מחבר: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu וכו'.מדיה מקור: טכנולוגיה להנדסה חקלאית (גננות חממה)

מפעל המפעל משלב תעשייה מודרנית, ביוטכנולוגיה, הידרופוניקה תזונתית וטכנולוגיית מידע ליישום בקרה מדויקת של גורמים סביבתיים במתקן.הוא סגור לחלוטין, בעל דרישות נמוכות מהסביבה הסובבת, מקצר את תקופת קציר הצמחים, חוסך מים ודשן, ועם היתרונות של ייצור ללא חומרי הדברה וללא הזרמת פסולת, יעילות השימוש בקרקע היא פי 40 עד 108 מזה. של ייצור בשטח פתוח.ביניהם, מקור האור המלאכותי החכם וויסות סביבת האור שלו ממלאים תפקיד מכריע ביעילות הייצור שלו.

כגורם סביבתי פיזי חשוב, האור ממלא תפקיד מפתח בוויסות צמיחת הצמחים ומטבוליזם החומר."אחד המאפיינים העיקריים של מפעל המפעל הוא מקור האור המלאכותי המלא ומימוש ויסות מושכל של סביבת האור" הפך לקונצנזוס כללי בתעשייה.

הצורך של הצמחים באור

האור הוא מקור האנרגיה היחיד לפוטוסינתזה של צמחים.לעוצמת האור, לאיכות האור (ספקטרום) ולשינויים תקופתיים של האור יש השפעה עמוקה על הצמיחה וההתפתחות של גידולים, ביניהם יש לעוצמת האור את ההשפעה הגדולה ביותר על הפוטוסינתזה של הצמח.

■ עוצמת האור

עוצמת האור יכולה לשנות את המורפולוגיה של גידולים, כגון פריחה, אורך פנימי, עובי גבעול וגודל ועובי העלים.ניתן לחלק את הדרישות של צמחים לעוצמת האור לצמחים אוהבי אור, בינוני-אוהבי אור וסובלני אור נמוך.הירקות הם לרוב צמחים אוהבי אור, ונקודות פיצוי האור ונקודות הרוויה שלהם גבוהות יחסית.במפעלי צמחי אור מלאכותיים, הדרישות הרלוונטיות של גידולים לעוצמת האור מהוות בסיס חשוב לבחירת מקורות אור מלאכותיים.הבנת דרישות האור של צמחים שונים חשובה לתכנון מקורות אור מלאכותיים, יש צורך ביותר לשפר את ביצועי הייצור של המערכת.

■ איכות קלה

להפצה של איכות האור (ספקטרלית) יש גם השפעה חשובה על הפוטוסינתזה והמורפוגנזה של צמחים (איור 1).אור הוא חלק מקרינה, וקרינה היא גל אלקטרומגנטי.לגלים אלקטרומגנטיים יש מאפייני גל ומאפיינים קוונטיים (חלקיקים).קוונט האור נקרא פוטון בתחום הגננות.קרינה עם טווח אורכי גל של 300~800nm ​​נקראת קרינה פעילה פיזיולוגית של צמחים;וקרינה עם טווח אורכי גל של 400~700nm נקראת קרינה פעילה בפוטוסינתזה (PAR) של צמחים.

כלורופיל וקרוטנים הם שני הפיגמנטים החשובים ביותר בפוטוסינתזה של צמחים.איור 2 מציג את ספקטרום הספיגה הספקטרלית של כל פיגמנט פוטוסינתטי, שבו ספקטרום הספיגה של הכלורופיל מרוכז בפס האדום והכחול.מערכת התאורה מבוססת על הצרכים הספקטרליים של גידולים להשלמת אור באופן מלאכותי, כדי לקדם את הפוטוסינתזה של צמחים.

■ photoperiod
הקשר בין פוטוסינתזה ופוטומורפוגנזה של צמחים ואורך היום (או זמן פוטו-תקופה) נקרא photoperiodity של צמחים.הפוטופריודיות קשורה קשר הדוק לשעות האור, המתייחסות לזמן שבו מקרינים את היבול באור.גידולים שונים דורשים מספר מסוים של שעות אור כדי להשלים את תקופת הצילום כדי לפרוח ולהניב פרי.על פי תקופות הצילום השונות, ניתן לחלק אותו לגידולים ארוכי יום, כגון כרוב וכו', הדורשים יותר מ-12-14 שעות אור בשלב מסוים של גידולו;גידולים קצרי יום, כגון בצל, פולי סויה וכו', דורשים פחות מ-12-14 שעות הארה;גידולים בשמש בינונית, כמו מלפפונים, עגבניות, פלפלים וכו', יכולים לפרוח ולהניב פירות באור שמש ארוך יותר או קצר יותר.
בין שלושת מרכיבי הסביבה, עוצמת האור היא בסיס חשוב לבחירת מקורות אור מלאכותיים.נכון להיום, ישנן דרכים רבות לבטא את עוצמת האור, בעיקר כולל שלוש הבאות.
（1） תאורה מתייחסת לצפיפות פני השטח של שטף האור (שטף האור ליחידת שטח) המתקבל במישור המואר, בלוקס (lx).

（2） קרינה פעילה פוטוסינתטית, PAR，יחידה: W/m²。

（3） צפיפות שטף הפוטונים האפקטיבית מבחינה פוטוסינתטית PPFD או PPF היא מספר הקרינה האפקטיבית מבחינה פוטוסינתטית שמגיעה או עוברת דרך יחידת זמן ויחידת שטח, יחידה: μmol/(m²·s). מתייחס בעיקר לעוצמת האור של 400~700nm קשור ישירות לפוטוסינתזה.זהו גם מחוון עוצמת האור הנפוץ ביותר בתחום ייצור צמחים.

ניתוח מקור אור של מערכת אור משלימה טיפוסית
תוסף אור מלאכותי נועד להגביר את עוצמת האור באזור היעד או להאריך את זמן האור על ידי התקנת מערכת אור תוסף כדי לענות על דרישת האור של צמחים.באופן כללי, מערכת האור המשלימה כוללת ציוד אור משלים, מעגלים ומערכת הבקרה שלה.מקורות אור משלימים כוללים בעיקר מספר סוגים נפוצים כגון מנורות ליבון, מנורות פלורסנט, מנורות מתכת הליד, מנורות נתרן בלחץ גבוה ונורות לד.בשל היעילות החשמלית והאופטית הנמוכה של מנורות ליבון, יעילות אנרגטית פוטוסינתטית נמוכה וחסרונות אחרים, היא בוטלה על ידי השוק, ולכן מאמר זה אינו מבצע ניתוח מפורט.

■ מנורת פלורסנט
מנורות פלורסנט שייכות לסוג של מנורות פריקת גז בלחץ נמוך.צינור הזכוכית מלא באדי כספית או בגז אינרטי, והדופן הפנימית של הצינור מצופה באבקת פלורסנט.צבע הבהיר משתנה בהתאם לחומר הפלורסנטי המצופה בצינור.מנורות פלורסנט בעלות ביצועים ספקטרליים טובים, יעילות אור גבוהה, הספק נמוך, חיים ארוכים יותר (12000 שעות) בהשוואה למנורות ליבון, ועלות נמוכה יחסית.מכיוון שמנורת הפלורסנט עצמה פולטת פחות חום, היא יכולה להיות קרובה לצמחים לצורך תאורה ומתאימה לגידול תלת מימדי.עם זאת, הפריסה הספקטרלית של מנורת הפלורסנט אינה סבירה.השיטה הנפוצה בעולם היא הוספת מחזירי אור כדי למקסם את מרכיבי מקור האור היעילים של הגידולים באזור הגידול.חברת adv-agri היפנית פיתחה גם סוג חדש של מקור אור משלים HEFL.HEFL שייך למעשה לקטגוריית מנורות הפלורסנט.זהו המונח הכללי למנורות פלורסנט קתודה קרה (CCFL) ולמנורות פלורסנט אלקטרודות חיצוניות (EEFL), והיא מנורת פלורסנט אלקטרודה מעורבת.צינור ה-HEFL דק במיוחד, בקוטר של כ-4 מ"מ בלבד, וניתן להתאים את האורך מ-450 מ"מ ל-1200 מ"מ בהתאם לצרכי הטיפוח.זוהי גרסה משופרת של מנורת הפלורסנט הקונבנציונלית.

■ מנורת מתכת הליד
מנורת המתכת הליד היא מנורת פריקה בעוצמה גבוהה שיכולה לעורר אלמנטים שונים לייצר אורכי גל שונים על ידי הוספת הלידים מתכתיים שונים (פח ברומיד, נתרן יודיד וכו') בצינור הפריקה על בסיס מנורת כספית בלחץ גבוה.למנורות הלוגן יש יעילות אור גבוהה, הספק גבוה, צבע אור טוב, חיים ארוכים וספקטרום גדול.עם זאת, מכיוון שיעילות האור נמוכה מזו של מנורות נתרן בלחץ גבוה, ואורך החיים קצר מזה של מנורות נתרן בלחץ גבוה, היא משמשת כיום רק במפעלי מפעל בודדים.

■ מנורת נתרן בלחץ גבוה
מנורות נתרן בלחץ גבוה שייכות לסוג של מנורות פריקת גז בלחץ גבוה.מנורת נתרן בלחץ גבוה היא מנורה בעלת יעילות גבוהה בה ממלאים אדי נתרן בלחץ גבוה בצינור הפריקה, ומוסיפים כמות קטנה של קסנון (Xe) וכספית מתכת הליד.מכיוון שלמנורות נתרן בלחץ גבוה יש יעילות המרה אלקטרו-אופטית גבוהה עם עלויות ייצור נמוכות יותר, מנורות נתרן בלחץ גבוה הן כיום בשימוש הנפוץ ביותר ביישום אור משלים במתקנים חקלאיים.עם זאת, בשל החסרונות של יעילות פוטוסינתטית נמוכה בספקטרום שלהם, יש להם חסרונות של יעילות אנרגטית נמוכה.מצד שני, המרכיבים הספקטרליים הנפלטים מנורות נתרן בלחץ גבוה מרוכזים בעיקר בפס האור הצהוב-כתום, שחסרה את הספקטרום האדום והכחול הנחוץ לצמיחת הצמח.

■ דיודה פולטת אור
כדור חדש של מקורות אור, לדיודות פולטות אור (LED) יש יתרונות רבים כגון יעילות המרה אלקטרו-אופטית גבוהה יותר, ספקטרום מתכוונן ויעילות פוטוסינתטית גבוהה.LED יכול לפלוט אור מונוכרומטי הדרוש לצמיחת צמחים.בהשוואה למנורות פלורסנט רגילות ומקורות אור משלימים אחרים, ל-LED יש את היתרונות של חיסכון באנרגיה, הגנה על הסביבה, חיים ארוכים, אור מונוכרומטי, מקור אור קר וכן הלאה.עם השיפור הנוסף של היעילות האלקטרו-אופטית של נורות LED והפחתת העלויות הנגרמות על ידי אפקט קנה המידה, מערכות תאורת LED לגידול יהפכו לציוד המרכזי להשלמת אור במתקנים חקלאיים.כתוצאה מכך, נורות LED לגידול יושמו על פני 99.9% מפעלי צמחים.

באמצעות השוואה, ניתן להבין בבירור את המאפיינים של מקורות אור משלימים שונים, כפי שמוצג בטבלה 1.

מכשיר תאורה נייד
עוצמת האור קשורה קשר הדוק לצמיחה של יבולים.גידול תלת מימדי משמש לעתים קרובות במפעלי צמחים.עם זאת, בשל מגבלת מבנה מדפי הגידול, חלוקת האור והטמפרטורה הלא אחידה בין המדפים תשפיע על תנובת הגידולים ותקופת הקטיף לא תסתנכרנה.חברה בבייג'ינג פיתחה בהצלחה מכשיר תוסף תאורה להרמה ידנית (גוף תאורה HPS וגוף תאורה LED grow) בשנת 2010. העיקרון הוא לסובב את גל ההנעה ואת המתפתל המקובע עליו על ידי ניעור הידית כדי לסובב את סליל הסרט הקטן כדי להשיג את מטרת ההחזרה והפירוק של חבל התיל.חבל התיל של אור הגידול מחובר לגלגל המתפתל של המעלית באמצעות סטים מרובים של גלגלי היפוך, כדי להשיג את האפקט של התאמת גובה אור הגידול.בשנת 2017, החברה הנ"ל עיצבה ופיתחה מכשיר תוסף אור נייד חדש, שיכול להתאים אוטומטית את גובה תוסף האור בזמן אמת בהתאם לצרכי גידול היבול.מכשיר הכוונון מותקן כעת על מתלה גידול תלת מימדי מסוג הרמה של מקור אור תלת-שכבתי.השכבה העליונה של המכשיר היא הרמה עם מצב האור הטוב ביותר, ולכן הוא מצויד במנורות נתרן בלחץ גבוה;השכבה האמצעית והשכבה התחתונה מצוידות באורות LED לגידול ומערכת התאמת הרמה.זה יכול להתאים אוטומטית את גובה אור הגידול כדי לספק סביבת תאורה מתאימה לגידולים.

בהשוואה למכשיר תוספי האור הנייד המותאם לגידול תלת מימדי, הולנד פיתחה מכשיר תוספי תוספי גידול LED הניתן להזזה אופקית.על מנת להימנע מהשפעת הצל של אור הגידול על צמיחת הצמחים בשמש, ניתן לדחוף את מערכת אור הגידול לשני צידי התושבת דרך המגלשה הטלסקופית בכיוון האופקי, כך שהשמש תהיה מלאה מוקרן על הצמחים;בימים מעוננים וגשומים ללא אור שמש, דחוף את מערכת אור הגידול לאמצע התושבת כדי לגרום לאור של מערכת אור הגידול למלא באופן שווה את הצמחים;הזז את מערכת אור הגידול בצורה אופקית דרך השקופית על התושבת, הימנע מפירוק והסרה תכופים של מערכת אור הגידול, והפחת את עוצמת העבודה של העובדים, ובכך למעשה לשפר את יעילות העבודה.

רעיונות עיצוב של מערכת אור גידול טיפוסית
לא קשה לראות מהעיצוב של מכשיר משלים התאורה הנייד שעיצוב מערכת התאורה המשלימה של מפעל הצמחים לוקח בדרך כלל את עוצמת האור, איכות האור והפרמטרים של תקופות צילום של תקופות גידול שונות כתכולת הליבה של התכנון. , בהסתמך על מערכת הבקרה החכמה ליישום, השגת המטרה הסופית של חיסכון באנרגיה ותשואה גבוהה.

נכון לעכשיו, העיצוב והבנייה של אור משלים לירקות עלים הבשילו בהדרגה.לדוגמה, ניתן לחלק את ירקות העלים לארבעה שלבים: שלב שתיל, אמצע צמיחה, צמיחה מאוחרת ושלב סופי;ניתן לחלק פירות-ירקות לשלב השתיל, שלב הצמיחה הווגטטיבי, שלב הפריחה ושלב הקטיף.מהתכונות של עוצמת האור המשלימה, עוצמת האור בשלב השתיל צריכה להיות מעט נמוכה יותר, ב-60~200 מיקרומול/(m²·s), ולאחר מכן לעלות בהדרגה.ירקות עלים יכולים להגיע עד 100~200 מיקרומול/(מ"ר·s), וירקות פירות יכולים להגיע ל-300~500 מיקרומול/(מ"ר·s) כדי להבטיח את דרישות עוצמת האור של פוטוסינתזה של צמחים בכל תקופת גידול ולמלא את הצרכים של תשואה גבוהה;מבחינת איכות האור, היחס בין אדום לכחול חשוב מאוד.על מנת להגביר את איכות השתילים ולמנוע צמיחה מוגזמת בשלב השתיל, היחס בין אדום לכחול נקבע בדרך כלל ברמה נמוכה [(1~2):1], ולאחר מכן מופחת בהדרגה כדי לענות על צורכי הצמח. מורפולוגיה של אור.ניתן להגדיר את היחס בין ירקות אדומים לכחול לעלים ל-(3~6):1.לתקופת הפוטו, בדומה לעוצמת האור, היא אמורה להראות מגמה של עלייה עם הארכת תקופת הגדילה, כך שלירקות עלים יש יותר זמן פוטוסינתזה לפוטוסינתזה.עיצוב התוסף הקל של פירות וירקות יהיה מסובך יותר.בנוסף להלכות היסוד הנ"ל, יש להתמקד בקביעת הפוטו-תקופת בתקופת הפריחה, ולקדם פריחה ופרי של ירקות, כדי לא לפגוע.

ראוי להזכיר כי נוסחת האור צריכה לכלול את הטיפול הסופי עבור הגדרות סביבת אור.לדוגמה, תוספת אור מתמשכת יכולה לשפר מאוד את התפוקה והאיכות של שתילי ירקות עלים הידרופוניים, או להשתמש בטיפול UV כדי לשפר משמעותית את איכות התזונה של נבטים וירקות עליים (במיוחד עלים סגולים ועלים אדומים).

בנוסף לאופטימיזציה של תוספי אור עבור גידולים נבחרים, מערכת בקרת מקור האור של כמה מפעלי אור מלאכותי התפתחה במהירות בשנים האחרונות.מערכת בקרה זו מבוססת בדרך כלל על מבנה B/S.בקרה מרחוק ובקרה אוטומטית של גורמים סביבתיים כמו טמפרטורה, לחות, אור וריכוז CO2 במהלך גידול היבולים מתממשת באמצעות WIFI, ובמקביל מתממשת שיטת ייצור שאינה מוגבלת בתנאים חיצוניים.סוג זה של מערכת תאורה משלימה חכמה משתמשת בגוף תאורה לגידול LED כמקור אור משלים, בשילוב עם מערכת בקרה חכמה מרחוק, יכולה לענות על הצרכים של תאורה באורך גל צמחים, מתאימה במיוחד לסביבת גידול צמחים מבוקרת אור, ויכולה לענות על דרישת השוק .

הערות לסיום
מפעלי צמחים נחשבים לדרך חשובה לפתרון בעיות משאבים, אוכלוסיה וסביבתיות בעולם במאה ה-21, ודרך חשובה להשגת אספקה ​​עצמית של מזון בפרויקטי היי-טק עתידיים.כסוג חדש של שיטת ייצור חקלאית, מפעלי הצמחים עדיין נמצאים בשלב הלמידה והצמיחה, ויש צורך בתשומת לב ומחקר נוסף.מאמר זה מתאר את המאפיינים והיתרונות של שיטות תאורה משלימות נפוצות במפעלי צמחים, ומציג את רעיונות העיצוב של מערכות תאורה משלימות טיפוסיות לגידולים.לא קשה למצוא באמצעות השוואה, על מנת להתמודד עם האור הנמוך הנגרם על ידי מזג אוויר קשה כמו מעונן מתמשך ואובך ולהבטיח ייצור גבוה ויציב של גידולי מתקנים, ציוד מקור האור LED Grow תואם את ההתפתחות הנוכחית מגמות.

כיוון הפיתוח העתידי של מפעלי מפעל צריך להתמקד בחיישנים חדשים בעלות דיוק גבוהה ובעלות נמוכה, מערכות מכשירי תאורה בספקטרום מתכווננות לשליטה מרחוק ומערכות בקרה מומחים.במקביל, מפעלי המפעל העתידיים ימשיכו להתפתח לעבר עלות נמוכה, אינטליגנטית והתאמה עצמית.השימוש והפופולריות של מקורות אור לגידול LED מספקים ערובה לבקרה סביבתית מדויקת של מפעלי צמחים.ויסות סביבת אור LED הוא תהליך מורכב הכולל ויסות מקיף של איכות האור, עוצמת האור ותקופת הצילום.מומחים וחוקרים רלוונטיים צריכים לבצע מחקר מעמיק, לקדם תאורת LED משלימה במפעלי מפעלי אור מלאכותי.