Design av LED-lampor för växttillväxt med hög-effektivitet och hög-enhetlighet för vertikalt jordbruk
Abstrakt
Med den snabba tillväxten av den globala befolkningen och den ökande urbaniseringen har livsmedelsförsörjningen blivit en akut global utmaning. Innovativa jordbruksmetoder är angeläget för att förbättra skörden och näringskvaliteten inom begränsade utrymmen och resurser. Bland dessa har Controlled Environment Agriculture (CEA), särskilt vertikalt jordbruk, dykt upp som en lovande lösning. En kritisk komponent i vertikala jordbrukssystem är artificiell belysning, som ersätter eller kompletterar naturligt solljus för att driva fotosyntes. Ljus-emitterande dioder (LED) har blivit den föredragna ljuskällan på grund av sin energieffektivitet, livslängd, spektrala avstämningsförmåga och låga termiska strålning. Den effektiva användningen av LED-belysning i vertikala gårdar med flera-lager kräver inte bara hög fotosyntetisk fotoneffektivitet utan också exceptionell rumslig enhetlighet för ljusfördelning över växtkronan. Ojämn belysning kan leda till ojämn växttillväxt, minskad total avkastning och slöseri med energi. Den här artikeln fördjupar sig i en ny optisk design förLED-växttillväxtlampor baserade på Digital Light Field-teori, som använder en anpassad ytlins i fri-form för att uppnå en mycket enhetlig fotosyntetisk fotonflödestäthet (PPFD)-fördelning på odlingsplanet med hjälp av ett enda centralt monterat lamprör, och därigenom lösa viktiga ekonomiska och operativa utmaningar inom vertikalt jordbruk.
1. Inledning
Vertikalt jordbruk representerar ett paradigmskifte inom jordbruksproduktionen, som involverar odling av grödor i vertikalt staplade lager, ofta i byggnader eller kontrollerade miljöer. Denna metod maximerar markanvändningens effektivitet, minskar vattenförbrukningen, minimerar användningen av bekämpningsmedel och möjliggör lokal matproduktion i stadsområden. En hörnsten i denna teknik är den exakta kontrollen av tillväxtmiljön, där belysning är en av de mest avgörande och energiintensiva-faktorerna.
LED-baserad växttillväxtlampor erbjuder betydande fördelar jämfört med traditionell belysning, som hög-natriumlampor (HPS), inklusive spektral specificitet, dimbarhet och riktad ljuseffekt. Det primära optiska målet för sådana lampor i vertikala gårdar är att leverera en enhetlig PPFD – antalet fotosyntetiskt aktiva fotoner som kommer per ytenhet per sekund – över hela odlingsbrickan. Att uppnå hög enhetlighet säkerställer konsekvent tillväxthastighet och kvalitet för alla växter, vilket minimerar behovet av sortering och sortering.
Konventionellt eftersträvas hög enhetlighet genom att placera flera lamprör sida-vid-sida ovanför ett enda odlingsplan. Även om den är effektiv har denna fler-lampansats flera nackdelar: hög initial kapitalkostnad på grund av det stora antalet armaturer, betydande energislöseri från ljusspill utanför målområdet (särskilt vid kanterna) och ökad underhållskomplexitet och ökad kostnad. Därför är ett övertygande alternativ att designa ett optiskt system som tillåter enendalamprör för att producera en enhetlig PPFD-fördelning över en standardodlingsbredd (t.ex. 60 cm). Detta tillvägagångssätt lovar att behålla alla fördelar medLED-belysningsamtidigt som man mildrar frågorna om kostnader, energislöseri och underhåll. Den här artikeln presenterar design, simulering och experimentell validering av ett sådant system, med användning av en fri-lins designad med Digital Light Field-metodologi.
2. Metodik: Digitalt ljusfält och optisk design
2.1 Begreppet digitalt ljusfält
Traditionella fotometriska storheter som belysningsstyrka och ljusintensitet beskriver tätheten av ljusflöde på en yta eller inom en rymd vinkel. Även om de är väsentliga för utvärdering är de inte direkt gynnsamma för den omvända designprocessen för optiska ytor. Den digitala ljusfältsteorin ger en mer grundläggande ram. Det innebär att diskretisera det optiska fältutrymmet till mikroelement. Varje element kännetecknas av en ljuskon som passerar genom den och dess normalvektor på ytan. Det övergripande ljusfältet beskrivs av en icke-avbildande digital ljusfältsfunktion (NDLFF). Denna digitalisering förvandlar det optiska designproblemet till att manipulera NDLFF på en målyta genom att använda en eller flera optiska ytor, såsom fri-linser. Denna metod, utvecklad av Xingye Optical Technology, möjliggör exakt kontroll över bestrålning och intensitetsfördelning, vilket gör den särskilt lämplig för komplexa ljusdesignuppgifter.
2.2 Optimering av käll-, layout- och måldistribution
Designprocessen börjar med att definiera ljuskällan och målet. Den valda källan är en hög-3535-paketeradLEDmed en kupollins. För en typisk odlingshylla är målet ett plan placerat 30 cm under lampan, med en bredd som överstiger 60 cm. Lampröret består av 25 sådana lysdioder placerade 48 mm från varandra i en enda rad, vilket resulterar i en total längd på 1,2 m.
Ett kritiskt steg är att bestämma den optimala PPFD-fördelningen som aendaLED-linskombination bör producera på målplanet. Om varje lysdiod skapar en enkel, rotationssymmetrisk enhetlig punkt, skulle överlagringen av 25 sådana fläckar från den linjära arrayen resultera i en "ljus mitt, mörka kanter"-fördelning på grund av överlappning. Därför måste den idealiska enkel-LED-distributionen kompensera för detta. Istället för komplexa analytiska lösningar användes en numerisk optimeringsmetod med MATLAB.
Den enkla -LED PPFD-fördelningen modellerades som en normaliserad rotationssymmetrisk funktion P(r), där r är det radiella avståndet från punktcentrum. Målområdet diskretiserades och P(r) behandlades som en optimeringsvariabel. Optimeringsmålet var att minimera variansen av den totala PPFD-fördelningen till följd av överlagringen av 25 lysdioder vid deras fasta positioner. Det optimerade resultatet, som visas i figur 3 på originalpapperet, avslöjar en kontra-intuitiv "mörkt centrum, ljus periferi"-fördelning för den enda lysdioden. Denna unika fördelning säkerställer att när flera LED-spots överlappar varandra, fyller de ut varandras mörkare områden, vilket kulminerar i en mycket enhetlig övergripande fördelning på odlingsplanet.
2.3 Fri-formlinsdesign via "Secundary Source Surface Method"
För att uppnå den optimerade PPFD-fördelningen som beskrivs ovan designades en fri-lins. Konventionella sfäriska linser saknar frihetsgraderna för en sådan exakt kontroll. Designen använde Xingye Optics "Secondary Source Surface Method", en teknik grundad i Digital Light Field-teorin som direkt fungerar med utökade källor (istället för att förenkla dem till punktkällor), vilket säkerställer hög noggrannhet även för kompakta optiska system.
Den designade linsen har en slät, icke-rotationssymmetrisk fri-yta som noggrant omdirigerar ljusstrålar. Som illustreras i figur 4/5 bryts huvudstrålarna från lysdioden i varierande vinklar, med en högre täthet av strålar riktade mot större vinklar för att skapa den erforderliga ljusa yttre ringen i den enda -LED-punkten. Linsmodellen importerades sedan till optisk simuleringsprogramvara (t.ex. LightTools) för noggrann analys.
3. Resultat och analys
3.1 Enkel LED-Linssimulering
Strålningssimulering-med Monte Carlo-metoden utfördes på den designade linsen som är ihopkopplad med LED-modellen. Den resulterande PPFD-fördelningen på målplanet (Figur 5) visade utmärkt överensstämmelse med den teoretiskt optimerade målfördelningen från avsnitt 2.2, vilket bekräftar designens giltighet.
3.2 Full lamprörsprestanda
En uppsättning av 25 LED-linsenheter med ett avstånd på 48 mm från varandra modellerades för att simulera hela 1,2 m lampröret. Den simulerade PPFD-fördelningen på odlingsplanet 30 cm nedan visas i figur 6. Resultaten visar ett brett, mycket enhetligt ljusfält med en skarp avskärning vid kanterna. Bredden täcker bekvämt målhyllan på 60 cm. Avgörande är att det beräknade teoretiska energiutnyttjandet – definierat som PPF på hyllan dividerat med den totala PPF som emitteras av lysdioderna – överstiger 92 %. Detta indikerar att över 92 % av de fotosyntetiskt aktiva fotonerna som genereras av lysdioderna levereras direkt till växtens tak, vilket drastiskt minskar spill och energislöseri jämfört med konventionella konstruktioner.
3.3 Skalbarhet för utökade inställningar
I praktiska vertikala gårdar är odlingshyllor ofta ordnade i långa rader-till-. Den simulerade PPFD-fördelningen från en enda lampa visar något avsmalnande ändar. När två eller flera lampor placeras ände-till-överlappar deras PPFD-fördelningar och kompletterar varandra i dessa övergångszoner. Simulering av två anslutna lampor (Figur 7) bekräftar att de överlappande områdena förbättrar enhetligheten, vilket resulterar i ett sömlöst enhetligt ljusfält över ett utsträckt längsgående område.
3.4 Experimentell prototyp och validering
En prototyplampa tillverkades baserat på designen, inklusive gjutna fri-linser, en kylfläns för extrudering av aluminium och gavel. Fotografier av prototypen och dess upplysta punkt (Figur 8) bekräftar visuellt det simulerade breda och enhetliga ljusmönstret.
Experimentella mätningar gav starka prestandamått:
Hög effektivitet:Systemeffektiviteten översteg 92 %, med över 86 % av källans fotosyntetiska fotoner infallande på odlingsplanet.
Hög enhetlighet:Förhållandet mellan minsta och genomsnittliga PPFD på målplanet var större än 82 %, vilket indikerar utmärkt rumslig enhetlighet som är avgörande för konsekvent växttillväxt.
4. Diskussion och slutsats
Utformningen och implementeringen av denna höga-effektiva, höga-enhetlighetLED-växttillväxtlampan tar upp flera viktiga smärtpunkter i vertikalt jordbruk:
Kostnadsminskning:Genom att möjliggöra enhetlig täckning med ett enda centralt lamprör per hylla, minskar designen avsevärt antalet armaturer som krävs per odlingslager, vilket sänker initiala kapitalutgifter (CapEx) och pågående underhållskostnader.
Energibesparingar: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% energianvändning, direkt översätts till lägre elförbrukning och driftskostnader (OpEx).
Förbättrad beskärningskvalitet:Hög PPFD-likformighet säkerställer att alla växter får likvärdiga ljusnivåer, vilket främjar konsekvent tillväxt, mognad och kvalitet. Detta minskar utbytesvariationerna och det efterföljande behovet av arbetsintensiv-sortering.
Operationell enkelhet:En enda, centralt placerad lampa är lättare att installera, rengöra och serva jämfört med flera armaturer, vilket förenklar förvaltningen av gården.
Det här arbetet demonstrerar den kraftfulla tillämpningen av avancerade optiska designprinciper, särskilt Digital Light Field-teorin och fri-yttillverkning, på agritech-utmaningar. Den "sekundära källans yta-metoden" visade sig vara effektiv för att designa en kompakt,-högpresterande lins skräddarsydd för en längreLED-källa. Det resulterande systemet för planttillväxtlampor omvandlar framgångsrikt ljusuttaget från en linjär LED-array till en bred, fladdermus-liknande-fördelning som överlagras till ett mycket enhetligt fält.
Sammanfattningsvis banar integrationen av digital optisk design med LED-teknik vägen för nästa generations precisionsjordbruksbelysning. Lampdesignen som presenteras här erbjuder en övertygande lösning för vertikala gårdar, som kombinerar hög fotonleveranseffektivitet, överlägsen rumslig enhetlighet och ekonomiska fördelar. Framtida arbete kan utforska att anpassa denna metod för olika hylldimensioner, optimera spektra för specifika grödor och ytterligare integrera smarta kontroller för dynamiska belysningsrecept, vilket i slutändan kan bidra till mer hållbara och produktiva urbana jordbrukssystem.
Referenser
[1] Liu Wenke.Plant Light Quality Physiology och dess reglering i växtfabriker[M]. Peking: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] Cheng Ying.Forskning om designmetod och tillämpning av optisk friformsyta[D]. Tianjin: Tianjin University, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, et al. Design av optiska ytavbildningssystem med fri form: teori, utveckling och tillämpning [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Forskning om tredimensionell icke-avbildningsmetod för optisk design för LED-källor[D]. Hangzhou: China Jiliang University, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. En energisparande-vägg-monterad växttillväxtlampa designad baserat på icke-avbildande digital ljusfältsteori [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Utvecklingserfarenhet och upplysning av utländskt vertikalt jordbruk [J].Landsbygdsekonomi och vetenskap-teknik, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lights-for-roomplants.html
