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LED植物照明智能化控制策略分析

2014-09-04 16:05
水墨黯月
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  植物工厂已被国际上公认为是设施农业的最高级发展阶段,是未来设施园艺发展的必然趋势,是衡量一个国家农业高技术发展水平的重要标志之一。与露地农田系统相比,植物工厂生产系统具有更高的可控性和稳定性,在解决世界资源、环境与粮食安全问题,应对气候变化和极端天气灾害方面具有重要价值。植物工厂按光照来源可分为人工光植物工厂和太阳光植物工厂两种。但国际上狭义的植物工厂定义是指人工光植物工厂。

  人工光植物工厂的内在本质技术特征包括四点:(1)植物生长发育所需的环境因子智能可控,如温度、湿度、CO2浓度、光照、气流等;(2)植物栽培采用无土立体多层栽培模式,一般采用DFT、NFT、雾培及半水培方式进行水肥一体化供给与控制;(3)电光源人工光照技术,通过电光源为植物提供光合作用能量和光环境信号;(4)维护建筑结构为全封闭式,密闭性强,不透光,隔热性好。生产要素的智能控制是植物工厂最为本质的特征,它以第四点为前提条件,涵盖了上述前三点的本质技术特征。当然,植物工厂技术的发展不是短期形成的,它是工业技术和农业技术发展共同作用的结果。归纳而言,植物工厂的发展的技术基础包括以下三点。其一,矿质营养学说的提出及化肥工业的发展,孕育产生的立体无土栽培技术;其二,计算机与传感器技术的发展,使环境因子与养分监测控制成为现实;其三,半导体电光源技术的发展,促进了人工光照技术的发展,扩展了光环境控制的内涵。当前,作为植物工厂所有环境因素都实现了自动检测、储存分析和智能控制,发展智能型植物工厂的时机已经成熟。

  1植物工厂光环境智能控制必要性

  智能型植物工厂生产运行不仅要求环境因子控制、水肥供给与调配控制的自动化,也需要在育苗、移栽、采收等生产环节实现自动化操作,减少人为活动对生产空间的干扰与污染。植物工厂运行及生产的智能化管理与控制都需要消耗电能。人工光植物工厂的能耗构成包括光源、空调、泵动系统、气动系统、检测控制系统等。就人工光植物工厂而言,能耗最大的是光照系统,占总能耗的60%以上;其次是空调系统,占30%以上,其余管控系统消耗能源相对较少。目前,运行能耗成本已成为植物工厂运行成本的构成主体,是植物工厂运行成本居高不下的重要原因。因此,减少光照系统的能耗,已成为植物工厂节能增效的主要途径。

  发光二极管(Light-emitting diode,LED)是半导体固态光源,是荧光灯等传统植物工厂光源的理想替代品,节能效果明显。为重要的是,LED半导体照明技术的发展为植物工厂光源节能和环境智能控制提供了硬件条件,其最大节能潜力就是实现了光质、光强和光周期的智能化控制。同时,光照作为调控植物生长发育与产量品质形成的有效环境因子,光环境调控对提高人工光植物工厂生产效益至关重要。目前,植物工厂存在LED光源能耗高、光能利用率低、光环境精准控制技术缺乏等突出问题,开展植物工厂主要园艺作物光环境优化参数与控制模式研究是削减LED照明系统能耗,增加生产效率的必由之路。

  2 植物工厂光环境智能控制策略

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