Desain Lampu Pertumbuhan Tanaman LED-Efisiensi Tinggi dan Keseragaman-Tinggi untuk Pertanian Vertikal
Abstrak
Dengan pesatnya pertumbuhan populasi global dan meningkatnya urbanisasi, ketahanan pangan telah menjadi tantangan yang mendesak di seluruh dunia. Metode pertanian yang inovatif sangat dibutuhkan untuk meningkatkan hasil panen dan kualitas nutrisi dalam ruang dan sumber daya yang terbatas. Diantaranya, Pertanian dengan Lingkungan Terkendali (CEA), khususnya pertanian vertikal, telah muncul sebagai solusi yang menjanjikan. Komponen penting dari sistem pertanian vertikal adalah pencahayaan buatan, yang menggantikan atau melengkapi sinar matahari alami untuk mendorong fotosintesis. Light-Dioda Pemancar Cahaya (LED) telah menjadi sumber cahaya pilihan karena efisiensi energinya, umur panjang, kemampuan penyesuaian spektral, dan radiasi termal yang rendah. Namun, penerapan pencahayaan LED yang efektif di pertanian vertikal berlapis-tidak hanya menuntut kemanjuran foton fotosintesis yang tinggi namun juga keseragaman spasial distribusi cahaya yang luar biasa di seluruh kanopi tanaman. Penerangan yang tidak-seragam dapat menyebabkan pertumbuhan tanaman tidak merata, mengurangi hasil panen secara keseluruhan, dan membuang-buang energi. Artikel ini menggali desain optik baru untukPertumbuhan tanaman LEDlampu berdasarkan teori Medan Cahaya Digital, yang menggunakan lensa permukaan berbentuk bebas-khusus untuk mencapai distribusi kerapatan fluks foton fotosintesis (PPFD) yang sangat seragam pada bidang budidaya menggunakan tabung lampu tunggal yang dipasang di tengah, sehingga mengatasi tantangan ekonomi dan operasional utama dalam pertanian vertikal.
1. Pendahuluan
Pertanian vertikal mewakili perubahan paradigma dalam produksi pertanian, yang melibatkan budidaya tanaman dalam lapisan yang ditumpuk secara vertikal, seringkali di dalam bangunan atau lingkungan yang terkendali. Metode ini memaksimalkan efisiensi penggunaan lahan, mengurangi konsumsi air, meminimalkan penggunaan pestisida, dan memungkinkan produksi pangan lokal di perkotaan. Landasan teknologi ini adalah kontrol yang tepat terhadap lingkungan pertumbuhan, dengan pencahayaan menjadi salah satu faktor paling penting dan{2}}intensif energi.
Pertumbuhan tanaman-berbasis LEDlampu menawarkan keunggulan signifikan dibandingkan pencahayaan tradisional, seperti lampu-natrium tekanan tinggi (HPS), termasuk kekhususan spektral, kemampuan peredupan, dan keluaran cahaya terarah. Tujuan optik utama dari lampu semacam itu di pertanian vertikal adalah untuk menghasilkan PPFD yang seragam – jumlah foton aktif fotosintesis yang tiba per satuan luas per detik – di seluruh baki budidaya. Mencapai keseragaman yang tinggi menjamin tingkat pertumbuhan dan kualitas yang konsisten untuk semua tanaman, meminimalkan kebutuhan penyortiran dan penilaian.
Secara konvensional, keseragaman tinggi dicapai dengan memasang beberapa tabung lampu secara berdampingan-bersama-di atas satu bidang budidaya. Meskipun efektif, pendekatan multi-lampu ini memiliki beberapa kelemahan: biaya modal awal yang tinggi karena banyaknya jumlah perlengkapan, pemborosan energi yang signifikan akibat tumpahan cahaya di luar area target (terutama di bagian tepi), dan peningkatan kompleksitas serta biaya pemeliharaan. Oleh karena itu, alternatif yang menarik adalah merancang sistem optik yang memungkinkan alajangtabung lampu untuk menghasilkan distribusi PPFD yang seragam pada lebar budidaya standar (misalnya 60 cm). Pendekatan ini menjanjikan untuk mempertahankan semua manfaatpencahayaan LEDsekaligus memitigasi masalah biaya, pemborosan energi, dan pemeliharaan. Makalah ini menyajikan desain, simulasi, dan validasi eksperimental sistem tersebut, menggunakan lensa-bentuk bebas yang dirancang melalui metodologi Digital Light Field.
2. Metodologi: Bidang Cahaya Digital dan Desain Optik
2.1 Konsep Bidang Cahaya Digital
Besaran fotometrik tradisional seperti iluminasi dan intensitas cahaya menggambarkan kerapatan fluks cahaya pada suatu permukaan atau dalam sudut padat. Meskipun penting untuk evaluasi, hal ini tidak secara langsung mendukung proses desain terbalik permukaan optik. Teori medan cahaya digital memberikan kerangka yang lebih mendasar. Ini melibatkan diskritisasi ruang bidang optik menjadi elemen mikro. Setiap elemen dicirikan oleh kerucut cahaya yang melewatinya dan vektor normal permukaannya. Bidang cahaya keseluruhan dijelaskan oleh fungsi bidang cahaya digital non-pencitraan (NDLFF). Digitalisasi ini mengubah masalah desain optik menjadi manipulasi NDLFF pada permukaan target melalui penggunaan satu atau lebih permukaan optik, seperti lensa-bentuk bebas. Metode ini, yang dikembangkan oleh Xingye Optical Technology, memungkinkan kontrol yang tepat terhadap distribusi radiasi dan intensitas, sehingga sangat cocok untuk tugas desain pencahayaan yang kompleks.
2.2 Sumber, Tata Letak, dan Optimasi Distribusi Sasaran
Proses desain dimulai dengan menentukan sumber cahaya dan target. Sumber yang dipilih adalah-paket 3535 berdaya tinggiDIPIMPINdengan lensa kubah. Untuk rak budidaya pada umumnya, sasarannya adalah bidang yang terletak 30 cm di bawah lampu, dengan lebar sedikit melebihi 60 cm. Tabung lampu terdiri dari 25 LED yang diberi jarak 48 mm dalam satu baris, sehingga menghasilkan panjang total 1,2 m.
Langkah penting adalah menentukan distribusi PPFD yang optimal yang alajangKombinasi-lensa LED harus dihasilkan pada bidang target. Jika setiap LED menciptakan titik seragam yang sederhana dan simetris secara rotasi, superposisi 25 titik tersebut dari susunan linier akan menghasilkan distribusi "pusat terang, tepi gelap" karena tumpang tindih. Oleh karena itu, distribusi-LED tunggal yang ideal harus mengimbangi hal ini. Alih-alih solusi analitis yang kompleks, pendekatan optimasi numerik digunakan menggunakan MATLAB.
Distribusi-PPFD LED tunggal dimodelkan sebagai fungsi simetris rotasi yang dinormalisasi P(r), dengan r adalah jarak radial dari pusat titik. Area target didiskritisasi, dan P(r) diperlakukan sebagai variabel optimasi. Tujuan optimasi adalah untuk meminimalkan varians dari total distribusi PPFD yang dihasilkan dari superposisi 25 LED pada posisi tetapnya. Hasil yang dioptimalkan, ditunjukkan pada Gambar 3 makalah asli, menunjukkan distribusi "pusat gelap, pinggiran terang" yang berlawanan dengan intuisi untuk LED tunggal. Distribusi unik ini memastikan bahwa ketika beberapa titik LED saling tumpang tindih, titik-titik tersebut saling mengisi wilayah yang lebih redup, yang berpuncak pada distribusi keseluruhan yang sangat seragam pada bidang budidaya.
2.3 Desain Lensa-Bentuk Bebas melalui "Metode Permukaan Sumber Sekunder"
Untuk mencapai distribusi PPFD yang dioptimalkan seperti dijelaskan di atas, lensa-berbentuk bebas dirancang. Lensa sferis konvensional tidak memiliki derajat kebebasan untuk kontrol presisi seperti itu. Desainnya menggunakan "Metode Permukaan Sumber Sekunder" dari Xingye Optics, sebuah teknik yang didasarkan pada teori Medan Cahaya Digital yang bekerja langsung dengan sumber yang diperluas (daripada menyederhanakannya menjadi sumber titik), memastikan akurasi tinggi bahkan untuk sistem optik kompak.
Lensa yang dirancang memiliki permukaan bentuk bebas-simetris non-rotasi-halus yang mengalihkan sinar cahaya dengan cermat. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4/5, sinar utama dari LED dibiaskan pada berbagai sudut, dengan kerapatan sinar yang lebih tinggi diarahkan ke sudut yang lebih besar untuk menciptakan cincin luar terang yang diperlukan dalam satu titik-LED. Model lensa kemudian diimpor ke perangkat lunak simulasi optik (misalnya LightTools) untuk analisis yang cermat.
3. Hasil dan Analisis
3.1 LED Tunggal-Simulasi Lensa
Simulasi-ray tracing menggunakan metode Monte Carlo dilakukan pada lensa yang dirancang dan dipasangkan dengan model LED. Distribusi PPFD yang dihasilkan pada bidang target (Gambar 5) menunjukkan kesesuaian yang sangat baik dengan distribusi target yang dioptimalkan secara teoritis dari Bagian 2.2, yang menegaskan validitas desain.
3.2 Kinerja Tabung Lampu Penuh
Rangkaian 25 unit lensa-LED dengan jarak 48 mm dimodelkan untuk menyimulasikan tabung lampu lengkap berukuran 1,2 m. Distribusi PPFD yang disimulasikan pada bidang budidaya 30 cm di bawah ditunjukkan pada Gambar 6. Hasilnya menunjukkan bidang cahaya yang luas dan sangat seragam dengan potongan tajam di tepinya. Lebarnya dengan nyaman menutupi rak target 60 cm. Yang terpenting, rasio pemanfaatan energi teoritis yang dihitung – yang didefinisikan sebagai PPF di rak dibagi dengan total PPF yang dipancarkan oleh LED – melebihi 92%. Hal ini menunjukkan bahwa lebih dari 92% foton aktif fotosintesis yang dihasilkan oleh LED dikirim langsung ke kanopi tanaman, sehingga secara drastis mengurangi tumpahan dan pemborosan energi dibandingkan dengan desain konvensional.
3.3 Skalabilitas untuk Pengaturan yang Diperluas
Dalam pertanian vertikal praktis, rak budidaya sering kali disusun dari ujung-ke-ujung dalam barisan panjang. Distribusi PPFD yang disimulasikan dari satu lampu menunjukkan ujung yang sedikit meruncing. Saat dua atau lebih lampu ditempatkan-ke-ujung, distribusi PPFDnya tumpang tindih dan saling melengkapi di zona transisi ini. Simulasi dua lampu yang terhubung (Gambar 7) menegaskan bahwa area yang tumpang tindih meningkatkan keseragaman, menghasilkan medan cahaya yang seragam dan mulus pada area memanjang yang diperluas.
3.4 Prototipe dan Validasi Eksperimental
Sebuah prototipe lampu dibuat berdasarkan desain tersebut, termasuk lensa bentuk-bebas yang dibentuk, heatsink ekstrusi aluminium, dan penutup ujung. Foto prototipe dan titik iluminasinya (Gambar 8) secara visual menguatkan simulasi pola cahaya lebar dan seragam.
Pengukuran eksperimental menghasilkan metrik kinerja yang kuat:
Efisiensi Tinggi:Efisiensi sistem melampaui 92%, dengan lebih dari 86% foton fotosintesis sumber terjadi pada bidang budidaya.
Keseragaman Tinggi:Rasio PPFD minimum dan rata-rata pada bidang target lebih besar dari 82%, yang menunjukkan keseragaman spasial yang sangat baik yang sangat penting untuk pertumbuhan tanaman yang konsisten.
4. Pembahasan dan Kesimpulan
Desain dan implementasinya-efisiensi tinggi,-keseragaman tinggiPertumbuhan tanaman LEDlampu ini mengatasi beberapa permasalahan utama dalam pertanian vertikal:
Pengurangan Biaya:Dengan memungkinkan cakupan yang seragam dengan satu tabung lampu pusat per rak, desain ini secara signifikan mengurangi jumlah perlengkapan yang dibutuhkan per lapisan budidaya, sehingga menurunkan belanja modal awal (CapEx) dan biaya pemeliharaan berkelanjutan.
Penghematan Energi: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >Pemanfaatan energi sebesar 92%, secara langsung berarti penurunan konsumsi listrik dan biaya operasional (OpEx).
Peningkatan Kualitas Tanaman:Keseragaman PPFD yang tinggi memastikan semua tanaman menerima tingkat cahaya yang setara, mendorong pertumbuhan, pematangan, dan kualitas yang konsisten. Hal ini mengurangi variabilitas hasil dan kebutuhan selanjutnya akan-penyortiran padat karya.
Kesederhanaan Operasional:Lampu tunggal yang terletak di tengah lebih mudah dipasang, dibersihkan, dan diservis dibandingkan dengan beberapa perlengkapan, sehingga menyederhanakan pengelolaan peternakan.
Karya ini mendemonstrasikan penerapan hebat prinsip-prinsip desain optik tingkat lanjut, khususnya teori Digital Light Field dan manufaktur permukaan{0}}berbentuk bebas, terhadap tantangan teknologi pertanian. "Metode permukaan sumber sekunder" terbukti efektif dalam merancang lensa ringkas dan berperforma tinggi-yang disesuaikan untuk jangka waktu yang lamaSumber LED. Sistem lampu pertumbuhan tanaman yang dihasilkan berhasil mengubah keluaran cahaya dari rangkaian LED linier menjadi distribusi luas seperti sayap-yang melapisi bidang yang sangat seragam.
Kesimpulannya, integrasi desain optik digital dengan teknologi LED membuka jalan bagi pencahayaan pertanian presisi generasi berikutnya. Desain lampu yang disajikan di sini menawarkan solusi menarik untuk pertanian vertikal, menggabungkan efisiensi pengiriman foton yang tinggi, keseragaman spasial yang unggul, dan manfaat ekonomi. Pekerjaan di masa depan mungkin akan mengeksplorasi adaptasi metodologi ini untuk dimensi rak yang berbeda, mengoptimalkan spektrum untuk tanaman tertentu, dan lebih lanjut mengintegrasikan kontrol cerdas untuk resep pencahayaan dinamis, yang pada akhirnya berkontribusi terhadap sistem pertanian perkotaan yang lebih berkelanjutan dan produktif.
Referensi
[1] Liu Wenke.Fisiologi Kualitas Cahaya Tanaman dan Pengaturannya di Pabrik Tanaman[M]. Beijing: Pers Sains dan Teknologi Pertanian Tiongkok, 2019.
[2] Chengying.Penelitian Metode Desain dan Penerapan Permukaan Bentuk Bebas Optik[D]. Tianjin: Universitas Tianjin, 2013.
[3] Yang Tong, Duan Cuizhe, Cheng Dewen, dkk. Desain sistem optik pencitraan permukaan bentuk bebas: Teori, pengembangan, dan aplikasi [J].Acta Optica Sinica, 2021, 41(1): 115-143.
[4] Yin Xia.Penelitian tentang Metode Desain Optik-Non-pencitraan Tiga Dimensi untuk Sumber LED[D]. Hangzhou: Universitas Jiliang Cina, 2015.
[5] Zhao Liang, Cen Songyuan. Lampu Pertumbuhan Tanaman yang Dipasang di Dinding-Hemat-Dirancang Berdasarkan Teori Medan Cahaya Digital Non-pencitraan [J].Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2021, 32(2): 14-18.
[6] Jiang Yifan, Chen Zhimin. Pengalaman Pembangunan dan Pencerahan Pertanian Vertikal Asing [J].Ekonomi dan Sains Pedesaan-Teknologi, 2021, 32(13): 208-210.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/grow-lampu-untuk-houseplants.html
