Proiectarea lămpilor LED pentru creșterea plantelor cu-eficiență ridicată și{1}}uniformitate ridicată pentru agricultura verticală
Abstract
Odată cu creșterea rapidă a populației globale și creșterea urbanizării, securitatea alimentară a devenit o provocare presantă la nivel mondial. Metodele agricole inovatoare sunt necesare urgent pentru a spori randamentul culturilor și calitatea nutrițională în spațiu și resurse limitate. Printre acestea, Agricultura cu Mediu Controlat (CEA), în special agricultura verticală, a apărut ca o soluție promițătoare. O componentă critică a sistemelor agricole verticale este iluminatul artificial, care înlocuiește sau completează lumina naturală a soarelui pentru a conduce fotosinteza. Diodele-emițătoare de lumină (LED-urile) au devenit sursa de lumină preferată datorită eficienței energetice, longevității, reglabilității spectrale și radiației termice scăzute. Cu toate acestea, implementarea eficientă a iluminatului cu LED-uri în fermele verticale multi-stratificate necesită nu numai o eficiență fotonică fotosintetică ridicată, ci și o uniformitate spațială excepțională a distribuției luminii pe acoperișul plantei. Iluminarea ne-uniformă poate duce la creșterea neuniformă a plantelor, la reducerea randamentului general și la pierderea de energie. Acest articol analizează un nou design optic pentruCreșterea plantelor cu LEDlămpi bazate pe teoria câmpului luminos digital, care utilizează o lentilă de suprafață personalizată cu formă liberă-pentru a obține o distribuție foarte uniformă a densității fluxului fotonului fotosintetic (PPFD) pe planul de cultivare, folosind un singur tub de lampă, montat central, abordând astfel provocările economice și operaționale cheie în agricultura verticală.
1. Introducere
Agricultura verticală reprezintă o schimbare de paradigmă în producția agricolă, implicând cultivarea culturilor în straturi stivuite vertical, adesea în clădiri sau în medii controlate. Această metodă maximizează eficiența utilizării terenului, reduce consumul de apă, minimizează utilizarea pesticidelor și permite producția locală de alimente în zonele urbane. O piatră de temelie a acestei tehnologii este controlul precis al mediului de creștere, iluminatul fiind unul dintre cei mai importanți și mai consumatorii de energie-.
Creșterea plantelor bazată{0}}LED-urilorlămpile oferă avantaje semnificative față de iluminatul tradițional, cum ar fi lămpile cu-sodiu de înaltă presiune (HPS), inclusiv specificitatea spectrală, gradabilitatea și puterea de lumină direcțională. Scopul optic principal pentru astfel de lămpi în fermele verticale este de a furniza un PPFD uniform - numărul de fotoni activi fotosintetic care sosesc pe unitate de suprafață pe secundă - pe întreaga tavă de cultivare. Obținerea unei uniformități ridicate asigură rate de creștere și calitate consistente pentru toate plantele, minimizând nevoia de sortare și sortare.
În mod convențional, o uniformitate ridicată este urmărită prin desfășurarea mai multor tuburi de lămpi, unul lângă altul, deasupra unui singur plan de cultivare. Deși eficientă, această abordare cu mai multe-lampi are mai multe dezavantaje: costul de capital inițial ridicat din cauza numărului mare de corpuri de iluminat, risipă semnificativă de energie din deversarea luminii dincolo de zona țintă (în special la margini) și complexitatea și costurile de întreținere crescute. Prin urmare, o alternativă convingătoare este proiectarea unui sistem optic care să permită asingurtub de lampă pentru a produce o distribuție uniformă a PPFD pe o lățime standard de cultivare (de exemplu, 60 cm). Această abordare promite să păstreze toate beneficiileIluminare LEDatenuând în același timp problemele legate de costuri, risipa de energie și întreținere. Această lucrare prezintă proiectarea, simularea și validarea experimentală a unui astfel de sistem, utilizând o lentilă cu formă liberă-, proiectată prin metodologia Digital Light Field.
2. Metodologie: Câmp Luminos Digital și Proiectare Optică
2.1 Conceptul de câmp luminos digital
Mărimile fotometrice tradiționale, cum ar fi iluminarea și intensitatea luminoasă, descriu densitatea fluxului luminos pe o suprafață sau într-un unghi solid. Deși sunt esențiale pentru evaluare, acestea nu sunt direct propice procesului de proiectare inversă a suprafețelor optice. Teoria câmpului luminos digital oferă un cadru mai fundamental. Aceasta implică discretizarea spațiului câmpului optic în microelemente. Fiecare element este caracterizat de un con de lumină care trece prin el și de vectorul normal al suprafeței sale. Câmpul general de lumină este descris de o funcție de câmp luminos digital (NDLFF) non-de imagistică. Această digitalizare transformă problema de proiectare optică într-una de manipulare a NDLFF pe o suprafață țintă prin utilizarea uneia sau a mai multor suprafețe optice, cum ar fi lentilele cu formă liberă-. Această metodă, dezvoltată de Xingye Optical Technology, permite controlul precis asupra iradierii și distribuției intensității, făcând-o deosebit de potrivită pentru sarcini complexe de proiectare a iluminatului.
2.2 Optimizarea distribuției sursei, aspectului și țintă
Procesul de proiectare începe prin definirea sursei de lumină și a țintei. Sursa aleasă este un pachet-de mare putere 3535LEDcu o lentilă dom. Pentru un raft tipic de cultivare, ținta este un avion situat la 30 cm sub lampă, cu o lățime care depășește ușor 60 cm. Tubul lămpii cuprinde 25 de astfel de LED-uri distanțate la 48 mm pe un singur rând, rezultând o lungime totală de 1,2 m.
Un pas critic este determinarea distribuției optime PPFD care asingurCombinația de lentile-LED ar trebui să apară în planul țintă. Dacă fiecare LED creează un punct uniform simplu, simetric rotațional, suprapunerea a 25 de astfel de puncte din matricea liniară ar avea ca rezultat o distribuție „centru luminos, margini întunecate” din cauza suprapunerii. Prin urmare, distribuția ideală-LED trebuie să compenseze acest lucru. În loc de soluții analitice complexe, a fost folosită o abordare de optimizare numerică folosind MATLAB.
Distribuția unică-LED PPFD a fost modelată ca o funcție normalizată simetrică de rotație P(r), unde r este distanța radială de la centrul punctului. Zona țintă a fost discretizată și P(r) a fost tratată ca o variabilă de optimizare. Obiectivul de optimizare a fost de a minimiza varianța distribuției totale PPFD rezultată din suprapunerea a 25 de LED-uri în pozițiile lor fixe. Rezultatul optimizat, prezentat în Figura 3 a lucrării originale, dezvăluie o distribuție contra-intuitivă „centru întunecat, periferie strălucitoare” pentru un singur LED. Această distribuție unică asigură că atunci când mai multe spoturi LED se suprapun, ele umple regiunile mai slabe ale celuilalt, culminând cu o distribuție generală extrem de uniformă pe planul de cultivare.
2.3 Design gratuit de lentile-formă prin „Metoda de suprafață a sursei secundare”
Pentru a realiza distribuția optimizată PPFD descrisă mai sus, a fost concepută o lentilă cu formă liberă-. Lentilelor sferice convenționale le lipsesc grade de libertate pentru un control atât de precis. Designul a folosit „Metoda de suprafață a sursei secundare” de la Xingye Optics, o tehnică bazată pe teoria câmpului luminos digital care funcționează direct cu surse extinse (în loc să le simplifice la surse punctiforme), asigurând o precizie ridicată chiar și pentru sisteme optice compacte.
Lentila proiectată are o suprafață netedă, ne-simetrică liber-rotațional, care redirecționează meticulos razele de lumină. După cum este ilustrat în Figura 4/5, razele principale ale LED-ului sunt refractate în unghiuri diferite, cu o densitate mai mare a razelor direcționate către unghiuri mai mari pentru a crea inelul exterior strălucitor necesar într-un singur spot LED-. Modelul lentilei a fost apoi importat în software-ul de simulare optică (de exemplu, LightTools) pentru o analiză riguroasă.
3. Rezultate și analize
3.1 Simulare de lentilă cu un singur LED-
Simularea de-Ray Tracing folosind metoda Monte Carlo a fost efectuată pe lentila proiectată asociată cu modelul LED. Distribuția PPFD rezultată pe planul țintă (Figura 5) a arătat un acord excelent cu distribuția țintă optimizată teoretic din Secțiunea 2.2, confirmând validitatea designului.
3.2 Performanța tubului complet al lămpii
O serie de 25 de unități de lentile LED- distanțate la 48 mm a fost modelată pentru a simula tubul complet al lămpii de 1,2 m. Distribuția PPFD simulată pe planul de cultivare la 30 cm mai jos este prezentată în Figura 6. Rezultatele demonstrează un câmp luminos larg, foarte uniform, cu o tăietură ascuțită la margini. Lățimea acoperă confortabil raftul țintă de 60 cm. În mod crucial, raportul teoretic de utilizare a energiei calculat – definit ca PPF pe raft împărțit la PPF total emis de LED-uri – depășește 92%. Acest lucru indică faptul că peste 92% dintre fotonii activi din punct de vedere fotosintetic generați de LED-uri sunt livrați direct în baldachinul plantei, reducând drastic deversările și risipa de energie în comparație cu modelele convenționale.
3.3 Scalabilitate pentru setări extinse
În fermele verticale practice, rafturile de cultură sunt adesea aranjate cap{0}}la-în rânduri lungi. Distribuția PPFD simulată de la o singură lampă prezintă capete ușor conice. Când două sau mai multe lămpi sunt amplasate cap-la-capit, distribuțiile lor PPFD se suprapun și se completează reciproc în aceste zone de tranziție. Simularea a două lămpi conectate (Figura 7) confirmă faptul că zonele suprapuse sporesc uniformitatea, rezultând un câmp luminos perfect uniform pe o zonă longitudinală extinsă.
3.4 Prototip experimental și validare
Un prototip de lampă a fost fabricat pe baza designului, inclusiv lentile-formate libere, un radiator din aluminiu extrudat și capace de capăt. Fotografiile prototipului și ale punctului său iluminat (Figura 8) coroborează vizual modelul de lumină larg și uniform simulat.
Măsurătorile experimentale au generat valori puternice de performanță:
Eficiență ridicată:Eficiența sistemului a depășit 92%, peste 86% din fotonii fotosintetici ai sursei incidând pe planul de cultivare.
Uniformitate ridicată:Raportul dintre PPFD minim și mediu pe planul țintă a fost mai mare de 82%, indicând o uniformitate spațială excelentă, critică pentru creșterea constantă a plantelor.
4. Discuție și concluzie
Proiectarea și implementarea acestei{0}}eficiență ridicată, uniformitate ridicată-Creșterea plantelor cu LEDlampa abordează câteva puncte cheie dure în agricultura verticală:
Reducerea costurilor:Permițând o acoperire uniformă cu un singur tub central al lămpii pe raft, designul reduce semnificativ numărul de dispozitive necesare pe strat de cultivare, reducând cheltuielile de capital inițiale (CapEx) și costurile de întreținere continuă.
Economii de energie: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >Utilizarea de 92% a energiei, se traduce direct în consumul de energie electrică și cheltuieli operaționale mai mici (OpEx).
Calitate îmbunătățită a culturii:Uniformitatea ridicată a PPFD asigură că toate plantele primesc niveluri de lumină echivalente, promovând creșterea, maturarea și calitatea consecvente. Acest lucru reduce variabilitatea randamentului și necesitatea ulterioară de sortare-intensă de muncă.
Simplitate operațională:O singură lampă, situată central, este mai ușor de instalat, curățat și întreținut în comparație cu mai multe corpuri de iluminat, simplificând managementul fermei.
Această lucrare demonstrează aplicarea puternică a principiilor avansate de proiectare optică, în special teoria câmpului luminos digital și producția de-forma liberă a suprafețelor, la provocările din domeniul agriculturii. „Metoda suprafeței sursei secundare” sa dovedit eficientă în proiectarea unui obiectiv compact,-de înaltă performanță, adaptat pentru o extindereSursa LED. Sistemul de lampă pentru creșterea plantelor rezultat transformă cu succes ieșirea luminii dintr-o matrice liniară de LED-uri într-o distribuție largă, asemănătoare liliacului-, care se suprapune într-un câmp extrem de uniform.
În concluzie, integrarea designului optic digital cu tehnologia LED deschide calea pentru următoarea generație de iluminat agricol de precizie. Designul lămpii prezentat aici oferă o soluție convingătoare pentru fermele verticale, combinând eficiența ridicată de livrare a fotonilor, uniformitatea spațială superioară și beneficiile economice. Lucrările viitoare ar putea explora adaptarea acestei metodologii pentru diferite dimensiuni ale raftului, optimizarea spectrelor pentru anumite culturi și integrarea în continuare a controalelor inteligente pentru rețete de iluminare dinamică, contribuind în cele din urmă la sisteme de agricultură urbană mai durabile și mai productive.
Referințe
[1] Liu Wenke.Fiziologia calității luminii plantelor și reglementarea acesteia în fabricile de plante[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] Cheng Ying.Cercetare privind metoda de proiectare și aplicarea suprafeței optice cu formă liberă[D]. Tianjin: Universitatea Tianjin, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen și colab. Proiectarea sistemelor optice de imagistică de suprafață cu formă liberă: teorie, dezvoltare și aplicare [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Cercetări privind metoda de proiectare optică tridimensională non{-imagistică pentru surse LED[D]. Hangzhou: Universitatea China Jiliang, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. O lampă pentru creșterea plantelor montată pe perete-economisitor de energie-, proiectată pe baza teoriei câmpului luminos digital fără-imagini [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Experiență de dezvoltare și iluminare a agriculturii verticale străine [J].Economie rurală și știință-Tehnologie, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tub-bec/grow-lumini-pentru-plante de apartament.html
