Анотація: Останніми роками з безперервним дослідженням сучасних сільськогосподарських технологій рослинницька промисловість також швидко розвивається. Ця стаття представляє статус-кво, існуючі проблеми та заходи протидії розвитку заводських технологій і розвитку промисловості, а також з нетерпінням чекає тенденцій розвитку та перспектив заводських заводів у майбутньому.

1. Поточний стан розвитку технологій на заводах у Китаї та за кордоном

1.1 Статус-кво розвитку іноземних технологій

Починаючи з 21-го століття, дослідження рослинницьких фабрик в основному зосереджені на покращенні світлової ефективності, створенні багатошарового тривимірного обладнання системи вирощування, а також на дослідженнях і розробці інтелектуального управління та контролю. У 21 столітті інновації сільськогосподарських світлодіодних джерел світла досягли прогресу, надаючи важливу технічну підтримку для застосування світлодіодних енергозберігаючих джерел світла на заводах. Університет Тіба в Японії зробив низку інновацій у високоефективних джерелах світла, енергозберігаючому контролі навколишнього середовища та методах вирощування. Університет Вагенінгена в Нідерландах використовує симуляцію сільськогосподарських культур і технологію динамічної оптимізації для розробки інтелектуальної системи обладнання для заводів, що значно знижує експлуатаційні витрати та значно підвищує продуктивність праці.

Останніми роками рослинницькі заводи поступово впроваджують напівавтоматизовані виробничі процеси від посіву, вирощування розсади, розсадження та збирання врожаю. Японія, Нідерланди та США займають передові позиції, володіючи високим ступенем механізації, автоматизації та інтелекту, і розвиваються в напрямку вертикального сільського господарства та безлюдної експлуатації.

1.2 Стан розвитку технологій у Китаї

1.2.1 Спеціалізоване світлодіодне джерело світла та енергозберігаюче технологічне обладнання для штучного освітлення на заводі

По черзі були розроблені спеціальні червоні та сині світлодіодні джерела світла для виробництва різних видів рослин на заводах. Потужність коливається від 30 до 300 Вт, а інтенсивність світла опромінення становить від 80 до 500 мкмоль/(м2•с), що може забезпечити інтенсивність світла з відповідним пороговим діапазоном, параметрами якості світла для досягнення ефекту високої ефективності. енергозбереження та адаптація до потреб росту та освітлення рослин. Що стосується управління розсіюванням тепла джерела світла, було введено конструкцію вентилятора джерела світла з активним розсіюванням тепла, яка зменшує швидкість ослаблення світла джерела світла та забезпечує термін служби джерела світла. Крім того, запропоновано спосіб зменшення тепла світлодіодного джерела світла за допомогою живильного розчину або циркуляції води. З точки зору управління простором джерела світла, відповідно до закону еволюції розміру рослини на стадії розсади та на пізнішій стадії, завдяки вертикальному управлінню просторовим переміщенням світлодіодного джерела світла, рослинний навіс може бути освітлений на близькій відстані, а мета енергозбереження є досягнуто. В даний час енергоспоживання заводського джерела світла штучного освітлення може становити від 50% до 60% загального робочого енергоспоживання заводу. Незважаючи на те, що світлодіод може заощаджувати 50% енергії порівняно з люмінесцентними лампами, все ще існує потенціал і необхідність дослідження енергозбереження та зменшення споживання.

1.2.2 Технологія та обладнання багатошарового об’ємного вирощування

Розрив між шарами багатошарового тривимірного вирощування зменшується, оскільки світлодіод замінює люмінесцентну лампу, що покращує ефективність використання тривимірного простору при вирощуванні рослин. Існує багато досліджень щодо конструкції дна грядки. Підняті смуги призначені для створення турбулентного потоку, який може допомогти корінню рослин рівномірно поглинати поживні речовини з живильного розчину та підвищити концентрацію розчиненого кисню. Використовуючи колонізаційну дошку, існує два методи колонізації, тобто пластикові колонізаційні чашки різних розмірів або режим колонізації губкою по периметру. З’явилася ковзна система культиваційної грядки, і посадкову дошку та рослини на ній можна вручну штовхати з одного кінця до іншого, реалізуючи виробничий режим посіву на одному кінці культиваційної грядки та збирання врожаю на іншому кінці. В даний час розроблено різноманітні тривимірні багатошарові безґрунтові технології та обладнання на основі технології поживної рідинної плівки та технології глибокого потоку рідини, а також технології та обладнання для субстратного вирощування полуниці, аерозольного вирощування листових овочів та квітів. виросли. Згадана технологія швидко розвивалася.

1.2.3 Технологія та обладнання циркуляції живильного розчину

Після використання живильного розчину протягом певного часу необхідно додати воду і мінеральні елементи. Як правило, кількість щойно приготовленого поживного розчину та кількість кислотно-лужного розчину визначають шляхом вимірювання EC та pH. Великі частинки осаду або відшарування коренів в живильному розчині потрібно видалити фільтром. Кореневі ексудати в поживному розчині можна видалити фотокаталітичними методами, щоб уникнути безперервних перешкод урожаю на гідропоніці, але існують певні ризики щодо доступності поживних речовин.

1.2.4 Технологія та обладнання екологічного контролю

Чистота повітря виробничих приміщень є одним із важливих показників якості повітря заводу. Чистота повітря (показники зважених часток і осілих бактерій) у виробничих приміщеннях комбінату в динамічних умовах повинна контролюватися до рівня вище 100 тис. Введення дезінфекції матеріалів, обробка вхідного повітря душем для персоналу та система очищення повітря циркуляцією свіжого повітря (система фільтрації повітря) є основними заходами безпеки. Температура і вологість, концентрація CO2 і швидкість потоку повітря у виробничому приміщенні є ще одним важливим компонентом контролю якості повітря. Згідно з повідомленнями, встановлення такого обладнання, як камери змішування повітря, повітропроводи, повітрозабірники та повітрозабірники, може рівномірно контролювати температуру та вологість, концентрацію CO2 та швидкість повітряного потоку у виробничому приміщенні, щоб досягти високої просторової однорідності та задовольнити потреби заводу. в різних просторових місцях. Система контролю температури, вологості та концентрації CO2 і система свіжого повітря органічно інтегровані в систему циркуляції повітря. Три системи повинні мати спільний повітропровід, впускний і вихідний отвір повітря, а також забезпечити живлення через вентилятор для реалізації циркуляції повітряного потоку, фільтрації та дезінфекції, а також оновлення та рівномірності якості повітря. Це гарантує, що рослинна продукція на рослинній фабриці вільна від шкідників і хвороб і не вимагає застосування пестицидів. При цьому рівномірність температури, вологості, повітряного потоку та концентрації CO2 елементів середовища росту в навісі гарантовано відповідає потребам росту рослин.

2. Стан розвитку рослинництва

2.1 Статус-кво іноземної рослинницької промисловості

В Японії дослідження, розробки та індустріалізація заводів штучного освітлення відбуваються відносно швидко, і вони знаходяться на провідному рівні. У 2010 році уряд Японії виділив 50 мільярдів ієн на підтримку досліджень і розробок технологій і промислових демонстрацій. Вісім установ взяли участь, включаючи Університет Тіба та Японську дослідницьку асоціацію заводів. Японська компанія Future Company розпочала та керувала першим демонстраційним проектом індустріалізації рослинного заводу з щоденною продуктивністю 3000 заводів. У 2012 році виробнича собівартість заводу становила 700 ієн/кг. У 2014 році було завершено будівництво сучасної заводської фабрики в замку Тага, префектура Міягі, яка стала першою в світі фабрикою світлодіодних установок із щоденною продуктивністю 10 000 установок. З 2016 року виробництво світлодіодних установок вийшло на швидку смугу індустріалізації в Японії, і одне за одним з’являлися беззбиткові або прибуткові підприємства. У 2018 році один за одним з’являлися великі заводи з щоденною виробничою потужністю від 50 000 до 100 000 заводів, і глобальні заводи розвивалися в напрямку масштабного, професійного та інтелектуального розвитку. У той же час Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power та інші галузі почали інвестувати в заводи. У 2020 році частка салату, виробленого японськими заводами, становитиме близько 10% від усього ринку салату. Серед більш ніж 250 заводів штучного освітлення, що діють на даний момент, 20% знаходяться на збитковій стадії, 50% знаходяться на беззбитковому рівні, а 30% знаходяться на прибутковій стадії, включаючи культивовані види рослин, такі як салат, трави, розсада.

Нідерланди є справжнім світовим лідером у галузі технології комбінованого застосування сонячного світла та штучного освітлення для заводів із високим ступенем механізації, автоматизації, інтелекту та безпілотності, і наразі експортували повний набір технологій та обладнання як сильні. продукції на Близький Схід, Африку, Китай та інші країни. Ферма American AeroFarms розташована в Ньюарку, Нью-Джерсі, США, на площі 6500 м2. В основному вирощує овочі та спеції, а продуктивність становить близько 900 т/рік.

Вертикальне землеробство в AeroFarms

Фабрика вертикальних сільськогосподарських рослин компанії Plenty у Сполучених Штатах використовує світлодіодне освітлення та вертикальну раму для посадок висотою 6 м. Рослини ростуть з боків кашпо. Покладаючись на гравітаційний полив, цей метод посадки не потребує додаткових насосів і є більш ефективним, ніж звичайне землеробство. Пленті стверджує, що його ферма виробляє в 350 разів більше продукції, ніж звичайна ферма, використовуючи лише 1% води.

Фабрика вертикальних сільськогосподарських рослин, компанія Plenty

2.2 Стан фабричної промисловості в Китаї

У 2009 році в Changchun Agricultural Expo Park було побудовано та введено в експлуатацію першу виробничу фабрику в Китаї з інтелектуальним керуванням як ядром. Площа будівлі становить 200 м2, а фактори навколишнього середовища, такі як температура, вологість, світло, CO2 і концентрація поживного розчину заводу, можуть автоматично відстежуватися в режимі реального часу для реалізації інтелектуального управління.

У 2010 році завод Tongzhou Plant Factory побудований у Пекіні. Основна конструкція має одношарову легку сталеву конструкцію із загальною будівельною площею 1289 м2. Він має форму авіаносця, що символізує китайське сільське господарство, яке бере на себе лідерство у відпливі до найпередовіших технологій сучасного сільського господарства. Розроблено автоматичне обладнання для окремих операцій виробництва листових овочів, що дозволило підвищити рівень автоматизації виробництва та ефективність виробництва рослинної фабрики. Фабрика заводу використовує систему теплового насоса з наземним джерелом енергії та систему виробництва сонячної енергії, що краще вирішує проблему високих експлуатаційних витрат заводу.

Внутрішній і зовнішній вигляд заводу в Тунчжоу

У 2013 році багато сільськогосподарських технологічних компаній було засновано в сільськогосподарській демонстраційній зоні високих технологій Янлін, провінція Шеньсі. Більшість заводських проектів, що будуються та експлуатуються, розташовані в сільськогосподарських демонстраційних парках високих технологій, які в основному використовуються для науково-популярних демонстрацій та огляду визначних пам’яток. Через їх функціональні обмеження цим науково-популярним рослинним заводам важко досягти високої врожайності та високої ефективності, необхідних для індустріалізації, і їм буде важко стати основною формою індустріалізації в майбутньому.

У 2015 році великий виробник світлодіодних чіпів у Китаї співпрацював з Інститутом ботаніки Китайської академії наук, щоб спільно ініціювати створення заводської компанії. Вона перейшла від оптоелектронної промисловості до «фотобіологічної» промисловості та стала прецедентом для китайських виробників світлодіодів, які інвестують у будівництво заводів у процесі індустріалізації. Його Plant Factory прагне здійснювати промислові інвестиції в нову фотобіологію, яка об’єднує наукові дослідження, виробництво, демонстрацію, інкубацію та інші функції, зі статутним капіталом у 100 мільйонів юанів. У червні 2016 року завод із 3-поверхової будівлі площею 3000 м2 та площею вирощування понад 10 000 м2 був завершений і введений в експлуатацію. До травня 2017 року щоденний обсяг виробництва становитиме 1500 кг листових овочів, що еквівалентно 15 000 рослин салату на день.

Перегляди цієї компанії

3. Проблеми та заходи протидії розвитку рослинництва

3.1 Проблеми

3.1.1 Висока вартість будівництва

Рослинним заводам необхідно вирощувати врожай у закритому середовищі. Тому необхідно будувати допоміжні проекти та обладнання, включаючи зовнішні обслуговуючі конструкції, системи кондиціонування повітря, джерела штучного світла, багатошарові системи культивування, циркуляцію живильного розчину та комп’ютерні системи керування. Вартість будівництва відносно висока.

3.1.2 Висока вартість експлуатації

Більшість джерел світла, необхідних рослинним заводам, походять від світлодіодних ліхтарів, які споживають багато електроенергії, забезпечуючи відповідний спектр для росту різних культур. Таке обладнання, як кондиціонування повітря, вентиляція та водяні насоси у виробничому процесі заводів, також споживає електроенергію, тому рахунки за електроенергію є величезними витратами. Згідно зі статистичними даними, серед виробничих витрат заводів витрати на електроенергію становлять 29%, витрати на оплату праці – 26%, амортизація основних засобів – 23%, упаковка та транспортування – 12%, виробничі матеріали – 10%.

Розбивка собівартості виробництва заводу

3.1.3 Низький рівень автоматизації

Застосовувана в даний час рослинницька фабрика має низький рівень автоматизації, і такі процеси, як розсада, пересадка, посадка в полі та збирання врожаю, все ще вимагають ручних операцій, що призводить до високих витрат на робочу силу.

3.1.4 Обмежені сорти культур, які можна вирощувати

В даний час типи культур, придатних для рослинництва, дуже обмежені, в основному зелені листові овочі, які швидко ростуть, легко сприймають штучні джерела світла і мають низький навіс. Масштабна посадка не може бути здійснена для комплексних вимог до посадки (таких як культури, які потребують запилення тощо).

3.2 Стратегія розвитку

З огляду на проблеми, з якими стикається заводська промисловість, необхідно провести дослідження з різних аспектів, таких як технологія та експлуатація. У відповідь на поточні проблеми контрзаходи такі.

(1) Посилити дослідження інтелектуальних технологій фабрик і підвищити рівень інтенсивного та вдосконаленого управління. Розробка інтелектуальної системи управління та контролю допомагає досягти інтенсивного та витонченого управління заводами, що може значно знизити витрати на оплату праці та заощадити робочу силу.

(2) Розробка інтенсивного та ефективного заводського технічного обладнання для досягнення щорічної високої якості та високої врожайності. Розвиток високоефективних культиваційних споруд та обладнання, енергозберігаючих освітлювальних технологій та обладнання тощо для підвищення інтелектуального рівня рослинницьких фабрик сприяє реалізації щорічного високоефективного виробництва.

(3) Проводити дослідження технології промислового вирощування рослин з високою доданою вартістю, таких як лікарські рослини, медичні рослини та рідкісні овочі, збільшувати кількість видів культур, що вирощуються на рослинницьких фабриках, розширювати канали отримання прибутку та покращувати початкову точку прибутку .

(4) Проводити дослідження фабрик рослин для домашнього та комерційного використання, збагачувати типи фабрик рослин і досягати постійної прибутковості з різними функціями.

4. Тенденції розвитку та перспективи заводу

4.1 Тенденція розвитку технологій

4.1.1 Повнопроцесна інтелектуалізація

На основі механізму машинного злиття та запобігання втратам у системі роботизованих культур, високошвидкісних гнучких і неруйнівних кінцевих ефекторів для посадки та збирання врожаю, розподіленого багатовимірного простору з точним позиціонуванням і мультимодальних методів спільного керування кількома машинами, і безпілотний, ефективний і неруйнівний посів на висотних фабриках. Слід створити інтелектуальні роботи та допоміжне обладнання, таке як посадка-збирання-пакування, таким чином реалізуючи безпілотну роботу всього процесу.

4.1.2 Зробіть контроль виробництва розумнішим

Виходячи з механізму реакції росту та розвитку культур на світлове випромінювання, температуру, вологість, концентрацію СО2, концентрацію поживних речовин у поживному розчині та ЕС слід побудувати кількісну модель зворотного зв’язку рослина – середовище. Слід створити стратегічну базову модель для динамічного аналізу інформації про життя листових овочів і параметрів виробничого середовища. Необхідно також створити онлайнову систему діагностики динамічної ідентифікації та управління процесами середовища. Необхідно створити багатомашинну спільну систему прийняття рішень штучного інтелекту для всього виробничого процесу великого вертикального сільськогосподарського підприємства.

4.1.3 Виробництво з низьким вмістом вуглецю та енергозбереження

Створення системи управління енергією, яка використовує відновлювані джерела енергії, такі як сонце та вітер, для повної передачі електроенергії та контролю споживання енергії для досягнення оптимальних цілей управління енергією. Уловлювання та повторне використання викидів CO2 для підтримки рослинництва.

4.1.3 Висока цінність преміальних сортів

Необхідно прийняти можливі стратегії для виведення різних сортів з високою доданою вартістю для експериментів із садінням, створення бази даних експертів з технології вирощування, проведення досліджень щодо технології вирощування, вибору густоти, розташування стерні, адаптації сорту та обладнання та формування стандартних технічних специфікацій вирощування.

4.2 Перспективи розвитку галузі

Заводи рослинництва можуть позбутися обмежень ресурсів і навколишнього середовища, реалізувати промислове виробництво сільського господарства та залучити нове покоління робочої сили для залучення до сільськогосподарського виробництва. Ключові технологічні інновації та індустріалізація рослинних заводів Китаю стають світовими лідерами. Завдяки прискореному застосуванню світлодіодного джерела світла, оцифровці, автоматизації та інтелектуальним технологіям у галузі рослинних фабрик заводи залучатимуть більше капіталовкладень, збору талантів і використання нових джерел енергії, нових матеріалів і нового обладнання. Таким чином можна реалізувати поглиблену інтеграцію інформаційних технологій, об’єктів і обладнання, покращити інтелектуальний і безпілотний рівень об’єктів і обладнання, постійне зниження енергоспоживання системи та експлуатаційних витрат завдяки постійним інноваціям, а також поступове вирощування спеціалізованих ринків, інтелектуальних фабрик заводів розпочне золотий період розвитку.

Згідно зі звітами про дослідження ринку, розмір світового ринку вертикального землеробства у 2020 році становитиме лише 2,9 мільярда доларів США, а очікується, що до 2025 року обсяг світового ринку вертикального землеробства досягне 30 мільярдів доларів США. Підсумовуючи, заводи мають широкі перспективи застосування та простір для розвитку.

Автор: Zengchan Zhou, Weidong та ін

Інформація про цитування:Сучасний стан і перспективи розвитку заводської промисловості [J]. Технологія сільськогосподарського машинобудування, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li та ін.