Sammanfattning: Under de senaste åren, med en kontinuerlig utforskning av modern jordbruksteknik, har växtfabriksindustrin också utvecklats snabbt. Denna artikel introducerar status quo, befintliga problem och utvecklingsåtgärder för växtfabriksteknologi och branschutveckling och ser fram emot utvecklingstrenden och utsikterna för växtfabriker i framtiden.

1. Aktuell status för teknikutveckling i växtfabriker i Kina och utomlands

1.1 Status quo för utländsk teknikutveckling

Sedan 2000-talet har forskningen av växtfabriker huvudsakligen fokuserat på förbättring av ljuseffektivitet, skapandet av flerskikts tredimensionell odlingssystemutrustning och forskning och utveckling av intelligent hantering och kontroll. Under 2000-talet har innovationen av LED-ljuskällor för jordbruksljus gjort framsteg, vilket ger viktigt tekniskt stöd för tillämpningen av LED-energibesparande ljuskällor i växtfabriker. Chiba University i Japan har gjort ett antal innovationer inom högeffektiva ljuskällor, energibesparande miljökontroll och odlingstekniker. Wageningen University i Nederländerna använder grödmiljösimulering och dynamisk optimeringsteknologi för att utveckla ett intelligent utrustningssystem för växtfabriker, vilket kraftigt minskar driftskostnaderna och förbättrar arbetskraftens produktivitet avsevärt.

Under de senaste åren har växtfabriker gradvis insett halvautomationen av produktionsprocesser från sådd, plantorhöjning, transplantation och skörd. Japan, Nederländerna och USA är i framkant, med en hög grad av mekanisering, automatisering och intelligens och utvecklas i riktning mot vertikalt jordbruk och obemannad verksamhet.

1.2 Teknisk utvecklingsstatus i Kina

1.2.1 Specialiserad LED-ljuskälla och energibesparande applikationsteknologiutrustning för konstgjorda ljus i växtfabrik

Speciella röda och blå LED -ljuskällor för produktion av olika växtarter i växtfabriker har utvecklats efter varandra. Kraften sträcker sig från 30 till 300 W, och bestrålningsljusintensiteten är 80 till 500 μmol/(m2 • s), vilket kan ge en ljusintensitet med ett lämpligt tröskelintervall, ljuskvalitetsparametrar, för att uppnå effekten av högeffektivitet Energibesparing och anpassning till behoven för växttillväxt och belysning. När det gäller ljuskälla värmeavledningshantering har den aktiva värmespridningsdesignen för ljuskällfläkten införts, vilket minskar ljuskällans ljusförfall och säkerställer ljuskällans livslängd. Dessutom föreslås en metod för att minska värmen för LED -ljuskälla genom näringslösning eller vattencirkulation. När det gäller ljuskällans rymdhantering, enligt evolutionslagen om växtstorlek i plantan och senare stadium, genom den vertikala rymdrörelseshanteringen av LED -ljuskälla, kan växtkaketen belysas på nära avstånd och energibesparande mål är uppnås. För närvarande kan energiförbrukningen av konstgjord ljusfabriksfabriksljuskälla stå för 50% till 60% av den totala driftenergikonsumtionen för anläggningsfabriken. Även om LED kan spara 50% energi jämfört med fluorescerande lampor, finns det fortfarande potentialen och nödvändigheten av forskning om energibesparing och konsumtionsminskning.

1.2.2 Multi-lagers tredimensionell odlingsteknik och utrustning

Skiktsgapet för den multi-lagers tredimensionella odlingen reduceras eftersom LED ersätter den fluorescerande lampan, vilket förbättrar den tredimensionella rymdanvändningseffektiviteten för växtodlingen. Det finns många studier på utformningen av botten av odlingssängen. De upphöjda ränderna är utformade för att generera turbulent flöde, vilket kan hjälpa växtrötter för att absorbera näringsämnen i näringslösningen jämnt och öka koncentrationen av upplöst syre. Med hjälp av koloniseringskortet finns det två koloniseringsmetoder, det vill säga plastkoloniseringskopparna i olika storlekar eller svampens omkrets koloniseringsläge. Ett skilligt odlingssystem har dykt upp, och planteringskortet och växterna på det kan manuellt skjutas från ena änden till den andra, och inser produktionssättet för plantering i ena änden av odlingsbädden och skörd i den andra änden. För närvarande har en mängd tredimensionella multiryer-sårlös kulturteknologi och utrustning baserad på näringsvätskefilmteknologi och djup vätskeflödessteknik utvecklats, och tekniken och utrustningen för underlagodling av jordgubbar, aerosolodling av bladgrönsaker och blommor har dykt upp. Den nämnda tekniken har utvecklats snabbt.

1.2.3 Näringslösning Cirkulationsteknik och utrustning

När näringslösningen har använts under en tid är det nödvändigt att lägga till vatten- och mineralelement. I allmänhet bestäms mängden nyligen beredd näringslösning och mängden syrabaslösning genom att mäta EC och pH. Stora partiklar av sediment eller rotutsläpp i näringslösningen måste tas bort med ett filter. Rotutsöndringar i näringslösningen kan avlägsnas med fotokatalytiska metoder för att undvika kontinuerliga beskärningshinder i hydroponics, men det finns vissa risker i näringsämnen.

1.2.4 Miljökontrollteknik och utrustning

Luftrenlighet i produktionsutrymmet är en av de viktiga indikatorerna på luftkvaliteten på växtfabriken. Luftrenlighet (indikatorer för suspenderade partiklar och sedimenterade bakterier) i produktionsutrymmet för växtfabriken under dynamiska förhållanden bör kontrolleras till en nivå över 100 000. Materialdesinfektionsinmatning, inkommande personalluftsaxningsbehandling och luftreningssystem för frisk luftcirkulation (luftfiltreringssystem) är alla grundläggande skyddsåtgärder. Temperaturen och fuktigheten, CO2 -koncentrationen och luftflödeshastigheten i luften i produktionsutrymmet är ett annat viktigt innehåll i luftkvalitetskontrollen. Enligt rapporter kan inställning av utrustning såsom luftblandningslådor, luftkanaler, luftinlopp och luftuttag jämnt kontrollera temperaturen och fuktigheten, CO2 -koncentrationen och luftflödeshastigheten i produktionsutrymmet, för att uppnå hög rumslig enhetlighet och tillgodose växtbehovet på olika rumsliga platser. Temperatur-, luftfuktigheten och CO2 -koncentrationskontrollsystemet och det friska luftsystemet är organiskt integrerade i det cirkulerande luftsystemet. De tre systemen måste dela luftkanalen, luftinloppet och luftuttaget och ge kraft genom fläkten för att förverkliga cirkulationen av luftflöde, filtrering och desinfektion och uppdatering och enhetlighet i luftkvaliteten. Det säkerställer att växtproduktionen i växtfabriken är fri från skadedjur och sjukdomar och ingen applikation för bekämpningsmedel krävs. Samtidigt garanteras enhetligheten av temperatur-, fuktighets-, luftflödes- och CO2 -koncentrationen av tillväxtmiljöelementen i taket uppfyller behoven för växttillväxt.

2. Utvecklingsstatus för växtfabriksindustrin

2.1 Status quo för utländsk anläggningsfabriksindustri

I Japan är forskningen och utvecklingen och industrialiseringen av fabriker för konstgjorda ljusväxter relativt snabba och de är på ledande nivå. 2010 lanserade den japanska regeringen 50 miljarder yen för att stödja teknikforskning och utveckling och industriell demonstration. Åtta institutioner inklusive Chiba University och Japan Plant Factory Research Association deltog. Japan Future Company genomförde och driver det första industrialiseringsdemonstrationsprojektet för en växtfabrik med en daglig produktion på 3 000 anläggningar. 2012 var produktionskostnaden för Plant Factory 700 yen/kg. Under 2014 avslutades Modern Factory Plant Factory i TAGA Castle, Miyagi Prefecture, och blev världens första LED -växtfabrik med en daglig produktion på 10 000 växter. Sedan 2016 har LED-växtfabriker kommit in i den snabba industrialiseringen i Japan, och break-even eller lönsamma företag har dykt upp efter varandra. Under 2018 dök storskaliga växtfabriker med en daglig produktionskapacitet på 50 000 till 100 000 anläggningar efter varandra, och de globala växtfabrikerna utvecklades mot storskalig, professionell och intelligent utveckling. Samtidigt började Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power och andra fält investera i växtfabriker. År 2020 kommer marknadsandelen för sallad som produceras av japanska växtfabriker att stå för cirka 10% av hela salladmarknaden. Bland de mer än 250 anläggningsfabriker av konstgjorda ljusstyp är för närvarande i drift, 20% är i ett förluststadium, 50% är på break-even-nivå och 30% är i ett lönsamt stadium, involverar odlade växtarter som såsom som Salltuce, örter och plantor.

Nederländerna är en verklig världsledare inom området kombinerad applikationsteknologi för solsken och konstgjorda ljus för växtfabrik, med en hög grad av mekanisering, automatisering, intelligens och obemannad och har nu exporterat en fullständig uppsättning tekniker och utrustning som stark som stark Produkter till Mellanöstern, Afrika, Kina och andra länder. American AeroFarms Farm ligger i Newark, New Jersey, USA, med ett område på 6500 m2. Den odlar främst grönsaker och kryddor, och utgången är cirka 900 ton/år.

Vertikalt jordbruk i aerofarms

Den vertikala jordbruksanläggningsfabriken i Plenty Company i USA antar LED -belysning och en vertikal planteringsram med en höjd av 6 m. Växter växer från planters sidor. Förlita sig på tyngdkraftsvattning kräver denna metod för plantering inte ytterligare pumpar och är mer vatteneffektivt än konventionellt jordbruk. Gottor hävdar att hans gård producerar 350 gånger produktionen från en konventionell gård när han endast använder 1% av vattnet.

Vertikal jordbruksfabrik, Plenty Company

2.2 Status Plant Factory Industry i Kina

2009 byggdes den första produktionsanläggningen i Kina med intelligent kontroll när kärnan byggdes i drift i Changchun Agricultural Expo Park. Byggområdet är 200 m2, och miljöfaktorerna såsom temperatur, fuktighet, ljus, CO2 och näringslösningskoncentration av växtfabriken kan automatiskt övervakas i realtid för att realent intelligent hantering.

2010 byggde Tongzhou Plant Factory i Peking. Huvudstrukturen antar en enskikts ljusstålstruktur med en total byggarea på 1289 m2. Det är format som ett flygplan som symboliserar det kinesiska jordbruket som tar ledningen i att segla till den mest avancerade tekniken för modernt jordbruk. Den automatiska utrustningen för vissa verksamheter av bladgrönsaksproduktion har utvecklats, vilket har förbättrat produktionsautomationsnivån och produktionseffektiviteten för anläggningsfabriken. Anläggningsfabriken antar ett markkälla värmepumpsystem och ett solenergiproduktionssystem, som bättre löser problemet med höga driftskostnader för anläggningsfabriken.

Inuti och utanför utsikt över Tongzhou Plant Factory

2013 grundades många jordbruksteknologiföretag i Yangling Agricultural High-Tech Demonstration Zone, Shaanxi-provinsen. De flesta av växtfabriksprojekten under uppbyggnad och drift är belägna i jordbruks högteknologiska demonstrationsparker, som främst används för populära vetenskapliga demonstrationer och fritidsersätt. På grund av deras funktionella begränsningar är det svårt för dessa populära vetenskapsanläggningar att uppnå den höga utbytet och den höga effektiviteten som krävs av industrialiseringen, och det kommer att vara svårt för dem att bli den mainstream -formen för industrialisering i framtiden.

2015 samarbetade en stor LED -chiptillverkare i Kina med Institute of Botany of the Chinese Academy of Sciences för att gemensamt initiera inrättandet av ett växtfabriksföretag. Den har korsat från den optoelektroniska industrin till den "fotobiologiska" industrin och har blivit ett prejudikat för kinesiska LED -tillverkare att investera i byggandet av växtfabriker i industrialiseringen. Dess växtfabrik har åtagit sig att göra industriella investeringar i tillväxtfotobiologi, som integrerar vetenskaplig forskning, produktion, demonstration, inkubation och andra funktioner, med ett registrerat kapital på 100 miljoner yuan. I juni 2016 slutfördes denna växtfabrik med en byggnad på 3 våningar som täcker ett område på 3 000 M2 och ett odlingsområde på mer än 10 000 M2 i drift. I maj 2017 kommer den dagliga produktionsskalan att vara 1 500 kg bladgrönsaker, motsvarande 15 000 sallad anläggningar per dag.

Vyer över detta företag

3. Problem och motåtgärder inför utvecklingen av växtfabriker

3.1 Problem

3.1.1 Hög byggkostnad

Växtfabriker måste producera grödor i en stängd miljö. Därför är det nödvändigt att bygga stödprojekt och utrustning inklusive externa underhållsstrukturer, luftkonditioneringssystem, konstgjorda ljuskällor, odlingssystem med flera lager, cirkulation av näringslösningar och datorkontrollsystem. Byggkostnaden är relativt hög.

3.1.2 Hög driftskostnad

De flesta lätta källor som krävs av växtfabriker kommer från LED -lampor, som konsumerar mycket el samtidigt som de tillhandahåller motsvarande spektrum för tillväxt av olika grödor. Utrustning som luftkonditionering, ventilation och vattenpumpar i produktionsprocessen för växtfabriker konsumerar också el, så elräkningar är en enorm kostnad. Enligt statistiken, bland produktionskostnaderna för växtfabriker, står elkostnaderna för 29%, arbetskostnaderna står för 26%, anlagda tillgångsavskrivningar står för 23%, förpackning och transportkonto för 12%och produktionsmaterialet står för 10%.

Uppdelningen av produktionskostnaden för växtfabrik

3.1.3 Låg automatiseringsnivå

Den för närvarande applicerade växtfabriken har en låg automatiseringsnivå, och processer som plantor, transplantation, fältplantning och skörd kräver fortfarande manuella operationer, vilket resulterar i höga arbetskraftskostnader.

3.1.4 Begränsade sorter av grödor som kan odlas

För närvarande är de typer av grödor som är lämpliga för växtfabriker mycket begränsade, främst gröna bladgrönsaker som växer snabbt, lätt accepterar konstgjorda ljuskällor och har låg tak. Storskalig plantering kan inte utföras för komplexa planteringskrav (till exempel grödor som måste pollineras etc.).

3.2 Utvecklingsstrategi

Med tanke på de problem som växtfabriksindustrin står inför är det nödvändigt att utföra forskning från olika aspekter som teknik och drift. Som svar på de nuvarande problemen är motåtgärderna följande.

(1) Stärka forskningen om intelligent teknik för växtfabriker och förbättra nivån på intensiv och förfinad hantering. Utvecklingen av ett intelligent hanterings- och kontrollsystem hjälper till att uppnå intensiv och förfinad hantering av växtfabriker, vilket kan minska arbetskraftskostnaderna kraftigt.

(2) Utveckla intensiv och effektiv teknisk utrustning för växtfabrik för att uppnå årlig högkvalitativ och högavkastning. Utvecklingen av högeffektiva odlingsanläggningar och utrustning, energibesparande belysningsteknik och utrustning etc. för att förbättra den intelligenta nivån på växtfabriker bidrar till förverkligandet av årlig högeffektiv produktion.

(3) Genomföra forskning om industriell odlingsteknik för växter med högt mervärde som medicinalväxter, hälsovårdsanläggningar och sällsynta grönsaker, öka typerna av grödor som odlas i växtfabriker, bredda vinstkanaler och förbättra utgångspunkten för vinst .

(4) Utför forskning om växtfabriker för hushåll och kommersiellt bruk, berika de typer av växtfabriker och uppnå kontinuerlig lönsamhet med olika funktioner.

4. Utvecklingsutveckling och möjligheter till växtfabrik

4.1 Teknikutvecklingstrend

4.1.1 Intellektualisering av full process

Baserat på maskin-konstfusions- och förlustförebyggande mekanism för grödor-robot-systemet, höghastighets flexibel och icke-förstörande planterings- och skördningseffektorer, distribuerade multidimensionella rymdexakta positionering och multimodal multimachin-samarbetsmetoder, och obemannade, effektiva och icke-förstörande sådd i höghusfabriker-Intelligent robotar och stödutrustning som Plantering-skördespackning bör skapas och därmed inse den obemannade driften av hela processen.

4.1.2 Gör produktionskontroll smartare

Baserat på svarmekanismen för grödningstillväxt och utveckling på ljusstrålning, temperatur, luftfuktighet, CO2-koncentration, näringskoncentration av näringslösning och EC bör en kvantitativ modell av grödmiljöåterkoppling konstrueras. En strategisk kärnmodell bör inrättas för att dynamiskt analysera bladgrönsakens livsinformation och produktionsmiljöparametrar. Miljöns dynamiska identifiering och processkontrollsystem bör också fastställas. Ett multi-machine samarbetsvilligt beslutsfattande för konstgjord intelligens för hela produktionsprocessen för en vertikal jordbruksfabrik med hög volym bör skapas.

4.1.3 Lågkolproduktion och energibesparing

Upprätta ett energihanteringssystem som använder förnybara energikällor som sol och vind för att slutföra kraftöverföring och kontroll av energiförbrukningen för att uppnå optimala energihanteringsmål. Att fånga och återanvända koldioxidutsläpp för att hjälpa till med grödproduktion.

4.1.3 Högt värde på premiumsorter

Genomförbara strategier bör tas för att föda upp olika sorter med högt mervärde för plantering av experiment, bygga en databas med odlingsteknologiska experter, bedriva forskning om odlingsteknik, urval av täthet, stubbarrangemang, variation och utrustningsanpassningsbarhet och bilda standardodlingstekniska specifikationer.

4.2 Prospekter för branschutveckling

Växtfabriker kan bli av med begränsningarna för resurser och miljön, inse den industrialiserade produktionen av jordbruk och locka den nya generationen arbetskraft för att bedriva jordbruksproduktion. Den viktigaste tekniska innovationen och industrialiseringen av Kinas växtfabriker blir världsledande. Med den accelererade tillämpningen av LED -ljuskälla, digitalisering, automatisering och intelligent teknik inom växtfabriker kommer växtfabriker att locka mer kapitalinvesteringar, talanginsamling och användning av mer nya energi, nya material och ny utrustning. På detta sätt kan den djupgående integrationen av informationsteknologi och anläggningar och utrustning realiseras, den intelligenta och obemannade nivån på anläggningar och utrustning kan förbättras, kontinuerlig minskning av systemenergikonsumtion och driftskostnader genom kontinuerlig innovation och den gradvisa gradvis Odling av specialiserade marknader, intelligenta växtfabriker kommer att inleda gyllene utvecklingsperiod.

Enligt marknadsundersökningsrapporter är den globala marknadsstorleken för vertikal jordbruk 2020 endast 2,9 miljarder US -dollar, och det förväntas att den globala marknadsstorleken för den globala vertikala jordbruksmarknaden kommer att nå 30 miljarder US -dollar. Sammanfattningsvis har växtfabriker breda tillämpningsutsikter och utvecklingsutrymme.

Författare: Zengchan Zhou, Weidong, etc.

Citationsinformation:Aktuell situation och utsikter för växtfabriksindustriutveckling [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022, 42 (1): 18-23.Av Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.