych upraw i dalszą integrację inteligentnych elementów sterujących na potrzeby receptur dynamicznego oświetlenia, co ostatecznie przyczyni się do powstania bardziej zrównoważonych i produktywnych systemów rolnictwa miejskiego.
Referencje
[1] Liu Wenke.Fizjologia jakości światła roślin i jej regulacja w fabrykach roślin[M]. Pekin: Chińska prasa naukowo-technologiczna o rolnictwie, 2019.
[2] Cheng Ying.Badania nad metodą projektowania i zastosowaniem powierzchni optycznych o dowolnym kształcie[D]. Tianjin: Uniwersytet w Tianjin, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen i in. Projektowanie układów optycznych do obrazowania powierzchni o dowolnym kształcie: teoria, rozwój i zastosowanie [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Badania nad trójwymiarową-nieobrazową-metodą projektowania optycznego źródeł LED[D]. Hangzhou: Chiński Uniwersytet Jiliang, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Energooszczędna-lampa do wzrostu roślin-do montażu na ścianie, zaprojektowana w oparciu o-nieobrazową teorię cyfrowego pola świetlnego [J].Zhaominga Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Doświadczenia rozwojowe i oświecenie zagranicznego rolnictwa pionowego [J].Gospodarka wiejska i nauka-Technologia, 2021, 32(13): 208-210.
