ระบบ Plant Factory หรือ PFAL ใช้แสงประดิษฐ์เป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับการสังเคราะห์แสง การออกแบบระบบแสงจึงไม่ได้จบเพียงการเลือกหลอดไฟที่มีกำลังวัตต์สูงหรือเลือกสีของแสง แต่ต้องพิจารณาร่วมกันทั้งปริมาณแสง ระยะเวลาเปิดไฟ ความสม่ำเสมอ อุณหภูมิบริเวณทรงพุ่ม และพลังงานที่ระบบใช้จริง
ระบบที่ออกแบบไม่เหมาะสมอาจพบว่าต้นไม้บริเวณกลางชั้นได้รับแสงมากเกินไป ขณะที่ต้นริมชั้นได้รับแสงไม่พอ ส่งผลให้ขนาดและระยะเก็บเกี่ยวไม่สม่ำเสมอ แม้ค่าเฉลี่ยของแสงทั้งชั้นจะดูเพียงพอก็ตาม บทความนี้จึงอธิบายวิธีนำค่า PPFD และ DLI มาใช้เป็นข้อมูลตั้งต้นสำหรับออกแบบระบบแสงใน Plant Factory อย่างเป็นขั้นตอน
ทำความเข้าใจค่าที่ใช้วัดแสงปลูกพืช
ก่อนเลือกโคมหรือกำหนดจำนวนไฟ ควรแยกความหมายของค่าที่เกี่ยวข้องกับแสงให้ชัดเจน เพราะแต่ละค่าใช้ตอบคำถามคนละแบบ
| ค่า | ความหมาย | นำไปใช้อย่างไร |
|---|---|---|
| PPF | จำนวนโฟตอนสำหรับการสังเคราะห์แสงที่โคมปล่อยออกมาต่อวินาที | ใช้เปรียบเทียบกำลังแสงรวมของโคม |
| PPFD | ปริมาณโฟตอนที่ตกถึงพื้นที่ปลูกในแต่ละวินาที | ใช้วัดแสงจริงบริเวณยอดพืช |
| DLI | ปริมาณแสงสะสมทั้งหมดที่พืชได้รับในหนึ่งวัน | ใช้กำหนด PPFD ร่วมกับชั่วโมงเปิดไฟ |
| Photoperiod | จำนวนชั่วโมงที่ให้แสงและช่วงเวลามืด | ใช้จัดตารางเปิด–ปิดไฟให้สัมพันธ์กับชนิดพืช |
| Efficacy | ประสิทธิภาพการเปลี่ยนไฟฟ้าเป็นโฟตอน มีหน่วย µmol/J | ใช้เปรียบเทียบประสิทธิภาพพลังงานของโคม |
กำลังไฟฟ้าหน่วยวัตต์บอกว่าโคมใช้ไฟเท่าไร แต่ไม่ได้บอกว่าพืชได้รับแสงจริงเท่าไร การออกแบบ Plant Factory จึงควรดูข้อมูล PPFD Map ที่ระยะติดตั้งจริงร่วมด้วย
วิธีคำนวณ DLI
DLI หรือ Daily Light Integral คือปริมาณแสงสะสมที่พืชได้รับตลอดหนึ่งวัน สามารถคำนวณได้จากสูตร:
DLI = PPFD × ชั่วโมงเปิดไฟ × 3,600 ÷ 1,000,000
ตัวอย่าง หากวัด PPFD ที่ระดับยอดพืชได้ 200 µmol·m⁻²·s⁻¹ และเปิดไฟวันละ 16 ชั่วโมง
200 × 16 × 3,600 ÷ 1,000,000 = 11.52 mol·m⁻²·day⁻¹
ถ้าเพิ่ม PPFD เป็น 250 โดยเปิดไฟเท่าเดิม จะได้ DLI เท่ากับ 14.4 mol·m⁻²·day⁻¹ สูตรนี้ช่วยให้ผู้ปลูกปรับสมดุลระหว่างความเข้มแสงกับชั่วโมงเปิดไฟได้ แต่ไม่ควรเพิ่มความเข้มแสงโดยดู DLI เพียงอย่างเดียว เพราะพืชแต่ละชนิดมีระดับความเข้มแสงที่รับได้ต่างกัน อ่านหลักการคำนวณเพิ่มเติมได้จาก คู่มือ DLI ของ Virginia Tech
ค่าตั้งต้นสำหรับทดลองระบบ
ตารางต่อไปนี้เป็นช่วงสำหรับเริ่มทดลองและเก็บข้อมูล ไม่ใช่มาตรฐานตายตัว ค่าที่เหมาะสมจริงยังขึ้นอยู่กับชนิดพืช สายพันธุ์ ระยะการเจริญเติบโต อุณหภูมิ ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ และเป้าหมายด้านผลผลิตหรือสารสำคัญ
| กลุ่มพืช | PPFD ตั้งต้น | ชั่วโมงให้แสง | DLI โดยประมาณ |
|---|---|---|---|
| ต้นกล้า | 100–150 | 14–16 ชั่วโมง | 5.0–8.6 |
| ผักกินใบ | 150–250 | 14–18 ชั่วโมง | 7.6–16.2 |
| สมุนไพรและพืชสะสมมวลใบ | 200–350 | 14–18 ชั่วโมง | 10.1–22.7 |
งานทดลองกับผักสลัดสายพันธุ์หนึ่งพบว่า PPFD 250 µmol·m⁻²·s⁻¹ ร่วมกับการให้แสง 16 ชั่วโมงให้ผลเหมาะสมภายใต้เงื่อนไขของการทดลองนั้น แต่ไม่ควรนำค่าเดียวกันไปใช้กับทุกสายพันธุ์โดยไม่ทดสอบ สามารถดูรายละเอียดได้จาก งานวิจัยเรื่องสภาพแสงสำหรับผักสลัดใน Plant Factory
ขั้นตอนออกแบบระบบแสงใน Plant Factory
1. เริ่มจากชนิดพืชและเป้าหมายการผลิต
ระบุให้ชัดว่าระบบจะใช้ปลูกต้นกล้า ผักกินใบ สมุนไพร หรือพืชให้ผล เพราะแต่ละกลุ่มต้องการแสง ความสูงระหว่างชั้น และระยะเวลาปลูกต่างกัน ระบบสำหรับผักสลัดไม่ควรนำไปใช้กับมะเขือเทศหรือพืชให้ผลโดยตรง เนื่องจากพืชกลุ่มหลังต้องการทั้งแสงและพื้นที่แนวตั้งมากกว่า
หากยังไม่ได้เลือกพืช สามารถดูแนวทางได้จากบทความ พืชที่นิยมปลูกในระบบ Plant Factory ก่อนกำหนดรูปแบบชั้นและระบบไฟ
2. กำหนดขนาดพื้นที่ปลูกจริง
วัดความกว้างและความยาวของแต่ละชั้น รวมถึงตำแหน่งรางปลูก ระยะห่างระหว่างต้น และความสูงสูงสุดของทรงพุ่มก่อนเลือกโคม ระยะระหว่างโคมกับยอดพืชมีผลโดยตรงต่อทั้งความเข้มและการกระจายแสง
3. ออกแบบรูปแบบโคมและตำแหน่งติดตั้ง
โคมแบบบาร์และแบบแผงมีรูปแบบการกระจายแสงต่างกัน การเลือกต้องพิจารณาร่วมกับความกว้างของชั้น ความสูงติดตั้ง และตำแหน่งปลูก สามารถอ่านรายละเอียดเพิ่มเติมได้ในบทความ การเลือกโครงสร้างไฟปลูกต้นไม้
4. ตรวจ PPFD Map ที่ระยะติดตั้งจริง
ควรวัดแสงเป็นตารางหลายตำแหน่ง ทั้งกลางชั้น ริมชั้น และมุมชั้น แล้วเปรียบเทียบค่าต่ำสุด ค่าเฉลี่ย และค่าสูงสุด อย่าวัดเฉพาะตรงกลาง เพราะมักเป็นบริเวณที่ได้รับแสงมากที่สุดและไม่สะท้อนความสม่ำเสมอของทั้งพื้นที่
5. ตรวจความร้อนและการไหลเวียนอากาศ
แม้ LED จะมีประสิทธิภาพสูง แต่พลังงานไฟฟ้าส่วนหนึ่งยังกลายเป็นความร้อนและเพิ่มภาระให้ระบบควบคุมอุณหภูมิ จึงต้องพิจารณาการระบายอากาศ พัดลมหมุนเวียน และกำลังของเครื่องปรับอากาศร่วมกัน
ควรวัดทั้งอุณหภูมิอากาศและอุณหภูมิบริเวณใบ เนื่องจากอุณหภูมิใบมีผลต่อการคายน้ำและการตอบสนองต่อแสงของพืช แนวคิดนี้เป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบ Controlled Environment Agriculture ที่ต้องควบคุมปัจจัยหลายด้านร่วมกัน
วิธีเลือก LED Grow Light
ข้อมูลสำคัญที่ควรตรวจสอบก่อนเลือกซื้อและติดตั้งโคม ได้แก่
- PPFD Map ที่ระยะติดตั้งใกล้เคียงกับการใช้งานจริง
- ประสิทธิภาพของโคมหน่วย µmol/J
- พื้นที่ครอบคลุมและความสม่ำเสมอของแสง
- ความสามารถในการหรี่ไฟ
- การป้องกันความชื้นและละอองน้ำ
- อายุการใช้งานและเงื่อนไขรับประกัน
- รูปแบบโคมที่เข้ากับชั้นปลูก
- ความสะดวกในการถอดล้างและบำรุงรักษา
ค่า Watt และสีของหลอดเพียงอย่างเดียวยังไม่เพียงพอสำหรับตัดสินว่าโคมเหมาะกับพื้นที่ปลูกหรือไม่
จำเป็นต้องใช้ไฟสีแดงและสีน้ำเงินหรือไม่
พืชใช้แสงหลายช่วงความยาวคลื่น ไม่ได้ใช้เฉพาะแสงสีแดงกับสีน้ำเงินเท่านั้น ไฟแบบ Full Spectrum หรือแสงขาวสามารถใช้เป็นฐานสำหรับระบบปลูกทั่วไป อีกทั้งช่วยให้ผู้ดูแลมองเห็นสีใบ อาการขาดธาตุอาหาร และความผิดปกติของพืชได้ง่ายกว่า
แสงสีแดง สีน้ำเงิน สีเขียว และ Far-red สามารถส่งผลต่อทรงต้น สีใบ การยืดตัว และการสะสมสารบางชนิดแตกต่างกัน แต่ไม่มีสูตรสีเดียวที่เหมาะกับพืชทุกชนิด งานทบทวนด้านผักสลัดใน PFAL ชี้ว่าผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย รวมถึงสายพันธุ์และความสม่ำเสมอของ PPFD สามารถอ่านได้จาก งานทบทวนระบบแสงสำหรับผักสลัดใน PFAL
สำหรับพืชสมุนไพรที่ต้องการควบคุมสารสำคัญ สูตรแสงควรถูกออกแบบเป็นการทดลองแยกจากระบบผลิตผักกินใบทั่วไป ดูแนวทางเพิ่มเติมได้ที่ Plant Factory สำหรับสมุนไพรและสารสกัด
วิธีคำนวณพลังงานของระบบไฟ
สูตรพื้นฐานสำหรับประเมินการใช้ไฟฟ้าคือ:
พลังงานต่อวัน = กำลังไฟรวม × ชั่วโมงเปิดไฟ ÷ 1,000
ตัวอย่าง ชั้นปลูกใช้ไฟรวม 400 วัตต์ เปิดวันละ 16 ชั่วโมง
400 × 16 ÷ 1,000 = 6.4 kWh ต่อวัน
ถ้าเปิด 30 วัน จะใช้ไฟประมาณ 192 kWh ต่อเดือนต่อชั้น ยังไม่รวมพัดลม ปั๊มน้ำ ระบบควบคุม และเครื่องปรับอากาศ ดังนั้นการเปรียบเทียบโคมควรดูทั้งผลผลิตต่อพื้นที่ พลังงานที่ใช้ และภาระระบบทำความเย็น ไม่ควรดูเฉพาะราคาซื้อโคม
การใช้เซนเซอร์และระบบ Smart Farm
ระบบควบคุมแสงสามารถทำงานร่วมกับเซนเซอร์และ ระบบ Smart Farm เพื่อจัดการและติดตามข้อมูล เช่น
- ตั้งเวลาเปิด–ปิดไฟ
- ปรับระดับการหรี่ไฟตามช่วงการเจริญเติบโต
- ตรวจสถานะว่าโคมทำงานจริงหรือไม่
- บันทึก PPFD และชั่วโมงการทำงาน
- แจ้งเตือนเมื่ออุณหภูมิชั้นปลูกสูงเกินกำหนด
- เปรียบเทียบข้อมูลแสงกับน้ำหนักเก็บเกี่ยวแต่ละรอบ
การเก็บข้อมูลต่อเนื่องจะช่วยพัฒนาสูตรแสงที่เหมาะกับพืชและระบบจริงของฟาร์มได้ดีกว่าการใช้ค่าจากตารางเพียงอย่างเดียว
ตรวจระบบก่อนเริ่มปลูกจริง
- ติดตั้งโคมตามตำแหน่งที่ออกแบบไว้
- เปิดระบบจนถึงสภาวะทำงานปกติ
- วัด PPFD เป็นตารางที่ระดับยอดพืช
- คำนวณ DLI จาก PPFD เฉลี่ยและชั่วโมงเปิดไฟ
- ตรวจอุณหภูมิกลางชั้น ริมชั้น และบริเวณยอดพืช
- บันทึกค่าตั้งต้นของแต่ละชั้น
- ทดลองปลูกขนาดเล็กก่อนขยายทั้งระบบ
- ชั่งน้ำหนักและบันทึกคุณภาพผลผลิตหลังเก็บเกี่ยว
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย
- เลือกโคมจากกำลังวัตต์โดยไม่ดู PPFD
- วัดแสงเฉพาะตรงกลางชั้น
- ไม่คำนวณ DLI
- ใช้ค่าเดียวกับพืชทุกชนิดและทุกระยะการเจริญเติบโต
- ติดตั้งไฟใกล้ยอดพืชมากเกินไป
- ไม่คำนวณภาระของระบบทำความเย็น
- ใช้ Lux Meter เป็นค่าหลักในการออกแบบแสงสำหรับพืช
- ไม่มีระบบหรี่ไฟสำหรับปรับสูตรในภายหลัง
- ไม่บันทึกผลผลิตเทียบกับพลังงานที่ใช้
สรุปการออกแบบแสง Plant Factory
ระบบแสงที่ดีสำหรับ Plant Factory ต้องให้ปริมาณแสงเหมาะสมและกระจายทั่วพื้นที่ ไม่ใช่เพียงทำให้ค่า PPFD ตรงกลางชั้นสูงที่สุด
การออกแบบควรเริ่มจากชนิดพืช เป้าหมาย DLI ขนาดพื้นที่ปลูก ระยะติดตั้งไฟ และความสม่ำเสมอ ก่อนนำมาคำนวณจำนวนโคม ชั่วโมงเปิดไฟ พลังงาน และภาระระบบทำความเย็น เมื่อระบบเริ่มใช้งานแล้วควรบันทึกข้อมูลการปลูกแต่ละรอบ เพื่อปรับสูตรแสงให้เหมาะกับฟาร์มจริงต่อไป
