Konsepsyon gwo-efikasite ak gwo-inifòmite ki ap dirije lanp kwasans plant pou agrikilti vètikal
Résumé
Avèk kwasans rapid nan popilasyon mondyal la ak ogmante ibanizasyon, sekirite alimantè vin tounen yon defi ijan atravè lemond. Metòd agrikòl inovatè nesesè ijan pou amelyore pwodiksyon rekòt ak bon jan kalite nitrisyonèl nan espas ak resous limite. Pami sa yo, Kontwole Anviwònman Agrikilti (CEA), patikilyèman vètikal agrikilti, te parèt kòm yon solisyon pwomèt. Yon eleman enpòtan nan sistèm agrikilti vètikal yo se ekleraj atifisyèl, ki ranplase oswa konplete limyè solèy la natirèl pou kondwi fotosentèz. Limyè -Dyod Emisyon (LED) yo vin tounen sous limyè pi pito akòz efikasite enèji yo, lonjevite yo, adaptabilite espèk yo, ak radyasyon tèmik ki ba. Sepandan, deplwaman efikas ekleraj ki ap dirije nan fèm vètikal milti-kouch mande pa sèlman efikasite foton fotosentetik segondè, men tou inifòmite espasyal eksepsyonèl nan distribisyon limyè atravè canopy plant la. Ekleraj ki pa inifòm ka mennen nan kwasans plant inegal, redwi pwodiksyon an jeneral, ak gaspiye enèji. Atik sa a fouye nan yon konsepsyon optik roman pouKi ap dirije kwasans plantlanp ki baze sou teyori Digital Light Field, ki itilize yon lantiy sifas koutim gratis -pou reyalize distribisyon dansite flux foton fotosentetik (PPFD) trè inifòm sou plan kiltivasyon lè l sèvi avèk yon sèl tib lanp ki monte santralman, kidonk adrese defi kle ekonomik ak operasyonèl nan agrikilti vètikal.
1. Entwodiksyon
Agrikilti vètikal reprezante yon chanjman paradigm nan pwodiksyon agrikòl, ki enplike kiltivasyon nan rekòt nan kouch vètikal anpile, souvan nan bilding oswa anviwònman kontwole. Metòd sa a maksimize efikasite itilizasyon tè, diminye konsomasyon dlo, minimize itilizasyon pestisid, epi pèmèt pwodiksyon manje lokal nan zòn iben yo. Yon baz teknoloji sa a se kontwòl egzak anviwònman kwasans lan, ak ekleraj se youn nan faktè ki pi enpòtan ak enèji -entansif.
Ki baze sou kwasans plant ki ap dirije-lanp yo ofri gwo avantaj sou ekleraj tradisyonèl yo, tankou lanp sodyòm ki gen gwo -presyon (HPS), ki gen ladan espesifikasyon espèk, gradyasyon, ak pwodiksyon limyè direksyon. Objektif prensipal optik pou lanp sa yo nan fèm vètikal se delivre yon PPFD inifòm - kantite foton fotosentetik aktif ki rive pou chak inite zòn pou chak segonn - atravè tout plato kiltivasyon an. Reyalize inifòmite segondè asire pousantaj kwasans konsistan ak bon jan kalite pou tout plant yo, minimize bezwen pou klasman ak klasman.
Konvansyonèl, inifòmite segondè yo pouswiv pa deplwaye tib lanp plizyè kòt -a-anwo yon plan kiltivasyon sèl. Byenke efikas, apwòch milti-lanp sa a gen plizyè dezavantaj: gwo pri kapital inisyal akòz gwo kantite aparèy, gwo fatra enèji ki soti nan limyè koule pi lwen pase zòn sib la (sitou nan kwen yo), ak konpleksite ak pri antretyen ogmante. Se poutèt sa, yon altènatif konvenkan se konsepsyon yon sistèm optik ki pèmèt yonsèltib lanp pou pwodwi yon distribisyon inifòm PPFD sou yon lajè kiltivasyon estanda (egzanp, 60 cm). Apwòch sa a pwomès yo kenbe tout benefis ki genyen nanDirije eklerajpandan y ap diminye pwoblèm pri, fatra enèji, ak antretyen. Papye sa a prezante konsepsyon, simulation, ak validasyon eksperimantal nan yon sistèm sa a, anplwaye yon lantiy gratis -ki fèt atravè metodoloji Digital Light Field.
2. Metodoloji: Digital Light Field ak Optical Design
2.1 Konsèp jaden limyè dijital
Kantite fotometrik tradisyonèl tankou illuminasyon ak entansite lumineux dekri dansite flux lumineux sou yon sifas oswa nan yon ang solid. Pandan ke esansyèl pou evalyasyon, yo pa dirèkteman fezab nan pwosesis la konsepsyon envès nan sifas optik. Teyori jaden limyè dijital la bay yon fondasyon ki pi fondamantal. Li enplike diskretize espas jaden optik la nan mikroeleman. Chak eleman karakterize pa yon kòn limyè pase nan li ak vektè nòmal sifas li. Se yon fonksyon jaden limyè dijital ki pa -imaj (NDLFF) ki dekri jaden limyè jeneral la. Dijitalizasyon sa a transfòme pwoblèm nan konsepsyon optik nan youn nan manipile NDLFF a sou yon sifas sib atravè itilizasyon youn oswa plizyè sifas optik, tankou lantiy fòm gratis-. Metòd sa a, devlope pa Xingye Optical Technology, pèmèt kontwòl egzak sou distribisyon irradiance ak entansite, fè li patikilyèman apwopriye pou travay konsepsyon ekleraj konplèks.
2.2 Sous, Layout, ak Optimizasyon Distribisyon Sib
Pwosesis konsepsyon an kòmanse pa defini sous limyè a ak sib. Sous yo chwazi a se yon gwo -pouvwa 3535-pakedirijeak yon lantiy bòl. Pou yon etajè kiltivasyon tipik, sib la se yon avyon ki sitiye 30 cm anba lanp lan, ak yon lajè yon ti kras depase 60 cm. Tib lanp lan gen 25 poul sa yo 48 mm apa nan yon sèl ranje, sa ki lakòz yon longè total de 1.2 m.
Yon etap enpòtan se detèmine distribisyon optimal PPFD ki asèlLED-konbinezon lantiy ta dwe pwodui sou plan sib la. Si chak LED kreye yon tach inifòm senp, wotasyon simetrik, sipèpozisyon 25 tach sa yo nan etalaj lineyè a ta lakòz yon distribisyon "sant klere, bor nwa" akòz sipèpoze. Se poutèt sa, distribisyon ideyal sèl -LED dwe konpanse pou sa. Olye de solisyon analyse konplèks, yo te itilize yon apwòch optimize nimerik lè l sèvi avèk MATLAB.
Distribisyon yon sèl -LED PPFD te modle kòm yon fonksyon nòmalize wotasyon simetrik P(r), kote r se distans radial la soti nan sant plas la. Zòn sib la te diskretize, epi P(r) te trete kòm yon varyab optimize. Objektif optimize a se te minimize divèjans distribisyon total PPFD ki soti nan sipèpozisyon 25 LED nan pozisyon fiks yo. Rezilta optimize a, ki montre nan Figi 3 nan papye orijinal la, revele yon distribisyon kont-entwisyon "sant nwa, periferik klere" pou sèl dirije a. Distribisyon inik sa a asire ke lè plizyè tach ki ap dirije yo sipèpoze, yo ranpli rejyon dimmer youn ak lòt, ki abouti nan yon distribisyon jeneral trè inifòm sou plan kiltivasyon an.
2.3 Free-Fòm Lantiy Konsepsyon atravè "Metòd Sifas Sous Segondè"
Pou reyalize distribisyon PPFD optimize ki dekri pi wo a, yo te kreye yon lantiy gratis-. Lantiy esferik konvansyonèl yo manke degre libète pou kontwòl egzak sa yo. Konsepsyon an te itilize "Metòd Sifas Sous Segondè" Xingye Optics, yon teknik ki baze sou teyori Digital Light Field ki dirèkteman travay ak sous pwolonje (olye ke senplifye yo nan sous pwen), asire gwo presizyon menm pou sistèm optik kontra enfòmèl ant.
Lantiy ki fèt la gen yon sifas ki lis, ki pa -wotasyonèl simetrik-fòm ki redireksyon reyon limyè ak metikul. Kòm ilistre nan Figi 4/5, reyon prensipal ki soti nan LED yo refrakte nan diferan ang, ak yon dansite ki pi wo nan reyon ki dirije nan direksyon pou pi gwo ang yo kreye bag ki nesesè yo klere deyò nan plas la sèl -LED. Lè sa a, modèl lantiy la te enpòte nan lojisyèl simulation optik (egzanp, LightTools) pou analiz solid.
3. Rezilta ak analiz
3.1 Single LED-Simulasyon Lantiy
Ray-simulation trase lè l sèvi avèk metòd Monte Carlo yo te fèt sou lantiy ki fèt la ansanm ak modèl ki ap dirije a. Distribisyon PPFD ki te lakòz sou plan sib la (Figi 5) te montre yon akò ekselan ak distribisyon sib teyorikman optimize nan Seksyon 2.2, ki konfime validite konsepsyon an.
3.2 Pèfòmans konplè Tib lanp
Yo te modle yon seri 25 inite lantiy LED-a 48 mm apa pou simil tib lanp konplè 1.2 m. Distribisyon PPFD simulation sou plan kiltivasyon 30 cm anba a montre nan Figi 6. Rezilta yo demontre yon jaden limyè lajè, trè inifòm ak yon koupe byen file nan bor yo. Lajè a alèz kouvri etajè sib 60 cm la. Esansyèlman, rapò itilizasyon enèji teyorik kalkile - defini kòm PPF sou etajè a divize pa PPF total ki emèt pa LED yo - depase 92%. Sa a endike ke plis pase 92% nan foton fotosentetik aktif ki te pwodwi pa LED yo lage dirèkteman nan canopy plant la, drastikman diminye devèsman ak fatra enèji konpare ak desen konvansyonèl yo.
3.3 Évolutivité pou konfigirasyon pwolonje
Nan fèm vètikal pratik, etajè kiltivasyon yo souvan ranje fen-pou-nan ranje long. Distribisyon PPFD simulation nan yon sèl lanp montre pwent yon ti kras conique. Lè de oswa plis lanp yo mete fen-a-fen, distribisyon PPFD yo sipèpoze epi konplete youn ak lòt nan zòn tranzisyon sa yo. Simulation de lanp konekte (Figi 7) konfime ke zòn yo sipèpoze amelyore inifòmite, sa ki lakòz yon jaden limyè san pwoblèm inifòm sou yon zòn longitudinal pwolonje.
3.4 Pwototip eksperimantal ak Validasyon
Yo te fabrike yon lanp pwototip ki baze sou konsepsyon an, ki gen ladan lantiy ki gen fòm gratis -moule, yon chalè ekstrizyon aliminyòm, ak bouchon. Foto pwototip la ak plas eklere li yo (Figi 8) vizyèlman koribe modèl limyè lajè ak inifòm simulation.
Mezi eksperimantal yo bay bonjan mezi pèfòmans:
Segondè efikasite:Efikasite sistèm lan depase 92%, ak plis pase 86% foton fotosentetik sous la ensidan sou plan kiltivasyon an.
Segondè inifòmite:Pwopòsyon minimòm ak mwayèn PPFD sou plan sib la te pi gran pase 82%, sa ki endike ekselan inifòmite espasyal enpòtan pou kwasans plant konsistan.
4. Diskisyon ak konklizyon
Konsepsyon ak aplikasyon gwo-efikasite, segondè-inifòmite sa aKi ap dirije kwasans plantlanp adrese plizyè pwen doulè kle nan agrikilti vètikal:
Rediksyon pri:Lè yo pèmèt kouvèti inifòm ak yon sèl tib lanp santral pou chak etajè, konsepsyon an siyifikativman diminye kantite enstalasyon ki nesesè pou chak kouch kiltivasyon, bese depans kapital inisyal (CapEx) ak depans antretyen kontinyèl.
Ekonomi enèji: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% itilizasyon enèji, dirèkteman tradui nan pi ba konsomasyon elektrisite ak depans operasyonèl (OpEx).
Amelyore Kalite rekòt:Segondè inifòmite PPFD asire tout plant yo resevwa nivo limyè ekivalan, ankouraje kwasans konsistan, spirasyon, ak bon jan kalite. Sa a diminye varyasyon pwodiksyon an ak bezwen ki vin apre pou travay-entansif klasman.
Operasyon senplisite:Yon sèl lanp ki sitiye santralman pi fasil pou enstale, netwaye ak sèvis konpare ak plizyè enstalasyon, senplifye jesyon fèm.
Travay sa a demontre aplikasyon pwisan prensip konsepsyon optik avanse yo, espesyalman teyori Digital Light Field ak fabrikasyon sifas fòm gratis-, nan defi agritech yo. "Metòd sifas sous segondè" te pwouve efikas nan konsepsyon yon lantiy kontra enfòmèl ant, gwo-pèfòmans ki pwepare pou yon pwolonjeDirije sous. Sistèm lanp kwasans plant ki kapab lakòz transfòme pwodiksyon limyè ki soti nan yon seri LED lineyè nan yon distribisyon laj, tankou batwing-ki sipèpoze nan yon jaden trè inifòm.
An konklizyon, entegrasyon an nan konsepsyon dijital optik ak teknoloji ki ap dirije pave wout la pou jenerasyon kap vini an nan ekleraj agrikòl presizyon. Konsepsyon lanp ki prezante a ofri yon solisyon konvenkan pou fèm vètikal, konbine efikasite livrezon foton segondè, inifòmite espasyal siperyè, ak benefis ekonomik. Travay nan lavni ka eksplore adapte metodoloji sa a pou diferan dimansyon etajè, optimize spectre pou rekòt espesifik, ak plis entegre kontwòl entelijan pou resèt ekleraj dinamik, finalman kontribye nan sistèm agrikilti iben ki pi dirab ak pwodiktif.
Referans
[1] Liu Wenke.Plant limyè bon jan kalite fizyoloji ak règleman li yo nan faktori plant yo[M]. Beijing: Lachin Syans Agrikòl ak Teknoloji Press, 2019.
[2] Cheng Ying.Rechèch sou metòd konsepsyon ak aplikasyon nan sifas optik Freeform[D]. Tianjin: Tianjin University, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, et al. Konsepsyon sistèm optik imaj sifas yo: Teyori, devlopman, ak aplikasyon [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Rechèch sou twa -dimansyon ki pa-metòd konsepsyon optik imaj pou sous ki ap dirije[D]. Hangzhou: Lachin Jiliang University, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Yon lanp -Ekonomize Enèji miray-ki monte pou kwasans plant ki fèt dapre teyori jaden limyè dijital ki pa -imaj [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Eksperyans Devlopman ak Syèk Limyè nan Agrikilti Etranje vètikal [J].Ekonomi Riral ak Syans-Teknoloji, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tib-bulb/grow-limyè-pou-houseplants.html
