עיצוב של מנורות LED לצמיחת צמחים-גבוהה-ואחידות- גבוהה לחקלאות אנכית
תַקצִיר
עם הצמיחה המהירה של האוכלוסייה העולמית והעיור הגובר, ביטחון תזונתי הפך לאתגר עולמי דחוף. שיטות חקלאיות חדשניות נדרשות בדחיפות לשיפור תפוקת היבול ואיכות תזונתית בשטח ובמשאבים מוגבלים. בין אלה, חקלאות בסביבה מבוקרת (CEA), במיוחד חקלאות אנכית, התגלתה כפתרון מבטיח. מרכיב קריטי במערכות חקלאות אנכיות הוא תאורה מלאכותית, המחליפה או משלימה את אור השמש הטבעי כדי להניע את הפוטוסינתזה. -דיודות פולטות אור (LED) הפכו למקור האור המועדף בשל יעילותן האנרגטית, אורך החיים, יכולת הכוונון הספקטרלית והקרינה התרמית הנמוכה שלהן. עם זאת, הפריסה האפקטיבית של תאורת LED בחוות אנכיות מרובי-שכבות דורשת לא רק יעילות פוטוסינתזה גבוהה אלא גם אחידות מרחבית יוצאת דופן של פיזור האור על פני חופת הצמח. תאורה לא- אחידה עלולה להוביל לצמיחת צמחים לא אחידה, ירידה בתפוקה הכוללת ובזבוז אנרגיה. מאמר זה מתעמק בעיצוב אופטי חדש עבורגידול צמחי LEDמנורות המבוססות על תיאוריית שדה האור הדיגיטלי, המשתמשת בעדשת פני השטח-מותאמת אישית כדי להשיג חלוקה אחידה ביותר של צפיפות שטף פוטון (PPFD) במישור הטיפוח באמצעות צינור מנורה יחיד, מותקן מרכזי, ובכך להתמודד עם אתגרים כלכליים ותפעוליים מרכזיים בחקלאות אנכית.
1. הקדמה
חקלאות אנכית מייצגת שינוי פרדיגמה בייצור החקלאי, הכולל גידול של יבולים בשכבות מוערמות אנכית, לעתים קרובות בתוך מבנים או סביבות מבוקרות. שיטה זו ממקסמת את יעילות השימוש בקרקע, מפחיתה את צריכת המים, מפחיתה את השימוש בחומרי הדברה ומאפשרת ייצור מזון מקומי באזורים עירוניים. אבן יסוד של טכנולוגיה זו היא השליטה המדויקת של סביבת הגידול, כאשר תאורה היא אחד הגורמים החשובים ביותר ועתירי האנרגיה-הכי.
גידול צמחי מבוסס- LEDמנורות מציעות יתרונות משמעותיים על פני תאורה מסורתית, כגון מנורות -נתרן בלחץ גבוה (HPS), כולל ספציפיות ספקטרלית, יכולת עמעום ותפוקת אור כיוונית. המטרה האופטית העיקרית של מנורות כאלה בחוות אנכיות היא לספק PPFD אחיד - מספר הפוטונים הפעילים מבחינה פוטוסינתטית המגיעים ליחידת שטח לשנייה - על פני כל מגש הטיפוח. השגת אחידות גבוהה מבטיחה קצבי צמיחה ואיכות עקביים לכל הצמחים, ומצמצמת את הצורך במיון ובדירוג.
באופן קונבנציונלי, אחידות גבוהה נחוצה על ידי פריסת צינורות מנורה מרובים זה- לצד- זה מעל מישור טיפוח יחיד. אמנם יעילה, אך לגישה המרובה -מנורות זו יש כמה חסרונות: עלות הון ראשונית גבוהה עקב המספר הגדול של גופים, בזבוז אנרגיה משמעותי משפיכת אור מעבר לאזור היעד (במיוחד בקצוות), ומורכבות ועלות תחזוקה מוגברת. לכן, חלופה משכנעת היא לתכנן מערכת אופטית המאפשרת אאֶחָדצינור מנורה לייצור פיזור PPFD אחיד על פני רוחב טיפוח סטנדרטי (למשל, 60 ס"מ). גישה זו מבטיחה לשמור על כל היתרונות שלתאורת לדתוך הפחתת הבעיות של עלות, בזבוז אנרגיה ותחזוקה. מאמר זה מציג את התכנון, הסימולציה והאימות הניסיוני של מערכת כזו, תוך שימוש בעדשה-חופשית שתוכננה באמצעות מתודולוגיית שדה האור הדיגיטלי.
2. מתודולוגיה: שדה אור דיגיטלי ועיצוב אופטי
2.1 הרעיון של שדה אור דיגיטלי
כמויות פוטומטריות מסורתיות כמו עוצמת הארה ועוצמת האור מתארות את הצפיפות של שטף האור על משטח או בתוך זווית מוצקה. למרות שהם חיוניים להערכה, הם אינם תורמים ישירות לתהליך העיצוב ההפוך של משטחים אופטיים. תיאוריית שדות האור הדיגיטליים מספקת מסגרת יסודית יותר. זה כרוך בדיסקרטציה של מרחב השדה האופטי למיקרו-אלמנטים. כל אלמנט מאופיין בקונוס אור העובר דרכו ובוקטור נורמלי של פני השטח שלו. שדה האור הכולל מתואר על ידי פונקציית שדה אור דיגיטלי ללא-הדמיה (NDLFF). הדיגיטליזציה הזו הופכת את בעיית העיצוב האופטי לבעיית מניפולציה של ה-NDLFF על משטח מטרה באמצעות שימוש במשטח אופטי אחד או יותר, כגון עדשות- חופשיות. שיטה זו, שפותחה על ידי Xingye Optical Technology, מאפשרת שליטה מדויקת על חלוקת הקרינה והעוצמה, מה שהופך אותה למתאימה במיוחד למשימות עיצוב תאורה מורכבות.
2.2 אופטימיזציה של מקור, פריסה ויעד הפצה
תהליך העיצוב מתחיל בהגדרת מקור האור והמטרה. המקור הנבחר הוא 3535 בעוצמה גבוהה-LEDעם עדשת כיפה. עבור מדף טיפוח טיפוסי, המטרה היא מישור הממוקם 30 ס"מ מתחת למנורה, ברוחב העולה במעט על 60 ס"מ. צינור המנורה כולל 25 נוריות LED כאלה המרוחקות 48 מ"מ זו מזו בשורה אחת, וכתוצאה מכך אורך כולל של 1.2 מ'.
שלב קריטי הוא קביעת התפלגות ה-PPFD האופטימלית שאאֶחָדשילוב עדשות LED- אמור להפיק במישור היעד. אם כל LED יוצר נקודה אחידה פשוטה, סימטרית סיבובית, הסופרפוזיציה של 25 נקודות כאלה מהמערך הליניארי תגרום לפיזור "מרכז בהיר, קצוות כהים" עקב חפיפה. לכן, הפצת LED-יחידה האידיאלית חייבת לפצות על כך. במקום פתרונות אנליטיים מורכבים, הופעלה גישת אופטימיזציה מספרית באמצעות MATLAB.
התפלגות -LED PPFD יחידה עוצבה כפונקציה סימטרית מנורמלת P(r), כאשר r הוא המרחק הרדיאלי ממרכז הנקודה. אזור היעד עבר דיסקרטיות, ו-P(r) טופל כמשתנה אופטימיזציה. מטרת האופטימיזציה הייתה למזער את השונות של התפלגות ה-PPFD הכוללת הנובעת מהסופרפוזיציה של 25 נוריות LED במיקומים הקבועים שלהן. התוצאה המאופטימלית, המוצגת באיור 3 של הנייר המקורי, חושפת הפצה-אינטואיטיבית של "מרכז כהה, פריפריה בהירה" עבור נורית ה-LED הבודדת. חלוקה ייחודית זו מבטיחה שכאשר מספר ספוטים של LED חופפים, הם ממלאים את האזורים העמומים אחד של השני, ומגיעים לשיא בחלוקה כללית אחידה ביותר במישור הטיפוח.
2.3 עיצוב עדשות-חופשיות באמצעות "שיטת משטח המקור המשני"
כדי להשיג את הפצת ה-PPFD האופטימלית שתוארה לעיל, תוכננה עדשה-חופשית. עדשות כדוריות קונבנציונליות חסרות את דרגות החופש לשליטה כה מדויקת. התכנון השתמש ב"שיטת משטח המקור המשני" של Xingye Optics, טכניקה המבוססת על תיאוריית שדה האור הדיגיטלי הפועלת ישירות עם מקורות מורחבים (במקום לפשט אותם למקורות נקודתיים), ומבטיחה דיוק גבוה אפילו עבור מערכות אופטיות קומפקטיות.
העדשה המעוצבת כוללת משטח חלק, שאינו-סימטרי ללא צורה-בצורה סיבובית, שמנתב מחדש את קרני האור בקפידה. כפי שמוצג באיור 4/5, הקרניים הראשיות מה-LED נשברות בזוויות משתנות, עם צפיפות גבוהה יותר של קרניים מכוונות לכיוון זוויות גדולות יותר כדי ליצור את הטבעת החיצונית הבהירה הנדרשת בנקודת ה-LED הבודדת. מודל העדשה יובא לאחר מכן לתוכנת סימולציה אופטית (למשל, LightTools) לצורך ניתוח קפדני.
3. תוצאות וניתוח
3.1 LED יחיד-הדמיית עדשה
סימולציית-עקיבת ריי בשיטת מונטה קרלו בוצעה על העדשה המעוצבת בשילוב עם דגם ה-LED. התפלגות ה-PPFD שהתקבלה במישור המטרה (איור 5) הראתה התאמה מצוינת עם התפלגות היעד האופטימלית תיאורטית מסעיף 2.2, ואישרה את תקפות התכנון.
3.2 ביצועי צינור מנורה מלאים
מערך של 25 יחידות LED- המרוחקות 48 מ"מ זו מזו עוצב כדי לדמות את צינור המנורה המלא באורך 1.2 מ'. התפלגות ה-PPFD המדומה במישור הטיפוח 30 ס"מ למטה מוצגת באיור 6. התוצאות מדגימות שדה אור רחב ואחיד מאוד עם חתך חד בקצוות. הרוחב מכסה בנוחות את מדף המטרה של 60 ס"מ. באופן מכריע, יחס ניצול האנרגיה התיאורטי המחושב - המוגדר כ-PPF על המדף חלקי סך ה-PPF הנפלט מהנוריות - עולה על 92%. זה מצביע על כך שלמעלה מ-92% מהפוטונים הפעילים בפוטוסינתזה הנוצרים על ידי נוריות ה-LED מועברים ישירות לחופה של המפעל, מה שמפחית באופן דרסטי את הדליפה ובזבוז האנרגיה בהשוואה לתכנונים קונבנציונליים.
3.3 מדרגיות עבור הגדרות מורחבות
בחוות אנכיות מעשיות, מדפי הטיפוח מסודרים לרוב מקצה-עד-בשורות ארוכות. הפצת ה-PPFD המדומה מנורה בודדת מציגה קצוות מחודדים מעט. כאשר שתי מנורות או יותר ממוקמות מקצה-לקצה-, התפלגות ה-PPFD שלהן חופפות ומשלימות זו את זו באזורי המעבר הללו. הדמיה של שתי מנורות מחוברות (איור 7) מאשרת שהאזורים החופפים משפרים את האחידות, וכתוצאה מכך שדה אור אחיד בצורה חלקה על פני שטח אורך מורחב.
3.4 אב טיפוס ואימות ניסויים
אב טיפוס יוצר על סמך העיצוב, כולל עדשות מעוצבות-בצורה חופשית, גוף קירור שחול מאלומיניום ומכסי קצה. תצלומים של אב הטיפוס והנקודה המוארת שלו (איור 8) מאששים חזותית את דפוס האור הרחב והאחיד המדומה.
מדידות ניסיוניות הניבו מדדי ביצועים חזקים:
יעילות גבוהה:יעילות המערכת עלתה על 92%, כאשר למעלה מ-86% מהפוטונים הפוטוסינתטיים של המקור נפלו במישור הטיפוח.
אחידות גבוהה:היחס בין PPFD מינימלי לממוצע במישור היעד היה גדול מ-82%, מה שמצביע על אחידות מרחבית מעולה קריטית לצמיחה עקבית של צמחים.
4. דיון ומסקנה
העיצוב והיישום של האחידות-הגבוהה והגבוהה הזוגידול צמחי LEDמנורה מתייחסת למספר נקודות כאב מרכזיות בחקלאות אנכית:
הפחתת עלויות:על ידי מתן כיסוי אחיד עם צינור מנורה מרכזי אחד לכל מדף, התכנון מקטין משמעותית את מספר המתקנים הנדרשים לשכבת טיפוח, מוריד את הוצאות ההון הראשוניות (CapEx) ואת עלויות התחזוקה השוטפות.
חיסכון באנרגיה: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >ניצול אנרגיה של 92%, מתורגם ישירות לצריכת חשמל נמוכה יותר והוצאות תפעול (OpEx).
איכות חיתוך משופרת:אחידות PPFD גבוהה מבטיחה שכל הצמחים מקבלים רמות אור שוות, מקדמת צמיחה עקבית, התבגרות ואיכות. זה מפחית את שונות התפוקה ואת הצורך הבא במיון אינטנסיבי של עבודה-.
פשטות תפעולית:מנורה יחידה במיקום מרכזי קל יותר להתקנה, ניקוי ושירות בהשוואה למספר גופים, מה שמפשט את ניהול החווה.
עבודה זו מדגימה את היישום העוצמתי של עקרונות עיצוב אופטי מתקדמים, במיוחד את תיאוריית שדה האור הדיגיטלי וייצור משטחים-חופשיים, לאתגרים אגריטים. "שיטת משטח המקור המשני" הוכיחה את יעילותה בעיצוב עדשה קומפקטית ובעלי ביצועים גבוהים- המותאמת לטווח ארוך.מקור LED. מערכת המנורות לגידול צמחים שהתקבלה הופכת בהצלחה את תפוקת האור ממערך LED ליניארי לפיזור רחב, דמוי עטלף-המתחבר לשדה אחיד ביותר.
לסיכום, השילוב של עיצוב אופטי דיגיטלי עם טכנולוגיית LED סולל את הדרך לדור הבא של תאורה חקלאית מדויקת. עיצוב המנורה המוצג כאן מציע פתרון משכנע לחוות אנכיות, המשלב יעילות אספקת פוטון גבוהה, אחידות מרחבית מעולה ויתרונות כלכליים. עבודה עתידית עשויה לחקור התאמת מתודולוגיה זו לממדים שונים של מדף, אופטימיזציה של ספקטרום עבור יבולים ספציפיים, ושילוב נוסף של בקרות חכמות עבור מתכוני תאורה דינמיים, בסופו של דבר לתרום למערכות חקלאות עירוניות בר-קיימא ופרודוקטיביות יותר.
הפניות
[1] ליו ונקה.פיזיולוגיה של איכות אור הצמח וויסותה במפעלי צמחים[M]. בייג'ין: China Agricultural Science and Technology Press, 2019.
[2] צ'נג יינג.מחקר על שיטת עיצוב ויישום של משטח אופטי חופשי[ד]. טיאנג'ין: אוניברסיטת טיאנג'ין, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, et al. עיצוב של מערכות אופטיות להדמיה משטח חופשי: תיאוריה, פיתוח ויישום [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] יין שיה.מחקר על שיטת עיצוב אופטי תלת-ללא-הדמיה עבור מקורות LED[ד]. האנגג'ואו: אוניברסיטת סין ג'יליאנג, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. מנורת צמיחת צמחים-חוסכת אנרגיה-מתוכננת על בסיס תיאוריית שדות אור דיגיטליים ללא-הדמיה [J].ג'אומינג גונגצ'נג שובאו, 2021, 32(2): 14-18.
[6] ג'יאנג יפן, צ'ן ז'ימין. ניסיון בפיתוח והארה של חקלאות אנכית זרה [י].כלכלה כפרית ומדע-טכנולוגיה, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lights-for-houseplants.html
