智慧應用 影音
國網中心-資安論壇
台灣微軟股份有限公司

掌握關鍵技術 智慧設計植物工廠

植物工廠結合IT與農業技術,設計出植物生長的最佳環境,目前植物工廠可分為「全人工型」與「太陽光型」,兩者都有其關鍵技術,只要充分掌握,將可打造出最具智慧的植物工廠系統...

在糧食短缺與食品安全問題層出不窮之下,植物工廠這幾年成為農業與IT產業的當紅議題。但何謂「植物工廠」?從字面意思上,可將此名詞分為「植物」與「工廠」兩段,「植物」是目標,「工廠」是手段,意即用工廠的思維與作法來量產植物,透過高度控制,營造出適合植物生長的各種條件,包括光、濕度、溫度、二氧化碳濃度、養分、水質等,使植物可以全年計畫性生長,其環境不受天然氣候影響,具備定期、定量、定品質特點。

 點擊圖片放大觀看

全人工型的植物工廠控制所有的環境因素,不受外在氣候干擾,其作物的產量與品質相當穩定。王明德

太陽光型與全人工型的植物工廠栽種作物不同,不過兩者能培植的作物種類將會越來越多。

全人工與陽光型  作物種類不同

植物工廠目前可分為「全人工」與「太陽光」兩種型態。顧名思義,前者是全然利用全人工光線培育植物,後者則以陽光為主,兩者適合的作物不同,所需的控制方式也大致相同。

全人工型不受天候左右,加上作物可往上層層堆疊,因此只要少量的土地面積,就可以大量生產作物。全人工型可以隨需求控制環境條件,因此作物的維他命與礦物質也較高,不過其缺點在於除設備成本外,電費是其營運的最大支出成本。根據業界估計,目前全人工型的植物工廠,其電費約佔總支出的70%左右,全人工型植物工廠主要生產作物以葉菜類為主,如萵苣、菠菜等,日本在這方面技術目前領先全球。

太陽光型則是使用陽光的栽培系統,這類作法通常被視為溫室栽培與水耕栽培的延伸。太陽光型植物工廠受氣候影響較重,尤其是夏天,幾乎無法進行無農藥栽培,雖然光源以陽光為主,不用另外支付電費,不過由於無法像全人工控制型的植物工廠,其栽培床架可往上堆疊,因此太陽光型需要大面積土地才能有一定產量,土地利用率偏低,此類生產的作物果菜與葉菜類都適合,太陽光型植物工廠,目前技術領先國家為荷蘭。

就發展趨勢來看,全人工型是植物工廠的未來主流,相較於陽光型,全人工型無論在能源、環保、生產效率、安全、品質、空間等,都遠優於太陽光型。在資源方面,現在植物工廠在能源控管方面相當嚴格,尤其是在水資源部份,工廠內植物與栽培液蒸騰出來的95%水分,可以被回收當成灌溉之用,相較於一般溫室的水再利用率只有0.02%,全人工型高出4,750倍;此外栽培過程中含有肥料的水,一般不會排出系統外部,而是在系統內循環再使用,這使得肥料的使用量可以降至最低,也不至污染外部水源,達到環保目的。

空間利用部份,就目前的技術來看,全人工型植物工廠的地板使用面積約為太陽光型的1/10。分析兩者成本,全人工型的主要成本為電費,太陽光型則為土地與隨土地面積遞增的初期設備購置費用,不過全人工型植物工廠產品訴諸無農藥殘留,加上口感比太陽光型更佳,因此若再將售價因素計入,全人工型的投資報酬率會更好。

在作物安全與品質部份,由於太陽光型並非完全密閉空間,而且土壤中會有一定的昆蟲種類,在害蟲、病原菌的危害下,農藥的使用成為必須,而全人工型的隔熱外壁沒有縫隙,可使天然災害與病蟲害機率降至最低,進行最安全、穩定的計畫生產,且其光、溫度傷度、二氧化碳濃度都可被控制,其品質不但趨於一致,植物的授粉、開花、結果,也都可依所需調整。

植物工廠的關鍵設計

全人工型植物工廠所使用的系統,主要由感測器與控制器所組成,其工廠內部分為育苗室、栽培室、機械室、出貨室等四部份。一般來說,育苗室與栽培室等於是工廠的產線,因此所佔的面積最大,機械室與出貨室則盡可能縮小空間,以達最大土地利用效率。育苗室與栽培室也是自動化系統的主要設置地點,為了避免外界的環境干擾,其屋頂與牆壁都會使用隔熱材質,內壁漆成白色,若使用燈管式光源,則會在燈管兩側或床架邊貼上反光材料,以使光線做最有效利用。

太陽光型植物工廠則通常以玻璃或塑膠布等透明材質作為建築外體,另外也會選擇隔熱性高、可吸收反射光線效果的被覆材料。就發展現況來看,太陽光型的關鍵技術包括隔熱材質、自動化設備、空調設備等。

無論是全人工型或太陽光型,其多數技術都相通,包括:1.養液調整與給排水技術;2.栽培介質調整與栽培容器技術;3.收穫技術與整列技術;4.播種技術與移動技術;5.溫濕度控制技術與水體供氧技術;6.光控制技術。

這六類技術涉及了植物地上與地下兩部份的環境控制,而這些技術都是透過感測器與自動控制設備的整合,前端感測器24小時偵測溫濕度、光線、水涵氧量等植物環境,當環境變化達到設定參數值時,立即啟動自動化設備加以調整,若環境未有大幅變化,則將訊號數據定時傳輸至後方系統,累積為龐大數據庫,除了栽培參考外,也作為生產履歷的依據。

值得注意的是,上述的六大技術並非獨立運作,而是必須環環相扣緊密結合,且這些技術的根本目標是使植物在最適當環境下,盡可能快速且健全的生長。此外,既同時有「工廠」之名,其成本控制也是必須的,尤其是設備折舊佔植物工廠相當高的費用比例,如何降低此一費用,將是植物工廠業者必須嚴正面對的課題。

全人工型植物工廠的首要課題是降低照明設備成本與提高照明效率,再來則是降溫,目前這類型植物工廠的空調主要是降低燈具所發出的熱能,因此主要的空調設備為冷氣,暖氣需求則相當少,至於電力,則可避開電費較高的白天,選擇在低電費的夜間開啟照明,以節省龐大的電費支出。

至於太陽型植物工廠,由於受陽光的影響較大,夏天需要降溫,冬天則需要增溫,台灣由於地處亞熱帶,夏天相當炎熱而冬天低溫有限,因此主要問題會是在夏天的降溫,植物工廠通常是密閉空間,內部不易散熱,熱能容易聚集,影響植物生長,不過如果長時間開啟空調設備,電費將會帶來沈重的負荷,因此現在的作法是引進便宜降溫方式,像是只針對養液進行局部冷卻或只在夜間間歇冷卻。

產學合作提升良率

歸納所有的技術,植物工廠的環境控制無非是在「風」、「光」、「水」、「養」、「氣」五大部分進行調節。「風」指的是溫濕度與氣流,「光」是光的質量、週期、勻度,「水」是水質、水量、給水時間,「養」是養液裡的養份、濃度、酸鹼值、溶氧量等,「氣」則是空氣中的二氧化碳濃度。要能使這五大部分達到最佳數值,需要透過大量的數據才能培養出專業經驗,因此除了親力親為的實際操作外,系統所累積的龐大數據,更會是業者的最佳幫手。

植物工廠目前仍屬於萌芽期,嚴格來說,多數廠商的經驗都不豐富,大家都是且戰且走,一邊觀察別人的作法,一邊累積自己的經驗,要在如此艱困的環境下獲利實屬不易,業者建議可與研究機構密切合作,以產學合作的方式提高產品良率,縮短導入的艱困期,以使產品能早日量產化。

  •     按讚加入DIGITIMES智慧應用粉絲團
更多關鍵字報導: 植物工廠