ऊर्ध्वाधर खेती के लिए उच्च -दक्षता और उच्च{{1}एकरूपता वाले एलईडी प्लांट ग्रोथ लैंप का डिजाइन
अमूर्त
वैश्विक जनसंख्या की तीव्र वृद्धि और बढ़ते शहरीकरण के साथ, खाद्य सुरक्षा एक गंभीर विश्वव्यापी चुनौती बन गई है। सीमित स्थान और संसाधनों के भीतर फसल की उपज और पोषण गुणवत्ता बढ़ाने के लिए नवीन कृषि विधियों की तत्काल आवश्यकता है। इनमें से, नियंत्रित पर्यावरण कृषि (सीईए), विशेष रूप से ऊर्ध्वाधर खेती, एक आशाजनक समाधान के रूप में उभरी है। ऊर्ध्वाधर कृषि प्रणालियों का एक महत्वपूर्ण घटक कृत्रिम प्रकाश व्यवस्था है, जो प्रकाश संश्लेषण को चलाने के लिए प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश का विकल्प या पूरक है। प्रकाश उत्सर्जित करने वाले डायोड (एलईडी) अपनी ऊर्जा दक्षता, दीर्घायु, वर्णक्रमीय ट्यूनेबिलिटी और कम तापीय विकिरण के कारण पसंदीदा प्रकाश स्रोत बन गए हैं। हालाँकि, बहुस्तरीय ऊर्ध्वाधर खेतों में एलईडी प्रकाश व्यवस्था की प्रभावी तैनाती के लिए न केवल उच्च प्रकाश संश्लेषक फोटॉन प्रभावकारिता की आवश्यकता होती है, बल्कि पौधे की छतरी में प्रकाश वितरण की असाधारण स्थानिक एकरूपता भी होती है। गैर-समान रोशनी से पौधों की असमान वृद्धि, कुल उपज में कमी और ऊर्जा की बर्बादी हो सकती है। यह आलेख एक नवीन ऑप्टिकल डिज़ाइन पर प्रकाश डालता हैएलईडी संयंत्र विकासडिजिटल लाइट फील्ड सिद्धांत पर आधारित लैंप, जो एक एकल, केंद्रीय रूप से स्थापित लैंप ट्यूब का उपयोग करके खेती के विमान पर अत्यधिक समान प्रकाश संश्लेषक फोटॉन फ्लक्स घनत्व (पीपीएफडी) वितरण प्राप्त करने के लिए एक कस्टम फ्री फॉर्म सतह लेंस का उपयोग करता है, जिससे ऊर्ध्वाधर खेती में प्रमुख आर्थिक और परिचालन चुनौतियों का समाधान होता है।
1 परिचय
ऊर्ध्वाधर खेती कृषि उत्पादन में एक आदर्श बदलाव का प्रतिनिधित्व करती है, जिसमें अक्सर इमारतों या नियंत्रित वातावरण के भीतर खड़ी परतों में फसलों की खेती शामिल होती है। यह विधि भूमि उपयोग दक्षता को अधिकतम करती है, पानी की खपत को कम करती है, कीटनाशकों के उपयोग को कम करती है और शहरी क्षेत्रों में स्थानीय खाद्य उत्पादन को सक्षम बनाती है। इस तकनीक की आधारशिला विकास के माहौल का सटीक नियंत्रण है, जिसमें प्रकाश व्यवस्था सबसे महत्वपूर्ण और ऊर्जा गहन कारकों में से एक है।
एल.ई.डी. आधारित पौधा विकासलैंप पारंपरिक प्रकाश व्यवस्था की तुलना में महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करते हैं, जैसे उच्च दबाव वाले सोडियम (एचपीएस) लैंप, जिसमें वर्णक्रमीय विशिष्टता, मंदता और दिशात्मक प्रकाश आउटपुट शामिल हैं। ऊर्ध्वाधर खेतों में ऐसे लैंप के लिए प्राथमिक ऑप्टिकल लक्ष्य एक समान पीपीएफडी प्रदान करना है - प्रति यूनिट क्षेत्र प्रति सेकंड आने वाले प्रकाश संश्लेषक सक्रिय फोटॉनों की संख्या - पूरे खेती ट्रे में। उच्च एकरूपता प्राप्त करने से सभी पौधों के लिए लगातार विकास दर और गुणवत्ता सुनिश्चित होती है, जिससे छंटाई और ग्रेडिंग की आवश्यकता कम हो जाती है।
परंपरागत रूप से, एक ही कल्टीवेशन प्लेन के ऊपर अगल-बगल कई लैंप ट्यूबों को तैनात करके उच्च एकरूपता अपनाई जाती है। प्रभावी होते हुए भी, इस बहु - लैंप दृष्टिकोण में कई कमियां हैं: बड़ी संख्या में फिक्स्चर के कारण उच्च प्रारंभिक पूंजी लागत, लक्ष्य क्षेत्र (विशेष रूप से किनारों पर) से परे प्रकाश फैलने से महत्वपूर्ण ऊर्जा अपशिष्ट, और रखरखाव की जटिलता और लागत में वृद्धि। इसलिए, एक सम्मोहक विकल्प एक ऑप्टिकल सिस्टम डिज़ाइन करना है जो अनुमति देता हैअकेलामानक खेती की चौड़ाई (उदाहरण के लिए, 60 सेमी) पर एक समान पीपीएफडी वितरण उत्पन्न करने के लिए लैंप ट्यूब। यह दृष्टिकोण सभी लाभों को बरकरार रखने का वादा करता हैप्रकाश नेतृत्वलागत, ऊर्जा बर्बादी और रखरखाव के मुद्दों को कम करते हुए। यह पेपर ऐसी प्रणाली के डिज़ाइन, सिमुलेशन और प्रयोगात्मक सत्यापन को प्रस्तुत करता है, जिसमें डिजिटल लाइट फील्ड पद्धति के माध्यम से डिज़ाइन किए गए एक निःशुल्क फॉर्म लेंस का उपयोग किया जाता है।
2. कार्यप्रणाली: डिजिटल लाइट फील्ड और ऑप्टिकल डिजाइन
2.1 डिजिटल प्रकाश क्षेत्र की अवधारणा
रोशनी और चमकदार तीव्रता जैसी पारंपरिक फोटोमेट्रिक मात्राएं सतह पर या ठोस कोण के भीतर चमकदार प्रवाह के घनत्व का वर्णन करती हैं। मूल्यांकन के लिए आवश्यक होते हुए भी, वे ऑप्टिकल सतहों की व्युत्क्रम डिजाइन प्रक्रिया के लिए सीधे अनुकूल नहीं हैं। डिजिटल प्रकाश क्षेत्र सिद्धांत एक अधिक मूलभूत ढांचा प्रदान करता है। इसमें ऑप्टिकल फ़ील्ड स्पेस को सूक्ष्म तत्वों में विभाजित करना शामिल है। प्रत्येक तत्व की विशेषता उसके बीच से गुजरने वाले एक प्रकाश शंकु और उसकी सतह के सामान्य वेक्टर से होती है। समग्र प्रकाश क्षेत्र का वर्णन एक गैर-इमेजिंग डिजिटल प्रकाश क्षेत्र फ़ंक्शन (एनडीएलएफएफ) द्वारा किया जाता है। यह डिजिटलीकरण ऑप्टिकल डिज़ाइन समस्या को एक या एक से अधिक ऑप्टिकल सतहों, जैसे कि फ्री{7}}फॉर्म लेंस के उपयोग के माध्यम से लक्ष्य सतह पर एनडीएलएफएफ में हेरफेर करने में बदल देता है। ज़िंगे ऑप्टिकल टेक्नोलॉजी द्वारा विकसित यह विधि, विकिरण और तीव्रता वितरण पर सटीक नियंत्रण सक्षम करती है, जो इसे जटिल प्रकाश डिजाइन कार्यों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाती है।
2.2 स्रोत, लेआउट और लक्ष्य वितरण अनुकूलन
डिज़ाइन प्रक्रिया प्रकाश स्रोत और लक्ष्य को परिभाषित करने से शुरू होती है। चुना गया स्रोत उच्च {{1}शक्ति वाला 3535-पैकेज्ड हैनेतृत्व कियागुंबद लेंस के साथ. एक विशिष्ट खेती शेल्फ के लिए, लक्ष्य लैंप से 30 सेमी नीचे स्थित एक विमान है, जिसकी चौड़ाई 60 सेमी से थोड़ी अधिक है। लैंप ट्यूब में एक ही पंक्ति में 48 मिमी की दूरी पर 25 ऐसे एलईडी शामिल हैं, जिसके परिणामस्वरूप कुल लंबाई 1.2 मीटर है।
एक महत्वपूर्ण कदम इष्टतम पीपीएफडी वितरण का निर्धारण करना हैअकेलाएलईडी लेंस संयोजन लक्ष्य तल पर उत्पन्न होना चाहिए। यदि प्रत्येक एलईडी एक सरल, घूर्णी रूप से सममित समान स्थान बनाता है, तो रैखिक सरणी से 25 ऐसे स्थानों के सुपरपोजिशन के परिणामस्वरूप ओवरलैपिंग के कारण "उज्ज्वल केंद्र, अंधेरे किनारों" का वितरण होगा। इसलिए, आदर्श एकल एलईडी वितरण को इसकी भरपाई करनी चाहिए। जटिल विश्लेषणात्मक समाधानों के बजाय, MATLAB का उपयोग करके एक संख्यात्मक अनुकूलन दृष्टिकोण नियोजित किया गया था।
एकल -एलईडी पीपीएफडी वितरण को सामान्यीकृत घूर्णी सममित फ़ंक्शन पी (आर) के रूप में तैयार किया गया था, जहां आर स्पॉट सेंटर से रेडियल दूरी है। लक्ष्य क्षेत्र को अलग कर दिया गया था, और पी(आर) को एक अनुकूलन चर के रूप में माना गया था। अनुकूलन का उद्देश्य 25 एलईडी के उनके निश्चित स्थानों पर सुपरपोजिशन के परिणामस्वरूप होने वाले कुल पीपीएफडी वितरण के विचलन को कम करना था। मूल पेपर के चित्र 3 में दिखाया गया अनुकूलित परिणाम, एकल एलईडी के लिए एक काउंटर-सहज ज्ञान युक्त "अंधेरे केंद्र, उज्ज्वल परिधि" वितरण को प्रकट करता है। यह अनूठा वितरण यह सुनिश्चित करता है कि जब कई एलईडी स्पॉट ओवरलैप होते हैं, तो वे एक-दूसरे के मंद क्षेत्रों को भर देते हैं, जिससे खेती के स्तर पर अत्यधिक समान समग्र वितरण होता है।
2.3 "माध्यमिक स्रोत सतह विधि" के माध्यम से नि:शुल्क -फ़ॉर्म लेंस डिज़ाइन
ऊपर वर्णित अनुकूलित पीपीएफडी वितरण को प्राप्त करने के लिए, एक मुफ़्त{0}}फ़ॉर्म लेंस डिज़ाइन किया गया था। पारंपरिक गोलाकार लेंसों में ऐसे सटीक नियंत्रण के लिए स्वतंत्रता की डिग्री का अभाव होता है। डिज़ाइन में ज़िंगे ऑप्टिक्स की "सेकेंडरी सोर्स सरफेस मेथड" को नियोजित किया गया है, जो डिजिटल लाइट फील्ड सिद्धांत पर आधारित एक तकनीक है जो सीधे विस्तारित स्रोतों के साथ काम करती है (उन्हें बिंदु स्रोतों तक सरल बनाने के बजाय), कॉम्पैक्ट ऑप्टिकल सिस्टम के लिए भी उच्च सटीकता सुनिश्चित करती है।
डिज़ाइन किए गए लेंस में एक चिकनी, गैर {{0}घूर्णी रूप से सममित मुक्त {{1}सतह है जो प्रकाश किरणों को सावधानीपूर्वक पुनर्निर्देशित करती है। जैसा कि चित्र 4/5 में दिखाया गया है, एलईडी से मुख्य किरणें अलग-अलग कोणों पर अपवर्तित होती हैं, जिसमें एकल- एलईडी स्पॉट में आवश्यक उज्ज्वल बाहरी रिंग बनाने के लिए बड़े कोणों की ओर निर्देशित किरणों का उच्च घनत्व होता है। फिर लेंस मॉडल को कठोर विश्लेषण के लिए ऑप्टिकल सिमुलेशन सॉफ्टवेयर (उदाहरण के लिए, लाइटटूल्स) में आयात किया गया था।
3. परिणाम और विश्लेषण
3.1 सिंगल एलईडी-लेंस सिमुलेशन
मोंटे कार्लो विधि का उपयोग करके रे {{0}ट्रेसिंग सिमुलेशन एलईडी मॉडल के साथ जोड़े गए डिज़ाइन लेंस पर किया गया था। लक्ष्य तल पर परिणामी पीपीएफडी वितरण (चित्र 5) ने धारा 2.2 से सैद्धांतिक रूप से अनुकूलित लक्ष्य वितरण के साथ उत्कृष्ट समझौता दिखाया, जो डिजाइन की वैधता की पुष्टि करता है।
3.2 पूर्ण लैंप ट्यूब प्रदर्शन
संपूर्ण 1.2 मीटर लैंप ट्यूब का अनुकरण करने के लिए 48 मिमी की दूरी पर स्थित 25 एलईडी लेंस इकाइयों की एक श्रृंखला तैयार की गई थी। 30 सेमी नीचे खेती के विमान पर सिम्युलेटेड पीपीएफडी वितरण चित्र 6 में दिखाया गया है। परिणाम किनारों पर तेज कटऑफ के साथ एक विस्तृत, अत्यधिक समान प्रकाश क्षेत्र प्रदर्शित करते हैं। चौड़ाई आराम से 60 सेमी लक्ष्य शेल्फ को कवर करती है। महत्वपूर्ण रूप से, गणना की गई सैद्धांतिक ऊर्जा उपयोग अनुपात - एल ई डी द्वारा उत्सर्जित कुल पीपीएफ द्वारा विभाजित शेल्फ पर पीपीएफ के रूप में परिभाषित - 92% से अधिक है। यह इंगित करता है कि एलईडी द्वारा उत्पन्न 92% से अधिक प्रकाश संश्लेषक रूप से सक्रिय फोटॉन सीधे प्लांट कैनोपी तक पहुंचाए जाते हैं, जिससे पारंपरिक डिजाइनों की तुलना में रिसाव और ऊर्जा अपशिष्ट में भारी कमी आती है।
3.3 विस्तारित सेटअप के लिए स्केलेबिलिटी
व्यावहारिक ऊर्ध्वाधर खेतों में, खेती की अलमारियों को अक्सर लंबी पंक्तियों में अंत से {{0} से अंत तक व्यवस्थित किया जाता है। एकल लैंप से सिम्युलेटेड पीपीएफडी वितरण थोड़ा पतला सिरा दिखाता है। जब दो या दो से अधिक लैंपों को सिरे से {{4} से {{5} सिरे तक रखा जाता है, तो उनके पीपीएफडी वितरण ओवरलैप होते हैं और इन संक्रमणकालीन क्षेत्रों में एक दूसरे के पूरक होते हैं। दो जुड़े हुए लैंपों का अनुकरण (चित्र 7) पुष्टि करता है कि ओवरलैपिंग क्षेत्र एकरूपता बढ़ाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक विस्तारित अनुदैर्ध्य क्षेत्र पर एक समान रूप से समान प्रकाश क्षेत्र बनता है।
3.4 प्रायोगिक प्रोटोटाइप और सत्यापन
डिज़ाइन के आधार पर एक प्रोटोटाइप लैंप का निर्माण किया गया था, जिसमें मोल्डेड फ्री {{0}फॉर्म लेंस, एक एल्यूमीनियम एक्सट्रूज़न हीटसिंक और एंड कैप शामिल थे। प्रोटोटाइप और उसके प्रकाशित स्थान (चित्र 8) की तस्वीरें दृश्यमान रूप से अनुरूपित विस्तृत और समान प्रकाश पैटर्न की पुष्टि करती हैं।
प्रायोगिक माप से मजबूत प्रदर्शन मेट्रिक्स प्राप्त हुए:
उच्च दक्षता:सिस्टम की दक्षता 92% से अधिक हो गई, स्रोत के 86% से अधिक प्रकाश संश्लेषक फोटॉन कल्टीवेशन प्लेन पर आपतित हुए।
उच्च एकरूपता:लक्ष्य स्तर पर न्यूनतम से औसत पीपीएफडी का अनुपात 82% से अधिक था, जो लगातार पौधों की वृद्धि के लिए उत्कृष्ट स्थानिक एकरूपता को दर्शाता है।
4. चर्चा एवं निष्कर्ष
इस उच्च{{0}दक्षता, उच्च{{1}एकरूपता का डिज़ाइन और कार्यान्वयनएलईडी संयंत्र विकासलैंप ऊर्ध्वाधर खेती में कई प्रमुख समस्याओं का समाधान करता है:
लागत में कमी:प्रति शेल्फ एक एकल केंद्रीय लैंप ट्यूब के साथ समान कवरेज को सक्षम करके, डिज़ाइन प्रति खेती परत के लिए आवश्यक फिक्स्चर की संख्या को काफी कम कर देता है, प्रारंभिक पूंजी व्यय (कैपेक्स) और चल रही रखरखाव लागत को कम करता है।
ऊर्जा बचत: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% ऊर्जा उपयोग, सीधे तौर पर कम बिजली की खपत और परिचालन व्यय (ओपएक्स) का अनुवाद करता है।
फसल की गुणवत्ता में सुधार:उच्च पीपीएफडी एकरूपता सुनिश्चित करती है कि सभी पौधों को समान प्रकाश स्तर प्राप्त हो, जिससे लगातार विकास, परिपक्वता और गुणवत्ता को बढ़ावा मिले। इससे उपज परिवर्तनशीलता और उसके बाद श्रम-गहन छंटाई की आवश्यकता कम हो जाती है।
परिचालन सरलता:एक एकल, केंद्र में स्थित लैंप को कई फिक्स्चर की तुलना में स्थापित करना, साफ करना और सेवा करना आसान है, जिससे फार्म प्रबंधन सरल हो जाता है।
यह कार्य एग्रीटेक चुनौतियों के लिए उन्नत ऑप्टिकल डिजाइन सिद्धांतों, विशेष रूप से डिजिटल लाइट फील्ड सिद्धांत और मुक्त सतह निर्माण के शक्तिशाली अनुप्रयोग को प्रदर्शित करता है। "द्वितीयक स्रोत सतह विधि" विस्तारित अवधि के लिए तैयार किए गए एक कॉम्पैक्ट, उच्च प्रदर्शन वाले लेंस को डिजाइन करने में प्रभावी साबित हुई।एलईडी स्रोत. परिणामी प्लांट ग्रोथ लैंप सिस्टम एक रैखिक एलईडी सरणी से प्रकाश आउटपुट को एक व्यापक, बैटविंग {{1} जैसे वितरण में सफलतापूर्वक बदल देता है जो अत्यधिक समान क्षेत्र में सुपरपोज हो जाता है।
निष्कर्ष में, एलईडी तकनीक के साथ डिजिटल ऑप्टिकल डिजाइन का एकीकरण अगली पीढ़ी की सटीक कृषि प्रकाश व्यवस्था का मार्ग प्रशस्त करता है। यहां प्रस्तुत लैंप डिज़ाइन ऊर्ध्वाधर खेतों के लिए एक आकर्षक समाधान प्रदान करता है, जो उच्च फोटॉन वितरण दक्षता, बेहतर स्थानिक एकरूपता और आर्थिक लाभ का संयोजन करता है। भविष्य के काम में विभिन्न शेल्फ आयामों के लिए इस पद्धति को अपनाने, विशिष्ट फसलों के लिए स्पेक्ट्रा को अनुकूलित करने और गतिशील प्रकाश व्यंजनों के लिए स्मार्ट नियंत्रण को एकीकृत करने, अंततः अधिक टिकाऊ और उत्पादक शहरी कृषि प्रणालियों में योगदान करने का पता लगाया जा सकता है।
संदर्भ
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