Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển các thông số cơ bản trong nhà kính

Do đó, xây dựng hệ thống nhà kính có khả năng điều khiển tự động các thông số cơ bản: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và nồng độ CO2 phù hợp với điều kiện địa lý và khí hậu ở Đà Lạt là cần thi

TRẦN THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC

THÔNG SỐ CƠ BẢN TRONG NHÀ KÍNH

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011

Để hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ này tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đặc biệt các thầy, cô trong Bộ môn Cơ Điện Tử đã trang bị và giúp đỡ cho tôi nhiều kiến thức hay và bổ ích

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến người đã tận tình chỉ bảo định hướng cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài, những chỉ bảo và góp ý của thầy là vô cùng quý giá đối với tôi để có thể thực hiện thành công đề tài này

Tôi cũng xin cảm ơn thầy TS.Nguyễn Duy Anh đã có những góp ý, chỉnh sửa quý báu giúp tôi làm tốt đề tài

Bên cạnh đó tôi cũng xin cảm ơn các bạn trong Lab Hi-Tech Mechatronics đã giúp tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin cám ơn công ty Đa Lat Gap - Lâm Đồng đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện phần thực nghiệm

Cuối cùng, xin cảm ơn các anh, chị và các bạn trong lớp cao học Cơ Điện Tử K2009, đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự chỉ dẫn và đóng góp của quý thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

Luận văn tập trung nghiên cứu khảo sát hệ thống nhà kính hiện tại trong nước và trên thế giới Từ đó đưa ra cấu trúc nhà kính phù hợp với điều kiện khí hậu nước ta với giá thành thấp

Thiết kế các hệ thống phụ trợ giúp cho việc điều khiển các thông số cần thiết cho môi trường trong nhà kính Các hệ thống phụ trợ đã thiết kế gồm hệ thống thông gió,

hệ thống che sáng, phun sương, hệ thống phun CO2

Nội dung chính của luận văn là trên cơ sở hệ thống nhà kính đã thiết kế đưa ra giải thuật điều khiển ánh sáng, nồng độ CO2 Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính Đưa ra giải thuật điều khiển nhiệt độ và độ ẩm

Thông qua giao diện thiết kế trên máy tính giúp ta điều khiển giám sát một cách thuận lợi các thông số cơ bản của nhà kính

Toàn bộ thiết kế, nghiên cứu đã được tiến hành triển khai lắp đặt thực tế tại Đà Lạt Trong quá trình thực nghiệm đã có những điều chỉnh phù hợp Sau hai vụ trồng thực nghiệm trong nhà kính đã thiết kế, cho những kết quả ban đầu tốt, được công ty và nông dân đánh giá cao.

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

(Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên)

Trần Thanh Tùng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI……… 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài……… ………1

1.2 Tổng quan về hệ thống nhà kính……… …… 2

1.2.1 Vai trò của các thông số trong nhà kính đối với cây trồng………2

1.2.2 Điều khiển các thông số cơ bản của nhà kính……… ……… 3

1.3 Các hệ thống nhà kính trong nước và trên thế giới………… ……… 4

1.3.1 Hệ thống nhà kính trên thế giới……… 4

1.3.2 Hệ thống nhà kính trong nước……… ……….5

1.4 Đối tượng áp dụng thực tế của nhà kính thiết kế……… ……….………….6

1.5 Mục tiêu luân văn và nội dung thực hiện………7

1.5.1 Mục tiêu luận văn……… 7

1.5.2 Nội dung thực hiện……….7

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH……….… …… 9

2.1 Cấu trúc nhà kính ……… ………9

2.1.1 Nhà kính có một vách dính liền với một công trình khác (attached greenhouse)……… 9

2.1.2 Nhà kính độc lập……… 10

2.1.3 Nhà kính liên tục (connected- greenhouse)……… 12

2.2 Lựa chọn cấu trúc nhà kính……… 13

2.3 Vị trí lắp đặt nhà kính……… ….…17

2.4 Thiết kế khung nhà kính ……… 18

2.5 Vật liệu che phủ nhà kính……… …… 19

2.5.1 Kính……… 19

2.5.2 Sợi thủy tinh.………19

2.5.3 Plastic……… 20

2.5.4 Radid sheet plastic ( tấm nhựa cứng )……… 21

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG……….22

3.1 Vai trò của ánh sáng đối với cây trồng……… 22

3.2 Các phương án điều khiển hệ thống che sáng……….…… 23

3.4.1 Tính toán lượng chiếu sáng trong nhà kính……… …28

3.4.2 Giải thuật điều khiển ánh sáng……….…30

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM……… 32

4.1 Vai trò của nhiệt độ, độ ẩm đối với cây trồng……… 32

4.1.1 Nhiệt độ đối với cây trồng……… ….32

4.1.2 Độ ẩm đối với cây trồng……… 33

4.2 Mối quan hệ nhiệt độ và độ ẩm……… …… 33

4.3 Thiết kế hệ thống phụ trợ điều khiển nhiệt độ, độ ẩm……… …… 34

4.3.1 Thiết kế hệ thống thông gió……….34

4.3.2 Tính toán lựa chọn quạt thông gió……….… 36

4.3.3 Hệ thống thông gió trên mái ……… 39

4.3.4 Hệ thống thông gió bên hông……… 40

4.3.5 Thiết kế hệ thống phun sương………41

4.4 Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm……… 45

4.4.1 Mạch điều khiển……… …46

4.4.2 Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm SHT71……… 47

4.4.3 Giao diện chương trình điều khiển trên máy tính………50

4.4.4 Kết nối dữ liệu giữa mạch điều khiển và máy tính……… 50

4.5 Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính.……….……….51

4.5.1 Mô hình hóa hệ thống điều khiển nhà kính……… 52

4.5.2 Giải thuật điều khiển………54

4.5.3 Mô phỏng giải thuật điều khiển nhiệt đô, độ ẩm……….… 55

4.5.4 Kết quả mô phỏng………56

CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN CO 2 ……… 64

5.1 Vai trò của CO2 đối với cây trồng……… ………… 64

5.1.1 Sự khuyếch tán CO2 trong quang hợp……… 64

5.1.2 Hàm lượng CO2 cho cây trồng……….65

5.2 Lựa chọn nguồn cung cấp CO2 66

5.3 Cảm biến đo nồng độ CO2……… ……… 68

5.4.2 Giải thuật điều khiển………73

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN……… 75

6.1 Kết quả thực nghiệm……… ……… …… ……… …75

6.2 Kết luận……… …….…… ….…79

6.3 Hướng nghiên cứu tương lai……… ……… … 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Bảng 2.1: Một số cấu trúc nhà kính đang áp dụng tại Đà Lạt- Lâm Đồng………… 16

Bảng 3.1: Bảng số liệu tính toán lượng chiếu sáng quan sát được trong các tháng ….29 Bảng 4.1: Hệ số bức xạ mặt trời qua kính RT, W/m2 ……… 37

Bảng 4.2: Lượng nhiệt bức xạ qua các mặt nhà kính………38

Bảng 4.3: Các thông số chuyển đổi độ ẩm……… ….49

Bảng 4.4: Hệ số độ ẩm……… 49

Bảng 4.5: Hệ số nhiệt độ……… ………49

Bảng 4.6: Các đặc tính kỹ thuật của RS-485……….…………51

Bảng 4.7: Tham số cho bộ điều khiển.……… 55

Bảng 4.8: Giá trị điều khiển của môi trường nhà kính……… …55

Bảng 4.9: Nhiệt độ mong muốn cho cây trồng trong vụ 1 ……… 58

Bảng 4.10: Nhiệt độ mong muốn cho cây trồng trong vụ 2 ……….58

Bảng 5.1: Số liệu so sánh nồng độ CO2 giữa hai nhà kính có điều khiển và không có điều khiển……… 74

Bảng 6.1: Kết quả thu hoạch vụ 1……….78

Bảng 6.2: Kết quả thu hoạch vụ 2……….79

Hình 1.1: Mô hình nhà kính hiện đại[17] ……… 2

Hình 1.2: Các thông số cơ bản của hệ thống nhà kính………2

Hình 1.3: Hệ thống nhà kính của Netafim……… ……….………3

Hình 1.4: Hệ thống nhà kính trong nước……….4

Hình 1.5: Cây cải thìa……… … …6

Hình 2.1: Nhà kính có một vách dính liền công trình khác[18]……….…9

Hình 2.2: Cấu trúc nhà kính mái đối xứng chữ A………10

Hình 2.3: Cấu trúc nhà kính mái không đối xứng……… …… …10

Hình 2.4: Cấu trúc nhà kính tựa vách………11

Hình 2.5: Cấu trúc nhà kính dạng vòm chóp………11

Hình 2.6: Cấu trúc nhà dạng chóp……… 11

Hình 2.7: Cấu trúc nhà kính dạng hình cong………12

Hình 2.8: Cấu trúc nhà kính dạng vòm……… ………12

Hình 2.9: Nhà kính cấu trúc vòm liên tục (Công ty Hasfarm )……… ………13

Hình 2.10: Nhà kính cấu trúc nối tiếp………13

Hình 2.11: Cấu trúc nhà kính lựa chọn……… 16

Hình 2.12: Cấu trúc thoát gió của nhà kính thiết kế… ……….17

Hình 2.13: Vị trí thực tế xây dựng nhà kính……… …17

Hình 2.14: Cấu trúc nhà kính thiết kế………18

Hình 2.15: Kích thước tổng quát một modun nhà kính……… 19

Hình 2.16: Vật liệu nhà kính làm bằng sợi thủy tinh……… 20

Hình 3.1: Cơ cấu phủ rèm trên mái ( nhìn bên hông)……….23

Hình 3.2 Cơ cấu phủ rèm trên mái( nhìn phía trên)………24

Hình 3.3: Cơ cấu phủ rèm trong nhà……… 24

Hình 3.4: Phương án hoạt động……… 25

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý……….25

Hình 3.6: Lắp ráp tổng quát……….26

Hình 3.7: Cơ cấu cuộn rèm……… 26

Hình 3.8: Cơ cấu đóng mở rèm thực tế……… 27

Hình 3.11: Bức xạ ánh sáng trong ngày………28

Hình 3.12: Giải thuật điều khiển hệ thống che sáng……… 30

Hình 4.1: Biểu đồ quan hệ nhiệt độ và độ ẩm……… 33

Hình 4.2: Nhiệt độ nhà kính khi không thông gió………35

Hình 4.3: Nhiệt độ nhà kính khi thông gió tự nhiên……….35

Hình 4.4: Nhiệt độ nhà kính khi có cửa và quạt thông gió……….…35

Hình 4.5: Nhiệt độ nhà kính khi có cửa, quạt thông gió và mái được che……… 36

Hình 4.6: Bố trí quạt trong nhà kính……… 38

Hình 4.7: Kích thước thông gió trên mái.……… 39

Hình 4.8: Hệ thống thông gió trên mái……… 40

Hình 4.9: Cơ cấu kéo thả bạt thông gió ……… 40

Hình 4.10: Mô hình thiết kế của phương án kéo thả màn thông gió……… 40

Hình 4.11: Hệ thống kéo thả bạt thực tế………41

Hình 4.12: Một số hệ thống phun sương trong nhà kính……… 41

Hình 4.13: Phương án bố trí đầu phun sương……… 42

Hình 4.14: Phương án bố trí đầu phun sương……… 42

Hình 4.15: Sơ đồ bố trí hệ thống phun sương……… 43

Hình 4.16: Pet phun của hãng Netafim……… 43

Hình 4.17: Bơm Pentax CM100/00……….…44

Hình 4.18: Ống HDPE……… 44

Hình 4.19: Hệ thống phun sương thực tế……… …45

Hình 4.20: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhà kính……… 46

Hình 4.21: Sơ đồ mạch điều khiển……… 46

Hình 4.22: Sơ đồ mạch công suất……… 46

Hình 4.23: Mạch điều khiển thực tế………47

Hình 4.24: Sơ đồ mạch điện kết nối cảm biến SHT71 với vi điều khiển……… 47

Hình 4.25: Cảm biến độ ẩm – nhiệt độ……….….48

Hình 4.26: Giản đồ biểu diễn mối quan hệ giữ RH và SO RH ……….49

Hình 4.27: Giao diện chương trình điều khiển trên máy tính……… 50

Hình 4.30:Cấu trúc của bộ điều khiển PID ……….…54

Hình 4.31: Hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID……….………55

Hình 4.32: Nhiệt độ bên trong nhà kính dùng bộ điều khiển PID………56

Hình 4.33 : Giá trị biến điều khiển ( % mở của thông gió rw)……….…57

Hình 4.34: Giá trị biến điều khiển ( nhiệt độ của ống dẫn)……… 57

Hình 4.35: Nhiệt độ trong nhà kính (17.12.2010)……… …….58

Hình 4.36: Độ ẩm trong nhà kính (17.12.2010)……… 59

Hình 4.37: Nhiệt độ trong nhà kính (18.12.2010)………59

Hình 4.38: Độ ẩm trong nhà kính (18.12.2010) ……… 60

Hình 4.39: Nhiệt độ trong nhà kính (26.02.2011)………61

Hình 4.40: Độ ẩm trong nhà kính (26.02.2011)……… 61

Hình 4.41: Nhiệt độ trong nhà kính (28.02.2011)………62

Hình 4.42: Độ ẩm trong nhà kính (28.02.2011)……… 62

Hình 5.1: Ảnh hưởng của hàm lượng CO 2 đối với quá trình quang hợp của cây trồng……… 65

Hình 5.2: Bồn chứa CO 2 lỏng……….66

Hình 5.3: Máy bơm CO 2 ………66

Hình 5.4: Đường ống chính dẫn CO 2 qua hệ thống nhà kính……… 67

Hình 5.5: Các đường dẫn phụ……… …67

Hình 5.6: Ống dẫn khí ra các luống rau……… 67

Hình 5.7: Bộ dụng cụ cung cấp CO 2 cho hộ gia đình……… 68

Hình 5.8: Cảm biến SH-300-ND……….…68

Hình 5.9: Bố trí cảm biến đo CO 2 trong nhà kính……….……… …69

Hình 5.10: Cảm biến đo nồng độ CO 2 bố trí thực tế tại nhà trồng thực nghiệm…… 69

Hình 5.11: Van solenoid………70

Hình 5.12: (a)Van chỉnh áp (b) Rotamet đo lưu lượng khí ……… 70

Hình 5.13: Ống nhựa trong……….…70

Hình 5.14: Sơ đồ bố trí hệ thống phun CO 2 ……… 71

Hình 5.15: Bảng điều khiển theo dõi nồng độ CO 2 trên máy tính ……….71

Hình 6.2: Cấu trúc nhà kính thực tế sau khi xây dựng.……….…….76

Hình 6.3: Giai đoạn làm đất……….76

Hình 6.4: Giai đoạn trồng cây con……….76

Hình 6.5: Nhà kính thực tế……… ….77

Hình 6.6: Cây trồng trong nhà kính (sau 1 tuần)……… … 77

Hình 6.7: Cây trồng chuẩn bị thu hoạch.……… 77

Hình 6.8: Cây trồng trong nhà kính sau khi tưới để giảm nhiệt độ……… 80

Hình 6.9: Thu hoạch cây trồng……… ……….80

PPF: photosynthetic photon flux

DBT: dry bulb temperature

AH: absolute humidity

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Vấn đề sản xuất nông nghiệp áp dụng tiến bộ khoa kỹ thuật đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng rất nhiều.Trong đó việc sử dụng nhà kính nhằm cung cấp điều kiện sống thích hợp cho cây trồng đã đem lại hiệu quả kinh tế cao cho nền nông nghiệp Hiện nay công việc sản xuất nông nghiệp của nước ta còn phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết (lũ lụt, hạn hán, sâu bọ côn trùng cắn phá,……) Sản xuất một cách thủ công bằng hình thức canh tác truyền thống Do đó, năng suất cũng như chất lượng các sản phẩm nông sản không cao Bên cạch đó, việc đầu tư xây dựng một nhà kính nhằm đem lại hiệu quả chất lượng nông sản cao lại là một khoảng đầu

tư lớn, một khái niệm còn xa lạ với nông dân Sự thiếu hụt những thông tin về hệ thống điều khiển nhà kính đối với nền sản xuất nông nghiệp nước ta

Việc sử dụng nhà kính nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, đạt được những tiêu chuẩn an toàn thực phẩm của FAO/WHO và Bộ Nông nghiệp & PTNT Việt Nam Nâng cao khả năng cạnh tranh của nông sản nước ta trên trường quốc tế nhất là khi nước ta đã gia nhập WTO

Do đó, xây dựng hệ thống nhà kính có khả năng điều khiển tự động các thông số

cơ bản: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và nồng độ CO2 phù hợp với điều kiện địa lý và khí hậu ở Đà Lạt là cần thiết Hệ thống nhà kính xây dựng cần có giá thành rẻ, đáp ứng nhu cầu sản xuất của nền nông nghiệp nước ta, dễ sử dụng phù hợp với nông dân

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

sáng Còn nếu đầu tư thêm các modun điều khiển tự động nhiệt độ, độ ẩm ánh sáng

và CO2 từ nước ngoài thì giá thành rất cao

Trên thế giới đã có rất nhiều mô hình hệ thống nhà kính hiện đại được triển khai Các hệ thống này có khả năng điều khiển một cách tự động các thông số cơ bản trong nhà kính phù hợp với từng loại cây trồng, từng giai đoạn phát triển và khí hậu, mùa

Hình 1.1: Mô hình nhà kính hiện đại [17]

1.2.1 Vai trò của các thông số trong nhà kính đối với cây trồng

Nhiệt độ: là một nhân tố giữ vai trò quyết định các hoạt động sinh lý như: quang hợp, hô hấp, thoát hơi nước v.v…Nhiệt độ phù hợp kích thích hạt giống nảy mầm trong giai đoạn ủ giống và giúp cây phát triển tốt trong quá trình sinh trưởng của cây

Độ ẩm: ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nảy mầm của hạt giống, sinh trưởng

và chất lượng cây tái sinh.v.v… Nếu độ ẩm cao có thể gây ra nấm mốc, ảnh hưởng đến sinh trưởng cây trồng (úng thối, héo lá )

Ánh sáng: tác động đến khả năng quang hợp và chu kỳ sinh trưởng của cây trồng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Thông gió: các cửa sổ hoặc thông gió giúp đẩy hơi nóng ra ngoài nhờ các quạt

hoặc tận dụng hướng gió Ngay cả khi không được mát, không khí lưu thông trong nhà kính vẫn khiến cho cây trồng tươi hơn và có sinh trưởng tốt hơn Nếu không khí không được lưu thông thì cây trồng có thể bị cháy hoặc héo do nắng nóng Độ ẩm không khí trong nhà kính cũng thay đổi do sự thông gió

Độ pH: tuỳ thuộc vào loại cây mà cần có độ pH phù hợp Vì độ pH này tác động

vào khả năng sinh trưởng và phát triển của cây Ví dụ: Cây xà lách cần có độ pH trong đất là từ 5.5 – 6.6, còn độ pH nước là từ 5.0 – 6.0

Lượng CO 2 : cây trồng ngoài quá trình quang hợp còn có quá trình trao đổi chất với môi trường đó là hấp thụ khí CO2 và thải ra khí O2 Đây cũng là quá trình không thể thiếu của cây

Vì thế, muốn cây trồng phát triển tốt nhất trong nhà kính, ta cần xây dựng một hệ thống điều khiển tự động đảm bảo cho việc điều khiển tốt nhất các thông số trên

1.2.2 Điều khiển các thông số cơ bản của nhà kính

Hình 1.2: Các thông số cơ bản của hệ thống nhà kính

Xây dựng hệ thống nhà kính có khả năng điều khiển tự động các thông số cơ bản: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và nồng độ CO2 phù hợp với điều kiện địa lý và khí hậu ở

Đà Lạt Phương pháp điều khiển các thông số trên như sau:

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Nhiệt độ: các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ nhà kính, phương pháp điều khiển

nhiệt độ nhà kính trên cơ sở các hệ thống phụ trợ của nhà kính

Độ ẩm: điều khiển trên cơ sở hệ thống làm mát và hệ thống thông gió

Ánh sáng: điều khiển dựa vào hệ thống che sáng, điều chỉnh phù hợp với quá

trình sinh trưởng của cây

Nồng độ CO 2 : trên cơ sở hệ thống cung cấp CO2, điều khiển nồng độ CO2 phù

hợp với yêu cầu của cây trồng (chủ yếu quá trình quang hợp và trao đổi chất giữa

cây và môi trường bên ngoài)

1.3 Giới thiệu các hệ thống nhà kính trong nước và thế giới

1.3.1 Hệ thống nhà kính trên thế giới

Hiện nay trên thế giới việc ứng dụng nhà kính trong việc trồng cây được sử dụng

rất phổ biến từ các loại nhà kính với kích thước nhỏ đến các nhà kính liêu tục với

quy mô thương mại Có rất nhiều công ty chuyên thiết kế cấu trúc nhà kính, và cung

cấp các hệ thống điều khiển nhà kính hiện đại như: Netafim, Argus, Munters………

Hình 1.3: Hệ thống nhà kính của Netafim

Ưu điểm:

+ Mức độ tự động hóa cao có thể thích hợp cho nhiều loại cây trồng khác nhau

+ Vật liệu chế tạo có độ bền cao, độ tin cậy, ổn định chống chịu tốt với các điều

kiện thời tiết

Nh ược điểm:

+ Giá thành thiết bị cao

+ Các thiết bị điều khiển phức tạp, khó bảo trì sữa chữa

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

+ Chi phí lắp đặt, chuyển giao công nghệ lớn

1.3.2 Hệ thống nhà kính trong nước

Hệ thống nhà kính là một khái niệm còn mới đối với nền sản xuất nông nghiệp trong nước Ở nước ta hệ thống nhà kính lần đầu tiên đưa vào sử dụng ở công ty Hasfarm Hiện nay cũng đã có nhiều cơ sở, nông dân sử dụng nhà kính trong việc sản xuất nông sản tuy nhiên các hệ thống nhà kính vẫn còn thô sơ và được sử dụng chủ yếu trong việc chắn sâu bọ, che nắng chắn gió và cung cấp ánh sáng

Hình 1.4: Hệ thống nhà kính trong nước

Ưu điểm:

+ Đơn giản rẻ tiền, dễ dàng lắp đặt bảo dưỡng và sữa chữa

+ Vật liệu chế tạo có thể tân dụng nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước, khả năng thu hồi vốn nhanh

Nh ược điểm:

+ Không thể điều khiển được các tiểu khí hậu, nên chỉ áp dụng được cho các vùng có điều kiện khí hậu thuận lợi, nhiệt độ thấp, ít gió, ….như ở Đà Lạt, Lâm Đồng

+ Kết cấu thiếu bền vững, chịu lực kém, không chịu được mưa, gió lớn…

+ Khó áp dụng hệ thống điều khiển tự động cho nhà kính

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.4 Đối tượng áp dụng thực tế của nhà kính thiết kế

Đà Lạt, trong hơn 60 năm qua, là vùng sản xuất rau ôn đới quan trọng của cả nước Trong đó, các loại rau đặc sản đã được cung cấp cho nhiều thị trường trong nước như Thành phố HCM (tiêu thụ hàng năm 60% sản lượng rau Đà Lạt), miền Tây Nam bộ, các tỉnh miền Trung & một phần tham gia vào thị trường xuất khẩu (chiếm khoảng 10% sản lượng hàng năm)

Hình1.5: Cây cải thìa

Cây cải thìa (Bok choy) là một trong những cây rau đặc sản quan trọng của Đà Lạt, có thị trường tiêu thụ lớn trong cả nước và thị trường xuất khẩu cho các nước trong khu vực Trong nhiều năm qua, với những biện pháp canh tác mang tính truyền thống thì người nông dân còn gặp không ít sai sót, khiếm khuyết, kỹ thuật canh tác cổ điển gây lãng phí đầu tư, hiệu quả kinh tế mang lại thấp, việc lạm dụng

và sử dụng không hợp lý các loại phân hoá học, các loại thuốc BVTV đã để lại rất nhiều tồn dư độc hại trong sản phẩm

Cây cải thìa là loại rau rất bổ dưỡng, trong thành phần dinh dưỡng của cây rau cải thìa rất ít chất béo, không có chất cholesterol, nhưng nó có chứa một số lượng vừa phải chất đạm, 1 ít chất đường, và chất tinh bột, nó còn có nhiều loại sinh tố và khoáng chất Cung cấp nhiều Vitamin A, C, và nhiều kcal

Đặc điểm sinh học: cải thìa có lá hình lòng máng, có màu trắng, cây mọc gọn, trồng gần như quanh năm, nhiệt độ thích hợp 12-240 C, độ ẩm thích hợp 60-80%

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.5 Mục tiêu luận văn và nội dung thực hiện

Trên cơ sở phân tích các hệ thống nhà kính trên thế giới và trong nước ta, dựa vào cây trồng ta sẽ thực nghiệm để đưa ra phương án thiết kế hệ thống nhà kính đáp ứng các yêu cầu:

+ Phù hợp với điều kiện thời tiết và cây trồng ở Lâm Đồng

+ Dễ chế tạo bảo trì và sữa chữa

+ Độ tin cậy, độ bền cao

+ Có khả năng điều khiển tự động hóa

+ Điều khiển tốt các thông số cơ bản của nhà kính đáp ứng yêu cầu sinh trưởng của cây trồng

+ Đảm bảo hiệu quả kinh tế

+ Phù hợp với trình độ sản xuất của nông dân

1.5.1 Mục tiêu luận văn

Xây dựng cấu trúc nhà kính và hệ thống phụ trợ như: hệ thống che sáng, thông gió, phun sương, hệ thống phun CO2

Đưa ra giải thuật, phương pháp điều khiển các thông số cơ bản trong nhà kính: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ CO2

Tiến hành lắp đặt hệ thống nhà kính và trồng thử nghiệm

Kiểm tra và lấy số liệu đánh giá hệ thống nhà kính đã thiết kế

1.5.2 Nội dung thực hiện

Khảo sát tình hình thực tế việc trồng trọt các loại cây rau màu ở Đà Lạt –Lâm Đồng Chọn vị trí và loại cây trồng sẽ áp dụng để thiết kế hệ thống điều khiển trong nhà kính

Tìm hiểu về ảnh hưởng của các yếu tố ánh sáng nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ

CO2 đối với cây trồng như thế nào

Tìm tài liệu các kỹ thuật liên quan đến điều khiển nhà kính

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Xem các phương pháp điều khiển trong nhà kính các nước trên thế giới đã làm Giá thành của các bộ điều khiển nhà kính mà các nước trên thế giới đã sử dụng Các phương pháp điều khiển của các bộ điều khiển đã dùng trước đây

Xây dựng một hệ thống điều khiển các thông số cơ bản trong nhà kính: nhiệt

độ, độ ẩm, ánh sáng và nồng độ CO2

Tiến hành lắp đặt và trồng 2 vụ thực nghiệm

Điều chỉnh các cơ cấu cơ khí và giải thuật điều khiển

Thu thập số liệu để đánh giá và kết luận những ưu và nhược điểm của thiết

kế

Định hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

2.1 Cấu trúc nhà kính

Về cấu trúc nhà kính gồm 4 phần:

Phần nền móng: đây là bộ phận liên kết nhà che phủ với mặt đất

Phần sàn nhà, mặt sàn: được làm bằng các vật liệu khác nhau Tùy từng loại cây trồng cụ thể mà ta chọn vật liệu khác nhau thông thường là đất, cát

Phần mái che: làm bằng các vật liệu trong suốt (kính, sợi, màng che,… ) để ánh sáng có thể xuyên qua

Phần sườn nhà: là bộ khung chính của nhà che phủ, có thể làm bằng các vật liệu khác nhau như: sắt, nhôm, tre, và cũng có thể làm bằng gỗ,……

Cấu trúc nhà kính có thể có nhiều hình dạng khác nhau tuy nhiên có 3 loại cấu trúc chính:

2.1.1 Nhà kính có một vách dính liền với một công trình khác (attached greenhouse)

Đây là kiểu nhà kính đơn giản nhất Một số kiểu nhà kính này được sử dụng để sản xuất cây trồng mang tính thương mại và đồng thời cũng có thể sử dụng để trưng bày cây trồng trong các quầy bán lẻ, cho các khu vườn trung tâm văn phòng làm việc, và có thể trưng bày trong nhà Điểm thuận lợi chủ yếu của loại nhà kính này là giảm được chi phi xây dựng Tuy nhiên, do chúng được xây dựng áp sát với công trình nên có thể bị hạn chế ánh sáng Cũng khó điều khiển sự thông thoáng và nhiệt

độ nhà trồng

Hình 2.1: Nhà kính có một vách dính liền công trình khác [18]

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

2.1.2 Nhà kính độc lập

Những nhà kính sản xuất ở quy mô thương mại thường là những cấu trúc độc lập có hai mái Đây là loại nhà kính có cấu trúc phức tạp hơn được cân đối để không gian được tận dụng tối đa Loại nhà này có nhiều ưu điểm như: môi trường dễ điều khiển hơn, việc thông thoáng gió dễ dàng hơn, việc tu bổ bảo trì dễ dàng hơn so với các loại nhà kính có vách tựa Nhà kính độc lập thường có 8 loại sau:

+ Evan-span: nhà có mái đối xứng chữ A

Hình 2.2: Cấu trúc nhà kính mái đối xứng chữ A

+ Uneven- span: loại nhà có mái đối không đối xứng

Hình 2.3: Cấu trúc nhà kính mái không đối xứng

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

+ Lean-to: loại nhà kính tựa vách

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

+ Cấu trúc vòm nối tiếp

Hình 2.9: Nhà kính cấu trúc vòm nối tiếp (Công ty Hasfarm )

+ Cấu trúc chóp nối tiếp

Hình 2.10: Nhà kính cấu trúc nối tiếp

2.2 Lựa chọn cấu trúc nhà kính

Để lựa chọn cấu trúc nhà kính hợp lý ta cần dựa vào những yêu cầu sau đây: + Chiều cao, chiều rộng, chiều dài và số nhịp nhà kính, hành lang

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

+ Kiểu thông gió

+ Kiểu che phủ

+ Kiểu thải nhiệt dư

+ Giá thể và máng thể

+ Hệ thống điều khiển khí hậu

Riêng đối với kiểu khí hậu nhiệt đới:

+ Yêu cầu thiết kế nhà kính có khả năng thông thoáng cao

+ Chịu được gió bão mạnh, hệ thống thoát nước tối ưu

+ Giảm khả năng gây bệnh cho cây trồng do ẩm, nhiệt độ, ánh sáng, CO2 + Có kết cấu bền vững, có thể chịu được mưa và gió lớn

Một số cấu trúc nhà kính đang sử dụng tại Đà Lạt:

Khảo sát một số cấu trúc nhà kính đang được áp dụng tại Đà Lạt

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

Vật liệu tre Mái

Bảng 2.1: Một số cấu trúc nhà kính đang áp dụng tại Đà Lạt - Lâm Đồng Trên cơ sở khảo sát một số cấu trúc nhà kính trong nước và trên thế giới Ta lựa chọn cấu trúc nhà kính như hình 2.11 và hình 2.12 với kiểu thoát gió tự nhiên phía trên mái Hệ thống này giúp không khí mát đi vào nhà kính ở bên hông và thải không khí nóng phía trên mái ra ngoài.Lựa chọn mô hình này phù hợp khả năng áp dụng thực tế cao vì dễ dàng chế tạo, lắp đặt và giá thành hợp lý Nhà mái vòm cũng khắc phục được khuyết điểm đọng nước của loại nhà kính trước đây Nhà mái vòm thoát nước rất tốt nhờ mái có dạng cong, không bị đọng nước Ngoài ra, nếu so sánh về vật liệu thì nhà mái vòm cũng tiết kiệm sắt hơn, số máng xối sử dụng cũng

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

Hình 2.12: Cấu trúc thoát gió của nhà kính

2.3 Vị trí lắp đặt nhà kính

Xác định vị trí đặt nhà kính cũng là một yếu tố cần thiết liên quan đến khả năng nhận ánh sáng và gió Thông thường xây dựng nhà kính theo hướng Đông-Tây tốt nhất để đảm bảo khả năng nhận được ánh sáng của nhà kính Tuy nhiên cũng có những nhà kính được xây dựng không theo hướng Đông-Tây, lúc này thì các luống trồng trong nhà kính cũng nên xây dựng cho phù hợp với hướng nhận ánh sáng làm sao để có sự phân bố ánh sáng đồng đều

Hình 2.13: Vị trí thực tế xây dựng nhà kính

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

Trên cơ sở vị trí thực tế sẽ xây dựng nhà kính ta chọn phương án bố trí nhà kính theo hướng Đông-Tây

2.4 Thiết kế khung nhà kính

Nước ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa, nơi xây dựng là nơi có lượng mưa và độ

ẩm lớn vì vậy ta lựa chọn mẫu nhà kính có kiểu vòm nối tiếp nhau connected), kết hợp với kiểu thoát gió để tận dụng đẩy không khí nóng ra ngoài Các cửa thông hơi thiết kế phía trên để thông hơi tận dụng sức gió để đẩy không khí nóng trong nhà ra ngoài Kết cấu nhà kính với máng xối lớn để ngăn ngừa sự tích trữ nước vào mùa mưa Phía trên các cửa thông hơi được thiết kế đóng mở để ngăn ngừa sự tích nước vào mùa mưa Nhà kính có kích thước:

(Gutter-+ Chiều dài nhà: L = 5600 mm

+ Chiều rộng nhà: W = 7200 mm

+ Chiều cao nhà (tính luôn mái vòm): H = 4300mm

Chiều cao trụ tính từ mặt đất 3m Phần mái vòm cao 1.4m Có tất cả 6 modun

Hình 2.14: Cấu trúc nhà kính thiết kế

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

Hình 2.15: Kích thước tổng quát một modun nhà kính

Nhà kính nếu ta chỉ sử dụng hệ thống thông gió tự nhiên thì nhiệt độ bên trong nhà luôn cao hơn bên ngoài vì vậy ta sử dụng hệ thống quạt thông gió, cửa thông gió và mái che nắng

2.5 Vật liệu che phủ nhà kính

2.5.1 Kính

Vật liệu kính chứa 70% dioxide silicate (SiO2) Kính có độ bền cao, thời gian sử dụng có thể kéo dài 25 năm Kính trong có khả năng cho ánh sáng xuyên đến 90% Ngoài ra người ta cũng sử dụng loại kính mờ làm vật liệu che phủ cho nhà kính Dễ dàng lắp đặt Tuy nhiên giá thành cao và cần có không gian rộng

2.5.2 Sợi thủy tinh

Có tính chất thẳng, mạnh Dường như nó không có màu, vì vậy giảm độ xuyên thấu của ánh sáng Sợi thủy tinh thì chắc bền, nhẹ và dễ dùng với đa dạng về độ rộng, dài và dày Nếu quyết định sử dụng loại vật liệu thủy tinh, cần mua loại sợi thủy tinh đắt tiền và không nên mua loại sợi thủy tinh màu Chỉ nên dùng loại vật liệu trong, dày 1mm trở lên và nặng 1-1,5kg/m2 đặc biệt dùng cho việc làm nhà kính Sự truyền dẫn ánh sáng của loại vật liệu này có xu hướng giảm theo thời gian sợi thủy tinh có giá thành đắt

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

Hình 2.16 : Vật liệu nhà kính làm bằng sợi thủy tinh

+ Nhà che phủ bằng nhựa thì kín hơn nhà làm bằng kính do đó làm gia tăng độ

ẩm và sự đọng nước trên cây vào mùa đông.Tuy nhiên vấn đề này có thể giải quyết bằng việc duy trì sự thông thoáng khí một cách thích hợp bằng cách sử dụng các hệ thống điều khiển không khí tự động

Các loại vật liệu Plastic thường sử dụng như:

PE gợn sóng ( Woven polyethylenne ) : thường dùng cho nhà che phủ có mái xếp được Vật liệu này chứa chất U.V, ngừa được hơi nước đọng ở mặt trong plastic, loại này có thể cho ánh sáng xuyên qua đến 80% Độ bền 5 năm

Polyvinyl Chloride ( PVC) : có độ bền dài hơn PE Tuy nhiên đây là một loại vật liệu có tính tĩnh điện, hút điện Do đó, thường hấp thụ các loại hạt bụi nhỏ làm bẩn vật liệu làm giảm khả năng cho ánh sáng xuyên qua Đây là một loại vật liệu có khả năng hấp thụ IR và giữ được nhiệt vào ban đêm

Ethylenne-Vinyl Acerate Copolymers ( EVA) : là loại vật liệu rất rắn chắt, bền và

đắt tiền nên người ta ít sử dụng

Polymethyl Methacrylate (Acrylic) : là loại vật liệu tốt Chịu đựng được với thời tiết, nhẹ hơn kính, ánh sáng vẫn xuyên qua tốt Loại này cứng gần như kính, nhược

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG KHUNG NHÀ KÍNH

điểm lớn nhất của nó là sau thời gian sử dụng lâu dài chúng dễ hóa vàng mờ và làm cản trở ánh sáng

2.5.4 Radid sheet plastic (tấm nhựa cứng )

Là loại màng mờ đục, trắng, dai, hỗn hợp của polyethylene và nhựa vinyl cũng

có thể dùng được Màng này có thể cản bức xạ mặt trời tốt hơn và vẫn mềm dẻo hơn ở nhiệt độ thấp vào mùa đông so với polyenthylene Dưới những loại màng như thế nhiệt độ ít dao động hơn dưới nhựa trong cho nên nó tốt cho cây trồng trong nhà kính vào mùa đông

Trên cơ sở phân tích đặc điểm của từng loại vật liệu trên ta lựa chọn vật liệu che

phủ nhà kính là Polymethy

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG

3.1 Vai trò của ánh sáng đối với cây trồng

Ánh sáng bên trong nhà kính được cung cấp bởi bức xạ của mặt trời Tuy nhiên

chỉ có một phần của bức xạ mặt trời được sử dụng bởi cây trồng cho việc quang hợp Đó gọi là bức xạ quang hợp ( photosynthetically active radiation PAR ) chứa bước sóng giữa 400nm - 700nm Đây là yếu tố quan trọng cho quá trình quang hợp của cây trồng, là yếu tố liên quan đến năng suất sản xuất của cây trồng cũng như hiệu quả sản xuất của các nhà đầu tư

Ánh sáng là yếu tố có liên quan trực tiếp với nhiệt độ của nhà kính Trong những ngày nắng gắt, nếu nhà kính không có hệ thống thông khí tốt sẽ dễ gây nên hiệu ứng nhà kính Lúc này do nguồn năng lượng chiếu vào nhà kính lớn, cây trồng không có khả năng hấp thụ hết lượng bức xạ, các bức xạ phản xạ trở lại bằng nguồn năng lượng có bước sóng dài cây trồng không sử dụng Nguồn năng lượng này sẽ đốt nóng trở lại đối với bầu khí quyển bên trong nhà kính và gây nên hiệu ứng nhà kính Chúng ta sử dụng hệ thống che phủ, hệ thống điều chỉnh cơ khí để đóng mở một cách tự động dựa vào các thời điểm trong ngày mà chúng ta điều chỉnh lượng chiếu sáng cho cây trồng Việc chọn vật liệu làm nhà kính cũng sẽ ảnh hưởng đến khả năng truyền của ánh sáng vào nhà kính

Ánh sáng và nồng độ CO 2

Trong quá trình quang hợp cây trồng cần có đủ ánh sáng và nồng độ CO2 Cả hai cần cung cấp đủ không hạn chế một yếu tố nào, nếu có đủ ánh sáng nhưng không đủ nồng độ CO2, CO2 trở thành một yếu tố hạn chế và ngược lại Vì vậy khi cung cấp ánh sáng cho cây trồng điều quan trọng là cần phải duy trì đầy đủ nồng độ CO2

trong nhà kính Đặc biệt trong những tháng thời tiết lạnh, khi đó tốc độ thông gió yếu là cần thiết để duy trì nhiệt độ mong muốn trong nhà kính, nồng độ CO2 trong nhà kính có thể giảm đáng kể bởi vì có ít không khí luân chuyển trong nhà kính Dưới điều kiện thông gió yếu nếu có điều kiện ta cung cấp lượng CO2 xấp xỉ 350 đến 1000 ߤ݉݋݈/݉݋݈ kết quả sẽ tăng quá trình quang hợp cây trồng phát triển tốt

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG

Nghiên cứu thấy rằng việc cung cấp CO2 thì rẻ hơn nhiều so với hệ thống cung cấp ánh sáng vì vậy ta có thể dự trữ lượng CO2 để cung cấp cho nhà kính khi cần thiết

3.2 Các phương án điều khiển hệ thống che sáng

Giới thiệu một số phương án che nắng được sử dụng:

Rèm che trùm trên mái nhà

Màn che nắng sẽ được phủ lên trên mái nhà kính Tấm màn che nắng được cuộn vào một thanh cuộn Một đầu của tấm màn được giữ chặt vào nhà khính Đầu còn lại được giữ chặt vào thanh cuộn Khi thanh cuộn quay sẽ kéo màn ra che nắng hoặc thu màn lại Thanh cuộn này thường truyền động từ động cơ qua các thanh truyền dùng các khớp cac-đăng và bánh răng côn Có thể dùng động cơ để cuốn tự động hoặc kéo tay

Đặc điểm của thiết kế này là dựa vào độ nghiêng của mái nhà để quay thanh cuộn thả và cuộn lưới che nắng Nhược điểm lớn nhất của nó chính là các bộ phận cơ khí đều để ngoài trời phải chống được nắng, mưa Thường chỉ áp dụng ở những vùng sa mạc ít mưa

Hình 3.1: Cơ cấu phủ rèm trên mái ( nhìn bên hông)

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG

Hình 3.2: Cơ cấu phủ rèm trên mái(nhìn phía trên)

Màn che đặt bên trong nhà kính

Phương án này để màn che bên trong nhà kính, thường là bố trí ngang mức với

đà ngang

Lưới che nắng thường được đỡ bằng các sợi cước Để thu và trải lưới ra thường dùng phương pháp lùa lưới chứ không cuộn như cách thứ nhất Để lùa lưới có hai phương pháp dùng thanh răng hoặc dùng cáp kéo

Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp trải lưới trên mái là các thiết

bị đều nằm bên trong nhà kính, không phải chống chọi trực tiếp với nước mưa Ngược lại phải căng các sợi cước để đỡ rèm che

Hình 3.3: Cơ cấu phủ rèm trong nhà

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG

3.3 Thiết kế hệ thống che sáng

Điều kiện khí hậu tại Đà Lạt mưa nhiều không thích hợp làm hệ thống phủ rèm

trên mái nên ta chọn phương án làm hệ thống rèm che bên trong nhà Phương án

kéo rèm là dùng cáp

Để đáp ứng yêu cầu che sáng và hệ thống thiết kế với giá thành thấp, dễ điều

khiển ta lựa chọn phương án thiết kế như bên dưới

Ta dùng một động cơ quay hai tang quấn cáp để kéo hai đường cáp theo chiều

ngang của nhà kính Lưới che nắng sẽ được cắt thành ba tấm, mỗi tấm có chiều dài

5.8m, được cố định chặt một đầu, đầu còn lại được buộc vào một thanh lùa được

gắn vào hai dây cáp

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG

Thiết kế cơ cấu

8- Gối đỡ trục đứng 9- Khớp Cacdang 10- Trục truyền

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG

Hình 3.8 : Cơ cấu đóng mở rèm thực tế

Hình 3.9 : Hệ thống che sáng khi đóng

Hình 3.10: Hệ thống che sáng khi mở