Design av LED-plantevekstlamper med høy-effektivitet og høy-enhet for vertikalt jordbruk
Abstrakt
Med den raske veksten av den globale befolkningen og økende urbanisering, har matsikkerhet blitt en presserende verdensomspennende utfordring. Innovative landbruksmetoder er påtrengende for å øke avlingen og ernæringskvaliteten innenfor begrenset plass og ressurser. Blant disse har Controlled Environment Agriculture (CEA), spesielt vertikalt jordbruk, dukket opp som en lovende løsning. En kritisk komponent i vertikale jordbrukssystemer er kunstig belysning, som erstatter eller supplerer naturlig sollys for å drive fotosyntese. Lys-Emitterende dioder (LED) har blitt den foretrukne lyskilden på grunn av deres energieffektivitet, levetid, spektral avstemming og lave termiske stråling. Den effektive utplasseringen av LED-belysning i flerlags vertikale gårder krever imidlertid ikke bare høy fotosyntetisk fotoneffektivitet, men også eksepsjonell romlig ensartethet i lysfordelingen over plantekronen. Ikke-jevn belysning kan føre til ujevn plantevekst, redusert totalavling og bortkastet energi. Denne artikkelen fordyper seg i en ny optisk design forLED plantevekstlamper basert på Digital Light Field-teori, som bruker en tilpasset fri-overflatelinse for å oppnå svært jevn fotosyntetisk fotonflukstetthet (PPFD) distribusjon på dyrkingsplanet ved å bruke et enkelt sentralt montert lamperør, og dermed løse viktige økonomiske og operasjonelle utfordringer i vertikalt jordbruk.
1. Introduksjon
Vertikal jordbruk representerer et paradigmeskifte i landbruksproduksjonen, som involverer dyrking av avlinger i vertikalt stablede lag, ofte i bygninger eller kontrollerte miljøer. Denne metoden maksimerer arealeffektiviteten, reduserer vannforbruket, minimerer bruk av plantevernmidler og muliggjør lokal matproduksjon i urbane områder. En hjørnestein i denne teknologien er den nøyaktige kontrollen av vekstmiljøet, med belysning som en av de mest avgjørende og-energiintensive faktorene.
LED-basert plantevekstlamper gir betydelige fordeler i forhold til tradisjonell belysning, for eksempel høytrykksnatriumlamper (HPS), inkludert spektral spesifisitet, dimbarhet og retningsbestemt lyseffekt. Det primære optiske målet for slike lamper i vertikale gårder er å levere en enhetlig PPFD – antall fotosyntetisk aktive fotoner som ankommer per arealenhet per sekund – over hele dyrkingsbrettet. Å oppnå høy ensartethet sikrer konsistente veksthastigheter og kvalitet for alle planter, og minimerer behovet for sortering og sortering.
Konvensjonelt etterstrebes høy ensartethet ved å sette ut flere lamperør side-ved-side over et enkelt dyrkingsplan. Selv om den er effektiv, har denne multi-lampetilnærmingen flere ulemper: høye startkapitalkostnader på grunn av det store antallet armaturer, betydelig energisvinn fra lyssøl utenfor målområdet (spesielt ved kantene), og økt vedlikeholdskompleksitet og -kostnad. Derfor er et overbevisende alternativ å designe et optisk system som tillater enenkeltlamperør for å produsere en jevn PPFD-fordeling over en standard dyrkingsbredde (f.eks. 60 cm). Denne tilnærmingen lover å beholde alle fordelene vedLED-belysningmens de reduserer problemene med kostnader, energisløsing og vedlikehold. Denne artikkelen presenterer design, simulering og eksperimentell validering av et slikt system, ved å bruke en fri-linse designet via Digital Light Field-metodikk.
2. Metodikk: Digitalt lysfelt og optisk design
2.1 Konseptet med digitalt lysfelt
Tradisjonelle fotometriske størrelser som belysningsstyrke og lysintensitet beskriver tettheten til lysstrømmen på en overflate eller innenfor en hel vinkel. Selv om de er avgjørende for evaluering, bidrar de ikke direkte til den omvendte designprosessen til optiske overflater. Den digitale lysfeltteorien gir et mer grunnleggende rammeverk. Det innebærer å diskretisere det optiske feltrommet til mikroelementer. Hvert element er preget av en lyskjegle som passerer gjennom det og dens overflatenormalvektor. Det totale lysfeltet er beskrevet av en ikke-avbildende digital lysfeltfunksjon (NDLFF). Denne digitaliseringen forvandler det optiske designproblemet til et problem med å manipulere NDLFF på en måloverflate ved bruk av en eller flere optiske overflater, for eksempel frie-linser. Denne metoden, utviklet av Xingye Optical Technology, muliggjør presis kontroll over irradians og intensitetsfordeling, noe som gjør den spesielt egnet for komplekse lysdesignoppgaver.
2.2 Kilde-, layout- og måldistribusjonsoptimalisering
Designprosessen begynner med å definere lyskilden og målet. Den valgte kilden er en høy-3535-pakkeLEDmed kuppellinse. For en typisk dyrkingshylle er målet et plan plassert 30 cm under lampen, med en bredde på litt over 60 cm. Lamperøret består av 25 slike lysdioder med en avstand på 48 mm i en enkelt rad, noe som resulterer i en total lengde på 1,2 m.
Et kritisk trinn er å bestemme den optimale PPFD-fordelingen som aenkeltLED-linsekombinasjon skal produsere på målplanet. Hvis hver LED skaper et enkelt, rotasjonssymmetrisk ensartet punkt, vil superposisjonen av 25 slike flekker fra den lineære matrisen resultere i en "lys senter, mørke kanter"-fordeling på grunn av overlapping. Derfor må den ideelle enkelt-LED-distribusjonen kompensere for dette. I stedet for komplekse analytiske løsninger ble en numerisk optimaliseringstilnærming brukt ved bruk av MATLAB.
Enkelt-LED PPFD-fordelingen ble modellert som en normalisert rotasjonssymmetrisk funksjon P(r), der r er den radielle avstanden fra punktsenteret. Målområdet ble diskretisert, og P(r) ble behandlet som en optimaliseringsvariabel. Optimaliseringsmålet var å minimere variansen av den totale PPFD-fordelingen som følge av superposisjonen av 25 lysdioder på deres faste posisjoner. Det optimaliserte resultatet, vist i figur 3 i det originale papiret, avslører en mot-intuitiv "mørkt sentrum, lys periferi"-fordeling for den enkle LED-en. Denne unike fordelingen sikrer at når flere LED-spots overlapper hverandre, fyller de ut hverandres dimmere områder, og kulminerer i en svært jevn totalfordeling på dyrkingsplanet.
2.3 Free-Form Lens Design via "Sekundær kildeoverflatemetoden"
For å oppnå den optimaliserte PPFD-distribusjonen som er beskrevet ovenfor, ble en fri-linse utviklet. Konvensjonelle sfæriske linser mangler frihetsgrader for så nøyaktig kontroll. Designet benyttet Xingye Optics' "Secondary Source Surface Method", en teknikk basert på Digital Light Field-teorien som fungerer direkte med utvidede kilder (i stedet for å forenkle dem til punktkilder), og sikrer høy nøyaktighet selv for kompakte optiske systemer.
Den utformede linsen har en glatt, ikke-rotasjonssymmetrisk fri-overflate som omdirigerer lysstråler omhyggelig. Som illustrert i figur 4/5, brytes hovedstrålene fra LED-en i varierende vinkler, med en høyere tetthet av stråler rettet mot større vinkler for å skape den nødvendige lyse ytre ringen i det enkelt -LED-punktet. Linsemodellen ble deretter importert til optisk simuleringsprogramvare (f.eks. LightTools) for grundig analyse.
3. Resultater og analyse
3.1 Enkel LED-Lens Simulering
Strålesimulering- ved hjelp av Monte Carlo-metoden ble utført på den utformede linsen sammen med LED-modellen. Den resulterende PPFD-fordelingen på målplanet (Figur 5) viste utmerket samsvar med den teoretisk optimaliserte målfordelingen fra seksjon 2.2, og bekreftet designets gyldighet.
3.2 Full lamperørytelse
En rekke med 25 LED-linseenheter med en avstand på 48 mm fra hverandre ble modellert for å simulere hele 1,2 m lamperøret. Den simulerte PPFD-fordelingen på dyrkingsplanet 30 cm nedenfor er vist i figur 6. Resultatene viser et bredt, svært jevnt lysfelt med skarp avskjæring i kantene. Bredden dekker komfortabelt målhyllen på 60 cm. Det er avgjørende at det beregnede teoretiske energiutnyttelsesforholdet – definert som PPF på sokkelen delt på den totale PPF som sendes ut av LED-ene – overstiger 92 %. Dette indikerer at over 92 % av de fotosyntetisk aktive fotonene som genereres av lysdiodene, leveres direkte til plantens baldakin, noe som drastisk reduserer søl og energiavfall sammenlignet med konvensjonelle design.
3.3 Skalerbarhet for utvidede oppsett
I praktiske vertikale gårder er dyrkingshyller ofte ordnet fra ende-til-ende i lange rader. Den simulerte PPFD-fordelingen fra en enkelt lampe viser svakt avsmalnende ender. Når to eller flere lamper plasseres ende-til-, overlapper PPFD-fordelingene deres og utfyller hverandre i disse overgangssonene. Simulering av to sammenkoblede lamper (Figur 7) bekrefter at de overlappende områdene øker jevnheten, noe som resulterer i et sømløst ensartet lysfelt over et utvidet langsgående område.
3.4 Eksperimentell prototype og validering
En prototypelampe ble laget basert på designet, inkludert støpte fri-linser, en kjøleribbe i aluminium og endestykker. Fotografier av prototypen og dens opplyste punkt (Figur 8) bekrefter visuelt det simulerte brede og ensartede lysmønsteret.
Eksperimentelle målinger ga sterke resultatmålinger:
Høy effektivitet:Systemeffektiviteten overskred 92 %, med over 86 % av kildens fotosyntetiske fotoner som hendte på dyrkingsplanet.
Høy enhetlighet:Forholdet mellom minimum og gjennomsnittlig PPFD på målplanet var større enn 82 %, noe som indikerer utmerket romlig enhetlighet som er kritisk for konsistent plantevekst.
4. Diskusjon og konklusjon
Utformingen og implementeringen av denne høye-effektiviteten og høye-enhetenLED plantevekstlampe adresserer flere viktige smertepunkter i vertikalt jordbruk:
Kostnadsreduksjon:Ved å muliggjøre ensartet dekning med et enkelt sentralt lamperør per hylle, reduserer designet betydelig antall armaturer som kreves per dyrkingslag, noe som reduserer innledende kapitalutgifter (CapEx) og løpende vedlikeholdskostnader.
Energisparing: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92 % energiutnyttelse, betyr direkte lavere strømforbruk og driftskostnader (OpEx).
Forbedret beskjæringskvalitet:Høy PPFD-ensartethet sikrer at alle planter får tilsvarende lysnivåer, noe som fremmer jevn vekst, modning og kvalitet. Dette reduserer avlingsvariasjonen og det påfølgende behovet for arbeidsintensiv-sortering.
Operasjonell enkelhet:En enkelt, sentralt plassert lampe er enklere å installere, rengjøre og vedlikeholde sammenlignet med flere armaturer, noe som forenkler gårdsdriften.
Dette arbeidet demonstrerer den kraftige anvendelsen av avanserte optiske designprinsipper, spesielt Digital Light Field-teorien og fri-overflateproduksjon, på agritech-utfordringer. Den "sekundære kildeoverflatemetoden" viste seg å være effektiv når det gjaldt å designe et kompakt,-høyytelsesobjektiv skreddersydd for en lengreLED-kilde. Det resulterende plantevekstlampesystemet forvandler lyseffekten fra en lineær LED-array til en bred, flaggermus-lignende fordeling som overlapper til et svært jevnt felt.
Avslutningsvis baner integreringen av digital optisk design med LED-teknologi vei for neste generasjon presisjon landbruksbelysning. Lampedesignet som presenteres her tilbyr en overbevisende løsning for vertikale gårder, som kombinerer høy fotonleveringseffektivitet, overlegen romlig ensartethet og økonomiske fordeler. Fremtidig arbeid kan utforske å tilpasse denne metodikken for forskjellige hylledimensjoner, optimalisere spektra for spesifikke avlinger, og videre integrere smarte kontroller for dynamiske belysningsoppskrifter, og til slutt bidra til mer bærekraftige og produktive urbane landbrukssystemer.
Referanser
[1] Liu Wenke.Plantelyskvalitetsfysiologi og dens regulering i plantefabrikker[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] Cheng Ying.Forskning på designmetode og anvendelse av optisk friformoverflate[D]. Tianjin: Tianjin University, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, et al. Design av optiske systemer for overflateavbildning med fri form: teori, utvikling og anvendelse [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Forskning på tre-ikke-bildebasert optisk designmetode for LED-kilder[D]. Hangzhou: China Jiliang University, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. En energisparende-vegg-montert plantevekstlampe designet basert på ikke-avbildende digital lysfeltteori [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Utviklingserfaring og opplysning av utenlandsk vertikalt jordbruk [J].Rural Economy and Science-Teknologi, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-pære/grow-lights-for-houseplants.html
