Dikey Tarım için Yüksek-Verimli ve Yüksek{1}}Tekdüzelik LED Bitki Büyüme Lambalarının Tasarımı
Soyut
Küresel nüfusun hızla artması ve kentleşmenin artmasıyla birlikte gıda güvenliği dünya çapında acil bir sorun haline geldi. Sınırlı alan ve kaynaklar içerisinde ürün verimini ve besin kalitesini artırmak için yenilikçi tarım yöntemlerine acilen ihtiyaç duyulmaktadır. Bunlar arasında Kontrollü Çevre Tarımı (CEA), özellikle dikey tarım umut verici bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Dikey tarım sistemlerinin kritik bir bileşeni, fotosentezi teşvik etmek için doğal güneş ışığının yerine geçen veya onu tamamlayan yapay aydınlatmadır. Işık-Yayan Diyotlar (LED'ler), enerji verimliliği, uzun ömürlülüğü, spektral ayarlanabilirliği ve düşük termal radyasyonu nedeniyle tercih edilen ışık kaynağı haline geldi. Bununla birlikte, LED aydınlatmanın çok katmanlı dikey çiftliklerde etkili bir şekilde dağıtılması, yalnızca yüksek fotosentetik foton verimliliğini değil, aynı zamanda bitki örtüsü boyunca ışık dağılımının olağanüstü mekansal tekdüzeliğini de gerektirir. Eşit-olmayan aydınlatma, bitkilerin dengesiz büyümesine, genel verimin azalmasına ve enerji israfına yol açabilir. Bu makalede yeni bir optik tasarım ele alınmaktadır.LED bitki büyümesiBu lambalar, merkezi olarak monte edilmiş tek bir lamba tüpü kullanarak yetiştirme düzleminde son derece tek biçimli fotosentetik foton akısı yoğunluğu (PPFD) dağılımı elde etmek için özel bir serbest-yüzey lensi kullanan Dijital Işık Alanı teorisini temel alır ve böylece dikey tarımdaki önemli ekonomik ve operasyonel zorlukların üstesinden gelir.
1. Giriş
Dikey tarım, tarımsal üretimde, genellikle binalarda veya kontrollü ortamlarda, mahsullerin dikey olarak istiflenmiş katmanlar halinde yetiştirilmesini içeren bir paradigma değişimini temsil eder. Bu yöntem arazi kullanım verimliliğini en üst düzeye çıkarır, su tüketimini azaltır, pestisit kullanımını en aza indirir ve kentsel alanlarda yerel gıda üretimine olanak sağlar. Bu teknolojinin temel taşı büyüme ortamının hassas kontrolüdür; aydınlatma en önemli ve enerji-yoğun faktörlerden biridir.
LED-tabanlı bitki büyümesilambalar, yüksek-basınçlı sodyum (HPS) lambalar gibi geleneksel aydınlatmaya göre spektral özgüllük, kısılabilirlik ve yönlü ışık çıkışı gibi önemli avantajlar sunar. Dikey çiftliklerdeki bu tür lambaların birincil optik hedefi, tüm yetiştirme tepsisi boyunca tekdüze bir PPFD (saniyede birim alan başına gelen fotosentetik olarak aktif foton sayısı) sağlamaktır. Yüksek tekdüzeliğin elde edilmesi, tüm bitkiler için tutarlı büyüme oranları ve kalite sağlayarak ayırma ve sınıflandırma ihtiyacını en aza indirir.
Geleneksel olarak, tek bir yetiştirme düzleminin üzerinde birden fazla lamba tüpünün yan yana-yan yana{-yerleştirilmesiyle yüksek tekdüzelik elde edilir. Etkili olmasına rağmen, bu çoklu-lamba yaklaşımının bazı dezavantajları vardır: çok sayıda armatür nedeniyle yüksek başlangıç sermaye maliyeti, hedef alanın ötesine (özellikle kenarlara) ışık yayılmasından kaynaklanan önemli miktarda enerji israfı ve artan bakım karmaşıklığı ve maliyeti. Bu nedenle zorlayıcı bir alternatif, görüntüye izin veren bir optik sistem tasarlamaktır.BekarStandart bir yetiştirme genişliği (örneğin, 60 cm) üzerinde düzgün bir PPFD dağılımı üretmek için lamba tüpü. Bu yaklaşım tüm faydalarını korumayı vaat ediyorLED aydınlatmamaliyet, enerji israfı ve bakım sorunlarını azaltır. Bu makale, Dijital Işık Alanı metodolojisi kullanılarak tasarlanmış serbest-biçimli bir mercek kullanan böyle bir sistemin tasarımını, simülasyonunu ve deneysel doğrulamasını sunmaktadır.
2. Metodoloji: Dijital Işık Alanı ve Optik Tasarım
2.1 Dijital Işık Alanı Kavramı
Aydınlık ve ışık yoğunluğu gibi geleneksel fotometrik nicelikler, bir yüzeydeki veya katı bir açı içindeki ışık akısının yoğunluğunu tanımlar. Değerlendirme için gerekli olmakla birlikte, optik yüzeylerin ters tasarım sürecine doğrudan yardımcı olmazlar. Dijital ışık alanı teorisi daha temel bir çerçeve sağlar. Optik alan alanının mikro elementlere ayrıştırılmasını içerir. Her eleman, içinden geçen bir ışık konisi ve yüzey normal vektörü ile karakterize edilir. Genel ışık alanı,-görüntülemeyen bir dijital ışık alanı işlevi (NDLFF) tarafından tanımlanır. Bu dijitalleştirme, optik tasarım problemini, serbest biçimli lensler gibi bir veya daha fazla optik yüzeyin kullanımı yoluyla hedef yüzey üzerindeki NDLFF'nin manipüle edilmesi problemine dönüştürür. Xingye Optik Teknolojisi tarafından geliştirilen bu yöntem, ışınım ve yoğunluk dağılımı üzerinde hassas kontrol sağlayarak, onu özellikle karmaşık aydınlatma tasarımı görevleri için uygun hale getiriyor.
2.2 Kaynak, Düzen ve Hedef Dağıtım Optimizasyonu
Tasarım süreci ışık kaynağının ve hedefinin tanımlanmasıyla başlar. Seçilen kaynak, yüksek-güçlü 3535 paketli bir kaynaktırNEDEN OLMUŞkubbe lens ile. Tipik bir yetiştirme rafı için hedef, lambanın 30 cm altına yerleştirilen ve genişliği 60 cm'yi biraz aşan bir düzlemdir. Lamba tüpü, tek bir sıra halinde 48 mm aralıklarla yerleştirilmiş bu tür 25 LED içerir, bu da toplam 1,2 m uzunluğa neden olur.
Kritik bir adım, bir sistemin optimal PPFD dağılımını belirlemektir.BekarLED-lens kombinasyonu hedef düzlemde üretilmelidir. Her bir LED basit, dönme simetrisine sahip tekdüze bir nokta oluşturursa, doğrusal diziden bu tür 25 noktanın üst üste binmesi, üst üste binme nedeniyle "parlak merkez, karanlık kenarlar" dağılımıyla sonuçlanacaktır. Bu nedenle ideal tek-LED dağıtımının bunu telafi etmesi gerekir. Karmaşık analitik çözümler yerine MATLAB kullanılarak sayısal bir optimizasyon yaklaşımı kullanıldı.
Tek-LED PPFD dağılımı, normalleştirilmiş dönme simetrik bir fonksiyon P(r) olarak modellenmiştir; burada r, nokta merkezinden radyal mesafedir. Hedef alan ayrıklaştırıldı ve P(r) bir optimizasyon değişkeni olarak ele alındı. Optimizasyon hedefi, 25 LED'in sabit konumlarında üst üste yerleştirilmesinden kaynaklanan toplam PPFD dağılımındaki varyansı en aza indirmekti. Orijinal makalenin Şekil 3'ünde gösterilen optimize edilmiş sonuç, tek LED için sezgiye aykırı-"karanlık merkez, parlak çevre" dağılımını ortaya koymaktadır. Bu benzersiz dağıtım, birden fazla LED noktasının üst üste gelmesi durumunda birbirlerinin sönük bölgelerini doldurmalarını ve böylece ekim düzleminde son derece düzgün bir genel dağılım elde edilmesini sağlar.
2.3 "İkincil Kaynak Yüzey Yöntemi" aracılığıyla Serbest-Formlu Mercek Tasarımı
Yukarıda açıklanan optimize edilmiş PPFD dağılımını elde etmek için serbest-formlu bir lens tasarlandı. Geleneksel küresel lensler bu kadar hassas kontrol için gereken serbestlik derecesinden yoksundur. Tasarım, Xingye Optics'in "İkincil Kaynak Yüzey Yöntemi"ni kullandı; bu teknik, Dijital Işık Alanı teorisine dayalı olup doğrudan genişletilmiş kaynaklarla (bunları nokta kaynaklara göre basitleştirmek yerine) çalışır ve kompakt optik sistemler için bile yüksek doğruluk sağlar.
Tasarlanan mercek, ışık ışınlarını titizlikle yönlendiren pürüzsüz,-dönme açısından simetrik olmayan-serbest biçimli bir yüzeye sahiptir. Şekil 4/5'te gösterildiği gibi, LED'den gelen ana ışınlar, tek-LED noktasında gerekli parlak dış halkayı oluşturmak için daha yüksek yoğunluktaki ışınlar daha büyük açılara yönlendirilerek değişen açılarda kırılır. Lens modeli daha sonra titiz bir analiz için optik simülasyon yazılımına (örn. LightTools) aktarıldı.
3. Sonuçlar ve Analiz
3.1 Tek LED-Lens Simülasyonu
LED modeliyle eşleştirilmiş tasarlanan lens üzerinde Monte Carlo yöntemini kullanan ışın izleme simülasyonu{0}gerçekleştirildi. Hedef düzlemde ortaya çıkan PPFD dağılımı (Şekil 5), Bölüm 2.2'deki teorik olarak optimize edilmiş hedef dağılımıyla mükemmel bir uyum göstererek tasarımın geçerliliğini doğruladı.
3.2 Tam Lamba Tüpü Performansı
1,2 m'lik lamba tüpünün tamamını simüle etmek için 48 mm aralıklı 25 LED-lens ünitesinden oluşan bir dizi modellendi. 30 cm altındaki yetiştirme düzlemindeki simüle edilmiş PPFD dağılımı Şekil 6'da gösterilmektedir. Sonuçlar, kenarlarda keskin bir kesime sahip geniş, oldukça düzgün bir ışık alanı göstermektedir. Genişlik 60 cm'lik hedef rafı rahatça kaplar. En önemlisi, raftaki PPF'nin LED'lerin yaydığı toplam PPF'ye bölünmesiyle tanımlanan hesaplanan teorik enerji kullanım oranı %92'yi aşıyor. Bu, LED'ler tarafından üretilen fotosentetik olarak aktif fotonların %92'sinden fazlasının doğrudan tesis kanopisine iletildiğini ve geleneksel tasarımlara kıyasla dökülmeyi ve enerji israfını büyük ölçüde azalttığını gösterir.
3.3 Genişletilmiş Kurulumlar için Ölçeklenebilirlik
Pratik dikey çiftliklerde yetiştirme rafları genellikle uçtan uca-uzun sıralar halinde-düzenlenir. Tek bir lambanın simüle edilmiş PPFD dağılımı, hafifçe konik uçlar göstermektedir. İki veya daha fazla lamba uçtan uca-uca-yerleştirildiğinde, bunların PPFD dağılımları bu geçiş bölgelerinde örtüşür ve birbirini tamamlar. Birbirine bağlı iki lambanın simülasyonu (Şekil 7), üst üste binen alanların tekdüzeliği arttırdığını ve bunun sonucunda uzunlamasına bir alan üzerinde kusursuz bir şekilde tekdüze bir ışık alanı elde edildiğini doğrulamaktadır.
3.4 Deneysel Prototip ve Doğrulama
Kalıplanmış serbest biçimli lensler, alüminyum ekstrüzyon soğutucu ve uç kapaklar içeren tasarıma dayalı olarak bir prototip lamba üretildi{0}}. Prototipin ve aydınlatılmış noktasının fotoğrafları (Şekil 8), simüle edilmiş geniş ve tekdüze ışık düzenini görsel olarak desteklemektedir.
Deneysel ölçümler güçlü performans ölçümleri sağladı:
Yüksek Verimlilik:Kaynağın fotosentetik fotonlarının %86'den fazlası yetiştirme düzlemine düştüğü için sistem verimliliği %92'yi aştı.
Yüksek Tekdüzelik:Hedef düzlemde minimum PPFD'nin ortalamaya oranı %82'den fazlaydı; bu, tutarlı bitki büyümesi için kritik olan mükemmel mekansal tekdüzeliğin göstergesiydi.
4. Tartışma ve Sonuç
Bu yüksek-verimliliğin, yüksek-tekdüzeliğin tasarımı ve uygulanmasıLED bitki büyümesilamba, dikey tarımdaki bazı önemli sıkıntı noktalarını ele alıyor:
Maliyet Azaltma:Tasarım, raf başına tek bir merkezi lamba tüpüyle eşit kapsama olanağı sağlayarak yetiştirme katmanı başına gereken armatür sayısını önemli ölçüde azaltır, ilk sermaye harcamalarını (CapEx) ve devam eden bakım maliyetlerini düşürür.
Enerji Tasarrufu: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >%92 enerji kullanımı, doğrudan daha düşük elektrik tüketimi ve işletme giderleri (OpEx) anlamına gelir.
Geliştirilmiş Mahsul Kalitesi:Yüksek PPFD bütünlüğü, tüm bitkilerin eşdeğer ışık seviyeleri almasını sağlayarak tutarlı büyümeyi, olgunlaşmayı ve kaliteyi destekler. Bu, verim değişkenliğini ve ardından gelen emek-yoğun ayıklama ihtiyacını azaltır.
Operasyonel Basitlik:Merkezi olarak konumlandırılmış tek bir lambanın kurulumu, temizliği ve servisi, birden fazla armatürle karşılaştırıldığında daha kolaydır ve çiftlik yönetimini basitleştirir.
Bu çalışma, gelişmiş optik tasarım ilkelerinin, özellikle Dijital Işık Alanı teorisinin ve serbest-yüzey üretiminin tarım teknolojisindeki zorluklara güçlü bir şekilde uygulanmasını göstermektedir. "İkincil kaynak yüzey yöntemi"nin, uzun süreli kullanım için özel olarak tasarlanmış kompakt, yüksek-performanslı bir lens tasarlamada etkili olduğu kanıtlandı.LED kaynağı. Ortaya çıkan bitki büyüme lambası sistemi, doğrusal bir LED dizisinden gelen ışık çıkışını başarılı bir şekilde üst üste bindirerek oldukça düzgün bir alan oluşturan geniş, yarasa kanadı-benzeri bir dağılıma dönüştürür.
Sonuç olarak, dijital optik tasarımın LED teknolojisiyle entegrasyonu, yeni nesil hassas tarımsal aydınlatmanın yolunu açıyor. Burada sunulan lamba tasarımı, yüksek foton dağıtım verimliliğini, üstün mekansal tekdüzeliği ve ekonomik faydaları birleştirerek dikey çiftlikler için ilgi çekici bir çözüm sunmaktadır. Gelecekteki çalışmalar, bu metodolojinin farklı raf boyutlarına uyarlanmasını, belirli mahsuller için spektrumların optimize edilmesini ve dinamik aydınlatma tarifleri için akıllı kontrollerin daha da entegre edilmesini, sonuçta daha sürdürülebilir ve üretken kentsel tarım sistemlerine katkıda bulunulmasını araştırabilir.
Referanslar
[1] Liu Wenke.Bitki Fabrikalarında Bitki Işık Kalitesi Fizyolojisi ve Düzenlenmesi[M]. Pekin: Çin Tarım Bilimi ve Teknolojisi Basını, 2019.
[2] Cheng Ying.Optik Serbest Biçimli Yüzey Tasarım Yöntemi ve Uygulaması Üzerine Araştırma[D]. Tianjin: Tianjin Üniversitesi, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen ve diğerleri. Serbest biçimli yüzey görüntüleme optik sistemlerinin tasarımı: Teori, geliştirme ve uygulama [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.LED Kaynakları için Üç-Boyutlu-Görüntülemeyen Optik Tasarım Yöntemi Üzerine Araştırma[D]. Hangzhou: Çin Jiliang Üniversitesi, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Görüntülemesiz Dijital Işık Alanı Teorisine Dayalı Tasarlanmış Enerji-Duvara-Monte Edilen Bitki Büyüme Lambası-Dijital Işık Alanı Teorisi [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Yabancı Dikey Tarımın Kalkınma Deneyimi ve Aydınlanması [J].Kırsal Ekonomi ve Bilim-Teknoloji, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-ev bitkileri için-tüp-ampul/büyüme-ışıklar-.html
