著者：Jing Zhao、Zengchan Zhou、Yunlong Bu、他出典メディア：農業工学技術（施設園芸）

植物工場は、現代産業、バイオテクノロジー、栄養水耕栽培、情報技術を組み合わせて、施設内の環境要因を高精度に制御します。完全に密閉されており、周囲環境への要求が低く、植物の収穫期間が短縮され、水と肥料が節約され、無農薬生産と廃棄物排出がないという利点により、単位土地利用効率は40～108倍です。露地生産の。中でも、インテリジェントな人工光源とその光環境制御は、その生産効率に決定的な役割を果たします。

重要な物理的環境要因として、光は植物の成長と物質代謝の調節に重要な役割を果たします。 「植物工場の大きな特徴の一つは、完全人工光源と光環境のインテリジェントな制御の実現である」というのが業界の共通認識となっています。

植物の光の必要性

光は植物の光合成の唯一のエネルギー源です。光の強度、光の質（スペクトル）、および光の周期的変化は作物の成長と発育に大きな影響を与えますが、その中でも光の強度は植物の光合成に最も大きな影響を与えます。

■ 光の強さ

光の強さによって、開花、節間長、茎の太さ、葉の大きさや厚さなど作物の形態が変化します。植物の光強度の要件は、光を好む植物、中程度の光を好む植物、および低光耐性の植物に分類できます。野菜は主に光を好む植物であり、光補償点と光飽和点が比較的高いです。人工光植物工場では、光強度に対する作物の関連要件が、人工光源を選択するための重要な基礎となります。さまざまな植物の光要件を理解することは、人工光源を設計するために重要であり、システムの生産パフォーマンスを向上させるために非常に必要です。

■ 光の質

光の質（スペクトル）分布も植物の光合成と形態形成に重要な影響を与えます（図1）。光は放射線の一部であり、放射線は電磁波です。電磁波には波動的な性質と量子（粒子）的な性質があります。園芸分野では光の量子をフォトンと呼びます。 300～800nmの波長範囲の放射線を植物の生理活性放射線といいます。 400~700nmの波長範囲の放射線は植物の光合成活性放射線(PAR)と呼ばれます。

クロロフィルとカロテンは、植物の光合成において最も重要な 2 つの色素です。図2に各光合成色素の分光吸収スペクトルを示します。クロロフィルの吸収スペクトルが赤と青のバンドに集中しています。照明システムは作物のスペクトルのニーズに基づいて人工的に光を補い、植物の光合成を促進します。

■ 光周期
植物の光合成および光形態形成と日長（または光周期時間）との関係を植物の光周期といいます。光周性は、作物に光が照射される時間を表す光時間と密接に関係しています。作物によっては、開花して結実するまでの日照時間を完了するために、一定時間の光が必要です。さまざまな光周期に従って、キャベツなどの長日作物に分類できます。これらは、成長の特定の段階で12〜14時間以上の光時間を必要とします。タマネギ、大豆などの短日作物は、必要な照明時間は 12 ～ 14 時間未満です。キュウリ、トマト、ピーマンなど、日当たりが中程度の作物は、日照時間が長くても短くても開花し、実を結ぶことができます。
環境の三要素のうち、光強度は人工光源を選択する際の重要な基準です。現在、光の強さを表現する方法は数多くありますが、主に以下の 3 つがあります。
（1）照度は、照射面で受ける光束（単位面積当たりの光束）の面密度をルクス（lx）で表します。

（2）光合成活性放射線、PAR、単位：W/m²。

（3）光合成有効光子束密度PPFDまたはPPFとは、単位時間および単位面積に到達または通過する光合成有効放射線の数で、単位：μmol/(m²・s)。主に400～700nmの光の強度を指します。光合成に直接関係しています。また、植物生産の分野で最も一般的に使用される光強度インジケーターでもあります。

代表的な補助光システムの光源解析
人工光補足とは、植物の光需要を満たすために補足光システムを設置することにより、対象エリアの光強度を高めたり、光時間を延長したりすることです。一般に、補助照明システムには補助照明装置、回路およびその制御システムが含まれます。補助光源には主に、白熱灯、蛍光灯、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプ、LED などのいくつかの一般的なタイプが含まれます。白熱灯は電気効率や光効率が低く、光合成エネルギー効率が低いなどの欠点があるため、市場では排除されているため、この記事では詳細な分析は行いません。

■蛍光灯
蛍光ランプは低圧ガス放電ランプの一種に属します。ガラス管内には水銀蒸気または不活性ガスが封入されており、管の内壁は蛍光粉でコーティングされています。チューブ内にコーティングされた蛍光体により光の色が異なります。蛍光灯は、白熱灯と比較して優れたスペクトル性能、高い発光効率、低電力、長寿命 (12000 時間)、および比較的低コストを備えています。蛍光灯自体の発熱が少ないため、植物に近づけて照明することができ、立体栽培に適しています。しかし、蛍光灯のスペクトル配置には無理があります。世界で最も一般的な方法は、栽培エリア内の作物の有効光源成分を最大化するために反射板を追加することです。日本のアドバグリ社も、新しいタイプの補助光源 HEFL を開発しました。 HEFLは実際には蛍光灯のカテゴリーに属します。冷陰極蛍光ランプ（CCFL）と外部電極蛍光ランプ（EEFL）の総称であり、混合電極蛍光ランプです。 HEFLチューブは直径約4mmと非常に細く、栽培のニーズに合わせて長さを450mmから1200mmまで調整できます。従来の蛍光灯を改良したものです。

■メタルハライドランプ
メタルハライドランプは、高圧水銀ランプをベースに、放電管内に各種金属ハロゲン化物（臭化錫、ヨウ化ナトリウムなど）を添加することにより、異なる元素を励起して異なる波長を発生させることができる高輝度放電ランプです。ハロゲンランプは、高い発光効率、高出力、良好な光色、長寿命、広いスペクトルを備えています。しかし、高圧ナトリウムランプに比べて発光効率が低く、寿命も短いため、現在では一部の植物工場でしか使用されていません。

■高圧ナトリウムランプ
高圧ナトリウムランプは高圧ガス放電ランプの一種です。高圧ナトリウムランプは、放電管内に高圧のナトリウム蒸気を封入し、微量のキセノン（Xe）と金属ハロゲン化水銀を添加した高効率ランプです。高圧ナトリウムランプは、電気光変換効率が高く、製造コストが低いため、現在、農業施設の補助光用途に最も広く使用されています。ただし、スペクトル内の光合成効率が低いという欠点があるため、エネルギー効率が低いという欠点があります。一方、高圧ナトリウムランプから放射されるスペクトル成分は主に黄オレンジ色の光帯域に集中しており、植物の成長に必要な赤と青のスペクトルが欠けています。

■発光ダイオード
新世代の光源として、発光ダイオード (LED) には、より高い電気光変換効率、調整可能なスペクトル、高い光合成効率など、多くの利点があります。 LEDは植物の成長に必要な単色光を発することができます。通常の蛍光灯や他の補助光源と比較して、LEDは省エネ、環境保護、長寿命、単色光、冷光源などの利点があります。 LEDの電気光学効率のさらなる向上とスケール効果によるコストの削減により、LED栽培照明システムは農業施設の光を補うための主流の機器になるでしょう。その結果、LED 育成ライトは 99.9% の植物工場に導入されています。

比較すると、表 1 に示すように、さまざまな補助光源の特性が明確に理解できます。

モバイル照明装置
光の強さは作物の成長と密接な関係があります。植物工場では立体栽培がよく使われています。しかし、栽培ラックの構造上の制限により、ラック間の光と温度の分布が不均一になると作物の収量に影響が生じ、収穫時期が同期しなくなります。北京の企業は、2010年に手動昇降式照明補助装置（HPS照明器具とLED栽培照明器具）の開発に成功しました。原理は、ハンドルを振ることによってドライブシャフトとそれに固定されたワインダーを回転させ、小さなフィルムリールを回転させることです。ワイヤーロープの巻き取りと巻き戻しの目的を達成するため。植物育成ライトのワイヤロープは、複数組の反転ホイールを介してエレベーターの巻取ホイールに接続されており、植物育成ライトの高さを調整する効果が得られます。 2017 年、上記の会社は、作物の成長ニーズに応じてリアルタイムで光補給の高さを自動的に調整できる、新しいモバイル光補給装置を設計および開発しました。 3段光源昇降式立体栽培ラックに調整装置を搭載しました。装置の最上層は光条件が最も良いレベルであるため、高圧ナトリウムランプが装備されています。中間層と最下層にはLED栽培ライトと昇降調整システムが装備されています。植物育成ライトの高さを自動的に調整し、作物に適した照明環境を提供します。

オランダは、立体栽培に特化した移動式光補助装置に比べ、水平移動可能なLEDグローライト補助光装置を開発しました。太陽の下での植物の成長に対するグローライトの影の影響を避けるために、グローライトシステムを水平方向の伸縮スライドを通してブラケットの両側に押すことができ、太陽が完全に当たるようにすることができます。植物に照射される。太陽光のない曇りや雨の日には、グローライトシステムをブラケットの中央に押して、グローライトシステムの光が植物に均等に当たるようにします。ブラケット上のスライドを通して植物育成ライト システムを水平に移動させることで、植物育成ライト システムの頻繁な分解と取り外しを回避し、従業員の労働力を軽減し、作業効率を効果的に向上させます。

典型的なグローライトシステムの設計アイデア
移動式照明補助装置の設計から、植物工場の補助照明システムの設計では、通常、さまざまな作物の成長期の光強度、光の質、日長パラメータが設計の中心的な内容であることがわかります。 、インテリジェントな制御システムに依存して実装し、省エネと高収率の最終目標を達成します。

現在、葉物野菜用の補助照明の設計と建設は徐々に成熟しています。例えば、葉物野菜は苗期、中生期、晩生期、末期の4つの期に分けられます。果実野菜は苗期、栄養成長期、開花期、収穫期に分けられます。補助光強度の特性から、苗の段階での光強度は 60~200 μmol/(m²・s) と若干低く、その後徐々に増加する必要があります。葉物野菜は最大100〜200μmol/(m2・s)、果菜類は300〜500μmol/(m2・s)に達し、各成長期の植物の光合成の光強度要件を確保し、必要な光量を満たします。高収率。光の質の観点からは、赤と青の比率が非常に重要です。苗の品質を高め、苗の段階での過度の成長を防ぐために、通常、赤と青の比率は低レベル[(1〜2):1]に設定され、植物のニーズに合わせて徐々に減少します。軽い形態。赤野菜、青野菜、葉物野菜の比率を（3～6）：1に設定できます。光周期についても、光強度と同様に、葉物野菜の光合成時間が長くなるように、生育期間の延長とともに増加する傾向を示すはずです。果物や野菜の軽度のサプリメントの設計はより複雑になります。上記の基本法に加え、開花期の日照時間の設定に重点を置き、野菜の開花結実を促進し、裏目に出ないようにする必要がある。

ライトの式には、ライト環境設定の最終処理を含める必要があることに注意してください。たとえば、光を継続的に補給すると、水耕栽培の葉物野菜の苗の収量と品質が大幅に向上したり、UV 処理を使用して新芽や葉物野菜 (特に紫葉やレッドリーフレタス) の栄養品質を大幅に向上させることができます。

選択された作物に対する光の補充を最適化することに加えて、一部の人工光植物工場の光源制御システムも近年急速に発展しています。この制御システムは一般に B/S 構造に基づいています。作物の生育時の温度、湿度、光、CO2濃度などの環境要素をWIFIにより遠隔制御・自動制御するとともに、外部条件に制限されない生産方法を実現します。この種のインテリジェント補助光システムは、補助光源として LED 成長照明器具を使用し、遠隔インテリジェント制御システムと組み合わせて、植物波長照明のニーズを満たすことができ、特に光制御された植物栽培環境に適しており、市場の需要に十分に対応できます。 。

結論
植物工場は、21世紀における世界の資源、人口、環境問題を解決する重要な方法であり、将来のハイテクプロジェクトにおいて食料自給自足を達成するための重要な方法であると考えられています。植物工場は新しいタイプの農業生産方法として、まだ学習と成長の段階にあり、さらなる注目と研究が必要です。本稿では、植物工場における一般的な補助照明方式の特徴と利点を説明し、代表的な作物補助照明システムの設計思想を紹介します。比較して見つけるのは難しくありませんが、連続する曇りや霧などの厳しい天候による低照度に対処し、施設作物の大量かつ安定した生産を確保するには、LED Grow光源装置が現在の開発に最も適合していますトレンド。

植物工場の将来の開発方向は、新しい高精度、低コストのセンサー、遠隔制御可能で調整可能なスペクトル照明デバイスシステム、およびエキスパート制御システムに焦点を当てる必要があります。同時に、将来の植物工場は、低コスト、インテリジェント、自己適応性を目指して発展し続けるでしょう。 LED栽培光源の普及・普及により、植物工場の高精度な環境制御が保証されます。 LED の光環境制御は、光の品質、光の強度、光周期の包括的な制御を含む複雑なプロセスです。関連する専門家や学者は綿密な研究を実施し、人工光型植物工場におけるLED補助照明を推進する必要がある。