Дизайн високо-ефективних і-однорідних світлодіодних ламп для росту рослин для вертикального землеробства
Анотація
Зі швидким зростанням світового населення та зростанням урбанізації продовольча безпека стала актуальною проблемою для всього світу. Інноваційні сільськогосподарські методи терміново необхідні для підвищення врожайності та якості харчування в умовах обмеженого простору та ресурсів. Серед них багатообіцяючим рішенням є контрольоване сільське господарство (CEA), зокрема вертикальне землеробство. Важливим компонентом систем вертикального землеробства є штучне освітлення, яке замінює або доповнює природне сонячне світло для стимулювання фотосинтезу. Світло-діоди (світлодіоди) стали переважним джерелом світла через їхню енергоефективність, довговічність, спектральну настроюваність і низьке теплове випромінювання. Однак ефективне застосування світлодіодного освітлення на багато-шарових вертикальних фермах вимагає не лише високої фотосинтетичної фотонної ефективності, але й виняткової просторової рівномірності розподілу світла по рослинному покриву. Не-рівномірне освітлення може призвести до нерівномірного росту рослин, зниження загальної врожайності та марної витрати енергії. У цій статті розглядається новий оптичний дизайн дляСвітлодіодний ріст рослинлампи, засновані на теорії цифрового світлового поля, яка використовує поверхневу лінзу вільної-форми для досягнення високорівномірного розподілу щільності потоку фотосинтетичних фотонів (PPFD) на площині культивації за допомогою єдиної лампової труби, встановленої в центрі, таким чином вирішуючи ключові економічні та операційні проблеми у вертикальному землеробстві.
1. Вступ
Вертикальне землеробство являє собою зміну парадигми сільськогосподарського виробництва, що передбачає вирощування сільськогосподарських культур у вертикальних шарах, часто всередині будівель або контрольованого середовища. Цей метод максимізує ефективність землекористування, зменшує споживання води, мінімізує використання пестицидів і забезпечує місцеве виробництво продуктів харчування в містах. Наріжним каменем цієї технології є точний контроль середовища зростання, причому освітлення є одним із найважливіших і-енергоємних факторів.
Зростання рослин-на основі світлодіодівлампи мають значні переваги перед традиційним освітленням, таким як-натрієві лампи високого тиску (HPS), зокрема спектральну специфічність, можливість затемнення та спрямоване світло. Основною оптичною метою для таких ламп у вертикальних фермах є забезпечення рівномірної PPFD – кількості фотосинтетично активних фотонів, що надходять на одиницю площі за секунду – по всьому лотку для вирощування. Досягнення високої однорідності забезпечує постійні темпи росту та якість для всіх рослин, зводячи до мінімуму потребу в сортуванні та сортуванні.
Традиційно висока однорідність досягається шляхом розміщення кількох лампових трубок поруч-поряд-над однією площиною культивування. Цей багато-ламповий підхід, незважаючи на ефективність, має кілька недоліків: високі початкові капітальні витрати через велику кількість світильників, значні втрати енергії через розлив світла за межі цільової області (особливо по краях), а також підвищену складність і вартість обслуговування. Тому переконливою альтернативою є розробка оптичної системи, яка дозволяє aнеодруженийтрубку лампи для отримання рівномірного розподілу PPFD на стандартній ширині культивування (наприклад, 60 см). Такий підхід обіцяє зберегти всі перевагисвітлодіодне освітленняодночасно пом’якшуючи проблеми вартості, втрати енергії та обслуговування. У цьому документі представлено дизайн, моделювання та експериментальну перевірку такої системи з використанням лінз вільної-форми, розроблених за допомогою методології Digital Light Field.
2. Методологія: цифрове світлове поле та оптичний дизайн
2.1 Концепція цифрового світлового поля
Традиційні фотометричні величини, такі як освітленість і сила світла, описують щільність світлового потоку на поверхні або в межах тілесного кута. Хоча вони важливі для оцінки, вони безпосередньо не сприяють зворотному процесу проектування оптичних поверхонь. Теорія цифрового світлового поля забезпечує більш фундаментальну основу. Він передбачає дискретизацію простору оптичного поля на мікроелементи. Кожен елемент характеризується світловим конусом, що проходить через нього, і вектором нормалі до його поверхні. Загальне світлове поле описується функцією цифрового світлового поля без-зображення (NDLFF). Ця оцифровка перетворює проблему оптичного дизайну в проблему маніпулювання NDLFF на цільовій поверхні за допомогою використання однієї чи кількох оптичних поверхонь, таких як лінзи вільної-форми. Цей метод, розроблений компанією Xingye Optical Technology, забезпечує точний контроль над освітленням і розподілом інтенсивності, що робить його особливо придатним для складних завдань проектування освітлення.
2.2 Оптимізація джерела, макета та цільового розповсюдження
Процес проектування починається з визначення джерела світла та цілі. Вибрано джерело високої-потужності 3535LEDз куполоподібною лінзою. Для типової полиці для культивування мішенню є площина, розташована на 30 см нижче лампи, ширина якої трохи перевищує 60 см. Трубка лампи складається з 25 таких світлодіодів, розташованих на відстані 48 мм один від одного в один ряд, що забезпечує загальну довжину 1,2 м.
Критичним кроком є визначення оптимального розподілу PPFD, який aнеодруженийКомбінація світлодіодних- лінз має виходити на цільову площину. Якщо кожен світлодіод створює просту, обертально-симетричну рівномірну пляму, суперпозиція 25 таких плям із лінійного масиву призведе до розподілу «світлий центр, темні краї» через перекриття. Тому ідеальний розподіл-світлодіода повинен це компенсувати. Замість складних аналітичних рішень був застосований підхід чисельної оптимізації з використанням MATLAB.
Розподіл PPFD одного -світлодіода було змодельовано як нормалізовану обертально-симетричну функцію P(r), де r – радіальна відстань від центру плями. Цільову область дискретизували, а P(r) розглядали як оптимізаційну змінну. Мета оптимізації полягала в мінімізації дисперсії загального розподілу PPFD в результаті суперпозиції 25 світлодіодів у їх фіксованих положеннях. Оптимізований результат, показаний на малюнку 3 оригінальної статті, показує проти-інтуїтивний розподіл «темний центр, яскрава периферія» для одного світлодіода. Цей унікальний розподіл гарантує, що коли кілька світлодіодних плям накладаються один на одного, вони заповнюють тьмяніші області одна одної, що завершується рівномірним загальним розподілом на площині культивування.
2.3 Дизайн лінз вільної-форми за допомогою «методу поверхні вторинного джерела»
Щоб досягти оптимізованого розподілу PPFD, описаного вище, було розроблено лінзу вільної форми-. Звичайним сферичним лінзам не вистачає ступенів свободи для такого точного контролю. У розробці використовувався «Метод вторинної поверхні джерела» Xingye Optics, методика, заснована на теорії цифрового світлового поля, яка безпосередньо працює з розширеними джерелами (а не спрощує їх до точкових), забезпечуючи високу точність навіть для компактних оптичних систем.
Розроблена лінза має гладку, не-обертально симетричну поверхню вільної-форми, яка ретельно перенаправляє світлові промені. Як показано на малюнку 4/5, головні промені світлодіода заломлюються під різними кутами, причому більша щільність променів спрямована під великими кутами, щоб створити необхідне яскраве зовнішнє кільце в одній-світлодіодній плямі. Потім модель лінзи було імпортовано в програмне забезпечення оптичного моделювання (наприклад, LightTools) для ретельного аналізу.
3. Результати та аналіз
3.1 Симуляція одного світлодіода-лінзи
Моделювання-відстеження променів за допомогою методу Монте-Карло було виконано на розробленій лінзі в поєднанні зі світлодіодною моделлю. Отриманий розподіл PPFD на цільовій площині (рисунок 5) показав чудову узгодженість із теоретично оптимізованим цільовим розподілом із розділу 2.2, підтверджуючи валідність проекту.
3.2 Повна продуктивність трубки лампи
Масив із 25 світлодіодних-блоків лінз, розташованих на відстані 48 мм один від одного, був змодельований для імітації повної 1,2-метрової трубки лампи. Змодельований розподіл PPFD на площині культивування на 30 см нижче показано на малюнку 6. Результати демонструють широке, дуже рівномірне світлове поле з різким обрізанням по краях. Ширина зручно покриває цільову полицю 60 см. Важливо те, що розрахований теоретичний коефіцієнт використання енергії, визначений як PPF на полиці, поділений на загальну PPF, випромінювану світлодіодами, перевищує 92%. Це вказує на те, що понад 92% фотосинтетично активних фотонів, що генеруються світлодіодами, доставляються безпосередньо до рослинного полога, що значно зменшує розлив і втрату енергії порівняно зі звичайними конструкціями.
3.3 Масштабованість для розширених установок
На практичних вертикальних фермах стелажі для вирощування часто розташовуються впритул довгими рядами. Змодельований розподіл PPFD від однієї лампи показує злегка звужені кінці. Коли дві або більше ламп розміщуються один до одного, їхні розподіли PPFD перекриваються та доповнюють один одного в цих перехідних зонах. Моделювання двох з’єднаних ламп (рис. 7) підтверджує, що зони, що накладаються, підвищують рівномірність, що призводить до безперебійного рівномірного світлового поля на розширеній поздовжній області.
3.4 Експериментальний прототип і валідація
На основі проекту було виготовлено прототип лампи, включаючи формовані лінзи вільної-форми, алюмінієвий екструзійний радіатор і торцеві кришки. Фотографії прототипу та його освітленої плями (рис. 8) візуально підтверджують змодельований широкий і однорідний світловий малюнок.
Експериментальні вимірювання показали сильні показники ефективності:
Висока ефективність:Ефективність системи перевищила 92%, при цьому понад 86% фотосинтетичних фотонів джерела падало на площину культивування.
Висока однорідність:Співвідношення мінімального до середнього PPFD на цільовій площині було більше 82%, що вказує на відмінну просторову однорідність, критичну для стабільного росту рослин.
4. Обговорення та висновок
Розробка та впровадження цієї високої-ефективності, високої-уніфікованостіСвітлодіодний ріст рослинлампа усуває кілька ключових проблемних моментів у вертикальному землеробстві:
Зниження витрат:Забезпечуючи рівномірне покриття за допомогою однієї центральної лампової труби на полицю, конструкція значно зменшує кількість світильників, необхідних для кожного шару вирощування, знижуючи початкові капітальні витрати (CapEx) і поточні витрати на технічне обслуговування.
Енергозбереження: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% використання енергії безпосередньо означає зниження споживання електроенергії та експлуатаційних витрат (OpEx).
Покращена якість врожаю:Висока рівномірність PPFD гарантує, що всі рослини отримують еквівалентний рівень освітлення, сприяючи стабільному росту, дозріванню та якості. Це зменшує мінливість урожайності та подальшу потребу у-трудомісткому сортуванні.
Простота експлуатації:Одну лампу, розташовану в центрі, легше встановлювати, чистити та обслуговувати порівняно з кількома світильниками, що спрощує керування фермою.
Ця робота демонструє потужне застосування передових принципів оптичного проектування, зокрема теорії цифрового світлового поля та виготовлення поверхонь довільної-форми, до проблем сільськогосподарських технологій. «Метод поверхні вторинного джерела» виявився ефективним у розробці компактного, високо-продуктивного об’єктива, призначеного для розширеногоДжерело світлодіодів. Отримана в результаті система ламп для росту рослин успішно перетворює вихідне світло від лінійної світлодіодної матриці в широкий розподіл,-подібний до крила летючої миші, який накладається на однорідне поле.
Підсумовуючи, інтеграція цифрового оптичного дизайну зі світлодіодною технологією прокладає шлях для наступного покоління точного сільськогосподарського освітлення. Конструкція лампи, представлена тут, пропонує переконливе рішення для вертикальних ферм, поєднуючи високу ефективність доставки фотонів, чудову просторову однорідність та економічні вигоди. Майбутня робота може досліджувати адаптацію цієї методології для різних розмірів полиць, оптимізацію спектрів для конкретних культур і подальшу інтеграцію інтелектуальних елементів керування для рецептів динамічного освітлення, що в кінцевому підсумку сприятиме більш стійким і продуктивним системам міського сільського господарства.
Список літератури
[1] Лю Веньке.Фізіологія якості світла рослин та його регулювання на заводах[М]. Пекін: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] Чен Ін.Дослідження методу проектування та застосування оптичної поверхні вільної форми[D]. Тяньцзінь: Тяньцзінський університет, 2013.
[3] Ян Тун, Дуань Цуйчже, Чен Девен та ін. Проектування оптичних систем зображення поверхні вільної форми: теорія, розробка та застосування [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Інь Ся.Дослідження методу оптичного дизайну три{0}}не-зображень для світлодіодних джерел[D]. Ханчжоу: China Jiliang University, 2015.
[5] Чжао Лян, Cen Songyuan. Енергозберігаюча-настінна-лампа для росту рослин, розроблена на основі-теорії цифрового світлового поля без зображення [J].Чжаомінг Гунчен Сюебао, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Цзян Іфань, Чень Чжімін. Досвід розвитку та освіта зарубіжного вертикального сільського господарства [J].Сільське господарство та наука-технології, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lights-for-roomplants.html
