垂直农场即将进入你身边的商店

水果和蔬菜摄入不足是影响我们健康的十大危险因素之一。每天吃水果和蔬菜有助于预防重大疾病，确保大多数微量营养素和纤维的充足摄入，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“新鲜最好”这句老话又怎么说呢?当地种植的水果和蔬菜具有明显的优势。吃到你盘子上的时间越少越好。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。

人们可能很快就会从葡萄藤上摘下一颗新鲜的西红柿，或者在生菜还在生长的时候就选择生菜，即使他们生活在没有花园的城市地区。室内农场，甚至店内农场，正在满足我们对更多本地蔬菜的需求。这些半自主垂直农场通过拉近食品生产距离，为消费者提供新鲜、健康的食品选择。

垂直农场使用最先进的技术，比如专门的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，以创造减少生长时间的最佳环境。

垂直农业照明挑战

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，对于一排含有某种类型植物的植物，重要的是要确保正确的照明值。不同的植物需要不同的光照量来生长，而光照量在生长周期中也会发生变化。

同样重要的是要确保光照均匀，通过一行，使所有的种子生长在相同的速度。这减轻了生产期间植物护理的负担，并允许根据需要安排收获。

同样，当涉及到光谱时，植物不需要所有自然光的波长来生长。植物只对红色和蓝色波长做出最好的反应，所以传统的模仿阳光的灯是浪费能源。仔细的光学设计可以帮助优化LED照明，只针对必要的波长，在这个过程中节省能源。

最后，植物吸收的光量应该最大化。植物反射的光越少，它们生长得越快，这就减少了能源消耗。

垂直农场模拟成长

LED灯是照明室内植物的最高效、最有效和客户友好的方式。它们使用低能量，产生很少的热量，并且可以优化颜色以适应生长。

来展示Ansys Speos可用于设计生长光LED阵列解决方案和模拟室内农场，我们设计了一个通用的90个LED光阵列。根据文献，弥漫的紫色光谱(不含绿光)最适合植物生长。植物反射大部分的绿色可见光，并吸收其余的光谱。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，组合在一起形成紫色。

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棵生菜。每一行都由三个紫色光谱光阵列照亮。

垂直农场等距(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的便携式光学测量装置(OMD)测量了一些叶片样品。将得到的双向反射率分布函数(BRDF)应用于几何上的所有生菜植株。

然后，我们使用光模拟来测量和可视化照明均匀性，以及蔬菜的光吸收。第一次设计得到的结果如下所示。

亮度传感器(左)和3D吸收(右)

我们可以看到，整排的光照并不均匀。然后我们对LED阵列的位置、LED的光谱和垂直农场墙壁的材料进行迭代，以产生最有效的解决方案。

垂直农业模拟结果具有启发性

我们将灯具布置得更均匀，并在LED阵列和生菜之间留出更多空间。我们还改变了侧面和背面的材料，从透明(吸收)到白色(扩散)。垂直农场的前部是透明的，这样消费者在购物时就能看到这些植物。

垂直农场等距(左)和侧视图。

我们的下一个模拟显示，到达生菜植株的光照分布更均匀，产生更均匀的光吸收，如下图所示。

亮度传感器(左)和3D吸收(右)

然而，前面和后面的莴苣植物没有那么明亮，所以它们可能没有中间的长得好。由于模拟结果在视觉上非常引人注目，因此很容易确定垂直农业设计可以改进的地方。前面的莴苣植物的一个想法是在前面玻璃的内侧涂上一层部分反射涂层，以反射更多的光。然后，优化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场正逐渐成为主流。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，从而减少食物浪费。

了解更多关于光学仿真和Ansys Speos。