Design von hoch-effizienten und hoch-einheitlichen LED-Pflanzenwachstumslampen für die vertikale Landwirtschaft
Abstrakt
Mit dem rasanten Wachstum der Weltbevölkerung und der zunehmenden Urbanisierung ist die Ernährungssicherheit zu einer drängenden weltweiten Herausforderung geworden. Innovative landwirtschaftliche Methoden sind dringend erforderlich, um den Ernteertrag und die Ernährungsqualität auf begrenztem Raum und begrenzten Ressourcen zu verbessern. Unter diesen hat sich die Controlled Environment Agriculture (CEA), insbesondere die vertikale Landwirtschaft, als vielversprechende Lösung herausgestellt. Ein wichtiger Bestandteil vertikaler Landwirtschaftssysteme ist künstliche Beleuchtung, die das natürliche Sonnenlicht ersetzt oder ergänzt, um die Photosynthese voranzutreiben. Leuchtdioden (LEDs) sind aufgrund ihrer Energieeffizienz, Langlebigkeit, spektralen Einstellbarkeit und geringen Wärmestrahlung zur bevorzugten Lichtquelle geworden. Der effektive Einsatz von LED-Beleuchtung in mehrschichtigen vertikalen Farmen erfordert jedoch nicht nur eine hohe photosynthetische Photoneneffizienz, sondern auch eine außergewöhnliche räumliche Gleichmäßigkeit der Lichtverteilung über das Pflanzendach. Eine ungleichmäßige Beleuchtung kann zu ungleichmäßigem Pflanzenwachstum, verringertem Gesamtertrag und Energieverschwendung führen. Dieser Artikel befasst sich mit einem neuartigen optischen Design fürLED-PflanzenwachstumLampen basierend auf der Digital Light Field-Theorie, die eine benutzerdefinierte Freiform-Oberflächenlinse verwendet, um mithilfe einer einzigen, zentral montierten Lampenröhre eine äußerst gleichmäßige Verteilung der photosynthetischen Photonenflussdichte (PPFD) auf der Anbauebene zu erreichen und so wichtige wirtschaftliche und betriebliche Herausforderungen in der vertikalen Landwirtschaft anzugehen.
1. Einführung
Vertikale Landwirtschaft stellt einen Paradigmenwechsel in der landwirtschaftlichen Produktion dar und beinhaltet den Anbau von Pflanzen in vertikal gestapelten Schichten, oft innerhalb von Gebäuden oder kontrollierten Umgebungen. Diese Methode maximiert die Effizienz der Landnutzung, reduziert den Wasserverbrauch, minimiert den Einsatz von Pestiziden und ermöglicht die lokale Nahrungsmittelproduktion in städtischen Gebieten. Ein Eckpfeiler dieser Technologie ist die präzise Steuerung der Wachstumsumgebung, wobei die Beleuchtung einer der wichtigsten und energieintensivsten Faktoren ist.
LED-basiertes PflanzenwachstumLampen bieten erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlicher Beleuchtung, wie etwa Natriumhochdrucklampen (HPS), einschließlich spektraler Spezifität, Dimmbarkeit und gerichteter Lichtabgabe. Das primäre optische Ziel solcher Lampen in vertikalen Farmen besteht darin, einen gleichmäßigen PPFD – die Anzahl der photosynthetisch aktiven Photonen, die pro Flächeneinheit und Sekunde ankommen – über die gesamte Anbaufläche zu liefern. Durch die Erzielung einer hohen Gleichmäßigkeit werden gleichmäßige Wachstumsraten und Qualität für alle Pflanzen gewährleistet, wodurch der Bedarf an Sortierung und Klassifizierung minimiert wird.
Herkömmlicherweise wird eine hohe Gleichmäßigkeit dadurch erreicht, dass mehrere Lampenröhren nebeneinander -an-über einer einzigen Kultivierungsebene eingesetzt werden. Dieser Ansatz mit mehreren Lampen ist zwar effektiv, hat jedoch mehrere Nachteile: hohe Anfangsinvestitionskosten aufgrund der großen Anzahl von Leuchten, erhebliche Energieverschwendung durch Lichtstreuung über den Zielbereich hinaus (insbesondere an den Rändern) und erhöhte Wartungskomplexität und -kosten. Daher besteht eine überzeugende Alternative darin, ein optisches System zu entwerfen, das Folgendes ermöglicht:einzelLampenrohr, um eine gleichmäßige PPFD-Verteilung über eine Standard-Anbaubreite (z. B. 60 cm) zu erzeugen. Dieser Ansatz verspricht, alle Vorteile von zu erhaltenLED-BeleuchtungGleichzeitig werden die Probleme in Bezug auf Kosten, Energieverschwendung und Wartung gemindert. In diesem Artikel werden der Entwurf, die Simulation und die experimentelle Validierung eines solchen Systems vorgestellt, wobei eine Freiformlinse verwendet wird, die mithilfe der Digital Light Field-Methodik entwickelt wurde.
2. Methodik: Digitales Lichtfeld und optisches Design
2.1 Das Konzept des digitalen Lichtfeldes
Traditionelle photometrische Größen wie Beleuchtungsstärke und Lichtstärke beschreiben die Dichte des Lichtstroms auf einer Oberfläche oder innerhalb eines Raumwinkels. Obwohl sie für die Bewertung unerlässlich sind, sind sie für den inversen Designprozess optischer Oberflächen nicht direkt förderlich. Die digitale Lichtfeldtheorie bietet einen grundlegenderen Rahmen. Dabei geht es um die Diskretisierung des optischen Feldraums in Mikroelemente. Jedes Element ist durch einen durch es hindurchtretenden Lichtkegel und seinen Flächennormalenvektor gekennzeichnet. Das gesamte Lichtfeld wird durch eine nicht-bildgebende digitale Lichtfeldfunktion (NDLFF) beschrieben. Diese Digitalisierung verwandelt das Problem des optischen Designs in ein Problem der Manipulation des NDLFF auf einer Zieloberfläche durch die Verwendung einer oder mehrerer optischer Oberflächen, wie z. B. Freiformlinsen. Diese von Xingye Optical Technology entwickelte Methode ermöglicht eine präzise Steuerung der Bestrahlungsstärke und Intensitätsverteilung und eignet sich daher besonders für komplexe Lichtdesignaufgaben.
2.2 Optimierung der Quell-, Layout- und Zielverteilung
Der Designprozess beginnt mit der Definition der Lichtquelle und des Ziels. Die ausgewählte Quelle ist ein leistungsstarkes 3535-PaketLEDmit einer Kuppellinse. Bei einem typischen Anbauregal ist das Ziel eine Ebene, die 30 cm unter der Lampe liegt und eine Breite von etwas mehr als 60 cm hat. Die Lampenröhre besteht aus 25 solcher LEDs im Abstand von 48 mm in einer Reihe, was eine Gesamtlänge von 1,2 m ergibt.
Ein entscheidender Schritt ist die Bestimmung der optimalen PPFD-Verteilung, die aeinzelDie LED--Linsenkombination sollte auf der Zielebene erzeugen. Wenn jede LED einen einfachen, rotationssymmetrischen, gleichmäßigen Punkt erzeugt, würde die Überlagerung von 25 solchen Punkten aus der linearen Anordnung aufgrund der Überlappung zu einer Verteilung „helle Mitte, dunkle Kanten“ führen. Daher muss die ideale Einzel-LED-Verteilung dies ausgleichen. Anstelle komplexer analytischer Lösungen wurde ein numerischer Optimierungsansatz mit MATLAB verwendet.
Die einzelne -LED-PPFD-Verteilung wurde als normalisierte rotationssymmetrische Funktion P(r) modelliert, wobei r der radiale Abstand vom Punktzentrum ist. Der Zielbereich wurde diskretisiert und P(r) wurde als Optimierungsvariable behandelt. Das Optimierungsziel bestand darin, die Varianz der gesamten PPFD-Verteilung zu minimieren, die sich aus der Überlagerung von 25 LEDs an ihren festen Positionen ergibt. Das optimierte Ergebnis, das in Abbildung 3 des Originalpapiers dargestellt ist, zeigt eine kontraintuitive „dunkle Mitte, helle Peripherie“-Verteilung für die einzelne LED. Diese einzigartige Verteilung stellt sicher, dass mehrere LED-Spots, wenn sie sich überlappen, die dunkleren Bereiche des jeweils anderen ausfüllen, was zu einer äußerst gleichmäßigen Gesamtverteilung auf der Anbauebene führt.
2.3 Freiform-Linsendesign über die „Secondary Source Surface Method“
Um die oben beschriebene optimierte PPFD-Verteilung zu erreichen, wurde eine Freiformlinse entworfen. Herkömmlichen sphärischen Linsen fehlen die Freiheitsgrade für eine solch präzise Steuerung. Das Design nutzte die „Secondary Source Surface Method“ von Xingye Optics, eine Technik, die auf der Theorie des digitalen Lichtfelds basiert und direkt mit ausgedehnten Quellen arbeitet (anstatt sie auf Punktquellen zu vereinfachen), wodurch eine hohe Genauigkeit auch für kompakte optische Systeme gewährleistet wird.
Die entworfene Linse verfügt über eine glatte, nicht{0}}rotationssymmetrische Freiformoberfläche-, die Lichtstrahlen sorgfältig umleitet. Wie in Abbildung 4/5 dargestellt, werden die Hauptstrahlen der LED in unterschiedlichen Winkeln gebrochen, wobei eine höhere Strahlendichte auf größere Winkel gerichtet ist, um den erforderlichen hellen Außenring im einzelnen -LED-Punkt zu erzeugen. Das Linsenmodell wurde dann zur gründlichen Analyse in eine optische Simulationssoftware (z. B. LightTools) importiert.
3. Ergebnisse und Analyse
3.1 Simulation einer einzelnen LED-Linse
Eine Raytracing-Simulation mit der Monte-Carlo-Methode wurde an der entworfenen Linse in Kombination mit dem LED-Modell durchgeführt. Die resultierende PPFD-Verteilung auf der Zielebene (Abbildung 5) zeigte eine hervorragende Übereinstimmung mit der theoretisch optimierten Zielverteilung aus Abschnitt 2.2 und bestätigte die Gültigkeit des Designs.
3.2 Volle Lampenröhrenleistung
Eine Anordnung von 25 LED--Linseneinheiten mit einem Abstand von 48 mm wurde modelliert, um die komplette 1,2 m lange Lampenröhre zu simulieren. Die simulierte PPFD-Verteilung auf der Kultivierungsebene 30 cm darunter ist in Abbildung 6 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen ein breites, sehr gleichmäßiges Lichtfeld mit einer scharfen Abgrenzung an den Rändern. Die Breite deckt bequem die 60 cm große Zielablage ab. Entscheidend ist, dass der berechnete theoretische Energienutzungsgrad – definiert als der PPF auf dem Regal dividiert durch den gesamten von den LEDs emittierten PPF – 92 % übersteigt. Dies weist darauf hin, dass über 92 % der von den LEDs erzeugten photosynthetisch aktiven Photonen direkt an das Pflanzendach abgegeben werden, wodurch Verschüttungen und Energieverschwendung im Vergleich zu herkömmlichen Designs drastisch reduziert werden.
3.3 Skalierbarkeit für erweiterte Setups
In praktischen vertikalen Farmen sind Anbauregale häufig in langen Reihen aneinandergereiht. Die simulierte PPFD-Verteilung einer einzelnen Lampe zeigt leicht verjüngte Enden. Wenn zwei oder mehr Lampen aneinandergereiht werden, überlappen sich ihre PPFD-Verteilungen und ergänzen sich in diesen Übergangszonen. Die Simulation zweier verbundener Lampen (Abbildung 7) bestätigt, dass die überlappenden Bereiche die Gleichmäßigkeit verbessern, was zu einem nahtlos gleichmäßigen Lichtfeld über einen ausgedehnten Längsbereich führt.
3.4 Experimenteller Prototyp und Validierung
Basierend auf dem Design wurde ein Lampenprototyp hergestellt, der geformte Freiformlinsen, einen extrudierten Aluminiumkühlkörper und Endkappen umfasste. Fotos des Prototyps und seines beleuchteten Flecks (Abbildung 8) bestätigen visuell das simulierte breite und gleichmäßige Lichtmuster.
Experimentelle Messungen ergaben starke Leistungskennzahlen:
Hohe Effizienz:Die Systemeffizienz überstieg 92 %, wobei über 86 % der photosynthetischen Photonen der Quelle auf die Kultivierungsebene einfielen.
Hohe Gleichmäßigkeit:Das Verhältnis von minimalem zu durchschnittlichem PPFD auf der Zielebene betrug mehr als 82 %, was auf eine hervorragende räumliche Gleichmäßigkeit hinweist, die für ein gleichmäßiges Pflanzenwachstum entscheidend ist.
4. Diskussion und Schlussfolgerung
Das Design und die Implementierung dieser hohen-Effizienz, hohen-GleichmäßigkeitLED-PflanzenwachstumLampe behebt mehrere Hauptprobleme in der vertikalen Landwirtschaft:
Kostenreduzierung:Durch die Ermöglichung einer gleichmäßigen Abdeckung mit einer einzigen zentralen Lampenröhre pro Regal reduziert das Design die Anzahl der pro Kulturschicht erforderlichen Vorrichtungen erheblich, wodurch die anfänglichen Investitionsausgaben (CapEx) und die laufenden Wartungskosten gesenkt werden.
Energieeinsparungen: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >Eine Energieauslastung von 92 % führt direkt zu einem geringeren Stromverbrauch und geringeren Betriebskosten (OpEx).
Verbesserte Erntequalität:Die hohe PPFD-Gleichmäßigkeit stellt sicher, dass alle Pflanzen das gleiche Lichtniveau erhalten, und fördert so ein gleichmäßiges Wachstum, eine gleichbleibende Reifung und Qualität. Dies verringert die Ertragsschwankungen und den daraus resultierenden Bedarf an arbeitsintensiver Sortierung.
Bedienerfreundlichkeit:Eine einzelne, zentral angeordnete Lampe ist im Vergleich zu mehreren Leuchten einfacher zu installieren, zu reinigen und zu warten, was die Betriebsverwaltung vereinfacht.
Diese Arbeit demonstriert die leistungsstarke Anwendung fortschrittlicher optischer Designprinzipien, insbesondere der Theorie des digitalen Lichtfelds und der Freiform-Oberflächenfertigung, auf Herausforderungen in der Agrartechnik. Die „Sekundärquellen-Oberflächenmethode“ erwies sich bei der Entwicklung eines kompakten Hochleistungsobjektivs, das für einen längeren Zeitraum zugeschnitten ist, als effektivLED-Quelle. Das resultierende Pflanzenwachstumslampensystem wandelt die Lichtleistung eines linearen LED-Arrays erfolgreich in eine breite, fledermausähnliche Verteilung um, die sich zu einem äußerst gleichmäßigen Feld überlagert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Integration von digitalem optischem Design und LED-Technologie den Weg für die nächste Generation präziser landwirtschaftlicher Beleuchtung ebnet. Das hier vorgestellte Lampendesign bietet eine überzeugende Lösung für vertikale Farmen und kombiniert eine hohe Effizienz der Photonenabgabe, eine hervorragende räumliche Gleichmäßigkeit und wirtschaftliche Vorteile. Zukünftige Arbeiten könnten die Anpassung dieser Methodik an unterschiedliche Regalabmessungen, die Optimierung von Spektren für bestimmte Kulturpflanzen und die weitere Integration intelligenter Steuerungen für dynamische Beleuchtungsrezepte untersuchen, um letztendlich zu nachhaltigeren und produktiveren städtischen Landwirtschaftssystemen beizutragen.
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