植物工厂建设项目的可行性分析报告

植物工厂建设项目可行性分析报告四月十二日

目录TOC\o"1-4"\h\z\uHYPERLINK一、植物工厂简述 1HYPERLINK1.1何谓植物工厂？ 1HYPERLINK1.2植物工厂的优势 1HYPERLINK二、植物工厂发展历程 2HYPERLINK2.1试验探索阶段 2HYPERLINK2.2范应用阶段 PAGEREF2HYPERLINK2.3迅速发展阶段 2HYPERLINK三、植物工厂在我国的发展状况 3HYPERLINK3.1建造植物工厂的科研与生产意义 \h4HYPERLINK3.2植物工厂的类型与生产运用 5HYPERLINK四、目前国内外研究状况 6HYPERLINK五、植物工厂建设的系统构成与有关设备设施 8HYPERLINK5.1风能太阳能发电装置 8HYPERLINK5.2环境闭锁密封系统 9HYPERLINK5.3人工补光系统的建设 10HYPERLINK5.4微喷加湿系统的建设 11HYPERLINK5.5空气循环流通系统 11HYPERLINK5.6二氧化碳补充系统 12HYPERLINK5.7营养液自动控制与供应系统 12HYPERLINK5.8物理杀菌系统 13HYPERLINK5.9温度控制系统 13HYPERLINK5.10立体式栽培系统 14HYPERLINK5.11计算机自动控制及远程控制系统 14HYPERLINK5.12视频监控与图像传送系统 15HYPERLINK5.13废物废液的循环再运用系统 16HYPERLINK六、植物工厂示意图及应用效果 17HYPERLINK6.1补光型半天候的植物工厂 17HYPERLINK6.2立体式高效率植物工厂 PAGEREF17HYPERLINK6.3货柜隔热型全天候植物工厂 20HYPERLINK6.4船舱式微型植物工厂 22HYPERLINK七、投资估算及效益分析 0\h23HYPERLINK7.1投资估算 23HYPERLINK7.2效益估算 24HYPERLINK7.3存在的风险 24HYPERLINK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持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。相对老式常规农业来说，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老式模式所不能比拟的，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。运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都市，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。遵照该科学原理，智能LED植物工厂根据不一样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，精确供应植物，以保证植物健康生长，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植物工厂的优势与老式农业生产方式不一样，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，可大幅提高资源运用效率；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，也是彰显一种国家农业高技术水平的重要标志。植物工厂颠覆了老式的农作方式，代表了农业发展的一种创新方向，掌握植物工厂关键关键技术具有战略意义。伴随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发明了良好外围环境。由于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忆植物工厂发展历程，从上世纪40年代至今，重要历经初期的试验探索、示范应用和目前的迅速发展三个阶段。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，重要局限在试验室和示范农场。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，以及随即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多种果的番茄王，就是运用植物工厂技术及多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，也为后来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，人工光源不停改善，高压钠灯逐渐被荧光灯替代，红光LED开始应用，光源的能耗深入减少；传感器与自动控制技术逐渐引入；示范应用面不停扩大。植物工厂是植物工厂的高科技与高投入的业态，在这个日本建造一种400平米面积的植物工厂总投资需1亿日元。2.3迅速发展阶段二十一世纪初至今植物工厂迅速发展，重要得益于蓝光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。伴随LED的应用，植物工厂人工光源能耗显着减少，栽培层间距深入缩短，能效比大幅度提高；同步，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也许。在这一时期，各国加紧了对植物工厂的研发力度与产业化步伐，日本提出大力发展植物工厂、振兴现代农业计划。韩国自开始，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多种型号的植物工厂产品。美国首先通过植物工厂的研究但愿为空间站和星球探索提供食物保障，另首先提出了“摩天大楼农业”的设想，但愿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，成功研发自然光植物工厂，研制出LED植物工厂试验系统，并在上海世博会上海世博会初次展出家庭LED植物工厂。其中尤以中国农科院环发所杨其长团体进展显着。中国农科院环发所杨其长团体率先提出多种植物的“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，在业界完毕了多种首创性工作：初次提出“光—温耦合节能环境调控”措施，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”措施，创制出采前短期持续光照提高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高的智能管控措施，创制出基于物联网的智能化管控系统。，中国农科院环发所植物工厂的研发团体与北京中环易达设施园艺科技有限企业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多种省区市。我国的植物工厂逐渐走向国际舞台。至我国持续举行4期植物工厂技术国际培训班，20多种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某些“瓶颈”。植物工厂普及和推广的关键是工业产品化，从目前看，植物工厂原则化、模块化妆备的研发方面尚有待提高。从研发力量上来看，目前参与研究的重要是科研单位、高校和中小企业。杨其长表达“但愿未来有中国的大企业能积极参与其中，只有实现植物工厂原则化、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，未来仍需要深入减少成本。近年，我国农业自动化智能化数字化的迅速发展，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减少也为植物工厂的建设提供了助力，许多企业或科研单位已尝试深入的研究和推广运用。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，我国拥有不一样规模的人工光植物工厂约100座。相信很快的未来，植物工厂的发展已不再是望尘莫及望洋兴叹的项目，它将在很快未来，在我国各个地区出现，为我国农业的发展开辟一种崭新的空间。3.1建造植物工厂的科研与生产意义建造植物工厂除了自身的经济效益外，还具有更大的社会效益与科研价值。目前，日本的植物工厂由本来的地上已发展到地下，在东京建设的植物工厂就是在一种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启动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爱好的一种姣好实践教育基地，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都市地下空间，营造地下生态地下景观地下农场地下观光的最佳模式。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获得的辉煌成果，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，而是能运用人类的智慧战胜了自然，为农业发展前景描绘出漂亮的画卷，大大增强了人类的自信心与由于地球变暖后对农业导致不良影响的恐慌，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种时期的农业革命，虽然它的推广与普及尚有相称长的时间，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获得了伟大的胜利。处理蔬菜与粮食问题，处理环境保护绿色与污染问题已找到了理想的答案，更为令人鼓舞的是，它将为在此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也许。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，也可以在实践中大大提高科研业务生产水平，尤其是目前在老式农业日益令人困惑的时期，为我国的农业科研提出了一种前赡性的方向。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，开辟了思绪，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，为他们创立一种更广阔的平台，目前全世界的农业从业者日趋老龄化与妇女化，这与老式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都市，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，劳动强度大大减少，生产场所环境已完全优化，自然风险完全解除，在生产过程中从本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，人在与自然的友好中，在轻松而优雅的环境中，做些诸如生产计划制定，植物生长观测、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爱好与爱好，农业生产模式及观念的变化，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，变化目前农业的三八六零部队（指妇女与60岁以上的老人）的产业现实状况。这种变化对于加紧农业产业发展，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，它的重要特点是，植物生长的任何环境因子都是人工精确化模拟发明的，不受外界任何原因的点滴影响，植物生长于一种数字化可控化，可精确计算与估计的工厂内，就如工厂同样生产出外观形态及品质一致符合原则的农产品。在可控精确环境下，植物的收获期是确定的，植物对多种因子的需求也是稳定的，人们生产操作模式是原则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准期精确地供应农产品，能不受自然病虫侵害与土壤污染供应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体现，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精确的植物生长因子与发育状况的有关咨讯，为灵活而精确地调整生产方案提供资料，也可以实现任何品种的发育进程调整与产期调整，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发明模拟最佳的生长模式，为农业专家系统的研究与运用发明了一种最佳的平台。在植物工厂内植物的基因能比老式模式下得到最大化最优化的体现与发挥，并且可以通过环境的人为发明，有计划或目的性地体现某些能改善品质营养的目的基因，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如下作用，首先单位面积产量是老式生产的几十倍甚至上百倍，增产的重要部份重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，此外就是单株的产量，在最适的人工环境下能比常规栽培有更大的生物量，在栽培运用空间上可以提高7-10倍以上，真由于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。另一方面，植物工厂内发明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确地进行，能做到从播种至收获的稳定准期上市，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，这些都可作为精确栽培计划生产的原则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体现时间与速度，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，并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，并且品质愈加脆嫩与优良。植物工厂内环境可控性强，尤其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，不过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运用，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，相似的产量前提下，植物工厂运行的投入与温室有关无几，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老式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理解放；此外，从业者可以依赖专家系统进行植物工厂的管理，无需掌握与理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，假如结合机器人，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种重要项目，也常作为学校学生学习与掌握生物自然科学的一种最佳基地与实践教材，更是城镇居民寻找自然感受自然品味自然的最佳去处。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种不可或缺的研究课题与发展方向，也更是未来农业的一种重要模式，估计在后，它会像目前设施农业同样被普及与运用，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，它们已经有成熟的技术与配套的有关设备与设施，并且都已经做到相称专业化的程度，它们通过植物工厂普及振兴会进行推广，现已经有几十家较有规模的植物工厂基地，重要以生产瓜果蔬菜为主，尚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，可供好几种都市的芽苗菜需求，尚有许多运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重要模式；尚有在农作物水稻上进行了科学的偿试，获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种芽苗菜植物工厂，内部设备从播种传送培育收获包装所有实现自动化机械化，并且结合微机与自走式的环境控制管理，使芽苗的栽培层次到达十几层以上，空间运用率极高，集约化程度大大地提高。尚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，都获得了很好的效果与颇有价值的科研成果，目前，尤其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，如运用太阳能供电的自发电型植物工厂与风能发电植物工厂，尚有运用光导技术进行传纤传播实现光的充足运用，尚有运用科学的反光原理，使工厂内的光能得到最大化的运用，更有些植物工厂甚至运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也许；近来在补光节能化方面，日本又有了新的发展，如运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，使电能消耗得到深入的减少，还可以实现植物叶片表面的近距离补光；补光技术的改善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目前可以几倍地下降，尤其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，可以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有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，此外，对于多种不一样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有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，并且能运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，伴随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，都开始运用机器人来完毕，取代了本来繁杂的人工操作；在无菌环境的发明上，也结合了目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替代了本来复杂的人工操作，多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，在废液的处理与再运用上也有了深入的改善与提高；使栽培成本与环境排污最大大的减少，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目前的经济实用型；从原本的操作繁琐型转变为目前的傻瓜操作型；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处理，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，与植物工厂相配的多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，开发某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，为迅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构成与有关设备设施植物工厂的建造是个系统而庞大的工程，它所波及的技术之广与所用的材料之多是常规老式农业所不能比的。其中就环境控制就需要波及到十二大系统，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、废物的再循环运用系统等；构成这些系统所波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、能源综合运用技术、规划设计技术、农产品加工贮藏技术等；这样庞大的技术体系与构建工程必须对它进行科学设计，合理规划与严格实行才能得以完毕，只有在科技人员、工程人员充足配合下才能建成，因此说它的建造是项庞大复杂的工程，它的建造具有农业航模同样的意义与伟大，是一般单位难以独立完毕的，它必须运用各个学科各个部门的互相合作互相配合的前提下才能实行建造，因此在建造之前要让工程施工者对各个系统有个充足的认识，对多种设备与材料有个全面的理解，是十分必要的。如下就植物工厂建设所需的有关设施设备及材料采购有作些阐明，这样才能在建造时能得以应手地实行，按计划准期竣工。现就植物工厂所涉的多种技术与设备作些简朴的简介。5.1风能太阳能发电装置植物工厂属于电动力农业范围，它所波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，而电资源在目前这个时代又是耗能最大最匮乏的资源，怎样实现电资源运用的节能化是建造植物工厂需要考虑的关键问题，因此在尽量挖掘可运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，目前电资源以水资源的运用最为广泛，尚有煤发电、核发电、沼气发电等发电模式，而这些发电均有它的局限性，只有太阳光发电与风力发电才具有它运用的普遍性，并且在实践上往往又是把两者结合起来设计，到达能源供应的互补，如没有光照时可运用风能发电，这些发电技术与装置投入成本又不大，并且安装简朴易实行，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运用这两种发电技术进行补充供电，尤其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运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，目前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，再运用贮电电瓶与逆变装置进行电的贮藏与转换，这样就构成了一种完整的太阳能发电系统；而风力发电是运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朴而轻易掌握，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应人工补光或其他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，它规定栽培环境不受任何外界气候因子的影响，基于此就要运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至少化与节能化，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互换最小化，内外影响最小化，当然对于发达的国家可以选择某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。建设时规定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很好的钢材或木材作骨架，此外，在隔热板的内外两面最佳还要喷涂上反光层，以实现内环境补光的充足运用，和外环境日照影响的最小化，一般我国目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，假如是在一般的厂房或室内进行植物工厂之改造，最佳也能在内墙壁上套建泡沫房，到达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，规定重视与注意的是，通风窗或进气口与泡沫板的交接处的密封性一定要好，否则漏风导致环境不稳外，还会参杂大量的细菌进入植物工厂，而导致细菌真菌的滋生繁衍，影响植物之生长与无菌环境的发明。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重要能源，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应，植物的正常生长就不能进行，根据科学家对光照的数年研究表明，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，其他光质的光照运用率转换率并不高，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，一般不一样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，并且在光周期上一般采用24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成果植物，一般还是规定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。伴随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，它具有安装以便，光合效率高，省电节能的长处，据生产测定，在相似强度的光照强度下，二极管的耗电量只是常规补光灯的1/10用电量，此外，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，不发热与不变化环境与烧伤叶片。目前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，也有灯串式多种方式，详细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，以到达光照均匀，反光漫射运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，可大大提高光源的运用率。采用二极管补光，安装布线也极为以便与快捷，并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，是目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，尚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，运用上尚未得到普及，但未来的发展方向也许还是具有很大潜力的。二极管补光结合运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，是目前植物工厂内运用较多的补光措施。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运用微喷加湿系统来完毕的，目前，植物工厂内用于加湿的措施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发明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，而对于栽培某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，不管哪种措施，都是为了到达植物生长最适的湿度环境。除了发明适合的湿度环境外，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朴，一般由供水管道与微喷头构成，而超声波雾化器就更简朴，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很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原则的专用供水管，不能选择有任何残留的塑料废弃物再运用加工的水管，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一样面积来选购所需配置的功率与雾化头的数量。不一样的数量的雾化头能产生不一样的水汽量，按照栽培植物对湿度的需要进行不一样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佳，这样植物的气孔吸取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愈加均匀与一致，尤其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，此外，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，以提高空间的运用率，还可以通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状况下，甚至每个层架上都得安装小风扇，这可因详细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关键，它对于提高植物快繁微材料光合效率，增进离体材料发育生根的作用极为重要，目前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，植物工厂之因此有这样大的生产潜能，与植物工厂内的二氧化碳强制供应是分不开的，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，假如没有外源的气体供应，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，而二氧化碳气的供应除了有足够的供气源外，还要设计输送系统就是通气管道，运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。此外也可用鼓风机强制吹送，但最佳设计多入送风口，使其到达匀衡之效果。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为最佳，而对于育苗还可以合适地提高，这些浓度的精确控制重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应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，这种供应法成本也不高，使用也以便，为大多数植物工厂所选用。5.7营养液自动控制与供应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应，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，及多种养分检测探头与自动控制构成，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，多种营养元素齐全、溶氧充足、PH值合适的营养液，只有这样才能让栽培的植物迅速生长，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状况下，重要就是由营养液的配方所决定，因此调控中心要完毕EC值、PH值、溶氧、液温的调整与控制，这种控制目前一般都是通过计算机控制系统来完毕，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，运用它把回流已污染的养液进行净化，以实现循环运用，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，都已经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，但难免某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，必须运用物理杀菌的技术作为重要的处理方案，以实现无公害绿色农产品的生产。分析轻易携带与进入植物工厂的细菌有如下某些重要环节，如操作人员携带与内外环境通风对流以及生产工具等，针对这些也许引起细菌滋生的原因，制定了如下的某些杀菌与防菌措施作为系统建造的根据，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种空气杀菌装置，或空气过滤装置，一般以两种方式结合很好。除了这些防止外源进入的某些措施外，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，这些消毒目前最佳的措施就是运用电功能水，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，并且运用电功能水的强氧化性与强还原性，杀菌后不对环境导致一点残留，这种措施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。此外，尚有电场臭氧紫外线超声波等杀菌措施，总之不管采用哪一种，一定要以物理手段与措施不会对环境及农产品导致任何污染与残留为原则，如下就是电功能水的发生装置，生产安装与运用都极为简朴，是目前处理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原因，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，对于环境温度的规定还要更于严格，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重要由空调机、加热用的热风炉、暖气片、加热管道、地下热、致冷器等来完毕加热或降温所需的能量，目前在植物工厂内，运用较多而较先进的就是运用半导体加温致冷，它具有运行成本低，安装使用以便的长处。也可因地制宜，尤其是加温部份，在能源较为丰富的煤矿区或地下热资源丰富的地方可采用热风炉进行冬季加温或地下热的管道加温与锅炉加温，可灵活应用。而加温部件选定安装好后，就是必须布局好输热排气管道，一般都是从植物工厂的房顶进行均匀布管与开口，这样可以使空间均匀受热与降温，而致冷的排风口需均匀在布局于植物工厂的顶面与侧面，这样更有助于散热降温。目前，加温或致冷是植物工厂中运行成本较高的一部份，在自然风能与太阳能丰富的地方可以运用它们进行节能化的加温与致冷，如太阳能空调，太阳能加温与发电，风能发电等。5.10立体式栽培系统栽培系统是由栽培床或槽及立体式的栽培架所构成，它是植物生长与固定场所，也是营养液供应及植物生长的场所，它的设计目前有平面式的栽培床，尚有立体式的栽培架，甚至某些工厂为了充足运用空间采用或移动式的栽培床，不管哪种栽培系统都是为了合理与充足地运用栽培空间，提高植物工厂运用率及生产效率而设定的。栽培床可以是用专门用于园艺栽培的泡沫床也可以是用装修板材制成的木制床或槽，但假如是木制材料制作，必须对木材表面进行防水防腐处理，这些材料具有轻型易装的特点，因此在植物工厂内的运用还是较为普遍。而栽培架的制作大多采用防锈防水防腐处理过的钢架进行组装或焊接而成，它的规格与大小因栽培目的植物大小及可运用空间的大小而灵活确定，对于喜阳的瓜果类层次可大些提高通风透光率，而对于叶菜或芽菜类层次可设密某些以提高空间运用率，这些方面可因生产而定。立体式的栽培架5.11计算机自动控制及远程控制系统这个系统是植物工厂的大脑关键，前面简介的各个系统其实都是为了配合与服务于这个系统而设定的，该系统是植物工厂的指挥官与大脑，一切环境因子的发明及栽培因子的监测与控制都得通过计该系统进行自动控制。例如当温度传感器检测到温度过高超过限定值时，计算机就会发出致冷降温指令而启动致冷系统进行环境降温，假如当温度下减少于限定值时，计算机又会发出加温指令而启动加温设备进行环境加温，此外光照的控制及湿度的控制尚有诸如营养液浓度及溶氧的控制都是同样，都是通过系统的闭环反馈控制来实现环境多种因子的相对稳定性，没有这系统，植物工厂就主线无法运行，也就无法实现人工环境的最佳模拟，它的构建安装就要是完毕与各个执行部件的电信号联接与多种传感器在空间内的布局，其他的控制主机部们目前均有相对成熟与成型的设备与技术，只需进行安装就可使用。安装与联接好计算机控制系统后，还可以把它与电脑联接实现软件的远程控制，运用电脑网络或者手机通讯实现跨空间远距离控制，实现的措施有两种。一种是通过互联网实现远程控制，一种是通过无线模块实现无线通讯控制，只要手机有信号的地区都可对基地进行操作与控制，运用上述两种措施可以实现全球性的控制。目前运用最多最实用的还是直接把办公室的微机与植物工厂的计算机控制主机进行网络线联接实现近距离的控制，这种也是较为实用与以便的，你也可以在办公室内处理植物工厂内的一切运行数据设定，专家模式切换与图像处理，操作指令确实定，有了远程控制系统与软件，才真正实目前办公室内就可种田的理想，这也是植物工厂区别于常规农业的一种重要特点。计算机自动控制柜5.12视频监控与图像传送系统为了使管理者以实现远程管理与远程诊断，在植物工厂内一般都在不一样的角度安装摄像头，这些摄像头具有360度的旋转可调性与焦距可变性，能从不一样的角度观测植物的生长状况，并且可以进行24小时的实时在线监控录像与传送。安装该系统可以轻松实目前家就可种田的梦想，就可实现专家诊断远程化，不需进入植物工厂内就可进行植物生长的诊断，运用可调焦镜头可以很清晰地观测到植物叶片表面的气孔与与否缺素的症状，能为科研者或生产者提供大量的植物生长资料，为生产决策作参照。该统重要数摄像头、数字化硬盘、软件、及电脑构成，还可结合计算机控制软件，实现图像与参数的实时在线监控与记录，通过生长状况与环境参数曲线的记录可以进行植物最佳生长模式的分析，为制定新品种的专家系统提供大量参数与根据。远程控制软件5.13废物废液的循环再运用系统在植物工厂的栽培与收获过程中，某些营养废液的排放，及植物的残渣等下脚料都可以作为生物菌发酵的原料进行堆肥处理，把堆肥发酵后的无菌无臭残渣作为营养土配制的原料进行无土栽培，而由其浸出液制取的液肥又可作为追肥或者水培的营养液进行二次循环运用，采用这种措施可以实现植物工厂的零排除，正真做到植物微生物环境间友好共处的生态环境，让植物工厂自身就能完毕整个生态圈内的能量循环，也不会由于排出的废液下脚料而影响到工厂外环境导致污染与影响生态。完毕这个环节所起到作用最大的技术就是生物菌的发酵处理技术，在该系统完装时，只需按生物菌发酵的流程与工艺购置成套的设备与有关检测仪器即可，操作使用都较为简朴，可认为多种类型的植物工厂所采用。总之，植物工厂是一种复杂的多学科交错的庞大系统，它的完毕其实不仅仅是上述所提及的十三大系统，在详细的建造中尚有波及更多的子系统与子工程，例如杀菌系统的构成它就由多种杀菌方式与技术复合构成，为了增进工厂内植物的光合作用，还可在植物工厂顶上方布施电场网，以提高光合效率进行光合作用速率的调控；在二氧化碳补充系统中，许多植物工厂内又结合了碳酸水补气法，这样就又需配制一种碳酸水发生装置的子系统，在深液流的水培中除了在营养液调控中心进行养液调控外，还需在栽培容器或床内布设曝气增氧系统，在植物工厂内还要建设用于蔬菜采后预贮与包装系统，有些还需配建冷藏库，其他的诸如播种机、插苗机、嫁接机、操作升降台、走动式的补光加湿机、超声波蔬菜清洗机、蔬菜加工包装流水线等，尚有许多子系统与设备是要按生产需要而进行灵活配置的。其实植物工厂就是把多种最先进的生产工具与生产技术进行了综合的集成，在这里可以充足体现植物生产过程的全方位工厂化自动化精确化与智能化，是各学科各技术的高度集约化的生产模式。伴随植物工厂建造技术的不停发展与完善，相信很快的未来就会形成我国特色的植物工厂建造原则与模式，大大推进与加紧我国植物工厂技术的发展速度，为我国农业生产力水平的提高起到极为重要的推进作用。六、植物工厂示意图及应用效果6.1补光型半天候的植物工厂补光型半天候的植物工厂，这种植物工厂不是完全运用人工光照而是自然光与补光相结合的一种工厂模式，它具有补光耗能少，并且光照强度大的特点，适合于种植多种开花成果型的植物种类，但这种植物工厂在夏季光照充足气温高的季节，需要用大量的电能用于降温耗能，并且温度因子的稳定性没有全封闭型的可靠，不过这种目前还是能为许多投资者所采纳与运用。6.2立体式高效率植物工厂立体式高效率植物工厂，这种植物工厂，目前已被日本电力企业采纳与运用，它的重要长处是运用率可以比平面式大大提高，蔬菜的栽培周期大大缩短，重要用于莴苣等叶菜类的生产，如莴苣在植物工厂内两周就可收获，一年可种植20多茬，也可用于蘑菇的栽培种植，以蘑菇为例，可以使蘑菇的周期缩短为20天，产量与质量多得到超人的是提高。这种模式可以做成全天候也可以是半天候，也是效益较高能源运用率很好的一种模式。栽培的粮食作物水稻这是一种建于地下的全天候人工模拟栽培工厂，是建于东京一种银行的地下室，运用这种工厂植物栽培种各各样的粮食蔬菜植物，上图就是栽培的水稻，水稻在全天候环境下，一种可以收获5-6季。这种模式一般者是依托电力支持的人工系统，但也有某些是运用光导技术，如光纤名光导装置，把地下的太阳光照经光处理后传送至地下栽培空间，这种模式投入最大，但它可以在闹市区进行，可以在没有地面空间的高楼大厦的地底下进行，是未来都市观光农业的一种好模式。栽培的花卉与蔬菜运用这种植物工厂进行芽苗菜的培育运用植物工厂进行种苗的闭锁型高农密度迅速生产6.3货柜隔热型全天候植物工厂货柜隔热型全天候植物工厂，栽培空间是运用隔板材建造，与外界环境基本隔绝，因外界环境这化而导致栽培空间气候因子变化的影响度小，可以实现全天候的人工模拟，环境可以做到相对稳定，适合于叶菜类生产及种苗工厂化培育，可以做到全封闭的无菌化操作，如极地植物工厂。这种模式可以使空间层次布局更多密度更大，育苗或叶菜栽培的效率可以上十倍的提高。极地植物工厂内栽培的多种蔬菜多种各样的营养液栽培方式极地植物工厂，在最寒冷的极地建造植物工厂，规定有极好的隔热密封性，否则难以在寒冷的材料建造稳定的栽培空间，一般采用强度好而隔热良好的工业材料进行空间建造，此外，还需有太阳能或风能发电系统支持，为栽培空间提供环境控制所需的所有能量。目前，美国的亚利桑那大学已在南极建立了这种植物工厂，为极地工作人员提供新鲜之蔬菜。6.4船舱式微型植物工厂空间站设计的船舱式微型植物工厂这种植物工厂其实就是空间生命支持技术在植物栽培上的运用，研究在离开地球的太空中，怎样让植物在失重的环境下进行正常的栽培与生长，是目前空间生命技术中研究较多的课题，目前美国已在空间站进行栽培试验与运用，为宇航员处理新鲜蔬菜的供应问题，此外，它也可作为一种微型的生态圈，对空间环境进行影响与调整。月球上的植物工厂系统示意图这是美国研究成功