Tác giả: Jing Zhao, Zengchan Chu, Yunlong Bu, v.v. Nguồn phương tiện:Công nghệ kỹ thuật nông nghiệp (làm vườn trong nhà kính)

Nhà máy sản xuất cây trồng kết hợp công nghiệp hiện đại, công nghệ sinh học, thủy canh dinh dưỡng và công nghệ thông tin để thực hiện kiểm soát các yếu tố môi trường trong cơ sở với độ chính xác cao. Nó được bao bọc hoàn toàn, ít yêu cầu về môi trường xung quanh, rút ​​ngắn thời gian thu hoạch cây trồng, tiết kiệm nước và phân bón, đồng thời với ưu điểm là sản xuất không dùng thuốc trừ sâu và không xả rác thải, hiệu quả sử dụng đất của mỗi đơn vị đạt từ 40 đến 108 lần. của sản xuất ngoài đồng ruộng. Trong số đó, nguồn sáng nhân tạo thông minh và khả năng điều chỉnh môi trường ánh sáng của nó đóng vai trò quyết định đến hiệu quả sản xuất.

Là một yếu tố môi trường vật lý quan trọng, ánh sáng đóng vai trò then chốt trong việc điều hòa sự phát triển của thực vật và chuyển hóa vật chất. “Một trong những tính năng chính của nhà máy sản xuất thực vật là nguồn ánh sáng nhân tạo hoàn chỉnh và việc thực hiện quy định thông minh về môi trường ánh sáng” đã trở thành sự đồng thuận chung trong ngành.

Cây cần ánh sáng

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

■ Cường độ ánh sáng

Cường độ ánh sáng có thể thay đổi hình thái của cây trồng, chẳng hạn như sự ra hoa, chiều dài lóng, độ dày thân, kích thước và độ dày của lá. Yêu cầu của cây về cường độ ánh sáng có thể được chia thành cây ưa ánh sáng, cây ưa ánh sáng trung bình và cây chịu ánh sáng yếu. Rau phần lớn là loại cây ưa ánh sáng, điểm bù ánh sáng và điểm bão hòa ánh sáng tương đối cao. Trong các nhà máy sản xuất cây trồng sử dụng ánh sáng nhân tạo, các yêu cầu liên quan đến cường độ ánh sáng của cây trồng là cơ sở quan trọng để lựa chọn nguồn sáng nhân tạo. Hiểu được nhu cầu ánh sáng của các loại cây khác nhau là điều quan trọng để thiết kế nguồn sáng nhân tạo, việc nâng cao hiệu suất sản xuất của hệ thống là vô cùng cần thiết.

■ Chất lượng ánh sáng

Sự phân bố chất lượng ánh sáng (quang phổ) cũng có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình quang hợp và hình thái học của thực vật (Hình 1). Ánh sáng là một phần của bức xạ và bức xạ là sóng điện từ. Sóng điện từ có đặc tính sóng và đặc tính lượng tử (hạt). Lượng tử ánh sáng được gọi là photon trong lĩnh vực làm vườn. Bức xạ có bước sóng 300 ~ 800nm ​​được gọi là bức xạ hoạt động sinh lý của thực vật; và bức xạ có 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 của thực vật. Hình 2 thể hiện phổ hấp thụ quang phổ của từng sắc tố quang hợp, trong đó phổ hấp thụ diệp lục tập trung ở dải màu đỏ và xanh lam. Hệ thống chiếu sáng dựa trên nhu cầu quang phổ của cây trồng để bổ sung ánh sáng nhân tạo nhằm thúc đẩy quá trình quang hợp của thực vật.

■ chu kỳ quang
Mối quan hệ giữa quá trình quang hợp và quá trình quang hình của thực vật với độ dài ngày (hay thời gian quang chu kỳ) được gọi là chu kỳ quang của thực vật. Chu kỳ quang có liên quan chặt chẽ đến số giờ ánh sáng, tức là thời gian cây trồng được chiếu xạ bởi ánh sáng. Các loại cây trồng khác nhau cần một số giờ ánh sáng nhất định để hoàn thành chu kỳ quang hợp để nở hoa và kết trái. Theo các chu kỳ quang khác nhau, nó có thể được chia thành các loại cây trồng dài ngày, chẳng hạn như bắp cải, v.v., cần nhiều hơn 12-14 giờ ánh sáng ở một giai đoạn phát triển nhất định của nó; cây trồng ngắn ngày như hành, đậu nành... cần ít hơn 12-14h Số giờ chiếu sáng; cây trồng có ánh nắng trung bình, chẳng hạn như dưa chuột, cà chua, ớt, v.v., có thể nở hoa và kết trái dưới ánh nắng dài hơn hoặc ngắn hơn.
Trong ba yếu tố của môi trường, cường độ ánh sáng là cơ sở quan trọng để lựa chọn nguồn sáng nhân tạo. Hiện nay, có nhiều cách để thể hiện cường độ ánh sáng, chủ yếu bao gồm ba cách sau.
（1）Độ chiếu sáng đề cập đến mật độ bề mặt của quang thông (quang thông trên một đơn vị diện tích) nhận được trên mặt phẳng được chiếu sáng, tính bằng lux (lx).

（2）Bức xạ hoạt động quang hợp, PAR,Đơn vị:W/m2。

（3）Mật độ thông lượng photon hiệu quả quang hợp PPFD hoặc PPF là số lượng bức xạ hiệu quả quang hợp đạt tới hoặc đi qua đơn vị thời gian và đơn vị diện tích, đơn vị: μmol/(m2·s)。Chủ yếu đề cập đến cường độ ánh sáng 400 ~ 700nm liên quan trực tiếp đến quá trình quang hợp. Nó cũng là chỉ báo cường độ ánh sáng được sử dụng phổ biến nhất trong lĩnh vực sản xuất cây trồng.

Phân tích nguồn sáng của hệ thống đèn bổ sung điển hình
Bổ sung ánh sáng nhân tạo nhằm tăng cường độ ánh sáng tại vùng mục tiêu hoặc kéo dài thời gian chiếu sáng bằng cách lắp đặt hệ thống chiếu sáng bổ sung nhằm đáp ứng nhu cầu ánh sáng của cây trồng. Nói chung, hệ thống chiếu sáng bổ sung bao gồm thiết bị chiếu sáng bổ sung, mạch điện và hệ thống điều khiển của nó. Nguồn sáng bổ sung chủ yếu bao gồm một số loại phổ biến như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang, đèn halogen kim loại, đèn natri cao áp và đèn LED. Do đèn sợi đốt có hiệu suất điện và quang thấp, hiệu suất năng lượng quang hợp thấp và các khuyết điểm khác đã bị thị trường loại bỏ nên bài viết này không phân tích chi tiết.

■ Đèn huỳnh quang
Đèn huỳnh quang thuộc loại đèn phóng điện khí áp suất thấp. Ống thủy tinh chứa đầy hơi thủy ngân hoặc khí trơ, thành trong của ống được phủ một lớp bột huỳnh quang. Màu sắc ánh sáng thay đổi tùy theo vật liệu huỳnh quang được phủ trong ống. Đèn huỳnh quang có hiệu suất quang phổ tốt, hiệu suất phát sáng cao, công suất thấp, tuổi thọ cao hơn (12000h) so với đèn sợi đốt và giá thành tương đối thấp. Vì bản thân đèn huỳnh quang tỏa ra ít nhiệt hơn nên có thể đặt gần cây để chiếu sáng và thích hợp cho canh tác ba chiều. Tuy nhiên, cách bố trí quang phổ của đèn huỳnh quang là không hợp lý. Phương pháp phổ biến nhất trên thế giới là lắp thêm tấm phản xạ để tối đa hóa các thành phần nguồn sáng hiệu quả của cây trồng trong khu vực canh tác. Công ty adv-agri của Nhật Bản cũng đã phát triển một loại nguồn sáng bổ sung HEFL mới. HEFL thực sự thuộc loại đèn huỳnh quang. Đây là thuật ngữ chung cho đèn huỳnh quang cathode 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, đường kính chỉ khoảng 4mm, chiều dài có thể điều chỉnh từ 450mm đến 1200mm tùy theo nhu cầu canh tác. Đây là phiên bản cải tiến của đèn huỳnh quang thông thường.

■ Đèn halogen kim loại
Đèn halogen kim loại là đèn phóng điện cường độ cao, có thể kích thích các nguyên tố khác nhau để tạo ra các bước sóng khác nhau bằng cách thêm các halogen kim loại khác nhau (thiếc bromua, natri iodua, v.v.) vào ống phóng điện trên cơ sở đèn thủy ngân áp suất cao. Đèn halogen có hiệu suất phát sáng cao, công suất cao, màu sắc ánh sáng tốt, tuổi thọ cao và quang phổ rộng. Tuy nhiên, do hiệu suất phát sáng thấp hơn đèn natri cao áp và tuổi thọ ngắn hơn đèn natri cao áp nên hiện nay chỉ được sử dụng trong một số nhà máy sản xuất thực vật.

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

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

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

Thiết bị chiếu sáng di động
Cường độ ánh sáng có liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của cây trồng. Canh tác ba chiều thường được sử dụng trong các nhà máy sản xuất thực vật. Tuy nhiên, do hạn chế về kết cấu của các giá canh tác, sự phân bổ ánh sáng và nhiệt độ không đồng đều giữa các giá canh tác sẽ ảnh hưởng đến năng suất cây trồng và thời gian thu hoạch sẽ không đồng bộ. Một công ty ở Bắc Kinh đã phát triển thành công thiết bị bổ sung đèn nâng thủ công (đèn chiếu sáng HPS và đèn chiếu sáng trồng cây LED) vào năm 2010. Nguyên lý là xoay trục truyền động và cuộn dây cố định trên đó bằng cách lắc tay cầm để xoay cuộn phim nhỏ để đạt được mục đích rút và tháo dây cáp. Dây cáp của đèn trồng trọt được kết nối với bánh xe quấn của thang máy thông qua nhiều bộ bánh xe đảo chiều để đạt được hiệu quả điều chỉnh độ cao của đèn trồng trọt. Năm 2017, công ty nêu trên đã thiết kế và phát triển thiết bị bổ sung ánh sáng di động mới, có thể tự động điều chỉnh độ cao bổ sung ánh sáng theo thời gian thực theo nhu cầu sinh trưởng của cây trồng. Thiết bị điều chỉnh hiện được lắp đặt trên giá canh tác ba chiều loại nâng nguồn sáng 3 lớp. Lớp trên cùng của thiết bị là tầng có điều kiện ánh sáng tốt nhất nên được trang bị đèn natri cao áp; lớp giữa và lớp dưới cùng được trang bị đèn LED trồng trọt và hệ thống điều chỉnh nâng hạ. Nó có thể tự động điều chỉnh độ cao của đèn trồng trọt để cung cấp môi trường chiếu sáng phù hợp cho cây trồng.

So với thiết bị bổ sung ánh sáng di động được thiết kế riêng cho canh tác ba chiều, Hà Lan đã phát triển thiết bị bổ sung ánh sáng LED di chuyển theo chiều ngang. Để tránh ảnh hưởng của bóng đèn trồng trọt đến sự phát triển của cây dưới ánh nắng mặt trời, hệ thống đèn trồng trọt có thể được đẩy sang hai bên của giá đỡ thông qua ống trượt theo phương ngang để có đủ ánh nắng mặt trời. chiếu xạ lên cây trồng; vào những ngày nhiều mây, mưa không có nắng, Đẩy hệ thống đèn trồng trọt vào giữa giá đỡ để ánh sáng của hệ thống đèn trồng trọt chiếu đều vào cây; di chuyển hệ thống đèn trồng trọt theo chiều ngang thông qua thanh trượt trên giá đỡ, tránh việc tháo rời thường xuyên và loại bỏ hệ thống đèn trồng trọt, đồng thời giảm cường độ lao động của nhân viên, từ đó nâng cao hiệu quả công việc một cách hiệu quả.

Ý tưởng thiết kế hệ thống đèn trồng trọt điển hình
Không khó để nhận thấy từ thiết kế thiết bị chiếu sáng bổ sung di động rằng thiết kế hệ thống chiếu sáng phụ của nhà máy sản xuất cây trồng thường lấy cường độ ánh sáng, chất lượng ánh sáng và các thông số quang kỳ của các thời kỳ sinh trưởng cây trồng khác nhau làm nội dung cốt lõi của thiết kế. , dựa vào hệ thống điều khiển thông minh để thực hiện, đạt được mục tiêu cuối cùng là tiết kiệm năng lượng và năng suất cao.

Hiện nay, việc thiết kế và xây dựng hệ thống chiếu sáng bổ sung cho rau ăn lá đã dần trưởng thành. Ví dụ, rau ăn lá có thể được chia thành bốn giai đoạn: giai đoạn cây con, giai đoạn giữa, giai đoạn cuối và giai đoạn cuối; Rau ăn quả có thể được chia thành giai đoạn cây con, giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng, giai đoạn ra hoa và giai đoạn thu hoạch. Từ đặc điểm cường độ ánh sáng bổ sung, cường độ ánh sáng ở giai đoạn cây con nên thấp hơn một chút, ở mức 60~200 μmol/(m2·s), sau đó tăng dần. Rau ăn lá có thể đạt tới 100~200 μmol/(m2·s), rau ăn quả có thể đạt tới 300~500 μmol/(m2·s) để đảm bảo yêu cầu cường độ ánh sáng cho quá trình quang hợp của cây trong từng thời kỳ sinh trưởng và đáp ứng nhu cầu về năng suất cao; Về chất lượng ánh sáng, tỷ lệ giữa màu đỏ và màu xanh rất quan trọng. Để nâng cao chất lượng cây con và ngăn chặn sự phát triển quá mức trong giai đoạn cây con, tỷ lệ màu đỏ và màu 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 giữa các loại rau lá màu đỏ, xanh lam và lá có thể được đặt thành (3 ~ 6): 1. Đối với chu kỳ quang, tương tự như cường độ ánh sáng, nó sẽ có xu hướng tăng dần theo thời gian sinh trưởng kéo dài, để các loại rau ăn lá có nhiều thời gian quang hợp hơn để quang hợp. Việc thiết kế bổ sung ánh sáng cho trái cây và rau quả sẽ phức tạp hơn. Ngoài các quy luật cơ bản nêu trên, chúng ta nên tập trung vào việc thiết lập chu kỳ quang trong thời kỳ ra hoa, đồng thời phải thúc đẩy quá trình ra hoa và đậu quả của rau để không gây tác dụng ngược.

Điều đáng nói là công thức ánh sáng nên bao gồm việc xử lý cuối cùng đối với cài đặt 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 chất lượng dinh dưỡng của rau mầm và rau ăn lá (đặc biệt là Lá tím và rau diếp lá đỏ).

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

Nhận xét kết luận
Các nhà máy sản xuất thực vật được coi là một giải pháp quan trọng để giải quyết các vấn đề về tài nguyên, dân số và môi trường trên thế giới trong thế kỷ 21, đồng thời là một giải pháp quan trọng để đạt được khả năng tự cung cấp lương thực trong các dự án công nghệ cao trong tương lai. Là một loại hình phương thức sản xuất nông nghiệp mới, các nhà máy sản xuất cây trồng vẫn đang trong giai đoạn tìm hiểu và phát triển nên cần được quan tâm, nghiên cứu nhiều hơn. Bài viết mô tả đặc điểm, ưu điểm của các phương pháp chiếu sáng bổ sung phổ biến trong các nhà máy sản xuất cây trồng, đồng thời giới thiệu ý tưởng thiết kế các hệ thống chiếu sáng bổ sung cây trồng điển hình. Không khó để tìm ra thông qua so sánh, để đối phó với tình trạng ánh sáng yếu do thời tiết khắc nghiệt như mây và sương mù liên tục và để đảm bảo sản lượng cây trồng cơ sở cao và ổn định, thiết bị nguồn sáng LED Grow phù hợp nhất với sự phát triển hiện nay xu hướng.

Hướng phát triển trong tương lai của các nhà máy sản xuất thực vật nên tập trung vào các cảm biến mới có độ chính xác cao, chi phí thấp, hệ thống thiết bị chiếu sáng quang phổ có thể điều chỉnh, điều khiển từ xa và hệ thống điều khiển chuyên gia. Đồng thời, các nhà máy sản xuất thực vật trong tương lai sẽ tiếp tục phát triển theo hướng chi phí thấp, thông minh và tự thích ứng. Việc sử dụng và phổ biến các nguồn sáng trồng trọt LED mang lại sự đảm bảo cho việc kiểm soát môi trường với độ chính xác cao của các nhà máy sản xuất thực vật. Điều chỉnh môi trường ánh sáng LED là một quá trình phức tạp liên quan đến việc điều chỉnh toàn diện chất lượng ánh sáng, cường độ ánh sáng và chu kỳ quang. Các chuyên gia, học giả liên quan cần tiến hành nghiên cứu chuyên sâu, đẩy mạnh việc sử dụng đèn LED bổ sung trong các nhà máy sản xuất đèn chiếu sáng nhân tạo.