Streszczenie: W ostatnich latach, wraz z ciągłym badaniem nowoczesnej technologii rolniczej, przemysł fabryki zakładów również szybko się rozwinął. Niniejszy artykuł przedstawia status quo, istniejące problemy i środki zaradcze rozwoju fabryki roślin i rozwoju branży oraz oczekuje trendu rozwoju i perspektywy fabryk roślin w przyszłości.

1. Obecny status rozwoju technologii w fabrykach roślin w Chinach i za granicą

1.1 Status quo rozwoju technologii zagranicznych

Od XXI wieku badania fabryk roślin koncentrowały się głównie na poprawie wydajności światła, tworzeniu wieloparnisowego trójwymiarowego sprzętu systemu uprawy oraz badań i rozwoju inteligentnego zarządzania i kontroli. W XXI wieku innowacja rolniczej źródeł światła LED poczyniła postępy, zapewniając ważne wsparcie techniczne dla zastosowania energooszczędnych źródeł światła w fabrykach zakładu. Uniwersytet Chiba w Japonii dokonał szeregu innowacji w zakresie wysokowydajnych źródeł światła, energooszczędnej kontroli środowiska i technik uprawy. Wageningen University w Holandii wykorzystuje technologię symulacji środowiska upraw i dynamicznej optymalizacji, aby opracować inteligentny system sprzętu do fabryk zakładu, który znacznie zmniejsza koszty operacyjne i znacznie poprawia wydajność pracy.

W ostatnich latach fabryki roślin stopniowo realizowały półautomowanie procesów produkcyjnych z siewu, podnoszenia sadzonek, przeszczepu i zbioru. Japonia, Holandia i Stany Zjednoczone są na pierwszym planie, z wysokim stopniem mechanizacji, automatyzacji i inteligencji oraz rozwijają się w kierunku rolnictwa pionowego i bezzałogowego działania.

1.2 Status rozwoju technologii w Chinach

1.2.1 Specjalizowanie źródła światła LED i energooszczędny sprzęt technologiczny dla sztucznego światła w fabryce zakładu

Specjalne czerwone i niebieskie źródła światła LED do produkcji różnych gatunków roślin w fabrykach roślin zostały opracowane jeden po drugim. Moc waha się od 30 do 300 W, a intensywność światła napromieniowania wynosi 80 do 500 μmol/(M2 • S), co może zapewnić intensywność światła z odpowiednim zakresem progowym, parametrów jakości światła, aby osiągnąć efekt wysokiej wydajności Oszczędzanie energii i dostosowywanie się do potrzeb wzrostu i oświetlenia roślin. Jeśli chodzi o zarządzanie rozpraszaniem ciepła źródła światła, wprowadzono aktywną konstrukcję rozpraszania ciepła wentylatora źródła światła, co zmniejsza szybkość rozpadu światła źródła światła i zapewnia żywotność źródła światła. Ponadto zaproponowano metodę zmniejszenia ciepła źródła światła LED poprzez roztwór składników odżywczych lub krążenie wody. Pod względem zarządzania przestrzenią źródła światła, zgodnie z prawem ewolucji wielkości roślin na etapie sadzonek, a później, poprzez zarządzanie pionowym ruchem przestrzeni źródłowej światła LED, baldachim roślin może być oświetlony z bliskiej odległości, a celem oszczędzania energii jest celem oszczędzania energii osiągnięte. Obecnie zużycie energii w fabryce światła sztucznego światła może stanowić 50% do 60% całkowitego zużycia energii operacyjnej fabryki zakładu. Chociaż LED może zaoszczędzić 50% energii w porównaniu z lampami fluorescencyjnymi, nadal istnieje potencjał i konieczność badań nad oszczędnością energii i redukcji zużycia.

1.2.2 Wielowarstwowa trójwymiarowa technologia i sprzęt do uprawy

Różnica warstwowa wielowymiarowej uprawy wielowymiarowej jest zmniejszona, ponieważ LED zastępuje lampę fluorescencyjną, która poprawia trójwymiarową wydajność wykorzystania przestrzeni uprawy roślin. Istnieje wiele badań dotyczących projektowania dna łóżka uprawy. Podniesione paski zostały zaprojektowane do generowania turbulentnego przepływu, co może pomóc w równomiernym wchłanianiu składników odżywczych w roztworze odżywczym i zwiększyć stężenie rozpuszczonego tlenu. Za pomocą tablicy kolonizacji istnieją dwie metody kolonizacji, tj. Plastikowe kubki kolonizacyjne o różnych rozmiarach lub tryb kolonizacji obwodu gąbki. Pojawił się przesunalny system łóżek uprawy, a deska sadzenia i rośliny na niej można ręcznie popchnąć z jednego końca do drugiego, realizując tryb produkcji sadzenia na jednym końcu łóżka uprawy i zbiór na drugim końcu. Obecnie opracowano różnorodne trójwymiarowe wielowarstwowe technologia i sprzęt do kultury, oparte na technologii filmu z płynnością i technologii głębokiego przepływu cieczy oraz technologia i sprzęt do uprawy podłoża truskawek, uprawy aerozolu warzyw liściastych i kwiatów powstały. Wspomniana technologia rozwinęła się szybko.

1.2.3 Technologia cyrkulacji i sprzętu roztworu składników odżywczych

Po użyciu roztworu składników odżywczych przez pewien czas konieczne jest dodanie wody i elementów mineralnych. Zasadniczo ilość nowo przygotowanego roztworu składników odżywczych i ilość roztworu kwasowo-zasadowego są określane przez pomiar EC i pH. Duże cząsteczki osadu lub złuszczania korzeni w roztworze składników odżywczych należy usunąć za pomocą filtra. Wysłyki korzeniowe w roztworze składników odżywczych można usunąć metodami fotokatalitycznymi w celu uniknięcia ciągłych przeszkód w uprawie w hydroponice, ale istnieje pewne ryzyko dostępności składników odżywczych.

1.2.4 Technologia kontroli środowiska i sprzęt

Czystość powietrza w przestrzeni produkcyjnej jest jednym z ważnych wskaźników jakości powietrza fabryki roślin. Czystość powietrza (wskaźniki zawieszonych cząstek i osiedlonych bakterii) w przestrzeni produkcyjnej fabryki roślin w warunkach dynamicznych powinna być kontrolowana do poziomu powyżej 100 000. Wkład dezynfekcji materiału, nadchodzące personel prysznicowe i system oczyszczania powietrza w cyrkulacji powietrza (system filtracji powietrza) są podstawowymi zabezpieczeniami. Temperatura i wilgotność, stężenie CO2 i prędkość przepływu powietrza powietrza w przestrzeni produkcyjnej są kolejną ważną zawartością kontroli jakości powietrza. Według doniesień, konfigurowanie urządzeń, takich jak pudełka mieszające powietrze, kanały powietrzne, wloty powietrzne i gniazda powietrza może równomiernie kontrolować temperaturę i wilgotność, stężenie CO2 i prędkość przepływu powietrza w przestrzeni produkcyjnej, aby osiągnąć wysoką równomierność przestrzenną i zaspokoić potrzeby zakładu. w różnych lokalizacjach przestrzennych. Temperatura, wilgotność i system kontroli stężenia CO2 oraz system świeżego powietrza są organicznie zintegrowane z systemem powietrza krążącego. Trzy systemy muszą dzielić kanał powietrzny, wlot powietrzny i gniazdko powietrza oraz zapewnić zasilanie przez wentylator, aby zrealizować krążenie przepływu powietrza, filtracji i dezynfekcji oraz aktualizacji i jednolitości jakości powietrza. Zapewnia, że ​​produkcja roślin w fabryce roślin jest wolna od szkodników i chorób i nie jest wymagane żadne stosowanie pestycydów. Jednocześnie jednorodność temperatury, wilgotności, przepływu powietrza i CO2 elementów środowiska wzrostu w baldachimu zaspokoi potrzeby wzrostu roślin.

2. Status rozwoju przemysłu fabryki roślin

2.1 Status quo zagranicznego przemysłu fabryki roślin

W Japonii badania i rozwój i uprzemysłowienie fabryk sztucznych światła są stosunkowo szybkie i są na wiodącym poziomie. W 2010 r. Rząd japoński uruchomił 50 miliardów jenów, aby wspierać badania i rozwój technologii oraz demonstrację przemysłową. Uczestniczyło ośmiu instytucji, w tym Uniwersytet Chiba i Japan Plant Factory Research Association. Japan Future Company podjęła i prowadziła pierwszy projekt demonstracyjny industrializacji fabryki zakładu z codzienną produkcją 3000 roślin. W 2012 r. Koszt produkcji fabryki zakładu wyniósł 700 jenów/kg. W 2014 r. Modern Factory Plant Factory w zamku Taga, prefektura Miyagi została zakończona, stając się pierwszą na świecie fabryką roślin LED z codzienną produkcją 10 000 roślin. Od 2016 r. Fabryki zakładu LED weszły na szybki pas industrializacji w Japonii, a zerwane lub opłacalne przedsiębiorstwa pojawiły się jeden po drugim. W 2018 r. Na dużą skalę fabryki zakładów o codziennej zdolności produkcyjnej od 50 000 do 100 000 roślin pojawiły się jeden po drugiej, a globalne fabryki zakładów rozwijały się w kierunku rozwoju na dużą skalę, profesjonalnym i inteligentnym. W tym samym czasie Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power i inne dziedziny zaczęły inwestować w fabryki roślin. W 2020 r. Udział w rynku sałaty wytwarzany przez japońskie fabryki roślin będzie stanowić około 10% całego rynku sałaty. Spośród ponad 250 obecnie działających fabryk roślin sztucznych światła, 20% jest na etapie strat, 50% jest na poziomie zerwania, a 30% jest w opłacalnym etapie, obejmującym uprawiane gatunki roślin, takie jak sałata, zioła i sadzonki.

Holandia jest prawdziwym liderem w dziedzinie połączonej technologii zastosowania światła słonecznego i sztucznego światła dla fabryki roślin, z wysokim stopniem mechanizacji, automatyzacji, inteligencji i bezzałogości, a teraz wyeksportował pełny zestaw technologii i sprzętu jako silny Produkty na Bliskim Wschodzie, Afryce, Chinach i innych krajach. American Aerofarms Farm znajduje się w Newark, New Jersey, USA, z obszarem 6500 m2. Uprawia głównie warzywa i przyprawy, a produkcja wynosi około 900 t/rok.

Rolnictwo pionowe w aerofarmach

Pionowa fabryka roślin rolniczych firmy w Stanach Zjednoczonych przyjmuje oświetlenie LED i pionową ramę sadzenia o wysokości 6 m. Rośliny rosną z boków plantatorów. Opierając się na podlewanie grawitacji, ta metoda sadzenia nie wymaga dodatkowych pomp i jest bardziej wydajna niż konwencjonalne rolnictwo. Wiele twierdzi, że jego farma wytwarza 350 razy więcej niż konwencjonalna farma, jednocześnie wykorzystując tylko 1% wody.

Pionowa fabryka roślin rolniczych, Poblish Company

2.2 Status fabryki zakładów w Chinach

W 2009 r. Pierwsza fabryka zakładów produkcyjnych w Chinach z inteligentną kontrolą, gdy rdzeń został zbudowany i uruchomiony w Changchun Agricultural Expo Park. Obszar budowy wynosi 200 m2, a czynniki środowiskowe, takie jak temperatura, wilgotność, światło, CO2 i roztwór składający się składników odżywczych w fabryce zakładu, można automatycznie monitorować w czasie rzeczywistym, aby zrealizować inteligentne zarządzanie.

W 2010 r. Fabryka roślin Tongzhou zbudowana w Pekinie. Główna konstrukcja przyjmuje jednorodne stalowe konstrukcje ze stali o całkowitym obszarze budowy 1289 m2. Ma kształt lotniskowca, symbolizujący chińskie rolnictwo zajmujące prowadzenie w wyparciu o najbardziej zaawansowaną technologię nowoczesnego rolnictwa. Opracowano automatyczny sprzęt do niektórych operacji produkcji warzyw liściastych, co poprawiło poziom automatyzacji produkcji i wydajność produkcji fabryki zakładu. Fabryka zakładu przyjmuje gruntowy system pompy ciepła i system wytwarzania energii słonecznej, który lepiej rozwiązuje problem wysokich kosztów operacyjnych dla fabryki zakładu.

Wewnątrz i na zewnątrz widoku fabryki roślin Tongzhou

W 2013 r. Utworzono wiele firm zajmujących się technologią rolniczą w chroniącym strefie demonstracyjnej rolniczej zaawansowanej technologii, prowincji Shaanxi. Większość projektów fabrycznych w budowie i eksploatacji znajduje się w parkach demonstracyjnych zaawansowanych technologii rolniczej, które są wykorzystywane głównie do demonstracji popularnych naukowych i zwiedzania rekreacyjnego. Ze względu na ich funkcjonalne ograniczenia trudno jest uzyskać fabryki roślin popularnych osiągnąć wysoką wydajność i wysoką wydajność wymaganą przez uprzemysłowienie, i trudno będzie im stać się głównym nurtem industrializacji w przyszłości.

W 2015 r. Główny producent ChIP w Chinach współpracował z Instytutem Botaniki Chińskiej Akademii Nauk, aby wspólnie zainicjować ustanowienie firmy fabrycznej. Przeszedł z przemysłu optoelektronicznego do przemysłu „fotobiologicznego” i stał się precedensem dla chińskich producentów LED do inwestowania w budowę fabryk zakładu w industrializację. Jego fabryka zakładu jest zaangażowana w inwestycje przemysłowe w powstającą fotobiologię, która integruje badania naukowe, produkcję, demonstrację, inkubację i inne funkcje, z zarejestrowanym kapitałem 100 milionów juanów. W czerwcu 2016 r. Fabryka zakładu z 3-piętrowym budynkiem obejmującym obszar 3000 m2 i obszar uprawy ponad 10 000 m2 został ukończony i uruchomiony. Do maja 2017 r. Codzienna skala produkcji będzie wynosić 1500 kg warzyw liściastych, co odpowiada 15 000 roślin sałaty dziennie.

Widoki tej firmy

3. Problemy i środki zaradcze stojące przed rozwojem fabryk roślinnych

3.1 Problemy

3.1.1 Wysoki koszt budowy

Fabryki roślin muszą produkować uprawy w zamkniętym środowisku. Dlatego konieczne jest budowanie wspierających projektów i urządzeń, w tym zewnętrznych struktur konserwacji, systemów klimatyzacji, sztucznych źródeł światła, wielowarstwowych systemów uprawy, krążenia roztworu składników odżywczych i systemów kontroli komputerów. Koszt budowy jest stosunkowo wysoki.

3.1.2 Wysoki koszt pracy

Większość źródeł światła wymaganych przez fabryki roślin pochodzi z świateł LED, które zużywają dużo energii elektrycznej, zapewniając jednocześnie odpowiednie spektrum wzrostu różnych upraw. Sprzęt, taki jak klimatyzacja, wentylacja i pompy wodne w procesie produkcyjnym fabryk zakładu, również zużywają energię elektryczną, więc rachunki za prąd są ogromnym kosztem. Według statystyk, wśród kosztów produkcyjnych fabryk elektrowni, koszty energii elektrycznej stanowią 29%, koszty pracy stanowią 26%, co stanowi 23%, co stanowi 23%, opakowanie i transport stanowią 12%, a materiały produkcyjne za 10%.

Podział kosztów produkcji dla fabryki roślin

3.1.3 niski poziom automatyzacji

Obecnie stosowana fabryka zakładu ma niski poziom automatyzacji, a procesy takie jak sadzonki, przeszczep, sadzenie pola i zbiór nadal wymagają operacji ręcznych, co powoduje wysokie koszty pracy.

3.1.4 Ograniczone odmiany upraw, które można uprawiać

Obecnie rodzaje upraw odpowiednich do fabryk roślin są bardzo ograniczone, głównie zielone warzywa liściaste, które szybko rosną, łatwo akceptują sztuczne źródła światła i mają niski baldachim. Sadzenie na dużą skalę nie można przeprowadzić dla złożonych wymagań dotyczących sadzenia (takich jak uprawy, które muszą zostać zapylone itp.).

3.2 Strategia rozwoju

Z uwagi na problemy, przed którymi stoi przemysł fabryki roślin, konieczne jest przeprowadzenie badań z różnych aspektów, takich jak technologia i działanie. W odpowiedzi na obecne problemy środki zaradcze są następujące.

(1) Wzmocnij badania nad inteligentnymi technologią fabryk roślin i popraw poziom intensywnego i wyrafinowanego zarządzania. Rozwój inteligentnego systemu zarządzania i kontroli pomaga osiągnąć intensywne i wyrafinowane zarządzanie fabrykami roślin, co może znacznie obniżyć koszty pracy i zaoszczędzić pracę.

(2) Rozwijaj intensywny i wydajny sprzęt techniczny fabryki zakładu, aby osiągnąć coroczne wysokiej jakości i wysokiej wydajności. Rozwój wysokowydajnych obiektów i sprzętu uprawy, energooszczędnej technologii i sprzętu oświetleniowego itp. W celu poprawy inteligentnego poziomu fabryk roślin sprzyja realizacji corocznej produkcji o wysokiej wydajności.

(3) Przeprowadź badania nad technologią uprawy przemysłowej dla roślin o wysokiej wartości dodanej, takich jak rośliny lecznicze, zakłady opieki zdrowotnej i rzadkie warzywa, zwiększają rodzaje upraw uprawianych w fabrykach roślin, poszerzanie kanałów zysków i poprawa punktu początkowego zysku .

(4) Przeprowadź badania fabryk roślin do użytku domowego i komercyjnego, wzbogacaj rodzaje fabryk roślin i osiągnąć ciągłą rentowność z różnymi funkcjami.

4. Trend rozwojowy i perspektywa fabryki roślin

4.1 Trend rozwoju technologii

4.1.1 Intelektualizacja pełna proces

W oparciu o mechanizm fuzji i straży maszynowej i zapobiegania stratom systemu upraw-robot, szybkie elastyczne i nieniszczące efektory końcowe i zbiórki, rozłożone wielowymiarowe dokładne pozycjonowanie przestrzeni i wielomodalne metody kontroli współpracy wielopasmowej, oraz bezzałogowe, wydajne i nieniszczące siew w hodowlanych fabrykach roślin-Inteligentne roboty i sprzęt wspierający, takie jak sadzenie być utworzonym, realizując w ten sposób bezzałogowe działanie całego procesu.

4.1.2 Spraw, aby kontrola produkcji mądrzejsza

W oparciu o mechanizm reakcji wzrostu i rozwoju upraw na promieniowanie lekkie, temperaturę, wilgotność, stężenie CO2, stężenie składników odżywczych roztworu składników odżywczych i EC, należy skonstruować ilościowy model sprzężenia zwrotnego upraw i środowiska. Należy ustanowić strategiczny model podstawowy, aby dynamicznie analizować informacje o życiu warzywnym i parametry środowiska produkcyjnego. Należy również ustalić internetowy system diagnozy identyfikacji i kontroli procesu środowiska. Należy stworzyć wieloparteczny wspólny system decyzyjny sztucznej inteligencji dla całego procesu produkcyjnego pionowej fabryki rolniczej.

4.1.3 Niska produkcja węgla i oszczędność energii

Ustanowienie systemu zarządzania energią, który wykorzystuje odnawialne źródła energii, takie jak słoneczne i wiatrowe w celu uzupełnienia transmisji energii i kontrolowania zużycia energii w celu osiągnięcia optymalnych celów zarządzania energią. Przechwytywanie i ponowne wykorzystanie emisji CO2 w celu wspomagania produkcji roślin.

4.1.3 Wysoka wartość odmian premium

Należy podejmować wykonalne strategie w celu wyhodowania różnych odmian o wysokiej wartości dodanej do sadzenia eksperymentów, zbudować bazę danych ekspertów ds. Technologii uprawy, przeprowadzić badania nad technologią uprawy, wybór gęstości, układanie zmienności i dostosowania sprzętu oraz tworzenie standardowych specyfikacji technicznych.

4.2 Perspektywy rozwoju branży

Fabryki roślin mogą pozbyć się ograniczeń zasobów i środowiska, uświadomić sobie uprzemysłowioną produkcję rolnictwa i przyciągnąć nową generację siły roboczej do angażowania się w produkcję rolniczą. Kluczowymi innowacjami technologicznymi i uprzemysłowienia chińskich fabryk roślin staje się światowym liderem. Dzięki przyspieszonym zastosowaniu źródła światła LED, digitalizacji, automatyzacji i inteligentnych technologii w dziedzinie fabryk zakładu, fabryki zakładu przyciągną więcej inwestycji kapitałowych, gromadzenia talentów oraz korzystania z większej nowej energii, nowych materiałów i nowego sprzętu. W ten sposób można zrealizować dogłębną integrację technologii informatycznych i wyposażenia i sprzętu, można ulepszyć inteligentny i bezzałogowy poziom obiektów i sprzętu, ciągłe zmniejszenie zużycia energii i kosztów operacyjnych poprzez ciągłe innowacje oraz stopniowe innowacje oraz stopniowe innowacje oraz stopniowe innowacje oraz stopniowe innowacje oraz stopniowe innowacje oraz stopniowe Uprawa specjalistycznych rynków, inteligentne fabryki roślin zapoczątkową złoty okres rozwoju.

Według raportów z badań rynku globalna wielkość rynku rolnictwa pionowego w 2020 r. Wynosi zaledwie 2,9 miliarda USD i oczekuje się, że do 2025 r. Globalna wielkość rynku rolnictwa pionowego osiągnie 30 miliardów USD. Podsumowując, fabryki roślin mają szerokie perspektywy zastosowania i przestrzeń rozwoju.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong itp.

Informacje o cytowaniu:Obecna sytuacja i perspektywy rozwoju przemysłu fabryki roślin [J]. Technologia inżynierii rolnej, 2022, 42 (1): 18-23.autor: Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li i in.