植物工厂建设项目的可行性分析报告.pdf

植物工厂建设项目 可 行 性 分 析 报 告 二 O 一 七 年 四 月 十 二 日 目录 一、植物工厂简述 1 1.1 何谓植物工厂？. 1 1.2 植物工厂的优势. 1 二、植物工厂发展历程 . 2 2.1 试验探索阶段. 2 2.2 范应用阶段 . 2 2.3 快速发展阶段. 2 三、植物工厂在我国的发展状况 . 3 3.1 建造植物工厂的科研与生产意义. . 4 3.2 植物工厂的类型与生产运用. . 5 四、目前国内外研究状况 . 6 五、植物工厂建设的系统组成与相关设备设施 . 8 5.1 风能太阳能发电装置. 8 5.2 环境闭锁密封系统. 9 5.3 人工补光系统的建设 10 5.4 微喷加湿系统的建设 11 5.5 空气循环流通系统 11 5.6 二氧化碳补充系统 12 5.7 营养液自动控制与供给系统 12 5.8 物理杀菌系统 13 5.9 温度控制系统 13 5.10 立体式栽培系统. 14 5.11 计算机自动控制及远程控制系统. 14 5.12 视频监控与图像传送系统. 15 5.13 废物废液的循环再利用系统. 16 六、植物工厂示意图及应用效果 17 6.1 补光型半天候的植物工厂 17 6.2 立体式高效率植物工厂. 17 6.3 货柜隔热型全天候植物工厂 20 6.4 船舱式微型植物工厂 22 七、投资估算及效益分析 23 7.1 投资估算 23 7.2 效益估算 24 7.3 存在的风险 24 八、结论 . 25 一、植物工厂简述 1.1 何谓植物工厂？ 所谓植物工厂，就是通过设施内的高精度控制实现农作物周年连续生产的高效农业 系统，是由计算机对植物生育过程的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及营养液等环 境要素进行全天候控制，不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。 相对传统常规农业来说，其设施设备生产工具与栽培模式是股强大的冲击波与挑 战。并且，在产量及品质上都是传统模式所不能比拟的，在生产方式上也是完全迥异的。 在这里没有四季的嬗变，没有天气的干扰，更没有病害及自然的灾害, 是种全天候的人 工智能环境。植物生长于最适合的模拟环境中， 具有更大的生长发育潜能与更好的质量。 利用植物工厂模式可以不受任何自然界之影响，可以在地上也可以地下， 可以在农村也 可以在城市，可以在沙漠也可以在极地，甚至还可以在空间站与外星球，如月亮及火星 上栽培。在生产模式与概念上它已完全超越了常规意义的农业生产，它是未来农业发展 的创新之路，也是人们在与自然界抗争中，形成自已最有征服性的新型生产模式。 农业生产就是植物通过光合作用生产碳水化合物的过程。遵循该科学原理，智能 LED植物工厂根据不同作物对营养和阳光的需求，对“工厂”内环境要素和营养要素进 行实时自动调配，精准供给植物，以确保植物健康生长，实现了不用土、不用阳光，可 实现全天候的植物智能化生产，人类甚至可以在太空、荒漠、戈壁等非可耕地里进行作 物生产。 1.2 植物工厂的优势 与传统农业生产方式不同， 植物工厂有七大技术优势：一是作物生产计划性强，可 在不受外界环境影响的条件下，实现周年均衡生产；二是单位面积产量高，可大幅提高 资源利用效率；三是机械化、自动化程度高，劳动强度低，工作环境舒适；四是不施用 农药，产品安全无污染；五是多层式、立体栽培，节省土地和能源；六是不受或很少受 地理、气候等自然条件影响；七是与现代生物技术紧密结合，可以生产出稀有、价高、 富含营养的植物产品。 植物工厂是目前全球农业高技术研究的热点，因其融合了现代生物技术、 智能装备 与信息技术等新科技， 也是彰显一个国家农业高技术水平的重要标志。植物工厂颠覆了 传统的农作方式， 代表了农业发展的一个创新方向，掌握植物工厂核心关键技术具有战 略意义。 随着人们生活水平的提高， 对洁净安全农产品的需求越来越迫切，为植物工厂开发 的市场前景创造了良好外围环境。因为在植物工厂内生产的农产品是毫无污染与残留 的，它是真正的免农药与无公害，这样的产品也会有较高的价位与市场空间，实现经济 效益的良性循环。此外，我国人均耕地少，耕地资源稀缺。这种形势下，当下发展我国 植物工厂产业非常有必要。 二、植物工厂发展历程 回顾植物工厂发展历程，从上世纪40 年代至今，主要历经早期的试验探索、示范 应用和当前的快速发展三个阶段。 2.1 试验探索阶段 20 世纪 40 年代到 70 年代初为试验探索阶段。该阶段是植物工厂的概念成型与试 验探索期， 其中两项技术的突破对其发展起到了重要支撑作用，一项是“营养液栽培技 术” ，另一项为“人工模拟与控制环境技术” ，以 1949 年美国科学家在加州帕萨迪纳建 立的第一座人工气候室为标志。其后，日本和苏联相继建成大型人工气候室，进行植物 栽培试验。 这一时期植物工厂规模较小，仅为几十平方米到几百平方米。应用范围也比 较窄，主要局限在实验室和示范农场。光源为高压钠灯，光源与空调能耗大，运行成本 较高。 2.2 范应用阶段 20 世纪 70 年代至 90 年代末为示范应用阶段，其中以水耕栽培和人工光源技术的 突破为重要标志。 1973 年营养液膜技术的出现，以及随后的深液流栽培技术的发明为 植物工厂栽培技术的发展奠定了基础。这一时期，日本植物工厂发展较快，截至上世纪 末，日本拥有约20 座人工光植物工厂。 80 年代，在日本海洋博览馆展出了单株13000 多个果的番茄王， 就是运用植物工厂技术及各种高新技术集成的产物，当时这种超高产 巨型植株的栽培成功， 就预示着人类在发挥植物潜能上将有大的突破与发展，也为日后 植物工厂的开发与推广起到了极为重要的作用。在植物工厂里， 西红柿单株产量可上千 斤，水稻可生产 5-6 季，黄瓜产量可提高 200 倍，生菜 35 天就收获 -这些不是天 方夜谭，它是被实践所证明的科学与真理。 在这一阶段，人工光源不断改善， 高压钠灯逐渐被荧光灯替代， 红光 LED开始应用， 光源的能耗进一步降低； 传感器与自动控制技术逐渐引入；示范应用面不断扩大。植物 工厂是植物工厂的高科技与高投入的业态，在这个日本建造一个400 平米面积的植物工 厂总投资需 1 亿日元。 2.3 快速发展阶段 21 世纪初至今植物工厂快速发展，主要得益于蓝光LED的出现与红蓝 LED组合光 源的研制成功，以及基于网络的智能控制技术的应用。随着LED的应用，植物工厂人工 光源能耗显著降低，栽培层间距进一步缩短，能效比大幅度提升；同时，传感器、智能 控制器以及物联网技术的应用为植物工厂智能化管控提供了可能。 在这一时期，各国加快了对植物工厂的研发力度与产业化步伐，日本2009 年提出 大力发展植物工厂、振兴现代农业计划。韩国自2009 年开始，政府支持科研机构与企 业共同进行人工光植物工厂的研发，数年时间内就推出了10 多个型号的植物工厂产品。 美国一方面通过植物工厂的研究希望为空间站和星球探索提供食物保障，另一方面提出 了“摩天大楼农业” 的构想，希望从空间上突破资源瓶颈， 先后出现了芝加哥大厦农场、 新泽西州“垂直农场”等设计模式。 三、植物工厂在我国的发展状况 我国从上世纪 90 年代开始植物工厂研发工作，2002 年成功研发自然光植物工厂， 2005 年研制出 LED植物工厂实验系统，并在上海世博会上海世博会首次展出家庭LED 植物工厂。 其中尤以中国农科院环发所杨其长团队进展显著。中国农科院环发所杨其长 团队率先提出多个植物的“光配方” ，并创制出基于光配方的LED节能光源及其光环境 调控技术装备，在业界完成了多个首创性工作：首次提出“光温耦合节能环境调控” 方法，创制出植物工厂节能环境调控技术装备；率先提出“光营养调控蔬菜品质”方 法，创制出采前短期连续光照提升品质工艺及技术装备；率先提出植物工厂光效、能效 以及营养品质提升的智能管控方法，创制出基于物联网的智能化管控系统。 2009 年，中国农科院环发所植物工厂的研发团队与北京中环易达设施园艺科技有 限公司研发出国内第一例智能型植物工厂。目前，该技术成果已推广到北京、上海、山 东等 20 多个省区市。 我国的植物工厂逐渐走向国际舞台。2012 年至 2015 年我国连续举办 4 期植物工厂 技术国际培训班， 20 多个国家的学员接受了系统的植物工厂训练。基于光配方的植物 LED光源产品推广到美国、日本、欧洲等，植物工厂成套产品已推广到新加坡等。 植物工厂虽然拥有众多优势，但在实际发展过程中也面临着一些“瓶颈”。植物工 厂普及和推广的核心是工业产品化，从目前看，植物工厂标准化、模块化装备的研发方 面还有待提高。 从研发力量上来看， 目前参与研究的主要是科研单位、 高校和中小企业。 杨其长表示“希望未来有中国的大企业能积极参与其中，只有实现植物工厂标准化、 规模化生产，才能在国际竞争中有地位。”从经济效益上来看，与露地、大棚相比，植 物工厂由于初期建设成本较高、耗能较大等原因， 总体上来看单位生产成本还是相对偏 高，未来仍需要进一步降低成本。 近年，我国农业自动化智能化数字化的快速发展，已为植物工厂的发展奠定了扎实 的基础。工业技术的发展与成本的降低也为植物工厂的建设提供了助力，许多公司或科 研单位已尝试进一步的研究和推广运用。 2013 年国家正式将“智能化植物工厂生产技术研究”项目列入“863”计划，由 15 家科教单位与企业联合进行技术研发。目前，我国拥有不同规模的人工光植物工厂约 100 座。相信不久的未来，植物工厂的发展已不再是望尘莫及望洋兴叹的项目，它将在 不久将来，在我国各个地区出现，为我国农业的发展开辟一个崭新的空间。 3.1 建造植物工厂的科研与生产意义 建造植物工厂除了本身的经济效益外，还具有更大的社会效益与科研价值。现在， 日本的植物工厂由原来的地上已发展到地下，在东京建设的植物工厂就是在一个原本是 银行机构的下室，把农业生产从田野搬至闹热的城镇，它除了生产外，更重要的是为城 里人开启了一扇认识农业认识自然与植物的教育窗口，更是学生们培养生物技术兴趣的 一个姣好实践教育基地， 也是城里人在烦忙工作之余的休闲参观基地。这种地下的植物 工厂将是未来开拓城市地下空间，营造地下生态地下景观地下农场地下观光的最好模 式。植物工厂的建造能为我国树立农业发展史上阶段性的里程牌，它标志着人类征服自 然过程中已经取得的辉煌成果，已经为农业发展的最终出路找到了答案，农业生产不再 靠天吃饭， 不再是被动地顺应自然，而是能利用人类的智慧战胜了自然，为农业发展前 景描绘出美丽的画卷， 大大增强了人类的自信心与由于地球变暖后对农业造成不良影响 的恐慌，更为重要的是， 人类将找到一种正真无公害对人体及环境没有任何残留与污染 的农业生产模式， 它的意义不亚于任何一个时期的农业革命，虽然它的推广与普及还有 相当长的时间， 但作为生存到这个地球上的人们已认识到人类征服克服战胜自然，获取 人类生存空间上也取得了伟大的胜利。解决蔬菜与粮食问题， 解决环保绿色与污染问题 已找到了理想的答案， 更为令人鼓舞的是， 它将为在另外星球上建立农业生产基地开拓 了一条理想之径， 如在月球上或空间站进行植物工厂的生产已成为可能。植物工厂的建 造，还可引领与培养出更多的农业科研人才投入到高科技农业研究与发展的热潮中，也 能够在实践中大大提高科研业务生产水平，特别是当前在传统农业日益令人困惑的时 期，为我国的农业科研提出了一个前赡性的方向。也让更多的农业科研人员转向这种边 缘交叉程度极高的学科研究中来，这对于提高我国农业综合研究水平意义重大。植物工 厂为科研人员提出了方向，开辟了思路，提高了水平。 植物工厂的建造能激发更多的年轻人投入到农业生产中，投入到现代高科技农业领 域中，为他们创建一个更广阔的平台，当前全世界的农业从业者日趋老龄化与妇女化， 这与传统农业模式的生产方式有关，面朝黄土背朝天的靠天靠力吃饭的落后生产方式有 关，大多数想创业的年轻人更关注的是环境与功能齐全的城市，而离开农村离开农业， 这样使农业从业者的素质每况愈下与后继人才日渐匮乏。而这种新型的农业模式， 劳动 力已得到彻底解放， 劳动强度大大降低， 生产场所环境已完全优化， 自然风险完全解除， 在生产过程中从原来的野外劳力付出型变化室内的智力付出型，在植物工厂内会让人体 会更，人在花丛中，人在与自然的和谐中，在轻松而优雅的环境中，做些诸如生产计划 制定，植物生长观察、参数数据的设定切换等皆属轻松智力型工作，大大激发了年轻人 对农业的兴趣与爱好， 农业生产模式及观念的改变， 使年轻人能纷纷在从城镇转回到农 村，投身到植物工场的现代农场建设中，改变当前农业的三八六零部队（指妇女与60 岁以上的老人）的产业现状。这种改变对于加快农业产业发展，提高农业生产水平意义 是深远与巨大的。 3.2 植物工厂的类型与生产运用 植物工厂从广义来说分为温室型半候的植物工厂与封闭型全天候的植物工厂，这里 所指的植物工厂是专接封闭型全天候的植物工厂，它的主要特点是， 植物生长的任何环 境因子都是人工精确化模拟创造的，不受外界任何因素的点滴影响，植物生长于一个数 字化可控化， 可精确计算与估计的工厂内， 就如工厂一样生产出外观形态及品质一致符 合标准的农产品。在可控精确环境下，植物的收获期是确定的，植物对各种因子的需求 也是稳定的， 人们生产操作模式是标准的或是无人化机器人生产方式的。这种植物工厂 能为农业生产定茬如期准确地供应农产品，能不受自然病虫侵害与土壤污染供给清洁无 任何残留的高档农产品， 能按照植物遗传基因的性状最大化在表达，培养出超常规超营 养价值的农产品。能为生产者提供最及时而准确的植物生长因子与发育状况的相关咨 讯，为灵活而精确地调整生产方案提供资料，也能够实现任何品种的发育进程调节与产 期调整，更为有利的是， 在植物工厂内能按照人工研究的农艺参数为生长创造模拟最佳 的生长模式， 为农业专家系统的研究与运用创造了一个最好的平台。在植物工厂内植物 的基因能比传统模式下得到最大化最优化的表达与发挥，而且可以通过环境的人为创 造，有计划或目的性地表达一些能改善品质营养的目标基因，培养出常规环境不能培育 的特色产品。 作为最先进的植物栽培模式在生产上具有以下作用，首先单位面积产量是传统生产 的几十倍甚至上百倍， 增产的主要部份主要是由于生育期大大缩短而使栽培的茬数也就 是复种指数大大地提高， 另外就是单株的产量， 在最适的人工环境下能比常规栽培有更 大的生物量，在栽培利用空间上可以提高7-10 倍以上，真因为植物工厂的这些优越性 才使产量超常规地提高， 生产效率发生了质的飞跃。其次，植物工厂内创造的生长环境 是相对稳定的数字化环境， 植物发育所需的诸如积温可以精确地计算，让植物按专家系 统的生长模式设定的进程精准地进行，能做到从播种至收获的稳定如期上市，使最精确 的生产计划得以实现；如在植物工厂内小麦的生育期只需56 天，莴苣的生育期只需35 天，这些都可作为精准栽培计划生产的标准数据被录入计算机的专家系统。在植物工厂 内，可以人为地控制与启动对人们需求的基因表达时间与速度，从而可以培育为人们提 供最具营养价值与口味的高档蔬菜或者反季节蔬菜；在植物工厂内， 植物的生长大多采 用 24 小时的全光照补光或脉冲式补光，植物的同化率得到最大化的发挥，而且光照时 间与光质可以按人们栽培的需要进行调控，从而使植物的光形态形成实现科学化的控 制；植物工厂是种全封闭的栽培系统，可以做到无菌化无虫化生产，栽培的植物勿需使 用任何杀菌治虫的化学药剂， 栽培的产品是真正的绿色无公害食品，而且品质更加脆嫩 与优良。植物工厂内环境可控性强， 特别是可以使栽培环境的二氧化碳浓度得到大幅度 的提高，使生长着的植物光合效率提高至几倍，生物量的形成，营养物质的积累是常规 的几倍。植物工厂虽然在设施上一次投入较大，但是它是种高度集约的栽培模式，不管 是劳动力还是能源资源上都得以最经济的利用，栽培效率与效益得到大幅度的提高，曾 有人做过对照试验， 在常规温室内栽培蔬菜，相同的产量前提下，植物工厂运行的投入 与温室相关无几， 但植物工厂的产品却有更大的经济价值，总体来说投资植物工厂还是 很合算的；植物工厂可以在自然环境恶劣不适传统栽培的地区进行建造生产，如沙漠、 孤岛、地下、南北极、或者土壤气候不适区栽培， 使农业生产上的空间限制得到了解放； 另外，从业者可以依赖专家系统进行植物工厂的管理，无需掌握与了解太专业的农业技 术就可进行管理， 使更多有志于农业的业外人士可以随心所欲地操作与生产，如果结合 机器人，真的可以实现无人化傻瓜化的管理。目前，植物工厂作为最前沿的栽培模式， 常作为观光农业开发的一个主要项目，也常作为学校学生学习与掌握生物自然科学的一 个最好基地与实践教材， 更是城镇居民寻找自然感受自然品味自然的最好去处。植物工 厂以其无比的优势性与可操作性前沿性，它必将成为我国农业发展中一个不可或缺的研 究课题与发展方向，也更是未来农业的一种主要模式，估计在10 年后，它会像现在设 施农业一样被普及与运用， 作为有先见的企业家投资者率先挤入这个行业建立植物工厂 必将会带来丰厚的经济回报与巨大的社会效益。 四、目前国内外研究状况 植物工厂在日本是目前正在倡导与推广的高新农业项目，它们已有成熟的技术与配 套的相关设备与设施， 而且都已经做到相当专业化的程度，它们通过植物工厂普及振兴 会进行推广，现已有几十家较有规模的植物工厂基地，主要以生产瓜果蔬菜为主，还有 芽苗菜植物工厂与花卉类的植物工厂，这些植物工厂已经能为日本本国对农产品的需求 起到了很大的调剂作用， 如建在爱知县的芽苗菜工厂一天能产200万盘，可供好几个城 市的芽苗菜需求， 还有许多利用植物工厂进行规模化的生产莴苣，已成为生产无公害高 档莴苣的主要模式；还有在农作物水稻上进行了科学的偿试，取得了很好的种植效果。 而在台湾， 80 年代就建立了设施与功能齐全的我国第一个芽苗菜植物工厂，内部设备 从播种传送培育收获包装全部实现自动化机械化，并且结合微机与自走式的环境控制管 理，使芽苗的栽培层次达到十几层以上，空间利用率极高，集约化程度大大地提高。还 有美国以色列荷兰这些发达的国家也都对植物工场进行了研究偿试与推广，都取得了很 好的效果与颇有价值的科研成果，目前，特别是在节能化的研究上，已形成了从风能电 能到生物能的多种能源开发趋势，并且都在生产上得以运用， 如利用太阳能供电的自发 电型植物工厂与风能发电植物工厂，还有利用光导技术进行传纤传播实现光的充分利 用，还有利用科学的反光原理，使工厂内的光能得到最大化的利用，更有些植物工厂甚 至利用微生物发酵发电以实现农业可持续与循环发展，能源与材料是植物工厂普及推广 的限制因子，有了这些先进的技术作为支撑，使植物工厂的普及渐趋可能；最近在补光 节能化方面，日本又有了新的发展，如利用半导体二极管及激发发光技术，可以使光的 效率大大提高，使电能消耗得到进一步的降低， 还可以实现植物叶片表面的近距离补光； 补光技术的改进发展为植物工厂的低成本运用起到了关键性的作用，原本植物工厂内耗 能最大的就是补光而现在可以几倍地下降，特别是有特定光谱的二极管与激光光源，可 以在不影响光合效率前提下，实现电能转换率的最大化；在计算机的控制上，目前基本 实现环境模拟的自动化智能化与精确化，能够实现诸如温度湿度光照强度二氧化碳浓度 营养液 EC液温溶氧等植物生长相关因子的在线检测与反馈闭环控制，甚至还可以通过 互联网进行远程监控， 以及通过卫星系统进行全球控制，在视频监控上采用数字化硬盘 技术实现植物图象的远距离清晰化传送，做到参数与图像的全方位监控，实现管理者只 需敲击键盘就能进行生产指挥的数字化管理，另外，对于各种不同栽培植物专家系统的 研发运用上也得以采用， 管理者只需轻松地调动相关植物的最佳生长模式就可进行最优 化的生产管理， 使农业生产更为傻瓜化； 有些较为先进的植物工厂还安装上植物生理传 感器， 实现植物生长过程中各项生理指标的在线检测，以实现环境因子的最科学化控制， 也就是可以按发育生理所需来命令控制各项环境因子，如光合效率、呼吸作用、蒸腾系 数、茎流量、果实膨胀等，并且能利用计算机技术进行曲线记载，科研者可随时调出实 时的在线资料而进行科学研究，为科研者的研究提供了最科学的试验平台；目前，随着 智能机器人技术的发展， 也在植物工厂中被采纳运用， 如种苗的嫁接插苗与果实的采收 与走动式的管理等， 都开始利用机器人来完成，取代了原来繁杂的人工操作；在无菌环 境的创造上， 也结合了当前较为先进的纳米材料技术物理杀菌技术，使整个植物栽培空 间实现无菌化自洁化； 营养液的供应调配及控制上，也能了很大的提高，如营养液控制 中心的建立代替了原来复杂的人工操作，各种植物所需元素上的在线检测及调控也被运 用，做到了植物所需元素及栽培液酸碱度的精确化控制，在废液的处理与再利用上也有 了进一步的改进与提高； 使栽培成本与环境排污最大大的降低，真正实现了封闭式自循 环生态系统的合理构建。 从原本纯耗资源型转变为可持续可循环型，从原本的高成本型 转变为现在的经济实用型； 从原本的操作繁琐型转变为现在的傻瓜操作型；总之，从发 达国家看植物工厂具有很广发展空间与很看好的发展趋势，是未来农业发展的一种重要 模式。而我国这方面的研究也不甘落后，近年，在国防科技大学、中国农科院及浙江丽 水农科所的通力联合攻关下， 上述的技术问题也基本上得到解决，可以与国际技术水平 相比，只是在产品的精致上还不能与发达国家相提并论，但估计通过几年的努力，与植 物工厂相配的各种专业化设备设施将会相继开发与运用；基于目前国内的实际农业生产 力水平，还是需要从本国国情出发， 开发一些成本较低但功能不亚于国外产品的控制系 统、建造材料、及设备设施，以满足我国初级阶段对于建设植物工厂的市场需要，为快 速启动与推进植物工厂先迈出历史性的第一步。 五、植物工厂建设的系统组成与相关设备设施 植物工厂的建造是个系统而庞大的工程，它所涉及的技术之广与所用的材料之多是 常规传统农业所不能比的。 其中就环境控制就需要涉及到十二大系统，风能光能发电系 统、人工补光系统、微喷加湿系统、空气循环流通系统、二氧化碳补充系统、营养液自 动调控系统、 物理杀菌系统、 温度控制系统、 立体式栽培系统、 视频监控图像传送系统、 计算机远程控制系统、 废物的再循环利用系统等； 组成这些系统所涉及的学科包括生物 技术、计算机环境控制技术、物理材料技术、能源综合利用技术、规划设计技术、农产 品加工贮藏技术等； 这么庞大的技术体系与构建工程必须对它进行科学设计，合理规划 与严格实施才能得以完成， 只有在科技人员、工程人员充分配合下才能建成，所以说它 的建造是项庞大复杂的工程， 它的建造具有农业航模一样的意义与伟大，是一般单位难 以独立完成的，它必须利用各个学科各个部门的相互合作相互配合的前提下才能实施建 造，所以在建造之前要让工程施工者对各个系统有个充分的认识，对各种设备与材料有 个全面的了解， 是十分必要的。 以下就植物工厂建设所需的相关设施设备及材料采购有 作些说明， 这样才能在建造时能得以应手地实施，按计划如期完工。现就植物工厂所涉 的各种技术与设备作些简单的介绍。 5.1 风能太阳能发电装置 植物工厂属于电动力农业范畴，它所涉及的每一块运行系统都离不开电能，如环境 模拟、工厂操作、人员管理等都需要用电，而电资源在当前这个时代又是耗能最大最匮 乏的资源， 如何实现电资源利用的节能化是建造植物工厂需要考虑的核心问题，所以在 尽量挖掘可利用资源上进行研究与开发是极为重要的，再加上有些植物工厂是建在无电 力供应的地方， 更需把电摆到最首要的位置来进行科学设计，当前电资源以水资源的利 用最为广泛， 还有煤发电、 核发电、沼气发电等发电模式， 而这些发电都有它的局限性， 只有太阳光发电与风力发电才具有它运用的普遍性，而且在实践上往往又是把两者结合 起来设计， 达到能源供应的互补，如没有光照时可利用风能发电，这些发电技术与装置 投入成本又不大， 而且安装简单易实施， 例如在地球的南北极建造植物工厂或在月球上 建造植物工厂首选的发电系统就是风太阳能发电系统，在有工业电供应区也可利用这两 种发电技术进行补充供电， 特别是用于通风与补光上最为经济实用。太阳能发电原理与 技术就是利用半导体材料在光照作用下发生电子跃迁位移而形成电流的原理而设计的， 现在常用的半导体发电板有晶体电板与非晶体电板，这些电板在太阳照射下能产生电 流，再利用贮电电瓶与逆变装置进行电的贮藏与转换，这样就构成了一个完整的太阳能 发电系统； 而风力发电是利用风力对风扇的带动而实现能量转换的发电方式，原理与操 作都较为简单而容易掌握， 在植物工厂配置太阳能或风能发电系统时，可先对补光所需 的功率进行计算， 再确定太阳能电板的受光发电面积，从而使所发的电能供给人工补光 或其它用电器件的供电需要。 可以形成风力发电机组或太阳能电板群，实现用之不竭的 植物工厂供电系统。下图就是太阳能及风能发电装置在植物工厂上的运用。 太阳能发电装置 5.2 环境闭锁密封系统 植物工厂是在全封闭的环境下构建的植物种植系统，它要求栽培环境不受任何外界 气候因子的影响， 基于此就要利用隔热避光与防风的材料进行厂房的建设，以最佳的隔 热性能来实现能量损耗的最少化与节能化，根据冷库建设的隔热原理，先择15CM厚的 泡沫绝热板作为建设材料， 这种材料具有良好的隔热性与避光性，能使工厂内外的能量 交换最小化， 内外影响最小化， 当然对于发达的国家可以选择一些更高档的隔热避光材 料进行建设，如日本大多用工业上的隔热塑料板材为建造材料，这样成本极高，对于我 们国家还是难以接受。 建设时要求接缝处粘接密封良好，以免透风而影响植物工厂内的 人工生态环境， 在建造隔热密封系统时， 还要加入承载力与牢固度较好的钢材或木材作 骨架，另外，在隔热板的内外两面最好还要喷涂上反光层，以实现内环境补光的充分利 用，和外环境日照影响的最小化，一般我国当前的植物工厂大多内套于温室大棚内，这 样有更好的抗风性与避风防雨作用，如果是在一般的厂房或室内进行植物工厂之改造， 最好也能在内墙壁上套建泡沫房，达到环境因子影响的最小化， 让植物工厂内的环境实 现真正的人工模拟不受外界影响之环境。在建造时，要求重视与注意的是，通风窗或进 气口与泡沫板的交接处的密封性一定要好，否则漏风造成环境不稳外， 还会参杂大量的 细菌进入植物工厂，而造成细菌真菌的滋生繁衍，影响植物之生长与无菌环境的创造。 闭锁栽培空间 5.3 人工补光系统的建设 植物工厂内补光系统是最为重要的系统，它是构成植物生物量的一种主要能源，没 有光照，植物光合作用就不能正常进行，一切代谢与活动所需的能量就不能供给，植物 的正常生长就不能进行， 根据科学家对光照的多年研究表明，植物的光合作用单元叶绿 素对于特定波段的光源有嗜好性，如红光、蓝光、远红光，除了这些光外，其它光质的 光照利用率转换率并不高， 为了使植物工厂内的植物有更高的光合作用效率，一般选择 红蓝光为主的人工补光系统，通常不同光质的科学搭配比例为R/B 为 10-5/1 ，这样的 光对于植物的栽培是最合适的，而且在光周期上通常采用二十四小时全光照补光与 400US的脉冲补光相结合，实现光照光合时间的最大化，而对于光周期敏感的开花结果 植物，一般还是要求光期暗期分明的补光方式，这与常规自然条件下栽培有点相似。随 着二极管技术及激光技术的发展，目前新建造的植物工厂大多采用LED （二极管）作为 补光光源，它具有安装方便，光合效率高，省电节能的优点，据生产测定，在相同强度 的光照强度下，二极管的耗电量只是常规补光灯的1/10 用电量，另外，更重要的是二 极管是冷光源，在栽培时可贴近植物叶片表面进行补光，效率更高，不发热与不改变环 境与烧伤叶片。 现在用于植物工厂内的二极管补光灯有灯罩式与有平板反光式，也有灯 串式各种方式，具体可按栽培生产的实际需要而定，在安装时可平面也可垂面安装，以 达到光照均匀， 反光漫射利用最大化为原则即可，对于层次较多的立体栽培架可以在架 间设计反光装置，可大大提高光源的利用率。采用二极管补光，安装布线也极为方便与 快捷，而且也有防水防湿的作用，在高湿环境下也不会影响使用寿命，是当前植物工厂 内补光系统的最佳选择， 目前在日本叫做 LED植物工厂。 除了二极管补光处，还有采用 激光光源进行补光， 也具有很高的补光效率，但投资成本相对较高，运用上还未得到普 及，但未来的发展方向可能还是具有很大潜力的。二极管补光结合利用太阳能风能发电 供电系统就可形成植物工厂的人工光独立补充系统，是当前植物工厂内运用较多的补光 方法。 二极管光源补光系统 5.4 微喷加湿系统的建设 植物工厂内环境湿度的控制与管理就是利用微喷加湿系统来完成的，目前，植物工 厂内用于加湿的方法有弥雾微喷法与超声波雾化加湿法两种，微喷加湿系统对于植物工 厂内小环境气候的创造起到极为重要的作用，对于需水量大的植物一般选用微喷法，如 芽苗菜的植物工厂， 就是在栽培床上方安装喷头以实现环境湿度的控制管理，而对于栽 培一些需水较少的植物如蔬菜及瓜果的栽培，只需保持一定的空气湿度即可的，就可采 用超声波雾化加湿机， 不管哪种方法，都是为了达到植物生长最适的湿度环境。除了创 造适合的湿度环境外， 还可对于环境温度产生影响， 如微喷或加湿可除低湿度与除去空 气中的悬浮的微小尘粒， 还可结合根外追肥或杀菌技术进行空间杀菌与叶面补肥。微喷 加湿系统的建设较为简单，一般由供水管道与微喷头组成，而超声波雾化器就更简单， 只需把产生的雾化经风扇通入工厂栽培空间即可。在选择喷头时一般选雾化程度较好的 弥雾专用园艺喷头， 一般用于温室内微喷降温用的进口喷头较佳。而水管一般选择符饮 用水标准的专用供水管， 不能选择有任何残留的塑料废弃物再利用加工的水管，这种管 不能选作植物工厂供水管。 而超声波加湿机的选择植物工厂的不同面积来选购所需配置 的功率与雾化头的数量。 不同的数量的雾化头能产生不同的水汽量，按照栽培植物对湿 度的需要进行不同的配置是较为科学的，如萝卜苗菜的超声波工厂， 就是要先按空间的 大小及栽培的萝卜苗数量与每天产出量进行科学计算而获知应选择的功率与雾化头数 量。 5.5 空气循环流通系统 植物的生长环境以有微风吹抚叶片表面为最好，这样植物的气孔吸收二氧化碳的数 量会明显的提高， 一般以每分钟 3-4 米的微风为最佳， 可以在植物工厂的空间内均匀安 装小风扇，可以在走道上方，也可以在层架之间，也可以在隔板内外，这些通风装置可 以使植物工厂内的气体分布与环境温湿度更加均匀与一致，特别是二氧化碳具有下沉 性，通过对流通风能实现栽培植物叶片表面的均匀供气，另外，有了通风系统对于育苗 工厂来说可以大大提高育苗的密度，以提高空间的利用率， 还可以经过通风系统结合物 理杀菌，实现栽培空间空气的无菌化，通风用的小风扇可选择交流与直流两种，在湿度 较大的环境下以选择直流小风扇为好，或者在用电量不大时可以与太阳能发电系统联 接。 在栽培系统中一般只在空间上方安装风扇，而对于立体育苗架或层次较密的情况下， 甚至每个层架上都得安装小风扇，这可因具体的生产需要来进行设计与安装。在闭锁型 的苗木生产工场内， 空气循环流通系统结合二氧化碳的强制供应成为该技术中最为重要 的核心，它对于提高植物快繁微材料光合效率，促进离体材料发育生根的作用极为重要， 现在日本已设计出一套非常科学的通风供气系统，可以作为建造的重要借鉴。 5.6 二氧化碳补充系统 二氧化碳是植物的粮食， 是光合作用最重要的原料与参予者，植物工厂之所以有这 样大的生产潜能， 与植物工厂内的二氧化碳强制供给是分不开的，它的设计与建造也是 植物工厂中的重要工程。首先，二氧化碳在有限的栽培空间内消耗与递减是非常快的， 如果没有外源的气体供给， 植物工厂内生长的植物将会缺二氧化碳而形成生长不良的弱 苗，而二氧化碳气的供给除了有足够的供气源外，还要设计输送系统就是通气管道，利 用二氧化碳的沉降性， 一般在设计时都是从植物工厂的顶端输入为好，借气的沉降与工 厂内的通风系统来实现二氧化碳气在工厂内的均匀分布。另外也可用鼓风机强制吹送， 但最好设计多入送风口， 使其达到匀衡之效果。 在植物工厂内一般植物对二氧化碳最佳 浓度的需求保持在1000-1500PPM为最好，而对于育苗还可以适当地提高，这些浓度的 精确控制主要是依赖于二氧化碳浓度传感器的实时在线检测与控制来实现的。二氧化碳 气源的选择，在植物工厂内为了便于控制与稳定供给一般采用二氧化碳钢瓶进行供气， 它是干冰经解压后实现的，目前，这种供给法成本也不高，使用也方便，为大多数植物 工厂所选用。 5.7 营养液自动控制与供给系统 该系统是为植物的生长提供适合配方与浓度的养分输送系统，只有它才能让植物所 需的水与肥得到及时的供给， 这系统的建造也分为输送部分与调控部份，输送部份由管 道联接而成，调控部份由营养液池， 母液贮藏罐，及各种养分检测探头与自动控制组成， 它是营养液调控的中心， 通过调控中心的科学调控，能为植物生长供应温度适合，各种 营养元素齐全、溶氧充足、PH值适宜的营养液，只有这样才能让栽培的植物快速生长， 这部分的建设可参照水培系统，植物长的好与不好在环境气候因子确定情况下，主要就 是由营养液的配方所决定，所以调控中心要完成EC值、PH值、溶氧、液温的调节与控 制，这种控制目前一般都是通过计算机控制系统来完成，也叫做养液调控中心。其中营 养液池中还必须设计营养液的杀菌消毒系统，利用它把回流已污染的养液进行净化，以 实现循环利用，一般会滋生的生物有细菌、真菌、病毒、及藻类，会导致污染的有机物 有根系分泌物，菌类排出物，藻类代谢物，这些菌与有机物都会污染营养液，可以在营 养液池中安装紫外线电场复合杀菌器或者纳米材料制作的杀菌装置，这样才能让植物工 厂内的栽培环境实现空间与养液的无菌化。该系统的安装与使用相对较为复杂些，但目 前国内外，都已有成套的养液调控设奋与技术方案，也是较易掌握与运用的。 5.8 物理杀菌系统 虽然植物工厂是在相对封闭的环境下进行生产与操作，但难免一些生产过程或植物 生长过程会导致菌类的滋生与蔓延，使生产过程难以实现正真的免农药栽培，针对这些 问题， 必须利用物理杀菌的技术作为主要的解决方案，以实现无公害绿色农产品的生产。 分析容易携带与进入植物工厂的细菌有以下一些主要环节，如操作人员携带与内外环境 通风对流以及生产工具等， 针对这些可能引起细菌滋生的因素，制定了以下的一些杀菌 与防菌措施作为系统建造的依据， 在进入植物工厂所有人员必须先进行换鞋更衣与杀菌 消毒，这个杀菌室一般设于入口处的缓冲间；为防止内外对流时空气带菌，一般可以通 过在每个入气口加上一个空气杀菌装置，或空气过滤装置，通常以两种方式结合较好。 除了这些防止外源进入的一些措施外，还需对植物工厂内的环境进行定期的全面杀菌消 毒，包括走道、器具、场所等，这些消毒目前最好的方法就是利用电功能水，这种电功 能水具有很强大的杀菌能力，可以在1-10 分钟内把细菌、真菌及病毒杀死，而且利用 电功能水的强氧化性与强还原性，杀菌后不对环境造成一点残留，这种方法已在日本的 植物工厂内得到普及与运用，而我国才刚刚开始。另外，还有电场臭氧紫外线超声波等 杀菌方法， 总之不管采用哪一种， 一定要以物理手段与方法不会对环境及农产品造成任 何污染与残留为原则， 以下就是电功能水的发生装置，生产安装与运用都极为简单，是 当前解决农药危害的最有效的一种途径。 5.9 温度控制系统 一切植物的生长发育都必须在一定的温度条件下才能进行正常的生理活动与代谢； 是植物生长的最基本因素， 过高及过低的温度对植物生长都是不利的，而在植物工厂内 为了产生更好的栽培效果， 对于环境温度的要求还要更于严格，温度的控制在植物工厂 内是通过温度传感器及自动控制来实现的，而加温或致冷的执行部份主要由空调机、加 热用的热风炉、暖气片、加热管道、地下热、致冷器等来完成加