Contractul nr.25.2.1 / 27.09.2019
Proiectul: ADER 25.2.1 TEHNOLOGII ȘI ECHIPAMENT INTELIGENT PENTRU CREȘTEREA PRODUCTIVITĂȚII ÎN SPAȚII PROTEJATE, INDEPENDENTE ENERGETIC
Faza: nr1 - Studii privind serele, echipamentele şi aplicațiile informatice destinate creșterii productivității în spațiile protejate
Termen: 27.09.2019 - 20.11.2019
Ř proiectarea și realizarea unui model funcțional de seră inteligentă;
Ř proiectarea și realizarea unui model experimental de seră inteligentă;
Ř realizarea unei aplicații de informare a fermierului în timp real;
Ř realizarea unui model experimental de echipament inteligent destinat lucrărilor de întreținere a culturilor în spațiile protejate
Rezultate preconizate pentru atingerea obiectivului:
Ř studiu prospectiv privind tehnologiile și echipamentele inteligente pentru creșterea productivității în spații protejate;
Ř 2 documentații execuție model experimental seră și echipament inteligent;
Ř tehnologie de fertirigare și tehnologie adaptivă de management a factorilor de microclimat în spații protejate;
Ř 2 rapoarte experimentare tehnologii și echipament;
Ř 2 rapoarte demonstrare tehnologii și echipament;
Ř 2 cereri de brevet de invenție.
Obiectivul fazei 1:
Elaborarea studiilor prospective: ”Studiu prospectiv privind tipurile de sere inteligente, utilizate pe plan mondial”, ”Studiu prospectiv privind echipamentele inteligente dedicate realizării lucrărilor de întreținere a culturilor în spațiile protejate”, ”Studiu prospectiv privind aplicațile informatice destinate monitorizării microclimatului în spațiile protejate” și ”Studiu prospectiv privind principalii factori măsurabili de influenţă a microclimatuli în spațiile protejate”.
Rezultate preconizate pentru atingerea obiectivului fazei:
- Studiu prospectiv: ”Studiu prospectiv privind tipurile de sere inteligente, utilizate pe plan mondial” realizat de către conducătorul de proiect în colaborare cu partenerul 1 și partenerul 2. Coordonatorul de proiect a studiat problematica necesității spațiilor protejate în contextul schimbărilor climatice. Partenerul 1 a studiat problematica metodelor de proiectare a spațiilor inteligente. Partenerul 2 a studiat problematica metodelor de control a climatului și condițiilor de irigare în serele inteligente, precum și necesarul de electricitate din spațiile protejate.
- Studiu prospectiv: ”Studiu prospectiv privind echipamentele inteligente dedicate realizării lucrărilor de întreținere a culturilor în spațiile protejate” realizat de către conducătorul de proiect în colaborare cu partenerul 1 și partenerul 2. Coordonatorul de proiect a studiat problematica tehnologiilor lucrărilor de întreținere a culturilor în spațiile protejate. Partenerul 1 a studiat problematica stadiului actual al utilizării al echipamentelor inteligente dedicate realizării lucrărilor de întreținere a culturilor în spațiile protejate. Partenerul 2 a studiat problematica tipurilor de echipamnete robotizate dedicate realizării lucrărilor de întreținere a culturilor în spațiile protejate.
- Studiu prospectiv: ”Studiu prospectiv privind aplicațile informatice destinate monitorizării microclimatului în spațiile protejate” realizat de către conducătorul de proiect în colaborare cu partenerul 1 și partenerul 2. Coordonatorul de proiect a studiat problematica sistemelor de automatizare şi control a spațiilor protejate. Partenerul 1 a studiat problematica necesității monitorizării condițiilor de mediu în spațiile protejate. Partenerul 2 a studiat problematica sistemelor de monitorizare şi aplicaţiilor informatice destinate monitorizării microclimatului în spațiile protejate.
- Studiu prospectiv: ”Studiu prospectiv privind principalii factori măsurabili de influenţă a microclimatuli în spațiile protejate” realizat de către conducătorul de proiect în colaborare cu partenerul 3 și partenerul 4. Coordonatorul de proiect a studiat problematica senzorilor utilizați pentru monitorizarea factorilor de influenţă a microclimatului în spaţiile protejate. Partenerul 3 a studiat problematica managementului factorilor măsurabili de influenţă a microclimatului în spaţiile protejate. Partenerul 4 a studiat problematica parametrilor de dezvoltare ai agenților patogeni ăi dăunători la principalele culturi legumicole din spațiile protejate.
- Raport de activitate realizat de către conducătorul de proiect.
- Inițializare pagina web proiect (faza 1).
Activităţi efectuate
Activitatea 1.1. ”Studiu prospectiv privind tipurile de sere inteligente, utilizate pe plan mondial”.
Agricultura modernă se confruntă cu provocarea de a furniza alimentele necesare populației mondiale în continuă creștere, care se preconizează că va fi de aproximativ nouă miliarde până în anul 2050. Datorită posibilităţilor limitate de extindere a suprafeţelor agricole, a schimbărilor climatice reprezentate de vremea imprevizibilă, a inundațiilor și a altor evenimente naturale dezastruoase sarcina sectorului agricol de a oferi hrană suficientă populației globale este mult mai dificilă [1].
Schimbările climatice globale care afectează planeta se datorează eliberării de gaze cu efect de seră, care au crescut semnificativ prin utilizarea masivă de combustibili fosili. Cauzele principale ale acestei probleme sunt generarea și consumul de energie sub formă de cărbune sau petrol, transportul auto, precum și procesele industriale consumatoare de energie [8].
Ca urmare a schimbărilor climatice globale este de așteptat apariția temperaturilor extreme, a deficitului de apă și a inundațiilor. Temperatura Pământului a crescut între 1850 și 2010, cu 0,5°C/secol, cu 0,7°C din 1900, cu 1,3°C din 1950 și cu 1,8°C în ultimii 35 de ani. Ultimele două decenii sunt printre cele mai calde de când s-au păstrat recordurile de temperaturi.
Creşterea temperaturii cu 3°C (până în 2100, în raport cu 1990-2000) ar putea duce la creșterea producției culturilor în zonele de latitudine medie și înaltă, dar în zonele cu latitudine mică, randamentele producţiilor ar putea scădea, crescând riscul de malnutriție. Creşterea temperaturii cu 3°C ar putea duce la scăderea producției culturilor în regiunile temperate, ceea ce ar determina reducerea producției globale de produse alimentare [12].
Schimbările condițiilor meteorologice au impus, mai mult ca oricând apariţia unor metode noi de cultivare a plantelor, spaţiile protejate pentru culturi horticole reprezentând una dintre cele mai bune opțiuni pentru îmbunătățirea procesului de cultivare a viitoarelor plante.
a. Spaţiile protejate de tip micro-tunel sunt structuri mici construite cu arcade pe care sunt așezate folii de plastic.
b. Spaţiile protejate de tip macro-tunel sunt structuri, formate în principal din arcade, nu au lățimea și înălțimea corespunzătoare pentru a fi considerate sere, dar permit lucrătorilor să îndeplinească sarcini în interiorul structurii.
c. Spaţiile protejate de tip umbrare. Umbrarele sunt cele mai simple structuri, al căror scop este să ofere culturii o protecţie uşoară prin intermediul acoperişului tip plasă. Plasa de umbrire este utilizată acolo unde radiațiile solare sunt foarte mari, fiind recomandată pentru zonele cu climă uscată, deoarece nu oferă protecție împotriva ploii. Dimensiunile pot varia în funcție de spațiul disponibil în ceea ce privește lățimea și lungimea, înălțimea depinzând de viitoarea cultură, dar aceasta de obicei este cuprinsă între 3 la 5 m.
d. Spaţiile protejate de tip sere. Necesitatea și cresterea producției de legume și fructe proaspete în toate cele patru anotimpuri ale anului a determinat dezvoltarea unor metode de cultivare în spații închise, protejate de frig și intemperii numite sere.Serele sunt structuri închise, cu un grad mai mult sau mai puţin ridicat de tehnicitate, în funcţie de necesităţi, folosite pentru a obţine cea mai mare productivitate posibilă dintr-o cultură. Sunt utilizate în horticultură, răsadniţe şi pepiniere, plante ornamentale, flori şi plante verzi pentru tăiere. Structura serelor protejează culturile de ploaie și vânt, permițând radiațiilor solare să treacă prin pereți, asigurând schimbul de căldură cu mediul exterior.
Controlul mediului și sistemelor de irigații din sere inteligente a primit o atenție considerabilă în ultimii ani. Scopul principal al unei sere este optimizarea condițiilor de mediu în care sunt cultivate plantele. Aceste optimizări au devenit, în ultimii ani, mijloacele pentru obținerea unei producții controlate care să producă produse de calitate superioară și beneficii economice îmbunătățite [12].
Metode pentru îmbunătățirea și controlul condițiilor climatice și de irigare într-o seră, cum ar fi:
Ř ventilație naturală: perdele laterale deschise și acoperiș, precum și structuri mari ale serelor;
Ř ventilație forțată: ventilatoare de evacuare și circulare a aerului;
Ř sisteme de încălzire: pompe de căldură, tuburi de convecție;
Ř sisteme de umbrire: albirea tavanului, utilizarea umbrarelor și a plaselor cu ochiuri;
Ř evaporarea apei, răcire adiabatică: pereţi umezi și sisteme de producer a ceații;
Ř irigarea: prin picurare, cultivarea hidroponică.
Utilizarea regulatoarelor climatice precum alarmele și programele standard în sere permite controlul diferiților factori climatici (ventilație, încălzire, ecrane termice sau de umbrire, umidificare, recirculare).
Sistemele avansate de automatizare a serelor, reglarea condiţiilor mediului interior este axată pe crearea unui micro-climat adecvat pentru intensificarea creșterii plantelor și reducerea costului final.
Dezvoltarea culturilor, în diferitele sale etape de creștere, este condiționată de factori de mediu; factorii sau variabilele cele mai relevante considerate și controlate într-o seră automată hidroponică sunt temperatura, umiditatea relativă, intensitatea luminii, dioxidul de carbon (CO2) și conductivitatea electrică/pH-ul soluției nutritive din sistemul de irigații.
Pentru ca o plantă să își îndeplinească sarcina, este vital ca combinația acestor factori să fie în limite minime și maxime, în afara cărora o plantă încetează metabolismul și moare.
Temperatura este cel mai important parametru de luat în considerare în mediul de seră, deoarece este cea mai influentă variabilă asupra creșterii și dezvoltării plantelor. În mod normal, temperatura optimă pentru plante este cuprinsă între 10°C și 20°C [21].
Într-un sistem clasic de control al proceselor care trebuie reglate, procesele sunt considerate de tip intrare-ieșire. Dar pot exista mai multe intrări sau ieșiri (Fig.1). Intrările pot fi de două tipuri: (i) intrări simple, de control; și (ii) intrări exogene (sau perturbate). Figura 1 schematizează un sistem de intrare-ieșire (Fig.1a), un sistem de intrare-ieșire cu o perturbare (Fig.1b) și intrările și ieșirile pentru controlul climatic al unei sere (Fig. 1c). În acest ultim caz, îmbogățirea CO2, încălzirea serei și ventilația sunt considerate intrări ale sistemului. Perturbările sunt temperatura exterioară, direcția și viteza curenților exteriori de aer și radiația olară externă, umiditatea și concentrația de CO2 din exteriorul serei. Ieșirile sunt temperatura interioară, umiditatea și concentrația de CO2. S-a considerat că radiația solară ca o perturbare, deși este esențială pentru fotosinteză, datorită faptului că nu este o valoare care poate fi controlată de utilizator.
Fig.1. Sistem de control schematizat : a) sistem intrare-ieșire simplu; b) sistem intrare-ieșire cu factori perturbatori; c) sistem de control al factorilor de microclimat în sere
Agricultura protejată este în plină expansiune, folosind diferite niveluri de tehnologie și concentrându-se în principal pe producția de legume. Nivelul tehnologic al producției sistemelor care lucrează în medii protejate este clasificat astfel:
Ř tehnologie scăzută – total dependente de mediu, folosind tehnologii simple similare celor utilizate în cultivarea în câmp deschis. Plantele beneficiază de ventilație pasivă (ventilație laterală și laterală), nu au încălzire și sunt cultivate pe un substrat. În acest caz, este foarte important să fie cunoscute variațiile dintre temperatura din timpul zilei și cea din timpul nopții din cauza lipsei de încălzire și răcire;
Ř tehnologie medie - corespunde structurilor modulare cu control, irigare programată și cultivarea solului sau hidroponice. De obicei productivitatea și calitatea sunt mai mari decât la cele cu nivel tehnologic scăzut. Producătorul folosește o combinație a ambelor niveluri tehnologice, ridicate și mici, iar controlul temperaturii este de obicei foarte simplu. Tehnologia medie a cuprins ambele sisteme de răcire pasivă și activă, astfel existând modele de structuri care dispun de încălzire și altele care nu;
Ř tehnologie înaltă -care include facilități pentru controlul automat al climatului (independență mai mare față de vremea în aer liber), irigare computerizată, injecție de CO2 și cultivarea solului sau culturi hidroponice. În acest scop, sunt dotate cu senzori și dispozitive care operează sistemele de irigare și ventilație, ochiuri de umbrire pentru iluminat. În general, acest sistem funcţionează pe baza răspunsului plantei la mediul înconjurător. Cu aceste sisteme, producătorul poate optimiza creșterea plantelor, ceea ce conduce la maximizarea producției și a calității fructelor.
Avantajele utilizării serelor inteligente, cu medii controlabile:
Ř asigurarea calității producției prin stabilirea standardelor de calitate;
Ř maximizarea producţiilor;
Ř controlul calendaristic al producției, astfel gestionâmdu-se începutul și finalizarea producției;
Ř economisire de energie, ceea ce duce la costuri reduse de operare.
Din punct de vedere al principului de lucru serele se pot clasifica astfel:
Ř sere pasive - sisteme care în mod normal cele care nu necesită energie mecanică pentru deplasarea fluidelor pentru funcționarea lor. Lichidele și energia se deplasează în virtutea gradienților de temperatură stabiliți prin absorbția radiațiilor. Seră se comportă ca un colector, întrucât zona vitrată, pereții și acoperișurile sunt utilizate pentru colectarea, stocarea și distribuirea energiei solare în seră prin procese naturale de convecție, radiație și conducere. Sistemele pasive depind pur și simplu de proiectul serei care poate fi utilizat pentru a maximiza câștigul solar în timpul iernii (și pentru a le minimiza vara);
Ř sere active - în aceste sere există energie termică externă disponibilă fie din combustibilul convențional, fie energie solară printr-un panou colector care alimentează sera. Aceste sere folosesc ventilatoare și pompe acţionate prin intermediul energiei mecanice pentru a circula fluidul de lucru în sistem.
Principalele cerinţe impuse construcţiei serelor se referă la [10]:
Ř să asigure accesul optim al radiaţiei solare la plante;
Ř să asigure condiţii de temperatură uniforme în interiorul spaţiului;
Ř să fie etanşe, pierderile de căldură să fie minime;
Ř să permită mecanizarea şi automatizarea lucrărilor;
Ř să fie ieftine, să se construiască uşor, să se folosească în construcţia lor componente prefabricate;
Ř să fie durabile, rezistente la coroziune;
Ř să necesite consum redus de metal;
Ř să reziste la solicitările vântului şi la greutatea zăpezii.
Serele au diferite forme și dimensiuni corelate diferitelor zone climatice predominante din lume. Fiecare zonă necesită forme diferite pentru asigurarea condițiilor climatice favorabile pentru creșterea plantelor. Acoperirea unei suprafețe maxime de teren cu costuri cât mai reduse și cu o structură cât mai ușor de executat reprezintă câteva dintre criteriile de dezvoltare a mai multor tipuri de sere.
Activitatea 1.2.”Studiu prospectiv privind echipamentele inteligente dedicate realizării lucrărilor de întreținere a culturilor în spațiile protejate”
În ultima perioadă se constată o intensificare a cercetărilor orientate către mecanizarea activităților specifice producției horticole în spații protejate. Se poate considera că acest lucru se datorează următoarelor cauze:
Ř creșterea dimensiunii spțiilor de producție,
Ř specializarea producției pe tipuri de culturi și deci individualizarea tratamentelor și a nutriției plantelor;
Ř creșterea costurilor forței de muncă;
Ř creșterea problemelor cu disponibilitatea forței de muncă calificate;
Ř probleme sociale;
Ř calitatea produselor și siguranța alimentară;,
Ř creșterea concurenței dintre producțiile de pe piațele naționale și cele internaționale.
Ca și în procesele de producție indistrială, pentru a îmbunătăți eficiența producției, ritmul producției, calitatea produsului și condițiile de muncă, etc., este nevoie ca :
i) oamenilor li s-a dat unelte mecanice sau ca munca umană a fost înlocuită cu mașini,
ii) produsul (de exemplu, o mașină, o televiziune sau o instalație) este adus lucrătorului pe un circuit de producție într-o zonă de lucru în care lucrătorul are una sau doar un set foarte limitat de sarcini de îndeplinit într-un mediu curat și bine organizat.
Se pot distinge două tipuri de mecanizare, primul îl constitue automatizarile industriale, iar al doilea tip, care este o tehnologie high-tech și se aplică în producția horticolă în spații protejate, este mecanizarea sau robotica.
O descriere generică a procesului de producție a culturilor de seră este dată în Figura 2. Totul începe cu producția de răsaduri. Pentru anumite culturi, este necesară altoirea răsadurilor pentru a asigura calitatea și cantitatea producției sau pentru a crește rezistența la boli și dăunători. Plantele sunt însămânțate și apoi pot fi transplantate o dată sau chiar de două ori înainte de a fi plantate pe substratul de creștere final. Înainte de începerea producției în seră, sera este curățată sau chiar dezinfectată. Pentru culturile cultivate în sol, solul este dezinfectat și, în unele cazuri, un profil de sol este pregătit pentru drenare. Unele legume precum roșiile, castraveții, ardeiul dulce și planta de ou sunt cultivate pe substrat nutitiv, într-un sistem de cultură hidroponic. Apoi, dezvoltarea și întreținerea culturilor generează un produs recoltabil. Produsele recoltate sunt colectate, sortate și ambalate înainte de expediere către bursele de legume sau către vânzătorul cu amănuntul. Întreținerea, recolta, sortarea și ambalarea sunt activități repetitive.
În funcție de cultivar, un ciclu de producție întreg poate dura câteva săptămâni (de exemplu, salată), câteva luni (de exemplu, ornamentale, roșii etc.) până la câțiva ani (trandafiri).După terminarea producției, resturile culturii sunt scoase din seră, se curăță și se pregătește pentru următorul ciclu de producție.
Fig. 2: Descriere generică a unui ciclu de producție în seră
Prin mecanizarea producției horticole din sere, în primul rând, sunt ușurate sarcinile lucrătorilor sau chiar munca umană este înlocuită cu mașinile.
În producția horticolă, stadiul utilizării mecanizării și automatizării seamănă în mare parte cu cea întâlnită frecvent în industrie: mașini bazate în principal pe soluții mecanice capabile să îndeplinească exact aceeași sarcină de mai multe ori. Exemple sunt mașini pentru însămânțare, plantare, rărire, altoire, pulverizare, sortare și ambalare automatizate. Aceste mașini îndeplinesc sarcini relativ simple, care nu necesită multă informație și nu implică manipulări complexe [2].
Mecanizarea de înaltă tehnologie sau roboții care să înlocuiescă forța de muncă umană sunt încă destul de rar întâlniți în producția legumicolă din spații protejate.
Creșterea costurilor forței de muncă și deficitul tot mai mare de personal cu experiență și educație au încurajat dezvoltarea mecanizarii și a roboicii în producția de legume în sere. În prezent, există o gamă largă de echipamente pentru lucrările inițiale (însămânțare, plantare, transport intern) și pentru cele finale (transport intern, clasificare, ambalare, transport) ale unui ciclul de producție [4].
Munca manuală este de obicei necesară pentru întreținerea și recoltarea producției. În timpul primelor și ultimelor faze ale ciclului de producție, poziția, forma, dimensiunea și alte caracteristici ale plantelor sunt relativ bine definite și uniforme, astfel, automatizarea bazată pe soluții mecanice, cu puțini senzori și puterea de calcul limitată poate efectua suficient de bine operațiile specifice.
Întreținerea și recoltarea culturilor sunt mult mai dificil de automatizat, deoarece poziția, forma, dimensiunea și culoarea plantelor și a fructelor variază foarte mult și, prin urmare, sunt necesare mecanizări de înaltă tehnologie, robotică sau sisteme mecatronice. Aceste sisteme se bazează foarte mult pe senzori și pe puterea de calcul pentru a putea prelucra date și pentru a imita inteligența și coordonarea ochi-mână foarte eficientă a oamenilor.
În ciuda eforturilor considerabile pentru dezvoltarea mecanizării de înaltă tehnologie pentru producția hortiolă din sere din în ultimii ani, implementarea practică a acestor sisteme este foarte limitată [14].
Iată câteva dintre activitățile procesului de producție care au reușit să fie mecanizate până în prezent:
Ř Semănatul este acum un proces extrem de mecanizat. Există linii de însămânțare complet automatizate care constau dintr-o mașină de spălat tăvile alveolare, un distribuitor de tavi, o mașină de umplere a tăvilor cu substrat, o mașină de însămânțare, o mașină care acoperă tăvile cu un strat de pământ, o mașină de udat și o mașină de stivuit tavile.
Ř Altoitul răsadurilor, este un proces delicat, care necesită un grad ridicat de indemânare, și este foarte solicitant fizic și psihic. Pentru acest tip de activtate au fost dezvoltați roboți de altoire cu o rată de succes de 97% la o productivitate de 10 ori mai mare decât a lucrătorilor din ferme. Aceast robot este disponibil în comerț și poate fi folosit pentru altoirea castraveților, pepeni verzi, pepeni galbeni, tomate, vinete și ardei gras și au o productivitate de 800 de plante pe oră.
Ř Răsădirea. Dezvoltarea roboților de răsădire a fost aunuțată de diferite grupuri de cercetători din lume. Pentru producția de răsaduri, mașinile de răsădire sunt o practică obișnuită în zilele noastre. Comparativ cu mașina de însămânțat, o linie de răsădit complet automatizată constă dintr-un stivuitor de tăvițe alveolare cu răsaduri și o mașină de răsădit de mare capacitate (circa 4000 până la 20000 de plante pe oră) și în final un dispozitiv pentru stivuit tavițe.
Ř Pulverizarea pesticidelor. Pulverizatoarele de pesticide pe rând sunt utilizate în mod obișnuit în producția de legume de seră. Pulverizatoarele automate de pesticide sunt utilizate în timpul producției de răsaduri, de legume, de flori și de plante în ghiveci.
Ř Mașinile pentru recoltarea legumelor. Pentru recoltarea salatei și a ridichilor există mașini în comerț.
Ř Sortarea legumelor. Linii de sortare automată pentru roșii (culoare, greutate și diametru), castraveți (greutate) și ardei gras (greutate) sunt utilizate în mod obișnuit pentru consum în stare proaspătă sau în combinație cu instalații pentru fabricarea conservelor de legume.
În general, utilizarea echipamentelor inteligente dedicate realizării lucrărilor de întreținere a culturilor în spațiile protejate, este determinată de [17]:
1.creșterea dimensiunii instalațiilor de producție;
2.specializarea producției de culturi și individualizarea tratamentului plantelor;
3.creșterea costurilor forței de muncă;
4.creșterea problemelor cu disponibilitatea forței de muncă calificate;
5.probleme de sănătate;
6.calitatea produselor, siguranța alimentelor;
7. creșterea concurenței pe piața națională și internațională.
În sere, se urmăreşte ca sarcinile realizării lucrărilor de întreținere a culturilor să fie reduse, atenuate sau munca umană sa fie înlocuită prin intermediul echipamentelor inteligente.
În industria horticolă, stadiul tehnicii în domeniul automatizării serelor trebuie să se aseamene în mare parte cu automatizarea întâlnită frecvent în industrie: mașini bazate în principal pe soluții mecanice capabile să îndeplinească exact aceeași sarcină de mai multe ori (ex: mașini pentru însămânțare, transplantare, distanțare, altoire, pulverizare, sortare și sigilare automatizate). Aceste mașini îndeplinesc sarcini relativ simple, care nu necesită informații și informații despre senzori (3D) și nu implică manipulări complexe.
Mecanizarea de înaltă tehnologie sau roboții care înlocuiesc forța de muncă umană sunt încă greu de realizat în producția culturilor din sere.
De asemenea, în sere, conceptul de aducere a culturii spre lucrător este utilizat pe scară largă pentru planterea în ghivece. Principalele motive sunt:
Ř reducerea costurilor forței de muncă;
Ř utilizarea optimă a spațiului din seră;
Ř utilizarea eficientă a factorilor de producție și reducerea emisiilor;
Ř îmbunătățirea condițiilor de muncă, deoarece celula de lucru poate fi adaptată la muncitor;
Ř monitorizarea procesului de producție;
Ř oportunitate pentru automatizare.
Competiţia impusă de necesitatea obţinerii unor recolte cât mai mari cu costuri materiale cât mai mici, în condiţiile conservării resurselor naturale combinată cu deosebitele posibilităţi tehnologice actuale a condus la aplicarea unor noi tehnologii de cultură, trecerea de la tehnologiile convenţionale la agricultura durabilă.
Dezvoltarea tehnicilor de control a buruienilor, îmbunătăţirea maşinilor şi tehnologiilor de lucrat solul şi de semănat constituie premise importante în extinderea tehnologiilor cu costuri reduse de producţie.
Un alt argument îl constituie efectele deosebit de pozitive din punct de vedere ecologic, care sunt mai mult decât evidente în cazul aplicării tehnologiilor cu lucrări reduse.
Tehnologia de lucrare redusă a solului se referă la prelucrarea sau afânarea întregii suprafeţe a solului, dar scăzând intensitatea şi frecvenţa de lucrare, în principal prin eliminarea unor lucrări mecanice practicate în sistemul convenţional.
Activitatea 1.3.”Studiu prospectiv privind aplicațile informatice destinate monitorizării microclimatului în spațiile protejate”
Proiectarea sistemelor de control privind monitorizărea microclimatului în spațiile protejate este un proces complex datorită interacțiunii mai multor variabile de mediu care afectează creșterea și producția plantelor.
Necesitatea adaptării producției de alimente la nevoile populației actuale necesită cunoașterea exactă a factorilor care limitează producția agricolă. Fluctuaţiile mediului natural asupra comportamentului plantelor pot fi stuadiate într-un spaţiu protejat de creștere a plantelor cu control parțial sau complet al mediului, denumit seră cu mediu controlat sau seră automatizată [15].
O seră inteligentă va asigura condiţii de dezvoltarea a plantelor indiferent de clima zonei în care este amplasată.
Fig.3. Schema de principiu a unei sere automatizate, [12]
În principiu, un sistem de control este format din senzori, dispozitive de acționare (sisteme de încălzire/răcire) și un controler care poate fi un operator sau un computer.
Sistemele digitale avansate permit implementarea legilor complexe pentru controlerele digitale într-o perioadă scurtă de timp. Una dintre cele mai bune opțiuni pentru implementarea controlerelor este utilizarea sistemelor în timp real bazate pe un sistem operativ în timp real. Un sistem de operare în timp real este capabil să execute în mod fiabil programe cu cerințe specifice de timp.
Sistemele de operare sunt optimizate pentru a rula mai multe procese și aplicații în același timp și oferă alte caracteristici, de exemplu o grafică bogată a interfeței utilizatorului.
În schimb, sistemele de operare în timp real sunt proiectate pentru a rula un singur program cu o sincronizare precisă. Mai exact, sistemele de operare în timp real prezintă următoarele avantaje:
Ř efectuarea sarcinilor într-un interval de timp stabilit;
Ř prioritizarea diferitelor secțiuni ale programului;
Ř rularea de bucle pentru fiecare iterație;
Ř pe lângă faptul că oferă o sincronizare precisă, sistemele de operare în timp real pot fi configurate să funcționeze zile, luni sau ani fără oprire.
Sera trebuie să creeaze cele mai bune condiții pentru creșterea și dezvoltarea viitoarelor plante și poate evita influența creșterea plantelor din cauza anotimpurilor în schimbare și a vremii severe. Condiția optimă a creșterii culturilor este obținută pe baza valorificării pe deplin a resurselor naturale, schimbarea factorilor de mediu cu efect de seră, cum ar fi temperatura, umiditatea, lumina și concentrația de CO2 [16].
În consecință, randamentul, productivitatea și calitatea culturilor obligă agricultura, și industria să îndeplinească obiective comune, care să maximizeze producția agricolă, păstrând calitatea plantelor. În prezent, gestionarea internă a serelor agricole folosește în principal un mod tradițional de control manual, prin reglare periodică a luminii, temperaturii, umidității, precum și utilizarea manuală a irigării, fertilizării. Această metodă nu numai că duce la costuri de gestionare mai mari, dar aduce și o serie de probleme, cum ar fi scăderea eficienței producției obținute, risipa de resurse și poluarea mediului.
Serele sunt concepute pentru a capta căldura, dar excsul de căldură într-o zonă închisă poate distruge rapid plantele. Ventilarea corectă previne supraîncălzirea și este esențială pentru menținerea unui microclimat sănătos.
Ventilarea nu numai că răcește o interiorul serei, dar și oferă și aer proaspăt, care este necesar pentru producerea dioxidului de carbon. Plantele care nu obțin suficient CO2 sunt nesănătoase și au, de obicei, o creștere anormală [21].
Fig.4. Schema monitorizării condițiilor de mediu în spațiile protejate, [21]
Una dintre problemele principale în proiectarea serelor este modul de construcţie a structurii a acestora care să permită obţinerea unui mediu controlat în interior, microclimatul fiind dependent de: temperatură, umiditatea relativă, lumină, CO2, importanța acestora fiind rezumată în tabelul 1.
Tabelul 1. Importanța controlului factorilor de influențează microclimatul serelor
|
Variabila |
Impactul asupra culturii |
|
Temperatura |
Afectează fotosinteza, respirația, translocarea, transpirația, formarea de pigmenți, reproducerea și toate procesele fiziologice de bază ale plantelor. Depinde de: Ř ritmul circadian, Ř sezon, Ř locația geografică, Ř vârsta plantelor, Ř stadiul de creștere. |
|
Umiditatea relativă |
Are impact asupra dezvoltării frunzelor, interferând cu procesul de fotosinteză. Un nivel ridicat al umidității relative produce pierderi de productivitate (de exemplu la cultura de tomate) și duce la apariția de boli fungice. |
|
Intensitatea luminoasă |
Afectează direct proporțional procesul de fotosinteză. Perioadele întunecate sunt necesare pentru asimilarea procesului de fotosinteză. |
|
CO2 |
Este dăunător procesului fotosintetic. În frunzele de plantelor moleculele de CO2 se combină cu apa în prezența luminii solare pentru a forma carbohidrați și oxigen. Îmbogățirea CO2, dacă este nevoie, se realizează în prezența luminii. Este un factor de influență al productivității, creșterii și calității plantelor. |
Multitudinea factorilor care pot produce modificări microclimatului serei amenințând sănătatea, randamentul și productivitatea viitoarelor plantele, impune asigurarea condițiilor optime de creștere și dezvoltare a plantelor cultivate. Fluctuațiile de temperatură, nivelul de umiditate, fluctuațiile de putere electrică, etc pot deteriora sau distruge întregul microclimat al serei [13].
Modele matematice pentru monitorizarea condițiilor de mediu în spațiile protejate:
Ř model de control predictiv bazat pe linearizarea feedback-ului pentru reglarea temperaturii dintr-o seră, presupunând că aerul din seră este omogen, iar modificările dinamice ale temperaturii dinn seră sunt determinate de fluxurile de energie și de masă [7].
|
|
(1) |
unde:
Cg reprezintă capacitatea de încălzire a aerului din seră, [Cg = 32000 J/(°Cm2)];
Tg reprezintă temperatura din interiorul serei, [°C]
Qrad reprezintă căldura indusă serei de către soare, [W/m2];
Qcov reprezintă energia pierdută în aerul extern din cauza transmiterii prin tavanul serei, [W/m2];
Qsoil reprezintă transferul de căldură între aerul intern și sol, [W/m2];
Qtran reprezintă pierderea de căldură prin transpirația culturilor, [W/m2];
uh reprezintă cantitatea de energie consumată de sistemul de încălzire, [W/m2].
Ř model matematic corelat cu actuatoarele sistemului de încălzire și cele ale ferestrelor de ventilație pentru reglarea temperaturii în seră [6]. Factorii de mediu externi, care sunt considerați intrări perturbatoare, includ radiațiile solare, temperatura aerului și viteza vântului. Influențele feedback-ului asupra creșterii culturilor asupra temperaturii sunt ignorate.
|
|
(2) |
unde:
Tg reprezintă temperatura din interiorul serei, [°C]
Cg reprezintă capacitatea de încălzire a aerului din seră, [J/(°C)];
Qrad reprezintă căldura indusă serei de către soare, [W];
Qcov reprezintă energia pierdută în aerul extern din cauza transmiterii prin tavanul serei, [W];
Qsoil reprezintă transferul de căldură între aerul intern și sol, [W];
Qven reprezintă căldură pierdută prin ventilația naturală prin geamului acoperișului, [W];
Qheat reprezintă cantitatea de energie consumată de sistemul de încălzire, [W].
Ř eficiența procesului de dezumidificare poate fi calculată prin următoarea ecuație atunci când există o diferență de presiune a vaporilor între desicant și aerul care trece [5]:
|
|
(3) |
unde
reprezintă
eficiența de dezumidificării;
-raportul
umidității aerului la intrare, [kgapă/kgaer
uscat];
-raportul
umidității aerului la ieşire, [kgapă/kgaer
uscat];
-raportul umidității aerului
la echilibru cu soluția desicantă, [kgapă/kgaer
uscat].
Aplicația eKo-View oferă o interfață familiară și intuitivă bazată pe un browser web pentru datele rețelei de senzori. Prin intermediul aceastei interfețe se pornește monitorizarea și achiziția de date din orice parte a lumii prin intermediul unui computer, după configurarea rețelei de senzori.
Prin intermediul interfaței eKo-View, este posibilă setarea și configurarea rețelei wireless pentru a afișa doar datele care sunt interesate. Interfața web eKo-View permite utilizatorilor să realizeze diverse setări:
Ř crearea vizualizării hărții definite de utilizator;
Ř gestionarea configurațiilor grafice definite de utilizator;
Ř vizualizarea datelor în timp real, care oferă utilizatorilor controlul necesar pentru gestionarea și menținerea sănătății culturilor;
Ř vizualizarea datelor individuale ale senzorilor;
Ř primirea de notificări prin SMS sau e-mail;
Ř atribuirea de nume personalizate senzorilor.
Fig.5. Sistemul de control și comunicația acestuia, [3]
Serele necesită un microclimat adecvat pentru creșterea și sănătatea optimă a plantelor. Culturile pot fi distruse dacă factorii de mediu din seră, precum: temperatura, umiditatea și lumina au valori diferite de cele optime. Senzorii wireless Monnit îi ajută pe fermieri să supravegheze și să mențină microclimatul adecvat din seră. Persoanele vor fi avertizate apoi printr-un sistem automat în cazul în care factorii de mediu nu se încadrează în limitele optime, permițând cultivatorilor să maximizeze randamentul culturilor [20].
Fig.6. Software iMonnit, [20]
iMonnit este o platformă puternică software pentru analizarea datelor de la senzorii din seră și setarea alertelor text, e-mail sau voce.
Fig.7. Modul de transmitere a datelor de la senzori spre iMonnit, [20]
Climate Manager este un soft care controlează microclimatul din seră în timpul iernii și lunilor calde de vară. Temperatura, umiditatea și CO2 sunt controlate cu acuratețe în seră la punctele setate în timpul zilei și noaptea. Mediul din interiorul serii depinde foarte mult de condițiile meteorologice din afara serei. Programul Climate Manager ia în considerare condițiile meteorologice, (radiațiile solare, temperatura exterioară, ploaia și vântul) și face ajustări pentru a obține cel mai bun climat posibil în seră.
Fig.8. Setarea perioadei de iluminare a serei prin intermediul softului Climate Manager, [18]
LumiGrow LED este un soft care controlează și monitorizate pentru toți factorii de iluminare cu rol în optimizarea creșterii culturilor din sere. Prin intermediul sistemului de control wireless SmartPARTM, se pot gestiona ledurile LumiGrow de pe telefon, tabletă sau computer, se pot configura zonele de iluminare, se obține automatizarea iluminatului și controlul asupra intensității luminoase [45].
Senzorii măsoară lumina soarelui în seră pentru a ajusta automat corpurile de iluminat pentru a obține o valoare optimă a intensității luminoase - Daily Light Integral ideal (DLI). Rezultatul este o soluție eficientă din punct de vedere energetic care produce în mod constant productivități ridicate
Fig.9. Softul LumiGrow, [19]
Activitatea 1.4.”Studiu prospectiv privind principalii factori măsurabili de influenţă a microclimatuli în spațiile protejate”
Culturile din spaţiile protejate vegetează într-un anumit climat, care este dirijat pe tot parcursul ciclului de cultură pentru a obtine legume iarna, în extrasezon sau numai în anumite perioade, cu scopul de a grăbi apariţia produselor în perioada de primavara devreme sau pentru a prelungi consumul de legume toamna, târziu.
Mediul de viaţă al plantelor legumicole, care condiţionează creşterea şi fructificarea acestora, este reprezentat de totalitatea factorilor de mediu care acţionează în mod permanent. Aceştia sunt reprezentaţi de căldura, lumină, apă, aer şi hrana (solul sau substratul de cultură, elemetele nutritive sau soluţii nutritive), factorii abiotici, obligatorii, indispensabili şi de valoare egală pentru viaţa plantelor.
Fig.10. Schema schimbului energetic între seră şi mediul înconjurător, [12]
Temperatura, ca expresie fizica a căldurii, condiţionează toate procesele fiziologice şi biochimice ale plantelor, respectiv fotosinteza, respiraţia, transpiraţia, absorbţia şi circulaţia sevei prin planta, formarea şi acumularea substanţelor de rezervă, morfogeneza etc. Căldura reprezintă un factor de vegetaţie limitativ în cultura legumelor, deoarece de nivelul temperaturii depinde declanşarea sau stoparea proceselor biologice din plante, temperatura influenţează începutul recoltării părţilor comestibile.
Cu ajutorul temperaturii se reglează, de regulă, şi creşterea în lungime a plantelor. Astfel, când temperatura este mai coborâtă, plantele sunt mai scurte, dar mai viguroase şi cu rezistenţă mai bună, în schimb la temperaturi ridicate are loc alungirea plantelor şi diminuarea rezistenţei lor mecanice. În perioada de creşterii de reproducere plantele au nevoie de cât mai multă căldură, temperatura fiind apropiată de valoarea limitei superioare a temperaturii optime [5].
Corelarea temperaturii cu lumina se face proporţional, când lumina este mai puternică, procesul de fotosinteză este mai ridicat, în acest timp fiind nevoie de temeraturi ridicate pentru ca procesele fiziologice să se desfăşoare în condiţii optime.
Tabelul 2. Valorile intervalului optim de temperatură pentru diferite culturi, [11].
|
|
Intervalul optim de temperatură [°C] |
|
|
Cultura |
zi |
noapte |
|
Tomate |
21-27 |
13-16 |
|
Ardei |
23-27 |
16-18 |
|
Vinete |
22-27 |
17-22 |
|
Castraveţi |
20-25 |
16-18 |
|
Pepene galben |
25-30 |
18-21 |
|
Pepene verde |
23-28 |
17-20 |
În cursul nopţii, în lipsa luminii asimilaţia se opreşte, intensificându-se respiraţia, pentru ca plantele să îşi păstreze o cantitate cât mai mare de asimilate, temperatura trebuie coborâtă.
Între temperatură şi umiditate există un raport direct proporţional, la temperaturi mai scăzute plantele legumicole absorb mai puţină apă, iar la temperaturi ridicate mai multa apă.
Umiditatea ridicată micşorează rezistenţa plantelor la temperaturi scăzute, iar în condiţii de umiditate abundentă şi temperaturi scăzute, plantele legumicole suferă de seceta fiziologică, sistemul radicular funcţionează foarte slab. În condiţii de umiditate scăzută şi temperaturi ridicate, plantele se vestejesc şi se grăbeşte trecerea lor în faza de reproducere, în detrimentrul productiei.
Dacă cei doi factori se găsesc în exces, este favorizat atacul bolilor criptogamice, se întârzie trecerea plantelor legumicole în perioada de reproducere, datorită unei creşteri vegetative exagerate, iar uneori plantele nu mai fructifică.
Atunci când temperatura şi umiditatea au valori foarte scăzute, procesele fiziologice ale plantelor sunt încetinite sau sistate.
Umiditatea, ca factor de vegetaţie, are un rol foarte important în viaţa plantelor legumicole deoarece, în lipsa apei, viaţa plantelor nu este posibilă.
Rolul apei în viaţa plantelor este unul foarte complex, ea participă la:
Ř dizolvarea sărurilor minerale din sol şi formarea soluţiei solului, ca principal mediu de unde plantele legumicole îşi pot lua hrana;
Ř transportor al elementelor minerale cu rol determinant în absorbţia radiculară, transportor al elementelor minerale în plantă, cu rol esenţial în formarea sevei brute;
Ř transportor al foroasimilatelor în plantă, cu rol în formarea sevei elaborate, menţinerea turgescentei celulare şi a unei concentraţii normale a sucului celular;
Ř participă direct în procesul de fotosinteză;
Ř participă direct la reglarea temperaturii plantelor prin intermediul procesului de transpiraţie,
Ř determină obţinera unor recole ridicate, de calitate superioară.
Tabelul 3. Cerințe de umiditate relativă pentru diferite specii de cultură, [12].
|
Cultura |
Intervalul optim al umidităţii relative [%] |
|
Tomate |
60-80 |
|
Ardei |
50-60 |
|
Vinete |
50-60 |
|
Castraveţi |
70-90 |
|
Salată |
60-80 |
|
Pepene galben |
65-75 |
|
Pepene verde |
65-75 |
|
Trandafiri |
14-16 |
|
Crizanteme |
20-25 |
Lumina este un factor indispensabil vieţii plantelor verzi deoarece, prin parametrii săi specifici, intensitate, durata de iluminare (fotoperioada) şi compoziţia spectrală (calitatea), influenţează fotosinteza şi celelalte procese fiziologice care asigură formarea şi acumularea masei biologice şi desfăşurarea normală a morfogenezei. Ca urmare, creşterea şi fructificarea normală a plantelor legumicole nu pot avea loc în absenţa luminii, iar cerinţele în această privinţă sunt foarte diferite şi specifice.
Radiaţia solară are o lungime de undă cuprinsă între 300 si 3000 nanometri, în procesul de fotosinteză sunt utile doar cele care sunt cuprinse între 400 şi 700 nm care constitue de fapt, radiaţia fotosintetică activă (PAR – Photosyntetic Active Radiation) şi măsoară lungimile de undă care emit culorile roşu, galben, verde şi albastru. PAR-metrele exprimă intensitatea luminii în W/m2, în perioada de iarnă valorile maxime pot fi de 150 W/m2, iar in perioada de vara de 450 W/m2.
Lumina este singura sursă de energie pentru creșterea plantelor, iar efectul major al luminii asupra plantelor este reprezentat de fotosinteză [2]. Intensitatea luminii variază de la un loc la altul, dar, în general, variază de la zero la începutul zilei până la aproximativ 100 până la 150 kLucsi (1000 lumen/m2) în jurul orei 12. Intensitatea luminii în zilele ceţoase este destul de scăzută ceea ce duce la realizarea unui proces slab de fotosinteză. Intensitatea optimă a luminii pentru o plantă este de 32 kLucsi, dar sub 3,2 kLucsi și peste 129 kLucsi nefiind optime pentru plantă.
Din cele 7 radiaţii care compun spectrul luminos (ROGVAIV), cele roşii sunt cele mai intens absorbite, mai active şi mai eficiente în fotosinteză.
Nu toată lumina este utilă în fotosinteză. Clasificarea luminii în funcție de lungimea de undă în nanometri (nm), poate fi observată în figura 4. Această clasificare este denumită „calitativă”. Plantele folosesc lumină vizibilă care se situează în intervalul 400 - 700 nm; acest interval este cel mai frecvent denumit PAR. Lumina ultravioletă (UV) este dăunătoare pentru plante, în timp ce lumina infraroșie nu are influență asupra fotosintezei.
Fig.11. Radiația solară în funcție de lungimea de undă, [9]
Aerul reprezintă mediul permanent în care se află plantele legumicole, actionând pe mai multe căi asupra plantelor legumicole, și anume:
Ř prin compoziția;
Ř prin mișcările sale (curenți de aer, antrenarea și dispersarea substanțelor poluante etc.). Aerul atmosferic se compune din 78% azot, 21% oxigen, 0,03% CO2 și alte gaze, care se găsesc în proporții foarte mici.
Componentul aerului cel mai important pentru plante este dioxidul de carbon, deoarece acesta reprezintă una din materiile prime care, alaturi de apă și elementele minerale, folosind energia solară, servește plantelor verzi ca, prin procesul de fotosinteză, să sintetizeze substanțele organice necesare creșterii, dezvoltării și fructificării producției.
Tabelul 4. Intervalul optim al nivelului de CO2 pentru diferite specii de cultură, [12]
|
Cultura |
Intervalul optim al nivelului de CO2 [ppm] |
|
Tomate |
1000-2000 |
|
Castraveţi |
1000-3000 |
|
Salată |
1000-2000 |
|
Trandafiri |
1000-2000 |
|
Crizanteme |
400-1200 |
Senzorii/traductoarele sunt dispozitive care transformă o variabilă fizică într-un semnal electric, în general pentru procesare, control sau afișare. Un bun management al culturilor este dependent de obţinerea informațiile corecte pentru a lua deciziile necesare. În trecut, fermierul a fost senzorul și sistemul de control al serei, verificând şi reglând condițiile microclimatului serei, în funcție de necesități pentru a optimiza creșterea culturii.
Factorii de mediu influențează calitatea și productivitatea creșterii viitoarelor plante. Prin urmare, monitorizarea continuă a acestor parametri oferă cultivatorilor informații valoroase pentru a înțelege mai bine modul în care fiecare factor afectează calitatea și rata de creștere a plantelor și modul de maximizare a productivităţii culturilor.
Fig.12. Utilizarea senzorilor în sere, [12]
[2]. Cuce E, Harjunowibowo D, Cuce P M. (2016). Renewable and sustainable energy saving strategies for greenhouse systems: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 64, pp: 34–59.
[3]. Dumitraşcu A., Ştefănoiu D., Culiţă J., Tomiţa I. (2017). Distributed System for Remote Monitoring and Control Greenhouse Environment, Advances in Intelligent Control Systems and Computer Science pp: 223-234.
[4]. Enoch H Z, Enoch Y. (1999) The history and geography of the greenhouse. Ecosystems of the world, pp: 1–16.
[5]. Fumo N., Goswami D. Y. (2002). Study of an aqueous lithium chloride desiccant system: Air dehumidification and desiccant regeneration. Solar Energy, 72(4), pp: 351-361.
[6]. Liang M. H., Chen L. J., He Y., F., Du S. F. (2018). Greenhouse temperature predictive control for energy saving using switch actuators, IFAC PapersOnLine 51-17, pp: 747–751.
[7]. Lijun C., Shangfeng D., Meihui L., Yaofeng H. (2018). Adaptive Feedback Linearization-based Predictive Control for Greenhouse Temperature, IFAC PapersOnLine 51-17, pp; 784–789.
[8]. Lucero J., Sanchez C. (2012). Inteligencia de Mercado de Pimiento Morron Verde. Centro de Investigaciones Biologicas del Noroeste, pp:1–83.
[9]. Nelson P. (1998). Greenhouse Operation and Management (5th ed.). Upper Saddle River, United States: Prentice Hall.
[10]. Păunescu C.G., Brătucu Gh. (2011). Climatic Factors Measurement in a Warehouse without Automatic Control Systems in Bulletin of the Transilvania University of Brasov • Vol. 4 (53) No.1 – 2011 Series II- Forestry • Wood Industry • Agricultural Food Engineering, pag. 115-122, ISSN 2065-2135 (Print), ISSN 2065-2143 (CD-ROM).
[11]. Pasgianos, G., Arvanitis, K., Polycarpou, P., Sigrimis, N. (2003). A Nonlinear Feedback Technique for Greenhouse Environmental Control. Computers and Electronics in Agriculture, 40 (1–3), pp: 153–177.
[12]. Ponce P., Molina A., Cepeda P., Lugo E., MacCleery B. (2015). Greenhouse Design and Control, CRC Press, ISBN: 978-1-138-02629-2.
[13]. Rytter M., Sřrensen J.C., Jřrgensen B.N. (2012). Advanced model-based greenhouse climate control using multi-objective optimization. Acta Horticulturae, 957(957), pp: 29–35.
[14]. Shamshiri R. R., Kalantari F., Ting K. C., Thorp K. R. Hameed I. A., Weltzien6, Ahmad C. D., Shad Z. M. (2018). Advances in greenhouse automation and controlled environment agriculture: A transition to plant factories and urban agriculture, Int J Agric & Biol Eng, Vol. 11 No.1, pp:1-22.
[15]. Tiwari G. (2003). Greenhouse Technology for Controlled Environment. Pangbourne, England: Alpha Science International Ltd.
[16]. Zhang B., Yang L., Zhu J. C., Zhao Y. (2017). “Intelligent Monitoring System of Light Intensity and CO2 Concentration in Strawberries Greenhouse”, 2017 IEEE International conference on mechatronics and Automation
[17]. Woods M, Warren A S. (1988). Glass houses: A history of greenhouses, orangeries and conservatories. Rizzoli.
[18]. http://www.climatecontrol.com/blog/climate-manager-program/
[19]. https://www.lumigrow.com/smartpar-software/
[20]. https://www.monnit.com/solutions/greenhouse-monitoring
[21]. https://www.postscapes.com/smart-greenhouses/
Obiectivul fazei 2:
Elaborarea documentației de execuție a modelului funcțional de seră inteligentă, Execuția modelului funcțional de seră inteligentă.
Rezultate preconizate pentru atingerea obiectivului fazei:
- Proiectarea modelului funcțional seră inteligentă: realizată de către conducătorul de proiect în colaborare cu partenerul 1. Coordonatorul de proiect a elaborat proiectarea: modelului funcțional de seră inteligentă, cadrului suportului panourilor semiflexibile, sistemului de alimentare de siguranță, schema de forță, schema de comandă, schema senzorilor modelului funcțional de seră inteliogentă. Partenerul 1 a participat la stabilirea caracteristicilor construvtive ale modelului funcțional de seră inteligentă și la stabilirea soluțiilor tehnice alese.
- Execuția modelului funcțional seră inteligentă: realizat de către conducătorul de proiect în colaborare cu partenerul 1. Execuţia fizică şi montajul MF de seră inteligentă a fost realizată de către colectivul de lucru al conducătorului de proiect INMA Bucureşti, partenerul P1 -HORTING a asigurat asistența tehnică la montarea modelului funcțional de seră inteligentă.
- Actualizare pagina web proiect (faza 2).
Activităţi efectuate
Activitatea 2.1. ”Proiectare model funcțional seră inteligentă:”.
CARACTERISTICI TEHNICE MODEL FUNCȚIONAL DE SERĂ INTELIGENTĂ
1. Dimensiuni
Modelul funcțional de seră inteligentă proiectat în cadrul fazei 2 a proiectului pe baza cerințelor tehnice identificate în faza de studiu și corelat cu termenii de referință are următoarele caracteristici constructive:
- Suprafața: 0,03 ha
- Lătime: 10 m
- Lungime: 30 m
- Distanța între arce: 2,5m
- Distanța între stâlpii laterali pe lungimea serei: 2,5m
- Distanța între stâlpii intermediari pe lungimea serei: 2,5m
2. Structura metalică
Structura metalică de rezistență este formată din elemente metalice din tablă galvanizată, rezistentă la coroziune și medii umede, unite prin asamblări filetate și sudate. Aceasta este formată din:
- Stâlpii laterali: Țeavă galvanizată Φ 60 x 2,5 mm
- Stâlpii pe fronton: Țeavă rectangulară galvanizată 80x80x2,5mm
- Arcele:
Ř Tip: gotic, 10 m între stâlpi
Ř Material: Țeavă galvanizată Φ 60x1.5 mm + Φ 60x2.0mm (vârful)
Ř Distanța dintre arce: 2,5 m
- Arcele intermediare:
Ř Structura: Țeavă galvanizată Φ 33,7x1.5 mm
Ř Zăbrelire: 2 ranforsări tip V de la barele culturii la părțile superioare
Ř Susținător vertical: țeavă Φ 28x1,5
Ř Zăbrelele: țeavă Φ 28x1,5
Ř Contravântuiri: Ranforsări la toate arcele de fronton, de la primul arc la al doilea (intermed.)
- Arcele de fronton:
Ř Structura: Teavă galvanizată 80x80x2,5mm
Ř Contravantuiri: Ranforsări la toate arcele de fronton, de la primul arc la al doilea (intermed.)
Oțelul zincat – prezintă proprietăți mecanice cu rezistență ridicată la solicitări. Poate rezista în zonele cu climă umedă și extrem de uscată. Asigură integritatea structurală împotriva dezastrelor naturale (de exemplu vânturi foarte puternice).
3. Acoperirea
Modelul funcțional de seră inteligentă este acoperit cu folie rezistentă la radiație ultravioletă cu următoarele caracteristici:
Ř Sera va fi acoperită cu folie profesională triplustratificată de 200 microni în strat dublu.
Ř Parțial anumite zone vor fi acoperite cu policarbonat celular de 6mm.
Ř Poziția pe seră:
Ř Partea superioară : Folie (profesională triplustratificată de 200 microni) dublă inflată.
Ř Partea laterală: Folie (profesională triplustratificată de 200 microni) dublă inflată roluibilă.
Ř Pe capete vor fi închise primele intervale de seră cu policarbonat celular de 6mm.
Ř Frontoanele: Policarbonat cristal, celular de 6mm grosime.
Varianta de acoperire cu folie dublă inflată se face tot cu folie de 200 microni (2 folii), cu pernă/strat de aer pentru izolare termică.
Sistemul în sine, de folie dublă inflată pe o seră cuprinde:
Ř ventilatoare centrifugale cu aspirație simplă (220V, 0,08kWh)
Ř sistem de conducte rigide (Ř 110mm) pentru transportarea aerului
Ř sistem de conducte flexibile (Ř 60mm) și flanșe pentru folie pentru transportarea aerului
Ř senzor de presiune -presostat - (0.00-0.15 mbari; presiune maxima admisă 0,5mbari, 220V)
Sistemul permite umflarea foliei duble instalate pe sere. Presiunea este controlată cu ajutorul unui senzor de presiune, care se reglează în funcție de pierderile de aer.
Pompa de aer (ventilatorul centrifugal) este special concepută pentru sere si solarii.
În figura 1 se prezintă modelul 3D al modelului funcțional de seră inteligentă.
Fig.1. Model funcțional de seră automatizată independent energetică
În figura 2 se prezintă vederea frontală 2D a documentației de execuție a modelului funcțional de seră inteligentă, formată din elementele principale: 1 – elemente seră SPVG 10x30; 2 – cadru suport panouri semiflexibile; 3 – sistem de alimentare de siguranță; 4 – panou fotovoltaic semiflexibil.
Fig.2. Model funcțional de seră automatizată independent energetică – vedere frontală
1 – elemente seră SPVG 10x30; 2 – cadru suport panouri semiflexibile; 3 – sistem de alimentare de siguranță; 4 – panou fotovoltaic semiflexibil
4. Condiții tehnice
Ř Toate profilele, inclusiv jgheaburile, sunt zincate în galvanizare continuă (Sendzimir cu 275grame Zn/mp, adică profilul de otel traversează o baie de zinc topit cu o viteză de câteva sute de metri pe minut.
Ř Pentru uscare se foloseste un sistem pneumatic cu aer si nitrogen, astfel încât se obtine o lipire a stratului de zinc foarte puternică, mult mai rezistentă la impact si deformări, un aspect neted si fin fără porozitati care să zgârie sau degradeze prematur folia de acoperire.
Ř Folie profesională triplustratificată de 200 microni, rezistentă la ultraviolete (UV), elongatie 600% (EVA), strat exterior anti-praf, transparența 90%, difuzie 25% și interior anti-condens. Garantie 45 de luni si durata de viată de aproximativ 72 de luni.
ü Strat exterior: rezistent si anti-aderent, este prevăzut cu aditivi UV
ü Strat central: termic: continut ridicat de EVA, asigură termicitatea
ü Strat interior: prevede difuzie bună de lumină si co-stabilizatori împotriva pesticidelor
Ř Prinderea foliei pe structură se face prin clipsare în profile din aluminiu cu baghete din PVC.
Ř Accesul se va face pe unul dintre frontoane printr-o usă glisantă.
Ř Cadrul usii va fi prevăzut cu perii pentru a ajuta la etanseizarea închiderii.
Ř Usile au cadru de otel galvanizat si sunt placate cu policarbonat de 6mm. Glisarea se face cu role încastrate într-o sină de glisare.
Ř Organele de asamblare de rezistență mare - coliere, inele de prindere, etc. sunt galvanizate prin zincare la cald în baie de zinc.
Șuruburile, piulițele, bările filetate: de rezistență mare la rupere și forfecare sunt galvanizate.
CARACTERISTICI TEHNICE SISTEM PENTRU INDEPENDENȚĂ ENERGETICĂ
Sistemul pentru independența energetică a fost proiectat astfel încât să asigure o putere instalată de 3 kW electrici. Sistemul este format dintr-o matrice de panouri fotovoltaice monocristaline conectate în serie și în paralel la un controller de încărcare de 24 Vcc care comandă tensiune de încărcare a sistemului de stocare a energiei electrice format din 4 baterii de 200 Ah, conectate astfel încât la ieșire să dea o tensiune de 24 Vcc. Pentru convertirea tensiunii de stocare din curent continuu în curent alternativ se folosește un invertor 24 Vcc – 220 Vca.
1. Panou Fotovoltaic Flexibil Monocristalin 160W 12V
- Putere Maxima: 160W
- Voltaj Maxim: 19,30V
- Curent Maxim: 7.58A
- Voltaj Circuit Deschis: 23,6 V
- Curent Scurt-Circuit: 8,09A
- Temperatura de Operare: -40C - 50C
- Voltaj maxim DC: 600V
- Toleranța: 0/+5
- Masa: 6.18Kg
- Dimensiuni: 1500x670x3mm
- Număr: 12 buc
În figura 4 și 5 se prezintă proiectul de execuție pentru suportii panourilor fotovoltaice adiacent modelului funcțional de seră inteligentă.
Fig.4. Amplasarea panourilor fotovoltaice semiflexibile
Fig.5. Model funcțional de seră inteligentă – vedere frontală
1 – panouri fotovoltaice semiflexibile
În figura 6 se prezintă proiectul de execuție a cadrului suport pentru panourile fotovoltaice.
2. Caracteristici invertor sinus
- Tip convertor: DC/AC
- Putere de ieşire: 1.8kW
- Tensiune ieşire: 230V AC
- Subtip mufă ieşire: alimentare 230V
- Protecţie; împotriva suprasarcinilor, împotriva suprasarcinilor, protecţie împotriva supraîncărcării, scurtcircuit, termică
- Caracteristici alimentatoare/convertizoare; sinusoidă curată
- Temperatura de lucru: 0...40°C
3. Caracteristici controller încărcare
- Configurații de tensiune: 12 și 24 VCC
- Max. PV Tensiune de circuit deschis: 55 VCC
- Curent de încărcare / încărcare la 25°C: 35 Amper CC
- Max. Curent maxim: 85 Amperi
- Max. Scăderea tensiunii prin controler: 0,30 Volți
- Dimensiunea recomandată a întreruptorului: 45 Amperi
- Dimensiunea sârmei recomandate: # 8 AWG
4. Caracteristici baterie solară
- Baterie (acumulator) cu GEL tip deep cycle
- Capacitate: 150VA
- Tensiune: 12V
SCHEME ELECTRICE SISTEM DE AUTOMATIZARE ȘI SISTEM PENTRU INDEPENDENȚĂ ENERGETICĂ
Sistemul de automatizare a modelului funcțional de seră inteligentă este format dintr-un PLC cu intrări digitale de tip FX3G-60M și modul extensie analogică de tip FX3U-4AD, terminal de operare de tip GS 2107-WTBQ, senzori de temperatură și umiditate relativă a aerului tip E160, , senzor de dioxid de carbon de tipXXX și elementele de execuție (pompa, ventilator, schimbator de caldura) ale serei inteligente.
Modul de funcționare al sistemului de automatizare este în buclă închisă pentru fiecare mărime reglată astfel: se setează valoarea de referință pentru mărimea reglată, se compară în permanență valoarea de referința cu valoarea reală măsurată de senzor și prin intermediul unui algoritm de reglare de tip PID se reglează comanda elementelor de execuție astfel încât diferența referință-valoare reală să fie minimă. De asemenea inteligența sistemului este dată de modul de predicție a valorilor măsurate în funcție de valorile anterioare și de momentul zilei. În cadrul sistemului de automatizare există bucle de reglare pentru temperatura interioară, umiditatea relativă și concentrația de CO2.
În figura 8 se prezintă schema electrică de conexiune a sistemului pentru independența energetică (format din panouri fotovoltaice semiflexibile de 160 W, regulatorul de încărcare, sistemul de stocare a energiei electrice cu baterii și invertor) și elementele de execuție ale sistemului de automatizare a modelului funcțional de seră inteligentă ( format din două pompe P1 și P2, ventilator de răcire și schimbătorul de căldură).
Fig.6. Schemă forță model funcțional seră inteligentă
Fig.7. Schemă comandă model funcțional seră inteligentă: TO – terminal de operare, FX3G-60M - PLC, K1, K2, K3, K4 – contactoare de comanda elemente de executie, Ev1, EV2, EV3, Ev4 – electrovalve
CONCLUZII
Rezultatele planificate ale Fazei 2, activitatea 2.1, sunt realizate integral, astfel rezultatele tehnice fiind concretizate prin: Proiectare model funcțional de seră inteligentă.
Activitatea 2.2.”Execuție model funcțional seră inteligentă”
În cadrul Fazei 2, Activitatea 2.2 s-a realizat execuţia modelului funcțional SAIE-0 de seră inteligentă.
Execuţia modelului funcțional SAIE-0 de seră inteligentă s-a realizat la coordonatorul proiectului, INMA Bucureşti.
Rezultatele planificate au fost realizate integral, rezultatele fiind concretizate prin realizarea modelului funcțional de seră inteligentă, simbolizat SAIE-0, iar cele referitoare la cheltuieli în conformitate cu devizul şi centralizatorul de cheltuieli, în conformitate cu Planul de realizare.
Execuţia fizică şi montajul MF de seră inteligentă a fost realizată de către colectivul de lucru al conducătorului de proiect INMA Bucureşti.
Partenerul P1 -HORTING la proiect a asigurat asistența tehnică la montarea modelului funcțional de seră inteligentă.
Fig.8. Model funcțional de seră seră inteligentă SAIE-0
Aspecte din timpul realizării modelului funcțional de seră inteligentă.
În figura 9 este prezentat modul de amplasare a modelului funcțional de seră inteligentă.
a b
c d
Fig.9. Amplasarea a modelului funcțional de seră inteligentă
În figura 10 de mai jos este prezentat modul de amplasare și montare a arcelor modelului funcțional de seră inteligentă.
a
b c
d e
Fig.10.a,b,c,d,e Amplasarea și montarea arcelor modelului funcțional de seră inteligentă.a modelului funcțional de seră inteligentă
În figura 11 de mai jos este prezentat modul de acoperire cu folie a modelului funcțional de seră inteligentă.
a b c
Fig.11.a,b,c Acoperirea cu folie a modelului funcțional de seră inteligentă
În figura 12 de mai jos este prezentat modul de realizarea cadrului panourilor fotovoltaice ce asigură independența energetică a modelului funcțional de seră inteligentă.
a b c
Fig.12.a,b,c,d Realizarea cadrului panourilor fotovoltaice ce asigură independența energetică a modelului funcțional de seră inteligentă
În figura 13 de mai jos este prezentat modul de prindere a panourilor fotovoltaice pe cadrul de susținere modelului funcțional de seră inteligentă, precum și intregrarea acestuia în modelul funcțional de seră inteligentă.
a b c
d e f
g h
Fig.13.a,b,c,d,e,f,g,h,i Prinderea panourilor fotovoltaice pe cadrul de susținere modelului funcțional de seră inteligentă, precum și intregrarea acestuia în modelul funcțional de seră inteligentă
În figura 14 de mai jos este prezentat modul de prindere a panoului de comandă cu terminalul de operare, precum și intregrarea acestuia în modelul funcțional de seră inteligentă.
a b
Fig.14.a,b Prinderea panoului de comandă cu terminalul de operare, precum și intregrarea acestuia în modelul funcțional de seră inteligentă
a b
Fig.15.a,b Model funcțional de seră inteligentă cu sistem de asigurare a independenței energetice
Rezultatele planificate ale Fazei 2, Activitatea 2.2, sunt realizate integral, astfel rezultatele tehnice fiind concretizate prin: Execuție model funcțional de seră inteligentă.