垂直農法用の高効率-高均一性 LED 植物成長ランプの設計-
抽象的な
世界人口の急速な増加と都市化の進行に伴い、食糧安全保障は世界的な差し迫った課題となっています。限られたスペースと資源の中で作物の収量と栄養の質を高めるためには、革新的な農業方法が緊急に必要とされています。その中でも、環境管理農業（CEA）、特に垂直農業が有望な解決策として浮上しています。垂直農業システムの重要な要素は、光合成を促進するために自然太陽光を代替または補完する人工照明です。発光ダイオード (LED) は、そのエネルギー効率、長寿命、スペクトル調整可能性、および低い熱放射により、推奨される光源となっています。ただし、多層垂直農場に LED 照明を効果的に導入するには、高い光合成光子効率だけでなく、植物の樹冠全体にわたる配光の優れた空間均一性も必要です。{6} -照明が不均一であると、植物の成長が不均一になり、全体的な収量が減少し、エネルギーが無駄になる可能性があります。この記事では、新しい光学設計について詳しく説明します。LED植物の成長デジタル ライト フィールド理論に基づくランプ。カスタム自由曲面レンズを利用し、中央に取り付けられた単一のランプ管を使用して栽培面上で高度に均一な光合成光子束密度（PPFD）分布を実現します。これにより、垂直農業における主要な経済的および運営上の課題に対処できます。{0}
1. はじめに
垂直農業は農業生産におけるパラダイムシフトを表しており、多くの場合建物内や管理された環境内で、垂直に積み重ねられた層で作物を栽培することが含まれます。この方法により、土地利用効率が最大化され、水の消費量が削減され、農薬の使用が最小限に抑えられ、都市部での地元の食料生産が可能になります。この技術の基礎は生育環境の正確な制御であり、照明は最も重要でエネルギーを大量に消費する要素の 1 つです-。
LED-ベースの植物の成長ランプは、高圧ナトリウム（HPS）ランプなどの従来の照明に比べて、スペクトル特異性、調光性、指向性光出力などの大きな利点を備えています。{0}垂直農場におけるこのようなランプの主な光学的目標は、栽培トレイ全体にわたって均一な PPFD (単位面積あたり 1 秒あたりに到達する光合成活性光子の数) を供給することです。高い均一性を達成することで、すべての植物の成長速度と品質が一貫して保証され、選別や等級分けの必要性が最小限に抑えられます。
従来は、単一の栽培面の上に複数のランプ管を並べて配置することで高い均一性を追求していました。{0}{1}このマルチランプのアプローチは効果的ではありますが、いくつかの欠点があります。器具の数が多いため初期資本コストが高くつくこと、ターゲット領域を超えて光が漏れることによるエネルギーの大幅な浪費（特に端）、メンテナンスの複雑さとコストの増加です。したがって、説得力のある代替案は、次のような光学システムを設計することです。シングルランプチューブを使用して、標準的な培養幅（たとえば、60 cm）にわたって均一な PPFD 分布を生成します。このアプローチでは、次の利点をすべて維持することが約束されています。LED照明コスト、エネルギーの無駄、メンテナンスの問題を軽減しながら。この論文では、デジタル ライト フィールド手法によって設計された自由形式レンズを使用した、このようなシステムの設計、シミュレーション、および実験的検証について説明します。-
2. 方法論: デジタル ライト フィールドと光学設計
2.1 デジタルライトフィールドの概念
照度や光度などの従来の測光量は、表面上または立体角内の光束の密度を表します。評価には不可欠ですが、光学面の逆設計プロセスに直接役立つわけではありません。デジタル ライト フィールド理論は、より基礎的なフレームワークを提供します。これには、光学フィールド空間を微小要素に離散化することが含まれます。各要素は、それを通過する光円錐とその表面法線ベクトルによって特徴付けられます。ライトフィールド全体は、非-イメージング デジタル ライト フィールド関数 (NDLFF) によって記述されます。このデジタル化により、光学設計の問題は、自由形状レンズなどの 1 つまたは複数の光学面を使用してターゲット表面上の NDLFF を操作する問題に変換されます。 Xingye Optical Technology が開発したこの方法は、放射照度と強度分布の正確な制御を可能にし、複雑な照明設計タスクに特に適しています。
2.2 ソース、レイアウト、およびターゲットの分散の最適化
設計プロセスは、光源とターゲットを定義することから始まります。選択したソースは高出力 3535 パッケージです-導かれたドームレンズ付き。一般的な栽培棚の場合、ターゲットはランプの下方 30 cm に位置し、幅が 60 cm をわずかに超える平面です。ランプ管は 48 mm の間隔で 1 列に配置された 25 個の LED で構成されており、全長は 1.2 m になります。
重要なステップは、最適な PPFD 分布を決定することです。シングルLED- レンズの組み合わせにより、ターゲット面に生成されるはずです。各 LED が単純な回転対称で均一なスポットを作成する場合、線形アレイからの 25 個のそのようなスポットを重ね合わせると、重なり合いにより「中心が明るく、エッジが暗い」分布が得られます。したがって、理想的な単一の- LED 分配はこれを補う必要があります。複雑な解析ソリューションの代わりに、MATLAB を使用した数値最適化アプローチが採用されました。
単一の LED PPFD 分布は、正規化された回転対称関数 P(r) としてモデル化されました。ここで、r はスポット中心からの半径方向の距離です。ターゲット領域は離散化され、P(r) は最適化変数として扱われます。最適化の目的は、25 個の LED を固定位置で重ね合わせた結果生じる合計 PPFD 分布の分散を最小限に抑えることでした。元の論文の図 3 に示されている最適化された結果では、単一 LED の直感に反した「中心が暗く、周囲が明るい」分布が明らかになりました。-この独自の分布により、複数の LED スポットが重なると、互いの暗い領域が埋められ、栽培面上で全体的に非常に均一な分布が実現します。
2.3 「二次光源面法」による自由形状レンズ設計-
前述の最適化された PPFD 分布を実現するために、自由形状レンズが設計されました。{0}従来の球面レンズには、このような正確な制御のための自由度がありません。この設計には、Xingye Optics の「二次光源表面法」が採用されています。これは、拡張光源を (点光源に単純化するのではなく) 直接操作する、デジタル ライト フィールド理論に基づいた技術であり、コンパクトな光学システムでも高精度を保証します。
設計されたレンズは、光線の方向を注意深く変更する、滑らかで非回転対称な自由曲面を特徴としています。{0}図 4/5 に示すように、LED からの主光線はさまざまな角度で屈折し、より高密度の光線がより大きな角度に向けられ、単一の - LED スポット内に必要な明るい外側のリングが作成されます。次に、レンズ モデルは、厳密な分析のために光学シミュレーション ソフトウェア (例: LightTools) にインポートされました。
3. 結果と分析
3.1 単一 LED- レンズのシミュレーション
モンテカルロ法を使用したレイトレーシング シミュレーションは、LED モデルと組み合わせた設計レンズに対して実行されました。{0}結果として得られたターゲット面上の PPFD 分布 (図 5) は、セクション 2.2 で理論的に最適化されたターゲット分布と優れた一致を示し、設計の妥当性が確認されました。
3.2 ランプ管の完全な性能
完全な 1.2 m のランプ管をシミュレートするために、48 mm 間隔で配置された 25 個の LED- レンズ ユニットのアレイがモデル化されました。 30 cm 下の栽培面上でシミュレーションした PPFD 分布を図 6 に示します。結果は、端がシャープにカットオフされた、広く均一な光照射野を示しています。幅は60cmの対象棚を余裕でカバーします。重要なのは、計算された理論上のエネルギー利用率 (棚上の PPF を LED が放出する合計 PPF で割ったものとして定義) が 92% を超えていることです。これは、LED によって生成された光合成活性光子の 92% 以上が植物の樹冠に直接届けられ、従来の設計と比較して流出とエネルギーの無駄が大幅に削減されることを示しています。
3.3 拡張セットアップの拡張性
実際の垂直農場では、栽培棚が端から端まで長い列に配置されることがよくあります。{0}}-単一のランプからシミュレートされた PPFD 分布では、端がわずかに先細になっていることがわかります。 2 つ以上のランプを端から端まで配置すると、それらの PPFD 分布が重なり合い、これらの移行ゾーンで互いに補完します。接続された 2 つのランプのシミュレーション (図 7) では、重なり合う領域によって均一性が向上し、その結果、延長された長手方向領域にわたって継ぎ目なく均一なライト フィールドが得られることが確認されています。
3.4 実験的なプロトタイプと検証
設計に基づいて、成形自由形状レンズ、アルミニウム押出ヒートシンク、エンド キャップを含むプロトタイプのランプが製造されました。{0}プロトタイプとその照射スポットの写真 (図 8) は、シミュレートされた広範囲で均一な光のパターンを視覚的に裏付けています。
実験による測定により、強力なパフォーマンス指標が得られました。
高効率:システム効率は 92% を超え、光源の光合成光子の 86% 以上が栽培面に入射しました。
高い均一性:ターゲット面上の最小 PPFD と平均 PPFD の比率は 82% を超えており、植物の一貫した成長にとって重要な優れた空間均一性を示しています。
4. 議論と結論
この高効率、高均一性の設計と実装。{0}LED植物の成長ランプは垂直農業におけるいくつかの重要な問題点に対処します。
コスト削減:この設計では、棚ごとに単一の中央ランプ管で均一にカバーできるため、栽培層ごとに必要な器具の数が大幅に減り、初期資本支出 (CapEx) と継続的なメンテナンスコストが削減されます。
エネルギーの節約: The sharply defined light field with minimal spillage, achieving >92% のエネルギー利用率は、電力消費量と運用コスト (OpEx) の削減に直接つながります。
作物の品質の向上:高い PPFD 均一性により、すべての植物が同等の光レベルを受けることが保証され、一貫した成長、成熟、品質が促進されます。これにより、収量のばらつきが軽減され、その後の労働集約的な選別の必要性が軽減されます。-
操作の簡素化:中央に配置された 1 つのランプは、複数の照明器具に比べて設置、清掃、保守が容易であり、農場管理が簡素化されます。
この研究は、高度な光学設計原則、特にデジタル ライト フィールド理論と自由曲面製造をアグリテックの課題に強力に適用することを実証しています。{0} 「二次光源面法」は、拡張用途に合わせたコンパクトで高性能なレンズの設計に効果的であることが証明されました。-LED光源。結果として得られた植物成長ランプ システムは、線形 LED アレイからの光出力をコウモリの羽のような広範囲の分布に変換し、均一性の高いフィールドに重ね合わせることに成功しました。-
結論として、デジタル光学設計と LED 技術の統合は、次世代の高精度農業用照明への道を切り開きます。ここで紹介するランプ設計は、高い光子送達効率、優れた空間均一性、および経済的利点を組み合わせた、垂直農場にとって魅力的なソリューションを提供します。将来の研究では、この方法論をさまざまな棚の寸法に適応させ、特定の作物に合わせてスペクトルを最適化し、動的照明レシピのスマート制御をさらに統合することを検討し、最終的にはより持続可能で生産的な都市農業システムに貢献する可能性があります。
参考文献
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https://www.benweilight.com/lighting-チューブ-電球/成長-ライト-用-ハウスプラント.html
