Tác giả: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu, v.v. Nguồn phương tiện truyền thông Công nghệ kỹ thuật nông nghiệp (trồng trọt nhà kính)

Nhà máy thực vật kết hợp ngành công nghiệp hiện đại, công nghệ sinh học, thủy canh dinh dưỡng và công nghệ thông tin để thực hiện kiểm soát chính xác cao các yếu tố môi trường trong cơ sở. Nó được bao bọc hoàn toàn, có các yêu cầu thấp về môi trường xung quanh, rút ​​ngắn thời gian thu hoạch thực vật, tiết kiệm nước và phân bón, và với những lợi thế của sản xuất không tự động và không có chất thải, hiệu quả sử dụng đất đơn vị là 40 đến 108 lần so với của sản xuất trường mở. Trong số đó, nguồn ánh sáng nhân tạo thông minh và quy định môi trường ánh sáng của nó đóng một vai trò quyết định trong hiệu quả sản xuất của nó.

Là một yếu tố môi trường quan trọng, ánh sáng đóng vai trò chính trong việc điều chỉnh sự phát triển của thực vật và chuyển hóa vật liệu. Một trong những đặc điểm chính của nhà máy thực vật là nguồn ánh sáng nhân tạo đầy đủ và thực hiện quy định thông minh về môi trường ánh sáng, đã trở thành một sự đồng thuận chung trong ngành.

Nhu cầu ánh sáng của thực vật

Ánh sáng là nguồn năng lượng duy nhất của quang hợp thực vật. Cường độ ánh sáng, chất lượng ánh sáng (phổ) và thay đổi ánh sáng định kỳ có tác động sâu sắc đến sự tăng trưởng và phát triển của cây trồng, trong đó cường độ ánh sáng có tác động lớn nhất đến quang hợp thực vật.

■ Cường độ ánh sáng

Cường độ của ánh sáng có thể thay đổi hình thái của cây trồng, chẳng hạn như ra hoa, chiều dài interode, độ dày thân, và kích thước và độ dày của lá. Các yêu cầu của thực vật cho cường độ ánh sáng có thể được chia thành các loại cây yêu thích ánh sáng, yêu thích trung bình và có độ sáng thấp. Rau chủ yếu là các nhà máy yêu thích ánh sáng, và các điểm bù ánh sáng và điểm bão hòa ánh sáng của chúng tương đối cao. Trong các nhà máy thực vật ánh sáng nhân tạo, các yêu cầu liên quan của cây trồng cho cường độ ánh sáng là một cơ sở quan trọng để lựa chọn các nguồn ánh sáng nhân tạo. Hiểu các yêu cầu ánh sáng của các nhà máy khác nhau rất quan trọng để thiết kế các nguồn ánh sáng nhân tạo, điều cực kỳ cần thiết để cải thiện hiệu suất sản xuất của hệ thống.

■ Chất lượng ánh sáng

Phân phối chất lượng ánh sáng (quang phổ) cũng có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình quang hợp và hình thái thực vật (Hình 1). Ánh sáng là một phần của bức xạ, và bức xạ là sóng điện từ. Sóng điện từ có đặc điểm sóng và đặc tính lượng tử (hạt). Lượng tử ánh sáng được gọi là photon trong lĩnh vực làm vườn. Bức xạ với phạm vi bước sóng 300 ~ 800nm ​​được gọi là bức xạ hoạt động sinh lý của thực vật; và bức xạ với phạm vi bước sóng 400 ~ 700nm được gọi là bức xạ hoạt động quang hợp (PAR) của thực vật.

Chất diệp lục và caroten là hai sắc tố quan trọng nhất trong quá trình quang hợp thực vật. Hình 2 cho thấy phổ hấp thụ phổ của từng sắc tố quang hợp, trong đó phổ hấp thụ diệp lục được cô đặc trong các dải màu đỏ và xanh. Hệ thống chiếu sáng dựa trên nhu cầu quang phổ của cây trồng để bổ sung ánh sáng nhân tạo, để thúc đẩy quá trình quang hợp của thực vật.

■ Photoperiod
Mối quan hệ giữa quang hợp và quá trình quang hóa của thực vật và chiều dài ngày (hoặc thời gian photoperiod) được gọi là photoperiodity của thực vật. Sự photoperiodity có liên quan chặt chẽ đến giờ ánh sáng, trong đó đề cập đến thời gian cây trồng bị chiếu xạ bởi ánh sáng. Các loại cây trồng khác nhau đòi hỏi một số giờ ánh sáng nhất định để hoàn thành photoperiod để nở hoa và mang trái. Theo các photoperiod khác nhau, nó có thể được chia thành các loại cây trồng dài ngày, chẳng hạn như bắp cải, v.v., đòi hỏi hơn 12-14 giờ ánh sáng ở một giai đoạn tăng trưởng nhất định; Cây trồng trong ngày ngắn, chẳng hạn như hành tây, đậu nành, v.v., đòi hỏi ít hơn 12-14 giờ sáng; Cây trồng trung bình, chẳng hạn như dưa chuột, cà chua, ớt, v.v., có thể nở hoa và mang trái dưới ánh sáng mặt trời dài hơn hoặc ngắn hơn.
Trong số ba yếu tố của môi trường, cường độ ánh sáng là một cơ sở quan trọng để lựa chọn các nguồn ánh sáng nhân tạo. Hiện tại, có nhiều cách để thể hiện cường độ ánh sáng, chủ yếu bao gồm ba lần sau.
（1） Illumination đề cập đến mật độ bề mặt của thông lượng phát sáng (thông lượng phát sáng trên một đơn vị diện tích) nhận được trên mặt phẳng được chiếu sáng, theo Lux (LX).

（2） Bức xạ hoạt động quang hợp, par ， đơn vị w/mét

3） Mật độ thông lượng photon có hiệu quả quang hợp PPFD hoặc PPF là số lượng bức xạ hiệu quả quang hợp đạt đến hoặc đi qua thời gian đơn vị và diện tích đơn vị, đơn vị μmol/(m² · s). liên quan trực tiếp đến quang hợp. Nó cũng là chỉ số cường độ ánh sáng được sử dụng phổ biến nhất trong lĩnh vực sản xuất thực vật.

Phân tích nguồn sáng của hệ thống ánh sáng bổ sung điển hình
Bổ sung ánh sáng nhân tạo là tăng cường độ ánh sáng trong khu vực mục tiêu hoặc kéo dài thời gian ánh sáng bằng cách lắp đặt hệ thống ánh sáng bổ sung để đáp ứng nhu cầu ánh sáng của cây. Nói chung, hệ thống ánh sáng bổ sung bao gồm các thiết bị ánh sáng bổ sung, mạch và hệ thống điều khiển của nó. Các nguồn ánh sáng bổ sung chủ yếu bao gồm một số loại phổ biến như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang, đèn halide kim loại, đèn natri và đèn LED áp suất cao. Do hiệu suất điện và quang học thấp của đèn sợi đốt, hiệu quả năng lượng quang hợp thấp và các thiếu sót khác, nó đã bị thị trường loại bỏ, vì vậy bài viết này không phân tích chi tiết.

■ Đèn huỳnh quang
Đèn huỳnh quang thuộc loại đèn phóng khí áp suất thấp. Các ống thủy tinh chứa đầy hơi thủy ngân hoặc khí trơ, và thành bên trong của ống được phủ bằng bột huỳnh quang. Màu sáng thay đổi với vật liệu huỳnh quang được phủ trong ống. Đèn huỳnh quang có hiệu suất quang phổ tốt, hiệu quả phát sáng cao, công suất thấp, tuổi thọ dài hơn (12000H) so với đèn sợi đốt và chi phí tương đối thấp. Bởi vì chính đèn huỳnh quang phát ra ít nhiệt hơn, nó có thể gần với cây để chiếu sáng và phù hợp để canh tác ba chiều. Tuy nhiên, bố cục quang phổ của đèn huỳnh quang là không hợp lý. Phương pháp phổ biến nhất trên thế giới là thêm các gương phản xạ để tối đa hóa các thành phần nguồn ánh sáng hiệu quả của cây trồng trong khu vực canh tác. Công ty Adv-Agri của Nhật Bản cũng đã phát triển một loại HEFL nguồn ánh sáng bổ sung mới. HEFL thực sự thuộc về loại đèn huỳnh quang. Đây là thuật ngữ chung cho đèn huỳnh quang catốt lạnh (CCFL) và đèn huỳnh quang điện cực bên ngoài (EEFL), và là đèn huỳnh quang điện cực hỗn hợp. Ống HEFL cực kỳ mỏng, với đường kính chỉ khoảng 4mm và chiều dài có thể được điều chỉnh từ 450mm đến 1200mm theo nhu cầu canh tác. Đây là một phiên bản cải tiến của đèn huỳnh quang thông thường.

■ Đèn halogen kim loại
Đèn halogen kim loại là đèn phóng cường độ cao có thể kích thích các yếu tố khác nhau để tạo ra các bước sóng khác nhau bằng cách thêm các halogen kim loại khác nhau (tin bromide, natri iodide, v.v.) trong ống xả trên cơ sở đèn thủy ngân áp suất cao. Đèn halogen có hiệu quả phát sáng cao, công suất cao, màu sáng tốt, tuổi thọ dài và phổ lớn. Tuy nhiên, vì hiệu quả phát sáng thấp hơn so với đèn natri áp suất cao và tuổi thọ ngắn hơn so với đèn natri áp suất cao, hiện tại nó chỉ được sử dụng trong một vài nhà máy thực vật.

■ Đèn natri áp suất cao
Đèn natri áp suất cao thuộc về loại đèn phóng khí áp suất cao. Đèn natri áp suất cao là một đèn hiệu quả cao trong đó hơi natri áp suất cao được lấp đầy trong ống xả, và một lượng nhỏ xenon (XE) và halogen kim loại thủy ngân được thêm vào. Do đèn natri áp suất cao có hiệu quả chuyển đổi quang điện cao với chi phí sản xuất thấp hơn, đèn natri áp suất cao hiện được sử dụng rộng rãi nhất trong việc áp dụng ánh sáng bổ sung trong các cơ sở nông nghiệp. Tuy nhiên, do những thiếu sót của hiệu quả quang hợp thấp trong quang phổ của chúng, họ có những thiếu sót về hiệu quả năng lượng thấp. Mặt khác, các thành phần quang phổ phát ra từ đèn natri áp suất cao chủ yếu tập trung trong dải ánh sáng màu vàng cam, thiếu phổ màu đỏ và màu xanh cần thiết cho sự phát triển của cây.

■ Diode phát sáng ánh sáng
Là một thế hệ mới của các nguồn ánh sáng, các điốt phát sáng (đèn LED) có nhiều lợi thế như hiệu quả chuyển đổi quang điện cao hơn, phổ có thể điều chỉnh và hiệu quả quang hợp cao. LED có thể phát ra ánh sáng đơn sắc cần thiết cho sự phát triển của cây. So với đèn huỳnh quang thông thường và các nguồn ánh sáng bổ sung khác, LED có những ưu điểm của việc tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường, tuổi thọ dài, ánh sáng đơn sắc, nguồn ánh sáng lạnh, v.v. Với sự cải thiện hơn nữa về hiệu quả quang điện của đèn LED và giảm chi phí do hiệu ứng quy mô, hệ thống chiếu sáng tăng trưởng LED sẽ trở thành thiết bị chính để bổ sung ánh sáng trong các cơ sở nông nghiệp. Do đó, đèn tăng trưởng LED đã được áp dụng hơn 99,9% các nhà máy thực vật.

Thông qua so sánh, các đặc điểm của các nguồn ánh sáng bổ sung khác nhau có thể được hiểu rõ ràng, như trong Bảng 1.

Thiết bị chiếu sáng di động
Cường độ của ánh sáng liên quan chặt chẽ đến sự tăng trưởng của cây trồng. Trồng ba chiều thường được sử dụng trong các nhà máy thực vật. Tuy nhiên, do giới hạn cấu trúc của các giá đỡ canh tác, sự phân bố ánh sáng và nhiệt độ không đồng đều giữa các giá đỡ sẽ ảnh hưởng đến năng suất của cây trồng và thời gian thu hoạch sẽ không được đồng bộ hóa. Một công ty ở Bắc Kinh đã phát triển thành công một thiết bị bổ sung ánh sáng nâng thủ công (vật cố chiếu sáng HPS và vật cố chiếu sáng tăng trưởng LED) vào năm 2010. Nguyên tắc là xoay trục ổ đĩa và bộ gió cố định bằng cách lắc tay cầm để xoay bộ phim nhỏ Để đạt được mục đích rút lại và tháo dây dây. Dây dây của ánh sáng phát triển được kết nối với bánh xe quanh co của thang máy thông qua nhiều bộ bánh xe đảo ngược, để đạt được hiệu quả của việc điều chỉnh chiều cao của ánh sáng phát triển. Trong năm 2017, công ty được đề cập ở trên đã thiết kế và phát triển một thiết bị bổ sung ánh sáng di động mới, có thể tự động điều chỉnh chiều cao bổ sung ánh sáng theo thời gian thực theo nhu cầu tăng trưởng của cây trồng. Thiết bị điều chỉnh hiện được cài đặt trên giá trồng ba chiều của nguồn ánh sáng 3 lớp. Lớp trên cùng của thiết bị là cấp độ với điều kiện ánh sáng tốt nhất, vì vậy nó được trang bị đèn natri áp suất cao; Lớp giữa và lớp dưới cùng được trang bị đèn phát triển LED và hệ thống điều chỉnh nâng. Nó có thể tự động điều chỉnh chiều cao của ánh sáng phát triển để cung cấp môi trường ánh sáng phù hợp cho cây trồng.

So với thiết bị bổ sung ánh sáng di động phù hợp để canh tác ba chiều, Hà Lan đã phát triển một thiết bị ánh sáng bổ sung LED Grow Grow Bổ sung LED có thể di chuyển theo chiều ngang. Để tránh ảnh hưởng của bóng của ánh sáng phát triển đến sự phát triển của thực vật dưới ánh mặt trời, hệ thống ánh sáng phát triển có thể được đẩy lên cả hai bên của khung thông qua slide kính thiên văn theo hướng ngang, để mặt trời hoàn toàn chiếu xạ trên cây; Vào những ngày nhiều mây và mưa không có ánh sáng mặt trời, hãy đẩy hệ thống ánh sáng phát triển lên giữa khung để làm cho ánh sáng của hệ thống ánh sáng phát triển đều lấp đầy cây; Di chuyển hệ thống ánh sáng phát triển theo chiều ngang qua slide trên khung, tránh tháo gỡ thường xuyên và loại bỏ hệ thống ánh sáng phát triển và giảm cường độ lao động của nhân viên, do đó cải thiện hiệu quả hiệu quả công việc.

Thiết kế ý tưởng của hệ thống ánh sáng phát triển điển hình
Không khó để nhìn thấy từ thiết kế của thiết bị bổ sung ánh sáng di động mà việc thiết kế hệ thống chiếu sáng bổ sung của nhà máy thực vật thường lấy cường độ ánh sáng, chất lượng ánh sáng và các thông số photoperiod của các giai đoạn tăng trưởng cây trồng khác nhau làm nội dung cốt lõi của thiết kế , dựa vào hệ thống kiểm soát thông minh để thực hiện, đạt được mục tiêu cuối cùng là tiết kiệm năng lượng và năng suất cao.

Hiện tại, việc thiết kế và xây dựng ánh sáng bổ sung cho rau lá đã dần trưởng thành. Ví dụ, rau lá có thể được chia thành bốn giai đoạn: giai đoạn cây con, tăng trưởng giữa, tăng trưởng muộn và giai đoạn kết thúc; Các loại cây ăn quả có thể được chia thành giai đoạn cây giống, giai đoạn phát triển thực vật, giai đoạn ra hoa và giai đoạn thu hoạch. Từ các thuộc tính của cường độ ánh sáng bổ sung, cường độ ánh sáng trong giai đoạn cây con nên thấp hơn một chút, ở mức 60 ~ 200 μmol/(mét vuông · s), sau đó tăng dần. Rau lá có thể đạt tới 100 ~ 200 μmol/(mét vuông · s) và rau quả có thể đạt 300 ~ 500 μmol/(mét vuông năng suất cao; Về chất lượng ánh sáng, tỷ lệ màu đỏ và xanh là rất quan trọng. Để tăng chất lượng của cây con và ngăn chặn sự tăng trưởng quá mức trong giai đoạn cây con, tỷ lệ đỏ và xanh thường được đặt ở mức thấp [(1 ~ 2): 1], sau đó giảm dần để đáp ứng nhu cầu của cây Hình thái ánh sáng. Tỷ lệ các loại rau màu đỏ và xanh lam có thể được đặt thành (3 ~ 6): 1. Đối với photoperiod, tương tự như cường độ ánh sáng, nó sẽ cho thấy xu hướng tăng lên với sự mở rộng của thời kỳ tăng trưởng, do đó các loại rau lá có nhiều thời gian quang hợp hơn để quang hợp. Thiết kế bổ sung ánh sáng của trái cây và rau quả sẽ phức tạp hơn. Ngoài các định luật cơ bản được đề cập ở trên, chúng ta nên tập trung vào việc thiết lập photoperiod trong thời kỳ ra hoa, và việc ra hoa và đậu rau phải được thúc đẩy, để không phản tác dụng.

Điều đáng nói là công thức ánh sáng nên bao gồm điều trị cuối cùng cho các thiết lập môi trường ánh sáng. Ví dụ, bổ sung ánh sáng liên tục có thể cải thiện đáng kể năng suất và chất lượng của cây giống rau lá thủy canh, hoặc sử dụng phương pháp xử lý tia cực tím để cải thiện đáng kể mầm và rau lá (đặc biệt là lá màu tím và rau diếp màu đỏ).

Ngoài việc tối ưu hóa bổ sung ánh sáng cho các loại cây trồng được lựa chọn, hệ thống điều khiển nguồn ánh sáng của một số nhà máy thực vật ánh sáng nhân tạo cũng đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Hệ thống điều khiển này thường dựa trên cấu trúc B/S. Kiểm soát từ xa và kiểm soát tự động các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và nồng độ CO2 trong quá trình tăng trưởng của cây trồng được thực hiện thông qua WiFi, đồng thời, một phương pháp sản xuất không bị hạn chế bởi điều kiện bên ngoài được thực hiện. Loại hệ thống ánh sáng bổ sung thông minh này sử dụng LED Grow Light Light như nguồn ánh sáng bổ sung, kết hợp với hệ thống điều khiển thông minh từ xa, có thể đáp ứng nhu cầu chiếu sáng bước sóng thực vật, đặc biệt phù hợp với môi trường trồng thực vật được điều khiển bằng ánh sáng và có thể đáp ứng nhu cầu thị trường .

Kết luận nhận xét
Các nhà máy thực vật được coi là một cách quan trọng để giải quyết các vấn đề tài nguyên, dân số và môi trường thế giới trong thế kỷ 21, và là một cách quan trọng để đạt được sự tự cung cấp thực phẩm trong các dự án công nghệ cao trong tương lai. Là một loại phương pháp sản xuất nông nghiệp mới, các nhà máy thực vật vẫn đang trong giai đoạn học tập và tăng trưởng, và cần nhiều sự chú ý và nghiên cứu hơn. Bài viết này mô tả các đặc điểm và lợi thế của các phương pháp chiếu sáng bổ sung phổ biến trong các nhà máy thực vật, và giới thiệu các ý tưởng thiết kế của các hệ thống chiếu sáng bổ sung cây trồng điển hình. Không khó để tìm thấy thông qua so sánh, để đối phó với ánh sáng yếu do thời tiết khắc nghiệt như mây và khói mù liên tục và để đảm bảo sản xuất cao và ổn định của cây trồng, thiết bị nguồn sáng LED phù hợp nhất với sự phát triển hiện tại xu hướng.

Hướng phát triển trong tương lai của các nhà máy thực vật nên tập trung vào các cảm biến có độ chính xác cao, chi phí thấp, có thể điều khiển từ xa, hệ thống thiết bị chiếu sáng phổ có thể điều chỉnh và hệ thống điều khiển chuyên gia. Đồng thời, các nhà máy thực vật trong tương lai sẽ tiếp tục phát triển hướng tới chi phí thấp, thông minh và tự thích hợp. Việc sử dụng và phổ biến các nguồn ánh sáng tăng trưởng LED cung cấp sự đảm bảo cho việc kiểm soát môi trường có độ chính xác cao của các nhà máy thực vật. Quy định môi trường ánh sáng LED là một quá trình phức tạp liên quan đến sự điều chỉnh toàn diện về chất lượng ánh sáng, cường độ ánh sáng và photoperiod. Các chuyên gia và học giả có liên quan cần tiến hành nghiên cứu chuyên sâu, thúc đẩy ánh sáng bổ sung LED trong các nhà máy thực vật ánh sáng nhân tạo.