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现代LED植物工厂发展现状

现代LED植物工厂发展现状

2016-05-09 XBL-LED 

现代LED植物工厂发展现状

  从植物工厂数十年的发展历程来看,大致历经3个主要发展阶段,即早期的试验探索阶段、中期的示范应用阶段、目前的快速发展阶段,具体包括:

1、试验探索阶段(20世纪40年代~70年代初)

  这一阶段是植物工厂的概念成型与试验探索阶段,其中2项技术的突破对植物工厂的发展起到了重要的支撑作用,一项被称之为“营养液栽培技术”,20世纪40年代以来以“矿物质营养学说”为理论基础的营养液栽培技术的应用,奠定了植物工厂的栽培技术基础;另一项为“人工模拟与控制环境技术”,以1949年美国植物生理和园艺学家Went教授在加州帕萨迪纳建立的第1座人工气候室为标志。1953年和1957年日本和前苏联相继建成大型人工气候室,进行植物栽培试验。1957年的丹麦约克里斯顿农场建成了世界上第1座植物工厂,面积1000m2,属人工光和自然光并用型,栽培作物为水芹,从播种到收获采用全自动的传送带流水作业,年产水芹400万袋,约合100kg1960年美国通用电气公司开始进行人工光植物工厂的研发。1963年奥地利的卢斯那公司建成了1座高30m的塔式植物工厂,利用上下传送带旋转式的立体式栽培,完全采用人工光源种植生菜。

  这一时期植物工厂的特点为:建设规模较小,仅为几十平米到几百平米;应用范围窄,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、示范应用阶段(20世纪70年代~90年代末)

  水耕栽培和人工光源技术的突破是这一阶段植物工厂发展的重要标志。1973年营养液膜技术(NutrientFilmTechniqueNFT)的出现,以及随后的深液流栽培技术(DeepFlowTechniqueDFT)的发明为植物工厂栽培技术的发展奠定了基础。这一时期,美国通用食品公司、赛纳拉鲁米勒斯公司与依法德法姆公司等,以及荷兰的飞利浦、日本的日立、三菱重工等多家公司纷纷介入植物工厂的研发。1974年日本日立制作所中央研究所高正基等开始进行人工光植物工厂的研究,1983年在静冈三浦农场推出日本第1个真正意义上的人工光植物工厂,栽培方式采用三角板气雾培与平面式水耕培两种方式。19894月日本专门成立了植物工厂学会(20071月植物工厂学会与生物环境调节学会联合成立日本生物环境工学会),每年定期召开植物工厂研讨会,有力地推动植物工厂产业的发展。截止到20世纪90年代末,日本拥有约20座人工光植物工厂。

  这一阶段植物工厂的特点: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。

3、快速发展阶段(21世纪初至今)

  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是这一时期植物工厂发展的重要特征。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。各国研发力度与产业化步伐不断加快,日本于2009年提出大力发展植物工厂、振兴现代农业计划,由农林水产省和经济产业省拿出500亿日元用于支援植物工厂的建设与研发,受此影响,一批大型企业如三菱、丰田、日立等纷纷介入,并计划输出植物工厂产品到中国、中东、欧美等国家或地区。2015年日本人工光植物工厂数量已达185座,其中位于宫城县多贺市的占地面积2300m 215层立体栽培架、日产叶菜10000棵的LED植物工厂(图1),以及大阪府立大学的占地面积550m218层栽培架、日产叶菜5300棵的LED植物工厂(图2),代表了日本近年来植物工厂的发展趋向;

 

 

  韩国自2009年开始,在政府支持下科教单位与企业共同进行人工光植物工厂的研发,仅仅几年间推出了10多个型号的植物工厂产品,如占地面积560m2的韩国国际圣玛丽医院植物工厂(图3);

  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“空中农场”等模式(图4、图5);

 

 

 

  欧洲各国也从节能和降低运行成本的角度进行植物工厂的研发,尤其是利用传感器与物联网技术实现植物工厂的智能化监控,使运行成本大为降低。我国从2002年开始植物工厂研发工作(图6),2005年研制出LED植物工厂实验系统,2009年推出LED植物工厂商业化应用(图7),2010年上海世博会首次展出“低碳、智能”家庭LED植物工厂(图8),2013年中国正式将“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80座(图9、图10)。这一时期植物工厂特点为:高新技术不断引入,LED逐渐替代荧光灯,光效与能效显著提升,应用范围不断扩大。

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