Abstrakt: V posledných rokoch, s neustálym skúmaním modernej poľnohospodárskej techniky, sa rýchlo rozvíja aj priemysel továrenských závodov.Tento dokument predstavuje súčasný stav, existujúce problémy a vývojové protiopatrenia technológie závodov a rozvoja priemyslu a očakáva vývojový trend a perspektívu závodov v budúcnosti.

1. Súčasný stav vývoja technológií v závodoch v Číne av zahraničí

1.1 Súčasný stav rozvoja zahraničných technológií

Od 21. storočia sa výskum závodov rastlín sústreďuje najmä na zlepšenie svetelnej účinnosti, vytváranie zariadení viacvrstvového trojrozmerného kultivačného systému a výskum a vývoj inteligentného riadenia a riadenia.V 21. storočí pokročila inovácia poľnohospodárskych LED svetelných zdrojov, ktorá poskytuje dôležitú technickú podporu pre aplikáciu energeticky úsporných svetelných zdrojov LED v závodoch.Univerzita Chiba v Japonsku urobila množstvo inovácií vo vysoko účinných svetelných zdrojoch, energeticky úspornej kontrole životného prostredia a kultivačných technikách.Univerzita Wageningen v Holandsku využíva technológiu simulácie rastlinného prostredia a dynamickú optimalizáciu na vývoj inteligentného systému zariadení pre závody, čo výrazne znižuje prevádzkové náklady a výrazne zlepšuje produktivitu práce.

Rastlinné závody v posledných rokoch postupne realizovali poloautomatizáciu výrobných procesov od sejby, pestovania sadeníc, presádzania až po zber.Japonsko, Holandsko a USA sú na čele s vysokým stupňom mechanizácie, automatizácie a inteligencie a vyvíjajú sa smerom k vertikálnemu poľnohospodárstvu a bezpilotnej prevádzke.

1.2 Stav technologického rozvoja v Číne

1.2.1 Specializd LED svetelný zdroj a energeticky úsporné aplikačné technologické vybavenie pre umelé svetlo v závode

Špeciálne červené a modré LED svetelné zdroje na produkciu rôznych druhov rastlín v rastlinných továrňach boli vyvinuté jeden po druhom.Výkon sa pohybuje od 30 do 300 W a intenzita ožiarenia je 80 až 500 μmol/(m2•s), čo môže poskytnúť intenzitu svetla s primeraným prahovým rozsahom, parametrami kvality svetla, na dosiahnutie efektu vysokej účinnosti. úspora energie a prispôsobenie sa potrebám rastu rastlín a osvetlenia.Z hľadiska riadenia odvodu tepla svetelného zdroja bola zavedená konštrukcia aktívneho odvodu tepla ventilátora svetelného zdroja, ktorá znižuje rýchlosť rozpadu svetelného zdroja a zabezpečuje životnosť svetelného zdroja.Okrem toho sa navrhuje spôsob zníženia tepla svetelného zdroja LED prostredníctvom živného roztoku alebo cirkulácie vody.Pokiaľ ide o riadenie priestoru svetelného zdroja, podľa evolučného zákona o veľkosti rastlín v štádiu sadeníc a neskôr, prostredníctvom riadenia vertikálneho pohybu priestoru svetelného zdroja LED, môže byť vrchlík rastliny osvetlený na blízku vzdialenosť a cieľom úspory energie je dosiahnuté.V súčasnosti môže spotreba energie umelého osvetlenia továrenského svetelného zdroja tvoriť 50 % až 60 % celkovej prevádzkovej spotreby energie závodu.Hoci LED dokáže ušetriť 50 % energie v porovnaní so žiarivkami, stále existuje potenciál a potreba výskumu v oblasti úspory energie a zníženia spotreby.

1.2.2 Viacvrstvová trojrozmerná kultivačná technológia a vybavenie

Medzera medzi vrstvami pri viacvrstvovom trojrozmernom pestovaní je znížená, pretože LED nahrádza žiarivku, čo zlepšuje efektivitu trojrozmerného využitia priestoru pri pestovaní rastlín.Existuje mnoho štúdií o dizajne dna kultivačného lôžka.Vyvýšené pruhy sú navrhnuté tak, aby vytvárali turbulentné prúdenie, ktoré môže pomôcť koreňom rastlín rovnomerne absorbovať živiny v živnom roztoku a zvýšiť koncentráciu rozpusteného kyslíka.Pomocou kolonizačnej dosky existujú dva spôsoby kolonizácie, to znamená plastové kolonizačné poháre rôznych veľkostí alebo režim kolonizácie po obvode špongie.Objavil sa systém posuvného kultivačného lôžka a výsadbovú dosku a rastliny na nej možno ručne posúvať z jedného konca na druhý, čím sa realizuje výrobný režim výsadby na jednom konci kultivačného lôžka a zber na druhom konci.V súčasnosti boli vyvinuté rôzne trojrozmerné viacvrstvové bezpôdne kultivačné technológie a zariadenia založené na technológii živín tekutého filmu a technológii hlbokého tekutého toku a technológie a zariadenia na pestovanie jahôd v substráte, aerosólové pestovanie listovej zeleniny a kvetov vyrojili sa.Spomínaná technológia sa rýchlo rozvíjala.

1.2.3 Technológia a vybavenie cirkulácie živného roztoku

Po určitom čase používania živného roztoku je potrebné pridať vodu a minerálne prvky.Vo všeobecnosti sa množstvo novo pripraveného živného roztoku a množstvo acidobázického roztoku určuje meraním EC a pH.Veľké častice sedimentu alebo odlupovania koreňov v živnom roztoku je potrebné odstrániť filtrom.Koreňové exsudáty v živnom roztoku môžu byť odstránené fotokatalytickými metódami, aby sa zabránilo nepretržitým prekážkam orezávania v hydropónii, existujú však určité riziká v dostupnosti živín.

1.2.4 Technológia a vybavenie na kontrolu prostredia

Čistota vzduchu výrobných priestorov je jedným z dôležitých ukazovateľov kvality ovzdušia závodu.Čistota vzduchu (ukazovatele suspendovaných častíc a usadených baktérií) vo výrobnom priestore závodu v dynamických podmienkach by mala byť kontrolovaná na úroveň nad 100 000.Vstup na dezinfekciu materiálu, úprava vzduchovej sprchy prichádzajúcich zamestnancov a systém čistenia vzduchu s cirkuláciou čerstvého vzduchu (systém filtrácie vzduchu) sú všetky základné záruky.Ďalším dôležitým obsahom kontroly kvality vzduchu je teplota a vlhkosť, koncentrácia CO2 a rýchlosť prúdenia vzduchu vo výrobnom priestore.Podľa správ môže nastavenie zariadení, ako sú boxy na miešanie vzduchu, vzduchové kanály, prívody a výstupy vzduchu, rovnomerne regulovať teplotu a vlhkosť, koncentráciu CO2 a rýchlosť prúdenia vzduchu vo výrobnom priestore, aby sa dosiahla vysoká priestorová rovnomernosť a vyhovovali potrebám závodu. v rôznych priestorových polohách.Systém riadenia teploty, vlhkosti a koncentrácie CO2 a systém čerstvého vzduchu sú organicky integrované do systému cirkulácie vzduchu.Tieto tri systémy musia zdieľať vzduchové potrubie, prívod vzduchu a výstup vzduchu a poskytovať energiu cez ventilátor, aby sa realizovala cirkulácia prúdu vzduchu, filtrácia a dezinfekcia a aktualizácia a rovnomernosť kvality vzduchu.Zabezpečuje, že rastlinná výroba v závode je bez škodcov a chorôb a nevyžaduje sa žiadna aplikácia pesticídov.Zároveň je zaručené, že rovnomernosť teploty, vlhkosti, prúdenia vzduchu a koncentrácie CO2 prvkov rastového prostredia v poraste zodpovedá potrebám rastu rastlín.

2. Stav rozvoja rastlinného výrobného priemyslu

2.1 Status quo zahraničného závodného priemyslu

V Japonsku je výskum, vývoj a industrializácia závodov na umelé osvetlenie pomerne rýchle a sú na špičkovej úrovni.V roku 2010 japonská vláda spustila 50 miliárd jenov na podporu technologického výskumu a vývoja a priemyselných demonštrácií.Zúčastnilo sa osem inštitúcií vrátane univerzity Chiba a Japan Plant Factory Research Association.Spoločnosť Japan Future Company podnikla a prevádzkovala prvý demonštračný projekt industrializácie továrne s dennou produkciou 3 000 rastlín.V roku 2012 boli výrobné náklady závodu 700 jenov/kg.V roku 2014 bola dokončená moderná továreň v zámku Taga v prefektúre Miyagi, ktorá sa stala prvou továrňou na výrobu LED na svete s dennou produkciou 10 000 zariadení.Od roku 2016 vstúpili továrne na výrobu LED v Japonsku do rýchleho pruhu industrializácie a jeden po druhom sa objavovali zlomové alebo ziskové podniky.V roku 2018 sa postupne objavovali veľké závody s dennou výrobnou kapacitou 50 000 až 100 000 závodov a globálne závody sa rozvíjali smerom k rozsiahlemu, profesionálnemu a inteligentnému rozvoju.V tom istom čase začali Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power a ďalšie oblasti investovať do závodov.V roku 2020 bude trhový podiel šalátu produkovaného japonskými závodmi predstavovať približne 10 % z celého trhu so šalátom.Spomedzi viac ako 250 závodov na umelé osvetlenie, ktoré sú v súčasnosti v prevádzke, je 20 % v stratovom štádiu, 50 % je na úrovni zvratu a 30 % je v ziskovom štádiu, ktoré zahŕňa pestované druhy rastlín ako napr. šalát, bylinky a sadenice.

Holandsko je skutočným svetovým lídrom v oblasti kombinovanej aplikačnej technológie solárneho svetla a umelého svetla pre továreň s vysokým stupňom mechanizácie, automatizácie, inteligencie a bezobslužnosti a teraz vyviezlo celý rad technológií a zariadení tak silných produktov na Stredný východ, do Afriky, Číny a ďalších krajín.Americká farma AeroFarms sa nachádza v Newarku, New Jersey, USA, s rozlohou 6500 m2.Pestuje hlavne zeleninu a koreniny a produkcia je cca 900 t/rok.

Vertikálne poľnohospodárstvo v AeroFarms

Továreň na vertikálnu poľnohospodársku rastlinu spoločnosti Plenty Company v Spojených štátoch využíva LED osvetlenie a vertikálny výsadbový rám s výškou 6 m.Rastliny rastú zo strán kvetináčov.Tento spôsob výsadby, ktorý sa spolieha na gravitačné zavlažovanie, nevyžaduje dodatočné čerpadlá a je úspornejší ako konvenčné poľnohospodárstvo.Veľa tvrdí, že jeho farma produkuje 350-krát vyššiu produkciu ako konvenčná farma, pričom využíva iba 1 % vody.

Továreň na vertikálne poľnohospodárske rastliny, Plenty Company

2.2 Stav továrenského priemyslu v Číne

V roku 2009 bola v Changchun Agricultural Expo Park postavená a uvedená do prevádzky prvý výrobný závod v Číne s inteligentným riadením ako jadrom.Plocha budovy je 200 m2 a faktory prostredia, ako je teplota, vlhkosť, svetlo, CO2 a koncentrácia živných roztokov v závode, možno automaticky monitorovať v reálnom čase, aby sa realizovalo inteligentné riadenie.

V roku 2010 bola v Pekingu postavená továreň Tongzhou Plant Factory.Hlavná konštrukcia má jednovrstvovú ľahkú oceľovú konštrukciu s celkovou stavebnou plochou 1289 m2.Je tvarovaná ako lietadlová loď, čo symbolizuje čínske poľnohospodárstvo, ktoré sa ujíma vedenia v plavbe k najpokročilejšej technológii moderného poľnohospodárstva.Pre niektoré prevádzky výroby listovej zeleniny bolo vyvinuté automatické zariadenie, ktoré zlepšilo úroveň automatizácie výroby a efektivitu výroby závodu.Závod využíva systém tepelného čerpadla zemného zdroja a systém výroby solárnej energie, ktorý lepšie rieši problém vysokých prevádzkových nákladov závodu.

Vnútorný a vonkajší pohľad na továreň Tongzhou Plant Factory

V roku 2013 bolo v Yangling Agricultural High-tech Demonstration Zone v provincii Shaanxi založených mnoho spoločností v oblasti poľnohospodárskej techniky.Väčšina projektov závodu vo výstavbe a prevádzke sa nachádza v poľnohospodárskych high-tech demonštračných parkoch, ktoré sa využívajú najmä na populárno-vedecké demonštrácie a rekreačné prehliadky.Kvôli ich funkčným obmedzeniam je pre tieto populárno-vedecké závody na továrne ťažké dosiahnuť vysoký výnos a vysokú efektivitu, ktorú vyžaduje industrializácia, a bude pre nich ťažké stať sa v budúcnosti hlavnou formou industrializácie.

V roku 2015 významný výrobca LED čipov v Číne spolupracoval s Botanickým ústavom Čínskej akadémie vied, aby spoločne iniciovali založenie závodnej spoločnosti.Prešiel z optoelektronického priemyslu do „fotobiologického“ priemyslu a stal sa precedensom pre čínskych výrobcov LED pri investovaní do výstavby závodov v industrializácii.Jej Plant Factory sa zaviazala k priemyselným investíciám do vznikajúcej fotobiológie, ktorá spája vedecký výskum, výrobu, demonštráciu, inkubáciu a ďalšie funkcie, so základným imaním 100 miliónov juanov.V júni 2016 bola dokončená a uvedená do prevádzky táto Plant Factory s 3-podlažnou budovou o rozlohe 3 000 m2 a pestovateľskou plochou viac ako 10 000 m2.Do mája 2017 bude denná miera produkcie 1 500 kg listovej zeleniny, čo zodpovedá 15 000 rastlinám šalátu denne.

Názory na túto spoločnosť

3. Problémy a protiopatrenia, ktorým čelí rozvoj závodov

3.1 Problémy

3.1.1 Vysoké stavebné náklady

Rastlinné továrne potrebujú pestovať plodiny v uzavretom prostredí.Preto je potrebné vybudovať podporné projekty a zariadenia vrátane konštrukcií vonkajšej údržby, klimatizačných systémov, umelých svetelných zdrojov, viacvrstvových kultivačných systémov, cirkulácie živných roztokov a počítačových riadiacich systémov.Náklady na výstavbu sú pomerne vysoké.

3.1.2 Vysoké prevádzkové náklady

Väčšina svetelných zdrojov požadovaných továrňami na rastliny pochádza z LED svetiel, ktoré spotrebúvajú veľa elektriny a zároveň poskytujú zodpovedajúce spektrum pre rast rôznych plodín.Zariadenia ako klimatizácia, ventilácia a vodné čerpadlá vo výrobnom procese závodov tiež spotrebúvajú elektrinu, takže účty za elektrinu sú obrovským nákladom.Podľa štatistík medzi výrobnými nákladmi závodov rastlín tvoria náklady na elektrinu 29 %, mzdové náklady 26 %, odpisy dlhodobého majetku tvoria 23 %, balenie a preprava 12 % a výrobné materiály 10 %.

Rozdelenie výrobných nákladov pre závod

3.1.3 Nízka úroveň automatizácie

V súčasnosti používaná továreň má nízku úroveň automatizácie a procesy ako sadba, presádzanie, výsadba na poli a zber stále vyžadujú manuálne operácie, čo vedie k vysokým mzdovým nákladom.

3.1.4 Obmedzené odrody plodín, ktoré možno pestovať

V súčasnosti sú druhy plodín vhodných pre rastlinné závody veľmi obmedzené, najmä zelená listová zelenina, ktorá rýchlo rastie, ľahko prijíma umelé zdroje svetla a má nízky zápoj.Veľkoplošnú výsadbu nie je možné realizovať pre zložité požiadavky na výsadbu (ako sú plodiny, ktoré je potrebné opeliť atď.).

3.2 Stratégia rozvoja

Vzhľadom na problémy, ktorým čelí priemysel závodov, je potrebné uskutočniť výskum z rôznych aspektov, ako je technológia a prevádzka.V reakcii na súčasné problémy sú protiopatrenia nasledovné.

(1) Posilniť výskum inteligentnej technológie závodov a zlepšiť úroveň intenzívneho a prepracovaného riadenia.Vývoj inteligentného systému riadenia a kontroly pomáha dosiahnuť intenzívne a prepracované riadenie závodov, čo môže výrazne znížiť náklady na pracovnú silu a ušetriť prácu.

(2) Vyvinúť intenzívne a efektívne technické vybavenie závodu na dosiahnutie ročnej vysokej kvality a vysokého výnosu.Rozvoj vysokoúčinných pestovateľských zariadení a zariadení, energeticky úspornej osvetľovacej techniky a zariadení atď., aby sa zlepšila inteligentná úroveň závodov rastlín, prispieva k realizácii ročnej vysoko účinnej výroby.

(3) uskutočňovať výskum technológie priemyselného pestovania rastlín s vysokou pridanou hodnotou, ako sú liečivé rastliny, zdravotné rastliny a vzácna zelenina, zvyšovať druhy plodín pestovaných v rastlinných továrňach, rozširovať kanály zisku a zlepšovať východiskový bod zisku .

(4) Uskutočňovať výskum továrenských závodov pre domácnosť a komerčné využitie, obohacovať typy závodov a dosahovať nepretržitú ziskovosť s rôznymi funkciami.

4. Vývojový trend a perspektíva Plant Factory

4.1 Trend vývoja technológií

4.1.1 Intelektualizácia celého procesu

Založené na mechanizme strojového fúzie a prevencie strát systému plodina-robot, vysokorýchlostných flexibilných a nedeštruktívnych koncových efektoroch sadenia a zberu, presného polohovania v distribuovanom viacrozmernom priestore a multimodálnych metódach kolaboratívneho riadenia viacerých strojov, a bezobslužné, efektívne a nedeštruktívne siatie vo výškových továrňach rastlín - Mali by sa vytvoriť inteligentné roboty a podporné zariadenia, ako je sadenie-zber-balenie, čím by sa realizovala bezobslužná prevádzka celého procesu.

4.1.2 Zlepšiť riadenie výroby

Na základe mechanizmu odozvy rastu a vývoja plodín na svetelné žiarenie, teplotu, vlhkosť, koncentráciu CO2, koncentráciu živín v živnom roztoku a EC by sa mal zostaviť kvantitatívny model spätnej väzby medzi plodinou a prostredím.Mal by sa vytvoriť strategický základný model na dynamickú analýzu informácií o živote listovej zeleniny a parametrov výrobného prostredia.Taktiež by sa mala zaviesť online dynamická diagnostika identifikácie a systém riadenia procesov prostredia.Mal by vzniknúť multistrojový kolaboratívny rozhodovací systém umelej inteligencie pre celý výrobný proces veľkoobjemovej vertikálnej poľnohospodárskej fabriky.

4.1.3 Nízka produkcia uhlíka a úspora energie

Vytvorenie systému energetického manažmentu, ktorý využíva obnoviteľné zdroje energie, ako je solárna a veterná energia, na dokončenie prenosu energie a riadenie spotreby energie na dosiahnutie optimálnych cieľov energetického manažmentu.Zachytávanie a opätovné používanie emisií CO2 na podporu pestovania plodín.

4.1.3 Vysoká hodnota prémiových odrôd

Mali by sa prijať uskutočniteľné stratégie na šľachtenie rôznych odrôd s vysokou pridanou hodnotou na pokusy s výsadbou, vybudovanie databázy odborníkov na pestovateľské technológie, uskutočnenie výskumu technológie pestovania, výberu hustoty, usporiadania strniska, adaptability odrôd a vybavenia a vytvorenie štandardných technických špecifikácií pestovania.

4.2 Perspektívy rozvoja priemyslu

Rastlinné továrne sa môžu zbaviť obmedzení zdrojov a životného prostredia, realizovať industrializovanú výrobu poľnohospodárstva a prilákať novú generáciu pracovnej sily, aby sa zapojila do poľnohospodárskej výroby.Kľúčová technologická inovácia a industrializácia čínskych závodov sa stáva svetovým lídrom.Vďaka zrýchlenej aplikácii svetelného zdroja LED, digitalizácii, automatizácii a inteligentným technológiám v oblasti závodov budú závody priťahovať viac kapitálových investícií, zhromažďovania talentov a využívania novej energie, nových materiálov a nových zariadení.Týmto spôsobom možno realizovať hĺbkovú integráciu informačných technológií a zariadení a zariadení, zlepšiť inteligentnú a bezobslužnú úroveň zariadení a zariadení, neustále znižovanie spotreby energie systému a prevádzkových nákladov prostredníctvom neustálych inovácií a postupné pestovanie špecializovaných trhov, inteligentné továrne na rastliny zahájia zlaté obdobie rozvoja.

Podľa správ z prieskumu trhu je veľkosť globálneho trhu vertikálneho poľnohospodárstva v roku 2020 iba 2,9 miliardy USD a očakáva sa, že do roku 2025 dosiahne veľkosť globálneho trhu vertikálneho poľnohospodárstva 30 miliárd USD.Stručne povedané, továrne na továrne majú široké uplatnenie a priestor na rozvoj.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong atď

Citačné údaje:Súčasný stav a perspektívy rozvoja rastlinného priemyslu [J].Technológia poľnohospodárskej techniky, 2022, 42(1): 18-23.od Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li a kol.