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智慧农业系统的节能思维
架构理想系统

【作者: 王明德】2016年07月18日 星期一

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全球气候剧变,暖化问题严重影响粮食及经济作物收成,利用科技达成人工环境控制,培育农作物,确保稳定的收获,已成为今日成为世界各国的重要课题,但能源问题与粮食问题,均是近年在环境议题上的两项重点,如何能兼顾这两方面的发展而达到最佳化效果,仍是一大挑战。


相较于过去与天争粮的传统农业,导入自动化系统的环控农业,的确对农作物粮食的稳量生产有一定程度的帮助;但同样的,因为导入自动化设备,对于电力等能源的需求也跟着提升,如何在两者之间找到平衡,可说是一大问题。


说到这里就带出了一个主题,农业自动化是以使用能源的科技,来取代大自然的功能,如果再加上昂贵的农业设施费用摊提,农民怎么可能获利?一个利不敷出的经营模式是没有人买单的,从电力问题来看,首先就会遇到环控农业等农业自动化的最基本元素-人工光照及冷却系统所造成的电力冲击。


目前在农业人工环境控制中,最大的难题在于人工光源的选择。


图1 : (Source: BUSINESS INSIDER)
图1 : (Source: BUSINESS INSIDER)

根据LEDinside的报告显示,这几年北半球有部份地区的日照天数,比往年要少,以台湾为例,近期的日照时数是61年来最少;在相同的情况,也在美国、欧洲与日本、大陆等地发生,因此对于能够补充不足日照的植物用照明市场需求提高,特别是2011年311大地震后的日本,对于植物工厂与植物照明的补助和重视更甚以往。


对抗环境变迁 反成耗能最大原因

一般环控农业的环境控制设备基本上包括光量、温度、湿度的控制

目前在农业人工环境控制中,最大的难题在于人工光源的选择。目前在一般的温室或植物工厂等环控农业系统所使用的人工光源,不外乎萤光灯或高压钠灯等传统灯源,除了发光效率低,耗费大量电力,造成沉重成本压力外,更会产生大量额外的热能,对植物产生不良影响。因此,建立空调负荷来自灯具所发出的热,就成了主要解决方案。


因此大部分环控农业都需要冷气,但暖气的需求却没有冷气来得高。专家分析,这是由于植物的生长有其最适当的温度范围,只要做好植株附近「微气候」的定温管理即可,只要使用冷风或冷水,并装设适当的控制装置将温度维持在目标温度即可。



图2 : 光源是植物工厂最大的电费支出。 (摄影/王明德)
图2 : 光源是植物工厂最大的电费支出。 (摄影/王明德)

更大的问题为夏天的降温,由于非土壤培育的农业系统中,培养液的温度恒定是最大重点,但夏天气温较高,容易让培养液温度过高造成生长环境的影响,但若使用冷气机,庞大的空调负荷同时会带来高成本,因此能源问题的确是个重大状况。除此之外,一般环控农业的环境控制设备基本上包括光量、温度、湿度的控制,和田间相比差异较大的是二氧化碳的控制,这样的设备也是能耗的来源。


透过技术整合 提升能源运用效率

解决这些问题,包括节省能源及创造资源,均是业者必须考量的重要议题。举例来说,前述制造二氧化碳的需求,可以搭配其他资源,以「异业合作」的方式一起使用,来达成目标,例如菇类栽培过程,会产生高浓度的二氧化碳需要去除,或养鸡场在鸡蛋孵化过程与农产品的贮藏过程均会产生高浓度的二氧化碳,将这些农场和环控农业搭配,可以无偿利用这些二氧化碳;又如火力发电厂的排烟经过脱硫,再将二氧化碳收集至钢瓶中,即可提供环控农业使用。因此从减碳的效果来看,可以由环控农业的产能推算固定的碳量,这也是未来透过农业拯救工业的方向。


或者是透过节能规画,引进如蒸发冷却等便宜的降温方式,尤其是培养液的降温问题,在植物体周围进行冷却或只对养液进行局部冷却,或是只在夜间实行间歇冷却,以及透过与外界环境进行温度调配,都是系统整合业者所寻求的解决方案。


仍需持续发展 研发应用达成目标

当然,从照明问题进行解套,可说是最直接的解决方案,由于日本市场在植物照明的进度、技术较领先,积极度也较大,预估在2020年时,植物用的LED照明全球市场产值可以达到1年3,000亿日圆,整体植物育成的产值上看3兆日圆,成长力道不容小觑。


日本中央政府、地方自治体从2011年开始,辅导当地农业联合业者,进行植物工厂的开发,透过LED照明来强化日照不足、被影响耕地的产量藉由植物工厂、水耕等多种方式弥补。从北海道、东北地区的青森、岩手、宫城、山形与福岛等县,以及关东地区较多,植物工厂的形式和植物范围从蔬菜、花卉到经济作物都有。


大陆LED厂商也正积极在进行植物照明方面的开发,但是植物工厂在大陆应用的时间不是很长,在传统植物照明灯在市场上还没有站稳脚跟的时候,LED植物照明灯就强势攻入市场,未来3年LED植物照明在大陆市场将大幅提升,且也具备出口外销的条件。不过,大陆当地LED公司要发展植物照明仍有门槛,据了解,目前被常用的两类型的单色光分别是,红光(630~660nm),蓝光(460~470nm) ,而每一种植物对光的要求是不一样的,很多公司没有这个能力根据植物来应对调节光的波长,且也不知道具体植物所需要的光的波长。但就目前状况来看,常用的两类型单色光对于大陆厂商形成技术难题。


因此LED植物照明制造厂商、植物工厂以及植物研究所需密切合作,根据植物特性安排匹配的照明光源,促进植物的光合作用。此外尽量生产光谱范围大的光源,或者多种光源组合,智慧调控,满足多种植物同时需求。


每一种植物对光的要求不一样的,许多公司没有能力根据植物来应对调节光的波长。


图3 : 不同植物所需的生长环境不同,没有一致性的标准可以套用。 (So​​urce: POLYTECHNIC)
图3 : 不同植物所需的生长环境不同,没有一致性的标准可以套用。 (So​​urce: POLYTECHNIC)

LED植物照明技术除了欧系、日本厂商具备成熟能力之外,台湾厂商也逐步追上。对于植物照明所需的光源要求,包括高发光效率,光源距离须保持适度距离等规划,都是因应LED应用于植物照明所发展出的系统规划。


能源问题与粮食问题,的确是近年在环境议题上的两项重点,如何能兼顾这两方面的发展而达到最佳化效果,许多厂商也在探讨中,环控农业与植物工厂等农业自动化系统,仍属于「发展中」的技术,如何解决这些问题,仍看系统整合的未来发展。


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