Проектиране на LED лампи за растеж на растения с висока-ефективност и висока-еднородност за вертикално земеделие
Резюме
С бързото нарастване на световното население и нарастващата урбанизация продоволствената сигурност се превърна в належащо световно предизвикателство. Необходими са спешно иновативни селскостопански методи за подобряване на добивите и хранителното качество в ограничено пространство и ресурси. Сред тях земеделието с контролирана среда (CEA), особено вертикалното земеделие, се очерта като обещаващо решение. Критичен компонент на системите за вертикално земеделие е изкуственото осветление, което замества или допълва естествената слънчева светлина, за да стимулира фотосинтезата. Свето-излъчващите диоди (LED) се превърнаха в предпочитан източник на светлина поради своята енергийна ефективност, дълготрайност, спектрална настройка и ниско топлинно излъчване. Въпреки това, ефективното внедряване на LED осветление в много-слоеви вертикални ферми изисква не само висока фотосинтетична фотонна ефективност, но и изключителна пространствена равномерност на разпределението на светлината в растителния покрив. Не-равномерното осветление може да доведе до неравномерен растеж на растенията, намален общ добив и загуба на енергия. Тази статия разглежда нов оптичен дизайн заLED растеж на растенияталампи, базирани на теорията на цифровото светлинно поле, която използва повърхностна леща със свободна-форма за постигане на силно равномерно разпределение на фотосинтетичната плътност на фотонния поток (PPFD) в равнината на култивиране, използвайки единична, централно монтирана лампова тръба, като по този начин се справят с ключови икономически и оперативни предизвикателства във вертикалното земеделие.
1. Въведение
Вертикалното земеделие представлява промяна на парадигмата в селскостопанското производство, включваща отглеждането на култури във вертикално подредени слоеве, често в сгради или контролирана среда. Този метод увеличава максимално ефективността на използването на земята, намалява потреблението на вода, свежда до минимум употребата на пестициди и позволява местно производство на храни в градските райони. Крайъгълният камък на тази технология е прецизният контрол на средата за растеж, като осветлението е един от най-важните и енергоемки-фактори.
LED{0}}базиран растеж на растенияталампите предлагат значителни предимства пред традиционното осветление, като -натриевите лампи с високо налягане (HPS), включително спектрална специфичност, възможност за димиране и насочена светлинна мощност. Основната оптична цел за такива лампи във вертикални ферми е да осигурят еднакъв PPFD – броя на фотосинтетично активните фотони, пристигащи на единица площ за секунда – в цялата тава за култивиране. Постигането на висока хомогенност гарантира постоянни темпове на растеж и качество за всички растения, минимизирайки необходимостта от сортиране и сортиране.
Обикновено високата еднородност се преследва чрез разполагане на множество лампови тръби една-до-една над една равнина на култивиране. Въпреки че е ефективен, този подход с много -лампи има няколко недостатъка: високи първоначални капиталови разходи поради големия брой приспособления, значителна загуба на енергия от разливане на светлина извън целевата зона (особено по краищата) и повишена сложност и разходи за поддръжка. Следователно убедителна алтернатива е да се проектира оптична система, която позволява aединиченлампова тръба за получаване на равномерно разпределение на PPFD върху стандартна ширина на култивиране (напр. 60 cm). Този подход обещава да запази всички предимства наLED осветлениекато същевременно смекчава проблемите с разходите, загубата на енергия и поддръжката. Този документ представя дизайна, симулацията и експерименталното валидиране на такава система, използваща леща със свободна-форма, проектирана чрез методологията на цифровото светлинно поле.
2. Методология: цифрово светлинно поле и оптичен дизайн
2.1 Концепцията за цифрово светлинно поле
Традиционните фотометрични величини като осветеност и светлинен интензитет описват плътността на светлинния поток върху повърхност или в плътен ъгъл. Въпреки че са от съществено значение за оценката, те не са пряко благоприятни за обратния процес на проектиране на оптични повърхности. Теорията за дигиталното светлинно поле предоставя по-основна рамка. Това включва дискретизиране на пространството на оптичното поле в микроелементи. Всеки елемент се характеризира с минаващ през него светлинен конус и нормален вектор на повърхността му. Цялостното светлинно поле се описва от функция за цифрово светлинно поле без-изображение (NDLFF). Тази дигитализация трансформира проблема с оптичния дизайн в проблем за манипулиране на NDLFF върху целева повърхност чрез използването на една или повече оптични повърхности, като например лещи със свободна{7}}форма. Този метод, разработен от Xingye Optical Technology, позволява прецизен контрол върху излъчването и разпределението на интензитета, което го прави особено подходящ за сложни задачи за проектиране на осветление.
2.2 Оптимизиране на източника, оформлението и целевото разпространение
Процесът на проектиране започва с определяне на източника на светлина и целта. Избраният източник е пакет с висока-мощност 3535LEDс куполен обектив. За типичен рафт за култивиране целта е равнина, разположена на 30 cm под лампата, с ширина малко над 60 cm. Тръбата на лампата се състои от 25 такива светодиода, разположени на 48 mm един от друг в един ред, което води до обща дължина от 1,2 m.
Критична стъпка е определянето на оптималното разпределение на PPFD, което aединиченКомбинацията от светодиодни-лещи трябва да произвежда в целевата равнина. Ако всеки светодиод създава просто, ротационно симетрично равномерно петно, наслагването на 25 такива петна от линейния масив би довело до разпределение на „ярък център, тъмни ръбове“ поради припокриване. Следователно идеалното разпределение на един-LED трябва да компенсира това. Вместо сложни аналитични решения беше използван подход за числена оптимизация с помощта на MATLAB.
Разпределението на единичния-LED PPFD беше моделирано като нормализирана ротационно-симетрична функция P(r), където r е радиалното разстояние от центъра на точката. Целевата област беше дискретизирана и P (r) беше третирано като променлива за оптимизация. Целта на оптимизацията беше да се сведе до минимум дисперсията на общото разпределение на PPFD в резултат на наслагването на 25 светодиода на техните фиксирани позиции. Оптимизираният резултат, показан на Фигура 3 от оригиналния документ, разкрива противо-интуитивно разпределение „тъмен център, ярка периферия“ за единичния светодиод. Това уникално разпределение гарантира, че когато множество LED петна се припокриват, те запълват по-слабите региони един на друг, което завършва с изключително равномерно цялостно разпределение в равнината на култивиране.
2.3 Дизайн на обектив със свободна{1}}форма чрез „Метода на повърхността на вторичния източник“
За да се постигне описаното по-горе оптимизирано разпределение на PPFD, беше проектиран обектив със свободна{0}}форма. На конвенционалните сферични лещи им липсват степените на свобода за такъв прецизен контрол. Дизайнът използва „Метода на повърхността на вторичния източник“ на Xingye Optics, техника, основана на теорията за цифровото светлинно поле, която работи директно с разширени източници (вместо да ги опростява до точкови източници), осигурявайки висока точност дори за компактни оптични системи.
Проектираният обектив разполага с гладка, не-ротационно симетрична повърхност със свободна{1}}форма, която прецизно пренасочва светлинните лъчи. Както е показано на Фигура 4/5, главните лъчи от светодиода се пречупват под различни ъгли, с по-висока плътност на лъчите, насочени към по-големи ъгли, за да се създаде необходимият ярък външен пръстен в единичното-LED петно. След това моделът на лещата беше импортиран в софтуер за оптична симулация (напр. LightTools) за строг анализ.
3. Резултати и анализ
3.1 Симулация на единичен светодиод-обектив
Симулация-на проследяване на лъчи с помощта на метода Монте Карло беше извършена върху проектираната леща, съчетана със светодиодния модел. Полученото PPFD разпределение на целевата равнина (Фигура 5) показа отлично съответствие с теоретично оптимизираното целево разпределение от раздел 2.2, потвърждавайки валидността на дизайна.
3.2 Пълна производителност на тръбата на лампата
Решетка от 25 LED-лещи, разположени на разстояние 48 mm една от друга, беше моделирана, за да симулира цялата 1,2-метрова тръба на лампата. Симулираното разпределение на PPFD върху равнината на култивиране 30 cm по-долу е показано на Фигура 6. Резултатите демонстрират широко, силно еднородно светлинно поле с рязко прекъсване по краищата. Широчината покрива удобно 60 см целеви рафт. Най-важното е, че изчисленият теоретичен коефициент на използване на енергия – определен като PPF на рафта, разделен на общия PPF, излъчван от светодиодите – надхвърля 92%. Това показва, че над 92% от фотосинтетично активните фотони, генерирани от светодиодите, се доставят директно до растителния покрив, което драстично намалява разливането и загубата на енергия в сравнение с конвенционалните дизайни.
3.3 Мащабируемост за разширени настройки
В практичните вертикални ферми рафтовете за култивиране често са подредени от край-до-край в дълги редове. Симулираното разпределение на PPFD от една лампа показва леко заострени краища. Когато две или повече лампи са поставени край--край, техните PPFD разпределения се припокриват и допълват взаимно в тези преходни зони. Симулацията на две свързани лампи (Фигура 7) потвърждава, че припокриващите се зони подобряват равномерността, което води до безпроблемно равномерно светлинно поле върху разширена надлъжна област.
3.4 Експериментален прототип и валидиране
Прототип на лампа беше произведен въз основа на дизайна, включително формовани лещи със свободна{0}}форма, алуминиев екструзионен радиатор и крайни капачки. Снимките на прототипа и осветеното му петно (Фигура 8) визуално потвърждават симулирания широк и еднороден светлинен модел.
Експерименталните измервания дават силни показатели за ефективност:
Висока ефективност:Ефективността на системата надхвърли 92%, като над 86% от фотосинтезиращите фотони на източника попадат в равнината на култивиране.
Висока еднородност:Съотношението на минималната към средната PPFD на целевата равнина е по-голямо от 82%, което показва отлична пространствена еднородност, критична за последователния растеж на растенията.
4. Дискусия и заключение
Дизайнът и внедряването на тази висока-ефективност, висока-еднородностLED растеж на растенияталампата адресира няколко ключови болни точки във вертикалното земеделие:
Намаляване на разходите:Като позволява равномерно покритие с една централна лампова тръба на рафт, дизайнът значително намалява броя на приспособленията, необходими за слой за култивиране, намалявайки първоначалните капиталови разходи (CapEx) и текущите разходи за поддръжка.
Икономия на енергия: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% използване на енергия, което директно означава по-ниска консумация на електроенергия и оперативни разходи (OpEx).
Подобрено качество на реколтата:Високата равномерност на PPFD гарантира, че всички растения получават еквивалентни нива на светлина, насърчавайки постоянен растеж, узряване и качество. Това намалява променливостта на добива и последващата необходимост от-трудоемко сортиране.
Оперативна простота:Една единствена, централно разположена лампа е по-лесна за инсталиране, почистване и обслужване в сравнение с множество тела, което опростява управлението на фермата.
Тази работа демонстрира мощното приложение на усъвършенствани принципи на оптичен дизайн, по-специално теорията на цифровото светлинно поле и производството на повърхности със свободна{0}}форма, към предизвикателствата на агротехниката. „Методът на повърхността на вторичния източник“ се оказа ефективен при проектирането на компактен обектив с висока-производителност, пригоден за разширенLED източник. Получената система от лампи за растеж на растения успешно трансформира светлинния поток от линеен светодиоден масив в широко, подобно на крило на прилеп -разпределение, което се наслагва в силно равномерно поле.
В заключение, интегрирането на дигитален оптичен дизайн с LED технология проправя пътя за следващото поколение прецизно земеделско осветление. Дизайнът на лампата, представен тук, предлага убедително решение за вертикални ферми, съчетавайки висока ефективност на доставка на фотони, превъзходна пространствена еднородност и икономически ползи. Бъдещата работа може да проучи адаптирането на тази методология за различни размери на рафтовете, оптимизиране на спектрите за специфични култури и допълнително интегриране на интелигентни контроли за рецепти за динамично осветление, което в крайна сметка допринася за по-устойчиви и продуктивни градски селскостопански системи.
Референции
[1] Лиу Венке.Физиология на качеството на светлината на растенията и нейното регулиране в растителни фабрики[М]. Пекин: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] Ченг Ин.Изследване на метода на проектиране и приложението на оптична повърхност със свободна форма[D]. Тиендзин: Университет Тиендзин, 2013 г.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen и др. Проектиране на оптични системи за повърхностни изображения в свободна форма: Теория, развитие и приложение [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Ин Ся.Изследване на три{0}}измерен метод за оптичен дизайн без{1}}изображения за LED източници[D]. Hangzhou: China Jiliang University, 2015 г.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Енергоспестяваща-стенна-лампа за растеж на растения, проектирана въз основа на теория за цифровото светлинно поле без{4}}изображение [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Опитът в развитието и просвещението на чуждестранното вертикално земеделие [J].Селска икономика и наука-технологии, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-тръба-крушка/растяща-светлина-за-стайни растения.html
