Синие лазеры для автоматизированной прополки органических растений
Точность голубого лазера для устойчивого сельского хозяйства
Постоянно растущее население планеты вызывает потребность в интенсивном производстве продуктов питания. Одним из факторов, ограничивающих урожайность садовых культур, является неэффективная борьба с сорняками, и хотя существуют методы, которые широко используются, они не всегда являются наилучшими решениями. Широко распространенные химические методы удаления сорняков вызывают опасения за безопасность продуктов питания и экологию, а физические методы борьбы с сорняками могут снизить урожайность, повредив растения или другие полезные для них организмы.
Именно здесь на помощь приходят лазеры. За последние несколько десятилетий исследования доказали, что лазерная обработка может быть эффективно использована для уничтожения сорняков. А благодаря последним разработкам в области машинного зрения ИИ и робототехники, лазерная прополка становится чрезвычайно точным, органичным, высокоавтоматизированным и экономически эффективным методом.
Однако эта технология все еще достаточно новая, поэтому у нее есть свои недостатки. Большинство из них связано с использованием CO2-лазеров, которые нагревают сорняк, чтобы повредить его клетки. Для этого требуется высокая оптическая мощность, а возникающее при этом тепло может негативно сказаться на урожае. Более того, для достижения таких высоких мощностей CO2-лазеры требуют много энергии из-за их довольно низкого КПД, а это требует использования высоковольтных генераторов.
Довольно часто сельскохозяйственная среда является засушливой и имеет много сухих частей растений, что в сочетании с высоким напряжением увеличивает опасность возгорания. Высокая энергия также означает, что необходимо рассеивать много тепла, поэтому CO2-лазеры обычно требуют использования модулей водяного охлаждения. Это, наряду с большими размерами CO2-лазеров, делает систему довольно габаритной и тяжелой. Все эти недостатки говорят о необходимости выбора более подходящего типа лазера для этой задачи.
Именно здесь на помощь приходит современная технология синих лазеров.
Наша миссия
Мы верим, что успех наших клиентов - это наш успех. Именно поэтому мы не разрабатываем системы искусственного интеллекта - мы специализируемся на создании надежного, высокопроизводительного лазерного оборудования. Мы всегда делали ставку на качество, точность и долгосрочное доверие. Благодаря обширному опыту работы в полевых условиях и партнерству с более чем 7 интеграторами мы поставляем реальные, проверенные решения, которые работают в сельском хозяйстве, а не только в теории.
В Opt Lasers мы не просто продаем компоненты - мы совместно создаем вашу систему прополки. Наша запатентованная технология, проверенная интеграционная поддержка и прямое сотрудничество с производителями делают нас больше, чем просто поставщиком. Мы - ваш партнер по разработке.
Создаете ли вы роботизированную прополочную машину, автономную платформу или агротехнологическое решение нового поколения - мы поможем вам подготовить его к работе в поле.
Проверенная на практике производительность в реальных сельскохозяйственных условиях
Наши синие диодные лазерные системы не просто проходят лабораторные испытания - они активно тестируются и внедряются в полевых условиях более чем 7 партнерами по интеграции по всей Европе. В засушливых условиях и на овощных фермах с высокой плотностью посадки наша технология неизменно обеспечивает точную, эффективную и безопасную борьбу с сорняками.
Каждый партнер помог проверить и усовершенствовать наши системы в ходе их использования в реальных условиях. Мы постоянно сотрудничаем в разработке новых поколений лазерных модулей с полностью настраиваемыми конфигурациями, адаптированными к вашим задачам - будь то увеличение скорости, повышение интенсивности уничтожения сорняков или снижение затрат на техническое обслуживание.
Наша команда инженеров работает напрямую с OEM-производителями и компаниями, занимающимися автоматизацией, предоставляя рекомендации не только по лазерной системе, но и по оптимизации самой машины - от схемы охлаждения до углов сканирования и сигналов управления. Мы поддерживаем наших партнеров на всех этапах разработки продукта, от доказательства концепции до коммерческого запуска.
Сравнение лазерных технологий - синий vs ИК vs CO₂
В таблице ниже приведено сравнение различных длин волн, используемых для лазерной прополки. Значения масштабированы до выходной оптической мощности 320 Вт, применяется жидкостное охлаждение, а исходные значения взяты из спецификации существующих продуктов:
| Характеристика | 450 нм Синий (Система завтрашнего дня) | 2000 нм ИК | 10600 нм CO₂ |
|---|---|---|---|
| Эффективность (настенная вилка переменного тока) | 19% | 12.3% | 11.2% |
| Выходная оптическая мощность | 320 W | 320 W | 320 W |
| Общая потребляемая мощность системы (включая охлаждение) |
1700 W | 2600 W | 2870 W |
| Вес (лазер + электроника) | 14 кг | 48 кг | 18 кг |
| Вес с охлаждением и корпусом | 44 кг | 88 кг | 118 кг |
| Выбросы CO₂ за 100 часов использования (700 г CO₂/кВт-ч) |
119 кг | 182 кг | 200 кг |
| % пропускания для слоя воды толщиной 1 мм | 99.99% | 36.79% | 0% |
| Объем лазерного источника | 11 дм³ | 270 дм³ | 155 дм³ |
| Цена за ватт | 37,5 EUR/ВТ | 100 EUR/W | 20-50 ЕВРО/ВТ |
Благодаря непревзойденной передаче через воду, высокой эффективности, малому весу и меньшему воздействию на окружающую среду технология синего лазера является будущим безопасной и масштабируемой лазерной прополки.
Сравнение и объяснение электрической эффективности
Эффективность лазерной системы имеет решающее значение для минимизации потребления энергии, снижения эксплуатационных расходов и обеспечения надежной работы в полевых условиях. Вот как сравнивается электрическая эффективность лазерных систем с ИК-излучением 2000 нм, CO₂ и синим излучением 450 нм:
ИК-лазеры 2000 нм: ИК-лазер мощностью 200 Вт обычно потребляет 1200 Вт электроэнергии, что дает КПД только лазера 17 %. Однако для него также требуется водяной охладитель, рассчитанный на 1700 Вт теплоотдачи, потребляющий 600 Вт мощности. С поправкой на нагрузку охлаждения (424 Вт) конечная эффективность системы составляет 12,3%.
Лазеры CO₂: Лазерная трубка CO₂ мощностью 130 Вт с блоком питания потребляет 860 Вт. Тот же чиллер мощностью 1700 Вт потребляет еще 303 Вт (с учетом пропорциональной нагрузки). В результате общий КПД падает до 11,2%.
Синие лазеры с длиной волны 450 нм (система завтрашнего дня): Синий лазер мощностью 120 Вт потребляет 356 Вт, использует драйверы с КПД 95% и воздушное охлаждение мощностью 62 Вт. В результате 120 / (356 / 0,95 + 62) ≈ 26,7 %. При использовании блока питания 48 В с эффективностью 91 % общая эффективность системы становится 24,3 %. Для 320-ваттных конфигураций с жидкостным охлаждением эффективность может снизиться примерно до 19 %, а общая мощность системы достигнет 1800 Вт.
Компания Tomorrow's System достигает таких высоких показателей благодаря собственной разработке как лазерных источников, так и специализированных драйверов. В отличие от этого, многие готовые драйверы работают с КПД всего 70-90 %, что значительно снижает производительность всей лазерной системы.
Водопоглощение и доза облучения - ключевые факторы лазерной прополки
Поглощение воды значительно влияет на передачу лазерного излучения и фактическую дозу энергии, получаемую сорняками. Лазерные системы, работающие на разных длинах волн, демонстрируют совершенно разное поведение при взаимодействии с каплями воды на поверхности растений.
Пропускание через воду: Через тонкий слой воды толщиной 0,1 мм синий лазерный свет проходит почти без потерь(99,99 %), в то время как ИК-излучение длиной 2000 нм падает до 90,48 %, а лазерное излучение CO₂ - почти до нуля(0,004 %). Даже небольшое количество влаги может полностью блокировать CO₂ и частично подавить лазерное излучение 2000 нм.
При слое воды в 1 мм коэффициенты пропускания составляют:
- Синий лазер: 99,99%
- 2000 нм лазер: 36.79%
- CO₂ лазер: 0%.
Влияние на дозу облучения: В коротких окнах обработки (50-100 мс) капля воды (5×5×1 мм³) поглощает всю дозу CO₂ и около 63% дозы 2000 нм лазера. Для ИК-лазера эта поглощенная энергия повышает температуру капли с 20°C до кипения, используя всего 8,4 Вт, но только 8-10% ее испаряется. Это ограничивает количество энергии, фактически достигающей сорняка, снижая эффективность.
Затопленные или орошаемые поля: В глубоких слоях воды, таких как рисовые поля (10 см), синие лазеры все еще передают более 99% энергии к цели, в то время как лазеры с длиной волны 2000 нм и CO₂ практически не передают энергии.
Этот анализ показывает, что даже небольшой дождь или орошение существенно влияют на эффективность ИК- и CO₂-лазеров, в то время как синие лазерные системы остаются высокоэффективными во влажной среде.
Вес, габариты и их влияние на интеграцию
В мобильных или полевых лазерных системах вес и физические размеры существенно влияют на интеграцию, мобильность и энергопотребление. Синие лазеры имеют явные преимущества в обеих областях:
Общий вес синей лазерной системы мощностью 320 Вт, включая охлаждение, оценивается всего в 14 кг. Для сравнения, 200-ваттная лазерная система на 2000 нм весит около 61 кг с охлаждающим агрегатом, а типичная лазерная установка CO₂ весит около 48 кг. Это означает, что два модуля синих лазеров вместе взятые все равно весят меньше, чем одна лазерная система 2000 нм или CO₂.
С точки зрения размеров синие лазеры очень компактны. Модуль синего лазера мощностью 320 Вт имеет размеры не более 100×300×300 мм - менее 10 дм³. Для сравнения, лазерная система с длиной волны 2000 нм занимает более 169 дм³, а лазерная система CO₂ - 92-97 дм³. Кроме того, CO₂-лазеры часто изготавливаются из хрупких стеклянных трубок длиной до 165 см, что затрудняет их монтаж и защиту в мобильных установках.
В итоге синие лазеры более чем в 12 раз меньше, чем ИК-лазеры с длиной волны 2000 нм, и более чем в 7 раз меньше, чем лазерные системы CO₂. Такие компактные размеры позволяют устанавливать их на легкие сельскохозяйственные машины или роботизированные манипуляторы, что значительно повышает гибкость при развертывании в полевых условиях.
Точная борьба с сорняками с помощью технологии голубого лазера
Исследования показали, что воздействие лазеров на сорняки зависит от оптической мощности, времени экспозиции, размера пятна и , самое главное, длины волны лазера. Известно, что синий свет сильно поглощается органическими веществами, и так происходит с подавляющим большинством растений. Это связано с хлорофиллом, используемым в кислородном фотосинтезе, а точнее, с двумя типами хлорофилла: хлорофиллом-a и хлорофиллом-b. Если посмотреть на спектр поглощения обоих этих пигментов, то становится очевидным, что синий свет отлично подходит для них: пики поглощения приходятся на 430 нм (a-тип) и 470 нм (b-тип). Благодаря этому для эффективной прополки синим лазером требуется меньшая оптическая мощность, чтобы эффективно удалить нежелательные растения.
Но не только поглощение делает синие лазеры, и в частности синие диодные лазеры, хорошо подходящими для лазерной прополки. Синие диодные лазерные системы гораздо компактнее, чем CO2-системы, что позволяет легко устанавливать синие лазеры на различные машины и монтировать множество устройств последовательно. Таким образом, синие лазеры позволяют обрабатывать большую площадь за один раз, что увеличивает скорость всего процесса.
Синие диодные лазеры - это низковольтные системы постоянного тока, что означает, что они безопаснее для использования в засушливых условиях, чем CO2-лазеры, и в то же время безопаснее для работников (поскольку CO2-лазеры используют переменное напряжение). Системы на голубых лазерных диодах легкие и не требуют водяного охлаждения, что положительно сказывается на расходе топлива автомобилей. Размер лазерного пятна хорошо перестраивается, поэтому его можно настроить как для высокоточной обработки, так и для работы на большой площади. Лазерные диоды также имеют более высокий КПД, чем CO2-лазеры, поэтому в сочетании с длительным сроком службы они являются очень экономичным решением.
Преимущества прополки синим диодным лазером:
- Длина волны, хорошо поглощаемая растениями, - нет необходимости в чрезвычайно высокой оптической мощности.
- Бесконтактный метод исключает физическое повреждение
- Экологически чистый
- Компактный размер и малый вес
- Экономичность, требует минимального обслуживания
Opt Lasers Синие лазерные системы для лазерной прополки
| GLE-S-30-B | GLE-S-60-B | GLE-S-120-B | Пользовательские модули |
|
| Центральная длина волны | 450 нм | 450 нм | ||
| Минимальная оптическая мощность | 30 W | 60 W | 120 W | 60-500 W |
| Рабочее расстояние | 180 / 350 / 650 мм | Выбирается в зависимости от дизайна (например, 180 мм для ближнего расстояния, 650 мм для высокой проходимости) |
||
| Рабочая зона | 100×100 / 200×200 / 300×300 мм | Индивидуальное поле сканирования на основе оптики и гальво |
||
| Минимальный размер пятна1 | 2500 мкм | Настраиваемая оптика (точность в зависимости от охвата) |
||
| Скорость работы2 | до 2000 мм/с | Настраиваемая до 2000 мм/с |
||
| Электрооптическая эффективность | 27% | 24% | 24% | TBD |
| Максимальная потребляемая мощность | 200 W | 300 W | 600 W | TBD |
1 - значения приведены для рабочего расстояния 350 мм
2 - для углов сканирования ±10°
