植物工廠(chǎng)的發(fā)展史
1957年世界上第一家植物工廠(chǎng)誕生在丹麥，1974年日本等國(guó)也逐步發(fā)展起來(lái)。
美國(guó)猶他州立大學(xué)試驗(yàn)用植物工廠(chǎng)種植小麥，全生育期不到2月，一年可收獲4-5次。20世紀(jì)60年代初次進(jìn)行植物工廠(chǎng)的試驗(yàn)，并開(kāi)始推廣。
1964年奧地利開(kāi)始試驗(yàn)一種塔式植物工廠(chǎng)(高30米、面積5000平方米)。該國(guó)魯斯納植物工廠(chǎng)公司的塔式植物工廠(chǎng)已在北歐、俄羅斯、中東國(guó)家采用。
奧地利的一家番茄工廠(chǎng)，工作人員僅30人，平均日產(chǎn)番茄 13.7噸，生產(chǎn) 1公斤番茄耗電 9-10kw.h，成本只有露地的60%。
1971年丹麥也建成了綠葉菜工廠(chǎng)，快速生產(chǎn)獨(dú)行菜、鴨兒芹、萵苣等。
1974年日本建成一座電子計(jì)算機(jī)調(diào)控的花卉蔬菜工廠(chǎng)，該廠(chǎng)由1棟2層的樓房(830平方米)和兩棟栽培溫室(每棟800平方米)構(gòu)成，在一年內(nèi)生產(chǎn)兩茬金香、兩茬壟民花、一茬番茄，做到周年生產(chǎn)。
至1998年，日本已有用于研究展示、生產(chǎn)的植物工廠(chǎng)近四十個(gè)，其中生產(chǎn)用植物工廠(chǎng)17個(gè)。
2004年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了利用嵌入式網(wǎng)絡(luò)式環(huán)境控制的人工光型密閉式植物工廠(chǎng)。
集裝箱植物工廠(chǎng)技術(shù)的應(yīng)用
集裝箱式植物工廠(chǎng)是按照清潔生產(chǎn)理念設(shè)計(jì)的密閉式立體栽培系統(tǒng)，該產(chǎn)品基于新型節(jié)能高效 LED 燈具作為人工光源，利用密閉式圍護(hù)結(jié)構(gòu)和循環(huán)式層流通風(fēng)使得室內(nèi)環(huán)境均勻．從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)葉菜、藥草、種苗的周年計(jì)劃性穩(wěn)定生產(chǎn)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)定銷(xiāo)定產(chǎn)的工業(yè)化植物生產(chǎn)，即每天播種、每天采收的周年制定離效生產(chǎn)。20 英尺集裝箱的生菜日產(chǎn)規(guī)模為為 92 株／日、 40 英尺集裝箱則可達(dá)到 184 株/日，生菜年產(chǎn)量在 200kg/㎡ 以上。植物工廠(chǎng)技術(shù)可為高附加值植物高效生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，是一種基于植物值息進(jìn)行智能反饋調(diào)控的高產(chǎn)高效、節(jié)能環(huán)保、清潔健康、生態(tài)智能的未來(lái)農(nóng)業(yè)的新興生產(chǎn)方式。
植物工廠(chǎng)可以大幅提高單位土地利用率、產(chǎn)出率和經(jīng)濟(jì)效益,自動(dòng)化程度高,具有生產(chǎn)計(jì)劃性,使農(nóng)產(chǎn)品安全無(wú)污染,生產(chǎn)操作省力等特點(diǎn)。在極端惡劣的環(huán)境條件進(jìn)行生產(chǎn)有利于擺脫資源與環(huán)境的限制,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
微型植物工廠(chǎng)是將植物工廠(chǎng)的技術(shù)進(jìn)一步濃縮,集成在一個(gè)很小密閉的空間里,通過(guò)智能自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)控植物生長(zhǎng)的環(huán)境,為作物提供適宜的光照、溫度、濕度環(huán)境,以及營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)等組成
殼體為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的集裝箱,集裝箱內(nèi)壁先貼一層石棉隔熱層,外面再貼層彩鋼板,使墻體更加美觀(guān),同時(shí)有助于箱體的保溫和生產(chǎn)中墻體的清潔。升、降溫系統(tǒng)主要采用空調(diào)來(lái)調(diào)控,搭配新風(fēng)系統(tǒng),保障內(nèi)部空氣的流通性。合理比例的營(yíng)養(yǎng)液。集裝箱型植物工廠(chǎng)是微型植物工廠(chǎng)的一種代表形式。箱體全部由鐵皮包裹,便于運(yùn)輸,密閉的環(huán)境可以使內(nèi)部種植環(huán)境與外界環(huán)境隔離。
集裝箱箱體結(jié)構(gòu)
集裝箱植物工廠(chǎng)由集裝箱外殼、栽培系統(tǒng)、環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)、栽培種植結(jié)構(gòu)栽培系統(tǒng)采用方便拆卸的鋁合金栽培層架,栽培架一般為層式結(jié)構(gòu);外箱和種植板為PVC發(fā)泡板,利用內(nèi)設(shè)卡扣將其固定在栽培層架上,方便拆卸、視覺(jué)美觀(guān)。
每層栽培空間上方布置有LED植燈條,下方布置栽培槽,栽培槽為管道式,采用上下分體式栽培槽,每一層又獨(dú)立分為3條栽培槽,每層的回水管設(shè)置濾網(wǎng)和水位控制閥,這種設(shè)計(jì)避了殘根和雜物堵塞管道,還可以調(diào)整栽培槽的水位。
供液系統(tǒng)分為營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)和自動(dòng)配肥系統(tǒng)。一個(gè)集裝箱植物工廠(chǎng)只需一套配肥系統(tǒng),共設(shè)置A、B、C體積為20L的3個(gè)母液桶,母液桶內(nèi)部設(shè)置自動(dòng)攪拌裝置。根據(jù)中控系統(tǒng)的進(jìn)液量控制,自動(dòng)將適當(dāng)?shù)哪敢捍蛉胂路降目傄合?再由總液箱輸送到每個(gè)栽培架下方的貯液槽中。
營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)主要由營(yíng)養(yǎng)液貯液槽、循環(huán)泵營(yíng)養(yǎng)液供液管路、營(yíng)養(yǎng)液回液管路等裝置組成,主要功能是使?fàn)I養(yǎng)液在栽培槽中循環(huán)流動(dòng)。一列栽培架下各有2個(gè)貯液槽,則液槽內(nèi)的循環(huán)泵可將營(yíng)養(yǎng)液供給到上部栽培架植物,保證植物的正常生長(zhǎng),營(yíng)養(yǎng)液再經(jīng)過(guò)過(guò)濾孔流回貯液槽。貯液槽內(nèi)設(shè)置有高、低水位液位器和EC、pH、溫度傳感器,進(jìn)水、進(jìn)液、出水口,可以自動(dòng)控制補(bǔ)液量、補(bǔ)液濃度和補(bǔ)水量。
補(bǔ)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
光質(zhì)會(huì)影響植物的生物合成,光配方的變化會(huì)影響蔬菜化學(xué)成分的含量。UV-A可誘導(dǎo)生菜的花青素積累;藍(lán)光可增加番茄花青素的含量,同時(shí)可增加生菜和小松菜中的抗壞血酸含量;紅光還可使生菜中的類(lèi)酚類(lèi)物質(zhì)增長(zhǎng)6%;不同的R/FR比會(huì)使在一些物種中花青素含量降低。經(jīng)過(guò)光學(xué)試驗(yàn),該集裝箱使用的LED燈的紅光波段為660nm,藍(lán)光波段為450m。
為了滿(mǎn)足種植架種植空間的充分應(yīng)用,植物照明設(shè)備應(yīng)選擇防水性能好,安裝方便,空間占用體積小的條形燈類(lèi)別。LED燈可根據(jù)植物生長(zhǎng)需求與光合反應(yīng)吸收相符合的特性光譜提供不同波長(zhǎng)的單色光。該集裝箱使用的LED燈條采用合理紅藍(lán)光配比,柔和白光的視覺(jué)設(shè)計(jì),不會(huì)刺激人眼。
環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
每種作物都有自己適合的生長(zhǎng)環(huán)境,苣科植物喜涼,最適溫度為18-22葉菜種植集裝箱白天可將溫度控制在15~26℃;夜間控制在10~18℃最適溫度為10~15℃,盡量保證晝夜溫差6-10℃。集裝箱植物工廠(chǎng)的環(huán)境控制系統(tǒng)主要利用空調(diào)、排風(fēng)扇的作用,空調(diào)控制溫度、濕度變化;風(fēng)機(jī)、排氣扇促進(jìn)內(nèi)部空氣流通,通風(fēng)散熱C2裝置可調(diào)節(jié)室內(nèi)氣體變化。
有數(shù)據(jù)顯示,在外界空氣溫度允許的情況下,利用風(fēng)機(jī)引進(jìn)外界低溫空氣降溫,通過(guò)減少空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間,特別是在低制冷負(fù)荷下的運(yùn)行時(shí)間,可以增加其節(jié)能效果,降低其運(yùn)行成本。與僅利用空調(diào)進(jìn)行植物工廠(chǎng)內(nèi)溫度調(diào)控相比,利用風(fēng)機(jī)和空調(diào)協(xié)同降溫方法,明期能耗減少了36.6%~82.0%,暗期能耗減少了16.3%~64.2%
智能控制系統(tǒng)
智能控制系統(tǒng)由各控制參數(shù)的傳感器及各種智能設(shè)備連接起來(lái),以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集,信息反饋,工作命令控制執(zhí)行。集裝箱植物工廠(chǎng)智能系統(tǒng)主要用于植物工廠(chǎng)內(nèi)環(huán)境的調(diào)控,包括溫度、濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并根據(jù)目標(biāo)溫度調(diào)節(jié)制冷、供暖、濕度,實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液分層循環(huán)、定時(shí)供液,能夠按照設(shè)定時(shí)間自動(dòng)控制LED光源的閉合與斷開(kāi),實(shí)現(xiàn)不同光照周期的轉(zhuǎn)換、自動(dòng)配肥和營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)灌溉控制。
自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括控制器、傳感器(溫濕度、液位)和觸摸操作屏環(huán)境控制和信息技術(shù)在可控環(huán)境農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，是獲得優(yōu)質(zhì)作物產(chǎn)品和降低生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)手段和一項(xiàng)必不可少的核心技術(shù)。
集裝箱植物工廠(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是基于植物工廠(chǎng)集裝箱設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái),對(duì)接植物工廠(chǎng)生產(chǎn)需求,便于員工遠(yuǎn)程控制集裝箱開(kāi)關(guān)和參數(shù),遠(yuǎn)程監(jiān)控集裝箱環(huán)境數(shù)據(jù),方便生產(chǎn)管理。其功能有遠(yuǎn)程監(jiān)管、遠(yuǎn)程控制、多對(duì)多管理。遠(yuǎn)程監(jiān)管可通過(guò)移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)程查看集裝箱環(huán)境數(shù)據(jù)和開(kāi)關(guān)時(shí)間以及時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)程控制可通過(guò)傳感器反饋環(huán)境參數(shù)信息遠(yuǎn)程控制集裝箱營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)、環(huán)控、LED燈等設(shè)備的參數(shù)設(shè)置;多對(duì)多管理,集裝箱設(shè)備支持多用戶(hù)監(jiān)控管理,同時(shí)用戶(hù)也可以監(jiān)管多個(gè)集裝箱設(shè)備。
集裝箱植物工廠(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)
1.環(huán)境氣候可控
集裝箱植物工廠(chǎng)相當(dāng)于為蔬菜和植物創(chuàng)造一個(gè)小氣候，與外界氣候相比幾乎沒(méi)有變化。可以在集裝箱中實(shí)現(xiàn)有利于植物生長(zhǎng)的溫度，光，濕度，二氧化碳濃度等。此外，智能集裝箱內(nèi)的蔬菜不受外界灰塵，酸雨，灰塵，煙霧等因素影響，生產(chǎn)的蔬菜產(chǎn)品質(zhì)量更高。
2，施肥節(jié)能環(huán)保
我國(guó)化肥平均利用率比發(fā)達(dá)國(guó)家低10％，氮肥為30-35％，磷肥為10-25％，鉀肥為40-50％。低肥料利用率不僅使生產(chǎn)成本高，而且是造成環(huán)境污染的直接原因之一，無(wú)土栽培蔬菜營(yíng)養(yǎng)液種的營(yíng)養(yǎng)多元化，蔬菜更容易吸收，節(jié)水節(jié)肥。
3.解放生產(chǎn)力
集裝箱植物工廠(chǎng)遮陽(yáng)，通風(fēng)，加熱，冷卻和灌溉系統(tǒng)可以設(shè)置為電動(dòng)或自動(dòng)程序，無(wú)需過(guò)多的人工干預(yù)，節(jié)省時(shí)間和精力。
4，高產(chǎn)
集裝箱植物工廠(chǎng)內(nèi)部采用無(wú)土栽培技術(shù)。無(wú)土栽培不需要土壤，用營(yíng)養(yǎng)液代替我們的種植土壤。在完成生長(zhǎng)周期后，更換營(yíng)養(yǎng)液這可以確保健康和無(wú)菌的根生長(zhǎng)環(huán)境。
5，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
目前，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用是中國(guó)成功的地區(qū)之一。同樣，我們的蔬菜種植也可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用控制。通過(guò)手機(jī)或計(jì)算機(jī)，您可以實(shí)時(shí)查看集裝箱植物工廠(chǎng)內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)控制溫室的支撐系統(tǒng)來(lái)比較和分析參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的植物工廠(chǎng)生長(zhǎng)環(huán)境。
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