المؤلف: جينغ تشاو ، Zengchan Zhou ، Yunlong Bu ، إلخ.وسائل الإعلام المصدر ： تكنولوجيا الهندسة الزراعية (البستنة الدفيئة)

يجمع المصنع بين الصناعة الحديثة والتكنولوجيا الحيوية والزراعة المائية للمغذيات وتكنولوجيا المعلومات لتنفيذ تحكم عالي الدقة في العوامل البيئية في المنشأة.إنه مغلق تمامًا ، وله متطلبات منخفضة على البيئة المحيطة ، ويقصر فترة حصاد النبات ، ويوفر المياه والأسمدة ، ومع مزايا الإنتاج غير المبيدات الحشرية وعدم تصريف النفايات ، فإن كفاءة استخدام الأرض للوحدة هي 40 إلى 108 مرة من ذلك من إنتاج الحقول المفتوحة.من بينها ، يلعب مصدر الضوء الاصطناعي الذكي وتنظيم البيئة الضوئية دورًا حاسمًا في كفاءة الإنتاج.

كعامل بيئي فيزيائي مهم ، يلعب الضوء دورًا رئيسيًا في تنظيم نمو النبات واستقلاب المواد."أحد السمات الرئيسية لمصنع المصنع هو مصدر الضوء الاصطناعي الكامل وإدراك التنظيم الذكي لبيئة الإضاءة" أصبح إجماعًا عامًا في الصناعة.

حاجة النباتات للضوء

الضوء هو مصدر الطاقة الوحيد لعملية التمثيل الضوئي للنبات.تؤثر كثافة الضوء وجودة الضوء (الطيف) والتغيرات الدورية للضوء تأثيرًا عميقًا على نمو المحاصيل وتطورها ، ومن بينها شدة الضوء التي لها تأثير أكبر على عملية التمثيل الضوئي للنبات.

■ شدة الضوء

يمكن أن تؤدي شدة الضوء إلى تغيير شكل المحاصيل ، مثل الإزهار وطول السيقان وسمك الساق وحجم الورقة وسمكها.يمكن تقسيم متطلبات النباتات لكثافة الضوء إلى نباتات محبة للضوء ومتوسطة ومحبة للضوء ومنخفضة التحمل.الخضروات في الغالب نباتات محبة للضوء ، ونقاط تعويض الضوء ونقاط تشبع الضوء مرتفعة نسبيًا.في مصانع الإضاءة الاصطناعية ، تعتبر المتطلبات ذات الصلة للمحاصيل الخاصة بكثافة الضوء أساسًا مهمًا لاختيار مصادر الضوء الاصطناعي.يعد فهم متطلبات الإضاءة للمصانع المختلفة أمرًا مهمًا لتصميم مصادر الضوء الاصطناعي ، ومن الضروري للغاية تحسين أداء الإنتاج للنظام.

■ جودة خفيفة

توزيع جودة الضوء (الطيفي) له أيضًا تأثير مهم على التمثيل الضوئي للنبات والتشكل (الشكل 1).الضوء جزء من الإشعاع ، والإشعاع موجة كهرومغناطيسية.للموجات الكهرومغناطيسية خصائص موجية وخصائص كمومية (جسيمية).كمية الضوء تسمى الفوتون في مجال البستنة.يسمى الإشعاع الذي يتراوح طوله الموجي من 300 إلى 800 نانومتر بالإشعاع النشط من الناحية الفسيولوجية للنباتات ؛والإشعاع الذي يبلغ طوله الموجي من 400 إلى 700 نانومتر يسمى الإشعاع النشط ضوئيًا (PAR) للنباتات.

يعتبر الكلوروفيل والكاروتينات أهم أصباغ في عملية التمثيل الضوئي للنبات.يوضح الشكل 2 طيف الامتصاص الطيفي لكل صبغة ضوئية ، حيث يتركز طيف امتصاص الكلوروفيل في النطاقين الأحمر والأزرق.يعتمد نظام الإضاءة على الاحتياجات الطيفية للمحاصيل لتكملة الضوء بشكل مصطنع ، وذلك لتعزيز عملية التمثيل الضوئي للنباتات.

■ الفترة الضوئية
تسمى العلاقة بين التمثيل الضوئي والتكوين الضوئي للنباتات وطول النهار (أو وقت الفترة الضوئية) بالحيوية الضوئية للنباتات.ترتبط الضوئية ارتباطًا وثيقًا بساعات الضوء ، والتي تشير إلى الوقت الذي يتم فيه تشعيع المحصول بالضوء.تتطلب المحاصيل المختلفة عددًا معينًا من ساعات الضوء لإكمال الفترة الضوئية حتى تتفتح وتؤتي ثمارها.وفقًا للفترات الضوئية المختلفة ، يمكن تقسيمها إلى محاصيل طويلة الأمد ، مثل الملفوف ، وما إلى ذلك ، والتي تتطلب أكثر من 12-14 ساعة ضوئية في مرحلة معينة من نموها ؛تتطلب المحاصيل ذات اليوم القصير ، مثل البصل وفول الصويا وما إلى ذلك ، أقل من 12-14 ساعة من الإضاءة ؛يمكن أن تتفتح المحاصيل ذات أشعة الشمس المتوسطة ، مثل الخيار والطماطم والفلفل وما إلى ذلك ، وتؤتي ثمارها تحت أشعة الشمس الأطول أو الأقصر.
من بين العناصر الثلاثة للبيئة ، تعد شدة الضوء أساسًا مهمًا لاختيار مصادر الضوء الاصطناعي.في الوقت الحاضر ، هناك العديد من الطرق للتعبير عن شدة الضوء ، بما في ذلك الطرق الثلاثة التالية بشكل أساسي.
（1 تشير الإضاءة إلى كثافة سطح التدفق الضوئي (التدفق الضوئي لكل وحدة مساحة) المستلمة على المستوى المضيء ، بوحدة لوكس (lx).

（2 إشعاع نشط ضوئيًا ، PAR ， الوحدة ： W / m²。

（3） كثافة تدفق الفوتون الفعالة ضوئيًا PPFD أو PPF هي عدد الإشعاع الفعال ضوئيًا الذي يصل أو يمر عبر وحدة الوقت ومساحة الوحدة ، الوحدة ： μmol / (m² · s) تشير بشكل أساسي إلى شدة الضوء من 400 ~ 700 نانومتر ترتبط مباشرة بعملية التمثيل الضوئي.وهو أيضًا مؤشر شدة الضوء الأكثر استخدامًا في مجال الإنتاج النباتي.

تحليل مصدر الضوء لنظام الضوء التكميلي النموذجي
مكمل الضوء الاصطناعي هو زيادة شدة الضوء في المنطقة المستهدفة أو إطالة وقت الضوء عن طريق تركيب نظام إضاءة إضافي لتلبية الطلب الخفيف للنباتات.بشكل عام ، يشتمل نظام الإضاءة الإضافي على معدات الإضاءة الإضافية والدوائر ونظام التحكم الخاص بها.تشمل مصادر الإضاءة التكميلية بشكل أساسي عدة أنواع شائعة مثل المصابيح المتوهجة ومصابيح الفلورسنت ومصابيح الهاليد المعدنية ومصابيح الصوديوم عالية الضغط ومصابيح LED.نظرًا لانخفاض الكفاءة الكهربائية والبصرية للمصابيح المتوهجة ، وانخفاض كفاءة الطاقة في التمثيل الضوئي وأوجه القصور الأخرى ، فقد تم التخلص منها من قبل السوق ، لذلك لا تقدم هذه المقالة تحليلًا تفصيليًا.

■ مصباح الفلورسنت
تنتمي مصابيح الفلورسنت إلى نوع مصابيح تفريغ الغاز ذات الضغط المنخفض.الأنبوب الزجاجي مملوء ببخار الزئبق أو الغاز الخامل ، والجدار الداخلي للأنبوب مغطى بمسحوق الفلورسنت.يختلف لون الضوء باختلاف مادة الفلورسنت المطلية في الأنبوب.تتميز المصابيح الفلورية بأداء طيفي جيد ، وكفاءة إضاءة عالية ، وطاقة منخفضة ، وعمر أطول (12000 ساعة) مقارنة بالمصابيح المتوهجة ، وتكلفة منخفضة نسبيًا.نظرًا لأن المصباح الفلوري نفسه ينبعث منه حرارة أقل ، يمكن أن يكون قريبًا من نباتات الإضاءة ومناسب للزراعة ثلاثية الأبعاد.ومع ذلك ، فإن التصميم الطيفي للمصباح الفلوري غير معقول.الطريقة الأكثر شيوعًا في العالم هي إضافة عاكسات لتعظيم مكونات مصدر الضوء الفعال للمحاصيل في منطقة الزراعة.طورت شركة adv-agri اليابانية أيضًا نوعًا جديدًا من مصدر الضوء الإضافي HEFL.ينتمي HEFL في الواقع إلى فئة مصابيح الفلورسنت.إنه المصطلح العام لمصابيح الفلورسنت ذات الكاثود البارد (CCFL) ومصابيح الفلورسنت ذات القطب الخارجي (EEFL) ، وهي عبارة عن مصباح فلورسنت قطب مختلط.أنبوب HEFL رقيق للغاية ، يبلغ قطره حوالي 4 مم فقط ، ويمكن تعديل الطول من 450 مم إلى 1200 مم وفقًا لاحتياجات الزراعة.إنها نسخة محسنة من مصباح الفلورسنت التقليدي.

■ مصباح هاليد معدني
مصباح الهاليد المعدني هو مصباح تفريغ عالي الكثافة يمكنه إثارة عناصر مختلفة لإنتاج أطوال موجية مختلفة عن طريق إضافة هاليدات معدنية مختلفة (بروميد القصدير ، يوديد الصوديوم ، إلخ) في أنبوب التفريغ على أساس مصباح الزئبق عالي الضغط.تتميز مصابيح الهالوجين بكفاءة إنارة عالية ، وطاقة عالية ، ولون إضاءة جيد ، وعمر طويل ، وطيف كبير.ومع ذلك ، نظرًا لأن كفاءة الإنارة أقل من كفاءة مصابيح الصوديوم عالية الضغط ، وعمرها أقصر من مصابيح الصوديوم عالية الضغط ، فهي تستخدم حاليًا فقط في عدد قليل من المصانع.

■ مصباح الصوديوم عالي الضغط
تنتمي مصابيح الصوديوم عالية الضغط إلى نوع مصابيح تفريغ الغاز ذات الضغط العالي.مصباح الصوديوم عالي الضغط هو مصباح عالي الكفاءة يتم فيه ملء بخار الصوديوم عالي الضغط في أنبوب التفريغ ، وتضاف كمية صغيرة من الزينون (Xe) وهاليد المعدن الزئبقي.نظرًا لأن مصابيح الصوديوم عالية الضغط تتمتع بكفاءة تحويل كهروضوئية عالية مع انخفاض تكاليف التصنيع ، فإن مصابيح الصوديوم عالية الضغط هي حاليًا الأكثر استخدامًا في تطبيق الضوء الإضافي في المنشآت الزراعية.ومع ذلك ، نظرًا لأوجه القصور في كفاءة التمثيل الضوئي المنخفضة في طيفها ، فإن لديهم أوجه قصور في كفاءة الطاقة المنخفضة.من ناحية أخرى ، تتركز المكونات الطيفية المنبعثة من مصابيح الصوديوم عالية الضغط بشكل أساسي في شريط الضوء الأصفر البرتقالي ، والذي يفتقر إلى الأطياف الحمراء والزرقاء اللازمة لنمو النبات.

■ الصمام الثنائي الباعث للضوء
كجيل جديد من مصادر الضوء ، تتمتع الثنائيات الباعثة للضوء (LED) بالعديد من المزايا مثل كفاءة التحويل الكهروضوئية العالية ، والطيف القابل للتعديل ، والكفاءة العالية في التمثيل الضوئي.يمكن أن ينبعث ضوء LED أحادي اللون اللازم لنمو النبات.بالمقارنة مع مصابيح الفلورسنت العادية ومصادر الإضاءة التكميلية الأخرى ، تتمتع LED بمزايا توفير الطاقة وحماية البيئة والعمر الطويل والضوء أحادي اللون ومصدر الضوء البارد وما إلى ذلك.مع التحسين الإضافي للكفاءة الكهروضوئية لمصابيح LED وتقليل التكاليف الناتجة عن تأثير المقياس ، ستصبح أنظمة إضاءة LED تنمو المعدات الرئيسية لتكملة الضوء في المرافق الزراعية.نتيجة لذلك ، تم تطبيق مصابيح النمو LED في مصانع النباتات بنسبة 99.9٪.

من خلال المقارنة ، يمكن فهم خصائص مصادر الضوء التكميلية المختلفة بوضوح ، كما هو موضح في الجدول 1.

جهاز إضاءة متحرك
ترتبط شدة الضوء ارتباطًا وثيقًا بنمو المحاصيل.غالبًا ما تستخدم الزراعة ثلاثية الأبعاد في مصانع النباتات.ومع ذلك ، نظرًا لقيود هيكل رفوف الزراعة ، فإن التوزيع غير المتكافئ للضوء ودرجة الحرارة بين الرفوف سيؤثر على محصول المحاصيل ولن تتم مزامنة فترة الحصاد.نجحت إحدى الشركات في بكين في تطوير جهاز تكميلي لمصباح الرفع اليدوي (تركيبات إضاءة HPS و LED لتنمية الإضاءة) في عام 2010. المبدأ هو تدوير عمود الإدارة واللفاف المثبت عليه عن طريق هز المقبض لتدوير بكرة الفيلم الصغيرة لتحقيق الغرض من سحب حبل السلك وفكه.الحبل السلكي لمصباح النمو متصل بعجلة لف المصعد من خلال مجموعات متعددة من عجلات الانعكاس ، وذلك لتحقيق تأثير تعديل ارتفاع ضوء النمو.في عام 2017 ، صممت الشركة المذكورة أعلاه وطورت جهازًا جديدًا مكملاً للضوء المحمول ، والذي يمكنه تلقائيًا ضبط ارتفاع ملحق الضوء في الوقت الفعلي وفقًا لاحتياجات نمو المحاصيل.تم تثبيت جهاز الضبط الآن على رف الزراعة ثلاثي الأبعاد من نوع الرفع ذو مصدر الضوء بثلاث طبقات.الطبقة العلوية للجهاز هي المستوى الذي يتمتع بأفضل حالة إضاءة ، لذا فهو مزود بمصابيح صوديوم عالية الضغط ؛الطبقة الوسطى والطبقة السفلية مجهزة بمصابيح LED للنمو ونظام تعديل الرفع.يمكنه ضبط ارتفاع ضوء النمو تلقائيًا لتوفير بيئة إضاءة مناسبة للمحاصيل.

بالمقارنة مع جهاز مكمل الإضاءة المحمول المصمم للزراعة ثلاثية الأبعاد ، طورت هولندا جهاز إضاءة مكمل للضوء LED متحرك أفقيًا.من أجل تجنب تأثير ظل ضوء النمو على نمو النباتات في الشمس ، يمكن دفع نظام نمو الضوء إلى جانبي القوس من خلال الانزلاق التلسكوبي في الاتجاه الأفقي ، بحيث تكون الشمس كاملة تشعيع على النباتات.في الأيام الملبدة بالغيوم والممطرة بدون ضوء الشمس ، ادفع نظام ضوء النمو إلى منتصف الحامل لجعل ضوء نظام النمو الضوئي يملأ النباتات بالتساوي ؛قم بتحريك نظام إضاءة النمو أفقيًا من خلال الشريحة الموجودة على الحامل ، وتجنب التفكيك المتكرر وإزالة نظام زيادة الضوء ، وتقليل كثافة العمالة للموظفين ، وبالتالي تحسين كفاءة العمل بشكل فعال.

أفكار تصميم نظام إضاءة نموذجي ينمو
ليس من الصعب أن نرى من تصميم الجهاز التكميلي للإضاءة المتنقلة أن تصميم نظام الإضاءة التكميلي لمصنع المصنع عادة ما يأخذ شدة الضوء وجودة الضوء ومعلمات فترة الضوء لفترات نمو المحاصيل المختلفة كمحتوى أساسي للتصميم ، بالاعتماد على نظام التحكم الذكي للتنفيذ ، وتحقيق الهدف النهائي المتمثل في توفير الطاقة والعائد العالي.

في الوقت الحاضر ، نضج تصميم وبناء الضوء الإضافي للخضروات الورقية تدريجياً.على سبيل المثال ، يمكن تقسيم الخضار الورقية إلى أربع مراحل: مرحلة الشتلات ، والنمو المتوسط ​​، والنمو المتأخر ، ومرحلة النهاية ؛يمكن تقسيم خضروات الفاكهة إلى مرحلة الشتلات ، ومرحلة النمو الخضري ، ومرحلة الإزهار ، ومرحلة الحصاد.من سمات شدة الضوء التكميلية ، يجب أن تكون شدة الضوء في مرحلة الشتلات أقل قليلاً ، عند 60 ~ 200 ميكرولتر / (م 2 · ثانية) ، ثم تزداد تدريجياً.يمكن أن تصل الخضراوات الورقية إلى 100 ~ 200 ميكرول / (م 2 · ثانية) ، ويمكن أن تصل خضروات الفاكهة إلى 300 ~ 500 ميكرولتر / (م 2 · ثانية) لضمان متطلبات شدة الضوء لعملية التمثيل الضوئي للنبات في كل فترة نمو وتلبية احتياجات ارتفاع العائد؛من حيث جودة الضوء ، فإن نسبة الأحمر إلى الأزرق مهمة للغاية.من أجل زيادة جودة الشتلات ومنع النمو المفرط في مرحلة الشتلات ، يتم تحديد نسبة اللون الأحمر إلى الأزرق بشكل عام عند مستوى منخفض [(1 ~ 2): 1] ، ثم يتم تقليلها تدريجيًا لتلبية احتياجات النبات مورفولوجيا الضوء.يمكن ضبط نسبة الأحمر إلى الأزرق إلى الخضار الورقية على (3 ~ 6): 1.بالنسبة للفترة الضوئية ، على غرار شدة الضوء ، يجب أن تظهر اتجاهًا للزيادة مع تمديد فترة النمو ، بحيث تتمتع الخضروات الورقية بوقت أكبر في التمثيل الضوئي لعملية التمثيل الضوئي.سيكون تصميم المكملات الخفيفة للفواكه والخضروات أكثر تعقيدًا.بالإضافة إلى القوانين الأساسية المذكورة أعلاه ، يجب التركيز على تحديد الفترة الضوئية خلال فترة الإزهار ، ويجب تعزيز ازدهار الخضار واثمارها ، حتى لا تأتي بنتائج عكسية.

ومن الجدير بالذكر أن تركيبة الضوء يجب أن تشمل المعالجة النهائية لبيئات البيئة الضوئية.على سبيل المثال ، يمكن لمكملات الضوء المستمرة أن تحسن بشكل كبير من إنتاجية ونوعية شتلات الخضروات الورقية المائية ، أو تستخدم العلاج بالأشعة فوق البنفسجية لتحسين جودة تغذية البراعم والخضروات الورقية (خاصة الأوراق الأرجواني والخس الأحمر).

بالإضافة إلى تحسين مكملات الضوء لمحاصيل مختارة ، فقد تطور أيضًا نظام التحكم في مصدر الضوء لبعض مصانع الإضاءة الاصطناعية بسرعة في السنوات الأخيرة.يعتمد نظام التحكم هذا بشكل عام على هيكل B / S.يتم تحقيق التحكم عن بعد والتحكم الآلي في العوامل البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة والضوء وتركيز ثاني أكسيد الكربون أثناء نمو المحاصيل من خلال WIFI ، وفي الوقت نفسه ، يتم تحقيق طريقة إنتاج لا تقيدها الظروف الخارجية.يستخدم هذا النوع من نظام الإضاءة التكميلي الذكي تركيبات إضاءة LED تنمو كمصدر إضاءة إضافي ، جنبًا إلى جنب مع نظام التحكم الذكي عن بعد ، ويمكن أن يلبي احتياجات إضاءة الطول الموجي للنبات ، ومناسب بشكل خاص لبيئة زراعة النباتات التي يتم التحكم فيها بالضوء ، ويمكن أن يلبي طلب السوق بشكل جيد .

ملاحظات ختامية
تعتبر المصانع النباتية وسيلة مهمة لحل مشاكل الموارد والسكان والبيئة في العالم في القرن الحادي والعشرين ، وطريقة مهمة لتحقيق الاكتفاء الذاتي الغذائي في مشاريع التكنولوجيا الفائقة المستقبلية.كنوع جديد من طرق الإنتاج الزراعي ، لا تزال المصانع النباتية في مرحلة التعلم والنمو ، وهناك حاجة إلى مزيد من الاهتمام والبحث.توضح هذه المقالة خصائص ومزايا طرق الإضاءة التكميلية الشائعة في مصانع المصانع ، وتقدم أفكار تصميم أنظمة الإضاءة التكميلية للمحاصيل النموذجية.ليس من الصعب العثور عليه من خلال المقارنة ، من أجل التعامل مع الإضاءة المنخفضة الناتجة عن الطقس القاسي مثل الغيوم والضباب المستمر ولضمان إنتاج مرتفع ومستقر لمحاصيل المنشأة ، فإن معدات مصدر إضاءة LED Grow هي الأكثر تماشياً مع التطور الحالي اتجاهات.

يجب أن يركز اتجاه التطوير المستقبلي لمصانع المصانع على أجهزة استشعار جديدة عالية الدقة ومنخفضة التكلفة وأنظمة أجهزة إضاءة طيفية قابلة للتحكم عن بُعد وقابلة للتعديل وأنظمة تحكم متخصصة.في الوقت نفسه ، ستستمر مصانع المصانع المستقبلية في التطور نحو منخفضة التكلفة وذكية وقادرة على التكيف الذاتي.يوفر استخدام مصادر إضاءة LED وتعميمها ضمانًا للتحكم البيئي عالي الدقة لمصانع المصانع.يعد تنظيم بيئة إضاءة LED عملية معقدة تتضمن تنظيمًا شاملاً لجودة الضوء وكثافة الضوء وفترة الضوء.يحتاج الخبراء والعلماء المعنيون إلى إجراء بحث متعمق ، وتعزيز الإضاءة التكميلية LED في مصانع الإضاءة الاصطناعية.