垂直农业即将进入你附近的商店

水果和蔬菜摄入不足是影响我们健康的十大风险因素之一。每天吃水果和蔬菜有助于预防重大疾病，确保摄入足够的微量营养素和纤维，并有助于取代饱和脂肪、糖或盐含量高的食物。

多吃农产品对健康的好处是不可否认的，但那句古老的谚语“新鲜是最好的”是怎么回事?本地出产的水果和蔬菜优势明显。吃到盘子上的时间越短越好。一旦蔬菜被采摘和收获，它们就开始失去营养。此外，在当地种植和销售的农产品运输时间最短，这意味着减少了化石燃料的排放。

不久以后，任何人都可以从藤上摘下农场新鲜的西红柿，或者在生菜还在生长的时候挑选生菜，即使他们住在没有花园的城市地区。室内农场，甚至商店农场，正在满足我们对更多本地蔬菜的需求。这些半自主的垂直农场通过拉近食品生产与消费者的距离，提供新鲜、健康的食品选择。

垂直农场使用最先进的技术，如专用led，来帮助蔬菜生长。模拟用于战略性地设计和优化室内农场照明，以创造一个减少生长时间的最佳环境。

垂直农场照明挑战

设计店内垂直农场的工程师必须考虑许多光学方面的问题。

首先，对于包含某种类型植物的一行，重要的是确保正确的照明值。不同的植物需要不同量的光来生长，而光的量在生长周期中也会有所不同。

同样重要的是要确保光照均匀，这样所有的种子才能以相同的速度生长。这减轻了生产过程中植物护理的负担，并允许根据需要安排收获。

同样，当谈到光谱时，植物不需要自然光的所有波长来生长。植物对红色和蓝色波长的光反应最好，所以模仿阳光的传统灯具是一种能源浪费。仔细的光学设计可以帮助优化LED照明，使其只针对必要的波长，从而节省能源。

最后，植物吸收的光量应该最大化。植物反射的光线越少，它们生长得越快，从而降低了能量消耗。

垂直农场与模拟一起成长

LED灯是最高效、有效和客户友好的方式来照亮室内植物。它们消耗的能量低，产生的热量少，而且可以为生长进行颜色优化。

为了展示如何Ansys Speos可用于设计生长光LED阵列解决方案并模拟室内农场，我们设计了一个具有90个LED的通用光阵列。根据文献，漫射的紫色光谱(不含绿光)最适合植物生长。植物反射大部分绿色可见光，吸收其余的光谱。因此，我们创建的光阵列有45个蓝色光谱的led和45个红色光谱的led，组合成紫色。

为紫色光谱生长光阵列

在我们的农场里，我们首先设计了8排15株的生菜。每一行都由我们的三个紫色光谱阵列照亮。

垂直农场等距图(左)和侧视图。

为了考虑生菜的光学特性(光吸收和反射)，我们使用Ansys的便携式光学测量设备(OMD)．得到的双向反射率分布函数(BRDF)应用于几何图形中的所有莴苣植株。

然后，我们使用光模拟来测量和可视化照度均匀性，以及蔬菜的光吸收。第一次设计获得的结果如下所示。

亮度传感器(左)和三维吸收(右)

我们可以看到整排的光照不均匀。然后，我们迭代LED阵列的位置，LED的光谱和垂直农场的墙壁的材料，以产生最有效的解决方案。

垂直农业模拟结果具有启发性

我们将灯具间隔得更均匀，并在LED阵列和生菜之间留出更大的空间。我们还将侧面和背面的材料从透明(吸收)改为白色(扩散)。垂直农场的正面是透明的，这样消费者在购物时就可以看到植物。

垂直农场等距图(左)和侧视图。

我们接下来的模拟显示，到达莴苣植株的光照分布更均匀，产生了更均匀的光吸收，如下图所示。

亮度传感器(左)和三维吸收(右)

然而，前面和后面的莴苣植株光照较少，所以它们可能不如中间的莴苣长得好。因为模拟结果在视觉上非常引人注目，所以很容易确定垂直农业设计可以改进的地方。前面生菜的一个想法是在前面玻璃的内表面涂上部分反射涂层，以反射更多的光。优化后的系统将确保最佳的收获产量和最佳的能源消耗。

店内农产品的垂直农业是一个正在走向主流的想法。光学模拟有助于量化和可视化垂直农场的好处，例如使用更少的能源和水，小批量种植所需的作物，从而减少粮食浪费。

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