عنوان پایان‌نامه
طراحی، ساخت و ارزیابی سامانه کشت دوار با کنترل فازی دور کود آبیاری مبتنی بر برآوردهای تبخیر- تعرق و بهره گیری از انرژی خورشیدی
- رشته تحصیلی
- مهندسی کشاورزی - مکانیک ماشین های کشاورزی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس کشاورزی و منابع طبیعی شماره ثبت: 7380;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 80881;کتابخانه مرکزی پردیس کشاورزی و منابع طبیعی شماره ثبت: 7380;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 80881
- تاریخ دفاع
- ۱۰ تیر ۱۳۹۶
- دانشجو
- سیدایمان ساعدی
- استاد راهنما
- رضا علیمردانی
- چکیده
- درک چالش هایی که به لحاظ افزایش جمعیت و کاهش منابع آب، انرژی، خاک حاصلخیز و غیره ایجاد شده است این نکته را روشن ساخته که ساختارها و شرایط موجود نمی توانند پاسخگوی نیازهای روزافزون در تأمین غذای بشر باشند. از این رو، اصلاح الگوی کشت و توجه به روش های نوین تولید محصولات کشاورزی با ایجاد امکان تولید بیشترین میزان محصول با بالاترین کیفیت و در هر شرایط آب و هوایی و اقلیمی، می تواند راهگشا باشد. در این میان، روش های کشت در محیط‌های کنترل‌شده و روش های کشت متراکم مانند هیدروپونیک با تکیه بر انرژی های تجدیدپذیر جایگاه مهمی دارند. به منظور پاسخ به این مسائل، در این پژوهش یک سامانه کشت هیدروپونیک دوار (با نام SARCS) طراحی و ساخته شد که کار کشت را در محیط بسته و با بیشینه استفاده از فضا صورت می دهد، مجهز به سامانه کنترل فازی دور کودآبیاری برای انجام آبیاری بر اساس تشخیص نیاز آبی گیاهان است، و انرژی مورد نیاز خود را از طریق پنل های فتوولتائیک از نور خورشید دریافت می کند. واحد کشت دوار شامل استوانه کشت با محرک زنجیری، سینی های کشت، منبع نور داخلی، مخازن محلول غذایی همراه با پمپ، و الکتروموتور می باشد. گیاهان در محیط استوانه در داخل سینی های کشت در جهت رو به مرکز استوانه، جایی که نور مصنوعی (لامپ های LED) برای تأمین نور به گیاهان قرار داده شده است، رشد می کنند. دوران استوانه حول محول افقی به صورت پیوسته و با سرعت کم است که باعث می شود واحدهای کشت به ترتیب به مخزن زیرین استوانه (مخزن ثانویه) که مجهز به حسگر سطح آب است وارد شده و آب و غذای لازم را دریافت نمایند. کنترل دور کودآبیاری با برآورد تبخیر و تعرق گیاه به کمک منطق فازی و با ورودی های دما، رطوبت نسبی و نور صورت گرفت. مقادیر تبخیر و تعرق برآورد شده آنی با هم جمع شده تا حدی از تبخیر و تعرق تجمعی حاصل آید که بر اساس آن رطوبت بستر ریشه به حدی کمتر از آب سهل الوصول گیاه برسد. در این زمان دستور آبیاری (پمپاژ آب از یک مخزن اولیه به مخزن ثانویه تا ارتفاع لازم) صورت می گیرد. واحد استحصال انرژی خورشیدی که متشکل از پنل های فتوولتائیک، دستگاه MPPT، اینورتر و باتری ها است وظیفه تأمین انرژی سامانه را بر عهده دارد. نتایج حاصل از طراحی سامانه خورشیدی نشان داد که این واحد قادر است به طور متوسط 51.16 % از نیاز انرژی کل سامانه را در طول سال در اقلیم شهرستان کرج تأمین نماید. به منظور ارزیابی عملکرد سامانه، نشاءهای 30 روزه کاهو در دو روش آبیاری On/Off (مبتنی بر محل حسگرهای سطح آب) و فازی (مبتنی بر کنترل فازی دور کودآبیاری) در داخل کیسه های کشت محتوی نسبت های مساوی پرلیت و کوکوپیت کاشته شدند. نتایج حاصل از این دو کشت که هریک 33 روز به طول انجامید نشان داد که با استفاده از این سامانه تراکم کشت کاهو نسبت به روش مزرعه ای و گلخانه ای به طور متوسط 12 و چهار برابر بیشتر است. نتایج حاصل از بررسی میزان مصرف انرژی نشان داد که در دو کشت فازی و On/Off تفاوتی در میزان مصرف انرژی وجود نداشت، اما در کشت فازی نسبت به کشت On/Off برای تولید هر کیلوگرم محصول قابل مصرف 74.33 % انرژی کمتری استفاده شد. در دو کشت فازی و On/Off که هر دو در زمستان انجام گرفت به ترتیب 58.81 %و48.41 % انرژی مورد نیاز از تابش خورشیدی حاصل شد. مقایسه مصرف آب در روش فازی نسبت به روش On/Off حاکی از کاهش 24 % مصرف آب اما افزایش 74.47 % میزان محصول قابل مصرف بود. برای تولید یک کیلوگرم زیست توده خشک و زیست توده تازه، در کشت فازی به ترتیب به میزان 50.41 % و 55.53 % آب کمتری نسبت به کشت On/Off نیاز بود. همچنین، تولید یک کیلوگرم محصول قابل مصرف در روش فازی نسبت به روش On/Off به میزان 56.46 % آب کمتری نیاز داشت. در نهایت، روش های On/Off و فازی نسبت به روش مزرعه ای به طور متوسط کاهش 15 برابری آب مورد نیاز برای پرورش هر بوته کاهو را به همراه داشتند. مقایسه شاخص های رشدی گیاه در دو کشت فازی و On/Off نشان از برتری معنی دار (05/0 > P) تمامی این شاخص ها در کشت فازی نسبت به کشت On/Off بود. در مجموع، نتایج نشان داد که اولاً توسعه روش های کشت فشرده می تواند در تولید پایدار محصولات کشاورزی و امنیت غذایی نقش مهمی ایفا کند. همچنین، استفاده از انرژی خورشیدی برای انجام عملیات کشاورزی در صرفه جویی منابع انرژی فسیلی و کاهش آلودگی هوا بسیار موثر است. در نهایت، آبیاری هدفمند و مبتنی بر نیاز گیاه که کاهش قابل ملاحظه مصرف آب را به همراه دارد نه تنها باعث افت کیفیت محصول تولیدی نمی شود بلکه باعث بهبود فراوان این شاخص ها می گردد. لذا این راهبرد را می توان در سایر روش های کشت مزرعه ای و گلخانه ای نیز استفاده نمود.
- Abstract
- Global increase in food demand and challenges regarding water, energy and fertile soil has revealed that current strategies are no longer efficient in maintaining food safety. Therefore, attention to novel, science-based, season and climate-independent farming methods which could result in higher crop quality and quantity is an inescapable decision. Among all agricultural practices and technologies, intensive culture and hydroponic methods in controlled environments play an important role. To address these challenges, an indoor solar-powered auto-irrigate rotary cropping system (SARCS) was designed and implemented. Arrangement of plants in the surface area of an open-ended drum makes it possible to use space rather than area to maximize the acreage. An embedded fuzzy control system managed the irrigation process based on the plant water requirement predictions and photovoltaic panels (PVs) was responsible for system electrical energy provision. The drum rotates about its horizontal axis where LED lamps are positioned to provide light to plants. This structure causes the plants gain the light illumination efficiently while getting access to water accumulated in the secondary tank positioned beneath the drum. Fertigation fuzzy control was based on plant evapotranspiration (ET) estimations with temperature, humidity, and light as its inputs. The instantaneous estimated ETs which were measures for root substrate moisture were summed until reaching its critical value which is equivalent to plant available water. This tends to triggering a pump submerged in a primary tank to fill the secondary one up to a predefined height ruled by level sensor. The solar energy system consisted of PVs, MPPT, inverter, and battery bank. The SARCS evaluation procedure included two valid lettuce cultivation in grow bags filled with the same proportions of perlite and coco peat as a root substrate. The first cultivation used water level sensors to rule the irrigation process (non-fuzzy) while the second one (fuzzy) were governed by fertigation cycle fuzzy control. The results showed that employing these two modes increased lettuce planting density to about 12 and 4 times the open field and greenhouse culture, respectively. The energy consumption evaluation revealed that in fuzzy and non-fuzzy approaches the same amounts of energy were needed. But in fuzzy mode the amount of energy consumed per kilogram of marketable lettuce was 74.33% less than in non-fuzzy mode. Fuzzy and non-fuzzy modes utilized 51.59 % and 48.41 % of the total energy requirements from PV, respectively. It was calculated that the solar system is able to supply 51.16 % of SARCS total annual energy requirements in Karaj climate. The results of water consumption evaluations revealed that fuzzy approach could cut the needed water to 24 %, and improved the marketable product to 74.47 %. For producing one kilogram dry and fresh biomass, fuzzy mode used 50.41 % and 55.53 % less water than non-fuzzy, respectively. Furthermore, one kilogram marketable product in fuzzy approach needed 56.46 % less water than in non-fuzzy. Non-fuzzy and fuzzy modes were able to cut the water needed for growing one lettuce plant to about 15 times, as compared to field culture. The comparison of growth parameters of harvested lettuce in the two said approaches revealed that fuzzy mode would have significantly (P<0.05) higher results in all parameters. Consequently, the results suggested that the development of intensive culture strategies would play an important role in sustainable agricultural production and food safety. Also, solar energy utilization in farming practices could save fossil resources and cut air pollutions. Finally, purposeful irrigation approaches which are based on plant water requirement predictions can cut the total water consumption and improve products quality significantly. This strategy, therefore can be introduced to other farming practices such as field and greenhouse methods. Keywords: Rotary Hydroponic Cropping, LED Lamp, Fuzzy Control, Plant Water Requirement, Solar Energy, Crop Yield, Growth Parameters.
