Authors

Abstract

The current strategies of crop production beside the current status of energy and water resources are believed to be hardly capable of addressing the increasing global food demand. Using low-input, high-output crop production systems, therefore, could be a good answer to these problems. To address this challenge, a water and energy efficient intensive rotary hydroponic cropping system was developed. Plants in the area of an open-ended rotary drum take water from a chamber beneath the drum and grow inward toward a set of illuminating LEDs embedded at the drum horizontal axis. This system included an embedded irrigation unit which used plants’ evapotranspiration fuzzy predictions for irrigating plants based on their water requirements, and an array of solar photovoltaic panels as the main source to supply renewable, clean energy. The system was evaluated in a low-irradiance season by growing lettuce in fuzzy-based and ordinary irrigation modes. According to the results, the average daily lettuce plants’ ET in fuzzy mode was about 2.18 L. The solar unit could supply an average of about 52% of annual energy requirement and about 50% of energy requirement in low-irradiance days of winter. To produce one kilogram of marketable lettuce, fuzzy-based mode required 43% less area, 56% less water, and 74% less energy, compared to ordinary mode. Compared to open field method of lettuce planting, plants were 12 times denser and water usage was approximately 15 times less.

Abstract in Arabic

روش های تولید محصول در حال حاضر در کنار وضعیت انرژی و منابع آب به سختی می تواند نیاز روزافزون غذای جهانی را تامین کند. استفاده از سیستم هایی با نهاده پایین و محصول زیاد می تواند یکی از راه حل های این مساله باشد. با توجه به این مساله، یک سیستم کشت هیدروپونیک دوار با بازده بالای آب و انرژی توسعه داده شد. گیاهان کشت شده در محیط یک استوانه، آب را از مخزن پایین استوانه کشیده و با تامین نور توسط LED هایی که در راستای محور استوانه قرار گرفته به سمت مرکز استوانه رشد می کنند. این سیستم از یک واحد آبیاری که از تخمین فازی مبتنی بر تبخیر و تعرق استفاده می کند تا مقدار آب مورد نیاز گیاه را تشخیص بدهد، تشکیل شده است. یک آرایه خورشیدی برای تامین توان سیستم از انرژی پاک مورد استفاده قرار گرفت. سامانه توسعه داده شده در یک فصل با تابش کم و با کاشت کاهو به دو صورت فازی و روش آبیاری معمولی مورد ارزیابی قرار گرفت. مطابق بررسی ها، مقدار متوسط تبخیر-تعرق، گیاه کاهو روزانه حدود L 18/2 بود. واحد خورشیدی حدود 52% انرژی سالانه و حدود 50% انرژی مورد نیاز را در روزهای کم تابش زمستان فراهم می نماید. برای تولید یک کیلوگرم کاهوی قابل ارائه به بازار، در مقایسه با روش معمول آبیاری، روش مبتنی بر سیستم فازی، 43% مساحت کمتر، 56% آب کمتر و 74% انرژی کمتری نیاز دارد. در مقایسه با تولید کاهو در مزرعه، کشت گیاه 12 برابر متراکم بوده و مصرف آب حدود 15 برابر کمتر است.