Dizajn visoko{0}}efikasnih i visoko-ujednačenih LED lampi za rast biljaka za vertikalnu poljoprivredu
Abstract
Sa brzim rastom globalne populacije i rastućom urbanizacijom, sigurnost hrane postala je hitan svjetski izazov. Hitno su potrebne inovativne poljoprivredne metode kako bi se poboljšao prinos usjeva i kvalitet ishrane unutar ograničenog prostora i resursa. Među njima, poljoprivreda u kontrolisanoj okolini (CEA), posebno vertikalna poljoprivreda, pojavila se kao obećavajuće rešenje. Kritična komponenta vertikalnih poljoprivrednih sistema je vještačko osvjetljenje, koje zamjenjuje ili dopunjuje prirodnu sunčevu svjetlost za pokretanje fotosinteze. Svjetlosne-Diode koje emituju svjetlost (LED) postale su preferirani izvor svjetlosti zbog svoje energetske efikasnosti, dugovječnosti, spektralne podesljivosti i niskog termičkog zračenja. Međutim, efikasna primjena LED rasvjete u više-slojnim vertikalnim farmama zahtijeva ne samo visoku fotosintetičku efikasnost fotona već i izuzetnu prostornu ujednačenost distribucije svjetlosti po krošnji biljke. Ne-ujednačeno osvjetljenje može dovesti do neujednačenog rasta biljaka, smanjenog ukupnog prinosa i gubitka energije. Ovaj članak se bavi novim optičkim dizajnom zaLED rast biljakalampe zasnovane na teoriji digitalnog svjetlosnog polja, koja koristi prilagođeno površinsko sočivo slobodnog-oblika za postizanje visoko ujednačene distribucije fotosintetske gustine fotona (PPFD) na ravni kultivacije pomoću jedne, centralno montirane cijevi lampe, čime se rješavaju ključni ekonomski i operativni izazovi u vertikalnoj poljoprivredi.
1. Uvod
Vertikalna poljoprivreda predstavlja promjenu paradigme u poljoprivrednoj proizvodnji, koja uključuje uzgoj usjeva u vertikalno naslaganim slojevima, često unutar zgrada ili kontroliranog okruženja. Ova metoda maksimizira efikasnost korištenja zemljišta, smanjuje potrošnju vode, minimizira upotrebu pesticida i omogućava lokalnu proizvodnju hrane u urbanim područjima. Kamen temeljac ove tehnologije je precizna kontrola okruženja rasta, pri čemu je osvjetljenje jedan od najvažnijih i energetski{2}}najintenzivnijih faktora.
LED{0}}rast biljakalampe nude značajne prednosti u odnosu na tradicionalnu rasvjetu, kao što su natrijumske lampe visokog{0}}pritiska (HPS), uključujući spektralnu specifičnost, mogućnost zatamnjivanja i usmjereni izlaz svjetlosti. Primarni optički cilj takvih lampi u vertikalnim farmama je da isporuče ujednačen PPFD – broj fotosintetski aktivnih fotona koji dolaze po jedinici površine u sekundi – preko cijele posude za uzgoj. Postizanje visoke ujednačenosti osigurava dosljedne stope rasta i kvalitet za sve biljke, minimizirajući potrebu za sortiranjem i ocjenjivanjem.
Konvencionalno, visoka uniformnost se postiže postavljanjem više cijevi lampe jedna pored druge--iznad jedne ravni kultivacije. Iako je efikasan, ovaj pristup sa više-lampa ima nekoliko nedostataka: visok početni kapitalni trošak zbog velikog broja uređaja, značajan gubitak energije zbog izlivanja svjetlosti izvan ciljnog područja (posebno na rubovima) i povećanu složenost i troškove održavanja. Stoga je uvjerljiva alternativa dizajniranje optičkog sistema koji omogućava asinglecijev lampe za proizvodnju ujednačene PPFD raspodjele na standardnoj širini uzgoja (npr. 60 cm). Ovaj pristup obećava da će zadržati sve prednostiLED rasvjetaistovremeno ublažavajući probleme troškova, rasipanja energije i održavanja. Ovaj rad predstavlja dizajn, simulaciju i eksperimentalnu validaciju takvog sistema, koristeći sočivo slobodnog-oblika dizajniranog metodologijom Digital Light Field.
2. Metodologija: Digitalno svjetlosno polje i optički dizajn
2.1 Koncept digitalnog svjetlosnog polja
Tradicionalne fotometrijske veličine poput osvjetljenja i intenziteta svjetlosti opisuju gustinu svjetlosnog toka na površini ili unutar čvrstog kuta. Iako su bitni za evaluaciju, oni nisu direktno pogodni za inverzni proces projektovanja optičkih površina. Teorija digitalnog svjetlosnog polja pruža temeljniji okvir. To uključuje diskretizaciju prostora optičkog polja na mikroelemente. Svaki element karakterizira svjetlosni konus koji prolazi kroz njega i njegov površinski normalni vektor. Sveukupno svjetlosno polje je opisano funkcijom digitalnog svjetlosnog polja koja nije-slika (NDLFF). Ova digitalizacija transformira problem optičkog dizajna u manipuliranje NDLFF-om na ciljnoj površini korištenjem jedne ili više optičkih površina, kao što su leće slobodnog-oblika. Ova metoda, koju je razvila Xingye Optical Technology, omogućava preciznu kontrolu nad distribucijom zračenja i intenziteta, što je čini posebno pogodnom za složene zadatke dizajna rasvjete.
2.2 Optimizacija izvora, rasporeda i ciljane distribucije
Proces dizajna počinje definiranjem izvora svjetlosti i cilja. Odabrani izvor je-pakovanje 3535 velike snageLEDsa kupolastim sočivom. Za tipičnu policu za uzgoj, meta je ravnina koja se nalazi 30 cm ispod lampe, sa širinom nešto većom od 60 cm. Cijev lampe se sastoji od 25 takvih LED dioda raspoređenih na udaljenosti od 48 mm u jednom redu, što rezultira ukupnom dužinom od 1,2 m.
Kritični korak je određivanje optimalne PPFD distribucije koja asingleLED{0}}kombinacija sočiva bi trebala proizvoditi na ciljnoj ravni. Ako svaka LED dioda stvara jednostavnu, rotaciono simetričnu uniformnu tačku, superpozicija 25 takvih tačaka iz linearnog niza rezultirala bi distribucijom "svijetli centar, tamne ivice" zbog preklapanja. Stoga, idealna pojedinačna-LED distribucija mora to kompenzirati. Umjesto složenih analitičkih rješenja, korišten je pristup numeričke optimizacije korištenjem MATLAB-a.
Pojedinačna-LED PPFD distribucija je modelirana kao normalizirana rotaciono simetrična funkcija P(r), gdje je r radijalna udaljenost od centra tačke. Ciljno područje je diskretizovano, a P(r) je tretiran kao varijabla optimizacije. Cilj optimizacije je bio da se minimizira varijansa ukupne PPFD distribucije koja je rezultat superpozicije 25 LED dioda na njihovim fiksnim pozicijama. Optimizirani rezultat, prikazan na slici 3 originalnog rada, otkriva kontra-intuitivnu distribuciju "tamnog centra, svijetle periferije" za jednu LED diodu. Ova jedinstvena distribucija osigurava da kada se više LED tačaka preklapaju, one ispunjavaju međusobne zatamnjene regije, što kulminira vrlo ujednačenom ukupnom distribucijom na ravni kultivacije.
2.3 Free-Dizajn sočiva slobodnog oblika putem "Metode sekundarne površine"
Da bi se postigla optimizirana PPFD distribucija opisana gore, dizajnirano je sočivo slobodnog-oblika. Konvencionalnim sfernim sočivima nedostaju stepeni slobode za tako preciznu kontrolu. Dizajn je koristio Xingye Optics "Metodu površine sekundarnog izvora", tehniku utemeljenu na teoriji digitalnog svjetlosnog polja koja direktno radi s proširenim izvorima (umjesto da ih pojednostavljuje na tačkaste izvore), osiguravajući visoku preciznost čak i za kompaktne optičke sisteme.
Dizajnirano sočivo ima glatku, ne-rotaciono simetričnu slobodnu- površinu koja pažljivo preusmjerava svjetlosne zrake. Kao što je ilustrovano na slici 4/5, glavni zraci iz LED-a se lome pod različitim uglovima, sa većom gustinom zraka usmjerenim prema većim uglovima kako bi se stvorio potreban svijetli vanjski prsten u jednoj-LED tački. Model sočiva je zatim uvezen u softver za optičku simulaciju (npr. LightTools) radi rigorozne analize.
3. Rezultati i analiza
3.1 Jednostruka LED-simulacija sočiva
Simulacija praćenja zraka{0}} metodom Monte Carlo izvedena je na dizajniranom sočivu uparenom sa LED modelom. Rezultirajuća PPFD distribucija na ciljnoj ravni (slika 5) pokazala je odlično slaganje s teorijski optimiziranom distribucijom cilja iz odjeljka 2.2, potvrđujući valjanost dizajna.
3.2 Pune performanse cijevi lampe
Niz od 25 LED-jedinica sočiva raspoređenih na udaljenosti od 48 mm je modeliran da simulira kompletnu cijev lampe od 1,2 m. Simulirana PPFD distribucija na ravni kultivacije 30 cm ispod prikazana je na slici 6. Rezultati pokazuju široko, visoko uniformno svjetlosno polje sa oštrim odsječkom na rubovima. Širina udobno pokriva ciljnu policu od 60 cm. Ono što je najvažnije, izračunati teoretski omjer iskorištenja energije – definiran kao PPF na polici podijeljen s ukupnim PPF koji emituju LED diode – premašuje 92%. Ovo ukazuje da se preko 92% fotosintetski aktivnih fotona koje stvaraju LED diode isporučuju direktno u krošnju biljke, drastično smanjujući prosipanje i gubitak energije u poređenju sa konvencionalnim dizajnom.
3.3 Skalabilnost za proširena podešavanja
U praktičnim vertikalnim farmama, police za uzgoj često su raspoređene s kraja na kraj-do-u dugim redovima. Simulirana PPFD distribucija iz jedne lampe pokazuje blago sužene krajeve. Kada su dvije ili više lampi postavljene s kraja -do-, njihove PPFD distribucije se preklapaju i dopunjuju jedna drugu u ovim prijelaznim zonama. Simulacija dvije povezane lampe (Slika 7) potvrđuje da područja koja se preklapaju povećavaju uniformnost, što rezultira neprimjetno ujednačenim svjetlosnim poljem na produženom uzdužnom području.
3.4 Eksperimentalni prototip i validacija
Prototip lampe je proizveden na osnovu dizajna, uključujući oblikovane leće slobodnog-oblika, aluminijumski ekstruzioni hladnjak i završne poklopce. Fotografije prototipa i njegovog osvijetljenog mjesta (slika 8) vizualno potvrđuju simulirani širok i ujednačen svjetlosni obrazac.
Eksperimentalna mjerenja su dala jake metrike performansi:
Visoka efikasnost:Efikasnost sistema je premašila 92%, sa preko 86% fotosintetskih fotona izvora koji su upali na ravan kultivacije.
Visoka uniformnost:Omjer minimalnog i prosječnog PPFD-a na ciljnoj ravni bio je veći od 82%, što ukazuje na odličnu prostornu uniformnost kritičnu za dosljedan rast biljaka.
4. Diskusija i zaključak
Dizajn i implementacija ove visoke{0}}efikasnosti, visoke-ujednačenostiLED rast biljakalampa se bavi nekoliko ključnih bolnih tačaka u vertikalnoj poljoprivredi:
Smanjenje troškova:Omogućavajući ujednačenu pokrivenost sa jednom centralnom lampom po polici, dizajn značajno smanjuje broj uređaja potrebnih po sloju kultivacije, smanjujući početne kapitalne troškove (CapEx) i tekuće troškove održavanja.
Ušteda energije: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% iskorišćenja energije, direktno znači nižu potrošnju električne energije i operativne troškove (OpEx).
Poboljšan kvalitet usjeva:Visoka uniformnost PPFD osigurava da sve biljke dobiju jednake razine svjetlosti, promovišući dosljedan rast, sazrijevanje i kvalitet. Ovo smanjuje varijabilnost prinosa i naknadnu potrebu za radno-intenzivnim sortiranjem.
Operativna jednostavnost:Jedinstvena, centralno smještena lampa je lakša za instalaciju, čišćenje i servisiranje u poređenju sa više svjetiljki, pojednostavljujući upravljanje farmom.
Ovaj rad demonstrira snažnu primjenu naprednih principa optičkog dizajna, posebno teorije digitalnog svjetlosnog polja i proizvodnje površine u slobodnom{0}}obliku, na agrotehnološke izazove. "Metoda površine sekundarnog izvora" pokazala se učinkovitom u dizajniranju kompaktnog objektiva visokih-performansi skrojenog za produženiLED izvor. Rezultirajući sistem lampi za rast biljaka uspješno transformiše izlaz svjetlosti iz linearnog LED niza u široku distribuciju poput šišmiša-koja se superponira u visoko uniformno polje.
U zaključku, integracija digitalnog optičkog dizajna sa LED tehnologijom otvara put za sledeću generaciju precizne poljoprivredne rasvete. Dizajn lampe predstavljen ovdje nudi uvjerljivo rješenje za vertikalne farme, kombinujući visoku efikasnost isporuke fotona, superiornu prostornu uniformnost i ekonomske prednosti. Budući rad može istražiti prilagođavanje ove metodologije za različite dimenzije polica, optimizaciju spektra za određene usjeve i dalju integraciju pametnih kontrola za dinamičke recepte za osvjetljenje, što na kraju doprinosi održivijim i produktivnijim sistemima urbane poljoprivrede.
Reference
[1] Liu Wenke.Fiziologija kvaliteta svjetla biljaka i njegova regulacija u tvornicama biljaka[M]. Peking: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] Cheng Ying.Istraživanje metode projektovanja i primjene optičke površine slobodnog oblika[D]. Tianjin: Univerzitet Tianjin, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, et al. Dizajn optičkih sistema za snimanje površine slobodnog oblika: teorija, razvoj i primjena [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Istraživanje trodimenzionalne metode optičkog dizajna bez-dimenzionalnih slika za LED izvore[D]. Hangzhou: Kineski univerzitet Jiliang, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Zidna-ušteda energije-Lampa za rast biljaka postavljena na zid, dizajnirana na osnovu teorije digitalnog svjetlosnog polja bez{4}}slike [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Iskustvo razvoja i osvjetljavanje strane vertikalne poljoprivrede [J].Ruralna ekonomija i naučna{0}}tehnologija, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-cijev-sijalica/rast-svjetla-za-kućne biljke.html
