تصميم مصابيح -عالية الكفاءة وموحدة-مصابيح LED لنمو النباتات للزراعة العمودية
خلاصة
مع النمو السريع لسكان العالم وزيادة التحضر، أصبح الأمن الغذائي تحديا عالميا ملحا. هناك حاجة ملحة إلى أساليب زراعية مبتكرة لتعزيز إنتاجية المحاصيل والجودة الغذائية ضمن مساحة وموارد محدودة. ومن بين هذه الحلول، برزت الزراعة البيئية الخاضعة للرقابة (CEA)، وخاصة الزراعة العمودية، كحل واعد. الإضاءة الاصطناعية هي أحد العناصر الحاسمة في أنظمة الزراعة العمودية، التي تحل محل ضوء الشمس الطبيعي أو تكمله لدفع عملية التمثيل الضوئي. أصبحت الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) مصدر الضوء المفضل نظرًا لكفاءة الطاقة وطول العمر وقابلية الضبط الطيفي والإشعاع الحراري المنخفض. ومع ذلك، فإن النشر الفعال لإضاءة LED في المزارع العمودية متعددة الطبقات-لا يتطلب كفاءة فوتون التمثيل الضوئي العالية فحسب، بل يتطلب أيضًا تجانسًا مكانيًا استثنائيًا لتوزيع الضوء عبر مظلة النبات. يمكن أن تؤدي الإضاءة غير المنتظمة- إلى نمو غير متساوي للنباتات، وانخفاض الإنتاج الإجمالي، وإهدار الطاقة. تتعمق هذه المقالة في التصميم البصري الجديد لـنمو النبات الصمامتعتمد المصابيح على نظرية مجال الضوء الرقمي، والتي تستخدم عدسة سطحية مخصصة ذات شكل حر- لتحقيق توزيع موحد للغاية لكثافة تدفق الفوتون الضوئي (PPFD) على مستوى الزراعة باستخدام أنبوب مصباح واحد مثبت مركزيًا، وبالتالي معالجة التحديات الاقتصادية والتشغيلية الرئيسية في الزراعة الرأسية.
1. مقدمة
تمثل الزراعة العمودية نقلة نوعية في الإنتاج الزراعي، بما في ذلك زراعة المحاصيل في طبقات مكدسة عموديا، غالبا داخل المباني أو البيئات الخاضعة للرقابة. تعمل هذه الطريقة على زيادة كفاءة استخدام الأراضي إلى الحد الأقصى، وتقليل استهلاك المياه، وتقليل استخدام المبيدات الحشرية، وتمكين إنتاج الغذاء المحلي في المناطق الحضرية. حجر الزاوية في هذه التقنية هو التحكم الدقيق في بيئة النمو، حيث تعد الإضاءة أحد أهم العوامل التي تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة-.
نمو النبات المعتمد على مصابيح LED-.توفر المصابيح مزايا كبيرة مقارنةً بالإضاءة التقليدية، مثل-مصابيح الصوديوم عالية الضغط (HPS)، بما في ذلك الخصوصية الطيفية وقابلية التعتيم وإخراج الضوء الاتجاهي. الهدف البصري الأساسي لمثل هذه المصابيح في المزارع العمودية هو تقديم PPFD موحد - عدد الفوتونات النشطة ضوئيًا التي تصل لكل وحدة مساحة في الثانية - عبر صينية الزراعة بأكملها. ويضمن تحقيق التوحيد العالي معدلات نمو وجودة ثابتة لجميع النباتات، مما يقلل الحاجة إلى الفرز والتدريج.
تقليديًا، يتم تحقيق التوحيد العالي من خلال نشر أنابيب مصابيح متعددة جنبًا إلى جنب-بجانب-فوق مستوى زراعة واحد. على الرغم من فعاليته، إلا أن هذا الأسلوب-للمصابيح المتعددة له عدة عيوب: ارتفاع تكلفة رأس المال الأولي بسبب العدد الكبير من التركيبات، وإهدار الطاقة بشكل كبير نتيجة انسكاب الضوء خارج المنطقة المستهدفة (خاصة عند الحواف)، وزيادة تعقيد الصيانة والتكلفة. ولذلك، فإن البديل المقنع هو تصميم نظام بصري يسمح بـأعزبأنبوب المصباح لإنتاج توزيع PPFD موحد على عرض زراعة قياسي (على سبيل المثال، 60 سم). يعد هذا النهج بالاحتفاظ بجميع فوائدإضاءة LEDمع التخفيف من مشكلات التكلفة وهدر الطاقة والصيانة. تعرض هذه الورقة التصميم والمحاكاة والتحقق التجريبي من مثل هذا النظام، باستخدام عدسة ذات شكل حر- مصممة عبر منهجية مجال الضوء الرقمي.
2. المنهجية: مجال الضوء الرقمي والتصميم البصري
2.1 مفهوم مجال الضوء الرقمي
تصف الكميات الضوئية التقليدية مثل الإضاءة وشدة الإضاءة كثافة التدفق الضوئي على السطح أو ضمن زاوية صلبة. على الرغم من أنها ضرورية للتقييم، إلا أنها لا تساعد بشكل مباشر على عملية التصميم العكسي للأسطح البصرية. توفر نظرية مجال الضوء الرقمي إطارًا أكثر تأسيسًا. أنها تنطوي على تقسيم مساحة المجال البصري إلى عناصر دقيقة. ويتميز كل عنصر بوجود مخروط ضوئي يمر من خلاله وسطحه متجه عادي. يتم وصف مجال الضوء الإجمالي بواسطة وظيفة مجال الضوء الرقمي غير التصويرية (NDLFF). تحول هذه التقنية الرقمية مشكلة التصميم البصري إلى مشكلة معالجة NDLFF على سطح مستهدف من خلال استخدام سطح بصري واحد أو أكثر، مثل العدسات ذات الشكل الحر-. هذه الطريقة، التي طورتها Xingye Optical Technology، تتيح التحكم الدقيق في الإشعاع وتوزيع الكثافة، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لمهام تصميم الإضاءة المعقدة.
2.2 تحسين المصدر والتخطيط وتوزيع الهدف
تبدأ عملية التصميم بتحديد مصدر الضوء والهدف. المصدر المختار هو -حزمة 3535 عالية الطاقةقادمع عدسة قبة. بالنسبة لرف الزراعة النموذجي، يكون الهدف هو مستوى يقع أسفل المصباح بـ 30 سم، وبعرض يزيد قليلاً عن 60 سم. يتكون أنبوب المصباح من 25 مصباح LED متباعدة بمسافة 48 مم في صف واحد، مما يؤدي إلى طول إجمالي قدره 1.2 متر.
الخطوة الحاسمة هي تحديد توزيع PPFD الأمثل الذي أأعزبيجب أن يتم إنتاج مجموعة عدسات LED- على المستوى المستهدف. إذا قام كل LED بإنشاء نقطة موحدة بسيطة ومتماثلة دورانيًا، فإن تراكب 25 نقطة من هذه البقع من المصفوفة الخطية سيؤدي إلى توزيع "مركز ساطع وحواف داكنة" بسبب التداخل. لذلك، يجب أن يعوض توزيع LED الفردي -المثالي عن ذلك. بدلاً من الحلول التحليلية المعقدة، تم استخدام نهج التحسين العددي باستخدام MATLAB.
تم تصميم توزيع -LED PPFD المنفرد كدالة متماثلة دورانية طبيعية P(r)، حيث r هي المسافة الشعاعية من مركز النقطة. تم تقدير المنطقة المستهدفة، وتم التعامل مع P(r) كمتغير التحسين. كان الهدف الأمثل هو تقليل التباين في إجمالي توزيع PPFD الناتج عن تراكب 25 مصباح LED في مواضعها الثابتة. تكشف النتيجة المحسنة، الموضحة في الشكل 3 من الورقة الأصلية، عن توزيع بديهي -"مركز مظلم، محيط ساطع" لمصباح LED الفردي. يضمن هذا التوزيع الفريد أنه عندما تتداخل نقاط LED المتعددة، فإنها تملأ المناطق الخافتة لبعضها البعض، مما يؤدي إلى توزيع عام موحد للغاية على مستوى الزراعة.
2.3 تصميم مجاني للعدسات-عبر "طريقة سطح المصدر الثانوي"
ولتحقيق توزيع PPFD الأمثل الموضح أعلاه، تم تصميم عدسة ذات شكل حر-. تفتقر العدسات الكروية التقليدية إلى درجات الحرية اللازمة لمثل هذا التحكم الدقيق. استخدم التصميم "طريقة سطح المصدر الثانوي" لشركة Xingye Optics، وهي تقنية ترتكز على نظرية مجال الضوء الرقمي التي تعمل مباشرة مع المصادر الممتدة (بدلاً من تبسيطها إلى مصادر نقطية)، مما يضمن دقة عالية حتى بالنسبة للأنظمة البصرية المدمجة.
تتميز العدسة المصممة بسطح أملس-حر غير متماثل دوراني-يعمل على إعادة توجيه أشعة الضوء بدقة. كما هو موضح في الشكل 4/5، تنكسر الأشعة الرئيسية الصادرة من LED بزوايا مختلفة، مع توجيه كثافة أعلى للأشعة نحو زوايا أكبر لإنشاء الحلقة الخارجية الساطعة المطلوبة في بقعة LED - الفردية. تم بعد ذلك استيراد نموذج العدسة إلى برنامج المحاكاة البصرية (مثل LightTools) لإجراء تحليل دقيق.
3. النتائج والتحليل
3.1 محاكاة عدسة LED واحدة -
تم إجراء محاكاة تتبع الشعاع- باستخدام طريقة مونت كارلو على العدسة المصممة المقترنة بنموذج LED. أظهر توزيع PPFD الناتج على المستوى المستهدف (الشكل 5) اتفاقًا ممتازًا مع التوزيع المستهدف الأمثل نظريًا من القسم 2.2، مما يؤكد صحة التصميم.
3.2 أداء أنبوب المصباح الكامل
تم تصميم مجموعة من 25 وحدة عدسة LED- متباعدة بمقدار 48 مم لمحاكاة أنبوب المصباح الكامل الذي يبلغ طوله 1.2 م. يظهر الشكل 6. توزيع PPFD المحاكى على مستوى الزراعة 30 سم أدناه. وتظهر النتائج مجال ضوء واسع وموحد للغاية مع قطع حاد عند الحواف. يغطي العرض بشكل مريح الرف المستهدف الذي يبلغ طوله 60 سم. والأهم من ذلك، أن نسبة استخدام الطاقة النظرية المحسوبة - والتي يتم تعريفها على أنها PPF على الرف مقسومة على إجمالي PPF المنبعث من مصابيح LED - تتجاوز 92٪. يشير هذا إلى أن أكثر من 92% من الفوتونات النشطة ضوئيًا الناتجة عن مصابيح LED يتم توصيلها مباشرة إلى مظلة المصنع، مما يقلل بشكل كبير من الانسكاب وهدر الطاقة مقارنة بالتصميمات التقليدية.
3.3 قابلية التوسع للإعدادات الموسعة
في المزارع العمودية العملية، غالبًا ما يتم ترتيب أرفف الزراعة من النهاية-إلى-النهاية في صفوف طويلة. يظهر توزيع PPFD المحاكى من مصباح واحد نهايات مدببة قليلاً. عندما يتم وضع مصباحين أو أكثر من الأطراف - إلى - النهاية، فإن توزيعات PPFD الخاصة بهم تتداخل وتكمل بعضها البعض في هذه المناطق الانتقالية. تؤكد محاكاة مصباحين متصلين (الشكل 7) أن المناطق المتداخلة تعزز التوحيد، مما يؤدي إلى مجال ضوء موحد بسلاسة على مساحة طولية ممتدة.
3.4 النموذج التجريبي والتحقق من الصحة
تم تصنيع نموذج أولي للمصباح استنادًا إلى التصميم، بما في ذلك العدسات المقولبة-ذات الشكل الحر، والمبدد الحراري المصنوع من الألومنيوم، والأغطية الطرفية. صور النموذج الأولي وبقعته المضيئة (الشكل 8) تؤكد بصريًا نمط الضوء الواسع والموحد المحاكى.
أسفرت القياسات التجريبية عن مقاييس أداء قوية:
كفاءة عالية:تجاوزت كفاءة النظام 92%، مع سقوط أكثر من 86% من فوتونات التمثيل الضوئي للمصدر على مستوى الزراعة.
التوحيد العالي:كانت نسبة الحد الأدنى إلى متوسط PPFD على المستوى المستهدف أكبر من 82%، مما يشير إلى التوحيد المكاني الممتاز وهو أمر بالغ الأهمية لنمو النبات المستمر.
4. المناقشة والاستنتاج
تم تصميم وتنفيذ هذه الكفاءة العالية-والاتساق العالي-.نمو النبات الصماميعالج المصباح العديد من نقاط الألم الرئيسية في الزراعة العمودية:
تخفيض التكلفة:من خلال تمكين التغطية الموحدة باستخدام أنبوب مصباح مركزي واحد لكل رف، يقلل التصميم بشكل كبير من عدد التركيبات المطلوبة لكل طبقة زراعة، مما يقلل النفقات الرأسمالية الأولية (CapEx) وتكاليف الصيانة المستمرة.
توفير الطاقة: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >يُترجم استخدام الطاقة بنسبة 92% مباشرةً إلى انخفاض استهلاك الكهرباء والنفقات التشغيلية (OpEx).
تحسين جودة المحاصيل:يضمن تجانس PPFD العالي حصول جميع النباتات على مستويات إضاءة مكافئة، مما يعزز النمو المستمر والنضج والجودة. وهذا يقلل من تقلب الإنتاج والحاجة اللاحقة إلى الفرز المكثف للعمالة-.
البساطة التشغيلية:يعد المصباح الفردي الموجود في موقع مركزي أسهل في التركيب والتنظيف والخدمة مقارنة بالتركيبات المتعددة، مما يبسط إدارة المزرعة.
يوضح هذا العمل التطبيق القوي لمبادئ التصميم البصري المتقدمة، وتحديدًا نظرية مجال الضوء الرقمي والتصنيع السطحي الحر-، لمواجهة تحديات التكنولوجيا الزراعية. أثبتت "طريقة سطح المصدر الثانوي" فعاليتها في تصميم عدسة مدمجة وعالية الأداء-مصممة خصيصًا لتصوير ممتدمصدر الصمام. نجح نظام مصابيح نمو النباتات الناتج في تحويل خرج الضوء من مصفوفة LED الخطية إلى توزيع واسع يشبه جناح الخفاش-يتراكب في مجال موحد للغاية.
وفي الختام، فإن دمج التصميم البصري الرقمي مع تقنية LED يمهد الطريق للجيل القادم من الإضاءة الزراعية الدقيقة. يقدم تصميم المصباح المعروض هنا حلاً مقنعًا للمزارع العمودية، حيث يجمع بين كفاءة توصيل الفوتون العالية والتوحيد المكاني الفائق والفوائد الاقتصادية. قد يستكشف العمل المستقبلي تكييف هذه المنهجية مع أبعاد الرف المختلفة، وتحسين الأطياف لمحاصيل معينة، ومواصلة دمج عناصر التحكم الذكية لوصفات الإضاءة الديناميكية، مما يساهم في نهاية المطاف في أنظمة زراعية حضرية أكثر استدامة وإنتاجية.
مراجع
[1] ليو وينكي.فسيولوجيا جودة ضوء النبات وتنظيمها في المصانع النباتية[م]. بكين: مطبعة العلوم والتكنولوجيا الزراعية الصينية، 2019.
[2] تشنغ ينغ.بحث حول طريقة التصميم وتطبيق السطح الحر البصري[د]. تيانجين: جامعة تيانجين، 2013.
[3] يانغ تونغ، دوان كويزي، تشينغ ديوين، وآخرون. تصميم الأنظمة البصرية للتصوير السطحي الحر: النظرية والتطوير والتطبيق [J].اكتا اوبتيكا سينيكا, 2021, 41(1): 115-143.
[4] يين شيا.بحث حول طرق التصميم البصري الثلاثة-التصويرية غير-لمصادر LED[د]. هانغتشو: جامعة جيليانج الصينية، 2015.
[5] تشاو ليانغ، سين سونغيوان. -جدار توفير الطاقة-مصباح نمو النبات المُثبت على أساس-نظرية مجال الضوء الرقمي غير التصويرية [J].تشاومينغ قونغتشنغ شيويباو, 2021, 32(2): 14-18.
[6] جيانغ ييفان، تشن جيمين. تجربة التنمية والتنوير للزراعة العمودية الأجنبية [J].الاقتصاد الريفي والعلوم-التكنولوجيا, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-أضواء-for-houseplants.html
