Dizajn visoko{0}}učinkovitih i-ujednačenih LED svjetiljki za rast biljaka za vertikalni uzgoj
Sažetak
S brzim rastom globalne populacije i rastućom urbanizacijom, sigurnost hrane postala je hitan svjetski izazov. Hitno su potrebne inovativne poljoprivredne metode kako bi se povećao prinos usjeva i kvaliteta prehrane unutar ograničenog prostora i resursa. Među njima, kontrolirana poljoprivreda u okolišu (CEA), posebice vertikalna poljoprivreda, pojavila se kao rješenje koje obećava. Kritična komponenta vertikalnih poljoprivrednih sustava je umjetna rasvjeta, koja zamjenjuje ili nadopunjuje prirodnu sunčevu svjetlost za poticanje fotosinteze. Svjetleće-diode (LED) postale su preferirani izvor svjetlosti zbog svoje energetske učinkovitosti, dugovječnosti, spektralne prilagodljivosti i niskog toplinskog zračenja. Međutim, učinkovita primjena LED rasvjete u više-slojnim vertikalnim farmama zahtijeva ne samo visoku učinkovitost fotosintetskih fotona, već i iznimnu prostornu ujednačenost distribucije svjetlosti po krošnjama biljaka. Ne-jednoliko osvjetljenje može dovesti do neravnomjernog rasta biljaka, smanjenog ukupnog prinosa i izgubljene energije. Ovaj članak bavi se novim optičkim dizajnom zaLED rast biljakasvjetiljke temeljene na teoriji digitalnog svjetlosnog polja, koja koristi površinsku leću slobodnog-forma za postizanje visoko ujednačene distribucije fotosintetske gustoće toka fotona (PPFD) na ravnini uzgoja pomoću jedne, središnje postavljene cijevi svjetiljke, čime se rješavaju ključni ekonomski i operativni izazovi u vertikalnoj poljoprivredi.
1. Uvod
Vertikalna poljoprivreda predstavlja promjenu paradigme u poljoprivrednoj proizvodnji, uključujući uzgoj usjeva u okomito naslaganim slojevima, često unutar zgrada ili kontroliranih okruženja. Ova metoda maksimalno povećava učinkovitost korištenja zemljišta, smanjuje potrošnju vode, minimizira upotrebu pesticida i omogućuje lokalnu proizvodnju hrane u urbanim područjima. Kamen temeljac ove tehnologije je precizna kontrola okruženja rasta, pri čemu je rasvjeta jedan od presudnih i energetski-najintenzivnijih čimbenika.
LED{0}}rast biljakasvjetiljke nude značajne prednosti u odnosu na tradicionalnu rasvjetu, kao -natrijeve (HPS) žarulje, uključujući spektralnu specifičnost, mogućnost prigušivanja i usmjerenu izlaznu svjetlost. Primarni optički cilj za takve svjetiljke u vertikalnim farmama je isporuka ujednačenog PPFD-a – broja fotosintetski aktivnih fotona koji stižu po jedinici površine u sekundi – preko cijele posude za uzgoj. Postizanje visoke ujednačenosti osigurava dosljedne stope rasta i kvalitetu za sve biljke, smanjujući potrebu za razvrstavanjem i ocjenjivanjem.
Uobičajeno, visoka ujednačenost se postiže postavljanjem više cijevi lampi jedna-pored-jednako iznad jedne ravnine uzgoja. Iako je učinkovit, ovaj pristup s više-lampama ima nekoliko nedostataka: visoki početni kapitalni troškovi zbog velikog broja svjetiljki, značajan gubitak energije zbog izlijevanja svjetlosti izvan ciljnog područja (osobito na rubovima) i povećana složenost i troškovi održavanja. Stoga je uvjerljiva alternativa dizajnirati optički sustav koji omogućuje asinglcijev svjetiljke za proizvodnju jednolike PPFD distribucije preko standardne širine uzgoja (npr. 60 cm). Ovaj pristup obećava zadržavanje svih prednostiLED rasvjetaistovremeno ublažavajući probleme troškova, rasipanja energije i održavanja. Ovaj rad predstavlja dizajn, simulaciju i eksperimentalnu provjeru valjanosti takvog sustava, koristeći leću slobodnog-forma dizajniranu putem metodologije Digital Light Field.
2. Metodologija: Digitalno svjetlosno polje i optički dizajn
2.1 Koncept digitalnog svjetlosnog polja
Tradicionalne fotometrijske veličine poput osvijetljenosti i intenziteta svjetlosti opisuju gustoću svjetlosnog toka na površini ili unutar prostornog kuta. Iako su bitni za procjenu, oni nisu izravno pogodni za inverzni proces dizajna optičkih površina. Teorija digitalnog svjetlosnog polja pruža temeljniji okvir. Uključuje diskretizaciju prostora optičkog polja u mikroelemente. Svaki element karakterizira svjetlosni stožac koji prolazi kroz njega i vektor normale površine. Sveukupno svjetlosno polje opisano je funkcijom digitalnog svjetlosnog polja bez slike (NDLFF). Ova digitalizacija transformira problem optičkog dizajna u problem manipuliranja NDLFF-om na ciljnoj površini upotrebom jedne ili više optičkih površina, kao što su-slobodne leće. Ova metoda, razvijena od strane Xingye Optical Technology, omogućuje preciznu kontrolu nad zračenjem i distribucijom intenziteta, što je čini posebno prikladnom za složene zadatke dizajna rasvjete.
2.2 Optimizacija izvora, izgleda i ciljne distribucije
Proces dizajna počinje definiranjem izvora svjetlosti i cilja. Odabrani izvor je visoko-snažni 3535 paketLEDs kupolastom lećom. Za tipičnu policu za uzgoj, cilj je ravnina koja se nalazi 30 cm ispod svjetiljke, a širina malo prelazi 60 cm. Cijev svjetiljke sastoji se od 25 takvih LED dioda razmaknutih 48 mm u jednom redu, što rezultira ukupnom duljinom od 1,2 m.
Kritični korak je određivanje optimalne PPFD distribucije koja asinglKombinacija LED-leća trebala bi proizvoditi na ciljnoj ravnini. Ako svaka LED dioda stvara jednostavnu, rotacijsko simetričnu uniformnu točku, superpozicija 25 takvih točaka iz linearnog niza rezultirala bi distribucijom "svijetlog središta, tamnih rubova" zbog preklapanja. Stoga, idealna distribucija pojedinačne-LED diode mora to kompenzirati. Umjesto složenih analitičkih rješenja, korišten je pristup numeričke optimizacije korištenjem MATLAB-a.
Jedno-LED PPFD distribucija modelirana je kao normalizirana rotacijsko simetrična funkcija P(r), gdje je r radijalna udaljenost od središta točke. Ciljno područje je diskretizirano, a P(r) je tretirano kao optimizacijska varijabla. Cilj optimizacije bio je smanjiti varijancu ukupne PPFD distribucije koja je rezultat superpozicije 25 LED dioda na njihovim fiksnim pozicijama. Optimizirani rezultat, prikazan na slici 3 izvornog rada, otkriva protu-intuitivnu distribuciju "tamno središte, svijetla periferija" za jednu LED diodu. Ova jedinstvena raspodjela osigurava da kada se višestruke LED točke preklapaju, one međusobno popunjavaju zatamnjena područja, što kulminira vrlo ujednačenom ukupnom raspodjelom na ravnini uzgoja.
2.3 Dizajn-leće slobodnog oblika putem "Metode površine sekundarnog izvora"
Kako bi se postigla gore opisana optimizirana PPFD distribucija, dizajnirana je-leća slobodnog oblika. Konvencionalnim sferičnim lećama nedostaju stupnjevi slobode za tako preciznu kontrolu. U dizajnu je korištena "Metoda površine sekundarnog izvora" tvrtke Xingye Optics, tehnika utemeljena na teoriji digitalnog svjetlosnog polja koja izravno radi s proširenim izvorima (umjesto da ih pojednostavljuje na točkaste izvore), osiguravajući visoku točnost čak i za kompaktne optičke sustave.
Dizajnirana leća ima glatku, ne-rotacijski simetričnu površinu-slobodnog oblika koja precizno preusmjerava svjetlosne zrake. Kao što je ilustrirano na slici 4/5, glavne zrake LED-a se lome pod različitim kutovima, s većom gustoćom zraka usmjerenih prema većim kutovima kako bi se stvorio potrebni svijetli vanjski prsten u jednoj-LED točki. Model leće je zatim uvezen u softver za optičku simulaciju (npr. LightTools) za rigoroznu analizu.
3. Rezultati i analiza
3.1 Simulacija jedne LED-leće
Simulacija-praćenja zraka metodom Monte Carlo izvedena je na dizajniranoj leći uparenoj s LED modelom. Rezultirajuća PPFD distribucija na ciljnoj ravnini (Slika 5) pokazala je izvrsno slaganje s teorijski optimiziranom ciljnom distribucijom iz odjeljka 2.2, potvrđujući valjanost dizajna.
3.2 Puna izvedba cijevi žarulje
Niz od 25 LED-jedinica leća razmaknutih 48 mm modeliran je da simulira cijelu cijev svjetiljke od 1,2 m. Simulirana PPFD distribucija na ravnini uzgoja 30 cm ispod prikazana je na slici 6. Rezultati pokazuju široko, vrlo ujednačeno svjetlosno polje s oštrim rubovima. Širina udobno pokriva ciljanu policu od 60 cm. Najvažnije je da izračunati teoretski omjer iskorištenja energije – definiran kao PPF na polici podijeljen s ukupnim PPF-om koji emitiraju LED diode – prelazi 92%. To ukazuje da se više od 92% fotosintetski aktivnih fotona koje generiraju LED diode isporučuju izravno u krošnje biljaka, drastično smanjujući prolijevanje i gubitak energije u usporedbi s konvencionalnim dizajnom.
3.3 Skalabilnost za proširene postavke
U praktičnim vertikalnim farmama, police za uzgoj često su raspoređene kraj-do-kraja u dugim redovima. Simulirana PPFD distribucija iz jedne lampe pokazuje blago sužene krajeve. Kada su dvije ili više lampi postavljene kraj--kraja, njihove PPFD distribucije se preklapaju i nadopunjuju u tim prijelaznim zonama. Simulacija dviju spojenih svjetiljki (Slika 7) potvrđuje da preklapajuća područja povećavaju ujednačenost, što rezultira besprijekorno ujednačenim svjetlosnim poljem na proširenom uzdužnom području.
3.4 Eksperimentalni prototip i validacija
Prototip svjetiljke proizveden je na temelju dizajna, uključujući oblikovane leće-slobodnog oblika, hladnjak od ekstruzije aluminija i završne kapice. Fotografije prototipa i njegove osvijetljene točke (Slika 8) vizualno potvrđuju simulirani široki i jednolični svjetlosni uzorak.
Eksperimentalna mjerenja dala su jake metrike performansi:
Visoka učinkovitost:Učinkovitost sustava premašila je 92%, s više od 86% fotosintetskih fotona izvora koji padaju na ravninu uzgoja.
Visoka ujednačenost:Omjer minimalnog i prosječnog PPFD-a na ciljnoj ravnini bio je veći od 82%, što ukazuje na izvrsnu prostornu ujednačenost kritičnu za konzistentan rast biljke.
4. Rasprava i zaključak
Dizajn i implementacija ove visoke-učinkovitosti, visoke-ujednačenostiLED rast biljakalampa rješava nekoliko ključnih bolnih točaka u vertikalnom uzgoju:
Smanjenje troškova:Omogućujući jednoliku pokrivenost s jednom središnjom cijevi svjetiljke po polici, dizajn značajno smanjuje broj potrebnih uređaja po sloju za uzgoj, smanjujući početne kapitalne izdatke (CapEx) i tekuće troškove održavanja.
Ušteda energije: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% iskorištenja energije, izravno se prevodi u manju potrošnju električne energije i operativne troškove (OpEx).
Poboljšana kvaliteta usjeva:Visoka ujednačenost PPFD osigurava da sve biljke dobiju jednake razine svjetla, promičući dosljedan rast, sazrijevanje i kvalitetu. To smanjuje varijabilnost prinosa i kasniju potrebu za-intenzivnim sortiranjem.
Operativna jednostavnost:Jednu, centralno smještenu svjetiljku lakše je instalirati, čistiti i servisirati u usporedbi s višestrukim svjetiljkama, što pojednostavljuje upravljanje farmom.
Ovaj rad demonstrira snažnu primjenu naprednih načela optičkog dizajna, posebno teorije digitalnog svjetlosnog polja i proizvodnje slobodnih-površina, na agritech izazove. "Metoda površine sekundarnog izvora" pokazala se učinkovitom u dizajniranju kompaktnog objektiva visokih-učinkovitosti prilagođenog za produženiLED izvor. Rezultirajući sustav svjetiljki za rast biljaka uspješno transformira svjetlosni izlaz iz linearnog LED niza u široku distribuciju-nalik krilu šišmiša koja se superponira u vrlo ujednačeno polje.
Zaključno, integracija digitalnog optičkog dizajna s LED tehnologijom otvara put sljedećoj generaciji precizne poljoprivredne rasvjete. Ovdje predstavljeni dizajn svjetiljke nudi uvjerljivo rješenje za vertikalne farme, kombinirajući visoku učinkovitost isporuke fotona, superiornu prostornu uniformnost i ekonomske prednosti. Budući rad mogao bi istražiti prilagodbu ove metodologije za različite dimenzije polica, optimiziranje spektra za specifične usjeve i daljnju integraciju pametnih kontrola za recepte dinamičke rasvjete, čime bi se u konačnici doprinijelo održivijim i produktivnijim urbanim poljoprivrednim sustavima.
Reference
[1] Liu Wenke.Fiziologija kvalitete biljnog svjetla i njegova regulacija u tvornicama biljaka[M]. Peking: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] Cheng Ying.Istraživanje metode projektiranja i primjene optičkih slobodnih površina[D]. Tianjin: Sveučilište Tianjin, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, et al. Projektiranje optičkih sustava za prikaz površine slobodnog oblika: Teorija, razvoj i primjena [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Istraživanje tro{0}}metode optičkog dizajna tro{0}}ne-slike za LED izvore[D]. Hangzhou: China Jiliang University, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Energetski-štedna zidna-svjetiljka za rast biljaka dizajnirana na temelju ne-teorije digitalnog svjetlosnog polja [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Razvojno iskustvo i prosvjetljenje inozemne vertikalne poljoprivrede [J].Ruralno gospodarstvo i znanost-tehnologija, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-svjetla-for-houseplants.html
