المصدر الأصلي: هوتشنغ ليو. حالة التطور واتجاه صناعة إضاءة المصانع بتقنية LED [J]. مجلة هندسة الإضاءة، 2018، 29 (04): 8-9.
مصدر المقال: مادة ذات عمق

يُعدّ الضوء العامل البيئي الأساسي لنمو النبات وتطوره. فهو لا يقتصر دوره على تزويد النبات بالطاقة اللازمة لنموه من خلال عملية التمثيل الضوئي، بل يُعدّ أيضًا مُنظِّمًا هامًا لنموه وتطوره. ويمكن للإضاءة الاصطناعية التكميلية أو الإشعاع الضوئي الكامل أن تُعزز نمو النبات، وتزيد من إنتاجيته، وتُحسّن شكله ولونه، وتُعزز مكوناته الوظيفية، وتُقلل من انتشار الأمراض والآفات. سأشارككم اليوم آخر التطورات والاتجاهات في صناعة إضاءة النباتات.
تُستخدم تقنية مصادر الإضاءة الاصطناعية على نطاق واسع في مجال إضاءة النباتات. تتميز مصابيح LED بالعديد من المزايا، مثل كفاءة الإضاءة العالية، وانخفاض الحرارة المتولدة، وصغر الحجم، وطول العمر، وغيرها. ولها مزايا واضحة في مجال إضاءة النباتات. ومن المتوقع أن يعتمد قطاع إضاءة النباتات تدريجيًا على تركيبات إضاءة LED لزراعة النباتات.

أ. الوضع الحالي لتطور صناعة إضاءة LED لزراعة النباتات 

1. مجموعة مصابيح LED لإضاءة النمو

في مجال تغليف مصابيح LED لنمو النباتات، تتعدد أنواع أجهزة التغليف، ولا يوجد نظام موحد لقياسها وتقييمها. لذا، وبالمقارنة مع المنتجات المحلية، يركز المصنعون الأجانب بشكل أساسي على المصابيح عالية الطاقة، ومصابيح COB، والوحدات، مع مراعاة سلسلة الإضاءة البيضاء لنمو النباتات، وخصائص نمو النباتات، وبيئة الإضاءة الملائمة. ويتمتعون بمزايا تقنية أكبر في الموثوقية، وكفاءة الإضاءة، وخصائص الإشعاع الضوئي للنباتات المختلفة في مراحل نموها المختلفة، بما في ذلك أنواع مختلفة من المصابيح عالية ومتوسطة ومنخفضة الطاقة بأحجام متنوعة، لتلبية احتياجات مختلف أنواع النباتات في بيئات نمو مختلفة، بهدف تحقيق أقصى نمو للنباتات مع توفير الطاقة.

لا تزال العديد من براءات الاختراع الأساسية لرقائق السيليكون المُرَسَّبة تحت سيطرة الشركات الرائدة، مثل شركة نيشيا اليابانية وشركة كارير الأمريكية. ويفتقر مصنّعو الرقائق المحليون إلى منتجات حاصلة على براءات اختراع تتمتع بقدرة تنافسية في السوق. في الوقت نفسه، تعمل العديد من الشركات على تطوير تقنيات جديدة في مجال رقائق تغليف إضاءة الزراعة. فعلى سبيل المثال، تُمكّن تقنية رقائق الأغشية الرقيقة من أوسرام من تغليف الرقائق بشكل متقارب لتكوين سطح إضاءة واسع. وبناءً على هذه التقنية، يُمكن لنظام إضاءة LED عالي الكفاءة بطول موجي 660 نانومتر أن يُقلل استهلاك الطاقة في منطقة الزراعة بنسبة 40%.

2. توسيع نطاق الإضاءة والأجهزة
يُعدّ طيف إضاءة النباتات أكثر تعقيدًا وتنوعًا. تختلف النباتات اختلافًا كبيرًا في الأطياف المطلوبة خلال مراحل نموها المختلفة، وحتى في بيئات النمو المتباينة. ولتلبية هذه الاحتياجات المتباينة، توجد حاليًا في هذا المجال المخططات التالية: ① مخططات دمج الضوء أحادي اللون المتعدد. تُعدّ الأطياف الثلاثة الأكثر فعالية لعملية التمثيل الضوئي في النباتات هي الطيف ذو الذروات عند 450 نانومتر و660 نانومتر، وحزمة 730 نانومتر لتحفيز الإزهار، بالإضافة إلى الضوء الأخضر عند 525 نانومتر وحزمة الأشعة فوق البنفسجية التي تقل عن 380 نانومتر. يتم دمج هذه الأنواع من الأطياف وفقًا لاحتياجات النباتات المختلفة لتكوين الطيف الأنسب. ② مخطط الطيف الكامل لتحقيق تغطية شاملة لطيف احتياجات النبات. قد لا يكون هذا النوع من الطيف، الذي يتوافق مع شريحة SUNLIKE التي تُنتجها شركتا Seoul Semiconductor وSamsung، هو الأكثر كفاءة، ولكنه مناسب لجميع النباتات، وتكلفته أقل بكثير من حلول دمج الضوء أحادي اللون. ③ استخدم الضوء الأبيض كامل الطيف كمصدر رئيسي، بالإضافة إلى الضوء الأحمر بطول موجة 660 نانومتر كمزيج لتحسين فعالية الطيف. هذا الأسلوب أكثر اقتصادية وعملية.

تُغطي العديد من الشركات المحلية والأجنبية أجهزة تغليف رقائق LED أحادية اللون لإضاءة نمو النباتات (بأطوال موجية رئيسية تبلغ 450 نانومتر، و660 نانومتر، و730 نانومتر). تتميز المنتجات المحلية بتنوعها وتعدد مواصفاتها، بينما تتميز منتجات الشركات الأجنبية بمعايير أكثر توحيدًا. في الوقت نفسه، لا تزال هناك فجوة كبيرة بين مصنعي التغليف المحليين والأجانب فيما يتعلق بتدفق الفوتونات الضوئية وكفاءة الإضاءة وغيرها. بالنسبة لأجهزة تغليف الإضاءة أحادية اللون لإضاءة النباتات، بالإضافة إلى المنتجات ذات نطاقات الأطوال الموجية الرئيسية 450 نانومتر، و660 نانومتر، و730 نانومتر، يعمل العديد من المصنعين أيضًا على تطوير منتجات جديدة في نطاقات أطوال موجية أخرى لتحقيق تغطية كاملة لنطاق أطوال موجات الإشعاع النشط ضوئيًا (PAR) (450-730 نانومتر).

لا تُناسب مصابيح LED أحادية اللون المُخصصة لنمو النباتات جميع أنواعها. لذا، تبرز مزايا مصابيح LED كاملة الطيف. يجب أن يُغطي الطيف الكامل أولًا كامل طيف الضوء المرئي (400-700 نانومتر)، وأن يُحسّن أداء نطاقي الضوء الأزرق والأخضر (470-510 نانومتر) والضوء الأحمر الداكن (660-700 نانومتر). يُستخدم في هذه المصابيح رقائق LED زرقاء عادية أو رقائق LED فوق بنفسجية مع مادة فسفورية للحصول على طيف كامل، وتتفاوت كفاءة التمثيل الضوئي فيها. يستخدم معظم مُصنّعي أجهزة إضاءة النباتات بتقنية LED البيضاء رقائق زرقاء مع مواد فسفورية لتحقيق الطيف الكامل. إلى جانب نمط التغليف الذي يعتمد على الضوء أحادي اللون أو الضوء الأزرق أو الرقائق فوق البنفسجية مع المواد الفسفورية للحصول على الضوء الأبيض، تتوفر أيضًا أجهزة تغليف مُركّبة تستخدم رقائق ذات طولين موجيين أو أكثر، مثل رقائق RGB وRGBW. يتميز هذا النمط من التغليف بقدرة عالية على التحكم في شدة الإضاءة.

فيما يخص منتجات LED ذات الأطوال الموجية الضيقة، يُمكن لمعظم موردي التغليف تزويد العملاء بمنتجات متنوعة الأطوال الموجية ضمن نطاق 365-740 نانومتر. أما بالنسبة لأطياف إضاءة النباتات المُحوّلة بواسطة الفوسفور، فإن معظم مصنعي التغليف يُوفرون للعملاء مجموعة واسعة من الأطياف للاختيار من بينها. وبالمقارنة مع عام 2016، فقد حقق معدل نمو مبيعاتها في عام 2017 زيادة ملحوظة. ومن بينها، يتركز معدل نمو مصادر ضوء LED بطول موجي 660 نانومتر بين 20% و50%، بينما يصل معدل نمو مبيعات مصادر إضاءة LED النباتية المُحوّلة بواسطة الفوسفور إلى ما بين 50% و200%، أي أن مبيعات مصادر إضاءة LED النباتية المُحوّلة بواسطة الفوسفور تشهد نموًا أسرع.

تُوفر جميع شركات التغليف منتجات تغليف عامة بقدرة 0.2-0.9 واط و1-3 واط. تُتيح هذه المصادر الضوئية لمصنعي الإضاءة مرونةً كبيرةً في تصميم الإضاءة. إضافةً إلى ذلك، يُوفر بعض المصنعين منتجات تغليف مُدمجة بقدرة أعلى. حاليًا، تُشكل شحنات 0.2-0.9 واط أو 1-3 واط أكثر من 80% من شحنات معظم المصنعين. ومن بينها، تتركز شحنات شركات التغليف العالمية الرائدة في فئة 1-3 واط، بينما تتركز شحنات شركات التغليف الصغيرة والمتوسطة في فئة 0.2-0.9 واط.

3. مجالات تطبيق إضاءة نمو النباتات

من حيث مجال التطبيق، تُستخدم تجهيزات إضاءة نمو النباتات بشكل أساسي في إضاءة البيوت الزجاجية، ومصانع النباتات ذات الإضاءة الاصطناعية بالكامل، وزراعة الأنسجة النباتية، وإضاءة حقول الزراعة الخارجية، وزراعة الخضراوات والزهور المنزلية، والبحوث المختبرية.

① في البيوت الزجاجية الشمسية والبيوت الزجاجية متعددة الأقواس، لا تزال نسبة الإضاءة الاصطناعية للإضاءة التكميلية منخفضة، وتُعدّ مصابيح هاليد المعدن ومصابيح الصوديوم عالية الضغط هي المصادر الرئيسية. معدل انتشار أنظمة إضاءة LED للزراعة منخفض نسبيًا، ولكنه بدأ بالتسارع مع انخفاض التكلفة. والسبب الرئيسي هو أن المستخدمين لديهم خبرة طويلة في استخدام مصابيح هاليد المعدن ومصابيح الصوديوم عالية الضغط، حيث يمكن لهذه المصابيح توفير ما بين 6% إلى 8% من الطاقة الحرارية للبيت الزجاجي مع تجنب احتراق النباتات. لم تُقدّم أنظمة إضاءة LED للزراعة تعليمات وبيانات محددة وفعّالة، مما أدى إلى تأخير تطبيقها في البيوت الزجاجية النهارية والبيوت الزجاجية متعددة الأقواس. في الوقت الحالي، لا تزال التطبيقات التجريبية صغيرة النطاق هي السائدة. بما أن مصابيح LED مصدر ضوء بارد، يمكن وضعها بالقرب من قمة النباتات، مما يقلل من تأثير درجة الحرارة. في البيوت الزجاجية النهارية والبيوت الزجاجية متعددة الأقواس، تُستخدم إضاءة LED للزراعة بشكل أكثر شيوعًا في الزراعة بين النباتات.

② تطبيق حقل الزراعة الخارجية. كان انتشار وتطبيق إضاءة النباتات في الزراعة المحمية بطيئًا نسبيًا، في حين أن تطبيق أنظمة إضاءة النباتات بتقنية LED (التحكم في الفترة الضوئية) للمحاصيل الخارجية ذات القيمة الاقتصادية العالية والتي تحتاج إلى نهار طويل (مثل فاكهة التنين) قد حقق تطورًا سريعًا.

٣- مصانع النباتات. يُعد نظام الإضاءة الاصطناعية بالكامل حاليًا أسرع أنظمة إضاءة النباتات وأكثرها استخدامًا، وينقسم إلى نوعين رئيسيين: مصانع مركزية متعددة الطبقات ومصانع متنقلة موزعة. يشهد هذا النوع من المصانع في الصين نموًا سريعًا للغاية. لم تعد الشركات الزراعية التقليدية هي الجهة الرئيسية المستثمرة في المصانع المركزية متعددة الطبقات، بل شركات تعمل في مجال أشباه الموصلات والإلكترونيات الاستهلاكية، مثل تشونغكه سانآن، وفوكسكون، وباناسونيك سوتشو، وجينغدونغ، بالإضافة إلى شركات زراعية حديثة أخرى مثل كوفكو وشي تسوي. أما في المصانع المتنقلة والموزعة، فلا تزال حاويات الشحن (الحاويات الجديدة أو المعاد تدويرها) تُستخدم كناقلات قياسية. وتعتمد أنظمة إضاءة هذه المصانع في الغالب على أنظمة إضاءة خطية أو مسطحة، مع استمرار تزايد عدد الأصناف المزروعة. وقد بدأ استخدام مصادر إضاءة LED تجريبية متنوعة على نطاق واسع. وتُشكل الخضراوات الورقية الخضراء المنتجات الرئيسية في السوق.

④ زراعة النباتات المنزلية. يمكن استخدام مصابيح LED في مصابيح طاولة النباتات المنزلية، ورفوف زراعة النباتات المنزلية، وآلات زراعة الخضراوات المنزلية، وما إلى ذلك.

⑤ زراعة النباتات الطبية. تشمل زراعة النباتات الطبية نباتات مثل الأنوكتوشيلوس والليثوسبيرموم. تتميز المنتجات في هذه الأسواق بقيمة اقتصادية عالية، وهي حاليًا صناعة تشهد استخدامات متزايدة لإضاءة النباتات. بالإضافة إلى ذلك، ساهم تقنين زراعة القنب في أمريكا الشمالية وأجزاء من أوروبا في تعزيز استخدام إضاءة LED المخصصة لزراعة القنب.

⑥ مصابيح الإزهار. تُعدّ مصابيح الإزهار أداةً لا غنى عنها لضبط وقت إزهار الأزهار في مجال تنسيق الحدائق، وقد استُخدمت في البداية مع المصابيح المتوهجة، ثم مع مصابيح الفلورسنت الموفرة للطاقة. ومع تطور صناعة مصابيح LED، حلت مصابيح LED محل المصابيح التقليدية تدريجيًا.

⑦ زراعة الأنسجة النباتية. تعتمد مصادر الإضاءة التقليدية لزراعة الأنسجة بشكل أساسي على المصابيح الفلورية البيضاء، والتي تتميز بكفاءة إضاءة منخفضة وتوليد حرارة عالية. تُعد مصابيح LED أكثر ملاءمة لزراعة الأنسجة النباتية بكفاءة عالية، وقابلية تحكم دقيقة، وحجم صغير، وذلك بفضل خصائصها المتميزة مثل انخفاض استهلاك الطاقة، وانخفاض توليد الحرارة، وطول عمرها. في الوقت الحالي، تحل أنابيب LED البيضاء تدريجيًا محل المصابيح الفلورية البيضاء.

4. التوزيع الإقليمي لشركات إضاءة الزراعة

تشير الإحصائيات إلى وجود أكثر من 300 شركة متخصصة في إضاءة الزراعة في بلدي، وتستحوذ شركات دلتا نهر اللؤلؤ على أكثر من 50% منها، ما يضعها في موقع ريادي. أما شركات دلتا نهر اليانغتسي، فتمثل حوالي 30%، ولا تزال منطقة إنتاج رئيسية لمنتجات إضاءة الزراعة. وتتوزع شركات مصابيح الزراعة التقليدية بشكل رئيسي في دلتا نهر اليانغتسي، ودلتا نهر اللؤلؤ، ومنطقة بحر بوهاي، حيث تستحوذ دلتا نهر اليانغتسي على 53% من السوق، بينما تستحوذ دلتا نهر اللؤلؤ ومنطقة بحر بوهاي على 24% و22% على التوالي. أما مناطق التوزيع الرئيسية لمصنعي إضاءة الزراعة بتقنية LED، فهي دلتا نهر اللؤلؤ (62%)، ودلتا نهر اليانغتسي (20%)، ومنطقة بحر بوهاي (12%).

ب. اتجاهات تطوير صناعة إضاءة LED لزراعة النباتات

1. التخصص

تتميز إضاءة LED للزراعة بإمكانية تعديل الطيف وشدة الإضاءة، وانخفاض توليد الحرارة، ومقاومة جيدة للماء، مما يجعلها مناسبة للزراعة في مختلف البيئات. في الوقت نفسه، ساهمت التغيرات البيئية وسعي الناس نحو جودة الغذاء في تعزيز التطور القوي للزراعة المحمية ومزارع الإنتاج الزراعي، مما أدى إلى نمو سريع في صناعة إضاءة LED للزراعة. في المستقبل، ستلعب إضاءة LED للزراعة دورًا هامًا في تحسين كفاءة الإنتاج الزراعي، وتعزيز سلامة الغذاء، وتحسين جودة الفواكه والخضراوات. وسيستمر تطوير مصادر إضاءة LED للزراعة مع التخصص التدريجي لهذه الصناعة، واتجاهها نحو مزيد من التخصص.

2. كفاءة عالية

يُعدّ تحسين كفاءة الإضاءة وكفاءة الطاقة عاملاً أساسياً لخفض تكاليف تشغيل إضاءة النباتات بشكل كبير. ويُعتبر استخدام مصابيح LED بدلاً من المصابيح التقليدية، والتحسين والتعديل الديناميكي لبيئة الإضاءة وفقاً لاحتياجات النباتات من مرحلة الإنبات وحتى الحصاد، من الاتجاهات الحتمية للزراعة المُحسّنة في المستقبل. أما فيما يتعلق بتحسين الإنتاجية، فيمكن الزراعة على مراحل وفي مناطق مُحددة، مع مراعاة خصائص نمو النباتات، لتحسين كفاءة الإنتاج والمحصول في كل مرحلة. وفيما يخص تحسين الجودة، يُمكن استخدام تنظيم التغذية والإضاءة لزيادة محتوى العناصر الغذائية والمكونات الوظيفية الأخرى المُفيدة للصحة.

تشير التقديرات إلى أن الطلب الوطني الحالي على شتلات الخضراوات يبلغ 680 مليار شتلة، بينما لا تتجاوز الطاقة الإنتاجية للشتلات المُصنّعة 10%. وتتطلب صناعة الشتلات معايير بيئية صارمة، حيث يتركز موسم الإنتاج في فصلي الشتاء والربيع. ونظرًا لضعف الإضاءة الطبيعية، تبرز الحاجة إلى الإضاءة الاصطناعية التكميلية. وتتميز إضاءة نمو النباتات باستهلاكها العالي للطاقة وقدرتها على استيعاب المدخلات بكفاءة. وتتمتع مصابيح LED بمزايا فريدة، إذ أن الفواكه والخضراوات (كالطماطم والخيار والبطيخ وغيرها) تحتاج إلى التطعيم، حيث يُسهم الطيف الضوئي المُحدد المُستخدم في ظروف الرطوبة العالية في تعزيز التئام الشتلات المُطعّمة. كما تُعوض الإضاءة التكميلية لزراعة الخضراوات في البيوت المحمية نقص الإضاءة الطبيعية، وتُحسّن كفاءة التمثيل الضوئي، وتُعزز الإزهار والإثمار، وتزيد الإنتاجية، وتُحسّن جودة المنتج. وتتمتع إضاءة LED للنمو بآفاق تطبيق واسعة في زراعة شتلات الخضراوات وإنتاج البيوت المحمية.

3. ذكي

تتطلب أنظمة إضاءة نمو النباتات تحكمًا فوريًا في جودة وكمية الضوء. ومع تطور تقنيات التحكم الذكي وتطبيق إنترنت الأشياء، بات من الممكن التحكم في الوقت والإضاءة باستخدام مجموعة متنوعة من الأطياف أحادية اللون وأنظمة التحكم الذكية، وفقًا لحالة نمو النباتات. ومن المتوقع أن يصبح التعديل الفوري لجودة وكمية الضوء اتجاهًا رئيسيًا في تطوير تقنيات إضاءة نمو النباتات مستقبلًا.