Апстракт: Во последниве години, со континуираното истражување на модерната земјоделска технологија, рапидно се развива и растителната фабричка индустрија.Овој труд ги воведува статус кво, постоечките проблеми и развојните контрамерки на технологијата на фабричките фабрики и развојот на индустријата, и се радува на развојниот тренд и перспектива на фабриките за растенија во иднина.

1. Тековен статус на развојот на технологијата во фабриките за растенија во Кина и во странство

1.1 Статус кво на развој на странски технологии

Од 21 век, истражувањето на фабриките за растенија главно се фокусираше на подобрување на ефикасноста на светлината, создавање на повеќеслојна опрема за тридимензионален систем за одгледување и истражување и развој на интелигентно управување и контрола.Во 21 век, иновацијата на земјоделските LED извори на светлина постигна напредок, обезбедувајќи важна техничка поддршка за примена на LED извори на светлина за заштеда на енергија во фабриките за растенија.Универзитетот Чиба во Јапонија направи голем број иновации во високоефикасни извори на светлина, контрола на животната средина за заштеда на енергија и техники на одгледување.Универзитетот Вагенинген во Холандија користи симулација на животната средина на културите и технологија за динамична оптимизација за да развие интелигентен систем за опрема за фабриките за погони, што во голема мера ги намалува оперативните трошоци и значително ја подобрува продуктивноста на трудот.

Во последните години, фабриките за растенија постепено ја реализираа полуавтоматизацијата на производните процеси од сеидба, одгледување садници, пресадување и берба.Јапонија, Холандија и САД се во првите редови со висок степен на механизација, автоматизација и интелигенција и се развиваат во насока на вертикално земјоделство и беспилотно работење.

1.2 Статус на развој на технологија во Кина

1.2.1 Специјализирана ЛЕД извор на светлина и опрема за примена на технологија за заштеда на енергија за вештачка светлина во фабрика за растенија

Специјални црвени и сини LED извори на светлина за производство на различни растителни видови во растителни фабрики се развиени еден по друг.Моќта се движи од 30 до 300 W, а интензитетот на светлината на зрачење е 80 до 500 μmol/(m2•s), што може да обезбеди интензитет на светлина со соодветен опсег на праг, параметри за квалитет на светлина, за да се постигне ефект на висока ефикасност заштеда на енергија и прилагодување на потребите за раст и осветлување на растенијата.Во однос на управувањето со дисипација на топлина од изворот на светлина, воведен е дизајнот за активна дисипација на топлина на вентилаторот на изворот на светлина, кој ја намалува стапката на распаѓање на светлината на изворот на светлина и го обезбедува животниот век на изворот на светлина.Дополнително, се предлага метод за намалување на топлината на LED изворот на светлина преку хранлив раствор или циркулација на вода.Во однос на управувањето со просторот со извори на светлина, според еволуциониот закон за големината на растението во фазата на расад и подоцнежната фаза, преку управувањето со вертикално движење на просторот на LED извор на светлина, крошната на растението може да се осветли на блиско растојание и целта за заштеда на енергија е постигне.Во моментов, потрошувачката на енергија на изворот на светлина во фабриката за вештачка светлина може да сочинува од 50% до 60% од вкупната оперативна потрошувачка на енергија на фабриката.Иако LED може да заштеди 50% енергија во споредба со флуоресцентните светилки, сè уште постои потенцијал и потреба од истражување за заштеда на енергија и намалување на потрошувачката.

1.2.2 Повеќеслојна тродимензионална технологија и опрема за одгледување

Јазот на слоевите на повеќеслојното тридимензионално одгледување е намален бидејќи ЛЕР ја заменува флуоресцентната светилка, што ја подобрува ефикасноста на тродимензионалното искористување на просторот на одгледувањето на растенијата.Постојат многу студии за дизајнот на дното на креветот за одгледување.Подигнатите ленти се дизајнирани да генерираат турбулентен проток, што може да им помогне на корените на растенијата рамномерно да ги апсорбираат хранливите материи во хранливиот раствор и да ја зголемат концентрацијата на растворениот кислород.Користејќи ја таблата за колонизација, постојат два методи на колонизација, односно пластичните чаши за колонизација со различни големини или режимот на колонизација со периметар на сунѓер.Се појави систем за култивирачко лежиште кое може да се лизга, а плочата за садење и растенијата на неа може рачно да се туркаат од едниот до другиот крај, со што ќе се реализира начинот на производство на садење на едниот крај од култивирачкото корито и берба на другиот крај.Во моментов, развиена е разновидна тродимензионална повеќеслојна технологија и опрема за култура без почва заснована на технологија за хранлив течен филм и технологија за длабок проток на течност, а технологијата и опремата за подлога за одгледување јагоди, аеросолно одгледување на лиснат зеленчук и цвеќиња изникнале.Споменатата технологија се развива брзо.

1.2.3 Технологија и опрема за циркулација на хранливи раствори

Откако хранливиот раствор ќе се искористи одредено време, потребно е да се додадат вода и минерални елементи.Општо земено, количината на новоприготвениот хранлив раствор и количината на киселинско-базен раствор се одредуваат со мерење на EC и pH.Големите честички од талог или пилинг на коренот во хранливиот раствор треба да се отстранат со филтер.Ексудатите од коренот во хранливиот раствор може да се отстранат со фотокаталитички методи за да се избегнат пречки за континуирано сечење во хидропоника, но постојат одредени ризици во достапноста на хранливите материи.

1.2.4 Технологија и опрема за контрола на животната средина

Чистотата на воздухот на производниот простор е еден од важните показатели за квалитетот на воздухот во фабриката.Чистотата на воздухот (показатели на суспендирани честички и населени бактерии) во производниот простор на фабриката во динамични услови треба да се контролира на ниво над 100.000.Влезот за дезинфекција на материјалот, третманот со туширање со воздух на влезниот персонал и системот за прочистување на воздухот за циркулација на свеж воздух (систем за филтрирање на воздухот) се сите основни заштитни мерки.Температурата и влажноста, концентрацијата на CO2 и брзината на протокот на воздух на воздухот во производниот простор се уште една важна содржина на контролата на квалитетот на воздухот.Според извештаите, поставувањето опрема како што се кутии за мешање воздух, воздушни канали, влезови и излези за воздух може рамномерно да ги контролира температурата и влажноста, концентрацијата на CO2 и брзината на протокот на воздух во производниот простор, за да се постигне висока просторна униформност и да се задоволат потребите на растенијата на различни просторни локации.Системот за контрола на температурата, влажноста и концентрацијата на CO2 и системот за свеж воздух се органски интегрирани во системот за циркулирачки воздух.Трите системи треба да ги делат воздушните канали, влезот и излезот на воздухот и да обезбедат струја преку вентилаторот за да се реализира циркулацијата на протокот на воздух, филтрирањето и дезинфекцијата и ажурирањето и униформноста на квалитетот на воздухот.Тоа осигурува дека растителното производство во фабриката за растенија е без штетници и болести и не е потребна примена на пестициди.Во исто време, униформноста на температурата, влажноста, протокот на воздух и концентрацијата на CO2 на елементите на средината за раст во настрешницата е загарантирана за да ги задоволи потребите за раст на растенијата.

2. Развојен статус на растителна фабричка индустрија

2.1 Статус кво на странска фабрика за растителна индустрија

Во Јапонија, истражувањето и развојот и индустријализацијата на фабриките за вештачка светлина се релативно брзи и тие се на водечко ниво.Во 2010 година, јапонската влада лансираше 50 милијарди јени за поддршка на истражување и развој на технологија и индустриска демонстрација.Учествуваа осум институции, вклучително и Универзитетот Чиба и Асоцијацијата за истражување на фабрики во Јапонија.Japan Future Company го презеде и управуваше со првиот демонстративен проект за индустријализација на фабрика за растенија со дневно производство од 3.000 погони.Во 2012 година, производната цена на фабриката беше 700 јени/кг.Во 2014 година, беше завршена фабриката за модерна фабричка фабрика во замокот Тага, префектурата Мијаги, со што стана првата фабрика за ЛЕР во светот со дневно производство од 10.000 постројки.Од 2016 година, фабриките за постројки за LED диоди влегоа во брзата лента на индустријализација во Јапонија и се појавија едно по друго рентабилни или профитабилни претпријатија.Во 2018 година, големите фабрики со дневен производствен капацитет од 50.000 до 100.000 погони се појавија една по друга, а глобалните фабрики за растенија се развиваа кон голем, професионален и интелигентен развој.Во исто време, Токио Електрик Пауер, Окинава Електрик Пауер и други полиња почнаа да инвестираат во фабрики за фабрики.Во 2020 година, пазарниот удел на зелената салата произведена од јапонските фабрики за растенија ќе учествува со околу 10% од целиот пазар на зелена салата.Помеѓу повеќе од 250 фабрики за растенија од вештачка светлина што моментално работат, 20% се во фаза на загуба, 50% се на ниво на рентабилност и 30% се во профитабилна фаза, вклучувајќи култивирани растителни видови како што се зелена салата, билки и садници.

Холандија е вистински светски лидер во областа на комбинирана технологија за примена на сончева светлина и вештачка светлина за фабрика за растенија, со висок степен на механизација, автоматизација, интелигенција и беспилотна екипа, и сега извезе целосен сет на технологии и опрема како силна производи на Блискиот Исток, Африка, Кина и други земји.Американската фарма AeroFarms се наоѓа во Њуарк, Њу Џерси, САД, со површина од 6500 m2.Главно се одгледува зеленчук и зачини, а производството е околу 900 t/годишно.

Вертикално земјоделство во AeroFarms

Фабриката за вертикални фармерски растенија на Plenty Company во Соединетите Држави усвојува LED осветлување и вертикална рамка за садење со висина од 6 m.Растенијата растат од страните на жардинери.Потпирајќи се на гравитационото наводнување, овој метод на садење не бара дополнителни пумпи и е поефикасен за вода од конвенционалното земјоделство.Plenty тврди дека неговата фарма произведува 350 пати повеќе од конвенционалната фарма додека користи само 1% од водата.

Фабрика за вертикални земјоделски растенија, Plenty Company

2.2 Статус фабричка индустрија во Кина

Во 2009 година, првата фабрика за производство во Кина со интелигентна контрола како јадро беше изградена и пуштена во употреба во паркот Чангчун Агрикултурен Експо.Површината на зградата е 200 m2, а факторите на животната средина како температура, влажност, светлина, CO2 и концентрацијата на хранлив раствор во фабриката за растенија може автоматски да се следат во реално време за да се реализира интелигентно управување.

Во 2010 година, фабриката за фабрика Тонгжу изградена во Пекинг.Основната конструкција усвојува еднослојна лесна челична конструкција со вкупна градежна површина од 1289 м2.Тој е обликуван како носач на авиони, симболизирајќи го кинеското земјоделство кое го презема водството во испловувањето на најнапредната технологија на модерното земјоделство.Развиена е автоматска опрема за некои операции на производство на лиснат зеленчук, што го подобри нивото на автоматизација на производството и производната ефикасност на фабриката.Фабриката за централа усвојува систем за топлинска пумпа со извор на земја и систем за производство на соларна енергија, што подобро го решава проблемот со високите оперативни трошоци за фабриката за централа.

Внатре и надворешен поглед на фабриката за растенија во Тонгжу

Во 2013 година, многу компании за земјоделска технологија беа основани во Земјоделската високотехнолошка демонстративна зона Јанглинг, провинцијата Шанкси.Повеќето од фабричките фабрички проекти во изградба и работа се лоцирани во земјоделски високотехнолошки демонстрациски паркови, кои главно се користат за научно-популарни демонстрации и рекреативни разгледи.Поради нивните функционални ограничувања, тешко е за овие фабрики за научно-популарни фабрики да постигнат висок принос и висока ефикасност што ги бара индустријализацијата, и ќе биде тешко за нив да станат мејнстрим форма на индустријализација во иднина.

Во 2015 година, голем производител на LED чипови во Кина соработуваше со Институтот за ботаника на Кинеската академија на науките за заеднички да иницираат основање на фабрика за фабрика.Таа премина од оптоелектронската индустрија во „фотобиолошката“ индустрија и стана преседан за кинеските производители на ЛЕР да инвестираат во изградба на фабрики во индустријализација.Нејзината фабрика за растенија е посветена на индустриски инвестиции во новонастаната фотобиологија, која интегрира научно истражување, производство, демонстрација, инкубација и други функции, со регистриран капитал од 100 милиони јуани.Во јуни 2016 година беше завршена и пуштена во употреба оваа Погонска фабрика со 3-катница на површина од 3.000 м2 и обработлива површина поголема од 10.000 м2.До мај 2017 година, дневната скала за производство ќе биде 1.500 кг лиснат зеленчук, што е еквивалентно на 15.000 растенија зелена салата дневно.

Погледи на оваа компанија

3. Проблеми и контрамерки со кои се соочува развојот на погонските фабрики

3.1 Проблеми

3.1.1 Високи трошоци за изградба

Фабриките за растенија треба да произведуваат култури во затворена средина.Затоа, неопходно е да се изградат придружни проекти и опрема, вклучувајќи надворешни структури за одржување, системи за климатизација, вештачки извори на светлина, повеќеслојни системи за одгледување, циркулација на хранливи раствори и системи за компјутерска контрола.Трошоците за изградба се релативно високи.

3.1.2 Висока оперативна цена

Повеќето од изворите на светлина што ги бараат фабриките за растенија доаѓаат од LED светилки, кои трошат многу електрична енергија додека обезбедуваат соодветни спектри за раст на различни култури.Опремата како климатизација, вентилација и пумпи за вода во производствените фабрики исто така троши струја, па сметките за струја се огромен трошок.Според статистичките податоци, меѓу трошоците за производство на фабриките за погони, трошоците за електрична енергија учествуваат со 29%, трошоците за работна сила со 26%, амортизацијата на основните средства со 23%, пакувањето и транспортот со 12%, а материјалите за производство учествуваат со 10%.

Распределба на трошоците за производство за фабрика за фабрика

3.1.3 Ниско ниво на автоматизација

Моментално применетата фабрика за растенија има ниско ниво на автоматизација, а процесите како што се садење, пресадување, садење на терен и берба сè уште бараат рачни операции, што резултира со високи трошоци за работна сила.

3.1.4 Ограничени сорти на култури што можат да се одгледуваат

Во моментов, видовите култури погодни за растителни фабрики се многу ограничени, главно зелен лиснат зеленчук кој расте брзо, лесно прифаќа вештачки извори на светлина и има ниска крошна.Засадувањето во големи размери не може да се изврши за сложени барања за садење (како што се култури што треба да се опрашуваат итн.).

3.2 Стратегија за развој

Со оглед на проблемите со кои се соочува фабриката за растителна индустрија, неопходно е да се спроведе истражување од различни аспекти како што се технологијата и работењето.Како одговор на актуелните проблеми, контрамерките се следните.

(1) Да се ​​зајакне истражувањето за интелигентна технологија на фабриките за растенија и да се подобри нивото на интензивно и рафинирано управување.Развојот на интелигентен систем за управување и контрола помага да се постигне интензивно и рафинирано управување со фабриките за погони, што може во голема мера да ги намали трошоците за работна сила и да заштеди работна сила.

(2) Развивање на интензивна и ефикасна техничка опрема на фабриката за да се постигне годишен висок квалитет и висок принос.Развојот на високоефикасни капацитети за одгледување и опрема, технологија за осветлување и опрема за заштеда на енергија, итн., за подобрување на интелигентното ниво на фабриките за растенија, е погодна за реализација на годишно високоефикасно производство.

(3) Спроведе истражување за технологија на индустриско одгледување на растенија со висока додадена вредност како што се лековити растенија, здравствени растенија и редок зеленчук, зголемување на видовите култури што се одгледуваат во фабрики за растенија, проширување на профитните канали и подобрување на почетната точка на профитот .

(4) Спроведување на истражување на фабрики за растенија за домаќинство и комерцијална употреба, збогатување на видовите фабрики за растенија и постигнување континуирана профитабилност со различни функции.

4. Развојен тренд и перспектива на фабриката за растенија

4.1 Тренд за развој на технологија

4.1.1 Целосна процесна интелектуализација

Врз основа на механизмот за спречување на фузија и загуба на машинска уметност на системот за роботи на култури, брзи флексибилни и недеструктивни крајни ефектори за садење и берба, дистрибуиран повеќедимензионален простор прецизно позиционирање и мултимодални мулти-машински колаборативни методи за контрола, и беспилотна, ефикасна и недеструктивна сеидба во фабрики за високи растенија -Треба да се создадат интелигентни роботи и опрема за поддршка како што се садење-берба-пакување, со што ќе се реализира беспилотното работење на целиот процес.

4.1.2 Направете ја контролата на производството попаметна

Врз основа на механизмот на одговор на растот и развојот на културите на светлосно зрачење, температура, влажност, концентрација на CO2, концентрација на хранливи материи во хранлив раствор и EC, треба да се конструира квантитативен модел на повратни информации меѓу културите и животната средина.Треба да се воспостави стратешки јадро модел за динамичка анализа на информациите за животот на лиснатиот зеленчук и параметрите на производната средина.Треба да се воспостави и онлајн динамичка идентификациска дијагностика и систем за контрола на процесот на животната средина.Треба да се создаде повеќемашински колаборативен систем за одлучување за вештачка интелигенција за целиот производствен процес на вертикална земјоделска фабрика со голем обем.

4.1.3 Ниско производство на јаглерод и заштеда на енергија

Воспоставување на систем за управување со енергија кој користи обновливи извори на енергија како што се сончевата енергија и ветерот за да се заврши преносот на енергија и да се контролира потрошувачката на енергија за да се постигнат оптималните цели за управување со енергијата.Зафаќање и повторна употреба на емисиите на CO2 за помош на растителното производство.

4.1.3 Висока вредност на врвните сорти

Треба да се преземат остварливи стратегии за да се одгледуваат различни сорти со висока додадена вредност за експерименти за садење, да се изгради база на податоци за експерти за технологија на одгледување, да се спроведе истражување за технологијата на одгледување, селекција на густина, распоред на стрништа, сорта и приспособливост на опремата и да се формираат стандардни технички спецификации за одгледување.

4.2 Изгледи за развој на индустријата

Фабриките можат да се ослободат од ограничувањата на ресурсите и животната средина, да го реализираат индустријализираното производство на земјоделството и да ја привлечат новата генерација работна сила да се вклучи во земјоделското производство.Клучната технолошка иновација и индустријализација на фабриките за фабрики во Кина станува светски лидер.Со забрзана примена на LED извор на светлина, дигитализација, автоматизација и интелигентни технологии во областа на фабриките за растенија, фабриките за растенија ќе привлечат повеќе капитални инвестиции, собирање таленти и употреба на повеќе нова енергија, нови материјали и нова опрема.На овој начин може да се реализира длабинска интеграција на информатичката технологија и објектите и опремата, да се подобри интелигентното и беспилотно ниво на објекти и опрема, континуирано намалување на потрошувачката на енергија на системот и оперативните трошоци преку континуирани иновации и постепено одгледување на специјализирани пазари, интелигентни фабрики за растенија ќе воведат златен период на развој.

Според извештаите за истражување на пазарот, големината на глобалниот пазар на вертикално земјоделство во 2020 година е само 2,9 милијарди американски долари, а се очекува до 2025 година, големината на глобалниот пазар на вертикално земјоделство да достигне 30 милијарди американски долари.Накратко, фабриките за растенија имаат широки можности за примена и простор за развој.

Автор: Зенгчан Џоу, Веидонг итн

Информации за цитирање:Тековна состојба и изгледи за развој на индустријата за растителни фабрики [J].Земјоделска инженерска технологија, 2022 година, 42 (1): 18-23.од Зенгчан Џоу, Веи Донг, Ксиуганг Ли и др.