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智慧農業系統的節能思維
架構理想系統

【作者: 王明德】   2016年07月18日 星期一

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全球氣候劇變,暖化問題嚴重影響糧食及經濟作物收成,利用科技達成人工環境控制,培育農作物,確保穩定的收穫,已成為今日成為世界各國的重要課題,但能源問題與糧食問題,均是近年在環境議題上的兩項重點,如何能兼顧這兩方面的發展而達到最佳化效果,仍是一大挑戰。


相較於過去與天爭糧的傳統農業,導入自動化系統的環控農業,的確對農作物糧食的穩量生產有一定程度的幫助;但同樣的,因為導入自動化設備,對於電力等能源的需求也跟著提升,如何在兩者之間找到平衡,可說是一大問題。


說到這裡就帶出了一個主題,農業自動化是以使用能源的科技,來取代大自然的功能,如果再加上昂貴的農業設施費用攤提,農民怎麼可能獲利?一個利不敷出的經營模式是沒有人買單的,從電力問題來看,首先就會遇到環控農業等農業自動化的最基本元素-人工光照及冷卻系統所造成的電力衝擊。


目前在農業人工環境控制中,最大的難題在於人工光源的選擇。


圖1 :  (Source: BUSINESS INSIDER)
圖1 : (Source: BUSINESS INSIDER)

根據LEDinside的報告顯示,這幾年北半球有部份地區的日照天數,比往年要少,以台灣為例,近期的日照時數是61年來最少;在相同的情況,也在美國、歐洲與日本、大陸等地發生,因此對於能夠補充不足日照的植物用照明市場需求提高,特別是2011年311大地震後的日本,對於植物工廠與植物照明的補助和重視更甚以往。


對抗環境變遷 反成耗能最大原因

一般環控農業的環境控制設備基本上包括光量、溫度、濕度的控制

目前在農業人工環境控制中,最大的難題在於人工光源的選擇。目前在一般的溫室或植物工廠等環控農業系統所使用的人工光源 ,不外乎螢光燈或高壓鈉燈等傳統燈源,除了發光效率低,耗費大量電力,造成沉重成本壓力外,更會產生大量額外的熱能,對植物產生不良影響 。因此,建立空調負荷來自燈具所發出的熱,就成了主要解決方案。


因此大部分環控農業都需要冷氣,但暖氣的需求卻沒有冷氣來得高。專家分析,這是由於植物的生長有其最適當的溫度範圍,只要做好植株附近「微氣候」的定溫管理即可,只要使用冷風或冷水,並裝設適當的控制裝置將溫度維持在目標溫度即可。



圖2 : 光源是植物工廠最大的電費支出。(攝影/王明德)
圖2 : 光源是植物工廠最大的電費支出。(攝影/王明德)

更大的問題為夏天的降溫,由於非土壤培育的農業系統中,培養液的溫度恆定是最大重點,但夏天氣溫較高,容易讓培養液溫度過高造成生長環境的影響,但若使用冷氣機,龐大的空調負荷同時會帶來高成本,因此能源問題的確是個重大狀況。除此之外,一般環控農業的環境控制設備基本上包括光量、溫度、濕度的控制,和田間相比差異較大的是二氧化碳的控制,這樣的設備也是能耗的來源。


透過技術整合 提升能源應用效率

解決這些問題,包括節省能源及創造資源,均是業者必須考量的重要議題。舉例來說,前述製造二氧化碳的需求,可以搭配其他資源,以「異業合作」的方式一起使用,來達成目標,例如菇類栽培過程,會產生高濃度的二氧化碳需要去除,或養雞場在雞蛋孵化過程與農產品的貯藏過程均會產生高濃度的二氧化碳,將這些農場和環控農業搭配,可以無償利用這些二氧化碳;又如火力發電廠的排煙經過脫硫,再將二氧化碳收集至鋼瓶中,即可提供環控農業使用。因此從減碳的效果來看,可以由環控農業的產能推算固定的碳量,這也是未來透過農業拯救工業的方向。


或者是透過節能規畫,引進如蒸發冷卻等便宜的降溫方式,尤其是培養液的降溫問題,在植物體周圍進行冷卻或只對養液進行局部冷卻,或是只在夜間實行間歇冷卻,以及透過與外界環境進行溫度調配,都是系統整合業者所尋求的解決方案。


仍需持續發展 研發應用達成目標

當然,從照明問題進行解套,可說是最直接的解決方案,由於日本市場在植物照明的進度、技術較領先,積極度也較大,預估在2020年時,植物用的LED照明全球市場產值可以達到1年3,000億日圓,整體植物育成的產值上看3兆日圓,成長力道不容小覷。


日本中央政府、地方自治體從2011年開始,輔導當地農業聯合業者,進行植物工廠的開發,透過LED照明來強化日照不足、被影響耕地的產量藉由植物工廠、水耕等多種方式彌補。從北海道、東北地區的青森、岩手、宮城、山形與福島等縣,以及關東地區較多,植物工廠的形式和植物範圍從蔬菜、花卉到經濟作物都有。


大陸LED廠商也正積極在進行植物照明方面的開發,但是植物工廠在大陸應用的時間不是很長,在傳統植物照明燈在市場上還沒有站穩腳跟的時候,LED植物照明燈就強勢攻入市場,未來3年LED植物照明在大陸市場將大幅提升,且也具備出口外銷的條件。不過,大陸當地LED公司要發展植物照明 仍有門檻,據瞭解,目前被常用的兩類型的單色光分別是,紅光(630~660nm),藍光(460~470nm) ,而每一種植物對光的要求是不一樣的,很多公司沒有這個能力根據植物來應對調節光的波長,且也不知道具體植物所需要的光的波長。但就目前狀況來看,常用的兩類型單色光對於大陸廠商形成技術難題。


因此LED植物照明製造廠商、植物工廠以及植物研究所需密切合作,根據植物特性安排匹配的照明光源,促進植物的光合作用。此外儘量生產光譜範圍大的光源,或者多種光源組合,智慧調控,滿足多種植物同時需求。


每一種植物對光的要求不一樣的,許多公司沒有能力根據植物來應對調節光的波長。


圖3 : 不同植物所需的生長環境不同,沒有一致性的標準可以套用。(Source: POLYTECHNIC)
圖3 : 不同植物所需的生長環境不同,沒有一致性的標準可以套用。(Source: POLYTECHNIC)

LED植物照明技術除了歐系、日本廠商具備成熟能力之外,台灣廠商也逐步追上。對於植物照明所需的光源要求,包括高發光效率,光源距離須保持適度距離等規劃,都是因應LED應用於植物照明所發展出的系統規劃。


能源問題與糧食問題,的確是近年在環境議題上的兩項重點,如何能兼顧這兩方面的發展而達到最佳化效果,許多廠商也在探討中,環控農業與植物工廠等農業自動化系統,仍屬於「發展中」的技術,如何解決這些問題,仍看系統整合的未來發展。


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