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

מפעל הצמח משלב תעשייה מודרנית, ביוטכנולוגיה, הידרופוניקה מזינה וטכנולוגיית מידע ליישום שליטה ברמה גבוהה על גורמים סביבתיים במתקן. זה סגור במלואו, יש דרישות נמוכות בסביבה הסובבת, מקצר את תקופת הקציר של הצמח, חוסך מים ודשן, וביתרונות של ייצור אי-הדברה וללא פריקת פסולת, יעילות השימוש בקרקע היחידה היא 40 עד 108 פעמים מזה של ייצור שדה פתוח. ביניהם, מקור האור המלאכותי האינטליגנטי ויסות הסביבה האור שלו ממלאים תפקיד מכריע ביעילות הייצור שלו.

כגורם סביבתי פיזי חשוב, האור ממלא תפקיד מפתח בוויסות צמיחת הצמח ומטבוליזם החומרי. "אחד המאפיינים העיקריים של מפעל הצמחים הוא מקור האור המלאכותי המלא והמימוש הרגולציה החכמה של סביבת האור" הפך לקונצנזוס כללי בענף.

הצורך של הצמחים באור

האור הוא מקור האנרגיה היחיד לפוטוסינתזה של צמחים. עוצמת האור, איכות האור (ספקטרום) ושינויים תקופתיים של אור משפיעים עמוק על צמיחתם ופיתוחם של יבולים, ביניהם עוצמת האור משפיעה ביותר על הפוטוסינתזה של הצמח.

■ עוצמת אור

עוצמת האור יכולה לשנות את המורפולוגיה של גידולים, כמו פריחה, אורך פנימי, עובי גזע וגודל ועובי העלים. ניתן לחלק את הדרישות של צמחים לעוצמת אור לצמחים חובבי אור, חובב אור בינוני וסובלני אור נמוך. ירקות הם בעיקר צמחים חובבי אור, ונקודות הפיצוי הקלות שלהם ונקודות הרוויה האור גבוהות יחסית. במפעלי צמחי אור מלאכותיים, הדרישות הרלוונטיות של יבולים לעוצמת אור הן בסיס חשוב לבחירת מקורות אור מלאכותיים. הבנת דרישות האור של צמחים שונים חשובה לעיצוב מקורות אור מלאכותיים, יש צורך ביותר לשפר את ביצועי הייצור של המערכת.

■ איכות אור

לתפוצה באיכות האור (ספקטרלית) יש השפעה חשובה גם על פוטוסינתזה של צמחים ומורפוגנזה (איור 1). האור הוא חלק מהקרינה, והקרינה היא גל אלקטרומגנטי. לגלים אלקטרומגנטיים מאפייני גל ומאפייני קוונטים (חלקיקים). כמות האור נקראת פוטון בתחום הגננות. קרינה עם טווח אורך גל של 300 ~ 800nm ​​נקראת קרינה פעילה פיזיולוגית של צמחים; וקרינה עם טווח אורך גל של 400 ~ 700nm נקראת קרינה פעילה פוטוסינתטית (PAR) של צמחים.

כלורופיל וקרוטנים הם שני הפיגמנטים החשובים ביותר בפוטוסינתזה של הצמח. איור 2 מציג את ספקטרום הקליטה הספקטרלית של כל פיגמנט פוטוסינתטי, בו מרוכז את ספקטרום הקליטה של ​​הכלורופיל ברצועות האדומות והכחולות. מערכת התאורה מבוססת על הצרכים הספקטרליים של יבולים כדי להשלים באופן מלאכותי, כדי לקדם את הפוטוסינתזה של הצמחים.

■ Photoperiod
הקשר בין פוטוסינתזה לצילום פוטומורפוגנזה של צמחים ואורך היום (או זמן צילום) נקרא צילום של צמחים. הצילום קשור קשר הדוק לשעות האור, המתייחסות לזמן בו מוקרן היבול על ידי אור. גידולים שונים דורשים מספר מסוים של שעות אור להשלמת הצילום לפריחה ולשאת פרי. על פי הצילומים השונים, ניתן לחלק אותו לגידולים ארוכי יום, כמו כרוב וכו ', הדורשים יותר מ- 12-14 שעות אור בשלב מסוים של צמיחתו; גידולים של יום קצר, כמו בצל, פולי סויה וכו ', דורשים פחות משעות תאורה של 12-14 שעות; גידולים בינוניים-שניים, כמו מלפפונים, עגבניות, פלפלים וכו ', יכולים לפרוח ולשאת פרי תחת אור שמש ארוך יותר או קצר יותר.
מבין שלושת מרכיבי הסביבה, עוצמת האור היא בסיס חשוב לבחירת מקורות אור מלאכותיים. נכון לעכשיו, ישנן דרכים רבות לבטא את עוצמת האור, בעיקר כולל השלושה הבאים.
Allumination מתייחס לצפיפות השטח של שטף זוהר (שטף זוהר ליחידה) שהתקבל במישור המואר, ב- LUX (LX).

（2） קרינה פעילה פוטוסינתטית, יחידת par ， ： w/m²。

（3 Å צפיפות שטף הפוטון היעילה הפוטוסינתטית PPFD או PPF הוא מספר הקרינה היעילה הפוטוסינתטית שמגיעה או עוברת דרך זמן היחידה ושטח היחידה, יחידה ： μmol/(m² · s)。 מתייחס בעיקר לעוצמת האור של 400 ~ 700nm קשור ישירות לפוטוסינתזה. זהו גם מחוון עוצמת האור הנפוצה ביותר בתחום ייצור הצמח.

ניתוח מקור אור של מערכת אור משלימה טיפוסית
תוסף אור מלאכותי הוא להגדיל את עוצמת האור באזור היעד או להאריך את זמן האור על ידי התקנת מערכת תאורת תוסף כדי למלא את הביקוש הקל של הצמחים. באופן כללי, מערכת האור המשלימה כוללת ציוד אור משלים, מעגלים ומערכת הבקרה שלה. מקורות אור משלימים כוללים בעיקר מספר סוגים נפוצים כמו מנורות ליבון, מנורות פלורסנט, מנורות הליד מתכת, מנורות נתרן בלחץ גבוה ונוריות LED. בשל היעילות החשמלית והאופטית הנמוכה של מנורות ליבון, יעילות אנרגיה פוטוסינתטית נמוכה וחסרונות אחרים, היא בוטלה על ידי השוק, כך שמאמר זה אינו מבצע ניתוח מפורט.

■ מנורת פלורסנט
מנורות פלורסנט שייכות לסוג מנורות פריקת הגז בלחץ נמוך. צינור הזכוכית מלא באדי כספית או בגז אינרטי, והקיר הפנימי של הצינור מצופה באבקת ניאון. צבע האור משתנה עם החומר הפלואורסצנטי המצופה בצינור. למנורות פלורסנט יש ביצועים ספקטרליים טובים, יעילות זוהרת גבוהה, הספק נמוך, חיים ארוכים יותר (12000 שעות) בהשוואה למנורות ליבון ועלות נמוכה יחסית. מכיוון שמנורה הניאון עצמה פולטת פחות חום, היא יכולה להיות קרובה לצמחים לתאורה ומתאימה לעיבוד תלת ממדי. עם זאת, הפריסה הספקטרלית של מנורת הפלורסנט אינה סבירה. השיטה הנפוצה ביותר בעולם היא להוסיף מחזירי מחזיקה כדי למקסם את רכיבי מקור האור האפקטיביים של הגידולים באזור הטיפוח. חברת Adv-Agri היפנית פיתחה גם סוג חדש של מקור אור משלים HEFL. HEFL שייך למעשה לקטגוריית מנורות פלורסנט. זהו המונח הכללי של מנורות פלורסנט קתודות קרות (CCFL) ומנורות פלורסנט אלקטרודות חיצוניות (EEFL), והיא מנורת פלורסנט מעורבת באלקטרודה. צינור ה- HEFL דק במיוחד, בקוטר של כ -4 מ"מ בלבד, וניתן לכוונן את האורך מ- 450 מ"מ ל 1200 מ"מ בהתאם לצרכי הטיפוח. זוהי גרסה משופרת של המנורה הפלואורסצנטית המקובלת.

■ מנורת הליד מתכת
מנורת הליד המתכת היא מנורת פריקה בעוצמה גבוהה שיכולה לרגש אלמנטים שונים לייצור אורכי גל שונים על ידי הוספת הלידי מתכת שונים (ברומיד פח, נתרן יוד וכו ') בצינור הפריקה על בסיס מנורת כספית בלחץ גבוה. למנורות הלוגן יש יעילות זוהרת גבוהה, כוח גבוה, צבע אור טוב, חיים ארוכים וספקטרום גדול. עם זאת, מכיוון שהיעילות הזוהרת נמוכה מזו של מנורות נתרן בלחץ גבוה, והחיים קצרים יותר מזה של מנורות נתרן בלחץ גבוה, היא משמשת כיום רק בכמה מפעלים צמחיים.

■ מנורת נתרן בלחץ גבוה
מנורות נתרן בלחץ גבוה שייכות לסוג מנורות פריקת גז בלחץ גבוה. מנורת נתרן בלחץ גבוה היא מנורה יעילה גבוהה בה מתמלאים אדי נתרן בלחץ גבוה בצינור הפריקה, ומתווספים כמות קטנה של קסנון (XE) והליד מתכת כספית. מכיוון שמנורות נתרן בלחץ גבוה יש יעילות המרה אלקטרו-אופטית גבוהה עם עלויות ייצור נמוכות יותר, מנורות נתרן בלחץ גבוה הן כיום הנפוצות ביותר ביישום האור המשלים במתקנים חקלאיים. עם זאת, בגלל החסרונות של יעילות פוטוסינתטית נמוכה בספקטרום שלהם, יש להם חסרונות של יעילות אנרגטית נמוכה. מצד שני, המרכיבים הספקטרליים הנפלטים על ידי מנורות נתרן בלחץ גבוה מרוכזים בעיקר ברצועת האור הצהובה-כתומה, אשר חסרה את הספקטרום האדום והכחול הנחוץ לצמיחת צמחים.

■ דיודה פולטת אור
כדור חדש של מקורות אור, לדיודות פולטות אור (נוריות LED) יש יתרונות רבים כמו 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, LED הוא בעל היתרונות של חיסכון באנרגיה, הגנה על הסביבה, חיים ארוכים, אור מונוכרומטי, מקור אור קר וכן הלאה. עם שיפור נוסף של היעילות האלקטרו-אופטית של נוריות LED והפחתת העלויות הנגרמות כתוצאה מהשפעת הסולם, מערכות תאורת LED לגידול LED יהפכו לציוד הזרם המרכזי להשלמת אור במתקנים חקלאיים. כתוצאה מכך, אורות LED לגידול נורות הוחלו 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 לצמיחת הגידולים. טיפוח תלת ממדי משמש לרוב במפעלי צמחים. עם זאת, בשל מגבלת מבנה מתלי הטיפוח, התפלגות לא אחידה של האור והטמפרטורה בין המתלים תשפיע על תפוקת היבולים ותקופת הקטיף לא תסנכרן. חברה בבייג'ינג פיתחה בהצלחה מכשיר תוספי תאורה ידני בהרמת אור (מתקן תאורת HPS ומתקן תאורת LED לגדול) בשנת 2010. העיקרון הוא לסובב את פיר הכונן והמתנדב שלו קבוע על ידי טלטול הידית כדי לסובב את סליל הסרט הקטן כדי להשיג את המטרה של חוזר בו ולהרחיק את חבל החוט. חבל התיל של אור הגדול מחובר לגלגל המתפתל של המעלית דרך קבוצות מרובות של גלגלים היפוך, כדי להשיג את ההשפעה של התאמת גובה האור לגדול. בשנת 2017, החברה שהוזכרה לעיל עיצבה ופיתחה מכשיר תוסף אור נייד חדש, שיכול להתאים אוטומטית את גובה תוסף האור בזמן אמת על פי צרכי צמיחת היבול. מכשיר ההתאמה מותקן כעת על מתלה טיפוח תלת מימדי של מקור אור 3 שכבות. השכבה העליונה של המכשיר היא הרמה עם מצב האור הטוב ביותר, ולכן היא מצוידת במנורות נתרן בלחץ גבוה; השכבה האמצעית והשכבה התחתונה מצוידים באורות גידול LED ומערכת התאמת הרמה. זה יכול להתאים אוטומטית את גובה האור הגדל כדי לספק סביבת תאורה מתאימה לגידולים.

בהשוואה למכשיר תוסף האור הנייד המותאם לגידול תלת מימדי, הולנד פיתחה LED הניתן להזיזה אופקית מגדילה מכשיר תאורת תוספי אור. על מנת להימנע מהשפעת צל האור הגדל על צמיחת הצמחים בשמש, ניתן לדחוף את מערכת האור לגדול לשני צידי הסוגר דרך המגלשה הטלסקופית בכיוון האופקי, כך שהשמש מלאה במלוא הוקרן על הצמחים; בימים מעוננים וגשומים ללא אור שמש, דחפו את מערכת האור הגידול לאמצע הסוגר כדי לגרום לאור מערכת האור לגדול למלא באופן שווה את הצמחים; הזז את מערכת הגדול אור אופקית דרך השקופית על סוגר, הימנע מפירוק תכוף והסרת מערכת הגדולים, והפחית את עוצמת העבודה של העובדים, ובכך שיפור ביעילות את יעילות העבודה.

רעיונות עיצוביים של מערכת צמיחה טיפוסית
לא קשה לראות מתכנון המכשיר המשלים לתאורה ניידת, כי העיצוב של מערכת התאורה המשלימה של מפעל הצמחים בדרך כלל לוקח את עוצמת האור, איכות האור ופרמטרים של פוטו -אפ של תקופות צמיחת יבול שונות כתוכן הליבה של העיצוב , הסתמכות על מערכת הבקרה החכמה ליישום, השגת המטרה הסופית של חיסכון באנרגיה ותשואה גבוהה.

נכון לעכשיו, תכנון ובניית אור משלים לירקות עליים התבגר בהדרגה. לדוגמה, ניתן לחלק ירקות עליים לארבעה שלבים: שלב שתיל, צמיחה אמצעית, צמיחה מאוחרת ושלב סיום; ניתן לחלק את פירות הפירות לשלב שתיל, שלב גידול צמחתי, שלב הפריחה ושלב הקציר. מהתכונות של עוצמת האור המשלימה, עוצמת האור בשלב השתיל צריכה להיות מעט נמוכה יותר, בגובה 60 ~ 200 מיקרומול/(מ"ר) ואז גדלים בהדרגה. ירקות עליים יכולים להגיע עד 100 ~ 200 מיקרומול/(מ"ר), וירקות פירות יכולים להגיע ל -300 ~ 500 מיקרומול/(מ"ר) כדי להבטיח את דרישות עוצמת האור של פוטוסינתזה של צמחים בכל תקופת גידול ולמלא את צרכיו של צרכי תשואה גבוהה; מבחינת איכות האור, היחס בין אדום לכחול חשוב מאוד. על מנת להגדיל את איכות השתילים ולמנוע צמיחה מוגזמת בשלב השתיל, היחס בין אדום לכחול מוגדר בדרך כלל ברמה נמוכה [(1 ~ 2): 1] ואז מופחת בהדרגה כדי לענות על צרכי הצמח מורפולוגיה קלה. ניתן להגדיר את היחס בין ירקות אדומים לכחול עד עלים (3 ~ 6): 1. עבור הצילום, בדומה לעוצמת האור, הוא אמור להראות מגמה של הגדלה עם הרחבת תקופת הגידול, כך שלירקות עלים יש זמן פוטוסינתטי יותר לפוטוסינתזה. עיצוב תוסף האור של פירות וירקות יהיה מסובך יותר. בנוסף לחוקים הבסיסיים שהוזכרו לעיל, עלינו להתמקד בהגדרת הצילום בתקופת הפריחה, ויש לקדם את הפריחה והפירות של ירקות, כדי לא להבהיר.

ראוי להזכיר כי פורמולה האור צריכה לכלול את הטיפול הסופי בהגדרות סביבת אור. לדוגמה, תוסף אור רציף יכול לשפר מאוד את התשואה והאיכות של שתילי ירקות עלים הידרופוניים, או להשתמש בטיפול ב- UV כדי לשפר משמעותית את הנבטים והירקות העלים (במיוחד עלים סגולים וחסה עלים אדומים) איכות תזונתית.

בנוסף למיטוב תוסף אור לגידולים נבחרים, מערכת בקרת מקור האור של כמה מפעלי צמחי אור מלאכותיים התפתחה גם היא במהירות בשנים האחרונות. מערכת בקרה זו מבוססת בדרך כלל על מבנה B/S. שלט רחוק ושליטה אוטומטית על גורמים סביבתיים כמו טמפרטורה, לחות, אור וריכוז CO2 במהלך צמיחת הגידולים מתממשות באמצעות WiFi, ובו בזמן, מתממשת שיטת ייצור שאיננה מוגבלת בתנאים חיצוניים. סוג זה של מערכת אור משלימה חכמה משתמשת במתקן תאורה של LED Grow Grow כמקור אור משלים, בשילוב עם מערכת בקרה אינטליגנטית מרוחקת, יכולה לענות על הצרכים של תאורה באורך הגל הצומח, מתאימה במיוחד לסביבת גידול צמחים בשליטה קלה ויכולה לעמוד היטב בביקוש בשוק ו

הערות מסכמות
מפעלי צמחים נחשבים לדרך חשובה לפתור את המשאבים העולמיים, האוכלוסייה והבעיות הסביבתיות במאה ה -21, ודרך חשובה להשיג את המזון העצמי בפרויקטים היי-טק עתידיים. כסוג חדש של שיטת ייצור חקלאית, מפעלי צמחים עדיין נמצאים בשלב הלמידה והצמיחה, ויש צורך בתשומת לב ומחקר רב יותר. מאמר זה מתאר את המאפיינים והיתרונות של שיטות תאורה משלימות נפוצות במפעלי צמחים, ומציג את רעיונות העיצוב של מערכות תאורה משלימות טיפוסיות. לא קשה למצוא בהשוואה, על מנת להתמודד עם האור הנמוך הנגרם כתוצאה מזג אוויר קשה כמו מעונן ואובך רציף ולהבטיח ייצור גבוה ויציב של גידולי מתקן, ציוד LED לגידול מקור אור הוא התואם את ההתפתחות הנוכחית ביותר מגמות.

כיוון הפיתוח העתידי של מפעלי צמחים אמור להתמקד במערכות דיוק גבוהות, חיישנים בעלות נמוכה, מערכות תקני תאורה ספקטרום ניתנות לשליטה מרחוק ומערכות בקרה מומחים. במקביל, מפעלי הצמח העתידיים ימשיכו להתפתח לעלות בעלות נמוכה, אינטליגנטית ומותאמת עצמית. השימוש והפופולריות של LED מגדילים מקורות אור מספקים ערבות לבקרה סביבתית גבוהה של מפעלי צמחים. ויסות סביבת אור LED הוא תהליך מורכב הכולל ויסות מקיף של איכות האור, עוצמת האור ופוטו -אפ. מומחים ומלומדים רלוונטיים צריכים לערוך מחקר מעמיק, ולקידום תאורה משלימה LED במפעלי צמחי אור מלאכותיים.