Zusammenfassung: In den letzten Jahren hat sich die Pflanzenfabrikindustrie mit der kontinuierlichen Erforschung der modernen landwirtschaftlichen Technologie auch rasant entwickelt. In diesem Papier wird der Status Quo, die vorhandenen Probleme und die Entwicklung der Ausgewerbe der Pflanzenfabriktechnologie und der Industrieentwicklung eingeführt und sich auf den Entwicklungstrend und die Aussicht auf Pflanzenfabriken in Zukunft freuen.

1. Aktueller Status der Technologieentwicklung in Pflanzenfabriken in China und im Ausland

1.1 Der Status quo der Entwicklung ausländischer Technologien

Seit dem 21. Jahrhundert konzentriert sich die Forschung von Pflanzenfabriken hauptsächlich auf die Verbesserung der Lichteffizienz, die Schaffung von mehrschichtigen dreidimensionalen Kultivierungssystemausrüstung sowie die Forschung und Entwicklung intelligenter Management und Kontrolle. Im 21. Jahrhundert hat die Innovation landwirtschaftlicher LED-Lichtquellen Fortschritte erzielt und eine wichtige technische Unterstützung für die Anwendung von energiesparenden Lichtquellen für LED in Pflanzenfabriken gewährt. Die Chiba University in Japan hat eine Reihe von Innovationen in hocheffizienten Lichtquellen, energiesparenden Umweltkontrolle und Kultivierungstechniken hergestellt. Die Wageningen-Universität in den Niederlanden verwendet die Simulation der Pflanzenumwelt und die dynamische Optimierungstechnologie, um ein intelligentes Gerätesystem für Anlagenfabriken zu entwickeln, das die Betriebskosten erheblich senkt und die Arbeitsproduktivität erheblich verbessert.

In den letzten Jahren haben Pflanzenfabriken allmählich die Halbautomierung von Produktionsprozessen durch Aussaat, Sämlingeerhebung, Transplantation und Ernte realisiert. Japan, die Niederlande und die Vereinigten Staaten stehen im Vordergrund mit einem hohen Maß an Mechanisierung, Automatisierung und Intelligenz und entwickeln sich in Richtung vertikaler Landwirtschaft und unbemannter Betrieb.

1.2 Status der Technologieentwicklung in China

1.2.1 Spezializd-LED-Lichtquelle und energiesparende Anwendungstechnologieausrüstung für künstliches Licht in der Pflanzenfabrik

Spezielle rote und blaue LED -Lichtquellen für die Herstellung verschiedener Pflanzenarten in Pflanzenfabriken wurden nacheinander entwickelt. Die Leistung reicht von 30 bis 300 W, und die Bestrahlungslichtintensität beträgt 80 bis 500 μmol/(M2 • s), was eine Lichtintensität mit einem geeigneten Schwellenwertbereich und Lichtqualitätsparametern ermöglichen kann, um den Effekt der hohen Effizienz zu erreichen Energieeinsparung und Anpassung an die Bedürfnisse von Pflanzenwachstum und Beleuchtung. In Bezug auf das Management der Lichtquellen -Wärmedissipation wurde das Design der aktiven Wärmedissipation des Lichtquellenlüfters eingeführt, wodurch die Lichtverfallrate der Lichtquelle reduziert und die Lebensdauer der Lichtquelle gewährleistet wird. Zusätzlich wird eine Methode zur Verringerung der Wärme der LED -Lichtquelle durch Nährstofflösung oder Wasserzirkulation vorgeschlagen. In Bezug auf das Lichtquellen -Raummanagement ist nach dem Evolutionsgesetz der Pflanzengröße im Sämlingsstadium und im späteren Stadium durch das vertikale Raumbewegungsmanagement der LED -Lichtquelle der Pflanzen -Baldachin in enger Entfernung beleuchtet und das Ziel des Energiesparungsziels ist beleuchtet werden erreicht. Gegenwärtig kann der Energieverbrauch von künstlichen Lichtanlagen -Fabrik -Lichtquellen 50% bis 60% des gesamten Betriebsenergieverbrauchs der Anlagenfabrik ausmachen. Obwohl LED im Vergleich zu Fluoreszenzlampen 50% Energie einsparen kann, besteht immer noch das Potenzial und die Notwendigkeit der Erforschung der Energieeinsparung und der Verringerung der Verbrauch.

1.2.2 Mehrschichtige dreidimensionale Anbautechnologie und -ausrüstung

Die Schichtlücke des dreischichtigen dreidimensionalen Anbaues wird verringert, da die LED die Fluoreszenzlampe ersetzt, wodurch die dreidimensionale Raumnutzungseffizienz des Pflanzenanbaus verbessert wird. Es gibt viele Studien zum Design des Bodens des Kultivierungsbettes. Die erhöhten Streifen sind so konzipiert, dass sie turbulente Strömungen erzeugen, was dazu beitragen kann, Wurzeln zu pflanzen, um Nährstoffe in der Nährlösung gleichmäßig zu absorbieren und die Konzentration des gelösten Sauerstoffs zu erhöhen. Unter Verwendung der Kolonisationsscheibe gibt es zwei Kolonisationsmethoden, dh die Plastikkolonisationsbecher unterschiedlicher Größen oder den Kolonisationsmodus des Schwammperimeter -Kolonisationsmodus. Es ist ein slidierbares Kultivierungsbettsystem aufgetaucht, und das Pflanztafel und die darauf aufgenommenen Pflanzen können manuell von einem Ende zum anderen geschoben werden, wodurch die Produktionsmodus des Pflanzens an einem Ende des Kultivierungsbetts und der Ernte am anderen Ende erkennen kann. Gegenwärtig wurde eine Vielzahl von dreidimensionalen mehrschichtigen Kulturtechnologien und -geräten, die auf Nährstofffilmtechnologie und tiefer flüssiger Flusstechnologie basieren sind entstanden. Die genannte Technologie hat sich schnell entwickelt.

1.2.3 Nährstofflösung Zirkulationstechnologie und Geräte

Nachdem die Nährstofflösung für einen bestimmten Zeitraum verwendet wurde, ist es erforderlich, Wasser und Mineralelemente hinzuzufügen. Im Allgemeinen wird die Menge der neu vorbereiteten Nährstofflösung und die Menge an Säure-Base-Lösung durch Messung von EC und pH bestimmt. Große Sedimentpartikel oder Wurzelpeelungen in der Nährlösung müssen durch einen Filter entfernt werden. Wurzelausfälle in der Nährstofflösung können durch photokatalytische Methoden entfernt werden, um kontinuierliche Anbaushindernisse in der Hydrokultur zu vermeiden. Es besteht jedoch bestimmte Risiken bei der Verfügbarkeit von Nährstoffen.

1.2.4 Umweltkontrolltechnologie und -ausrüstung

Die Luftsäuerung des Produktionsraums ist einer der wichtigsten Indikatoren für die Luftqualität der Anlagenfabrik. Die Luftsäuerung (Indikatoren für schwebende Partikel und abgesetzte Bakterien) im Produktionsraum der Pflanzenfabrik unter dynamischen Bedingungen sollten auf ein Niveau über 100.000 kontrolliert werden. Material Desinfektion, eingehende Personalluftduschenbehandlung und frisches Luftzirkulationsluftreinigungssystem (Luftfiltrationssystem) sind alle grundlegenden Schutzmaßnahmen. Die Temperatur und Luftfeuchtigkeit, die CO2 -Konzentration und die Luftstromgeschwindigkeit der Luft im Produktionsraum sind ein weiterer wichtiger Gehalt an der Luftqualitätskontrolle. Berichten zufolge können Geräte wie Luftmischkästen, Luftkanäle, Lufteingänge und Luftauslässe die Temperatur und Luftfeuchtigkeit, die CO2 -Konzentration und die Luftstromgeschwindigkeit im Produktionsraum gleichmäßig steuern, um eine hohe räumliche Gleichmäßigkeit zu erreichen und die Anforderungen des Anlagens zu decken an verschiedenen räumlichen Stellen. Die Temperatur-, Luftfeuchtigkeit- und CO2 -Konzentrationskontrollsystem und das Frischluftsystem sind organisch in das zirkulierende Luftsystem integriert. Die drei Systeme müssen den Luftkanal, den Lufteinlass und den Luftauslass teilen und durch den Lüfter Strom versorgen, um die Zirkulation von Luftstrom, Filtration und Desinfektion sowie Aktualisierung und Einheitlichkeit der Luftqualität zu erzielen. Es stellt sicher, dass die Anlagenproduktion in der Pflanzenfabrik frei von Schädlingen und Krankheiten ist und kein Pestizidantrag erforderlich ist. Gleichzeitig wird die Einheitlichkeit der Temperatur-, Luftstrahl-, Luftstrom- und CO2 -Konzentration der Wachstumsumgebungselemente in der Baldachin den Bedürfnissen des Pflanzenwachstums garantiert.

2. Entwicklungsstatus der Pflanzenfabrikindustrie

2.1 Status Quo der ausländischen Pflanzenfabrikindustrie

In Japan sind die Forschung und Entwicklung und Industrialisierung von Pflanzenfabriken für künstliche Licht relativ schnell und befinden sich auf der führenden Ebene. Im Jahr 2010 startete die japanische Regierung 50 Milliarden Yen, um die Technologieforschung und -entwicklung sowie die industrielle Demonstration zu unterstützen. Acht Institutionen, einschließlich der Chiba University und der Japan Plant Factory Research Association, nahmen teil. Das Japan Future Company führte das erste Industrialisierungsdemonstrationsprojekt einer Anlagefabrik mit einer täglichen Leistung von 3.000 Anlagen durch und betrieben. Im Jahr 2012 betrug die Produktionskosten der Pflanzenfabrik 700 Yen/kg. Im Jahr 2014 wurde die Präfektur Miyagi in der Präfektur Miyagi in Taga Castle in Taga -Fabrik und der weltweit führenden LED -Werksfabrik mit einer täglichen Leistung von 10.000 Pflanzen. Seit 2016 sind LED-Pflanzenfabriken in Japan in die Fast Lane of Industrialisierung eingetreten, und Break-Even- oder Profitable Unternehmen sind nacheinander eingetreten. Im Jahr 2018 tauchten groß angelegte Pflanzenfabriken mit einer täglichen Produktionskapazität von 50.000 bis 100.000 Pflanzen nacheinander auf, und die globalen Pflanzenfabriken entwickelten sich in Richtung großer Maßstäbe, professioneller und intelligenter Entwicklung. Gleichzeitig begannen Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power und andere Bereiche in Pflanzenfabriken. Im Jahr 2020 wird der Marktanteil von Salat, der von japanischen Pflanzenfabriken produziert wird, etwa 10% des gesamten Salatmarktes ausmachen. Unter den mehr als 250 künstlichen lichttypen Pflanzfabriken, die derzeit in Betrieb sind, befinden sich 20% in einem Verluststadium, 50% befinden sich auf Break-Even-Niveau und 30% befinden sich in einem profitablen Stadium, an dem kultivierte Pflanzenarten wie z. Salat, Kräuter und Sämlinge.

Die Niederlande sind ein echter Weltführer im Bereich der kombinierten Anwendungstechnologie von Solarlicht und künstlichem Licht für Pflanzenfabrik mit einem hohen Maß an Mechanisierung, Automatisierung, Intelligenz und Unbemannschaft und hat nun einen vollständigen Satz von Technologien und Ausrüstungen als stark exportiert Produkte in den Nahen Osten, Afrika, China und andere Länder. Die American Aerofarms Farm befindet sich in Newark, New Jersey, USA, mit einer Fläche von 6500 m2. Es baut hauptsächlich Gemüse und Gewürze an und die Ausgabe beträgt etwa 900 t/Jahr.

Vertikale Landwirtschaft in Aerofarms

Die vertikale Fabrik der Fabrik der Fülle in den USA nimmt LED -Beleuchtung und einen vertikalen Pflanzrahmen mit einer Höhe von 6 m an. Pflanzen wachsen von den Seiten der Pflanzer. Aufgrund der Gewässerung der Schwerkraft erfordert diese Pflanzmethode keine zusätzlichen Pumpen und ist wassereffizienter als herkömmliche Landwirtschaft. Fülle behauptet, sein Farm produziert das 350 -fache der Produktion einer konventionellen Farm, während er nur 1% des Wassers verwendet.

Vertikale Bauernpflanzfabrik, viel Unternehmen

2.2 Status Pflanzenfabrikindustrie in China

Im Jahr 2009 wurde im Changchun Agricultural Expo Park die erste Produktionsanlage in China mit intelligenter Kontrolle als Kern aufgebaut und in Betrieb genommen. Der Baubereich beträgt 200 m2 und die Umweltfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht, CO2 und Nährstofflösung der Anlagefabrik können in Echtzeit automatisch überwacht werden, um intelligentes Management zu realisieren.

Im Jahr 2010 wurde die in Peking erbaute Tongzhou -Pflanzfabrik gebaut. Die Hauptstruktur verwendet eine einschichtige leichte Stahlstruktur mit einer Gesamtbaufläche von 1289 m2. Es ist wie ein Flugzeugträger geformt und symbolisiert die chinesische Landwirtschaft, die die Führung über die fortschrittlichste Technologie der modernen Landwirtschaft übernimmt. Die automatische Ausrüstung für einige Vorgänge der Blattgemüseproduktion wurde entwickelt, was die Produktionsautomatisierung und die Produktionseffizienz der Werksfabrik verbessert hat. Die Anlagenfabrik nimmt ein Bodenquellen -Wärmepumpensystem und ein Solar -Stromerzeugungssystem an, das das Problem der hohen Betriebskosten für die Anlagefabrik besser löst.

Innen- und Außenansicht der Tongzhou -Pflanzfabrik

Im Jahr 2013 wurden viele landwirtschaftliche Technologieunternehmen in Yangling Agricultural High-Tech Demonstration Zone, Provinz Shaanxi, gegründet. Die meisten im Bau und in Betrieb befindlichen Pflanzenfabrikprojekte befinden sich in landwirtschaftlichen High-Tech-Demonstrationsparks, die hauptsächlich für populäre Wissenschaftsdemonstrationen und Freizeitbedenken eingesetzt werden. Aufgrund ihrer funktionalen Einschränkungen ist es für diese populärwissenschaftlichen Pflanzenfabriken schwierig, den durch Industrialisierung erforderlichen hohen Ertrag und hohe Effizienz zu erreichen, und es wird für sie schwierig sein, in Zukunft zur Mainstream -Form der Industrialisierung zu werden.

Im Jahr 2015 arbeitete ein großer LED -ChIP -Hersteller in China mit dem Institut für Botanik der chinesischen Akademie der Wissenschaften zusammen, um gemeinsam die Gründung eines Pflanzenfabrikunternehmens zu initiieren. Es hat sich von der optoelektronischen Industrie bis zur „photobiologischen“ Industrie überschritten und ist ein Präzedenzfall für chinesische LED -Hersteller geworden, um in den Bau von Pflanzenfabriken in der Industrialisierung zu investieren. Die Pflanzenfabrik ist verpflichtet, industrielle Investitionen in die aufstrebende Photobiologie zu tätigen, die wissenschaftliche Forschung, Produktion, Demonstration, Inkubation und andere Funktionen in ein registriertes Kapital von 100 Millionen Yuan integriert. Im Juni 2016 wurde diese Anlagefabrik mit einem dreistöckigen Gebäude mit einer Fläche von 3.000 m2 und einem Anbaugebiet von mehr als 10.000 m2 fertiggestellt und in Betrieb genommen. Bis Mai 2017 wird die tägliche Produktionsskala 1.500 kg Blattgemüse betragen, was 15.000 Salatpflanzen pro Tag entspricht.

Ansichten dieser Firma

3. Probleme und Gegenmaßnahmen für die Entwicklung von Pflanzenfabriken

3.1 Probleme

3.1.1 hohe Baukosten

Pflanzenfabriken müssen in einer geschlossenen Umgebung Pflanzen produzieren. Daher ist es notwendig, unterstützende Projekte und Geräte zu bauen, einschließlich externer Wartungsstrukturen, Klimaanlagen, künstliche Lichtquellen, mehrschichtige Kultivierungssysteme, Zirkulation von Nährstofflösung und Computersteuerungssystemen. Die Baukosten sind relativ hoch.

3.1.2 hohe Betriebskosten

Die meisten Lichtquellen, die von Pflanzenfabriken benötigt werden, stammen aus LED -Leuchten, die viel Strom verbrauchen und gleichzeitig entsprechende Spektren für das Wachstum verschiedener Pflanzen bereitstellen. Geräte wie Klimaanlage, Belüftung und Wasserpumpen im Produktionsprozess von Anlagenfabriken verbrauchen auch Strom, sodass Stromrechnungen eine enorme Kosten sind. Laut Statistiken machen die Produktionskosten unter den Produktionskosten von Anlagenfabriken 29%aus, die Arbeitskosten machen 26%aus, die Abschreibungen von Anlagevermögen machen 23%, Verpackung und Transport aus, und Produktionsmaterialien machen 10%aus.

Produktionskosten für die Pflanzenfabrik

3.1.3 Niedriges Automatisierungsgrad

Die derzeit angewandte Pflanzfabrik verfügt über ein geringes Automatisierungsniveau, und Prozesse wie Sämlinge, Transplantation, Feldpflanzung und Ernte erfordern weiterhin manuelle Betriebsvorgänge, was zu hohen Arbeitskosten führt.

3.1.4 Begrenzte Pflanzensorten, die kultiviert werden können

Gegenwärtig sind die für Pflanzenfabriken geeigneten Arten von Pflanzen sehr begrenzt, hauptsächlich grünes Blattgemüse, die schnell wachsen, leicht künstliche Lichtquellen akzeptieren und einen niedrigen Baldachin aufweisen. Ein großflächiger Pflanzen kann nicht für komplexe Pflanzanforderungen durchgeführt werden (z. B. Pflanzen, die bestäubt werden müssen usw.).

3.2 Entwicklungsstrategie

Angesichts der Probleme der Pflanzenfabrikindustrie ist es erforderlich, Forschung aus verschiedenen Aspekten wie Technologie und Betrieb durchzuführen. Als Reaktion auf die aktuellen Probleme sind die Gegenmaßnahmen wie folgt.

(1) Stärken Sie die Forschung zu intelligenten Technologien von Pflanzenfabriken und verbessern Sie das intensive und raffinierte Management. Die Entwicklung eines intelligenten Management- und Kontrollsystems trägt dazu bei, intensives und raffiniertes Management von Pflanzenfabriken zu erreichen, was die Arbeitskosten erheblich senken und Arbeitskräfte sparen kann.

(2) Intensive und effiziente technische Ausrüstung für Pflanzenfabrik entwickeln, um jährliche qualitativ hochwertige und hohe Erzählungen zu erreichen. Die Entwicklung hocheffizienter Anbauanlagen und -ausrüstung, energiesparende Beleuchtungstechnologie und -ausrüstung usw., um das intelligente Maß an Anlagenfabriken zu verbessern, ist der Realisierung der jährlichen hocheffizienten Produktion förderlich.

(3) Forschung zur industriellen Kultivierungstechnologie für hochwertige Pflanzen wie Heilanlagen, Gesundheitsanlagen und seltene Gemüse durchführen, die in Pflanzenfabriken kultivierten Pflanzen erhöhen, Gewinnkanäle erweitern und den Ausgangspunkt des Gewinns verbessern .

(4) Forschung zu Pflanzenfabriken für den Haushalt und die kommerzielle Nutzung durchführen, die Arten von Pflanzenfabriken bereichern und eine kontinuierliche Rentabilität mit verschiedenen Funktionen erreichen.

4. Entwicklungstrend und Aussicht auf Pflanzenfabrik

4.1 Trend für Technologieentwicklung

4.1.1 Intellektualisierung der Vollprozess

Basierend auf dem Mechanismus für Fusions- und Verlustverhütung des Maschinenbau-Robots, des flexiblen und nicht zerstörerischen Pflanz- und Ernte-End-Effektoren, verteilten multidimensionalen Raum-Genauigkeitspositionierungen und multi-modaler Multi-Maschinen-Kooperationssteuermethoden, mit hohem Geschwindigkeitsmodus, kollaborative Kontrollmethoden, multi-modal und unbemannte, effiziente und nicht zerstörerische Aussaat in Hochhäusern-Fabriken-intelligente Roboter und Stützausrüstung wie Pflanzungspacken sollten erstellt werden und so den unbemannten Betrieb des gesamten Prozesses erkennen.

4.1.2 Die Produktionskontrolle intelligenter machen

Basierend auf dem Reaktionsmechanismus des Pflanzenwachstums und der Entwicklung von Lichtstrahlung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2-Konzentration, Nährstoffkonzentration der Nährstofflösung und EC sollte ein quantitatives Modell der Feedback der Pflanzenumwelt konstruiert werden. Ein strategisches Kernmodell sollte festgelegt werden, um die Informationen und die Produktionsumgebungsparameter von Blättern dynamisch zu analysieren. Das dynamische Identifikationsdiagnose und das Prozesskontrollsystem der Umwelt sollten ebenfalls festgelegt werden. Es sollte ein Entscheidungssystem für künstliche Intelligenz für den gesamten Produktionsprozess einer vertikalen landwirtschaftlichen Fabrik mit hohem Volumen geschaffen werden.

4.1.3 Niedrige Kohlenstoffproduktion und Energieeinsparung

Einrichtung eines Energiemanagementsystems, das erneuerbare Energiequellen wie Solar und Wind verwendet, um die Stromübertragung zu vervollständigen und den Energieverbrauch zu kontrollieren, um optimale Energiemanagementziele zu erreichen. CO2 -Emissionen erfassen und wiederverwenden, um die Ernteproduktion zu unterstützen.

4.1.3 hoher Wert von Premium -Sorten

Befriedigende Strategien sollten zur Herstellung unterschiedlicher Sorten mit hohem Wert für das Pflanzen von Experimenten, eine Datenbank mit Experten für Kultivierungstechnologie, Forschung zu Kultivierungstechnologie, Dichteauswahl, Stoppelnanordnung, Variante und Anpassungsfähigkeit der Geräte und bilden Standard-Kultivierung Technische Spezifikationen erfolgen.

4.2 Aussichten für Branchenentwicklung

Pflanzenfabriken können die Einschränkungen von Ressourcen und Umwelt beseitigen, die industrialisierte Produktion der Landwirtschaft realisieren und die neue Generation von Erwerbsbevölkerung für die landwirtschaftliche Produktion anziehen. Die entscheidende technologische Innovation und die Industrialisierung der Pflanzenfabriken Chinas werden zu einem weltweiten führenden Unternehmen. Mit der beschleunigten Anwendung von LED -Lichtquellen, Digitalisierung, Automatisierung und intelligenten Technologien im Bereich der Pflanzenfabriken werden Pflanzenfabriken mehr Kapitalinvestitionen, Talentsammlung und die Verwendung neuer Energie, neuer Materialien und neuer Ausrüstung anziehen. Auf diese Weise kann die eingehende Integration von Informationstechnologie sowie Einrichtungen und Ausrüstungsgegenständen realisiert werden, das intelligente und unbemannte Maß an Einrichtungen und Ausrüstungen, die kontinuierliche Reduzierung des Systems Energieverbrauch und die Betriebskosten durch kontinuierliche Innovation und die schrittweise Der Anbau von spezialisierten Märkten, intelligente Pflanzenfabriken werden die goldene Entwicklungsperiode einleiten.

Marktforschungsberichten zufolge beträgt die globale Marktgröße für vertikale landwirtschaftliche Marktwirtschaft im Jahr 2020 nur 2,9 Milliarden US -Dollar, und es wird erwartet, dass die weltweite Marktgröße für vertikale landwirtschaftliche Marktwirtschaft bis 2025 30 Milliarden US -Dollar erreichen wird. Zusammenfassend haben Pflanzenfabriken umfassende Anwendungsaussichten und Entwicklungsraum.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong usw.

Zitierinformationen:Aktuelle Situation und Aussichten für die Entwicklung der Pflanzenfabrikindustrie [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022, 42 (1): 18-23.Von Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.