2022年第一代植物工厂系统 .pdf

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1、第一代植物工厂系统植物工厂是植物培育的最高境界的全智能环控生产模式,它用于农业生产的各个方面,涉及到植物生长的各个因子皆可按植物生长模式进行智能化调控,即可用于育苗,又可用于栽培,也可用于培育芽苗菜,也可作为组培室,可因生产的不同需要进行参数修改与设置或直接插入IC 智能卡,实现全智能化的环控,让植物或生物在最佳的环境下培育生长.以下是系统的简易示意图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 7 页 -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

2、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

3、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -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

4、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

5、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。2、环境闭锁密封系统；植物工厂是在全封闭的

6、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，

7、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。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

8、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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -光照补光与400US 的脉冲补光相结合，实现光照光合时间的最

9、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

10、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。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

11、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

12、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、空气循环流通系统：植物的生长环境以有微风吹抚

13、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

14、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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -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。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

15、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

16、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。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

17、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

18、，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。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

19、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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 7 页 -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

20、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。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利用半导体加温致冷，它具

21、有运行成本低，安装使用方便的优点，也可因地制宜，特别是加温部份、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，这样更有利于散热降温。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利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，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组成，它

22、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，还有立体式的栽培架，甚至一些工厂为了充分利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分地利用栽培空间，提高植物工厂利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，但如果是木制材料制作，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，所以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标植物大小及可利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

23、率，而对于叶菜或芽菜类层次可设密一些以提高空间利用率，这些方面可因生产而定。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核心，前面介绍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，一切环境因子的创造及栽培因子的监测与控制都得通过该系统进行自动控制。比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开启致冷系统进行环境降温，当温度下降低于限定值时，计算机又会发出加温指令而开启加温设备进行环境加温，另外光照的控制及湿度的控制还有诸如营养液浓度及溶氧的控制都是一样，都是通过系统的闭环反馈控制来实现环境各种因子的相对稳定性，没

24、有这系统，植物工厂就根本无法运行，也就无法实现人工环境的最佳模拟，它的构建安装就是要完成与各个执行部件的电信号联接与各种名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -传感器在空间内的布局，其它的控制主机部门现在都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，利用电脑网络或者手机通讯实现跨空间远距离控制，方法有两种：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，利用上述两种方法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

25、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方便的，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，操作指令的确定，有了远程控制系统与软件，才真正实现在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个主要特点。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同的角度安装摄像头，这些摄像头具有360 度的旋转可调性与焦距可变性，能从不同的角度观察植物的生长状况，并且能够进行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现在家就可种田的梦想，就可实现专家诊断远程化，不

26、需进入植物工厂内就可进行植物生长的诊断，利用可调焦镜头可以很清晰地观察到植物叶片表面的气孔与是否缺素的症状，能为科研者或生产者提供大量的植物生长资料，为生产决策作参考。该统主要数摄像头、数字化硬盘、软件、及电脑组成，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依据。13、废物废液的循环再利用系统：在植物工厂的栽培与收获过程中，一些营养废液的排放，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

27、的液肥又可作为追肥或者水培的营养液进行二次循环利用，采用这种方法可以实现植物工厂的零排除，正真做到植物微生物环境间和谐共处的生态环境，让植物工厂自身就能完成整个生态圈内的能量循环，也不会因为排出的废液下脚料而影响到工厂外环境造成污染与影响生态。完成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相关检测仪器即可，操作使用都较为简单，可以为各种类型的植物工厂所采用。总之，植物工厂是一个复杂的多学科交错的庞大系统，它的完成其实不仅仅是上述所提及的十三大系统，在具体的建造中还有涉及更多的子系统与子工程，比如杀菌系统的组成它就由多种杀菌

28、方式与技术复合组成，为了促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，这样就又需配制一个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，其它的诸如播种机、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，还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各种最先进的生产工具与生产技术进行了综合的集成，在这里可以充分体现植物生产过程的全方位工厂化自动化精准化与智能化，是各学科各技术的高度集约名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -