Резюме: През последните години, с непрекъснатото изследване на съвременните селскостопански технологии, индустрията на растенията също се развива бързо.Този документ въвежда статуквото, съществуващите проблеми и мерките за противодействие на развитието на технологията на фабричните заводи и развитието на индустрията и очаква с нетърпение тенденцията за развитие и перспективите на заводите за производство в бъдеще.

1. Текущо състояние на развитието на технологиите в заводите в Китай и в чужбина

1.1 Статуквото на развитието на чуждестранните технологии

От 21-ви век изследванията на фабриките за растения се фокусират главно върху подобряването на светлинната ефективност, създаването на многослойно триизмерно оборудване за системи за култивиране и изследването и разработването на интелигентно управление и контрол.През 21-ви век иновациите на селскостопанските LED източници на светлина постигнаха напредък, осигурявайки важна техническа подкрепа за прилагането на LED енергоспестяващи източници на светлина в заводите.Университетът Чиба в Япония направи редица иновации във високоефективни източници на светлина, енергоспестяващ контрол на околната среда и техники за култивиране.Университетът Вагенинген в Холандия използва технология за симулация на реколта-среда и динамична оптимизация, за да разработи система за интелигентно оборудване за заводи, което значително намалява оперативните разходи и значително подобрява производителността на труда.

През последните години фабриките за растения постепенно реализираха полуавтоматизация на производствените процеси от сеитба, отглеждане на разсад, разсаждане и прибиране на реколтата.Япония, Холандия и САЩ са в челните редици с висока степен на механизация, автоматизация и интелигентност и се развиват в посока на вертикално земеделие и безпилотно управление.

1.2 Състояние на технологичното развитие в Китай

1.2.1 Специализиран светодиоден източник на светлина и енергоспестяващо технологично оборудване за изкуствена светлина във фабрика

Специални червени и сини LED източници на светлина за производството на различни растителни видове в растителни фабрики са разработени един след друг.Мощността варира от 30 до 300 W, а интензитетът на светлината на излъчване е от 80 до 500 μmol/(m2•s), което може да осигури интензитет на светлината с подходящ прагов обхват, параметри за качество на светлината, за да се постигне ефектът на висока ефективност спестяване на енергия и адаптиране към нуждите на растежа на растенията и осветлението.По отношение на управлението на разсейването на топлината от източника на светлина е въведен дизайнът за активно разсейване на топлината на вентилатора на източника на светлина, който намалява скоростта на затихване на светлината на източника на светлина и осигурява живота на източника на светлина.Освен това се предлага метод за намаляване на топлината на LED светлинен източник чрез хранителен разтвор или циркулация на вода.По отношение на управлението на пространството на източника на светлина, в съответствие със закона за еволюцията на размера на растението в етапа на разсад и по-късен етап, чрез управлението на вертикалното движение в пространството на източника на LED светлина, сенникът на растението може да бъде осветен на близко разстояние и целта за пестене на енергия е постигнати.Понастоящем потреблението на енергия от източника на светлина на фабриката за изкуствена светлина може да представлява 50% до 60% от общата оперативна консумация на енергия на фабриката.Въпреки че LED може да спести 50% енергия в сравнение с флуоресцентните лампи, все още има потенциал и необходимост от изследвания за спестяване на енергия и намаляване на консумацията.

1.2.2 Многослойна триизмерна технология и оборудване за култивиране

Разликата между слоевете при многослойното триизмерно култивиране е намалена, тъй като светодиодът замества флуоресцентната лампа, което подобрява ефективността на триизмерното използване на пространството при култивирането на растенията.Има много изследвания върху дизайна на дъното на леглото за култивиране.Повдигнатите ивици са предназначени да генерират турбулентен поток, който може да помогне на корените на растенията да абсорбират равномерно хранителни вещества в хранителния разтвор и да увеличат концентрацията на разтворен кислород.С помощта на дъската за колонизация има два метода за колонизация, тоест пластмасови чаши за колонизация с различни размери или режим на колонизация по периметъра на гъба.Появи се плъзгаща се система за лехи за култивиране и дъската за засаждане и растенията върху нея могат да бъдат ръчно избутани от единия край до другия, реализирайки производствения режим на засаждане в единия край на лехата за култивиране и прибиране на реколтата в другия край.Понастоящем са разработени различни триизмерни многослойни безпочвени култивационни технологии и оборудване, базирани на технология за течен хранителен филм и технология за дълбок течен поток, както и технология и оборудване за субстратно отглеждане на ягоди, аерозолно отглеждане на листни зеленчуци и цветя са изникнали.Споменатата технология се разви бързо.

1.2.3 Технология и оборудване за циркулация на хранителни разтвори

След като хранителният разтвор е бил използван за определен период от време, е необходимо да се добавят вода и минерални елементи.Обикновено количеството на новоприготвения хранителен разтвор и количеството на киселинно-алкалния разтвор се определят чрез измерване на EC и pH.Големите частици утайка или ексфолиация на корените в хранителния разтвор трябва да бъдат отстранени с филтър.Кореновите ексудати в хранителния разтвор могат да бъдат отстранени чрез фотокаталитични методи, за да се избегнат непрекъснатите препятствия при отглеждането на културите в хидропониката, но има определени рискове в наличността на хранителни вещества.

1.2.4 Технология и оборудване за контрол на околната среда

Чистотата на въздуха в производствените помещения е един от важните показатели за качеството на въздуха във фабриката.Чистотата на въздуха (показатели за суспендирани частици и утаени бактерии) в производствените помещения на фабриката при динамични условия трябва да се контролира до ниво над 100 000.Входът за дезинфекция на материалите, обработката на входящия персонал с въздушен душ и системата за пречистване на въздуха с циркулация на чист въздух (система за филтриране на въздуха) са всички основни предпазни мерки.Температурата и влажността, концентрацията на CO2 и скоростта на въздушния поток в производственото пространство са друго важно съдържание на контрола на качеството на въздуха.Според докладите, настройването на оборудване като смесителни кутии за въздух, въздуховоди, входове и изходи за въздух може равномерно да контролира температурата и влажността, концентрацията на CO2 и скоростта на въздушния поток в производственото пространство, така че да се постигне висока пространствена еднородност и да се задоволят нуждите на растенията на различни пространствени места.Системата за контрол на температурата, влажността и концентрацията на CO2 и системата за чист въздух са органично интегрирани в системата за циркулиращ въздух.Трите системи трябва да споделят въздуховода, входа и изхода на въздуха и да осигурят захранване през вентилатора, за да реализират циркулацията на въздушния поток, филтриране и дезинфекция, както и актуализиране и равномерност на качеството на въздуха.Той гарантира, че растителната продукция във фабриката е без вредители и болести и не е необходимо прилагане на пестициди.В същото време еднаквостта на температурата, влажността, въздушния поток и концентрацията на CO2 на елементите на околната среда за растеж в сенника гарантирано отговаря на нуждите на растежа на растенията.

2. Състояние на развитието на заводската промишленост

2.1 Статуквото на чуждестранната фабрична индустрия

В Япония научноизследователската и развойна дейност и индустриализацията на заводи за изкуствено осветление са сравнително бързи и са на водещо ниво.През 2010 г. японското правителство отпусна 50 милиарда йени в подкрепа на технологични изследвания и разработки и индустриални демонстрации.Участваха осем институции, включително университета Чиба и Японската асоциация за изследване на заводите.Japan Future Company предприе и управлява първия демонстрационен проект за индустриализация на фабрика за растения с дневна продукция от 3000 растения.През 2012 г. производствените разходи на завода бяха 700 йени/кг.През 2014 г. беше завършена модерна фабрична фабрика в Taga Castle, префектура Мияги, превръщайки се в първата в света фабрика за LED инсталации с дневна продукция от 10 000 растения.От 2016 г. фабриките за LED инсталации навлязоха в бързата лента на индустриализацията в Япония и едно след друго се появиха рентабилни или печеливши предприятия.През 2018 г. една след друга се появиха големи заводи с дневен производствен капацитет от 50 000 до 100 000 растения, а глобалните заводи се развиваха към мащабно, професионално и интелигентно развитие.В същото време Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power и други области започнаха да инвестират в заводи.През 2020 г. пазарният дял на марулята, произведена от японски растителни фабрики, ще представлява около 10% от целия пазар на маруля.Сред повече от 250 фабрики за изкуствено осветление, работещи в момента, 20% са на губещ етап, 50% са на ниво на рентабилност и 30% са на печеливш етап, включвайки култивирани растителни видове като напр. марули, билки и разсад.

Холандия е истински световен лидер в областта на технологията за комбинирано приложение на слънчева светлина и изкуствена светлина за заводи, с висока степен на механизация, автоматизация, интелигентност и безпилотност, и вече е изнесла пълен набор от технологии и оборудване като силни продукти за Близкия изток, Африка, Китай и други страни.Фермата на American AeroFarms се намира в Нюарк, Ню Джърси, САЩ, с площ от 6500 m2.Основно отглежда зеленчуци и подправки, а производството е около 900 т/год.

Вертикално земеделие в AeroFarms

Фабриката за вертикални селскостопански растения на Plenty Company в Съединените щати използва LED осветление и рамка за вертикално засаждане с височина 6 m.Растенията растат отстрани на кашпото.Разчитайки на гравитачно поливане, този метод на засаждане не изисква допълнителни помпи и е по-ефективен от водата от конвенционалното земеделие.Пленти твърди, че неговата ферма произвежда 350 пъти повече продукция от конвенционална ферма, като използва само 1% от водата.

Фабрика за вертикални земеделски растения, Plenty Company

2.2 Състояние на фабричната индустрия в Китай

През 2009 г. първата фабрика за производствена инсталация в Китай с интелигентен контрол като ядро ​​беше построена и пусната в експлоатация в Changchun Agricultural Expo Park.Площта на сградата е 200 m2, а факторите на околната среда като температура, влажност, светлина, CO2 и концентрация на хранителен разтвор на завода могат да бъдат автоматично наблюдавани в реално време, за да се реализира интелигентно управление.

През 2010 г. заводът Tongzhou Plant Factory е построен в Пекин.Основната конструкция приема еднослойна лека стоманена конструкция с обща строителна площ от 1289 m2.Той е оформен като самолетоносач, символизиращ китайското селско стопанство, поемащо водеща роля в отплаването към най-модерната технология на съвременното земеделие.Разработено е автоматично оборудване за някои операции на производството на листни зеленчуци, което подобри нивото на автоматизация на производството и ефективността на производството на завода.Заводът използва термична помпа със земен източник и система за генериране на слънчева енергия, което по-добре решава проблема с високите оперативни разходи за завода.

Вътрешен и външен изглед към фабриката за производство на растения в Тонгжу

През 2013 г. много компании за селскостопански технологии бяха създадени в селскостопанската високотехнологична демонстрационна зона Yangling, провинция Shaanxi.Повечето от проектите за заводи в процес на изграждане и експлоатация са разположени в селскостопански високотехнологични демонстрационни паркове, които се използват главно за научно-популярни демонстрации и разглеждане на забележителности.Поради техните функционални ограничения, за тези научно-популярни фабрики за растения е трудно да постигнат високия добив и високата ефективност, изисквани от индустриализацията, и ще бъде трудно за тях да се превърнат в основна форма на индустриализация в бъдеще.

През 2015 г. голям производител на светодиодни чипове в Китай си сътрудничи с Института по ботаника на Китайската академия на науките, за да инициират съвместно създаването на компания за производство на растения.Тя премина от оптоелектронната индустрия към „фотобиологичната“ индустрия и се превърна в прецедент за китайските производители на светодиоди да инвестират в изграждането на заводи за индустриализация.Нейната фабрика за растения се ангажира да прави индустриални инвестиции в нововъзникваща фотобиология, която интегрира научни изследвания, производство, демонстрация, инкубация и други функции, с регистриран капитал от 100 милиона юана.През юни 2016 г. тази фабрика за растения с 3-етажна сграда с площ от 3000 m2 и обработваема площ от повече от 10 000 m2 беше завършена и пусната в експлоатация.До май 2017 г. дневният производствен мащаб ще бъде 1500 кг листни зеленчуци, което се равнява на 15 000 стръка маруля на ден.

Прегледи на тази компания

3. Проблеми и контрамерки пред развитието на растителните фабрики

3.1 Проблеми

3.1.1 Висока цена на строителството

Фабриките за растения трябва да произвеждат култури в затворена среда.Следователно е необходимо да се изградят поддържащи проекти и оборудване, включително външни структури за поддръжка, климатични системи, изкуствени източници на светлина, многослойни системи за култивиране, циркулация на хранителни разтвори и компютърни системи за управление.Цената на строителството е сравнително висока.

3.1.2 Високи оперативни разходи

Повечето от източниците на светлина, необходими на фабриките за растения, идват от LED светлини, които консумират много електричество, като същевременно осигуряват съответните спектри за растежа на различни култури.Оборудване като климатизация, вентилация и водни помпи в производствения процес на заводите също консумират електричество, така че сметките за електричество са огромен разход.Според статистиката сред производствените разходи на заводите разходите за електроенергия представляват 29%, разходите за труд представляват 26%, амортизацията на дълготрайни активи представлява 23%, опаковката и транспортът представляват 12%, а производствените материали представляват 10%.

Разбивка на производствените разходи за завода

3.1.3 Ниско ниво на автоматизация

Прилаганата в момента фабрика за растения има ниско ниво на автоматизация и процеси като разсад, пресаждане, засаждане на полето и прибиране на реколтата все още изискват ръчни операции, което води до високи разходи за труд.

3.1.4 Ограничени сортове култури, които могат да бъдат култивирани

Понастоящем видовете култури, подходящи за растителни фабрики, са много ограничени, главно зелени листни зеленчуци, които растат бързо, лесно приемат изкуствени източници на светлина и имат нисък покрив.Масово засаждане не може да се извърши при сложни изисквания за засаждане (като култури, които трябва да бъдат опрашени и т.н.).

3.2 Стратегия за развитие

С оглед на проблемите, пред които е изправена производствената индустрия, е необходимо да се проведат изследвания от различни аспекти като технология и експлоатация.В отговор на настоящите проблеми контрамерките са следните.

(1) Засилване на изследванията върху интелигентните технологии на заводите и подобряване на нивото на интензивно и прецизно управление.Разработването на интелигентна система за управление и контрол помага за постигане на интензивно и прецизно управление на заводите, което може значително да намали разходите за труд и да спести труд.

(2) Разработване на интензивно и ефективно техническо оборудване на завода за постигане на годишно високо качество и висок добив.Разработването на високоефективни съоръжения и оборудване за култивиране, енергоспестяващи осветителни технологии и оборудване и др., за да се подобри интелигентното ниво на растителните фабрики, е благоприятно за реализирането на годишно високоефективно производство.

(3) Провеждане на изследвания върху технологиите за промишлено отглеждане на растения с висока добавена стойност като лечебни растения, растения за здравеопазване и редки зеленчуци, увеличаване на видовете култури, отглеждани в растителни фабрики, разширяване на каналите за печалба и подобряване на началната точка на печалба .

(4) Провеждане на изследвания на фабрики за растения за битова и търговска употреба, обогатяване на видовете фабрики за растения и постигане на непрекъсната рентабилност с различни функции.

4. Тенденция на развитие и перспектива на растителната фабрика

4.1 Тенденция в развитието на технологиите

4.1.1 Пълна интелектуализация на процеса

Въз основа на сливането на машинното изкуство и механизма за предотвратяване на загуби на системата реколта-робот, високоскоростни гъвкави и неразрушителни крайни ефекти при засаждане и прибиране на реколтата, разпределено многоизмерно пространство, точно позициониране и мултимодални многомашинни методи за съвместен контрол, и безпилотна, ефективна и неразрушителна сеитба във високи фабрики за растения - Трябва да бъдат създадени интелигентни роботи и поддържащо оборудване като засаждане-жътва-опаковане, като по този начин се реализира безпилотната работа на целия процес.

4.1.2 Направете производствения контрол по-интелигентен

Въз основа на механизма на реакция на растежа и развитието на културите към светлинна радиация, температура, влажност, концентрация на CO2, концентрация на хранителни вещества в хранителния разтвор и EC, трябва да се изгради количествен модел на обратната връзка култура-околна среда.Трябва да се създаде стратегически основен модел за динамичен анализ на информацията за живота на листните зеленчуци и параметрите на производствената среда.Трябва също да се създаде онлайн система за диагностика на динамична идентификация и контрол на процесите на околната среда.Трябва да се създаде система за вземане на решения с многомашинен колаборативен изкуствен интелект за целия производствен процес на вертикална селскостопанска фабрика с голям обем.

4.1.3 Нисковъглеродно производство и спестяване на енергия

Създаване на система за управление на енергията, която използва възобновяеми енергийни източници като слънчева и вятърна енергия, за да завърши преноса на енергия и контролира потреблението на енергия за постигане на оптимални цели за управление на енергията.Улавяне и повторно използване на емисиите на CO2 за подпомагане на производството на култури.

4.1.3 Висока стойност на премиум сортовете

Трябва да се предприемат осъществими стратегии за отглеждане на различни сортове с висока добавена стойност за експерименти със засаждане, изграждане на база данни от експерти по технология на култивиране, провеждане на изследвания относно технологията на култивиране, избор на гъстота, подреждане на стърнищата, разнообразие и адаптивност на оборудването и формиране на стандартни технически спецификации за култивиране.

4.2 Перспективи за развитие на индустрията

Фабриките за растения могат да се отърват от ограниченията на ресурсите и околната среда, да реализират индустриализираното производство на селското стопанство и да привлекат новото поколение работна сила да се занимава със селскостопанско производство.Ключовата технологична иновация и индустриализацията на заводите в Китай се превръщат в световен лидер.С ускореното прилагане на LED светлинен източник, дигитализация, автоматизация и интелигентни технологии в областта на заводите, заводите ще привлекат повече капиталови инвестиции, събиране на таланти и използването на повече нова енергия, нови материали и ново оборудване.По този начин може да се реализира задълбочената интеграция на информационните технологии и съоръженията и оборудването, може да се подобри интелигентното и безпилотно ниво на съоръженията и оборудването, непрекъснатото намаляване на енергийното потребление на системата и оперативните разходи чрез непрекъснати иновации и постепенното отглеждането на специализирани пазари, фабриките за интелигентни растения ще въведат златен период на развитие.

Според доклади за пазарни проучвания размерът на глобалния пазар за вертикално земеделие през 2020 г. е само 2,9 милиарда щатски долара, а се очаква до 2025 г. размерът на глобалния пазар на вертикално земеделие да достигне 30 милиарда щатски долара.В обобщение, заводите имат широки перспективи за приложение и пространство за развитие.

Автор: Zengchan Zhou, Weidong и др

Информация за цитиране:Текущо състояние и перспективи за развитие на заводската промишленост [J].Технология на селскостопанското инженерство, 2022, 42 (1): 18-23.от Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li и др.