Autorius: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu ir kt. Šaltinis: Žemės ūkio inžinerijos technologijos (šiltnamių sodininkystė)

Augalų gamykla, kurioje derinama moderni pramonė, biotechnologijos, maistinių medžiagų hidroponika ir informacinės technologijos, siekia užtikrinti itin tikslų aplinkos veiksnių valdymą. Ji yra visiškai uždara, mažai reikalauja aplinkos, supančiajai aplinkai, sutrumpina augalų derliaus nuėmimo laikotarpį, taupo vandenį ir trąšas, o dėl pesticidų nenaudojimo ir atliekų nebuvimo gamybos vieneto žemės naudojimo efektyvumas yra 40–108 kartus didesnis nei auginant atvirame lauke. Iš jų lemiamą vaidmenį gamybos efektyvumui vaidina išmanusis dirbtinis šviesos šaltinis ir jo šviesos aplinkos reguliavimas.

Šviesa, kaip svarbus fizinis aplinkos veiksnys, atlieka pagrindinį vaidmenį reguliuojant augalų augimą ir medžiagų apykaitą. „Vienas iš pagrindinių augalų gamyklos bruožų yra pilnas dirbtinis šviesos šaltinis ir intelektualaus šviesos aplinkos reguliavimo įgyvendinimas“ tapo visuotinai priimta nuomone pramonėje.

Augalų poreikis šviesai

Šviesa yra vienintelis augalų fotosintezės energijos šaltinis. Šviesos intensyvumas, šviesos kokybė (spektras) ir periodiški šviesos pokyčiai daro didelę įtaką augalų augimui ir vystymuisi, o šviesos intensyvumas daro didžiausią įtaką augalų fotosintezei.

■ Šviesos intensyvumas

Šviesos intensyvumas gali pakeisti augalų morfologiją, pavyzdžiui, žydėjimą, tarpubamblių ilgį, stiebo storį, lapų dydį ir storį. Augalų šviesos intensyvumo reikalavimus galima suskirstyti į šviesomėgius, vidutinio šviesos kiekio ir silpno šviesos kiekio augalus. Daržovės dažniausiai yra šviesomėgiai augalai, o jų šviesos kompensavimo ir šviesos sodrumo taškai yra gana aukšti. Dirbtinio apšvietimo augalų gamyklose atitinkami augalų šviesos intensyvumo reikalavimai yra svarbus pagrindas renkantis dirbtinio apšvietimo šaltinius. Suprasti skirtingų augalų šviesos poreikius yra svarbu projektuojant dirbtinio apšvietimo šaltinius. Tai labai svarbu norint pagerinti sistemos gamybos našumą.

■ Šviesos kokybė

Šviesos kokybės (spektrinis) pasiskirstymas taip pat turi svarbią įtaką augalų fotosintezei ir morfogenezei (1 pav.). Šviesa yra spinduliuotės dalis, o spinduliuotė yra elektromagnetinė banga. Elektromagnetinės bangos turi bangų charakteristikas ir kvantines (dalelių) charakteristikas. Sodininkystės srityje šviesos kvantas vadinamas fotonu. Spinduliuotė, kurios bangos ilgių diapazonas yra 300–800 nm, vadinama augalų fiziologiškai aktyvia spinduliuote; o spinduliuotė, kurios bangos ilgių diapazonas yra 400–700 nm, vadinama augalų fotosintetiškai aktyvia spinduliuote (PAR).

Chlorofilas ir karotinai yra du svarbiausi augalų fotosintezės pigmentai. 2 paveiksle parodytas kiekvieno fotosintetinio pigmento spektrinis sugerties spektras, kuriame chlorofilo sugerties spektras sukoncentruotas raudonoje ir mėlynoje juostose. Apšvietimo sistema pagrįsta augalų spektriniais poreikiais dirbtinai papildyti šviesą, siekiant skatinti augalų fotosintezę.

■ fotoperiodas
Augalų fotosintezės ir fotomorfogenezės bei dienos ilgio (arba fotoperiodo trukmės) ryšys vadinamas augalų fotoperiodiškumu. Fotoperiodiškumas yra glaudžiai susijęs su šviesos valandomis, t. y. laiku, kurį augalas yra apšvitinamas šviesa. Skirtingiems augalams reikia tam tikro šviesos valandų skaičiaus, kad fotoperiodas būtų užbaigtas ir jie žydėtų bei duotų vaisių. Pagal skirtingus fotoperiodus juos galima suskirstyti į ilgos dienos augalus, tokius kaip kopūstai ir kt., kuriems tam tikrame augimo etape reikia daugiau nei 12–14 val. šviesos valandų; trumpos dienos augalus, tokius kaip svogūnai, sojos pupelės ir kt., kuriems reikia mažiau nei 12–14 val. apšvietimo valandų; vidutinio saulės kiekio augalus, tokius kaip agurkai, pomidorai, paprikos ir kt., galima žydėti ir duoti vaisių esant ilgesniam arba trumpesniam saulės spinduliams.
Iš trijų aplinkos elementų šviesos intensyvumas yra svarbus dirbtinių šviesos šaltinių pasirinkimo pagrindas. Šiuo metu yra daug būdų, kaip išreikšti šviesos intensyvumą, įskaitant šiuos tris.
(1) Apšvietimas reiškia šviesos srauto paviršiaus tankį (šviesos srautas ploto vienetui), gaunamą apšviestoje plokštumoje, liuksais (lx).

(2) Fotosintetiškai aktyvi spinduliuotė, PAR, matavimo vienetas: W/m².

(3) Fotosintetiškai efektyvus fotonų srauto tankis PPFD arba PPF yra fotosintetiškai efektyvios spinduliuotės kiekis, kuris pasiekia arba praeina per laiko vienetą ir ploto vienetą, matavimo vienetas: μmol/(m²·s). Tai daugiausia 400–700 nm šviesos intensyvumo rodiklis, tiesiogiai susijęs su fotosinteze. Tai taip pat dažniausiai naudojamas šviesos intensyvumo rodiklis augalų auginimo srityje.

Tipinės papildomos apšvietimo sistemos šviesos šaltinio analizė
Dirbtinio apšvietimo papildymas skirtas padidinti šviesos intensyvumą tikslinėje zonoje arba pailginti apšvietimo laiką, įrengiant papildomo apšvietimo sistemą, kad būtų patenkinti augalų šviesos poreikiai. Paprastai papildomo apšvietimo sistemą sudaro papildomo apšvietimo įranga, grandinės ir jos valdymo sistema. Papildomi šviesos šaltiniai daugiausia apima kelis įprastus tipus, tokius kaip kaitrinės lempos, fluorescencinės lempos, metalų halogenidų lempos, aukšto slėgio natrio lempos ir šviesos diodai. Dėl mažo kaitrinių lempų elektrinio ir optinio efektyvumo, mažo fotosintezės energijos efektyvumo ir kitų trūkumų jis buvo pašalintas iš rinkos, todėl šiame straipsnyje neatliekama išsami analizė.

■ Liuminescencinė lempa
Liuminescencinės lempos priklauso žemo slėgio dujinių išlydžio lempų tipui. Stiklinis vamzdelis užpildytas gyvsidabrio garais arba inertinėmis dujomis, o vidinė vamzdžio sienelė padengta fluorescenciniais milteliais. Šviesos spalva kinta priklausomai nuo fluorescencinės medžiagos, padengtos vamzdelyje. Liuminescencinės lempos pasižymi geromis spektrinėmis savybėmis, dideliu šviesos našumu, maža galia, ilgesniu tarnavimo laiku (12000 val.), palyginti su kaitrinėmis lempomis, ir santykinai maža kaina. Kadangi pati fluorescencinė lempa skleidžia mažiau šilumos, ją galima apšviesti arti augalų ir ji tinka trimačiam auginimui. Tačiau fluorescencinės lempos spektrinis išdėstymas yra nepagrįstas. Dažniausias būdas pasaulyje yra pridėti reflektorių, siekiant maksimaliai padidinti efektyvius šviesos šaltinio komponentus auginimo zonoje esantiems pasėliams. Japonijos bendrovė „adv-agri“ taip pat sukūrė naujo tipo papildomą šviesos šaltinį HEFL. HEFL iš tikrųjų priklauso fluorescencinių lempų kategorijai. Tai bendrinis šaltojo katodo fluorescencinių lempų (CCFL) ir išorinio elektrodo fluorescencinių lempų (EEFL) terminas ir yra mišraus elektrodo fluorescencinė lempa. HEFL vamzdelis yra itin plonas, jo skersmuo tesiekia apie 4 mm, o ilgį galima reguliuoti nuo 450 mm iki 1200 mm, atsižvelgiant į auginimo poreikius. Tai patobulinta įprastos fluorescencinės lempos versija.

■ Metalo halogenidinė lempa
Metalo halogenidų lempa yra didelio intensyvumo išlydžio lempa, kuri, remiantis aukšto slėgio gyvsidabrio lempa, į išlydžio vamzdį įdedant įvairių metalų halogenidų (alavo bromido, natrio jodido ir kt.), gali sužadinti skirtingus elementus ir sukurti skirtingus bangos ilgius. Halogeninės lempos pasižymi dideliu šviesos efektyvumu, didele galia, gera šviesos spalva, ilgaamžiškumu ir plačiu spektru. Tačiau dėl mažesnio šviesos efektyvumo nei aukšto slėgio natrio lempų, o trumpesnio tarnavimo laiko nei aukšto slėgio natrio lempų, šiuo metu jos naudojamos tik keliose gamyklose.

■ Aukšto slėgio natrio lempa
Aukšto slėgio natrio lempos priklauso aukšto slėgio dujinių išlydžio lempų tipui. Aukšto slėgio natrio lempa yra didelio efektyvumo lempa, kurioje išlydžio vamzdis pripildytas aukšto slėgio natrio garų ir į jį įdėta nedidelio kiekio ksenono (Xe) ir gyvsidabrio metalo halogenido. Kadangi aukšto slėgio natrio lempos pasižymi dideliu elektrooptinio konversijos efektyvumu ir mažesnėmis gamybos sąnaudomis, aukšto slėgio natrio lempos šiuo metu yra plačiausiai naudojamos kaip papildoma šviesa žemės ūkio objektuose. Tačiau dėl mažo fotosintezės efektyvumo jų spektre jos turi ir mažą energijos vartojimo efektyvumą. Kita vertus, aukšto slėgio natrio lempų skleidžiami spektriniai komponentai daugiausia koncentruojami geltonai oranžinėje šviesos juostoje, kurioje trūksta augalų augimui reikalingų raudonų ir mėlynų spektrų.

■ Šviesos diodas
Šviesos diodai (LED), kaip naujos kartos šviesos šaltiniai, turi daug privalumų, tokių kaip didesnis elektrooptinis konversijos efektyvumas, reguliuojamas spektras ir didelis fotosintezės efektyvumas. LED gali skleisti monochromatinę šviesą, reikalingą augalų augimui. Palyginti su įprastomis fluorescencinėmis lempomis ir kitais papildomais šviesos šaltiniais, LED turi energijos taupymo, aplinkos apsaugos, ilgo tarnavimo laiko, monochromatinės šviesos, šaltos šviesos šaltinio ir kitų privalumų. Toliau gerinant LED elektrooptinį efektyvumą ir mažinant išlaidas, kurias sukelia masto efektas, LED auginimo apšvietimo sistemos taps pagrindine įranga, skirta papildomai apšvietimui žemės ūkio objektuose. Todėl LED auginimo lempos naudojamos daugiau nei 99,9 % augalų gamyklų.

Palyginus, galima aiškiai suprasti skirtingų papildomų šviesos šaltinių charakteristikas, kaip parodyta 1 lentelėje.

Mobilus apšvietimo įrenginys
Šviesos intensyvumas yra glaudžiai susijęs su augalų augimu. Trimatis auginimas dažnai naudojamas augalų fabrikuose. Tačiau dėl auginimo stovų konstrukcijos apribojimų netolygus šviesos ir temperatūros pasiskirstymas tarp stovų paveiks augalų derlių, o derliaus nuėmimo laikotarpis nebus sinchronizuotas. Pekine įsikūrusi įmonė 2010 m. sėkmingai sukūrė rankinį pakeliamą šviesos papildymo įtaisą (HPS šviestuvą ir LED auginimo šviestuvą). Principas yra sukti pavaros veleną ir ant jo pritvirtintą vyniotuvą kratant rankeną, kad būtų galima sukti mažą plėvelės ritę, taip įtraukiant ir išvyniojant vielinį lyną. Auginimo šviesos vielinis lynas yra sujungtas su elevatoriaus vyniojimo ratu per kelis atbulinės eigos ratų rinkinius, kad būtų pasiektas auginimo šviesos aukščio reguliavimo efektas. 2017 m. minėta įmonė suprojektavo ir ištobulino naują mobilų šviesos papildymo įtaisą, kuris gali automatiškai reguliuoti šviesos papildymo aukštį realiuoju laiku pagal augalų augimo poreikius. Reguliavimo įtaisas dabar sumontuotas ant trijų sluoksnių šviesos šaltinio pakeliamo tipo trimačio auginimo stovo. Viršutinis įrenginio sluoksnis yra geriausio apšvietimo lygyje, todėl jame įrengtos aukšto slėgio natrio lempos; viduriniame ir apatiniame sluoksniuose įrengtos LED auginimo lempos ir pakėlimo reguliavimo sistema. Jis gali automatiškai reguliuoti auginimo lempos aukštį, kad būtų užtikrinta tinkama apšvietimo aplinka augalams.

Lyginant su mobiliu šviesos papildymo įrenginiu, pritaikytu trimačiam auginimui, Nyderlandai sukūrė horizontaliai judantį LED augimo šviesos papildymo įrenginį. Siekiant išvengti augimo šviesos šešėlio įtakos augalų augimui saulėje, augimo šviesos sistemą galima horizontaliai pastumti į abi laikiklio puses per teleskopinį slankiklį, kad saulė visiškai apšviestų augalus; debesuotomis ir lietingomis dienomis be saulės šviesos, augimo šviesos sistemą pastumkite į laikiklio vidurį, kad augimo šviesos sistemos šviesa tolygiai užpildytų augalus; augimo šviesos sistemą per laikiklio slankiklį perkelkite horizontaliai, kad nereikėtų dažnai išardyti ir išimti augimo šviesos sistemos, sumažintumėte darbuotojų darbo intensyvumą ir efektyviai pagerintumėte darbo efektyvumą.

Tipinės auginimo šviesos sistemos dizaino idėjos
Iš mobiliojo apšvietimo papildomo įrenginio konstrukcijos nesunku pastebėti, kad gamyklos gamyklos papildomos apšvietimo sistemos konstrukcija paprastai remiasi skirtingų augalų augimo laikotarpių šviesos intensyvumu, šviesos kokybe ir fotoperiodo parametrais kaip pagrindiniu projekto turiniu, remiantis įdiegta išmaniąja valdymo sistema, siekiant galutinio energijos taupymo ir didelio derliaus tikslo.

Šiuo metu lapinių daržovių papildomo apšvietimo projektavimas ir konstrukcija palaipsniui subrendo. Pavyzdžiui, lapines daržoves galima suskirstyti į keturis etapus: daigų stadiją, vidutinio augimo, vėlyvojo augimo ir galutinę stadiją; vaisines daržoves galima suskirstyti į daigų stadiją, vegetatyvinio augimo stadiją, žydėjimo stadiją ir derliaus nuėmimo stadiją. Atsižvelgiant į papildomo apšvietimo intensyvumo požymius, daigų stadijoje šviesos intensyvumas turėtų būti šiek tiek mažesnis – 60–200 μmol/(m²·s), o vėliau palaipsniui didėti. Lapinės daržovės gali siekti iki 100–200 μmol/(m²·s), o vaisinės daržovės – 300–500 μmol/(m²·s), kad būtų užtikrinti augalų fotosintezės šviesos intensyvumo reikalavimai kiekvienu augimo laikotarpiu ir patenkinti didelio derliaus poreikiai; Kalbant apie šviesos kokybę, raudonos ir mėlynos spalvos santykis yra labai svarbus. Siekiant pagerinti daigų kokybę ir išvengti per didelio augimo daigų stadijoje, raudonos ir mėlynos spalvos santykis paprastai nustatomas žemas [(1–2):1], o vėliau palaipsniui mažinamas, kad būtų patenkinti augalų šviesos morfologijos poreikiai. Raudonos ir mėlynos spalvos bei lapinių daržovių santykis gali būti nustatytas (3–6):1. Fotoperiodas, panašiai kaip ir šviesos intensyvumas, turėtų didėti ilgėjant augimo laikotarpiui, kad lapinės daržovės turėtų daugiau fotosintezės laiko fotosintezei. Vaisių ir daržovių šviesos papildymo dizainas bus sudėtingesnis. Be minėtų pagrindinių dėsnių, turėtume sutelkti dėmesį į fotoperiodo nustatymą žydėjimo laikotarpiu, o daržovių žydėjimas ir vaisiaus formavimasis turi būti skatinami, kad nebūtų priešingo poveikio.

Verta paminėti, kad šviesos formulėje turėtų būti numatytas galutinis apdorojimas, skirtas šviesiai aplinkai. Pavyzdžiui, nuolatinis šviesos papildymas gali gerokai padidinti hidroponinių lapinių daržovių daigų derlių ir kokybę, o UV apdorojimas gali gerokai pagerinti daigų ir lapinių daržovių (ypač violetinių lapų ir raudonlapių salotų) maistinę kokybę.

Be to, kad optimizuotų šviesos papildymą pasirinktoms kultūroms, pastaraisiais metais sparčiai vystėsi ir kai kurių dirbtinio apšvietimo augalų gamyklų šviesos šaltinių valdymo sistema. Ši valdymo sistema paprastai pagrįsta B/S struktūra. Nuotolinis ir automatinis aplinkos veiksnių, tokių kaip temperatūra, drėgmė, šviesa ir CO2 koncentracija, valdymas augalų augimo metu įgyvendinamas per WIFI, tuo pačiu metu įgyvendinant gamybos metodą, kurio neriboja išorinės sąlygos. Šio tipo išmanioji papildomo apšvietimo sistema naudoja LED auginimo šviestuvus kaip papildomą šviesos šaltinį, kartu su nuotoline išmaniąja valdymo sistema gali patenkinti augalų bangos ilgio apšvietimo poreikius, ypač tinka šviesa valdomai augalų auginimo aplinkai ir gali gerai patenkinti rinkos paklausą.

Baigiamosios pastabos
Augalų fabrikai laikomi svarbiu būdu spręsti pasaulines išteklių, gyventojų skaičiaus ir aplinkos problemas XXI amžiuje ir svarbiu būdu pasiekti maisto savarankiškumą būsimuose aukštųjų technologijų projektuose. Augalų fabrikai, kaip naujo tipo žemės ūkio gamybos metodas, vis dar yra mokymosi ir augimo etape, todėl reikia daugiau dėmesio ir tyrimų. Šiame straipsnyje aprašomos įprastų papildomo apšvietimo metodų augalų fabrikuose charakteristikos ir privalumai, taip pat pristatomos tipinių augalų papildomo apšvietimo sistemų projektavimo idėjos. Palyginus, nesunku rasti, kad LED auginimo šviesos šaltinių įranga geriausiai atitiktų dabartines plėtros tendencijas, siekiant susidoroti su prastu apšvietimu, kurį sukelia atšiaurūs orai, tokie kaip nuolatinis debesuotumas ir migla.

Būsimos augalų gamyklų plėtros kryptis turėtų būti sutelkta į naujus didelio tikslumo, nebrangius jutiklius, nuotoliniu būdu valdomas, reguliuojamo spektro apšvietimo įrenginių sistemas ir ekspertų valdymo sistemas. Tuo pačiu metu būsimos augalų gamyklos ir toliau vystysis link pigių, išmanių ir prisitaikančių. LED auginimo šviesos šaltinių naudojimas ir populiarinimas užtikrina didelio tikslumo augalų gamyklų aplinkos kontrolę. LED apšvietimo aplinkos reguliavimas yra sudėtingas procesas, apimantis visapusišką šviesos kokybės, šviesos intensyvumo ir fotoperiodo reguliavimą. Atitinkami ekspertai ir mokslininkai turi atlikti išsamius tyrimus, skatindami LED papildomą apšvietimą dirbtinio apšvietimo augalų gamyklose.