Design af LED-plantevækstlamper med høj-effektivitet og høj-ensartethed til vertikalt landbrug
Abstrakt
Med den hurtige vækst i den globale befolkning og stigende urbanisering er fødevaresikkerhed blevet en presserende verdensomspændende udfordring. Innovative landbrugsmetoder er tvingende nødvendige for at øge afgrødeudbyttet og ernæringskvaliteten inden for begrænset plads og ressourcer. Blandt disse er Controlled Environment Agriculture (CEA), især vertikalt landbrug, dukket op som en lovende løsning. En kritisk komponent i vertikale landbrugssystemer er kunstig belysning, som erstatter eller supplerer naturligt sollys for at drive fotosyntesen. Lys-emitterende dioder (LED'er) er blevet den foretrukne lyskilde på grund af deres energieffektivitet, levetid, spektral afstemning og lave termiske stråling. Den effektive udbredelse af LED-belysning i flerlags vertikale gårde kræver imidlertid ikke kun høj fotosyntetisk fotoneffektivitet, men også en exceptionel rumlig ensartethed af lysfordelingen over plantekronen. Ikke-ensartet belysning kan føre til ujævn plantevækst, reduceret samlet udbytte og spild af energi. Denne artikel dykker ned i et nyt optisk design tilLED plantevækstlamper baseret på Digital Light Field-teori, som bruger en brugerdefineret fri-overfladelinse til at opnå en meget ensartet fotosyntetisk fotonfluxtæthed (PPFD) fordeling på dyrkningsplanet ved hjælp af et enkelt, centralt monteret lamperør, og derved løse vigtige økonomiske og operationelle udfordringer i vertikalt landbrug.
1. Introduktion
Lodret landbrug repræsenterer et paradigmeskifte i landbrugsproduktionen, der involverer dyrkning af afgrøder i vertikalt stablede lag, ofte inden for bygninger eller kontrollerede miljøer. Denne metode maksimerer arealanvendelsens effektivitet, reducerer vandforbruget, minimerer brugen af pesticider og muliggør lokal fødevareproduktion i byområder. En hjørnesten i denne teknologi er den præcise kontrol af vækstmiljøet, hvor belysning er en af de mest afgørende og-energiintensive faktorer.
LED-baseret plantevækstlamper giver betydelige fordele i forhold til traditionel belysning, såsom højtryksnatrium-(HPS)-lamper, herunder spektral specificitet, dæmpbarhed og retningsbestemt lysudbytte. Det primære optiske mål for sådanne lamper i vertikale gårde er at levere en ensartet PPFD - antallet af fotosyntetisk aktive fotoner, der ankommer pr. arealenhed pr. sekund - på tværs af hele dyrkningsbakken. At opnå høj ensartethed sikrer ensartede væksthastigheder og kvalitet for alle planter, hvilket minimerer behovet for sortering og sortering.
Konventionelt tilstræbes høj ensartethed ved at placere flere lamperør side-om-side over et enkelt dyrkningsplan. Selvom den er effektiv, har denne multi-lampetilgang adskillige ulemper: høje startkapitalomkostninger på grund af det store antal armaturer, betydeligt energispild fra lysspild ud over målområdet (især ved kanterne) og øget vedligeholdelseskompleksitet og -omkostninger. Derfor er et overbevisende alternativ at designe et optisk system, der tillader enenkeltlamperør for at producere en ensartet PPFD-fordeling over en standarddyrkningsbredde (f.eks. 60 cm). Denne tilgang lover at bevare alle fordelene vedLED belysningsamtidig med at problemerne med omkostninger, energispild og vedligeholdelse afbødes. Dette papir præsenterer design, simulering og eksperimentel validering af et sådant system, der anvender en fri-form linse designet via Digital Light Field-metodologi.
2. Metode: Digitalt lysfelt og optisk design
2.1 Begrebet digitalt lysfelt
Traditionelle fotometriske størrelser som belysningsstyrke og lysintensitet beskriver tætheden af lysstrøm på en overflade eller inden for en fast vinkel. Selvom de er afgørende for evaluering, er de ikke direkte befordrende for den omvendte designproces af optiske overflader. Den digitale lysfeltteori giver en mere grundlæggende ramme. Det involverer diskretisering af det optiske feltrum til mikroelementer. Hvert element er karakteriseret ved en lyskegle, der passerer gennem det, og dets overfladenormalvektor. Det overordnede lysfelt er beskrevet af en ikke-billeddannende digital lysfeltfunktion (NDLFF). Denne digitalisering transformerer det optiske designproblem til et problem med at manipulere NDLFF på en måloverflade ved brug af en eller flere optiske overflader, såsom frie-linser. Denne metode, der er udviklet af Xingye Optical Technology, muliggør præcis kontrol over irradians og intensitetsfordeling, hvilket gør den særligt velegnet til komplekse lysdesignopgaver.
2.2 Kilde-, layout- og måldistributionsoptimering
Designprocessen begynder med at definere lyskilden og målet. Den valgte kilde er en høj-3535-pakkeLEDmed en kuppel linse. For en typisk dyrkningshylde er målet et plan placeret 30 cm under lampen, med en bredde på lidt over 60 cm. Lamperøret består af 25 sådanne LED'er med en afstand på 48 mm fra hinanden i en enkelt række, hvilket resulterer i en samlet længde på 1,2 m.
Et kritisk trin er at bestemme den optimale PPFD-fordeling, som aenkeltLED-linsekombination bør producere på målplanet. Hvis hver LED skaber en enkel, rotationssymmetrisk ensartet plet, ville superpositionen af 25 sådanne pletter fra det lineære array resultere i en "lys centrum, mørke kanter"-fordeling på grund af overlapning. Derfor skal den ideelle enkelt-LED-distribution kompensere for dette. I stedet for komplekse analytiske løsninger blev der anvendt en numerisk optimeringstilgang ved hjælp af MATLAB.
Den enkelte -LED PPFD-fordeling blev modelleret som en normaliseret rotationssymmetrisk funktion P(r), hvor r er den radiale afstand fra spotcentret. Målområdet blev diskretiseret, og P(r) blev behandlet som en optimeringsvariabel. Optimeringsmålet var at minimere variansen af den samlede PPFD-fordeling som følge af superpositionen af 25 LED'er på deres faste positioner. Det optimerede resultat, vist i figur 3 i det originale papir, afslører en mod-intuitiv "mørkt centrum, lys periferi"-fordeling for den enkelte LED. Denne unikke fordeling sikrer, at når flere LED-spots overlapper hinanden, udfylder de hinandens svagere områder, hvilket kulminerer i en meget ensartet samlet fordeling på dyrkningsplanet.
2.3 Free-Form Lens Design via "Secondary Source Surface Method"
For at opnå den optimerede PPFD-fordeling, der er beskrevet ovenfor, blev der designet en fri-form linse. Konventionelle sfæriske linser mangler frihedsgrader til en sådan præcis kontrol. Designet brugte Xingye Optics' "Secondary Source Surface Method", en teknik baseret på Digital Light Field-teorien, der direkte arbejder med udvidede kilder (i stedet for at forenkle dem til punktkilder), hvilket sikrer høj nøjagtighed selv for kompakte optiske systemer.
Den designede linse har en glat, ikke-rotationssymmetrisk fri-overflade, der omhyggeligt omdirigerer lysstråler. Som illustreret i figur 4/5 brydes hovedstrålerne fra LED'en i forskellige vinkler, med en højere tæthed af stråler rettet mod større vinkler for at skabe den påkrævede lyse ydre ring i det enkelte -LED-punkt. Linsemodellen blev derefter importeret til optisk simuleringssoftware (f.eks. LightTools) til grundig analyse.
3. Resultater og analyse
3.1 Enkelt LED-Linsesimulering
Stråle-sporingssimulering ved hjælp af Monte Carlo-metoden blev udført på den designede linse parret med LED-modellen. Den resulterende PPFD-fordeling på målplanet (figur 5) viste fremragende overensstemmelse med den teoretisk optimerede målfordeling fra afsnit 2.2, hvilket bekræfter designets gyldighed.
3.2 Fuld lamperørs ydeevne
Et array af 25 LED-linseenheder med en afstand på 48 mm fra hinanden blev modelleret for at simulere hele 1,2 m lamperøret. Den simulerede PPFD-fordeling på dyrkningsplanet 30 cm nedenfor er vist i figur 6. Resultaterne viser et bredt, meget ensartet lysfelt med en skarp afskæring i kanterne. Bredden dækker komfortabelt målhylden på 60 cm. Det er afgørende, at det beregnede teoretiske energiudnyttelsesforhold - defineret som PPF på hylden divideret med den samlede PPF udsendt af LED'erne - overstiger 92%. Dette indikerer, at over 92% af de fotosyntetisk aktive fotoner, der genereres af LED'erne, leveres direkte til plantens baldakin, hvilket drastisk reducerer spild og energispild sammenlignet med konventionelle designs.
3.3 Skalerbarhed for udvidede opsætninger
I praktiske lodrette gårde er dyrkningshylderne ofte arrangeret i lange rækker-til-. Den simulerede PPFD-fordeling fra en enkelt lampe viser let tilspidsede ender. Når to eller flere lamper placeres ende-mod-ende, overlapper deres PPFD-fordelinger og komplementerer hinanden i disse overgangszoner. Simulering af to forbundne lamper (figur 7) bekræfter, at de overlappende områder øger ensartetheden, hvilket resulterer i et sømløst ensartet lysfelt over et udvidet langsgående område.
3.4 Eksperimentel prototype og validering
En prototypelampe blev fremstillet baseret på designet, inklusive støbte frie-linser, en ekstruderingskøleplade af aluminium og endestykker. Fotografier af prototypen og dens oplyste plet (Figur 8) bekræfter visuelt det simulerede brede og ensartede lysmønster.
Eksperimentelle målinger gav stærke præstationsmålinger:
Høj effektivitet:Systemeffektiviteten oversteg 92 %, med over 86 % af kildens fotosyntetiske fotoner indfaldende på dyrkningsplanet.
Høj ensartethed:Forholdet mellem minimum og gennemsnitlig PPFD på målplanet var større end 82%, hvilket indikerer fremragende rumlig ensartethed, der er afgørende for ensartet plantevækst.
4. Diskussion og konklusion
Designet og implementeringen af denne høje-effektive, høje-ensartethedLED plantevækstlampen adresserer flere vigtige smertepunkter i vertikalt landbrug:
Omkostningsreduktion:Ved at muliggøre ensartet dækning med et enkelt centralt lamperør pr. hylde, reducerer designet markant antallet af krævede armaturer pr. dyrkningslag, hvilket sænker startkapitaludgifter (CapEx) og løbende vedligeholdelsesomkostninger.
Energibesparelser: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92 % energiudnyttelse, oversættes direkte til lavere elforbrug og driftsomkostninger (OpEx).
Forbedret afgrødekvalitet:Høj PPFD-ensartethed sikrer, at alle planter modtager tilsvarende lysniveauer, hvilket fremmer ensartet vækst, modning og kvalitet. Dette reducerer udbyttevariabiliteten og det efterfølgende behov for arbejdsintensiv-sortering.
Operationel enkelhed:En enkelt, centralt placeret lampe er nemmere at installere, rengøre og servicere sammenlignet med flere armaturer, hvilket forenkler bedriftsstyringen.
Dette arbejde demonstrerer den kraftfulde anvendelse af avancerede optiske designprincipper, specifikt Digital Light Field-teorien og fri-overfladefremstilling til agritech-udfordringer. Den "sekundære kildeoverflademetode" viste sig at være effektiv til at designe et kompakt, høj-objektiv, der er skræddersyet til en længereLED kilde. Det resulterende plantevækstlampesystem transformerer med succes lysoutputtet fra en lineær LED-array til en bred, flagermus-lignende fordeling, der overlejres til et meget ensartet felt.
Som konklusion baner integrationen af digitalt optisk design med LED-teknologi vejen for den næste generation af præcisionslandbrugsbelysning. Lampedesignet præsenteret heri tilbyder en overbevisende løsning til vertikale farme, der kombinerer høj fotonleveringseffektivitet, overlegen rumlig ensartethed og økonomiske fordele. Fremtidigt arbejde kan udforske tilpasning af denne metodologi til forskellige hyldedimensioner, optimering af spektre for specifikke afgrøder og yderligere integration af smarte kontroller til dynamiske belysningsopskrifter, hvilket i sidste ende bidrager til mere bæredygtige og produktive bylandbrugssystemer.
Referencer
[1] Liu Wenke.Plantelyskvalitetsfysiologi og dens regulering i plantefabrikker[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] Cheng Ying.Forskning i designmetode og anvendelse af optisk friformsoverflade[D]. Tianjin: Tianjin Universitet, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, et al. Design af friformede overfladebilleddannelsessystemer: Teori, udvikling og anvendelse [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Forskning i tre-ikke-billeddannende optisk designmetode til LED-kilder[D]. Hangzhou: China Jiliang University, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. En energi-besparende væg-monteret plantevækstlampe designet baseret på ikke-billeddannende digital lysfeltteori [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Udviklingserfaring og oplysning af udenlandsk vertikalt landbrug [J].Landdistrikternes økonomi og videnskab-teknologi, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-rør-pære/grow-lys-til-stueplanter.html
