المؤلف: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong BU ، إلخ. ميديا ​​المصدر ： تكنولوجيا الهندسة الزراعية (زراعة الدفيئة)

يجمع مصنع المصنع بين الصناعة الحديثة والتكنولوجيا الحيوية والزواج المائي وتكنولوجيا المعلومات لتنفيذ التحكم العالي في العوامل البيئية في المنشأة. إنه مغلق بالكامل ، وله متطلبات منخفضة على البيئة المحيطة ، ويقصر فترة حصاد المصنع ، ويوفر المياه والأسمدة ، ومع مزايا إنتاج غير الحميد وعدم تفريغ النفايات ، تتراوح كفاءة استخدام الأراضي في الوحدة من 40 إلى 108 مرة من الإنتاج الميداني المفتوح. من بينها ، يلعب مصدر الضوء الاصطناعي الذكي وتنظيم البيئة الخفيفة دورًا حاسمًا في كفاءة الإنتاج.

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

حاجة النباتات للضوء

الضوء هو مصدر الطاقة الوحيد لعملية التمثيل الضوئي للنبات. شدة الضوء وجودة الضوء (الطيف) والتغيرات الدورية للضوء لها تأثير عميق على نمو وتطور المحاصيل ، من بينها شدة الضوء لها أكبر تأثير على التمثيل الضوئي للنبات.

■ شدة الضوء

يمكن أن تغير شدة الضوء مورفولوجيا المحاصيل ، مثل الإزهار وطول داخلي وسمك جذع وحجم الورقة وسمك. يمكن تقسيم متطلبات النباتات الخاصة بكثافة الضوء إلى النباتات المحبة للضوء ، المحبة للإضاءة ، ونباتات منخفضة التحمل. الخضار هي في الغالب نباتات محببة للضوء ، ونقاط تعويضات الضوء ونقاط التشبع الخفيفة مرتفعة نسبيًا. في مصانع مصنع الإضاءة الاصطناعية ، تعد المتطلبات ذات الصلة للمحاصيل لشدة الضوء أساسًا مهمًا لاختيار مصادر الإضاءة الاصطناعية. يعد فهم متطلبات الضوء للنباتات المختلفة أمرًا مهمًا لتصميم مصادر الإضاءة الاصطناعية ، فمن الضروري للغاية تحسين أداء إنتاج النظام.

■ جودة الضوء

إن توزيع جودة الضوء (الطيفي) له أيضًا تأثير مهم على التمثيل الضوئي للنبات والتشكل (الشكل 1). الضوء جزء من الإشعاع ، والإشعاع هو موجة كهرومغناطيسية. الموجات الكهرومغناطيسية لها خصائص الموجة وخصائص الكم (الجسيمات). يسمى كمية الضوء الفوتون في مجال البستنة. يسمى الإشعاع مع نطاق الطول الموجي من 300 ~ 800nm ​​الإشعاع النشط من الناحية الفسيولوجية للنباتات ؛ ويسمى الإشعاع مع نطاق الطول الموجي من 400 ~ 700nm الإشعاع النشط من الناحية الضوئية (PAR) للنباتات.

الكلوروفيل والكاروتين هما أهم أصباغ في التمثيل الضوئي النباتي. يوضح الشكل 2 طيف الامتصاص الطيفي لكل صبغة التمثيل الضوئي ، حيث يتركز طيف امتصاص الكلوروفيل في الأشرطة الحمراء والأزرق. يعتمد نظام الإضاءة على الاحتياجات الطيفية للمحاصيل لتكملة الضوء بشكل مصطنع ، وذلك لتعزيز التمثيل الضوئي للنباتات.

photoperiod
تسمى العلاقة بين التمثيل الضوئي والتكوين الضوئي للنباتات وطول النهار (أو وقت الفترة الضوئية) 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 الضوئيات الضوئية لتزدهر والفواكه. وفقًا لمختلف الصور الضوئية ، يمكن تقسيمها إلى محاصيل يومية طويلة ، مثل الملفوف ، وما إلى ذلك ، والتي تتطلب أكثر من 12-14 ساعة في مرحلة معينة من نموها ؛ تتطلب المحاصيل في اليوم القصير ، مثل البصل ، فول الصويا ، وما إلى ذلك ، أقل من 12-14 ساعة إضاءة ؛ المحاصيل المتوسطة ، مثل الخيار والطماطم والفلفل ، وما إلى ذلك ، يمكن أن تزهر وتحمل الفاكهة تحت أشعة الشمس أطول أو أقصر.
من بين العناصر الثلاثة للبيئة ، تعد شدة الضوء أساسًا مهمًا لاختيار مصادر الإضاءة الاصطناعية. في الوقت الحاضر ، هناك العديد من الطرق للتعبير عن شدة الضوء ، بما في ذلك الثلاثة التالية.
（1） يشير الإضاءة إلى الكثافة السطحية للتدفق الخبيث (تدفق مضيء لكل وحدة مساحة) تم استلامها على الطائرة المضيئة ، في لوكس (LX).

（2） الإشعاع النشط الضوئي ، par ， الوحدة ： w/m²。

（3） إن كثافة تدفق الفوتون الفعالة فعالة من الناحية الضوئية PPFD أو PPF هي عدد الإشعاع الفعال الضوئي الذي يصل أو يمر عبر وقت الوحدة ومساحة الوحدة ، الوحدة ： ميكرولتر/(M² · S)。 تشير إلى كثافة الضوء من 400 إلى 700 نانومتر مرتبطة مباشرة بالتمثيل الضوئي. إنه أيضًا مؤشر شدة الضوء الأكثر استخدامًا في مجال إنتاج النبات.

تحليل مصدر الضوء لنظام الضوء التكميلي النموذجي
تكمل الضوء الاصطناعي هو زيادة شدة الضوء في المنطقة المستهدفة أو تمديد وقت الضوء عن طريق تثبيت نظام الضوء المكمل للوفاء بالطلب الضوء للنباتات. بشكل عام ، يتضمن نظام الضوء التكميلي معدات الضوء والدوائر التكميلية ونظام التحكم الخاص به. تشمل مصادر الضوء 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 ، وكفاءة الطاقة الضوئية المنخفضة وأوجه القصور الأخرى ، فقد تم القضاء عليها من قبل السوق ، لذلك لا تقوم هذه المقالة بتحليل مفصل.

■ مصباح الفلورسنت
تنتمي مصابيح الفلورسنت إلى نوع مصابيح تصريف الغاز منخفض الضغط. تمتلئ الأنبوب الزجاجي بخار الزئبق أو الغاز الخامل ، ويتم طلاء الجدار الداخلي للأنبوب بمسحوق الفلورسنت. يختلف اللون الفاتح مع المادة الفلورية المغلفة في الأنبوب. مصابيح الفلورسنت لها أداء طيفي جيد ، وكفاءة مضيئة عالية ، وقوة منخفضة ، وحياة أطول (12000 ساعة) مقارنة مع المصابيح المتوهجة ، والتكلفة المنخفضة نسبيا. نظرًا لأن مصباح الفلورسنت نفسه ينبعث من حرارة أقل ، فقد يكون قريبًا من النباتات للإضاءة وهو مناسب للزراعة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك ، فإن التصميم الطيفي لمصباح الفلورسنت غير معقول. الطريقة الأكثر شيوعًا في العالم هي إضافة العاكسات لزيادة مكونات مصدر الضوء الفعالة للمحاصيل في منطقة الزراعة. قامت شركة ADV-AVRI اليابانية أيضًا بتطوير نوع جديد من مصدر الضوء التكميلي HEFL. ينتمي HEFL فعليًا إلى فئة مصابيح الفلورسنت. إنه المصطلح العام لمصابيح الفلورسنت الكاثود الباردة (CCFL) ومصابيح الفلورسنت الخارجية (EEFL) ، وهو مصباح فلوريد كهربائي مختلط. أنبوب HEFL نحيف للغاية ، بقطر يبلغ حوالي 4 مم فقط ، ويمكن ضبط الطول من 450 مم إلى 1200 مم وفقًا لاحتياجات الزراعة. إنها نسخة محسنة من مصباح الفلورسنت التقليدي.

■ مصباح الهاليد المعدني
مصباح الهاليد المعدني هو مصباح تفريغ عالي الكثافة يمكن أن يثير 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. مصابيح الهالوجين لها كفاءة مضيئة عالية ، طاقة عالية ، لون فاتح جيد ، حياة طويلة ، وطيف كبير. ومع ذلك ، نظرًا لأن الكفاءة المضيئة أقل من تلك الموجودة في مصابيح الصوديوم عالية الضغط ، وعمر العمر أقصر من مصابيح الصوديوم عالية الضغط ، فهي تستخدم حاليًا فقط في عدد قليل من مصانع النباتات.

■ مصباح الصوديوم عالي الضغط
تنتمي مصابيح الصوديوم عالية الضغط إلى نوع مصابيح تصريف الغاز عالية الضغط. مصباح الصوديوم عالي الضغط عبارة عن مصباح عالي الكفاءة يتم فيه ملء بخار الصوديوم عالي الضغط في أنبوب التفريغ ، ويتم إضافة كمية صغيرة من زينون (XE) وهاليد المعادن الزئبق. نظرًا لأن مصابيح الصوديوم ذات الضغط العالي لها كفاءة تحويل كهربائية عالية البصرية مع انخفاض تكاليف التصنيع ، فإن مصابيح الصوديوم عالية الضغط هي حاليًا الأكثر استخدامًا في تطبيق الضوء التكميلي في المنشآت الزراعية. ومع ذلك ، نظرًا لأوجه القصور في كفاءة التمثيل الضوئي المنخفض في طيفها ، فإن لديهم أوجه القصور في انخفاض كفاءة الطاقة. من ناحية أخرى ، تتركز المكونات الطيفية المنبعثة من مصابيح الصوديوم عالية الضغط بشكل أساسي في نطاق الضوء الأصفر البرتقالي ، والذي يفتقر إلى الأطياف الأحمر والأزرق اللازم لنمو النبات.

■ الصمام الثنائي المنبعث للضوء
بصفتها جيلًا جديدًا من مصادر الضوء ، فإن الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) لها العديد من المزايا مثل كفاءة التحويل الكهربائية البصرية العالية ، وطيف قابل للتعديل ، وكفاءة التمثيل الضوئي العالي. LED يمكن أن تنبعث من الضوء أحادي اللون اللازم لنمو النبات. بالمقارنة مع مصابيح الفلورسنت العادية ومصادر الضوء التكميلية الأخرى ، فإن LED لديها مزايا توفير الطاقة ، وحماية البيئة ، والحياة الطويلة ، والضوء أحادي اللون ، ومصدر الضوء البارد وما إلى ذلك. مع مزيد من التحسن في الكفاءة الكهربائية البصرية للمصابيح LED وتقليل التكاليف الناجمة عن تأثير المقياس ، ستصبح أنظمة الإضاءة النمو LED هي المعدات الرئيسية لتكملة الضوء في المرافق الزراعية. نتيجة لذلك ، تم تطبيق مصابيح النمو LED على أكثر من 99.9 ٪ من مصانع النباتات.

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

جهاز إضاءة الهاتف المحمول
ترتبط شدة الضوء ارتباطًا وثيقًا بنمو المحاصيل. غالبًا ما تستخدم الزراعة ثلاثية الأبعاد في مصانع النباتات. ومع ذلك ، نظرًا لتقييد هيكل رفوف الزراعة ، فإن التوزيع غير المتكافئ للضوء ودرجة الحرارة بين الرفوف سيؤثر على محصول المحاصيل ولن تتم مزامنة فترة الحصاد. نجحت شركة في بكين في تطوير جهاز ملحق لضوء الرفع اليدوي (HPS Lighting Thipture و LED تنمو الإضاءة) في عام 2010. والمبدأ هو تدوير عمود القيادة واللفاء الثابت عليه عن طريق هز المقبض لتدوير بكرة الفيلم الصغيرة لتحقيق الغرض من التراجع والاسترخاء حبل السلك. يرتبط حبل الأسلاك من ضوء النمو بعجلة متعرج للمصعد من خلال مجموعات متعددة من العجلات العكسية ، وذلك لتحقيق تأثير ضبط ارتفاع ضوء النمو. في عام 2017 ، صممت الشركة المذكورة أعلاه وتطوير جهازًا جديدًا لمكملات الضوء للهاتف المحمول ، والذي يمكنه تلقائيًا ضبط ارتفاع مكمل الضوء في الوقت الفعلي وفقًا لاحتياجات نمو المحاصيل. يتم تثبيت جهاز التعديل الآن على حامل زراعة المصدر المكون من 3 طبقات من نوع الحامل ثلاثي الأبعاد. الطبقة العليا من الجهاز هي المستوى مع أفضل حالة ضوء ، لذلك تم تجهيزها بمصابيح الصوديوم عالية الضغط ؛ الطبقة الوسطى والطبقة السفلية مجهزة بأضواء النمو LED ونظام ضبط الرفع. يمكنه ضبط ارتفاع ضوء النمو تلقائيًا لتوفير بيئة إضاءة مناسبة للمحاصيل.

بالمقارنة مع جهاز مكمل الضوء المتنقل المصمم لزراعة ثلاثية الأبعاد ، طورت هولندا جهازًا ضوءًا مكملات الضوء النمو أفقياً. من أجل تجنب تأثير ظل ضوء النمو على نمو النباتات في الشمس ، يمكن دفع نظام الضوء النمو إلى جانبي القوس من خلال الشريحة التلسكوبية في الاتجاه الأفقي ، بحيث تكون الشمس بالكامل المشععة على النباتات. في الأيام الغائمة والممطرة بدون أشعة الشمس ، ادفع نظام الضوء النمو إلى منتصف القوس لجعل ضوء نظام الضوء النمو يملأ النباتات بالتساوي ؛ حرك نظام الضوء النمو أفقياً عبر الشريحة على القوس ، وتجنب التفكيك المتكرر وإزالة نظام الضوء النمو ، وتقليل كثافة العمالة للموظفين ، وبالتالي تحسين كفاءة العمل بشكل فعال.

أفكار تصميم نظام ضوء النمو النموذجي
ليس من الصعب أن نرى من تصميم الجهاز التكميلي للإضاءة المتنقلة أن تصميم نظام الإضاءة التكميلي لمصنع النبات عادة ، بالاعتماد على نظام التحكم الذكي للتنفيذ ، تحقيق الهدف النهائي المتمثل في توفير الطاقة والعائد العالي.

في الوقت الحاضر ، نضج تصميم وبناء الضوء التكميلي للخضروات الورقية تدريجياً. على سبيل المثال ، يمكن تقسيم الخضار المورقة إلى أربع مراحل: مرحلة الشتلات ، والنمو المتوسط ​​، والنمو المتأخر ، والمرحلة النهائية ؛ يمكن تقسيم أجهزة الفاكهة إلى مرحلة الشتلات ، ومرحلة النمو الخضري ، ومرحلة المزهرة ، ومرحلة الحصاد. من سمات شدة الضوء التكميلية ، يجب أن تكون شدة الضوء في مرحلة الشتلات أقل قليلاً ، عند 60 ~ 200 ميكرولتر/(M² · S) ، ثم زيادة تدريجياً. يمكن أن تصل الخضروات المورقة إلى ما يصل إلى 100 ~ 200 ميكرولتر/(متر مربع) ، ويمكن أن تصل الخضروات الفاكهة إلى 300 ~ 500 ميكرولتر/(M² · S) لضمان متطلبات كثافة الضوء لعملية التمثيل الضوئي للنبات في كل فترة نمو وتحقيق احتياجات عائد مرتفع من حيث جودة الضوء ، فإن نسبة اللون الأحمر إلى الأزرق مهمة للغاية. من أجل زيادة جودة الشتلات ومنع النمو المفرط في مرحلة الشتلات ، يتم وضع نسبة اللون الأحمر إلى الأزرق بشكل عام على مستوى منخفض [(1 ~ 2): 1] ، ثم تقل تدريجيًا لتلبية احتياجات النبات مورفولوجيا الضوء. يمكن ضبط نسبة اللون الأحمر إلى الأزرق إلى الخضروات الورقية (3 ~ 6): 1. بالنسبة إلى الفترة الضوئية ، على غرار شدة الضوء ، يجب أن تظهر اتجاهًا للزيادة مع امتداد فترة النمو ، بحيث يكون للخضروات المورقة وقت التمثيل الضوئي أكثر من أجل التمثيل الضوئي. سيكون تصميم المكملات الضوئية للفواكه والخضروات أكثر تعقيدًا. بالإضافة إلى القوانين الأساسية المذكورة أعلاه ، يجب أن نركز على وضع الضوئية خلال فترة الإزهار ، ويجب تعزيز الإزهار والإثمار للخضروات ، حتى لا تكون بنتائج عكسية.

تجدر الإشارة إلى أن صيغة الضوء يجب أن تتضمن المعالجة النهائية لإعدادات البيئة الخفيفة. على سبيل المثال ، يمكن أن تحسن مكملات الضوء المستمر بشكل كبير من غلة وجودة شتلات الخضار المائية المائية ، أو استخدام المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية لتحسين براعم وخضار الورقية بشكل كبير (وخاصة الأوراق الأرجواني والخس الأحمر) الجودة الغذائية.

بالإضافة إلى تحسين مكملات الضوء للمحاصيل المختارة ، تطور نظام التحكم في مصدر الضوء لبعض مصانع نباتات الضوء الاصطناعية بسرعة في السنوات الأخيرة. يعتمد نظام التحكم هذا بشكل عام على بنية B/S. يتم تحقيق التحكم عن بُعد والتحكم التلقائي للعوامل البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة والضوء وتركيز ثاني أكسيد الكربون أثناء نمو المحاصيل من خلال WiFi ، وفي الوقت نفسه ، يتم تحقيق طريقة الإنتاج التي لا يتم تقييدها بالظروف الخارجية. هذا النوع من نظام الضوء التكميلي الذكي يستخدم لاعبة مصباح LED كمصدر للضوء التكميلي ، جنبًا إلى جنب مع نظام التحكم الذكي عن بُعد ، يمكنه تلبية احتياجات إضاءة الطول الموجي للمصنع ، وهو مناسب بشكل خاص لبيئة زراعة النباتات التي يتم التحكم فيها بالضوء ، ويمكنها تلبية الطلب على السوق جيدًا .

ملاحظات ختامية
تعتبر مصانع النباتات وسيلة مهمة لحل الموارد العالمية والسكان والمشاكل البيئية في القرن الحادي والعشرين ، وهي وسيلة مهمة لتحقيق الاكتفاء الذاتي الغذائي في مشاريع التكنولوجيا الفائقة المستقبلية. كنوع جديد من طريقة الإنتاج الزراعي ، لا تزال مصانع النباتات في مرحلة التعلم والنمو ، وهناك حاجة إلى مزيد من الاهتمام والبحث. تصف هذه المقالة خصائص ومزايا طرق الإضاءة التكميلية الشائعة في مصانع النباتات ، وتقدم أفكار تصميم أنظمة الإضاءة التكميلية النموذجية للمحاصيل. ليس من الصعب العثور عليها من خلال المقارنة ، من أجل التعامل مع الضوء المنخفض الناجم عن الطقس القاسي مثل غائم وضباب مستمر ولضمان إنتاج مرتفع ومستقر لمحاصيل المنشأة ، فإن معدات المصدر المصدر النمو تتماشى مع التطوير الحالي مع التطوير الحالي الاتجاهات.

يجب أن يركز اتجاه التطوير المستقبلي لمصانع النباتات على مستشعرات جديدة عالية التكلفة ، وأنظمة أجهزة إضاءة الطيف القابلة للتحكم عن بعد ، وقابلة للتعديل ، وأنظمة التحكم في الخبراء. في الوقت نفسه ، ستستمر مصانع النباتات المستقبلية في التطور نحو التكلفة المنخفضة والذكية والتكيف الذاتي. يوفر استخدام وتعميم مصادر LED Grow Light ضمانًا للرقابة البيئية عالية الدقة لمصانع النباتات. تنظيم بيئة ضوء LED هي عملية معقدة تتضمن تنظيمًا شاملًا لجودة الضوء ، وكثافة الضوء ، والضوضاء. يحتاج الخبراء والعلماء المعنيون إلى إجراء أبحاث متعمقة ، وتعزيز الإضاءة التكميلية LED في مصانع مصنع الإضاءة الاصطناعية.