TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống định ôn phục vụ sản xuất hạt giống và sản xuất
rau Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống định ôn phục vụ sản xuất hạt giống và sản
xuất rau hoa cao cấp, và nghiên cứu điều kiện ngoại cảnh di thực của các loại cây
trồng, đáp ứng nhu cầu rất lớn của sản xuất nông nghiệp và phù hợp với chủ trương
của Nhà nước về canh tác nông nghiệp công nghệ cao.
Một số giống, đặc biệt là lúa lai cần phải được thuần giống trong điều kiện nhiệt độ
dưới 24
0
C và ánh sáng đến 10.000 lux. Việc nghiên cứu chế tạo phòng định ôn đảm
bảo các điều kiện này để sản xuất giống là cần thiết đáp ứng nhu cầu trong nước.
Nghiên cứu đã thực hiện các vấn đề chính gồm:
1/ Thiết kế chế tạo hệ thống định ôn với các yếu tố tiểu khí hậu như nhiệt độ, ẩm độ,
ánh sáng, và CO
2
được điều khiển tự động đáp ứng nhu cầu sản xuất hạt giống với các
chuyên đề chính:
Nghiên cứu các giải pháp làm mát trong hệ thống định ôn gồm thông thoáng,
cooling pad, phun sương, và buồng điều hòa trung gian trong hệ thống định ôn sao
cho có thể điều khiển đồng thời nhiệt độ và ẩm độ tương đối của không khí đáp
ứng yêu cầu sản xuất giống.
Thiết kế, chế tạo lắp đặt hệ thống nhà trồng cây – định ôn 400 m
2
gồm phòng định
ôn 40 m
2
(được chia thành 2 ngăn độc lập, 20m
2
/ngăn) và 360 m
2
nhà trồng cây.
2/ An investigation of these inner climate factors inside the system was conducted.
Outside temperature in BinhDuong province was rather high and increased at the
highest level of about 32
0
C. The cooling method of ventilation roof, fan, cooling pad
and foging induced the inside temperature decreasing about 5
0
C. Temperature inside
the phytotron could be controlled at under 25
0
C as requirement of seeding. 2
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1 MỞ ĐẦU 9
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN 10
2.1. Cấu trúc hệ thống định ôn và nhà trồng cây 10
2.2. Yêu cầu các yếu tố tiểu khí hậu trong hệ thống định ôn và nhà trồng cây 11
2.3. Giải pháp làm mát trong hệ thống định ôn và nhà trồng cây 13
2.4. Giải pháp thông thoáng 15
2.5. Sơ lược về một số thiết bị định ôn ứng dụng trong nông nghiệp 16
2.6. Một số nghiên cứu về nhà trồng cây trong nước 19
2.7. Nhận xét về các kiểu nhà trồng cây hiện có 21
CHƢƠNG 3 NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP 23
3.1. Nội dung nghiên cứu 23
3.2. Phương pháp nghiên cứu 23
CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33
4.1. Nghiên cứu các mô hình thí nghiệm làm cơ sở thiết kế- chế tạo hệ thống 33
4.2. Thiết kế - chế tạo hệ thống nhà trồng cây - định ôn. 41
DANH SÁCH HÌNH
SỐ
TÊN HÌNH ẢNH
TRANG
2.1.
Cấu trúc thông thoáng nhà trồng cây
9
2.2.
Mô hình biểu diễn các yếu tố tiểu khí hậu
9
2.3
Mô hình biểu diễn nhiệt do bức xạ mặt trời
10
2.4
Mô hình làm mát
11
2.5
Lưới cắt nắng Aluminet
12
2.6
Làm mát kiểu cooling pad
12
2.7
Sơ đồ cấu tạo hệ thống làm lạnh không khí
13
2.8
Sơ đồ thông thoáng
13
2.9
Mô phỏng ảnh hưởng của thông thoáng đến phân bố nhiệt
2.19
Hệ thống nhà trồng cây 244 m
2
được lắp đặt tại Quảng Ngãi
19
3.1
Sơ đồ khối cụm thiết bị điều khiển tự động
22
3.2
Giải thuật điều khiển nhiệt độ và ẩm độ tương đối không khí
trong hệ thống
23
3.3
Giải thuật điều khiển ánh sáng
24
3.4
Nhiệt kế bầu khô, bầu ướt và biểu đồ trắc ẩm
25
3.5
Thiết bị đo nhiệt độ và ẩm độ DSFOX-301AR
25
5
3.6
Thiết bị đo công suất Hioki 3286-20
26
3.7
Công tơ điện EMIC CV140-1-3
27
4.7
Biểu đồ thể hiện nhiệt độ ở các môi trường
35
4.8
Sơ đồ bài toán thí nghiệm xác định các thông số của phòng định
ôn
36
4.9
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ điều khiển (0C) vào
hai yếu tố tỷ lệ kích thước và tỷ lệ nhiệt độ giữa buồng trung gian
và phòng định ôn
37
Đồ thị bề mặt đáp ứng của độ ổn định nhiệt độ
37
Đồ thị bề mặt đáp ứng của chi phí năng lượng
38
4.12
Hệ thống nhà trồng cây – định ôn 400 m2
39
4.13. a
Hệ thống nhà trồng cây – định ôn 400 m2 (bên ngoài)
40
4.13.b
Hệ thống nhà trồng cây – định ôn 400 m2 (bên trong)
40
4.14
Cơ cấu điều khiển mái thông thoáng
47
Cụm PLC trong tủ điều khiển
52
4.23
Tủ điều khiển hệ thống nhà trồng cây - định ôn
52
4.24.a
Màn hình điều khiển nhiệt độ nhà lưới
52
4.24.b
Màn hình giao diện điều khiển phòng định ôn
52
4.25
Biểu đồ so sánh nhiệt độ các giải pháp làm mát theo thời gian
53
4.26.a
Thử nghiệm trồng khổ qua giống trong nhà trồng cây
54
4.26.b
Thí nghiệm đối chứng trồng khổ qua giống bên ngoài nhà trồng
cây
54
4.27.a
Trái khổ qua giống trong nhà trồng cây
54
4.27.b
Trái khổ qua giống trồng đối chứng bên ngoài nhà trồng cây
54
4.28.a
Thử nghiệm trồng dưa leogiống trong nhà trồng cây
55
4.35.a
Lúa lai trong nhà trồng cây
58
4.35.b
Lúa lai trong phòng định ôn
58
7
4.36.a
Thí nghiệm đối chứng khổ qua ngoài nhà trồng cây
61
4.36.b
Thí nghiệm trồng khổ qua trong nhà trồng cây
61
4.37
so sánh hạt giống khổ qua sản xuất trong và ngoài nhà trồng cây
61
4.38.a
Dưa leo trồng đối chứng ngoài nhà trồng cây
64
4.38.b
Dưa leo trồng đối chứng trong nhà trồng cây
64
4.39
so sánh hạt giống dưa leo sản xuất trong và ngoài nhà trồng cây
65
4.40.a
Thí nghiệm sản xuất hạt G0 TGMS trong phòng định ôn
69
4.40.b
Thời gian thực hiện đề tài:
từ tháng 08 năm 2010 đến tháng 12 năm 2012
Kinh phí đƣợc duyệt:
Từ ngân sách sự nghiệp khoa học:
550.000.000 đồng (Năm trăm năm mươi triệu đồng)
Kinh phí đã cấp:
Số tiền: 495.000.000 đống (bốn trăm chín mươi lăm triệu đồng).
Kinh phí đã quyết toán:
Số tiền: 495.000.000 đống (bốn trăm chín mươi lăm triệu đồng). 9
CHƢƠNG 1 MỞ ĐẦU
Trong chủ trương hiện đại hoá, công nghiệp hóa của chính phủ, sau nhiều năm chú
trọng đầu tư phát triển nông nghiệp “công nghệ cao” đã mang lại nhiều thành tựu, lợi
ích đáng khích lệ nhưng thành công chủ yếu là từ một số mô hình sản xuất của công ty
nước ngoài như Hasfarm, còn trong nước thì vẫn còn nhiều vấn đề tồn tại cần phải
quan tâm.
Nguyên nhân những tồn tại trên không loại trừ những điều kiện tự nhiên không thuận
lợi cho sản xuất nông nghiệp nhưng những bất lợi này có thể khắc phục bởi chính sách
quản lý, công nghệ sản xuất phù hợp và hệ thống thiết bị tiên tiến.
Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống định ôn phục vụ sản xuất hạt giống và sản xuất
rau hoa cao cấp, và nghiên cứu điều kiện ngoại cảnh di thực của các loại cây trồng,
đáp ứng nhu cầu rất lớn của sản xuất nông nghiệp và phù hợp với chủ trương của Nhà
nước về canh tác nông nghiệp công nghệ cao.
Một số giống như dưa leo, khổ qua, đặc biệt là lúa lai cần phải được thuần giống trong
điều kiện tiểu khí hậu đặc biệt cần phải được điều khiển theo yêu cầu sinh thái. Việc
nghiên cứu chế tạo hệ thống nhà trồng cây - định ôn đảm bảo các điều kiện này để sản
xuất giống là cần thiết đáp ứng nhu cầu trong nước.
công nghiệp, còn trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất thuộc nông nghiệp vẫn chưa
được chú trọng. Vấn đề chính là đầu tư các thiết bị điều khiển tự động nhập khẩu quá
cao, không phù hợp với nông dân đồng thời chưa có chính sách hỗ trợ ứng dụng, phát
triển rộng rãi tự động hóa cho nông nghiệp.
Sản xuất giống cây trồng công nghệ cao đã trở nên phổ biến ở các nước phát triển.
Đặc biệt những quốc gia có quá ít đất đai dành cho sản xuất nông nghiệp hoặc điều
kiện sinh thái khắc nghiệt (như Israel chẳng hạn) thì nông nghiệp công nghệ cao đã trở
thành mũi nhọn. Vấn đề chính để có thể phát triển các mô hình này ở nước ta là hạ giá
thành đầu tư và cải tiến các đặc tính kỹ thuật phù hợp với yêu cầu canh tác ở Việt
Nam.
2.1. Cấu trúc hệ thống định ôn và nhà trồng cây
Khi thiết kế hệ thống định ôn, cần quan tâm đến các khía cạnh quan trọng như thông
gió tự nhiên, độ xuyên thấu ánh sáng, độ đồng đều của các điều kiện khí hậu trong
nhà, tải trọng, độ bền, tuổi thọ nhà trồng cây, dễ lắp đặt và bảo dưỡng, thích nghi với
dải rộng các loại cây trồng, kiểu thông gió, và hệ thống điều khiển khí hậu.
Thông thường, hệ thống định ôn hay nhà trồng cây cho khí hậu nóng nhiệt đới (hình
2.1.a) có cấu trúc thông thoáng cao, tạo luồng không khí đối lưu tự nhiên làm hạ nhiệt
độ và ẩm độ tương đối trong nhà. Nhà trồng cây cho vùng khí hậu ôn đới ấm (hình
2.1.b) có cấu trúc mái xuôi theo hướng gió, ngăn bớt một phần luồng khí lạnh nhưng
vẫn tạo điều kiện thông thoáng đối lưu tự nhiên. Nhà trồng cây cho vùng khí hậu lạnh
(hình 2.1.c) thường có cấu trúc che kín, giữ ấm và sưởi ấm cho cây trồng, có mái điều
khiển thông thoáng linh hoạt để hạ ẩm độ tương đối trong nhà.
11 (a) (b)
(c)
Mỗi loại giống cây trồng đều yêu cầu một giới hạn nhiệt độ để sinh trưởng và phát
triển. Hiệu suất quang hợp của hầu hết các loại giống cây trồng đều dừng lại ở nhiệt
độ là 30
0
C. Một số loài rau thực hiện quang hợp có hiệu quả ở 12 - 24
0
C, trong khi
một số loại khác lại quang hợp tốt ở nhiệt độ từ 18 - 24
0
C. Ở nhiệt độ thích hợp đồng
thời được cung cấp đầy đủ nước và dinh dưỡng thì cây có thể phát triển nhanh nhất.
Nhiệt độ quá cao và quá thấp đều làm cho cây dừng sinh trưởng và có thể bị chết ở
nhiệt độ thấp (0
0
C) và nhiệt độ cao (40
0
C). Mỗi loài đều gặp phải ba ngưỡng nhiệt độ
gồm nhiệt độ thích hợp, nhiệt độ thấp nhất và nhiệt độ cao nhất.
Yêu cầu của cây đối với nhiệt độ luôn thay đổi theo yếu tố môi trường như ánh sáng,
độ ẩm, nồng độ CO
2
trong không khí, chất dinh dưỡng trong đất và các điều kiện
khác.
Nếu nhiệt độ quá cao ta phải hạ nhiệt độ xuống bằng cách phun ẩm (khi phun ẩm
nhiệt độ tại mặt lá của cây trồng có thể giảm nhiệt độ từ 6
0
C - 8
0
C. Yêu cầu của cây
rau với nhiệt độ luôn thay đổi tuỳ theo từng thời kỳ sinh trưởng và phát triển.
: nhiệt đối lưu giữa
cây trồng và không khí, H
w
: ẩn nhiệt thoát ra từ cây, P: năng lượng quang hợp, M :
năng lượng thải ra từ hô hấp, S: năng lượng tích tụ trên cây trồng.
* Ẩm độ:
Độ ẩm tương đối khơng khí và nhiệt độ là hai yếu tố phụ thuộc lẫn nhau mà phải có
phương pháp điều khiển thích hợp để đạt được u cầu. Độ ẩm khơng khí thấp sẽ làm
cho cây bị khơ do hiện tượng chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước của cây và
trong khơng khí. Ngược lại ẩm độ khơng khí q cao sẽ làm cho cây trồng dễ bị bệnh.
*Ánh sáng:
Ánh sáng là yếu tố quan trọng và cần thiết trong sản xuất giống cây trồng. Có đến 90 -
95% năng suất cây trồng do quang hợp mà có. Ánh sáng đầy đủ làm tăng bề dày của
mơ, tăng hàm lượng diệp lục trong lá, thúc đẩy q trình quang hợp. u cầu ánh sáng
của cây rất khác nhau. Có những cây cần ánh sáng mạnh, có những cây cần ánh sáng
yếu. Hầu hết các loại cây trồng phát triển tốt với cường độ ánh sáng từ 10.000lux -
20.000lux. Khi đó sẽ cho năng suất cao và chất lượng tốt. Trong ánh sáng tán xạ có
nhiều thành phần ánh sáng đỏ và lam tím. Chất diệp lục hấp thụ ánh sáng đỏ nhiều
nhất thứ đến là ánh sáng lam tím. Ánh sáng lam tím còn làm tăng hàm lượng vitamin
trong rau làm tăng chất lượng rau.
*Thơng thống:
Thơng thống làm lỗng khơng khí có chứa hơi nước và các chất gây độc hại do phân,
cây trồng thải vào khơng khí, đồng thời tạo ra sự trao đổi khơng khí bên trong và bên
ngồi hệ thống, giúp cây trồng hơ hấp, quang hợp và sinh trưởng trong điều kiện tối
ưu nhất.
2.3. Giải pháp làm mát trong hệ thống định ơn và nhà trồng cây
Hình 2.4 : Mơ hình làm mát
14
2.4. Giải pháp thông thoáng
Có hai phương pháp chính thông thoáng cho hệ thống định ôn và nhà trồng cây là
thông thoáng tự nhiên (natural ventilation) (hình 2.8.a) và thông thoáng cưỡng bức
(force ventilation) (hình 2.8.b).
(a) (b)
Hình 2.8: a. Thông thoáng tự nhiên
b. Thông thoáng cưỡng bức dùng quạt
16
Thông thoáng hợp lý không những giảm nhiệt độ, ẩm mà còn làm điều phân bố nhiệt
(hình 2.9).
Hình 2.9: Mô phỏng ảnh hưởng của thông thoáng đến phân bố nhiệt
Quạt được bố trí như hình 2.10 tạo đối lưu cưởng bức làm giảm nhiệt độ, ẩm độ bê
trong hệ thống.
Hình 2.10: Phân bố gió cưởng bức nhờ bố trí quạt trong nhà trồng cây
2.5. Sơ lƣợc về một số thiết bị định ôn ứng dụng trong nông nghiệp
Theo Carole (2009), “Phytotron Procedural Manual”, hệ thống điều khiển tự
động nhiệt độ, ẩm độ (Phytotron) được khái niệm gồm các buồng, phòng, nhà trồng
cây với các yếu tố tiểu khí hậu được điều khiển theo yêu cầu nghiên cứu của cây
trồng. Hệ thống này có thể điều khiển nhiệt độ trong dãi từ 18
0
C đến 40
0
C, ẩm độ
tương đối của không khí từ 30% đến 80% và hàm lượng CO
2
từ 300 ppm đến 2000
giả đã khẳng định hiệu quả của hệ thống tăng đáng kể. Nội dung chính của nghiên cứu
này là thiết bị đo lường, điều khiển nhiệt độ, ẩm độ trong nhà trồng cây với sơ đồ
nguyên lý của bộ phận điều khiển như hình 2.14.
19
Với thiết bị đo lường điều khiển này cho hệ thống nhà trồng cây, tác giả đã khẳng
định hiệu quả của hệ thống tăng đáng kể. Cụ thể như độ ổn định nhiệt độ tăng 17,6%,
giảm chi phí năng lượng, giảm ô nhiễm nhờ tối ưu hoá tuần hoàn không khí, chất
lượng cây trồng trong nhà trồng cây tăng đáng kể.
Một nghiên cứu của Wei Fang, Yu-Wei Chen, Ching-Yuan Lin, Dept. Of Bio-
Industrial Mechatronics Engineering, National Taiwan University, 2007, với giao diện
chương trình điều khiển hệ thống định ôn như hình 2.15.
Hình 2.15. Giao diện chương trình điều khiển hệ thống định ôn
cho cây trồng của Ching-Yuan Lin
2.6. Một số nghiên cứu về nhà trồng cây trong nƣớc
Hình 2.16. Sơ đồ các kiểu nhà màng thô sơ phổ biến tại Lâm Đồng 20
Các dạng mô hình nhà lưới, nhà màng tại Lâm Đồng: Nhà lưới, nhà màng chế tạo
trong nước được phổ biến chủ yếu ở Lâm Đồng, kết cấu phổ biến được thể hiện như
các hình 2.16.
Kiểu nhà lưới tại Củ Chi, TP.HCM: Hiện nay, tại Củ Chi, đa số các mô hình nhà lưới
đơn giản đã được chế tạo tự phát bởi bản thân người sử dụng. Trong thời gian gần
đây, một mô hình nhà lưới được nghiên cứu bởi Chi cục bảo vệ thực vật Thành Phố
HCM đang được thử nghiệm tại Củ Chi. Kết cấu kiểu nhà lưới này được thể hiện trên
hình 2.17.
sửa chữa rất cao do phải mời chuyên gia nước ngoài.
- Tính phù hợp với điều kiện địa phương thấp.
b. Nhà lưới, nhà màng do nông dân tự làm
Ưu điểm:
- Đơn giản, rẻ tiền.
- Vật liệu chế tạo có thể được tận dụng từ nguồn nguyên liệu tại chỗ như gỗ, tre
nứa, nên giá thành thấp, khả năng thu hồi vốn nhanh.
Nhược điểm:
- Không khống chế được tiểu khí hậu nên chỉ sử dụng được ở các vùng có khí
hậu thuận lợi, nhiệt độ thấp, ít gió như Đà Lạt.
- Kết cấu thiếu bền, chịu lực kém, không chịu được mưa, gió lớn
c. các hệ thống nhà màng có ứng dụng điều khiển tự động
22
Như đã phân tích, các mô hình hệ thống nhà trồng cây nhà màng có ứng dụng điều
khiển tự động đã được lắp đặt, thử nghiệm nhưng ở mức “trung bình”, phương pháp
làm mát chưa tối ưu, các yếu tố tiểu khí hậu bên trong còn phụ thuộc nhiều vào thời
tiết.
23
CHƢƠNG 3 NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP
3.1. Nội dung nghiên cứu
1/ Thiết kế chế tạo hệ thống liên kế định ôn – nhà trồng cây với các yếu tố tiểu
khí hậu như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng được điều khiển tự động đáp ứng nhu
cầu sản xuất hạt giống:
Nghiên cứu các giải pháp làm mát trong hệ thống định ôn gồm thông
thoáng, cooling pad, phun sương, và buồng điều hòa trung gian trong hệ
thống định ôn sao cho có thể điều khiển đồng thời nhiệt độ và ẩm độ
tương đối của không khí đáp ứng yêu cầu sản xuất giống.
truyền qua mái và kết cấu bao che do bức xạ mặt trời. Lượng nhiệt phải khử đi trong
nhà trồng cây được xác định theo Bùi Hải, 2004, được tính toán cụ thể trong phần 4.
24
Cụm thiết bị giám sát và điều khiển hệ thống được thiết kế dựa trên cơ sở được mô tả
bởi Berenguel, et.al (2007) và Wang Yongbin & et al. (2005), với trung tâm điều
khiển là PLC S7-200, màn hình cảm ứng HMI, và máy tính. Sơ đồ khối hệ thống điều
khiển được thể hiện như hình 3.1.
Hình 3.1: Sơ đồ khối cụm thiết bị điều khiển tự động
Giải thuật điều khiển nhiệt độ và ẩm độ tƣơng đối không khí
Nhiệt độ trong hệ thống định ôn được điều khiển giảm theo thứ tự ưu tiên chờ hoạt
động của các hệ thống như mở cửa thông thoáng, quạt, phun sương làm mát, và làm
lạnh. Ngược lại nhiệt độ được điều khiển tăng theo thứ tự ưu tiên chờ hoạt động tắt hệ
thống phun sương, tắt quạt, và đóng cửa thông thoáng.
Thứ tự ưu tiên thực hiện các hoạt động dựa trên nguyên tắc tiết kiệm năng lượng. Do
tính phụ thuộc lẫn nhau với nhiệt độ nên ẩm độ trong hệ thống định ôn cũng được điều
khiển tự động thông qua hệ thống phun sương và thông thoáng. Giải thuật điều khiển
nhiệt độ và ẩm độ được thể hiện như hình 3.2.
Hệ thống lạnh được thiết kế với một buồng lạnh trung gian như đã nêu, bên trong
chứa hai cấp máy lạnh. Một cấp với công suất lớn hơn được tính toán hoạt động
thường xuyên đảm bảo hạ nhiệt độ đến gần giới hạn yêu cầu. Một máy lạnh với công
suất nhỏ sẽ được điều khiển để duy trì nhiệt độ mong muốn. Nhiệt độ trong phòng
định ôn được điều khiển thông qua trao đổi không khí với buồng trung gian.
Ánh sáng trong hệ thống định ôn được điều khiển tự động nhờ điều khiển lưới cắt
nắng và hệ thống đèn chiếu sáng. Giải thuật điều khiển ánh sáng được thể hiện như
hình 3.3.
Copyright: Tài liệu đại học ©