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技术:LED照明与植物工厂的概念大全及技术要点

CNLED网 2019-01-11 04:01:40

转载请标明来源:中国LED网 作者:善研光电研发中心


LED就是的应用大体分视觉类与非视觉类,视觉类的应用有LED照明技术,非视觉类分植物光合与医疗保健,其中,LED植物光合应用(我们称之为植物人工辐射源PARS)将是与LED照明技术一样成为LED技术最大的应用市场,本文阐述植物工厂的整体概念和技术要点,论证了尖端科技融合的植物工厂的发展,展示了植物工厂作为现代农业创新科技的应用,植物工厂从根本上改变农业种植的概念,植物工厂标志着设施农业发展的高级阶段,是最具有投资价值的新型产业。在城市内建立以生产蔬菜为目的的植物工厂成为世界各国竞相发展的新领域。

  

概述


  

植物工厂PF(Plant Factory)是农业种植工业化的产物,是21世纪蔬菜种植发展方向,它标志着设施农业发展的高级阶段,是未来10年最具有投资价值的新型产业。在城市内建立以生产蔬菜为目的的植物工厂成为世界各国竞相发展的新领域。

  

植物工厂最主要的特征是打破传统蔬菜生产模式,通过对植物光合、温度、二氧化碳浓度、营养液等实现人工控制的高效率种植,实现订单化生产,蔬菜的生产周期不会因为天气等原因而改变,生产的蔬菜是真正的安全型蔬菜,水耕法(即无土培植)是植物工厂的主要手段,层架式结构是主要形式,随着以LED技术为基础的植物人工辐射源(PARS)的应用成本进一步降低,植物工厂将迎来发展的黄金期。

  

植物工厂成为投资热点的主要原因是:

1) 种植环境恶化,食品安全,医疗费用增加等对蔬菜的安全性要求增加。

2) 全球气候变迁的不确定性增加,水资源减少与土地沙漠化使得传统农业遇到困境。

3) 城市化进程带来的城市人口增加,蔬菜供应增大,而土地资源却不断减少。

4) 传统农业生产引发的环境负担不断增加。

5) 城市蔬菜供给的物流成本增加,城市蔬菜价格上升,提供了产品盈利空间。

6) 为追求产量而在蔬菜种植中使用农药和防虫剂,蔬菜污染忧虑增加。

7) 土地的重金属污染与浇灌用水的工业污染问题突出。

8) 太阳能与风能等清洁能源的应用规模不断扩大,地热应用技术也逐步应用。

9)LED技术的应用成本下降,多波段光质应用。


  

植物工厂定义


  

植物工厂的定义:植物工厂是一个采用人工种植环境,实现全年固定周期量产,实现循环订单化生产,稳定地提供无公害蔬菜的封闭的清洁生产环境。在这个环境里,植物的光合作用(光质,光量,光周期)、温度、湿度、二氧化碳浓度、培养液成分、生产过程等都可以得到计算机与传感器的有效控制,是以科学为基础且独立于经验和直觉的新型农业生产。

  

植物工厂的优点:




1) 产品是按照订单生产,生产周期与产量可以稳定。

2) 采用植物人工辐射源与温度控制系统,不受地区气候条件的影响。

3) 封闭的立体化种植,节省土地资源和防止污染。

4) 生产周期短,全年产量高,年产量是露天种植的4到8倍。

5) 可以做到真正的无公害安全蔬菜。

6) 生产人员按照程序规范生产,无需专业技术。

7) 工厂设置在城市内的购物区或者工业园区,减少供应物流成本。

  

植物工厂分类:

1) 按照光合作用分为两类:完全人工辐射方式和太阳与人工辐射互补方式。

2) 按照种植结构又分为平面种植和立体种植。

3) 按照种植方式分为土耕,水耕,雾耕。

4) 按照种植规模分为小型植物工厂(小于800平方米),大型植物工厂(大于1000平方米)。

  

大部分的植物工厂采用的是立体种植的水耕法。

  

植物工厂与人造光源


  

植物工厂与人造光源的技术发展紧密联系,植物工厂的概念是在人造光源的基础上发展而来的,最早利用人造光源进行的种植是在温室进行,其理论依据是植物光合作用的研究成果,在太阳光的可见光范围内(波长范围:380nm-735nm)太阳光与人造光源的物理原理相同,只是两者的光谱形状不同,人造光源可以完全替代太阳光实现植物室内种植。白炽灯、HID、荧光灯等人造光源已经在温室种植得到了广泛的应用,不同的人造光源在植物种植的区别是对电能的利用效率不同,提高电能利用效率直接导致种植成本的下降,然而,这些早期的人造光源在植物光合作用的吸收光谱方面却无法有效的调节,植物的吸收率低,对电能的利用效率无法进一步提高。

  

人类的技术进步总是伴随着能源利用效率的提高而发展,上个世纪九十年代初,发蓝色光的LED(发光二级管)芯片制造技术实现量产,LED照明得到迅猛的发展,LED光源引发人造光源的变革,成为照明产业的主要光源,LED照明成为新一代光源的最主要特征是节能与环保, LED技术的发展对于农业种植的人造光源也带来新的进步,LED技术不但在电能利用效率提高,而且,在植物光合作用的吸收光谱控制方面也是其他光源无法比拟的,LED技术也就成为植物种植过程中的最佳选择。

  

我们这个星球最为神奇的现象是植物创造的,植物是地球上唯一可以把太阳可见光部分的辐射能转化为有机物的生物,如果没有植物的光合作用,地球上就不会有动物和人类,植物的光合作用是依靠有机物生存的其他生命的基础。植物光合作用的研究表明,植物对太阳光不同波长的吸收是不同的,植物的光合作用主要依靠蓝光与红光这两部分进行,用人造光源代替太阳光时,最佳的人造光源是可以按照植物的吸收光谱配置,目前,只有LED可以做到这一点,因为LED光源本身只能发出单一波长的光,LED光源发光波长在380nm到735nm范围内可以人为的控制,而其他光源几乎无法做到。所以,LED作为植物光合作用的人造光源是最有效的和最节能的。采用LED技术对植物光合作用的光质、光量、光周期的控制性能优于其他人造光源。

  

植物工厂的核心技术


1)、植物的光合作用实质上是对太阳辐射的光子的生物化学反应,植物的光合作用是由太阳辐射的光子产生的,所以,我们把用于种植的人造光源称为植物人工辐射源(Plant Artificial radiation sources)简称PARS,如果用“照明”概念下的流明、照度等参数标定植物的光合作用会导致应用错误,LED植物人工辐射源波长范围在太阳辐射范围内,对植物与人的身体是安全的。


  

2)、温度与湿度的控制在植物工厂里也起到关键作用,植物工厂要实现生产周期最小化且供货周期固定的生产模式,生产环境的温度与湿度的控制可以保证植物在最佳温度环境的快速生长,在植物工厂里温度控制也是衡量植物工厂能耗的主要指标。

  

3)、植物工厂一般采用水培或者雾培的种植方式,这两种方式的基质是营养液,对营养液的成分指标的自动化控制也是保证植物工厂最小周期生产的主要手段,营养液自动化控制主要包括:液温、EC、ph、溶氧以及营养液成分的补充、营养液的循环处理。

  

4)、植物的光合作用吸收二氧化碳,释放出氧气,植物生长环境的二氧化碳浓度控制也是保证植物快速生长的条件之一,在植物工厂的环境控制系统中,都设置有二氧化碳浓度控制装置,同时,植物光合作用产生的氧气也需要采用过滤通风设备排出。空气过滤装置也有效防止病菌的侵入,在植物工厂里,农作物几乎没有病虫害的袭扰。

  

5)、植物工厂的数据检测与传输采用无线网络,环境检测、营养液检测等数据需要网络技术支持,植物工厂的网络特点是距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输,是典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输应用,各种传感器与控制器大多采用控制简单、距离短、功耗小、低速率的双向无线通讯技术。



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