Аннотация: В последние годы, с непрерывным изучением современных сельскохозяйственных технологий, быстро развивалась и заводская промышленность.В этом документе представлены статус-кво, существующие проблемы и меры противодействия развитию технологии заводских заводов и развития отрасли, а также прогнозируются тенденции развития и перспективы заводских заводов в будущем.

1. Текущее состояние развития технологий на заводах в Китае и за рубежом.

1.1 Статус-кво развития зарубежных технологий

Начиная с 21 века исследования заводов по производству растений в основном были сосредоточены на повышении светоотдачи, создании оборудования для многоуровневой трехмерной системы выращивания, а также на исследованиях и разработках в области интеллектуального управления и контроля.В 21 веке инновации сельскохозяйственных светодиодных источников света достигли прогресса, обеспечивая важную техническую поддержку для применения светодиодных энергосберегающих источников света на заводах.Университет Тиба в Японии внедрил ряд инноваций в высокоэффективные источники света, энергосберегающий контроль окружающей среды и методы выращивания.Вагенингенский университет в Нидерландах использует моделирование среды выращивания и технологию динамической оптимизации для разработки интеллектуальной системы оборудования для растительных заводов, которая значительно снижает эксплуатационные расходы и значительно повышает производительность труда.

В последние годы заводы по производству растений постепенно осуществили полуавтоматизацию производственных процессов посева, выращивания рассады, пересадки и сбора урожая.Япония, Нидерланды и США находятся в авангарде, с высокой степенью механизации, автоматизации и интеллекта, и развиваются в направлении вертикального сельского хозяйства и беспилотных операций.

1.2 Состояние развития технологий в Китае

1.2.1 Светодиодный источник света Specializd и энергосберегающее технологическое оборудование для искусственного освещения на заводе

Один за другим разрабатываются специальные красные и синие светодиодные источники света для производства различных видов растений на заводах по производству растений.Мощность колеблется от 30 до 300 Вт, а интенсивность света облучения составляет от 80 до 500 мкмоль/(м2•с), что может обеспечить интенсивность света с соответствующим пороговым диапазоном, параметрами качества света, для достижения эффекта высокой эффективности. энергосбережение и адаптация к потребностям роста растений и освещения.Что касается управления отводом тепла от источника света, была введена конструкция активного отвода тепла вентилятора источника света, которая снижает скорость затухания света источника света и обеспечивает срок службы источника света.Кроме того, предлагается метод уменьшения нагрева светодиодного источника света за счет питательного раствора или циркуляции воды.С точки зрения управления пространством источника света, в соответствии с законом эволюции размера растения на стадии рассады и более поздней стадии, благодаря управлению вертикальным перемещением пространства светодиодного источника света, крона растения может быть освещена на близком расстоянии, а цель энергосбережения - достигнуто.В настоящее время потребление энергии заводским источником искусственного освещения может составлять от 50% до 60% от общего энергопотребления завода.Хотя светодиоды могут сэкономить 50% энергии по сравнению с люминесцентными лампами, потенциал и необходимость исследований в области энергосбережения и снижения потребления все еще существуют.

1.2.2 Технология и оборудование для многослойного трехмерного выращивания

Зазор между слоями многослойного трехмерного выращивания уменьшается, поскольку светодиод заменяет люминесцентную лампу, что повышает эффективность использования трехмерного пространства при выращивании растений.Существует много исследований конструкции дна культивационной грядки.Приподнятые полосы предназначены для создания турбулентного потока, который может помочь корням растений равномерно поглощать питательные вещества в питательном растворе и увеличивать концентрацию растворенного кислорода.Используя доску для колонизации, существует два метода колонизации, то есть пластиковые чашки для колонизации разных размеров или режим колонизации по периметру губки.Появилась система выдвижных грядок, и посадочную доску и растения на ней можно вручную передвигать с одного конца на другой, реализуя производственный режим посадки на одном конце грядки и сбора урожая на другом конце.В настоящее время разработаны различные технологии и оборудование для трехмерного многослойного беспочвенного выращивания, основанные на технологии питательной жидкой пленки и технологии глубокого потока жидкости, а также технология и оборудование для выращивания клубники в субстрате, аэрозольного выращивания листовых овощей и цветов. возникли.Упомянутая технология быстро развивалась.

1.2.3 Технология и оборудование циркуляции питательного раствора

После того, как питательный раствор был использован в течение определенного периода времени, необходимо добавить воду и минеральные элементы.Как правило, количество свежеприготовленного питательного раствора и количество кислотно-щелочного раствора определяют путем измерения ЕС и рН.Крупные частицы осадка или отслоения корней в питательном растворе необходимо удалять с помощью фильтра.Корневые экссудаты в питательном растворе можно удалить фотокаталитическими методами, чтобы избежать постоянных препятствий для выращивания культур в гидропонике, но есть определенные риски, связанные с доступностью питательных веществ.

1.2.4 Технологии и оборудование для контроля окружающей среды

Чистота воздуха производственных помещений является одним из важных показателей качества воздуха заводского цеха.Чистота воздуха (показатели взвешенных частиц и осевших бактерий) в производственных помещениях завода завода в динамических условиях должна контролироваться на уровне выше 100 000.Ввод дезинфекции материалов, обработка воздушного душа прибывающего персонала и система очистки циркуляции свежего воздуха (система фильтрации воздуха) - все это основные меры безопасности.Температура и влажность, концентрация CO2 и скорость потока воздуха в производственном помещении являются еще одним важным элементом контроля качества воздуха.Согласно отчетам, установка такого оборудования, как смесительные камеры, воздуховоды, воздухозаборники и воздуховыпускные отверстия, позволяет равномерно контролировать температуру и влажность, концентрацию CO2 и скорость воздушного потока в производственном помещении, чтобы достичь высокой пространственной однородности и удовлетворить потребности завода. в разных пространственных положениях.Система контроля температуры, влажности и концентрации CO2, а также система подачи свежего воздуха органично интегрированы в систему циркуляции воздуха.Три системы должны иметь общий воздуховод, вход и выход воздуха, а также подавать питание через вентилятор для обеспечения циркуляции воздушного потока, фильтрации и дезинфекции, а также обновления и однородности качества воздуха.Это гарантирует, что растениеводство на заводе не содержит вредителей и болезней, и не требуется применение пестицидов.В то же время однородность температуры, влажности, потока воздуха и концентрации СО2 в элементах среды роста в кроне гарантированно удовлетворяет потребности роста растений.

2. Статус развития заводской промышленности

2.1 Статус-кво иностранной заводской промышленности

В Японии исследования, разработки и индустриализация заводов по производству искусственного освещения идут относительно быстро и находятся на передовом уровне.В 2010 году правительство Японии выделило 50 миллиардов иен на поддержку технологических исследований и разработок, а также промышленную демонстрацию.В нем приняли участие восемь учреждений, включая Университет Тиба и Японскую исследовательскую ассоциацию заводов по производству растений.Компания Japan Future Company осуществила и реализовала первый демонстрационный проект индустриализации завода по производству растений с ежедневной производительностью 3000 растений.В 2012 году себестоимость продукции завода составляла 700 иен/кг.В 2014 году было завершено строительство современной фабрики в замке Тага, префектура Мияги, которая стала первой в мире фабрикой по производству светодиодов с ежедневным выпуском 10 000 растений.С 2016 года заводы по производству светодиодов вышли на стремительный путь индустриализации в Японии, и одно за другим возникали безубыточные или прибыльные предприятия.В 2018 году один за другим появлялись крупные заводы-фабрики с ежедневной производственной мощностью от 50 000 до 100 000 растений, и глобальные заводы растений развивались в направлении крупномасштабного, профессионального и интеллектуального развития.В то же время Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power и другие отрасли начали инвестировать в заводы.В 2020 году доля рынка салата, произведенного японскими фабриками, составит около 10% всего рынка салата.Среди более чем 250 заводов по производству растений искусственного освещения, действующих в настоящее время, 20 % находятся в убыточной стадии, 50 % находятся на уровне безубыточности и 30 % находятся на прибыльной стадии, включая выращиваемые виды растений, такие как салат, зелень и рассаду.

Нидерланды являются настоящим мировым лидером в области комбинированных технологий применения солнечного света и искусственного света для заводов, с высокой степенью механизации, автоматизации, интеллекта и беспилотности, и в настоящее время экспортируют полный набор технологий и оборудования. товары на Ближний Восток, в Африку, Китай и другие страны.Ферма American AeroFarms расположена в городе Ньюарк, штат Нью-Джерси, США, на площади 6500 м2.В основном выращивает овощи и специи, а объем производства составляет около 900 т/год.

Вертикальное земледелие в AeroFarms

Завод по производству вертикальных сельскохозяйственных растений компании Plenty Company в США использует светодиодное освещение и вертикальную посадочную раму высотой 6 м.Растения растут по бокам горшков.Основанный на самотечном поливе, этот метод посадки не требует дополнительных насосов и более экономичен, чем обычное земледелие.Пленти утверждает, что его ферма производит в 350 раз больше продукции, чем обычная ферма, используя при этом всего 1% воды.

Завод вертикальных сельскохозяйственных растений, Plenty Company

2.2 Статус завода заводов в Китае

В 2009 году в Чанчуньском сельскохозяйственном выставочном парке была построена и введена в эксплуатацию первая производственная фабрика в Китае с интеллектуальным управлением в качестве ядра.Площадь здания составляет 200 м2, а такие факторы окружающей среды, как температура, влажность, свет, CO2 и концентрация питательного раствора на заводе, могут автоматически отслеживаться в режиме реального времени для реализации интеллектуального управления.

В 2010 году в Пекине построен завод Тунчжоу.Основная конструкция представляет собой однослойную легкую стальную конструкцию общей площадью 1289 м2.Он имеет форму авианосца, символизируя, что китайское сельское хозяйство играет ведущую роль в переходе к самым передовым технологиям современного сельского хозяйства.Разработано автоматическое оборудование для некоторых операций производства листовых овощей, что повысило уровень автоматизации производства и эффективность производства комбината.На заводе используется система теплового насоса с использованием грунта и система выработки солнечной энергии, что лучше решает проблему высоких эксплуатационных расходов завода.

Внутренний и внешний вид завода Tongzhou Plant Factory

В 2013 году в Демонстрационной зоне высоких технологий сельского хозяйства Янлин провинции Шэньси было основано множество сельскохозяйственных компаний.Большинство строящихся и действующих заводских проектов расположены в демонстрационных парках сельскохозяйственных высоких технологий, которые в основном используются для научно-популярных демонстраций и осмотра достопримечательностей.Из-за своих функциональных ограничений этим фабрикам научно-популярных растений трудно достичь высокой производительности и высокой эффективности, необходимых для индустриализации, и им будет трудно стать основной формой индустриализации в будущем.

В 2015 году крупный производитель светодиодных чипов в Китае сотрудничал с Институтом ботаники Китайской академии наук, чтобы совместно инициировать создание компании по производству растений.Он перешел от оптоэлектронной промышленности к «фотобиологической» промышленности и стал прецедентом для китайских производителей светодиодов, инвестирующих в строительство заводов в рамках индустриализации.Фабрика растений стремится к промышленным инвестициям в развивающуюся фотобиологию, которая объединяет научные исследования, производство, демонстрацию, инкубацию и другие функции, с уставным капиталом в 100 миллионов юаней.В июне 2016 года была завершена и введена в эксплуатацию эта заводская фабрика с 3-х этажным зданием площадью 3000 м2 и площадью выращивания более 10000 м2.К маю 2017 года ежедневный объем производства составит 1 500 кг листовых овощей, что эквивалентно 15 000 кустов салата в день.

Мнения об этой компании

3. Проблемы и меры противодействия развитию заводов по производству растений

3.1 Проблемы

3.1.1 Высокая стоимость строительства

Фабрики растений должны производить урожай в закрытой среде.Поэтому необходимо построить вспомогательные проекты и оборудование, включая внешние конструкции обслуживания, системы кондиционирования воздуха, искусственные источники света, многоярусные системы культивирования, циркуляцию питательного раствора и компьютерные системы управления.Стоимость строительства относительно высока.

3.1.2 Высокая стоимость эксплуатации

Большинство источников света, необходимых для заводов по производству растений, представляют собой светодиодные лампы, которые потребляют много электроэнергии, обеспечивая при этом соответствующие спектры для выращивания различных культур.Такое оборудование, как кондиционирование воздуха, вентиляция и водяные насосы в производственном процессе заводов, также потребляет электроэнергию, поэтому счета за электроэнергию являются огромными расходами.Согласно статистике, среди производственных затрат заводов-изготовителей затраты на электроэнергию составляют 29%, затраты на оплату труда – 26%, амортизация основных средств – 23%, упаковка и транспортировка – 12%, производственные материалы – 10%.

Разбивка себестоимости продукции завода

3.1.3 Низкий уровень автоматизации

Применяемая в настоящее время фабрика растений имеет низкий уровень автоматизации, а такие процессы, как рассада, пересадка, посадка в поле и сбор урожая, по-прежнему требуют ручных операций, что приводит к высоким трудозатратам.

3.1.4 Ограниченные сорта культур, которые можно выращивать

В настоящее время виды культур, подходящих для выращивания растений, очень ограничены, в основном это зеленые листовые овощи, которые быстро растут, легко воспринимают искусственные источники света и имеют низкую крону.Крупномасштабная посадка не может быть выполнена для сложных требований к посадке (например, культур, которые необходимо опылить и т. д.).

3.2 Стратегия развития

Ввиду проблем, с которыми сталкивается заводская промышленность, необходимо проводить исследования с различных аспектов, таких как технология и эксплуатация.В ответ на текущие проблемы контрмеры заключаются в следующем.

(1) Усилить исследования в области интеллектуальных технологий на заводах и повысить уровень интенсивного и усовершенствованного управления.Разработка интеллектуальной системы управления и контроля помогает добиться интенсивного и точного управления заводами, что может значительно снизить затраты на рабочую силу и сэкономить труд.

(2) Разработать интенсивное и эффективное заводское техническое оборудование для достижения ежегодного высокого качества и высокой производительности.Разработка высокоэффективных установок и оборудования для выращивания, энергосберегающих технологий и оборудования для освещения и т. д. для повышения интеллектуального уровня растительных заводов способствует реализации ежегодного высокоэффективного производства.

(3) Проводить исследования в области технологий промышленного выращивания растений с высокой добавленной стоимостью, таких как лекарственные растения, лечебные растения и редкие овощи, увеличивать количество видов культур, выращиваемых на заводах по производству растений, расширять каналы получения прибыли и улучшать исходную точку получения прибыли. .

(4) Проводить исследования заводов растений для домашнего и коммерческого использования, обогащать типы заводов растений и добиваться постоянной прибыльности с различными функциями.

4. Тенденции развития и перспективы завода завода

4.1 Тенденция развития технологий

4.1.1 Полная интеллектуализация процесса

На основе механизма слияния машин и техники и предотвращения потерь системы роботов-роботов, высокоскоростных гибких и неразрушающих концевых эффекторов для посадки и сбора урожая, точного позиционирования в распределенном многомерном пространстве и мультимодальных методов совместного управления несколькими машинами, и беспилотный, эффективный и неразрушающий посев на высотных заводах. Необходимо создать интеллектуальных роботов и вспомогательное оборудование, такое как посадка-уборка-упаковка, тем самым реализуя беспилотную работу всего процесса.

4.1.2 Сделать управление производством умнее

На основе механизма реакции роста и развития сельскохозяйственных культур на световое излучение, температуру, влажность, концентрацию СО2, концентрацию питательных веществ в питательном растворе и ЕС должна быть построена количественная модель обратной связи культур с окружающей средой.Необходимо создать стратегическую базовую модель для динамического анализа информации о жизни листовых овощей и параметров производственной среды.Также должна быть установлена ​​система динамической идентификации и контроля процессов окружающей среды в режиме онлайн.Должна быть создана многомашинная совместная система принятия решений на основе искусственного интеллекта для всего производственного процесса крупного вертикального сельскохозяйственного завода.

4.1.3 Низкоуглеродное производство и энергосбережение

Создание системы управления энергопотреблением, использующей возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая, для передачи электроэнергии и контроля потребления энергии для достижения оптимальных целей управления энергопотреблением.Улавливание и повторное использование выбросов CO2 для помощи в растениеводстве.

4.1.3 Высокая ценность премиальных сортов

Должны быть приняты осуществимые стратегии для выведения различных сортов с высокой добавленной стоимостью для экспериментов по посадке, создания базы данных экспертов по технологиям возделывания, проведения исследований по технологии возделывания, подбора густоты, стерни, адаптации сортов и техники, а также формирования стандартных технических спецификаций возделывания.

4.2 Перспективы развития отрасли

Фабрики растений могут избавиться от ограничений ресурсов и окружающей среды, реализовать индустриализированное сельскохозяйственное производство и привлечь новое поколение рабочей силы для участия в сельскохозяйственном производстве.Ключевые технологические инновации и индустриализация заводов Китая становятся мировым лидером.Благодаря ускоренному внедрению светодиодных источников света, оцифровки, автоматизации и интеллектуальных технологий в области заводов, заводы будут привлекать больше капиталовложений, собирать таланты и использовать больше новой энергии, новых материалов и нового оборудования.Таким образом, может быть реализована глубокая интеграция информационных технологий и средств и оборудования, может быть улучшен интеллектуальный и автоматический уровень средств и оборудования, постоянное снижение энергопотребления системы и эксплуатационных расходов за счет постоянных инноваций и постепенного культивирование специализированных рынков, интеллектуальные фабрики растений откроют золотой период развития.

Согласно отчетам об исследованиях рынка, размер мирового рынка вертикального земледелия в 2020 году составляет всего 2,9 миллиарда долларов США, и ожидается, что к 2025 году размер мирового рынка вертикального земледелия достигнет 30 миллиардов долларов США.Таким образом, заводы-фабрики имеют широкие перспективы применения и пространство для развития.

Автор: Zengchan Zhou, Weidong и др.

Информация о цитировании:Текущее состояние и перспективы развития растениеводческой промышленности [J].Технология сельскохозяйственного машиностроения, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.