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

Nhà máy của nhà máy kết hợp 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 hoàn toàn khép kín, có yêu cầu thấp về môi trường xung quanh, rút ​​​​ngắn thời gian thu hoạch cây trồng, tiết kiệm nước và phân bón, với ưu điểm là sản xuất không thuốc trừ sâu và không thải chất thải, hiệu quả sử dụng đất đơn vị gấp 40 đến 108 lần sản xuất ngoài đồng ruộng.Trong số đó, nguồn sáng nhân tạo thông minh và quy định môi trường ánh sáng của nó đóng vai trò quyết định đến hiệu quả sản xuất của nó.

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

Nhu cầu ánh sáng của cây

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

■ Cường độ sáng

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

■ 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 phát sinh hình thái 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 dải bước sóng 300 ~ 800nm ​​được gọi là bức xạ hoạt động sinh lý của thực vật;và bức xạ có dải 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 cho thấy phổ hấp thụ quang của từng sắc tố quang hợp, trong đó phổ hấp thụ của diệp lục tập trung ở dải màu đỏ và màu xanh lam.Hệ thống chiếu sáng dựa trên nhu cầu quang phổ của cây trồng để bổ sung ánh sáng một cách nhân tạo, nhằm thúc đẩy quá trình quang hợp của cây trồng.

■ quang kỳ
Mối quan hệ giữa quang hợp và phát sinh quang của thực vật với độ dài ngày (hay thời gian quang chu kỳ) được gọi là quang chu kỳ của thực vật.Photoperiodity có liên quan chặt chẽ đến giờ ánh sáng, nghĩa 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 quang kỳ để nở hoa và kết trái.Theo các quang kỳ 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 sinh trưởng nhất định của nó;cây ngắn ngày như hành, đậu tương... cần ít hơn 12-14h Giờ chiếu sáng;các loại cây ưa nắng trung bình như dưa chuột, cà chua, ớt, v.v., có thể nở hoa và kết trái dưới ánh sáng mặt trời 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 rọi 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 bức xạ hiệu quả quang hợp đạt 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 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 đèn 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 chiếu sáng bằng cách lắp đặt hệ thống ánh sáng bổ sung để đáp ứng nhu cầu ánh sáng của cây trồng.Nói chung, hệ thống đèn 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 hiệu suất điện và quang của đèn sợi đốt thấp, hiệu suất năng lượng quang hợp thấp và những thiếu sót 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, và thành trong của ống được phủ một lớp bột huỳnh quang.Màu sắc ánh sáng thay đổi theo vật liệu huỳnh quang được phủ trong ống.Đèn huỳnh quang có hiệu suất quang phổ tốt, hiệu suất phát sáng cao, tiêu thụ điện năng thấp, tuổi thọ cao hơn (12000h) so với đèn sợi đốt và giá thành tương đối thấp.Vì bản thân đèn huỳnh quang tỏa nhiệt ít hơn nên có thể chiếu sáng gần cây trồng, thích hợp cho canh tác ba chiều.Tuy nhiên, cách bố trí phổ của đèn huỳnh quang là không hợp lý.Phương pháp phổ biến nhất trên thế giới là lắp thêm các tấm phản quang để tối đa hóa các thành phần nguồn sáng hiệu quả của các loại cây trồng trong khu vực canh tác.Công ty adv-agri của Nhật Bản cũng đã phát triển một loại nguồn sáng bổ sung mới HEFL.HEFL thực sự thuộc danh mục đèn huỳnh quang.Đây là thuật ngữ chung cho đèn huỳnh quang catốt lạnh (CCFL) và đèn huỳnh quang điện cực ngoài (EEFL), và là đèn huỳnh quang điện cực hỗn hợp.Ống HEFL cực mỏng, đường kính chỉ khoảng 4mm, chiều dài có thể điều chỉnh từ 450mm đến 1200mm tùy theo nhu cầu canh tác.Nó là một 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 cao áp.Đèn halogen có hiệu suất phát sáng cao, công suất lớn, màu sáng đẹp, tuổi thọ cao, quang phổ rộng.Tuy nhiên, do hiệu suất phát sáng thấp hơn so với đèn cao áp natri và tuổi thọ ngắn hơn so với đèn natri cao áp nên hiện nay nó chỉ được sử dụng trong một số nhà máy xí nghiệp.

■ Đèn natri cao áp
Đèn cao áp natri thuộc loại đèn phóng điện cao áp.Đèn natri cao áp là loại đèn hiệu suất 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 cao áp có hiệu suất chuyển đổi quang điện cao với chi phí sản xuất thấp hơn nên đèn natri cao áp hiện đang được sử dụng rộng rãi nhất trong ứng dụng chiếu sáng bổ sung trong các cơ sở nông nghiệp.Tuy nhiên, do những thiếu sót về hiệu suất quang hợp thấp trong quang phổ của chúng, chúng có những thiếu sót về hiệu suất năng lượng thấp.Mặt khác, các thành phần quang phổ do đèn cao áp Natri phát ra chủ yếu tập trung ở dải ánh sáng vàng cam, thiếu các quang phổ đỏ và xanh cần thiết cho sự phát triển của cây trồng.

■ Đi-ốt phát sáng
Là một thế hệ nguồn sáng mới, điốt phát quang (đèn 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.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 việc cải thiện hơn nữa hiệu suất quang điện của đèn LED và giảm chi phí do hiệu ứng quy mô gây ra, hệ thống chiếu sáng trồng trọt bằng đèn LED sẽ trở thành thiết bị chính để bổ sung ánh sáng trong các cơ sở nông nghiệp.Kết quả là, đèn LED trồng trọt đã được ứng dụng trên 99,9% nhà máy của nhà máy.

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

Thiết bị chiếu sáng di động
Cường độ ánh sáng có quan hệ mật thiết với sự sinh trưởng của cây trồng.Canh tác ba chiều thường được sử dụng trong các nhà máy của nhà máy.Tuy nhiên, do hạn chế về kết cấu của giá thể canh tác nên sự phân bố ánh sáng và nhiệt độ giữa các giá thể không đồng đều sẽ ảnh hưởng đến năng suất cây trồng và thời gian thu hoạch sẽ không đồng loạt.Một công ty ở Bắc Kinh đã phát triển thành công thiết bị bổ sung ánh sáng nâng thủ công (thiết bị chiếu sáng HPS và thiết bị chiếu sáng trồng trọt bằng đèn LED) vào năm 2010. Nguyên tắc là xoay trục truyền động và bộ cuộn cố định trên đó bằng cách lắc tay cầm để xoay cuộn phim nhỏ. để đạt được mục đích rút lại và tháo dây cáp.Dây cáp của đèn trồng cây được kết nối với bánh xe cuộn của thang máy thông qua nhiều bộ bánh xe đảo chiều, để đạt được hiệu quả điều chỉnh độ cao của đèn trồng cây.Năm 2017, công ty nói trên đã thiết kế và phát triển một 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 tăng trưởng của cây trồng.Thiết bị điều chỉnh hiện đã được lắp đặt trên giá canh tác ba chiều loại nâng nguồn sáng 3 lớp.Tầng 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 một thiết bị chiếu sáng bổ sung ánh sáng tăng trưởng LED có thể di chuyển theo chiều ngang.Để tránh ảnh hưởng của bóng của ánh sáng trồng trọt đến sự phát triển của cây dưới ánh nắng mặt trời, hệ thống đèn trồng trọt có thể được đẩy sang cả hai bên của giá đỡ thông qua thanh trượt kính thiên văn theo hướng nằm ngang, để ánh nắng mặt trời chiếu trọn vẹn chiếu xạ trên thực vật;vào những ngày nhiều mây và mưa không có ánh sáng mặt trời, Đẩy hệ thống đèn trồng trọt vào giữa giá đỡ để ánh sáng của hệ thống đèn chiếu sáng phủ đều cây;di chuyển hệ thống đèn trồng trọt theo chiều ngang thông qua thanh trượt trên giá đỡ, tránh việc tháo lắp hệ thống đèn trồng trọt thường xuyên, 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 thấy từ thiết kế của thiết bị bổ sung chiếu sáng di động rằng thiết kế hệ thống chiếu sáng bổ sung của nhà máy xí nghiệp thường lấy cường độ ánh sáng, chất lượng ánh sáng và các thông số quang kỳ của các giai đoạn 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 thi công ánh sáng bổ sung cho rau ăn lá đã dần hoàn thiện.Ví dụ, rau ăn lá có thể chia làm 4 giai đoạn: giai đoạn cây con, giữa giai đoạn sinh trưởng, 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 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/(m²·s), sau đó tăng dần.Rau ăn lá có thể đạt tới 100~200 μmol/(m²·s) và rau ăn quả có thể đạt 300~500 μmol/(m²·s) để đảm bảo yêu cầu về cường độ ánh sáng cho quá trình quang hợp của cây trong từng thời kỳ sinh trưởng và đáp ứng nhu cầu của năng suất cao;Về chất lượng ánh sáng, tỷ lệ giữa đỏ và xanh là 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 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 nhẹ.Có thể đặt tỷ lệ màu đỏ và màu xanh lam cho rau lá thành (3~6):1.Đối với quang kỳ, tương tự như cường độ ánh sáng, nên có xu hướng tăng dần khi kéo dài thời gian sinh trưởng, để rau ăn lá có nhiều thời gian quang hợp hơn.Thiết kế bổ sung ánh sáng của trái cây và rau quả sẽ phức tạp hơn.Ngoài các quy luật cơ bản nêu trên, chúng ta nên chú trọng đến việc thiết lập quang kỳ trong thời kỳ ra hoa, đồng thời thúc đẩy quá trình ra hoa và đậu quả của rau để không gây phản tác dụng.

Điều đáng nói là công thức ánh sáng nên bao gồm xử lý cuối cùng cho 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 lá (đặc biệt là lá tím và rau diếp lá đỏ).

Ngoài việc tối ưu hóa việc bổ sung ánh sáng cho các loại cây trồng được chọn, hệ thống điều khiển nguồn sáng của một số nhà máy sản xuất cây trồng bằng 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.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 thực hiện một phương pháp sản xuất không bị hạn chế bởi các điều kiện bên ngoài.Loại hệ thống đèn bổ sung thông minh này sử dụng đèn chiếu sáng tăng trưởng 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 trồng, đặc biệt phù hợp với môi trường canh tác cây trồng được kiểm soát bằng ánh sáng và có thể đáp ứng tốt nhu cầu thị trường .

Kết luận
Các nhà máy thực vật được coi là một cách quan trọng để giải quyết các vấn đề về tài nguyên, dân số và môi trường thế giới trong thế kỷ 21, và là một cách quan trọng để đạt được khả năng tự túc lương thực trong các dự án công nghệ cao trong tương lai.Là một loại phương thức sản xuất nông nghiệp mới, các nhà máy thực vật vẫn đang trong giai đoạn học hỏi và phát triển, cần được quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn.Bài viết này mô tả các đặc điểm và ưu điểm của các phương pháp chiếu sáng bổ sung phổ biến trong các nhà máy của nhà máy, đồng thời giới thiệu ý tưởng thiết kế của các hệ thống chiếu sáng bổ sung điển hình cho cây trồng.Không khó để tìm thấy thông qua so sánh, để đối phó với ánh sáng yếu do thời tiết khắc nghiệt như mây mù liên tục và để đảm bảo năng suất cây trồng 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 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 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 ánh sáng phát triển LED đảm bảo cho việc kiểm soát môi trường có độ chính xác cao của các nhà máy thực vật.Điều chỉnh môi trường ánh sáng LED là một quá trình phức tạp liên quan đến quy định toàn diện về chất lượng ánh sáng, cường độ ánh sáng và quang kỳ.Các chuyên gia và học giả có liên quan cần tiến hành nghiên cứu chuyên sâu, thúc đẩy chiếu sáng bổ sung LED trong các nhà máy sản xuất đèn nhân tạo.