מחבר: ג'ינג ז'או, זנגצ'אן ג'ואו, יונלונג בו וכו'. מקור מדיה: טכנולוגיית הנדסה חקלאית (גננות חממה)

מפעל הצמחים משלב תעשייה מודרנית, ביוטכנולוגיה, הידרופוניקה מזינה וטכנולוגיית מידע כדי ליישם בקרה מדויקת של גורמי סביבה במתקן. הוא סגור לחלוטין, בעל דרישות נמוכות מהסביבה הסובבת, מקצר את תקופת קציר הצמחים, חוסך מים ודשן, ועם היתרונות של ייצור ללא חומרי הדברה ואי-פליטת פסולת, יעילות ניצול הקרקע של היחידה היא פי 40 עד 108 מזו של ייצור בשטח פתוח. ביניהם, מקור האור המלאכותי החכם וויסות סביבת האור שלו ממלאים תפקיד מכריע ביעילות הייצור שלו.

כגורם סביבתי פיזי חשוב, לאור תפקיד מפתח בוויסות צמיחת הצמחים ובחילוף החומרים של החומרים. "אחד המאפיינים העיקריים של מפעל הצמחים הוא מקור אור מלאכותי מלא ומימוש ויסות חכם של סביבת האור" הפך לקונצנזוס כללי בתעשייה.

הצורך של צמחים באור

אור הוא מקור האנרגיה היחיד לפוטוסינתזה של צמחים. עוצמת האור, איכות האור (ספקטרום) ושינויים תקופתיים באור משפיעים עמוקות על גדילתם והתפתחותם של גידולים, כאשר לעוצמת האור יש את ההשפעה הגדולה ביותר על הפוטוסינתזה של הצמחים.

■ עוצמת האור

עוצמת האור יכולה לשנות את המורפולוגיה של גידולים, כגון פריחה, אורך פנימיות, עובי הגבעול, גודל ועובי העלה. ניתן לחלק את דרישות הצמחים לעוצמת האור לצמחים אוהבי אור, אוהבי אור בינוניים וסבילים לאור נמוכים. ירקות הם בעיקר צמחים אוהבי אור, ונקודות פיצוי האור ונקודות הרוויה שלהם גבוהות יחסית. במפעלי צמחי אור מלאכותיים, הדרישות הרלוונטיות של הגידולים לעוצמת האור הן בסיס חשוב לבחירת מקורות אור מלאכותיים. הבנת דרישות האור של צמחים שונים חשובה לתכנון מקורות אור מלאכותיים, ושיפור ביצועי הייצור של המערכת הוא הכרחי ביותר.

■ איכות האור

לפיזור איכות האור (הספקטרלי) יש גם השפעה חשובה על הפוטוסינתזה והמורפוגנזה של צמחים (איור 1). אור הוא חלק מקרינה, וקרינה היא גל אלקטרומגנטי. לגלים אלקטרומגנטיים יש מאפייני גל ומאפייני קוונטיים (חלקיקים). קוונט האור נקרא פוטון בתחום הגננות. קרינה בטווח אורכי גל של 300~800 ננומטר נקראת קרינה פעילה פיזיולוגית של צמחים; וקרינה בטווח אורכי גל של 400~700 ננומטר נקראת קרינה פעילה פוטוסינתטית של צמחים (PAR).

כלורופיל וקרוטנים הם שני הפיגמנטים החשובים ביותר בפוטוסינתזה של צמחים. איור 2 מציג את ספקטרום הבליעה הספקטרלי של כל פיגמנט פוטוסינתטי, שבו ספקטרום הבליעה של הכלורופיל מרוכז בפסים האדום והכחול. מערכת התאורה מבוססת על הצרכים הספקטרליים של גידולים להשלים אור באופן מלאכותי, על מנת לקדם את הפוטוסינתזה של צמחים.

■ תקופת אור
הקשר בין פוטוסינתזה ופוטומורפוגנזה של צמחים לבין אורך היום (או זמן הפוטו-תקופתי) נקרא פוטו-מחזוריות של צמחים. הפוטו-מחזוריות קשורה קשר הדוק לשעות האור, המתייחסות לזמן בו היבול מוקרן באור. גידולים שונים דורשים מספר מסוים של שעות אור כדי להשלים את הפוטו-תקופת הפריחה ונשיאת הפירות. בהתאם לפוטו-מחזורים השונים, ניתן לחלק אותם לגידולים בעלי יום ארוך, כגון כרוב וכו', הדורשים יותר מ-12-14 שעות אור בשלב מסוים של גדילתם; גידולים בעלי יום קצר, כגון בצל, פולי סויה וכו', דורשים פחות מ-12-14 שעות תאורה; גידולים בעלי שמש בינונית, כגון מלפפונים, עגבניות, פלפלים וכו', יכולים לפרוח ונשיאת הפירות תחת אור שמש ארוך או קצר יותר.
מבין שלושת מרכיבי הסביבה, עוצמת האור היא בסיס חשוב לבחירת מקורות אור מלאכותיים. כיום, ישנן דרכים רבות לבטא את עוצמת האור, ובראשן שלוש הדרכים הבאות.
(1) תאורה מתייחסת לצפיפות פני השטח של שטף האור (שטף האור ליחידת שטח) הנקלט על המישור המואר, בלוקס (lx).

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

(3) צפיפות שטף הפוטונים האפקטיבית פוטוסינתטית (PPFD) או PPF היא כמות הקרינה האפקטיבית פוטוסינתטית המגיעה או עוברת דרכה יחידת זמן ויחידת שטח, יחידה: מיקרומול/(מ"ר·שנייה). מתייחס בעיקר לעוצמת האור של 400~700 ננומטר הקשורה ישירות לפוטוסינתזה. זהו גם מדד עוצמת האור הנפוץ ביותר בתחום גידול הצמחים.

ניתוח מקור אור של מערכת תאורה משלימה טיפוסית
תוספי אור מלאכותיים נועדו להגביר את עוצמת האור באזור היעד או להאריך את זמן התאורה על ידי התקנת מערכת תאורה משלימה כדי לענות על דרישת האור של הצמחים. באופן כללי, מערכת התאורה המשלימה כוללת ציוד תאורה משלים, מעגלים ומערכת בקרה שלה. מקורות אור משלימים כוללים בעיקר מספר סוגים נפוצים כגון מנורות ליבון, מנורות פלורסנט, מנורות הליד מתכת, מנורות נתרן בלחץ גבוה ונורות LED. בשל היעילות החשמלית והאופטית הנמוכה של מנורות ליבון, יעילות אנרגטית פוטוסינתטית נמוכה וחסרונות אחרים, הן בוטלו מהשוק, 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 גז אינרטי, והדופן הפנימית של הצינור מצופה באבקת פלורסנט. צבע האור משתנה בהתאם לחומר הפלורסנטי המצופה בצינור. למנורות פלורסנט ביצועים ספקטרליים טובים, יעילות אור גבוהה, הספק נמוך, אורך חיים ארוך 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 ביותר בעולם היא הוספת מחזירי אור כדי למקסם את רכיבי מקור האור היעילים של הגידולים באזור הגידול. חברת adv-agri היפנית פיתחה גם סוג חדש של מקור אור משלים HEFL. HEFL שייכת למעשה לקטגוריית מנורות פלורסנט. זהו המונח הכללי למנורות פלורסנט קתודית קרה (CCFL) ולמנורות פלורסנט אלקטרודה חיצונית (EEFL), והיא מנורת פלורסנט אלקטרודה מעורבת. צינור ה-HEFL דק במיוחד, בקוטר של כ-4 מ"מ בלבד, וניתן לכוונן את האורך מ-450 מ"מ עד 1200 מ"מ בהתאם לצורכי הגידול. זוהי גרסה משופרת של מנורת פלורסנט קונבנציונלית.

■ מנורת הליד מתכת
מנורת הליד מתכת היא מנורת פריקה בעוצמה גבוהה שיכולה לעורר יסודות שונים כדי לייצר אורכי גל שונים על ידי הוספת הלידי מתכת שונים (ברומיד בדיל, יודיד נתרן וכו') לתוך צינור הפריקה על בסיס מנורת כספית בלחץ גבוה. למנורות הלוגן יעילות אור גבוהה, הספק גבוה, צבע אור טוב, אורך חיים ארוך וספקטרום רחב. עם זאת, מכיוון שהיעילות האור נמוכה מזו של מנורות נתרן בלחץ גבוה, ואורך החיים קצר יותר מזה של מנורות נתרן בלחץ גבוה, היא נמצאת כיום בשימוש רק במספר קטן של מפעלים.

■ מנורת נתרן בלחץ גבוה
מנורות נתרן בלחץ גבוה שייכות לסוג של מנורות פריקת גז בלחץ גבוה. מנורת הנתרן בלחץ גבוה היא מנורה יעילה גבוהה שבה אדי נתרן בלחץ גבוה ממולאים בצינור הפריקה, ומוסיפים כמות קטנה של קסנון (Xe) והליד מתכתי כספית. מכיוון שלמנורות נתרן בלחץ גבוה יש יעילות המרה אלקטרו-אופטית גבוהה עם עלויות ייצור נמוכות יותר, מנורות נתרן בלחץ גבוה הן כיום הנפוצות ביותר ביישום תאורה משלימה במתקנים חקלאיים. עם זאת, בשל חסרונות של יעילות פוטוסינתטית נמוכה בספקטרום שלהן, יש להן חסרונות של יעילות אנרגטית נמוכה. מצד שני, הרכיבים הספקטרליים הנפלטים ממנורות נתרן בלחץ גבוה מרוכזים בעיקר בפס האור הצהוב-כתום, חסר הספקטרום האדום והכחול הדרושים לגידול צמחים.

■ דיודה פולטת אור
כדור חדש של מקורות אור, לדיודות פולטות אור (LED) יתרונות רבים כגון יעילות המרה אלקטרו-אופטית גבוהה יותר, ספקטרום מתכוונן ויעילות פוטוסינתטית גבוהה. נורות LED יכולות לפלוט אור מונוכרומטי הדרוש לצמיחת צמחים. בהשוואה למנורות פלורסנט רגילות ולמקורות אור משלימים אחרים, ל-LED יתרונות של חיסכון באנרגיה, הגנת הסביבה, אורך חיים ארוך, אור מונוכרומטי, מקור אור קר וכן הלאה. עם שיפור נוסף ביעילות האלקטרו-אופטית של נורות LED והפחתת העלויות הנגרמות מאפקט קנה המידה, מערכות תאורת גידול LED יהפכו לציוד המרכזי להשלמת אור במתקנים חקלאיים. כתוצאה מכך, נורות גידול LED יושמו ביותר מ-99.9% ממפעלי הצמחים.

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

מכשיר תאורה נייד
עוצמת האור קשורה קשר הדוק לגידול גידולים. גידול תלת-ממדי משמש לעתים קרובות במפעלי צמחים. עם זאת, עקב מגבלות מבנה מדפי הגידול, פיזור לא אחיד של אור וטמפרטורה בין המדפים ישפיע על תנובת הגידולים ותקופת הקציר לא תהיה מסונכרנת. חברה בבייג'ינג פיתחה בהצלחה מכשיר הרמה ידני לתאורה (גוף תאורה HPS וגוף תאורת LED לגידול) בשנת 2010. העיקרון הוא לסובב את ציר ההינע ואת המפותל המקובע עליו על ידי ניעור הידית כדי לסובב את גליל הסרט הקטן כדי להשיג את מטרת הנסיגה והפריקה של חבל התיל. חבל התיל של תאורת הגידול מחובר לגלגל המתפתל של המעלית באמצעות מספר קבוצות של גלגלים היפוכים, כדי להשיג את אפקט התאמת גובה תאורת הגידול. בשנת 2017, החברה הנ"ל תכננה ופיתחה מכשיר הרמה נייד חדש לתאורה, שיכול להתאים אוטומטית את גובה הרמה בזמן אמת בהתאם לצורכי גידול הגידול. מכשיר ההתאמה מותקן כעת על מתקן גידול תלת-ממדי מסוג הרמה של מקור אור תלת-שכבתי. השכבה העליונה של המכשיר היא הרמה עם תנאי התאורה הטובים ביותר, ולכן הוא מצויד במנורות נתרן בלחץ גבוה; השכבה האמצעית והשכבה התחתונה מצוידות בתאורת LED לגידול ובמערכת כוונון הרמה. הוא יכול להתאים אוטומטית את גובה תאורת הגידול כדי לספק סביבת תאורה מתאימה לגידולים.

בהשוואה למכשיר התוספת הנייד המותאם לגידול תלת-ממדי, הולנד פיתחה מכשיר תאורת תוספת LED נייד אופקית. על מנת להימנע מהשפעת צל תאורת הגידול על צמיחת הצמחים בשמש, ניתן לדחוף את מערכת תאורת הגידול לשני צידי התושבת באמצעות מגלשה טלסקופית בכיוון אופקי, כך שהשמש מוקרנת במלואה על הצמחים; בימים מעוננים וגשומים ללא אור שמש, יש לדחוף את מערכת תאורת הגידול למרכז התושבת כדי לגרום לאור של מערכת תאורת הגידול למלא את הצמחים באופן שווה; יש להזיז את מערכת תאורת הגידול אופקית דרך המגלשה שעל התושבת, להימנע מפירוק והסרה תכופים של מערכת תאורת הגידול, ולהפחית את עוצמת העבודה של העובדים, ובכך לשפר ביעילות את יעילות העבודה.

רעיונות עיצוב של מערכת תאורת גידול טיפוסית
לא קשה לראות מתכנון התקן התאורה הנייד המשלים שתכנון מערכת התאורה המשלימה של מפעל המפעל לוקח בדרך כלל את עוצמת האור, איכות האור ופרמטרי הפוטו-פרקיוד של תקופות גידול שונות כתוכן המרכזי של התכנון, תוך הסתמכות על מערכת בקרה חכמה ליישום, ומשיג את המטרה הסופית של חיסכון באנרגיה ותשואה גבוהה.

כיום, תכנון ובנייה של תאורה משלימה לירקות עליים התפתחו בהדרגה. לדוגמה, ניתן לחלק ירקות עליים לארבעה שלבים: שלב שתיל, שלב אמצע הצמיחה, שלב צמיחה מאוחר ושלב סופי; ניתן לחלק ירקות פרי לשלב שתיל, שלב צמיחה וגטטיבי, שלב פריחה ושלב קציר. מתכונות עוצמת האור המשלימה, עוצמת האור בשלב השתיל צריכה להיות מעט נמוכה יותר, בטווח של 60~200 מיקרומול/(מ"ר·שנייה), ולאחר מכן לעלות בהדרגה. ירקות עליים יכולים להגיע עד 100~200 מיקרומול/(מ"ר·שנייה), וירקות פרי יכולים להגיע ל-300~500 מיקרומול/(מ"ר·שנייה) כדי להבטיח את דרישות עוצמת האור של פוטוסינתזה של הצמח בכל תקופת צמיחה ולמלא את הצרכים של יבול גבוה; 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 לרמה נמוכה [(1~2):1], ולאחר מכן מופחת בהדרגה כדי לענות על צרכי מורפולוגיית האור של הצמח. ניתן לקבוע את היחס בין אדום לכחול לירקות עליים ל-(3~6):1. עבור תקופת הפוטו-תקופתית, בדומה לעוצמת האור, היא צריכה להראות מגמה של עלייה עם הארכת תקופת הגידול, כך שלירקות עליים יהיה זמן פוטוסינתטי רב יותר לפוטוסינתזה. תכנון תוספי האור של פירות וירקות יהיה מסובך יותר. בנוסף לחוקים הבסיסיים שהוזכרו לעיל, עלינו להתמקד בקביעת תקופת הפוטו-תקופתית במהלך תקופת הפריחה, ויש לקדם את הפריחה והפרי של הירקות, כדי לא לגרום לתוצאות הפוכות.

ראוי לציין כי נוסחת האור צריכה לכלול את הטיפול הסופי עבור סביבות תאורה. לדוגמה, תוספת אור רציפה יכולה לשפר משמעותית את היבול והאיכות של שתילי ירקות עליים הידרופוניים, או שימוש בטיפול UV כדי לשפר משמעותית את איכות התזונה של נבטים וירקות עליים (במיוחד עלים סגולים וחסה אדומה).

בנוסף לאופטימיזציה של תוספת האור עבור גידולים נבחרים, מערכת בקרת מקור האור של כמה מפעלי גידולי תאורה מלאכותית התפתחה במהירות בשנים האחרונות. מערכת בקרה זו מבוססת בדרך כלל על מבנה B/S. שליטה מרחוק ובקרה אוטומטית של גורמים סביבתיים כגון טמפרטורה, לחות, אור וריכוז CO2 במהלך גידול הגידולים ממומשים באמצעות WIFI, ובמקביל, ממומשת שיטת ייצור שאינה מוגבלת על ידי תנאים חיצוניים. מערכת תאורה משלימה חכמה מסוג זה משתמשת בגוף תאורת LED לגידול כמקור אור משלים, בשילוב עם מערכת בקרה חכמה מרחוק, יכולה לענות על צרכי תאורת אורך גל של צמחים, מתאימה במיוחד לסביבת גידול צמחים מבוקרת אור, ויכולה לענות היטב על ביקוש השוק.

הערות סיכום
מפעלי צמחים נחשבים לדרך חשובה לפתרון בעיות משאבים, אוכלוסין וסביבה עולמיות במאה ה-21, ודרך חשובה להשגת עצמאות מזון בפרויקטים היי-טק עתידיים. כסוג חדש של שיטת ייצור חקלאית, מפעלי צמחים עדיין נמצאים בשלב הלמידה והצמיחה, ונדרשים תשומת לב ומחקר נוספים. מאמר זה מתאר את המאפיינים והיתרונות של שיטות תאורה משלימות נפוצות במפעלי צמחים, ומציג את רעיונות העיצוב של מערכות תאורה משלימות אופייניות לגידולים. לא קשה למצוא באמצעות השוואה, על מנת להתמודד עם אור נמוך הנגרם ממזג אוויר קשה כמו עננות מתמשכת ואובדן, ולהבטיח ייצור גבוה ויציב של גידולי המתקן, ציוד מקור אור LED Grow תואם ביותר את מגמות הפיתוח הנוכחיות.

כיוון הפיתוח העתידי של מפעלי צמחים צריך להתמקד בחיישנים חדשים בעלי דיוק גבוה ובעלות נמוכה, מערכות תאורת ספקטרום מתכווננות הניתנות לשליטה מרחוק ומערכות בקרה מקצועיות. במקביל, מפעלי הצמחים העתידיים ימשיכו להתפתח לכיוון עלות נמוכה, חכמה וסתגלות עצמית. השימוש והפופולריות של מקורות תאורת LED לגידול מספקים ערובה לבקרת סביבה מדויקת ביותר במפעלי צמחים. ויסות סביבת תאורת LED הוא תהליך מורכב הכרוך בוויסות מקיף של איכות האור, עוצמת האור ותקופת הצילום. מומחים וחוקרים רלוונטיים צריכים לערוך מחקר מעמיק, לקדם תאורת LED משלימה במפעלי צמחים לתאורה מלאכותית.