نویسنده: جینگ ژائو، زنگچان ژو، یونلونگ بو و غیره.منبع رسانه：تکنولوژی مهندسی کشاورزی (باغبانی گلخانه ای)

این کارخانه ترکیبی از صنعت مدرن، بیوتکنولوژی، هیدروپونیک مواد مغذی و فناوری اطلاعات برای اجرای کنترل دقیق عوامل محیطی در تاسیسات است.کاملا محصور است، نیازهای کمی به محیط اطراف دارد، دوره برداشت گیاه را کوتاه می کند، در مصرف آب و کود صرفه جویی می کند و با مزیت عدم تولید آفت کش و عدم تخلیه زباله، راندمان کاربری اراضی واحد 40 تا 108 برابر آن است. تولید میدان بازدر این میان منبع نور مصنوعی هوشمند و تنظیم محیط نور آن نقش تعیین کننده ای در راندمان تولید آن دارد.

نور به عنوان یک عامل محیطی فیزیکی مهم، نقش کلیدی در تنظیم رشد گیاه و متابولیسم مواد دارد."یکی از ویژگی های اصلی کارخانه کارخانه، منبع نور مصنوعی کامل و تحقق تنظیم هوشمند محیط نور است" به یک اجماع عمومی در صنعت تبدیل شده است.

نیاز گیاهان به نور

نور تنها منبع انرژی فتوسنتز گیاهان است.شدت نور، کیفیت نور (طیف) و تغییرات دوره ای نور تاثیر عمیقی بر رشد و نمو گیاهان دارد که در این میان شدت نور بیشترین تاثیر را بر فتوسنتز گیاهان دارد.

■ شدت نور

شدت نور می تواند مورفولوژی محصولات مانند گلدهی، طول میانگره، ضخامت ساقه و اندازه و ضخامت برگ را تغییر دهد.نیاز گیاهان به شدت نور را می توان به گیاهان نور دوست، متوسط ​​نور دوست و کم تحمل به نور تقسیم کرد.سبزیجات عمدتاً گیاهان نور دوست هستند و نقاط جبران نور و نقاط اشباع نور نسبتاً زیاد است.در کارخانه‌های تولید نور مصنوعی، الزامات مربوط به محصولات برای شدت نور، مبنای مهمی برای انتخاب منابع نور مصنوعی است.درک نیازهای نوری گیاهان مختلف برای طراحی منابع نور مصنوعی مهم است، بهبود عملکرد تولید سیستم بسیار ضروری است.

■ کیفیت نور

توزیع کیفیت نور (طیفی) نیز تأثیر مهمی بر فتوسنتز و مورفوژنز گیاهان دارد (شکل 1).نور بخشی از تابش است و تابش یک موج الکترومغناطیسی است.امواج الکترومغناطیسی دارای ویژگی های موجی و ویژگی های کوانتومی (ذره ای) هستند.کوانتوم نور در زمینه باغبانی فوتون نامیده می شود.تابش با دامنه طول موج 300 تا 800 نانومتر را تشعشع فعال فیزیولوژیکی گیاهان می نامند.و تابش با دامنه طول موج 400 تا 700 نانومتر را تشعشع فعال فتوسنتزی (PAR) گیاهان می نامند.

کلروفیل و کاروتن دو رنگدانه مهم در فتوسنتز گیاهان هستند.شکل 2 طیف جذب طیفی هر رنگدانه فتوسنتزی را نشان می دهد که در آن طیف جذب کلروفیل در نوارهای قرمز و آبی متمرکز شده است.سیستم روشنایی بر اساس نیازهای طیفی محصولات برای تکمیل مصنوعی نور است تا فتوسنتز گیاهان را ارتقا دهد.

■ دوره نوری
رابطه بین فتوسنتز و فتومورفوژنز گیاهان و طول روز (یا زمان دوره نوری) دوره نوری گیاهان نامیده می شود.دوره نوری ارتباط نزدیکی با ساعات نور دارد که به زمان تابش نور محصول اشاره دارد.محصولات مختلف برای تکمیل دوره نوری برای گلدهی و میوه دادن به تعداد ساعات مشخصی نور نیاز دارند.با توجه به دوره های نوری مختلف، می توان آن را به محصولات طولانی روز مانند کلم و غیره تقسیم کرد که در مرحله خاصی از رشد خود به بیش از 12-14 ساعت نور نیاز دارند.محصولات کوتاه مدت مانند پیاز، سویا و غیره به کمتر از 12-14 ساعت روشنایی نیاز دارند.محصولات با آفتاب متوسط، مانند خیار، گوجه فرنگی، فلفل و غیره، می توانند در زیر نور خورشید طولانی تر یا کوتاه تر شکوفا شوند و میوه بدهند.
در میان سه عنصر محیط، شدت نور مبنای مهمی برای انتخاب منابع نور مصنوعی است.در حال حاضر راه های زیادی برای بیان شدت نور وجود دارد که به طور عمده شامل سه مورد زیر می شود.
(1) روشنایی به چگالی سطح شار نوری (شار نورانی در واحد سطح) دریافت شده در صفحه روشن، به لوکس (lx) اشاره دارد.

(2) تابش فعال فتوسنتزی، PAR، واحد: W/m².

(3) چگالی شار فوتون موثر فتوسنتزی PPFD یا PPF تعداد تشعشعات مؤثر فتوسنتزی است که به واحد زمان و واحد سطح می رسد یا از آن عبور می کند، واحد:μmol/(m²·s). عمدتاً به شدت نور 400 تا 700 نانومتر اشاره دارد. ارتباط مستقیم با فتوسنتزهمچنین پرکاربردترین شاخص شدت نور در زمینه تولید گیاهی است.

تجزیه و تحلیل منبع نور سیستم نور مکمل معمولی
مکمل نور مصنوعی برای افزایش شدت نور در ناحیه مورد نظر یا افزایش زمان نور با نصب یک سیستم نور مکمل برای برآوردن نیاز نور گیاهان است.به طور کلی، سیستم نور تکمیلی شامل تجهیزات نور مکمل، مدارها و سیستم کنترل آن است.منابع نور تکمیلی عمدتاً شامل چندین نوع متداول مانند لامپ‌های رشته‌ای، لامپ‌های فلورسنت، لامپ‌های متال هالید، لامپ‌های سدیم فشار بالا و LED هستند.با توجه به راندمان الکتریکی و نوری پایین لامپ های رشته ای، راندمان پایین انرژی فتوسنتزی و سایر کاستی ها، توسط بازار برطرف شده است، بنابراین این مقاله تحلیل دقیقی انجام نمی دهد.

■ لامپ فلورسنت
لامپ های فلورسنت از نوع لامپ های تخلیه گاز کم فشار هستند.لوله شیشه ای با بخار جیوه یا گاز بی اثر پر شده و دیواره داخلی لوله با پودر فلورسنت پوشانده شده است.رنگ روشن با مواد فلورسنت پوشش داده شده در لوله متفاوت است.لامپ های فلورسنت عملکرد طیفی خوب، راندمان نوری بالا، قدرت کم، عمر طولانی تر (12000 ساعت) در مقایسه با لامپ های رشته ای و هزینه نسبتا پایین دارند.از آنجایی که خود لامپ فلورسنت گرمای کمتری از خود ساطع می کند، می تواند برای روشنایی نزدیک گیاهان باشد و برای کشت سه بعدی مناسب است.با این حال، طرح طیفی لامپ فلورسنت غیر منطقی است.متداول ترین روش در جهان اضافه کردن بازتابنده برای به حداکثر رساندن اجزای منبع نور موثر محصولات در منطقه کشت است.شرکت ژاپنی adv-agri نیز نوع جدیدی از منبع نور مکمل HEFL را توسعه داده است.HEFL در واقع به دسته لامپ های فلورسنت تعلق دارد.این اصطلاح عمومی برای لامپ های فلورسنت کاتد سرد (CCFL) و لامپ های فلورسنت الکترود خارجی (EEFL) است و یک لامپ فلورسنت الکترود مخلوط است.لوله HEFL بسیار نازک است و قطر آن فقط حدود 4 میلی متر است و طول آن را می توان از 450 میلی متر تا 1200 میلی متر با توجه به نیازهای کشت تنظیم کرد.این یک نسخه بهبود یافته از لامپ فلورسنت معمولی است.

■ لامپ متال هالید
لامپ متال هالید یک لامپ تخلیه با شدت بالا است که می تواند با افزودن متال هالیدهای مختلف (قلع برمید، یدید سدیم و غیره) در لوله تخلیه بر اساس لامپ جیوه ای فشار بالا، عناصر مختلف را برای تولید طول موج های مختلف تحریک کند.لامپ های هالوژن دارای راندمان نوری بالا، قدرت بالا، رنگ نور خوب، عمر طولانی و طیف وسیع هستند.با این حال، از آنجایی که راندمان نوری کمتر از لامپ های سدیم فشار قوی است، و طول عمر کمتر از لامپ های سدیم فشار قوی است، در حال حاضر تنها در چند کارخانه کارخانه استفاده می شود.

■ لامپ سدیم فشار قوی
لامپ های سدیم فشار قوی از نوع لامپ های تخلیه گاز پرفشار هستند.لامپ سدیم فشار قوی یک لامپ پربازده است که در آن بخار سدیم پرفشار در لوله تخلیه پر شده و مقدار کمی زنون (Xe) و هالید متال جیوه به آن اضافه می شود.از آنجایی که لامپ های سدیم فشار قوی دارای راندمان تبدیل الکترواپتیکی بالا با هزینه های ساخت کمتر هستند، لامپ های سدیم فشار قوی در حال حاضر بیشترین کاربرد را در استفاده از نور مکمل در تاسیسات کشاورزی دارند.با این حال، به دلیل کاستی‌های بازده فتوسنتزی پایین در طیف خود، دارای کاستی‌های بازده انرژی پایین هستند.از سوی دیگر، اجزای طیفی ساطع شده توسط لامپ های سدیم فشار بالا عمدتاً در نوار نوری زرد-نارنجی متمرکز می شوند که فاقد طیف های قرمز و آبی لازم برای رشد گیاه هستند.

■ دیود ساطع نور
به عنوان نسل جدیدی از منابع نور، دیودهای ساطع نور (LED) دارای مزایای بسیاری مانند راندمان تبدیل الکترواپتیکی بالاتر، طیف قابل تنظیم و راندمان فتوسنتزی بالا هستند.LED می تواند نور تک رنگ مورد نیاز برای رشد گیاه را ساطع کند.در مقایسه با لامپ های فلورسنت معمولی و سایر منابع نور مکمل، LED دارای مزایای صرفه جویی در انرژی، حفاظت از محیط زیست، عمر طولانی، نور تک رنگ، منبع نور سرد و غیره است.با بهبود بیشتر بازده الکترواپتیکی LED ها و کاهش هزینه های ناشی از اثر مقیاس، سیستم های روشنایی LED رشد به تجهیزات اصلی برای تکمیل نور در تاسیسات کشاورزی تبدیل خواهند شد.در نتیجه، چراغ های رشد LED در بیش از 99.9٪ کارخانه های گیاهی استفاده شده است.

همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، از طریق مقایسه، می توان ویژگی های منابع مختلف نور مکمل را به وضوح درک کرد.

دستگاه روشنایی سیار
شدت نور با رشد محصولات زراعی ارتباط تنگاتنگی دارد.کشت سه بعدی اغلب در کارخانه های گیاهی استفاده می شود.اما به دلیل محدودیت ساختار قفسه‌های کشت، توزیع ناهموار نور و دما بین قفسه‌ها بر عملکرد محصولات تأثیر می‌گذارد و دوره برداشت همگام نمی‌شود.یک شرکت در پکن در سال 2010 با موفقیت یک دستگاه مکمل نور بالابر دستی (لوازم HPS و چراغ روشنایی LED) را توسعه داده است. اصل این است که محور محرک را بچرخانید و سیم پیچ را با تکان دادن دسته برای چرخاندن قرقره فیلم کوچک روی آن بچرخانید. برای رسیدن به هدف جمع کردن و باز کردن سیم طناب.طناب سیم چراغ رشد با چرخ سیم پیچ آسانسور از طریق چندین مجموعه چرخ معکوس متصل می شود تا به اثر تنظیم ارتفاع نور رشد دست یابد.در سال 2017، شرکت فوق الذکر یک دستگاه مکمل نور موبایل جدید طراحی و توسعه داد که می تواند به طور خودکار ارتفاع مکمل نور را در زمان واقعی با توجه به نیازهای رشد محصول تنظیم کند.دستگاه تنظیم در حال حاضر بر روی قفسه کشت سه بعدی بالابر منبع نور 3 لایه نصب شده است.لایه بالایی دستگاه دارای بهترین شرایط نوری است، بنابراین مجهز به لامپ های سدیم فشار قوی است.لایه میانی و لایه زیرین مجهز به چراغ های رشد LED و سیستم تنظیم بالابر هستند.این می تواند به طور خودکار ارتفاع نور رشد را تنظیم کند تا یک محیط روشنایی مناسب برای محصولات فراهم کند.

در مقایسه با دستگاه مکمل نور سیار که برای کشت سه بعدی طراحی شده است، هلند یک دستگاه نور مکمل LED رشد افقی متحرک ایجاد کرده است.به منظور جلوگیری از تأثیر سایه نور رشد بر روی رشد گیاهان در آفتاب، می توان سیستم نور رشد را از طریق لغزش تلسکوپی در جهت افقی به دو طرف براکت فشار داد تا خورشید به طور کامل قرار گیرد. تحت تابش گیاهان؛در روزهای ابری و بارانی بدون نور خورشید، سیستم رشد نور را به وسط براکت فشار دهید تا نور سیستم نور رشد به طور یکنواخت گیاهان را پر کند.سیستم رشد نور را به صورت افقی از طریق اسلاید روی براکت حرکت دهید، از جداسازی مکرر و حذف سیستم نور رشد اجتناب کنید، و شدت کار کارکنان را کاهش دهید، بنابراین به طور موثر کارایی کار را بهبود می بخشید.

ایده های طراحی سیستم نور رشد معمولی
از طراحی دستگاه تکمیلی روشنایی متحرک نمی توان فهمید که طراحی سیستم روشنایی تکمیلی کارخانه کارخانه معمولاً پارامترهای شدت نور، کیفیت نور و دوره نوری دوره های مختلف رشد محصول را به عنوان محتوای اصلی طرح در نظر می گیرد. ، با تکیه بر سیستم کنترل هوشمند برای پیاده سازی، دستیابی به هدف نهایی صرفه جویی در انرژی و بازده بالا.

در حال حاضر طراحی و ساخت نور تکمیلی برای سبزیجات برگ دار به تدریج به بلوغ رسیده است.به عنوان مثال، سبزیجات برگی را می توان به چهار مرحله تقسیم کرد: مرحله گیاهچه، اواسط رشد، اواخر رشد و مرحله پایانی.میوه و سبزیجات را می توان به مرحله نهال، مرحله رشد رویشی، مرحله گلدهی و مرحله برداشت تقسیم کرد.از ویژگی های شدت نور تکمیلی، شدت نور در مرحله نهال باید کمی کمتر باشد، در 60 ~ 200 میکرومول / (m²·s)، و سپس به تدریج افزایش یابد.سبزیجات برگدار می توانند تا 100 ~ 200 میکرومول در (m²·s) و سبزیجات میوه به 300 ~ 500 μmol / (m²·s) برسند تا از شدت نور مورد نیاز فتوسنتز گیاه در هر دوره رشد اطمینان حاصل کنند و نیازهای آنها را برآورده سازند. پربازده؛از نظر کیفیت نور، نسبت قرمز به آبی بسیار مهم است.به منظور افزایش کیفیت نهال و جلوگیری از رشد بیش از حد در مرحله نهال، نسبت قرمز به آبی معمولاً در سطح پایین [(1~2):1] تنظیم می شود و سپس به تدریج کاهش می یابد تا نیاز گیاه برآورده شود. مورفولوژی نورنسبت قرمز به آبی به سبزیجات برگدار را می توان روی (3~6):1 تنظیم کرد.برای دوره نوری، مشابه شدت نور، باید روند افزایشی را با افزایش دوره رشد نشان دهد تا سبزیجات برگدار زمان فتوسنتزی بیشتری برای فتوسنتز داشته باشند.طراحی مکمل سبک میوه ها و سبزیجات پیچیده تر خواهد بود.علاوه بر قوانین اساسی ذکر شده در بالا، باید روی تنظیم دوره نوری در طول دوره گلدهی تمرکز کنیم و گلدهی و میوه دهی سبزیجات باید ترویج شود تا نتیجه معکوس نداشته باشد.

شایان ذکر است که فرمول نور باید شامل درمان نهایی برای تنظیمات محیط نور باشد.به عنوان مثال، مکمل نور مداوم می‌تواند عملکرد و کیفیت نهال‌های سبزیجات برگی هیدروپونیک را تا حد زیادی بهبود بخشد، یا از درمان با اشعه ماوراء بنفش برای بهبود چشمگیر کیفیت تغذیه جوانه‌ها و سبزیجات برگدار (به ویژه برگ‌های بنفش و برگ کاهو قرمز) استفاده کند.

علاوه بر بهینه سازی مکمل نور برای محصولات منتخب، سیستم کنترل منبع نور برخی از کارخانه های کارخانه نور مصنوعی نیز در سال های اخیر به سرعت توسعه یافته است.این سیستم کنترل عموما بر اساس ساختار B/S است.کنترل از راه دور و کنترل خودکار عوامل محیطی مانند دما، رطوبت، نور و غلظت CO2 در طول رشد محصولات از طریق WIFI محقق می شود و در عین حال، روش تولید بدون محدودیت شرایط خارجی محقق می شود.این نوع سیستم نور تکمیلی هوشمند از چراغ رشد LED به عنوان منبع نور مکمل استفاده می کند، همراه با سیستم کنترل هوشمند از راه دور، می تواند نیازهای روشنایی طول موج گیاهی را برآورده کند، به ویژه برای محیط کشت گیاه با نور کنترل شده مناسب است و می تواند به خوبی تقاضای بازار را برآورده کند. .

نتایجی که اظهار شده
کارخانه‌های گیاهی راه مهمی برای حل مشکلات منابع، جمعیت و زیست‌محیطی جهان در قرن بیست و یکم و راه مهمی برای دستیابی به خودکفایی غذایی در پروژه‌های با فناوری پیشرفته آینده محسوب می‌شوند.به عنوان یک نوع جدید از روش های تولید کشاورزی، کارخانه های گیاهی هنوز در مرحله یادگیری و رشد هستند و نیاز به توجه و تحقیق بیشتری است.این مقاله ویژگی‌ها و مزایای روش‌های متداول روشنایی تکمیلی در کارخانه‌های گیاهی را شرح می‌دهد و ایده‌های طراحی سیستم‌های روشنایی مکمل محصول معمولی را معرفی می‌کند.یافتن از طریق مقایسه دشوار نیست، به منظور مقابله با نور کم ناشی از آب و هوای شدید مانند ابری مداوم و مه و برای اطمینان از تولید بالا و پایدار محصولات کارخانه، تجهیزات منبع نور LED Grow بیشترین مطابقت را با توسعه فعلی دارند. روندها

جهت توسعه آینده کارخانه های کارخانه باید بر روی سنسورهای جدید با دقت بالا و کم هزینه، سیستم های دستگاه روشنایی طیف قابل تنظیم از راه دور و سیستم های کنترل خبره تمرکز کند.در همان زمان، کارخانه‌های کارخانه‌های آینده به سمت توسعه کم‌هزینه، هوشمند و خودسازگار ادامه خواهند داد.استفاده و رواج منابع نور رشد LED تضمینی برای کنترل محیطی با دقت بالا کارخانه‌های گیاهی است.تنظیم محیط نور LED فرآیند پیچیده ای است که شامل تنظیم جامع کیفیت نور، شدت نور و دوره نوری است.کارشناسان و محققان مربوطه نیاز به انجام تحقیقات عمیق، ترویج روشنایی مکمل LED در کارخانه های کارخانه نور مصنوعی دارند.