植物工厂储热装置性能强化研究

为克服固液相变材料的低导热性缺点,本文在传统的套管式固液相变储热器中引入了泡沫金属结合金属肋片的传热强化手段,在储热器内部部分填充泡沫金属以进一步加快储热过程。本文探索了多种不同的储热器内部分填充泡沫金属的设置方式,基于enthalpy-porosity方法对相变材料储热熔化过程进行了数值研究,对比了不同泡沫金属设置方式下储热器内相变材料的动态熔化规律、温度响应特点、储热器的无量纲储热量与储热器经济性的差异。结果表明,配置泡沫金属后,相变材料熔化时间最大可缩短约85%,泡沫金属填充位置对其强化性能起到了决定性的作用。泡沫金属填充于远离热媒管的肋片末端与储热器外壳之间是最优的泡沫金属布置形式,其单位时间储热量是未配置泡沫金属的储热器的6.5倍。最后,本文针对具有最优泡沫金属布置形式的储热器在多种不同加热温度下的熔化过程进行了计算,提出了基于傅里叶数Fo与斯蒂芬数Ste的相变材料熔化进程预测拟合公式。本研究有助于推动固液相变储热技术的发展,为设计应用于植物工厂的太阳能光热相变储热器提供参考和指导。

植物工厂岩棉块种苗移植机移植部件设计与试验

目前植物工厂岩棉块种苗移植装备自动化程度低,作业时大多依赖于人工,劳动强度大,效率低。基于植物工厂水培叶菜种苗移植现状设计了一种二级变间距的高速移植部件,并配备有一种拨指式定植杯分离辅助机构。对移植手取苗过程中岩棉块种苗进行受力分析,为移植手设计提供依据;开展拨指式定植杯分离辅助机构落杯试验,为后续植苗至栽培槽孔的定植杯中奠定基础。搭建移植机构试验平台,以取苗深度、岩棉块含水率、移植部件横移速度、移植手升降速度、移植手夹苗间距为试验因素进行五因素三水平正交试验,通过方差分析各因素对移植成功率的影响。试验结果表明:当取苗深度为24 mm、岩棉块含水率为90%、移植部件横移速度为0.8 m/s、移植手升降速度为0.24 m/s、移植手夹苗间距为14 mm时,机构移植成功率为97.9%,移植速度为3132株/h,能够满足高速、高效、稳定的植物工厂岩棉块叶菜种苗移植机械化作业的技术需求。

基于职业院校教学能力比赛的植物工厂环境调控项目教学设计与实践

为深入贯彻落实职业教育“三教”改革,提高人才培养质量,推动职业教育高质量发展,在全国职业院校技能大赛教学能力比赛背景下,以设施农业环境监控技术课程中植物工厂环境调控项目为例,从教学整体设计、教学实施过程、学生学习效果和反思改进措施4个方面介绍教学设计与实践效果。实施此项教学改革能有效提升设施农业与装备专业人才培养质量。

植物工厂LED灯不同光照强度对甜瓜植株生长的影响

为研究不同光照强度对甜瓜植株生长的影响,以甜瓜品种M147为试验材料,在植物工厂设置6种LED灯光照强度处理:T1(300μmol·m^(-2)·s^(-1))、T2(420μmol·m^(-2)·s^(-1))、T3(480μmol·m^(-2)·s^(-1))、T4(540μmol·m^(-2)·s^(-1))、T5(600μmol·m^(-2)·s^(-1))、CK(360μmol·m^(-2)·s^(-1)),测定植株株高、节间距、茎直径、节数、叶绿素质量比、叶绿素荧光参数等植株和叶片生长性状指标,并采用隶属函数法对各处理光照强度对甜瓜植株生长的影响进行综合评价,筛选植物工厂甜瓜植株生长最适宜的光照强度。结果表明:不同光照强度对甜瓜植株的生长发育影响显著(P<0.05),其中T3处理(480μmol·m^(-2)·s^(-1))最适宜甜瓜植株生长,株高增长量最大,为180.67 cm,节间距增长量达到7.7 cm,茎直径为12.7 mm,节数为33。

不同进气方式下植物工厂作物冠层CO_(2)与热湿环境分布模拟分析

为探究在不同进气方式下植物工厂作物冠层环境的变化情况,对室内人工光型植物工厂内部温度、相对湿度(relative humidity,RH)以及CO_(2)质量分数分布进行了数值研究,并考虑了作物存在及H_(2)O蒸发、CO_(2)吸收的影响;讨论了4种不同进、出风口位置及5种入口流速对植物工厂作物冠层的影响,并对作物冠层温度变动系数RSD_(T)、RH变动系数RSD_(RH)及CO_(2)质量分数变动系数RSD_(C)进行了分析。结果表明,不同进出口布置与不同入口流速v对冠层温度、相对湿度RH以及CO_(2)质量分数分布有较大影响;当进出口布置为下进上出同侧(C4)时,即使在低流速下室内也有良好的温度分布;当v≥1.5 m/s时,C4方案各冠层RH值均处于50%~70%这一适宜区间,CO_(2)质量分数均值也高于其他方案;随着v增大,RSD_(T)、RSD_(RH)及RSD_(C)均降低明显,作物冠层温度、RH及CO_(2)质量分数均匀性表现良好。

植物工厂环境条件下生菜的产量与品质评价

植物工厂是一种通过设施内高精度环境控制实现作物周年连续生产的高效农业系统,是不受或较少受自然条件制约的省力型生产方式。作者以沪芊、碧霄、红橡叶3种生菜为试验材料,在植物工厂环境条件下开展生菜产量和品质比较试验。试验结果表明,不同生菜品种在植物工厂营养液栽培环境下表现出不同的产量和品质特征。3个参试生菜品种中,红橡叶生菜产量最高,碧霄生菜地上部干物质积累能力最强,碧霄和红橡叶生菜叶片的维生素C含量和可溶性糖含量高于沪芊生菜。从营养品质角度分析,碧霄和红橡叶生菜的营养品质优于沪芊;从口感角度分析,沪芊生菜因维生素C含量明显低于碧霄和红橡叶生菜,因此苦味更淡、口感更佳。

船载式垂直植物工厂设计与应用

介绍了船载式植物工厂设计与应用,其完全使用人工光源封闭方式进行蔬菜栽培,使蔬菜生长不受外部自然条件制约,实现蔬菜周年连续生产。该植物工厂是一种适合海环境条件的垂直种植系统,解决了水平层流种植方式的环境适应性问题。使用紫外线、臭氧等方案对营养液进行综合处理,提高了营养液循环使用率,减少了淡水资源的消耗,降低了设备在海环境条件下的保障需求。该植物工厂的应用解决了船在航行中新鲜蔬菜的补给问题,同时也起到了对海上长期漂泊人员心理的一种疗愈功能。

植物工厂内LED光调控在果树栽培中应用的研究进展

相比露天栽培和大田生产,植物工厂具有不受气候条件影响、自动化程度高、空间单位面积利用率高、可周年不间断连续生产等突出优点。该文重点阐述和分析了植物工厂内发光二级管(LED)光调控在果树栽培中的应用,从光质、光周期、光照度三个角度出发,总结LED光调控对果树生长发育与生理生化的影响,并提出存在的问题,展望了未来的发展趋势。

植物工厂环境下光强对陆地棉生长发育的影响

为研究植物工厂环境下不同光强对陆地棉(Gossypium hirsutum L.)生长发育的影响,本试验在植物工厂内,以陆地棉品种湘FZ001为试验品种,采用16 h光照、8 h暗期循环,设置3种光强处理(L1为450μmol∙m^(-2)∙s^(-1),L2为600μmol∙m^(-2)∙s^(-1),L3为750μmol∙m^(-2)∙s^(-1)),测量棉花的各器官干重,使用直尺测量棉花株高,用SPAD-502叶绿素仪测量棉花叶片的叶绿素相对含量,使用Flour Pen 110测量棉花的初始荧光(F_(0))、最大荧光(F_(m))等6个叶绿素荧光参数。L1光强处理下棉花的叶绿素相对含量和株高最大,L2光强处理下棉花的根干重最大,3种光强处理下的棉花茎、叶和单株总重从高到低依次为L3>L2>L1,F_(0)和F_(m)从高到低依次为L1>L2>L3,最大光化学量子产量(F_(v)/F_(m))从高到低依次为L2>L3>L1。同一光强处理下棉花的光化学猝灭系数(qp)、有效量子产量(φPSII)变化曲线相同,3种光强处理下棉花的qp、非光化学猝灭(NPQ)、φPSII在生长前期差异不大,后期差异较大。从生长后期来看,3种光强处理下棉花的qp、φPSII从高到低依次为L3>L2>L1,NPQ从高到低依次为L2>L3>L1。棉花单株总干重、茎干重、叶干重在高光强下较大,光强太高或太低都会抑制棉花根的生长,低光强可促进棉花的株高。与L1和L3光强处理下的棉花相比,L2光强适宜棉花的生长,既避免了棉花植株间争光,也避免了光抑制现象,叶绿素含量适中,使得棉花的光化学效率最高。本研究可为棉花工厂化生产和棉花育种加速器研发与应用提供指导。

基于高压水射流技术的植物工厂栽培板清洗装置设计

植物工厂以生产效率高、自动化程度高、不受自然条件影响及环境可调控等优点,被应用于科学研究、植物生产等领域。但植物工厂栽培板存在清洗费力、清洗不彻底等问题,不仅影响植物生长,还制约植物工厂生产效率的提高。对比既有设施农业清洁方式,研究植物工厂栽培板清洗工作原理,利用AutoCAD软件设计了一种基于高压水射流清洗方式的植物工厂栽培板清洗装置。研究了清洗结构、喷嘴类型和水射流影响因子(水射流锥角、水射流压力、靶距和水射流速度)等内容,确定适用于植物工厂栽培板清洗的清洗装置最优参数为水射流靶距20~60 cm、水射流锥角65°和水射流压力1 000 Pa,清洗喷嘴类型为口径3.5 mm的扇型喷嘴。利用Soildworks软件对栽培板清洗效果进行预测及仿真分析,试验结果表明,基于高压水射流的清洗装置可以达到有效清洗植物工厂栽培板的目的,有效提高植物工厂工作效率。该研究可为栽培板清洗装置研究提供理论基础和技术支撑,为植物工厂清洗装置设计开发提供参考。

植物工厂红光与远红光配比对生菜产量和品质的影响

【目的】对红光(R)与远红光(FR)调控生菜生长及营养品质的生物学作用进行研究,为提高植物工厂中生菜的产量及品质提供技术支撑。【方法】以‘意大利’生菜为试验材料,在光子照度250μmol/(m^(2)·s)的条件下,以白光(W)为对照(CK),设置不同配比的R/FR(分别为0.2,0.4,0.8,1.6,3.2)照射28 d,分析不同R/FR配比对生菜生长指标(株高、鲜质量、干质量、叶面积)的影响,筛选最经济有效的最佳R/FR配比;然后在最佳R/FR配比下设置不同照射时间(分别为14,21和28 d,其中14,21 d处理在最佳R/FR配比照射结束后恢复成W照射直至28 d),分析不同照射时间对生菜生长指标的影响,筛选最适宜照射时间;最后在最佳R/FR配比及其最佳照射时间下分析其对生菜光合特性(光响应曲线参数、CO_(2)响应曲线参数及净光合速率(P_n)、胞间CO_(2)浓度(C_(i))、气孔导度(G_(s))、蒸腾速率(T_(r)))、光合色素含量(叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素及总叶绿素含量)、品质(可溶性糖、可溶性蛋白及抗坏血酸含量)和抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性的影响。【结果】最佳R/FR配比试验表明,与CK相比,随着R/FR配比的增大,生菜株高降低了50.57%~111.49%,鲜质量降低了6.03%~21.19%,干质量降低了2.70%~23.11%,叶面积降低了1.84%~9.77%;当R/FR配比为1.6时,生菜鲜质量与R/FR为0.2,0.4,0.8处理相比无显著性差异,但显著高于CK和R/FR为3.2处理。最佳R/FR配比下不同照射时间试验表明,当R/FR配比为1.6时,14 d的照射时间可以显著提高生菜的鲜质量,与照射0,21和28 d相比其鲜质量分别增加了30.26%,4.40%和22.94%。与CK相比,最佳R/FR配比及其最佳照射时间处理能显著促进生菜鲜质量、可溶性糖和抗坏血酸含量的积累,可显著降低生菜的P_n及叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素、可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性,并降低类胡萝卜素含量,而C_(i)、G_(s)、T_(r)无显著性差异。光响应曲线及CO_(2)响应曲线分析表明,当光合有效辐射大于200μmol/(m^(2)·s)或胞间CO_(2)浓度大于50μmol/mol时,P_n显著降低。【结论】本研究条件下,R/FR配比1.6照射14 d最适用于植物工厂中生菜的生产,在该光环境下植物工厂中的生菜产量最好,并可显著促进其可溶性糖及抗坏血酸的积累。

人工光植物工厂节能技术研究进展

人工光植物工厂不受季节和土地的约束,是一种周年生产、产能倍增的高效农业生产系统,被认为是解决粮食短缺问题的重要途径。但系统运行能耗大、生产成本高一直是限制其大规模普化应用的主要“瓶颈”。照明和空调能耗占人工光植物工厂运行总能耗的82.5%以上,因此提高照明光源光效和空调能效比,对植物工厂节能降耗十分重要。本文从光源选择、光源布置、供光策略与环控方式出发,系统总结了人工光植物工厂光照与环控系统的节能技术进展,并探讨了人工光植物工厂节能生产要素,为植物工厂的快速发展与规模化应用提供参考。

基于数字孪生技术的烤烟植物工厂种植模型构建与应用

为研究不同生长条件对烤烟生长状态的影响,对烤烟在植物工厂环境下的生长特点进行深入研究,并通过植物工厂环境调控技术实现对其生长过程的实时监测。基于烤烟生长环境的生理基础,构建烤烟数字孪生模型,在虚拟环境中模拟和预测真实环境中的种植过程。结果表明,烤烟数字孪生模型依托数字孪生技术,能够实时、精确地模拟烤烟生长状态,并根据反馈信息做出相应的分析、决策,从而对烤烟生长过程进行精准管理和优化,提高烤烟的产量和品质。

植物工厂相变围护结构的节能降耗效果研究

文章采用相变材料谷时储热(冷)、峰时供热(冷)的策略将相变材料应用至植物工厂建筑围护结构中,计算了植物工厂的冷、热负荷及相变材料用量,并对有无采用相变围护结构的植物工厂进行了经济对比分析,探讨了相变围护结构的节能降耗效果。研究结果表明,占地面积29.72 m^(2)的40尺高柜集装箱植物工厂,采用相变材料完全承担日间负荷的运行方式,最多需要1348.74 kg的相变材料,采用高密度聚乙烯平板状容器封装相变材料后,需要75.03 m^(2)的内表面积进行布置。使用相变材料的植物工厂每年可节省4016.92元的运行费用,可在11.8年回收投资。

STEM教学案例的实施策略——以“我的植物工厂”项目为例

科学课程标准指出,人类在与自然界打交道的过程中,为了适应自然、改善生存条件而产生了技术;人类对已有的物质材料和生活环境加以系统的开发、生产、加工、建造,以满足人们的需求,就产生了工程。现代技术、工程和科学相互影响与相互促进,越来越密不可分,共同推动了社会进步。工程活动的本质是创造人工实体,设计与物化是其中的重要环节。

植物工厂LED光质调控对芹菜生长及产量的影响

为探讨植物工厂中不同光质对芹菜生长的影响,本研究选用4种不同红蓝光配比的LED光源开展试验。结果表明,红光∶蓝光=3∶1的光质配比下,芹菜株高、茎粗、叶片数、单株鲜重、干重、地上部干重和地下部干重均最大,有利于芹菜的营养生长;红光∶蓝光=3∶1的光质配比可提高芹菜叶绿素含量,促进光合作用,提高光能转化率;红光∶蓝光=3∶1的光质配比有利于芹菜壮苗培育和产量的提高。综合各指标表明,红光∶蓝光=3∶1是适于植物工厂芹菜生长的光质配比。

植物工厂相变围护结构传热特性及其强化研究

文章基于焓-多孔介质方法,建立了植物工厂相变围护结构数值模型,研究了相变围护结构内部的相变材料在室外温度周期性变化与相变层内热媒管间歇性供热共同作用下的周期性熔化与凝固特性,探索了泡沫金属的填充对相变围护结构储能效果的强化作用。结果表明,泡沫金属的填充能够有效强化相变围护结构的储热与放热特性,泡沫金属填充量越多储热速率越快。对比横向与纵向的泡沫金属填充方式发现,在热媒管之间靠近室内的一侧填充泡沫金属为最优的设置形式。

一种植物工厂内可移动装配式大黄育苗装置设计

设计的可移动装配式大黄育苗装置由发光二极管(Lighting Emitting Diode,LED)补光系统、水肥一体化系统、栽培系统和自动控制系统等组成,可以随时拆卸、重组,方便搬运、调整,便于回收和再利用,适应性强,具有集约化和标准化的特点,是大黄工厂化育苗的一种省力型生产装置。

全自动牧草植物工厂设计与应用

全自动牧草植物工厂是北京农业机械研究所有限公司结合牧草的栽培工艺特性与生长环境要求,以植物工厂技术为基础,集全自动立体栽培架、全自动播种机、收割和清洗设备以及消毒设备于一体,实现了牧草从浸种、催芽、播种、培育到收获的全程自动化生产工艺流程,通过智能控制系统对环境因子精准控制,实现牧草生产的全自动化。牧草植物工厂还可通过更换定植板用于叶菜类育苗、多种芽苗菜种植生产等,实现一个“车间”多种用途,具有广阔的市场前景。

新型低能耗植物工厂蔬菜高效栽培关键技术研究与进展

研发新型低能耗植物工厂蔬菜高效栽培技术集成系统,实现植物工厂数字化平台的互联网+人工模拟气候环境下设施栽培蔬菜所需的温度、相对湿度、气流组织、循环混合风量、二氧化碳气调、高光效LED模组补充光照、多层光导纤维自然光传导、全角度及分层平移自然光照受控追光装置系统、精量灌溉+精准施肥自动混合水肥一体化及成分分析专家决策模型,实现植物需水量及液肥营养成分的实时监测和相应预测。从而有效解决设施作物生长过程中的水、肥、气、光同补技术关键,最大限度发挥植物的生长潜能,可以达到设施作物高效栽培、周年不断连续规模化生产且系统运行低能耗的效果。