Dyluniad Lampau Twf Planhigion LED Unffurfiaeth Uchel -Effeithlonrwydd ac Uchel{{1}Ar gyfer Ffermio Fertigol
Haniaethol
Gyda thwf cyflym y boblogaeth fyd-eang a threfoli cynyddol, mae diogelwch bwyd wedi dod yn her fyd-eang dybryd. Mae angen dulliau amaethyddol arloesol ar fyrder i wella cynnyrch cnwd ac ansawdd maethol o fewn gofod ac adnoddau cyfyngedig. Ymhlith y rhain, mae Amaethyddiaeth Amgylchedd Rheoledig (CEA), yn enwedig ffermio fertigol, wedi dod i'r amlwg fel ateb addawol. Elfen hanfodol o systemau ffermio fertigol yw goleuadau artiffisial, sy'n amnewid neu'n ychwanegu at olau haul naturiol i yrru ffotosynthesis. Mae Deuodau Allyrru Golau (LEDs) wedi dod yn ffynhonnell golau a ffafrir oherwydd eu heffeithlonrwydd ynni, hirhoedledd, tiwniadwyedd sbectrol, ac ymbelydredd thermol isel. Fodd bynnag, mae defnyddio goleuadau LED yn effeithiol mewn ffermydd fertigol aml-haenog nid yn unig yn gofyn am effeithiolrwydd ffotonau ffotosynthetig uchel ond hefyd unffurfiaeth ofodol eithriadol o ran dosbarthiad golau ar draws canopi'r planhigyn. Gall goleuo nad yw'n unffurf arwain at dyfiant planhigion anwastad, llai o gynnyrch cyffredinol, a gwastraffu ynni. Mae'r erthygl hon yn ymchwilio i ddyluniad optegol newydd ar gyferTwf planhigion LEDlampau sy'n seiliedig ar ddamcaniaeth Maes Golau Digidol, sy'n defnyddio lens wyneb ffurf rhad ac am ddim wedi'i deilwra i gyflawni dosbarthiad dwysedd fflwcs ffoton ffotosynthetig (PPFD) hynod unffurf ar yr awyren amaethu gan ddefnyddio un tiwb lamp wedi'i osod yn ganolog, a thrwy hynny fynd i'r afael â heriau economaidd a gweithredol allweddol mewn ffermio fertigol.
1. Rhagymadrodd
Mae ffermio fertigol yn cynrychioli newid sylfaenol mewn cynhyrchu amaethyddol, sy'n cynnwys tyfu cnydau mewn haenau wedi'u pentyrru'n fertigol, yn aml o fewn adeiladau neu amgylcheddau rheoledig. Mae'r dull hwn yn cynyddu effeithlonrwydd defnydd tir, yn lleihau'r defnydd o ddŵr, yn lleihau'r defnydd o blaladdwyr, ac yn galluogi cynhyrchu bwyd lleol mewn ardaloedd trefol. Un o gonglfeini'r dechnoleg hon yw'r union reolaeth dros yr amgylchedd twf, gyda goleuadau yn un o'r ffactorau pwysicaf a mwyaf dwys o ran ynni.
-twf planhigion yn seiliedig ar LEDmae lampau'n cynnig manteision sylweddol dros oleuadau traddodiadol, megis lampau sodiwm pwysedd uchel (HPS), gan gynnwys penodoldeb sbectrol, pylu, ac allbwn golau cyfeiriadol. Y prif nod optegol ar gyfer lampau o'r fath mewn ffermydd fertigol yw darparu PPFD unffurf - nifer y ffotonau gweithredol ffotosynthetig sy'n cyrraedd fesul ardal uned yr eiliad - ar draws yr hambwrdd tyfu cyfan. Mae sicrhau unffurfiaeth uchel yn sicrhau cyfraddau twf cyson ac ansawdd ar gyfer pob planhigyn, gan leihau'r angen am ddidoli a graddio.
Yn gonfensiynol, mae unffurfiaeth uchel yn cael ei dilyn trwy osod tiwbiau lamp lluosog ochr-wrth-ochr uwchben un awyren amaethu. Er ei fod yn effeithiol, mae gan y dull aml-lamp hwn nifer o anfanteision: cost cyfalaf cychwynnol uchel oherwydd y nifer fawr o osodiadau, gwastraff ynni sylweddol o ollyngiadau golau y tu hwnt i'r ardal darged (yn enwedig ar yr ymylon), a mwy o gymhlethdod a chost cynnal a chadw. Felly, dewis arall cymhellol yw dylunio system optegol sy'n caniatáu asengltiwb lamp i gynhyrchu dosbarthiad PPFD unffurf dros led amaethu safonol (ee, 60 cm). Mae'r dull hwn yn addo cadw holl fanteisionGoleuadau LEDtra'n lliniaru materion cost, gwastraff ynni, a chynnal a chadw. Mae'r papur hwn yn cyflwyno dyluniad, efelychiad, a dilysiad arbrofol system o'r fath, gan ddefnyddio lens ffurf rhad ac am ddim a ddyluniwyd trwy fethodoleg Digital Light Field.
2. Methodoleg: Maes Golau Digidol a Dylunio Optegol
2.1 Y Cysyniad o Faes Golau Digidol
Mae meintiau ffotometrig traddodiadol fel goleuo a dwyster goleuol yn disgrifio dwysedd fflwcs goleuol ar arwyneb neu o fewn ongl solet. Er eu bod yn hanfodol ar gyfer gwerthuso, nid ydynt yn uniongyrchol ffafriol i'r broses dylunio gwrthdro o arwynebau optegol. Mae theori maes golau digidol yn darparu fframwaith mwy sylfaenol. Mae'n golygu gwahanu'r gofod maes optegol yn ficro-elfennau. Mae pob elfen yn cael ei nodweddu gan gôn ysgafn yn mynd trwyddo a'i fector arferol arwyneb. Disgrifir y maes golau cyffredinol gan swyddogaeth maes golau digidol nad yw'n-delweddu (NDLFF). Mae'r digideiddio hwn yn trawsnewid y broblem dylunio optegol yn un o drin yr NDLFF ar arwyneb targed trwy ddefnyddio un neu fwy o arwynebau optegol, megis lensys ffurf rhydd. Mae'r dull hwn, a ddatblygwyd gan Xingye Optical Technology, yn galluogi rheolaeth fanwl gywir dros arbelydriad a dosbarthiad dwyster, gan ei gwneud yn arbennig o addas ar gyfer tasgau dylunio goleuo cymhleth.
2.2 Ffynhonnell, Cynllun, ac Optimeiddio Dosbarthiad Targed
Mae'r broses ddylunio yn dechrau trwy ddiffinio'r ffynhonnell golau a'r targed. Mae'r ffynhonnell a ddewiswyd yn-bwer uchel wedi'i phecynnu 3535LEDgyda lens cromen. Ar gyfer silff amaethu nodweddiadol, y targed yw awyren sydd wedi'i lleoli 30 cm o dan y lamp, gyda lled ychydig yn fwy na 60 cm. Mae'r tiwb lamp yn cynnwys 25 o LEDau o'r fath wedi'u gwasgaru 48 mm oddi wrth ei gilydd mewn un rhes, gan arwain at gyfanswm hyd o 1.2 m.
Cam hollbwysig yw pennu'r dosbarthiad PPFD gorau posibl asenglDylai'r cyfuniad lens LED gynhyrchu ar yr awyren darged. Os yw pob LED yn creu man unffurf cymesurol cylchdro syml, byddai arosodiad 25 o smotiau o'r fath o'r arae linellol yn arwain at ddosbarthiad "canol llachar, ymylon tywyll" oherwydd gorgyffwrdd. Felly, rhaid i'r dosbarthiad LED sengl delfrydol wneud iawn am hyn. Yn lle atebion dadansoddol cymhleth, defnyddiwyd dull optimeiddio rhifiadol gan ddefnyddio MATLAB.
Modelwyd y dosbarthiad PPFD LED sengl fel ffwythiant cymesuredd cylchdro normal P(r), lle mai r yw'r pellter rheiddiol o'r ganolfan sbot. Roedd yr ardal darged yn anwahanol, a chafodd P(r) ei drin fel newidyn optimeiddio. Yr amcan optimeiddio oedd lleihau'r amrywiad yng nghyfanswm y dosbarthiad PPFD o ganlyniad i arosodiad 25 LED yn eu safleoedd sefydlog. Mae'r canlyniad wedi'i optimeiddio, a ddangosir yn Ffigur 3 o'r papur gwreiddiol, yn datgelu rhifydd -ddosbarthiad sythweledol "canol dywyll, ymyl llachar" ar gyfer y LED sengl. Mae'r dosbarthiad unigryw hwn yn sicrhau, pan fydd smotiau LED lluosog yn gorgyffwrdd, eu bod yn llenwi rhanbarthau pylu ei gilydd, gan arwain at ddosbarthiad cyffredinol hynod unffurf ar yr awyren amaethu.
2.3 Am ddim-Ffurfio Dyluniad Lens trwy'r "Dull Wyneb Ffynhonnell Eilaidd"
Er mwyn cyflawni'r dosbarthiad PPFD optimaidd a ddisgrifir uchod, dyluniwyd lens ffurf rhad ac am ddim. Nid oes gan lensys sfferig confensiynol y graddau o ryddid ar gyfer rheolaeth mor fanwl gywir. Roedd y dyluniad yn defnyddio "Dull Arwyneb Ffynhonnell Eilaidd" Xingye Optics, techneg wedi'i seilio ar ddamcaniaeth Maes Golau Digidol sy'n gweithio'n uniongyrchol gyda ffynonellau estynedig (yn hytrach na'u symleiddio i ffynonellau pwynt), gan sicrhau cywirdeb uchel hyd yn oed ar gyfer systemau optegol cryno.
Mae'r lens a ddyluniwyd yn cynnwys arwyneb llyfn, nad yw'n-gylchdro cymesur{-ffurflen sy'n ailgyfeirio pelydrau golau yn fanwl. Fel y dangosir yn Ffigur 4/5, mae'r prif belydrau o'r LED yn cael eu plygu ar onglau amrywiol, gyda dwysedd uwch o belydrau wedi'u cyfeirio at onglau mwy i greu'r cylch allanol llachar gofynnol yn y smotyn LED sengl. Yna cafodd y model lens ei fewnforio i feddalwedd efelychu optegol (ee, LightTools) i'w ddadansoddi'n drylwyr.
3. Canlyniadau a Dadansoddiad
3.1 LED Sengl-Efelychu Lens
Perfformiwyd efelychiad olrhain Ray gan ddefnyddio dull Monte Carlo ar y lens wedi'i dylunio wedi'i pharu â'r model LED. Roedd y dosbarthiad PPFD dilynol ar yr awyren darged (Ffigur 5) yn dangos cytundeb ardderchog gyda'r dosbarthiad targed a optimeiddiwyd yn ddamcaniaethol o Adran 2.2, gan gadarnhau dilysrwydd y dyluniad.
3.2 Perfformiad Tiwb Lamp Llawn
Modelwyd amrywiaeth o 25 uned lens LED wedi'u gwasgaru 48 mm oddi wrth ei gilydd i efelychu'r tiwb lamp 1.2 m cyflawn. Dangosir y dosbarthiad PPFD efelychiedig ar yr awyren amaethu 30 cm isod yn Ffigur 6. Mae'r canlyniadau'n dangos maes golau llydan, hynod unffurf gyda thoriad sydyn ar yr ymylon. Mae'r lled yn gorchuddio'r silff darged 60 cm yn gyfforddus. Yn hollbwysig, mae'r gymhareb defnyddio ynni damcaniaethol wedi'i chyfrifo - a ddiffinnir fel y PPF ar y silff wedi'i rannu â chyfanswm y PPF a allyrrir gan y LEDs - yn fwy na 92%. Mae hyn yn dangos bod dros 92% o'r ffotonau sy'n weithredol ffotosynthetig a gynhyrchir gan y LEDs yn cael eu danfon yn uniongyrchol i ganopi'r planhigyn, gan leihau gollyngiadau a gwastraff ynni yn sylweddol o gymharu â chynlluniau confensiynol.
3.3 Scalability ar gyfer Gosodiadau Estynedig
Mewn ffermydd fertigol ymarferol, mae silffoedd amaethu yn aml yn cael eu trefnu o'r diwedd-i-diweddu mewn rhesi hir. Mae'r dosbarthiad PPFD efelychiedig o un lamp yn dangos pennau ychydig yn dapro. Pan fydd dwy neu fwy o lampau'n cael eu gosod o'r diwedd-i'r-diwedd, mae eu dosbarthiadau PPFD yn gorgyffwrdd ac yn ategu ei gilydd yn y parthau trosiannol hyn. Mae efelychu dwy lamp cysylltiedig (Ffigur 7) yn cadarnhau bod yr ardaloedd sy'n gorgyffwrdd yn gwella unffurfiaeth, gan arwain at faes golau unffurf di-dor dros ardal hydredol estynedig.
3.4 Prototeip Arbrofol a Dilysu
Cynhyrchwyd prototeip o lamp yn seiliedig ar y dyluniad, gan gynnwys lensys ffurf heb eu mowldio, sinc gwres allwthio alwminiwm, a chapiau pen. Mae ffotograffau o'r prototeip a'i fan wedi'i oleuo (Ffigur 8) yn ategu'n weledol y patrwm golau llydan ac unffurf efelychiedig.
Rhoddodd mesuriadau arbrofol fetrigau perfformiad cryf:
Effeithlonrwydd Uchel:Roedd effeithlonrwydd y system yn fwy na 92%, gyda dros 86% o ffotonau ffotosynthetig y ffynhonnell yn digwydd ar yr awyren amaethu.
Unffurfiaeth Uchel:Roedd y gymhareb o leiafswm i gyfartaledd PPFD ar yr awyren darged yn fwy nag 82%, sy'n dangos unffurfiaeth ofodol ardderchog sy'n hanfodol ar gyfer twf planhigion cyson.
4. Trafodaeth a Diweddglo
Dyluniad a gweithrediad yr unffurfiaeth effeithlonrwydd uchel, uchel hwnTwf planhigion LEDMae lamp yn mynd i'r afael â sawl pwynt poen allweddol mewn ffermio fertigol:
Gostyngiad Cost:Trwy alluogi gorchudd unffurf gydag un tiwb lamp canolog fesul silff, mae'r dyluniad yn lleihau'n sylweddol nifer y gosodiadau sy'n ofynnol fesul haen amaethu, gan ostwng gwariant cyfalaf cychwynnol (CapEx) a chostau cynnal a chadw parhaus.
Arbedion Ynni: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% o ddefnydd ynni, yn trosi'n uniongyrchol i ddefnydd trydan is a threuliau gweithredol (OpEx).
Gwell Ansawdd Cnydau:Mae unffurfiaeth PPFD uchel yn sicrhau bod pob planhigyn yn derbyn lefelau golau cyfatebol, gan hyrwyddo twf cyson, aeddfedu ac ansawdd. Mae hyn yn lleihau amrywioldeb cynnyrch a'r angen dilynol am waith didoli dwys.
Symlrwydd Gweithredol:Mae un lamp wedi'i lleoli'n ganolog yn haws i'w gosod, ei glanhau a'i gwasanaethu o'i chymharu â gosodiadau lluosog, gan symleiddio rheolaeth fferm.
Mae'r gwaith hwn yn dangos y cymhwysiad pwerus o egwyddorion dylunio optegol uwch, yn benodol y ddamcaniaeth Maes Golau Digidol a gweithgynhyrchu arwyneb rhydd, i heriau technoleg amaeth. Bu'r "dull arwyneb ffynhonnell eilaidd" yn effeithiol wrth ddylunio lens gryno, perfformiad uchel wedi'i theilwra ar gyfer lens estynedigffynhonnell LED. Mae'r system lamp twf planhigion sy'n deillio o hyn yn trawsnewid yr allbwn golau o arae LED llinol yn llwyddiannus i ddosbarthiad eang, tebyg i bawing, sy'n arosod yn faes hynod unffurf.
I gloi, mae integreiddio dylunio optegol digidol â thechnoleg LED yn paratoi'r ffordd ar gyfer y genhedlaeth nesaf o oleuadau amaethyddol manwl gywir. Mae'r dyluniad lamp a gyflwynir yma yn cynnig ateb cymhellol ar gyfer ffermydd fertigol, gan gyfuno effeithlonrwydd cyflenwi ffoton uchel, unffurfiaeth ofodol uwch, a buddion economaidd. Efallai y bydd gwaith yn y dyfodol yn archwilio addasu’r fethodoleg hon ar gyfer gwahanol ddimensiynau silff, optimeiddio sbectra ar gyfer cnydau penodol, ac integreiddio rheolaethau clyfar ymhellach ar gyfer ryseitiau goleuo deinamig, gan gyfrannu yn y pen draw at systemau amaethyddiaeth drefol fwy cynaliadwy a chynhyrchiol.
Cyfeiriadau
[1] Liu Wenke.Ffisioleg Ansawdd Golau Planhigion a'i Reoleiddio mewn Ffatrïoedd Planhigion[M]. Beijing: Gwasg Gwyddoniaeth a Thechnoleg Amaethyddol Tsieina, 2019.
[2] Cheng Ying.Ymchwil ar Ddull Dylunio a Chymhwyso Arwyneb Rhyddffurf Optegol[D]. Tianjin: Prifysgol Tianjin, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, et al. Dylunio systemau optegol delweddu arwyneb rhyddffurf: Theori, datblygiad a chymhwysiad [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Ymchwil ar Ddull Dylunio Optegol Delweddu Tri Dimensiwn ar gyfer Ffynonellau LED[D]. Hangzhou: Prifysgol Tsieina Jiliang, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Wal Arbed Ynni-Lamp Twf Planhigion wedi'i Mowntio Wedi'i Ddylunio Yn Seiliedig ar Ddamcaniaeth Maes Golau Digidol Di-ddelweddu [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Profiad Datblygiad a Goleuo Amaethyddiaeth Fertigol Dramor [J].Economi Wledig a Thechnoleg{0}}Technoleg, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bwlb/grow-goleuadau-ar gyfer-houseplants.html
