Дизајн високо{0}}ефикасних и-уједначених ЛЕД сијалица за раст биљака за вертикалну пољопривреду
Абстрацт
Са брзим растом глобалне популације и све већом урбанизацијом, безбедност хране је постала горући изазов широм света. Хитно су потребне иновативне пољопривредне методе да би се побољшао принос усева и квалитет исхране у оквиру ограниченог простора и ресурса. Међу њима, пољопривреда у контролисаној средини (ЦЕА), посебно вертикална пољопривреда, појавила се као обећавајуће решење. Критична компонента вертикалних пољопривредних система је вештачко осветљење, које замењује или допуњује природну сунчеву светлост за покретање фотосинтезе. Светлосне{4}}Диоде које емитују светлост (ЛЕД) постале су преферирани извор светлости због своје енергетске ефикасности, дуговечности, спектралне подесивости и ниског топлотног зрачења. Међутим, ефикасна примена ЛЕД осветљења у вишеслојним вертикалним фармама захтева не само високу фотосинтетичку ефикасност фотона, већ и изузетну просторну уједначеност дистрибуције светлости преко крошње биљке. Не-уједначено осветљење може довести до неуједначеног раста биљака, смањења укупног приноса и губитка енергије. Овај чланак се бави новим оптичким дизајном заЛЕД раст биљакалампе засноване на теорији дигиталног светлосног поља, која користи прилагођено површинско сочиво слободног-облика да би се постигла веома уједначена дистрибуција фотосинтетичке густине фотона (ППФД) на равни култивације помоћу једне, централно монтиране цеви лампе, чиме се решавају кључни економски и оперативни изазови у вертикалној пољопривреди.
1. Увод
Вертикална пољопривреда представља промену парадигме у пољопривредној производњи, укључујући култивацију усева у вертикално наслаганим слојевима, често унутар зграда или контролисаног окружења. Овај метод максимизира ефикасност коришћења земљишта, смањује потрошњу воде, минимизира употребу пестицида и омогућава локалну производњу хране у урбаним срединама. Камен темељац ове технологије је прецизна контрола окружења за раст, при чему је осветљење један од најважнијих и енергетски{2}}најинтензивнијих фактора.
ЛЕД{0}}раст биљакалампе нуде значајне предности у односу на традиционално осветљење, као што су натријумове сијалице-високог притиска (ХПС), укључујући спектралну специфичност, могућност затамњивања и усмерени излаз светлости. Примарни оптички циљ за такве лампе у вертикалним фармама је да испоруче уједначен ППФД – број фотосинтетички активних фотона који пристижу по јединици површине у секунди – преко целе посуде за култивацију. Постизање високе уједначености обезбеђује конзистентне стопе раста и квалитет за све биљке, минимизирајући потребу за сортирањем и сортирањем.
Конвенционално, висока униформност се постиже постављањем више цеви лампе једна поред друге--упоредо изнад једне равни култивације. Иако је ефикасан, овај приступ са више-лампа има неколико недостатака: висок почетни капитални трошак због великог броја уређаја, значајан губитак енергије услед проливања светлости изван циљне области (посебно на ивицама) и повећану сложеност и цену одржавања. Стога је убедљива алтернатива дизајнирање оптичког система који омогућава асамаццев лампе за производњу уједначене ППФД расподеле на стандардној ширини култивације (нпр. 60 цм). Овај приступ обећава да ће задржати све предностиЛЕД осветљењеистовремено ублажавајући проблеме трошкова, расипања енергије и одржавања. Овај рад представља дизајн, симулацију и експерименталну валидацију таквог система, коришћењем сочива слободне{1}}облике дизајниране методологијом Дигитал Лигхт Фиелд.
2. Методологија: Дигитално светлосно поље и оптички дизајн
2.1 Концепт дигиталног светлосног поља
Традиционалне фотометријске величине као што су осветљеност и интензитет светлости описују густину светлосног флукса на површини или унутар чврстог угла. Иако су суштински за процену, они нису директно погодни за инверзни процес пројектовања оптичких површина. Теорија дигиталног светлосног поља пружа темељнији оквир. То укључује дискретизацију простора оптичког поља на микроелементе. Сваки елемент карактерише светлосни конус који пролази кроз њега и његов површински нормални вектор. Целокупно светлосно поље је описано функцијом дигиталног светлосног поља која није-слика (НДЛФФ). Ова дигитализација трансформише проблем оптичког дизајна у манипулисање НДЛФФ-ом на циљној површини коришћењем једне или више оптичких површина, као што су сочива-слободне форме. Ова метода, коју је развила Ксингие Оптицал Тецхнологи, омогућава прецизну контролу над дистрибуцијом зрачења и интензитета, што га чини посебно погодним за сложене задатке пројектовања осветљења.
2.2 Оптимизација извора, распореда и циљне дистрибуције
Процес пројектовања почиње дефинисањем извора светлости и циља. Изабрани извор је-паковање 3535 велике снагеЛЕДса куполастим сочивом. За типичну полицу за култивацију, мета је раван који се налази 30 цм испод лампе, са ширином нешто већом од 60 цм. Цев лампе се састоји од 25 таквих ЛЕД диода распоређених на удаљености од 48 мм у једном реду, што резултира укупном дужином од 1,2 м.
Критични корак је одређивање оптималне ППФД дистрибуције која асамацЛЕД{0}}комбинација сочива треба да производи на циљној равни. Ако свака ЛЕД диода ствара једноставну, ротационо симетричну униформну тачку, суперпозиција 25 таквих тачака из линеарног низа би резултирала дистрибуцијом "светлог центра, тамних ивица" због преклапања. Према томе, идеална појединачна-ЛЕД дистрибуција мора да компензује ово. Уместо сложених аналитичких решења, коришћен је приступ нумеричке оптимизације коришћењем МАТЛАБ-а.
Појединачна-ЛЕД ППФД дистрибуција је моделована као нормализована ротационо симетрична функција П(р), где је р радијално растојање од центра тачке. Циљна област је дискретизована, а П(р) је третиран као варијабла оптимизације. Циљ оптимизације је био да се минимизира варијанса укупне ППФД дистрибуције која је резултат суперпозиције 25 ЛЕД диода на њиховим фиксним позицијама. Оптимизовани резултат, приказан на слици 3 оригиналног рада, открива контра{6}}интуитивну дистрибуцију „тамног центра, светле периферије“ за једну ЛЕД диоду. Ова јединствена дистрибуција осигурава да када се више ЛЕД тачака преклапају, оне попуњавају једна другу тамније области, што кулминира веома уједначеном укупном дистрибуцијом на равни култивације.
2.3 Фрее-Дизајн сочива слободног облика путем „Метода површине секундарног извора“
Да би се постигла оптимизована дистрибуција ППФД описана изнад, дизајнирано је сочиво слободне{0}}облике. Конвенционалним сферним сочивима недостају степени слободе за тако прецизну контролу. Дизајн је користио „Метод површине секундарног извора“ компаније Ксингие Оптицс, технику засновану на теорији дигиталног светлосног поља која директно ради са проширеним изворима (уместо да их поједностављује на тачкасте изворе), обезбеђујући високу тачност чак и за компактне оптичке системе.
Дизајнирано сочиво има глатку, не-ротационо симетричну слободну- површину која пажљиво преусмерава светлосне зраке. Као што је илустровано на слици 4/5, главни зраци из ЛЕД-а се преламају под различитим угловима, при чему је већа густина зрака усмерена ка већим угловима да би се створио потребан светао спољашњи прстен у једној-ЛЕД тачки. Модел сочива је затим увезен у софтвер за оптичку симулацију (нпр. ЛигхтТоолс) ради ригорозне анализе.
3. Резултати и анализа
3.1 Једнострука ЛЕД-симулација сочива
Симулација{0}}праћења зрака применом Монте Карло методе је изведена на дизајнираном сочиву упареном са ЛЕД моделом. Добијена ППФД дистрибуција на циљној равни (слика 5) показала је одлично слагање са теоријски оптимизованом дистрибуцијом циља из одељка 2.2, потврђујући валидност дизајна.
3.2 Пуне перформансе цеви лампе
Низ од 25 ЛЕД-јединица сочива распоређених на удаљености од 48 мм је моделован да симулира комплетну цев лампе од 1,2 м. Симулирана дистрибуција ППФД на равни култивације 30 цм испод приказана је на слици 6. Резултати показују широко, веома уједначено светлосно поље са оштрим пресеком на ивицама. Ширина удобно покрива циљну полицу од 60 цм. Најважније је да израчунати теоретски коефицијент искоришћења енергије – дефинисан као ППФ на полици подељен са укупним ППФ који емитују ЛЕД диоде – премашује 92%. Ово указује да се преко 92% фотосинтетички активних фотона које генеришу ЛЕД диоде испоручују директно у крошњу биљке, драстично смањујући просипање и губитак енергије у поређењу са конвенционалним дизајном.
3.3 Скалабилност за проширена подешавања
У практичним вертикалним фармама, полице за култивацију се често постављају-до-краја у дугим редовима. Симулирана ППФД дистрибуција из једне лампе показује благо сужене крајеве. Када су две или више лампи постављене с краја на крај-до-, њихове ППФД дистрибуције се преклапају и допуњују једна другу у овим прелазним зонама. Симулација две повезане лампе (слика 7) потврђује да области које се преклапају повећавају униформност, што резултира неприметно уједначеним светлосним пољем на продуженом уздужном подручју.
3.4 Експериментални прототип и валидација
Прототип лампе је направљен на основу дизајна, укључујући обликована сочива слободног-облика, расхладни хладњак за екструзију од алуминијума и завршне поклопце. Фотографије прототипа и његове осветљене тачке (слика 8) визуелно поткрепљују симулирани широк и уједначен светлосни образац.
Експериментална мерења су дала јаке показатеље учинка:
Висока ефикасност:Ефикасност система је премашила 92%, са преко 86% фотосинтетичких фотона извора који су упали на раван култивације.
Висока униформност:Однос минималног и просечног ППФД-а на циљној равни био је већи од 82%, што указује на одличну просторну униформност критичну за конзистентан раст биљака.
4. Дискусија и закључак
Дизајн и имплементација ове високе{0}}ефикасности, високе-уједначеностиЛЕД раст биљакалампа се бави неколико кључних болних тачака у вертикалној пољопривреди:
Смањење трошкова:Омогућавајући уједначену покривеност са једном централном лампом по полици, дизајн значајно смањује број уређаја потребних по слоју култивације, смањујући почетне капиталне трошкове (ЦапЕк) и текуће трошкове одржавања.
Уштеда енергије: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >Искоришћеност енергије од 92% директно значи нижу потрошњу електричне енергије и оперативне трошкове (ОпЕк).
Побољшан квалитет усева:Висока униформност ППФД осигурава да све биљке добију еквивалентне нивое светлости, промовишући конзистентан раст, сазревање и квалитет. Ово смањује варијабилност приноса и последичну потребу за радно-интензивним сортирањем.
Оперативна једноставност:Јединствена, централно лоцирана лампа је лакша за инсталацију, чишћење и сервисирање у поређењу са више сијалица, поједностављујући управљање фармом.
Овај рад демонстрира моћну примену напредних принципа оптичког дизајна, посебно теорије дигиталног светлосног поља и производње површине у слободном{0}}облику, на агротехнолошке изазове. „Метода површине секундарног извора“ се показала ефикасном у дизајнирању компактног објектива високих{2}}перформанси прилагођеног за продужениЛЕД извор. Резултујући систем лампи за раст биљака успешно трансформише излаз светлости из линеарног ЛЕД низа у широку дистрибуцију налик крилу слепог миша- која се суперпонира у веома униформно поље.
У закључку, интеграција дигиталног оптичког дизајна са ЛЕД технологијом отвара пут за следећу генерацију прецизног пољопривредног осветљења. Дизајн лампе представљен овде нуди убедљиво решење за вертикалне фарме, комбинујући високу ефикасност испоруке фотона, супериорну просторну униформност и економске предности. Будући рад би могао да истражи прилагођавање ове методологије за различите димензије полица, оптимизацију спектра за специфичне усеве и даљу интеграцију паметних контрола за динамичке рецепте за осветљење, што на крају доприноси одрживијим и продуктивнијим системима урбане пољопривреде.
Референце
[1] Лиу Венке.Физиологија квалитета светла биљака и његова регулација у фабрикама биљака[М]. Пекинг: Цхина Агрицултурал Сциенце анд Тецхнологи Пресс, 2019.
[2] Ченг Јинг.Истраживање методе пројектовања и примене оптичке површине слободног облика[Д]. Тиањин: Универзитет Тиањин, 2013.
[3] Ианг Тонг, Дуан Цуизхе, Цхенг Девен, ет ал. Дизајн оптичких система за снимање површине слободног облика: теорија, развој и примена [Ј].Ацта Оптица Синица, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Јин Сја.Истраживање о тродимензионалној-методи оптичког дизајна без слике за ЛЕД изворе[Д]. Хангџоу: Кинески универзитет Јилианг, 2015.
[5] Зхао Лианг, Цен Сонгиуан. Лампа за раст биљака-за уштеду енергије на зиду{3}} дизајнирана на основу теорије дигиталног светлосног поља без{4}} [Ј].Зхаоминг Гонгцхенг Ксуебао, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Јианг Иифан, Цхен Зхимин. Искуство развоја и просвећеност иностране вертикалне пољопривреде [Ј].Рурална привреда и наука{0}}Технологија, 2021, 32(13): 208-210.
хттпс://ввв.бенвеилигхт.цом/лигхтинг-цев-сијалица/раст-светла-за-кућне биљке.хтмл
