Thiết kế đèn tăng trưởng thực vật LED đồng nhất-hiệu suất cao và{1}}đồng nhất cho canh tác theo chiều dọc
Tóm tắt
Với sự tăng trưởng nhanh chóng của dân số toàn cầu và tốc độ đô thị hóa ngày càng tăng, an ninh lương thực đã trở thành một thách thức cấp bách trên toàn thế giới. Các phương pháp nông nghiệp đổi mới đang rất cần thiết để nâng cao năng suất cây trồng và chất lượng dinh dưỡng trong không gian và nguồn lực hạn chế. Trong số này, Nông nghiệp Môi trường có Kiểm soát (CEA), đặc biệt là canh tác theo chiều dọc, nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn. Một thành phần quan trọng của hệ thống canh tác thẳng đứng là ánh sáng nhân tạo, thay thế hoặc bổ sung ánh sáng mặt trời tự nhiên để thúc đẩy quá trình quang hợp. Ánh sáng-Điốt phát quang (LED) đã trở thành nguồn sáng được ưa chuộng do hiệu quả sử dụng năng lượng, tuổi thọ cao, khả năng điều chỉnh quang phổ và bức xạ nhiệt thấp. Tuy nhiên, việc triển khai hiệu quả hệ thống chiếu sáng LED trong các trang trại thẳng đứng nhiều lớp đòi hỏi không chỉ hiệu suất photon quang hợp cao mà còn đòi hỏi sự phân bố ánh sáng đồng đều về không gian đặc biệt trên tán cây. Chiếu sáng không{8}}đồng đều có thể dẫn đến cây phát triển không đồng đều, giảm năng suất tổng thể và lãng phí năng lượng. Bài viết này đi sâu vào một thiết kế quang học mới choTăng trưởng thực vật LEDđèn dựa trên lý thuyết Trường ánh sáng kỹ thuật số sử dụng thấu kính bề mặt có dạng tự do-tùy chỉnh để đạt được sự phân bổ mật độ thông lượng photon quang hợp (PPFD) đồng đều cao trên mặt phẳng canh tác bằng cách sử dụng một ống đèn duy nhất được gắn ở giữa, nhờ đó giải quyết được những thách thức quan trọng về kinh tế và vận hành trong canh tác theo chiều dọc.
1. Giới thiệu
Canh tác theo chiều dọc thể hiện sự thay đổi mô hình trong sản xuất nông nghiệp, liên quan đến việc trồng trọt theo các lớp xếp chồng lên nhau theo chiều dọc, thường là trong các tòa nhà hoặc môi trường được kiểm soát. Phương pháp này tối đa hóa hiệu quả sử dụng đất, giảm tiêu thụ nước, giảm thiểu sử dụng thuốc trừ sâu và cho phép sản xuất lương thực địa phương ở khu vực thành thị. Nền tảng của công nghệ này là khả năng kiểm soát chính xác môi trường tăng trưởng, trong đó ánh sáng là một trong những yếu tố quan trọng và tốn nhiều năng lượng nhất-.
Sự phát triển thực vật dựa trên đèn LED-đèn mang lại những lợi thế đáng kể so với hệ thống chiếu sáng truyền thống, chẳng hạn như đèn natri{0}áp suất cao (HPS), bao gồm độ đặc hiệu của quang phổ, khả năng điều chỉnh độ sáng và đầu ra ánh sáng có hướng. Mục tiêu quang học chính của những loại đèn như vậy trong trang trại thẳng đứng là cung cấp PPFD đồng nhất – số lượng photon hoạt động quang hợp đến trên một đơn vị diện tích mỗi giây – trên toàn bộ khay canh tác. Đạt được độ đồng đều cao đảm bảo tốc độ tăng trưởng và chất lượng đồng đều cho tất cả các cây, giảm thiểu nhu cầu phân loại và phân loại.
Thông thường, người ta đạt được tính đồng nhất cao bằng cách triển khai nhiều ống đèn cạnh nhau-cạnh-trên một mặt phẳng canh tác. Mặc dù hiệu quả nhưng phương pháp tiếp cận nhiều đèn này-có một số nhược điểm: chi phí vốn ban đầu cao do số lượng lớn thiết bị cố định, lãng phí năng lượng đáng kể do ánh sáng tràn ra ngoài khu vực mục tiêu (đặc biệt là ở các cạnh) cũng như chi phí và độ phức tạp bảo trì tăng lên. Vì vậy, một giải pháp thay thế hấp dẫn là thiết kế một hệ thống quang học cho phépđơnống đèn để tạo ra sự phân bố PPFD đồng đều trên chiều rộng canh tác tiêu chuẩn (ví dụ: 60 cm). Cách tiếp cận này hứa hẹn sẽ giữ lại tất cả những lợi ích củađèn LEDđồng thời giảm thiểu các vấn đề về chi phí, lãng phí năng lượng và bảo trì. Bài viết này trình bày thiết kế, mô phỏng và xác thực thử nghiệm của một hệ thống như vậy, sử dụng thấu kính dạng tự do-được thiết kế thông qua phương pháp Trường ánh sáng kỹ thuật số.
2. Phương pháp luận: Trường ánh sáng kỹ thuật số và thiết kế quang học
2.1 Khái niệm về trường ánh sáng kỹ thuật số
Các đại lượng trắc quang truyền thống như độ rọi và cường độ sáng mô tả mật độ quang thông trên một bề mặt hoặc trong một góc đặc. Mặc dù cần thiết cho việc đánh giá nhưng chúng không có lợi trực tiếp cho quá trình thiết kế nghịch đảo của các bề mặt quang học. Lý thuyết trường ánh sáng kỹ thuật số cung cấp một khuôn khổ nền tảng hơn. Nó liên quan đến việc phân tách không gian trường quang thành các nguyên tố vi mô. Mỗi phần tử được đặc trưng bởi một hình nón ánh sáng đi qua nó và vectơ pháp tuyến bề mặt của nó. Trường ánh sáng tổng thể được mô tả bằng hàm trường ánh sáng kỹ thuật số không tạo ảnh (NDLFF). Quá trình số hóa này biến vấn đề thiết kế quang học thành vấn đề thao tác NDLFF trên bề mặt mục tiêu thông qua việc sử dụng một hoặc nhiều bề mặt quang học, chẳng hạn như thấu kính-dạng tự do. Phương pháp này do Công nghệ quang học Xingye phát triển, cho phép kiểm soát chính xác sự phân bố cường độ và bức xạ, khiến nó đặc biệt phù hợp với các nhiệm vụ thiết kế hệ thống chiếu sáng phức tạp.
2.2 Tối ưu hóa nguồn, bố cục và phân phối mục tiêu
Quá trình thiết kế bắt đầu bằng việc xác định nguồn sáng và mục tiêu. Nguồn được chọn là nguồn có công suất cao-được đóng gói 3535DẪN ĐẾNvới một ống kính vòm. Đối với kệ canh tác thông thường, mục tiêu là mặt phẳng nằm cách đèn 30 cm, có chiều rộng vượt quá 60 cm một chút. Ống đèn bao gồm 25 đèn LED như vậy đặt cách nhau 48 mm trên một hàng, tạo thành tổng chiều dài là 1,2 m.
Một bước quan trọng là xác định phân bố PPFD tối ưu mà mộtđơnSự kết hợp thấu kính LED{0}}sẽ tạo ra trên mặt phẳng mục tiêu. Nếu mỗi đèn LED tạo ra một điểm đồng nhất đơn giản, đối xứng xoay, thì sự chồng chất của 25 điểm như vậy từ mảng tuyến tính sẽ dẫn đến sự phân bố "trung tâm sáng, cạnh tối" do chồng chéo. Do đó, cách phân bổ đèn LED-lý tưởng phải bù đắp được điều này. Thay vì các giải pháp phân tích phức tạp, phương pháp tối ưu hóa số đã được sử dụng bằng MATLAB.
Phân bố PPFD-LED đơn được mô hình hóa dưới dạng hàm đối xứng xoay chuẩn hóa P(r), trong đó r là khoảng cách hướng tâm tính từ tâm điểm. Vùng mục tiêu được rời rạc hóa và P(r) được coi là biến tối ưu hóa. Mục tiêu tối ưu hóa là giảm thiểu phương sai của tổng phân phối PPFD do sự chồng chất của 25 đèn LED tại các vị trí cố định của chúng. Kết quả được tối ưu hóa, được hiển thị trong Hình 3 của bài báo gốc, cho thấy sự phân bổ-trực quan "trung tâm tối, ngoại vi sáng" cho đèn LED đơn. Sự phân bố độc đáo này đảm bảo rằng khi nhiều điểm LED chồng lên nhau, chúng sẽ lấp đầy các vùng mờ hơn của nhau, đạt đến đỉnh điểm là sự phân bố tổng thể có độ đồng đều cao trên mặt phẳng canh tác.
2.3 Thiết kế ống kính biểu mẫu-miễn phí thông qua "Phương pháp bề mặt nguồn thứ cấp"
Để đạt được mức phân phối PPFD tối ưu được mô tả ở trên, một-ống kính dạng tự do đã được thiết kế. Thấu kính hình cầu thông thường thiếu bậc tự do để điều khiển chính xác như vậy. Thiết kế sử dụng "Phương pháp bề mặt nguồn thứ cấp" của Xingye Optics, một kỹ thuật dựa trên lý thuyết Trường ánh sáng kỹ thuật số hoạt động trực tiếp với các nguồn mở rộng (thay vì đơn giản hóa chúng thành nguồn điểm), đảm bảo độ chính xác cao ngay cả đối với các hệ thống quang học nhỏ gọn.
Thấu kính được thiết kế có bề mặt nhẵn,{0}}có dạng tự do không đối xứng xoay- giúp chuyển hướng tia sáng một cách tỉ mỉ. Như minh họa trong Hình 4/5, các tia chính từ đèn LED bị khúc xạ ở các góc khác nhau, với mật độ tia cao hơn hướng về các góc lớn hơn để tạo ra vòng ngoài sáng cần thiết trong một điểm LED-. Sau đó, mẫu ống kính được nhập vào phần mềm mô phỏng quang học (ví dụ: LightTools) để phân tích nghiêm ngặt.
3. Kết quả và phân tích
3.1 Đèn LED đơn-Mô phỏng ống kính
Mô phỏng dò tia-bằng phương pháp Monte Carlo được thực hiện trên thấu kính được thiết kế ghép nối với mẫu đèn LED. Phân bố PPFD thu được trên mặt phẳng mục tiêu (Hình 5) cho thấy sự phù hợp tuyệt vời với phân bố mục tiêu được tối ưu hóa về mặt lý thuyết từ Phần 2.2, xác nhận tính hợp lệ của thiết kế.
3.2 Hiệu suất của ống đèn toàn phần
Một dãy gồm 25 đơn vị thấu kính LED{1}}cách nhau 48 mm đã được lập mô hình để mô phỏng ống đèn 1,2 m hoàn chỉnh. Sự phân bố PPFD mô phỏng trên mặt phẳng canh tác 30 cm bên dưới được thể hiện trong Hình 6. Kết quả cho thấy trường ánh sáng rộng, có độ đồng đều cao với đường cắt sắc nét ở các cạnh. Chiều rộng thoải mái bao phủ kệ mục tiêu 60 cm. Điều quan trọng là tỷ lệ sử dụng năng lượng theo lý thuyết được tính toán – được xác định bằng PPF trên kệ chia cho tổng PPF do đèn LED phát ra – vượt quá 92%. Điều này cho thấy rằng hơn 92% photon hoạt động quang hợp do đèn LED tạo ra được truyền trực tiếp đến tán cây, giảm đáng kể sự thất thoát và lãng phí năng lượng so với thiết kế thông thường.
3.3 Khả năng mở rộng cho các thiết lập mở rộng
Trong các trang trại thẳng đứng thực tế, kệ trồng trọt thường được sắp xếp từ đầu đến cuối thành hàng dài. Phân bố PPFD mô phỏng từ một đèn duy nhất cho thấy các đầu hơi thon. Khi hai hoặc nhiều đèn được đặt nối tiếp-với-đầu, sự phân bổ PPFD của chúng sẽ chồng chéo và bổ sung cho nhau trong các vùng chuyển tiếp này. Mô phỏng hai đèn được kết nối (Hình 7) xác nhận rằng các khu vực chồng chéo tăng cường tính đồng nhất, dẫn đến trường ánh sáng đồng nhất liền mạch trên một khu vực dọc mở rộng.
3.4 Nguyên mẫu thử nghiệm và xác nhận
Một chiếc đèn nguyên mẫu đã được chế tạo dựa trên thiết kế, bao gồm các thấu kính-có dạng tự do được đúc sẵn, bộ tản nhiệt ép đùn bằng nhôm và các nắp cuối. Các bức ảnh của nguyên mẫu và điểm được chiếu sáng của nó (Hình 8) chứng thực trực quan mô hình ánh sáng rộng và đồng đều được mô phỏng.
Các phép đo thử nghiệm mang lại số liệu hiệu suất mạnh mẽ:
Hiệu quả cao:Hiệu suất hệ thống vượt quá 92%, với hơn 86% photon quang hợp của nguồn tới mặt phẳng canh tác.
Tính đồng nhất cao:Tỷ lệ PPFD tối thiểu và trung bình trên mặt phẳng mục tiêu lớn hơn 82%, cho thấy tính đồng nhất về không gian tuyệt vời rất quan trọng đối với sự phát triển ổn định của cây trồng.
4. Thảo luận và kết luận
Việc thiết kế và triển khai tính đồng nhất,-hiệu quả cao,{1}}cao nàyTăng trưởng thực vật LEDđèn giải quyết một số điểm khó khăn chính trong canh tác theo chiều dọc:
Giảm chi phí:Bằng cách cho phép phủ sóng đồng đều với một ống đèn trung tâm duy nhất trên mỗi kệ, thiết kế này giúp giảm đáng kể số lượng thiết bị cố định cần thiết cho mỗi lớp canh tác, giảm chi phí vốn ban đầu (CapEx) và chi phí bảo trì liên tục.
Tiết kiệm năng lượng: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >Sử dụng 92% năng lượng, trực tiếp giúp giảm mức tiêu thụ điện và chi phí vận hành (OpEx).
Cải thiện chất lượng cây trồng:Độ đồng đều PPFD cao đảm bảo tất cả các cây đều nhận được mức ánh sáng tương đương, thúc đẩy sự tăng trưởng, trưởng thành và chất lượng ổn định. Điều này làm giảm sự biến động về năng suất và nhu cầu phân loại tốn nhiều công sức sau đó.
Đơn giản hóa hoạt động:Một đèn duy nhất được đặt ở vị trí trung tâm sẽ dễ lắp đặt, vệ sinh và bảo trì hơn so với nhiều đèn cố định, giúp đơn giản hóa việc quản lý trang trại.
Công trình này chứng tỏ khả năng ứng dụng mạnh mẽ của các nguyên tắc thiết kế quang học tiên tiến, đặc biệt là lý thuyết Trường ánh sáng kỹ thuật số và-sản xuất bề mặt dạng tự do, trước những thách thức về công nghệ nông nghiệp. "Phương pháp bề mặt nguồn thứ cấp" tỏ ra hiệu quả trong việc thiết kế một thấu kính nhỏ gọn, hiệu suất cao-được thiết kế riêng cho phạm vi mở rộngnguồn LED. Kết quả là hệ thống đèn tăng trưởng thực vật đã chuyển đổi thành công ánh sáng đầu ra từ dãy đèn LED tuyến tính thành một phân bố rộng, giống như cánh dơi{1}}, xếp chồng lên một trường có độ đồng đều cao.
Tóm lại, việc tích hợp thiết kế quang học kỹ thuật số với công nghệ LED sẽ mở đường cho thế hệ chiếu sáng nông nghiệp chính xác tiếp theo. Thiết kế đèn được trình bày ở đây mang đến một giải pháp hấp dẫn cho các trang trại thẳng đứng, kết hợp hiệu suất phân phối photon cao, tính đồng nhất về không gian vượt trội và lợi ích kinh tế. Công việc trong tương lai có thể khám phá việc điều chỉnh phương pháp này cho các kích thước kệ khác nhau, tối ưu hóa quang phổ cho các loại cây trồng cụ thể và tích hợp hơn nữa các điều khiển thông minh cho các công thức chiếu sáng động, cuối cùng góp phần tạo ra các hệ thống nông nghiệp đô thị bền vững và hiệu quả hơn.
Tài liệu tham khảo
[1] Lưu Văn Kha.Sinh lý học chất lượng ánh sáng thực vật và quy định của nó trong các nhà máy thực vật[M]. Bắc Kinh: Nhà xuất bản Khoa học và Công nghệ Nông nghiệp Trung Quốc, 2019.
[2] Trình Anh.Nghiên cứu phương pháp thiết kế và ứng dụng bề mặt quang học tự do[D]. Thiên Tân: Đại học Thiên Tân, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, và những người khác. Thiết kế hệ thống quang học tạo ảnh bề mặt dạng tự do: Lý thuyết, phát triển và ứng dụng [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Âm Hạ.Nghiên cứu về phương pháp thiết kế quang học hình ảnh không{{1} chiều ba chiều cho nguồn LED[D]. Hàng Châu: Đại học Cát Lương Trung Quốc, 2015.
[5] Triệu Lương, Sầm Tụng Nguyên. Đèn tăng trưởng thực vật gắn trên-tiết kiệm năng lượng-được thiết kế dựa trên Lý thuyết trường ánh sáng kỹ thuật số không tạo ảnh [J].Triệu Minh Công Thành Tuyết Bảo, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Giang Nhất Phàm, Trần Chí Mẫn. Kinh nghiệm phát triển và sự giác ngộ của ngành nông nghiệp dọc nước ngoài [J].Kinh tế nông thôn và khoa học-Công nghệ, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lights-dành cho-houseplants.html
