西藏高原以风光可再生能源驱动植物工厂可行性研究

摘要：截至2019年，地球上有77亿人口，需要在节约土地的情况下规模化种植出更多的食物，与之匹配的绿色能源正引起全人类的广泛关注。该文以高原作为突破点，根据高原概况和社会性食品卫生，阐述无土栽培和立体种植的亮点、模式，带动光伏发电、风力发电在立体种植中的实际运用，希望打造可以循环持续产出洁净果蔬的植物工厂，以工业化技术推进农业发展。

关键词：植物工厂;立体种植;无土栽培;太阳能;光伏发电;CO2减排;垂直轴风力发电

吴怡然. 西藏高原以风光可再生能源驱动植物工厂可行性研究[J]. 农业工程技术，2019，40（08）：38-41.

西藏自治区位于青藏高原西南部，北纬26°50′-36°53′，东经78°25′-99°06′之间，是中国西南边陲重要门户和国防屏障。全区面积120.223万平方公里，平均海拔4000 m以上，素有“世界屋脊”之称。自治区设有拉萨、昌都、日喀则、林芝、山南、那曲6个地级市，1个阿里地区，常住人口308万人。人口分布：日喀则70万、昌都65万、拉萨55万、那曲46万、山南32万、林芝19万、阿里9万。2019年12月23日，西藏已基本消除绝对贫困，全域实现整体脱贫。

西藏自治区空气稀薄，气压低，含氧量少，平均空气密度为海平面空气密度的60%-70%，含氧量比海平面少35%-40%。（NASA）水平峰值日照时数（h）：拉萨5.450、昌都4.847、山南5.408、日喀则5.733、那曲5.299、阿里5.559、林芝4.717;拉萨气象站：春季全区平均风速最大，为3.0 m/s，夏、秋、冬季依次为2.3 m/s、2.1 m/s、2.5 m/s。气温低，积温少，昼夜温差大，年均气温为-2.4℃-12.1℃，自东南向西北递减，每年6月-7月最高，1月最低，日温差15℃以上。季节性降水明显，年降水量66.3-894.5 mm，东南向西北递减，降水集中在5-9月，占年降水量的80%-95%。大部分地区年大风日数在30天以上，西部和北部高达100-160天。干旱、洪涝、雪灾、霜冻、冰雹、雷电、大风、沙尘暴等灾害性天气频繁发生，其中冰雹居全国之首。气候垂直变化大，自东南向西北依次为：热带、亚热带、高原温带、高原亚寒带、高原寒带。区域气候变暖明显，尤其是1991-2010年西藏增温强烈，升温率达0.79℃/10年，明显高于全国其他区域。耕地面积343.14万亩，人均耕地1.41亩，分布零散，休耕时间长，土质较差，土壤肥力与水分流失严重，属低产田。受自然条件和技术条件限制，全区均垦系数仅为0.2%。

一、高原立体化种植

1、项目背景

至2018年底，西藏全区累计公路通车里程97785 km，大部分生产生活物资需从其他地区进入，特别是时鲜蔬菜、肉类、禽蛋等主要通过G214、G318、青藏铁路、航空等运入，中转环节较多，物价上浮较大;且途中时间较长，特别是时鲜类蔬菜较易变质腐败，亚硝酸盐急剧升高。亚硝酸盐具有致癌作用，进入人体后会对人体产生危害，严重的可以引起中毒致人死亡。日常食用较多的蔬菜，强烈建议杜绝食用长途运输、搁置时间长、腐败的蔬菜、隔夜菜、剩菜、腌制的咸菜。蔬菜应具备新鲜、健康、美味、价优四大特点。

全球所需农产品产值在万亿级，市场区域跨度大，深化设计和规模化供应链整合的种植方式将成为可能。技术进步促进生产方式进步，随着蔬菜种植方式改变，世界各地都将迎来一系列农业变革。例如城市中种植农作物，建造城市农场，从而实现本土本地生产、本土本地消費，人们自主决定吃什么蔬菜，并学会种植这些蔬菜。

例如建造房顶温室。仅在户外打造露天农场是不够的，要进一步开发城市空间，让蔬菜在室内生长、生产。由于避免了传统农业存在的农药残留、病虫害、污染、低产等问题，从而使口感和质量100%可控、符合消费者需求;同时提高空间的利用率、提高产值以及达到节约土地的目的，新一代工厂化、立体化，智能化和工业化种植技术应运而生。

2、市场展望

城市农场的生产使命就是让城市能在食品生产方面自给自足，我们开始审视立体种植这种模式，希望以办公室为研究中心，研究大自然，寻求最佳生长条件，满足不同植物的需求;然后进行模拟设计，研究不同的光谱和营养方案，以及白天可能发生变化的不同环境等，通过技术手段创造许多不同的小气候环境，培育数千个不同的植物品种。通过这种模式生产出来的食物蔬菜具有很高的营养价值，并以口感作为植物的评价标准。

根据需求订制蔬菜。如果客户需要蔬菜更甜一些，我们可以用数学和模型来改变环境条件，下一次就能为客户生产出更甜的植物。不用任何农药，也不喷任何化学制剂，选用非转基因种子，生产出最干净、最健康的食物。

未来无土栽培和立体种植系统进入超市将节省99%的能耗，包括但不限于运输、冷藏、物流等产生的能耗，还能解决当前食物体系所面临的的严重浪费问题。进行规模化生产，推广到所有超市、酒店、餐馆、办公室甚至可能推广到的每家每户，建立城市营销网络。随着城市农场的快速兴起，城市居民和农民的界限将越来越模糊。未来，凭借先进的通信技术和智能工具，人们可以在自己家中种植新鲜、健康的蔬菜，实现全年供应不断。

3、项目现状

利用上层空间在城市中大力发展城市农场，在种植集装箱、工厂内安装传感器，能够对室内的亮度、湿度和空气质量进行实时监测。农场就像真正的无菌实验室，里面的所有因素都会得到精确的控制，所有的作物生长不必担心自然环境状况，生长周期短于传统露天生长的农作物。

植物工厂里，蔬菜瓜果生长在“集装箱”里，只需一键启动，系统就能实现全自动栽培，针对植物本身的最佳生长需求进行环境模拟，大大提高蔬菜瓜果的生长质量和效率。通过发光二极管（以下简称LED）控制光照时间，只用7-8 h就可以满足植物对光照的需求，在培养方面很有优势，而且还能缩短整个生长周期。发芽阶段基本上只要白光就可以;发芽期过后，主要需要蓝光和红光进行光合作用。在自然光照条件下，光合作用能效通常较低，而利用LED为每株作物提供所需红光和蓝光，能有效提高光合作用效率，促进作物生长，确保每个月收获两次。传统农场采收率为60%-70%，室内收获得益于先进的技术手段，采收率可达95%左右，每年总产量约81吨。

二、太阳能光伏

1、太阳能概述

中国的太阳能资源十分丰富，全国有2/3以上的地区，年日照时数在2000 h以上。太阳能既是一次性能源，又是可再生能源，资源丰富，可免费使用，无需运输，而且对环境没有任何污染。随着工厂化、立体化模式发展，智能化和工业化种植所需能源，如风能、水能、海洋温差能、波浪能、生物质能、潮汐能、化石能等，广义上都来源于太阳能;狭义的太阳能则仅限于太阳辐射能的光热、光电和光化学能的直接转换。

2、太阳能的三大优点

太阳能是人类可以利用的最丰富的能源，可以说“取之不尽，用之不绝”。

无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛及边远地区更具有利用价值。

太阳能是一种清洁能源，在开发和利用时不产生“三废”，即废气、废水、废渣，没有噪声，更不会影响生态。

3、太阳能转换为电能的三个步骤

太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内产生电子—空穴对，称之为“光生载流子”。两者的电极性相反，电子带负电，空穴带正电。

电极性相反的光生载流子被半导体PN结所产生的静电场分离开。

光生载流电子和空穴分别被太阳能电池的正极、负极收集，并在外电路上产生电流，从而获得电能。

4、光伏计算

（1）发电量

光伏系统单位功率每年输出的能量通常按照下面的公式来计算：

Eout=Ht×P0×PR

Eout—单位功率光伏系统每年输出的能量（kWh）;

Ht—全年峰值日照时数;

P0—光伏系统额定功率（kW）;

PR—系统综合效率。

每生产1千瓦多晶硅光伏系统消耗的电能是2525 kWh[1]。

以拉萨为例，纬度20.94°，最佳倾角30°，最佳倾角安装时，每平方米每天的发电量约为5.8634 kWh/m2.d，能量偿还时间1.57年;垂直安装发电量为3.6935 kWh/m2.d，能量偿还时间2.5年。

（2）CO2减排量

中国CO2排放指数EI为0.814 kg/kWh，光伏减排CO2潜力按照下面的公式来计算：

PM=Ht×P0×PR×N×EI

N—寿命周期年数;

EI—CO2排放指数。

光伏减排CO2潜力修正为PM=（Ht×P0×PR-2525）×EI[1]

拉萨地区光伏系统的减排CO2潜力最大。按照方阵最佳倾角安装和垂直安装的光伏系统，在其寿命周期内，每安装1 kW光伏系统，可以分别减少CO2排放量37.15吨和22.64吨。垂直与最佳倾角安装的光伏系统发电量之比为63%。

三、垂直轴风力发电

1、垂直轴风力发电系统组成

垂直轴风力发电采用空气动力学原理，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，不会受到因变形而改变效率。有4-5个垂直桨叶，由4角形或5角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电，送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。

垂直轴风力發电系统主要由发电机、控制器、逆变器、垂直浆叶组成。其特点显著表现为：占地少、噪音低、使用寿命长、启动风速小（涡轮型仅2.5 m/s）、成本低、安装方便。适用于高速公路、农村、家庭住宅、公寓大厦、工厂、度假村、宾馆、偏远地区无电人口改造、新农村建设、小区新能源、游船、渔船、城市中心区域公共照明、通信机站。

2、垂直轴风机与水平轴风机

垂直轴风机与水平轴风机对比参数情况如表1所示。

3、垂直轴主流规格技术参数

垂直轴风机主流规格技术参数如表2所示。

四、植物工厂与新能源的使用

1、植物工厂模块化

典型的集装箱式绿色立体种植规模可大可小，可利用废弃的厂房、地下空间、人防设施，可以放置在高原、沙漠、海岛、城市、农田、公园、地铁的任何地方。植物工厂能极大地提高单位土地的利用率，通过立体式排布可在1 m2的土地上实现与120 m2农田相当的产量，用水量却仅为普通农业的1%，并且完全无污染排放。高原新能源集装箱式绿色立体种植系统配置有多个子系统：

（1）环境控制系统

以空调系统为主体，并实时调节新风、CO2、温湿度。

（2）栽培系统

包括栽培架和栽培槽。栽培架可采用铝型材、不锈钢等材料，栽培槽可为塑料或PVC材料。

（3）营养液调控系统

营养液配比系统。根据光配方影响植物根系对营养元素选择性吸收的研究结果，提出一套营养液精良自动配比方案，开发了可以对营养液元素如氮、磷、钾、镁、钙、铁、硼、锰、锌、铜、钼、硒等实现精量控制的营养供给系统。该系统可控制无土栽培作物品质，为功能性作物的生产提供可能。营养液配比系统由微量进入蠕动泵、PLC控制器、水泵等组成，实现精量控制植物工厂营养液各元素组分的量及其比例。

营养液供给系统：由循环水泵、电磁阀、管道等组成，按要求实现植物浅液流栽培的营养液循环设定。

（4）升降式营养液栽培槽

水培槽采用活动框式的栽培层升降设计，既保证了栽培介质中均匀、充足的水分或营养液，也保证了根部对氧气的需求及根伸长所需的空间。此装置可应用于育苗，避免了育苗期频繁的人工喷洒，提高了育苗效率及质量;也可应用于成苗定植，种植层高度可根据植株长势进行调节，但成本相对较高。

（5）光源系统

光源系统的组成有以下几种：

平板式光质、光强、光周期不可调式LED灯。

光质、光强、交替周期可手动/智能控制的LED灯板，根据需求制定。

实验中的智能可变LED光源系统。该LED光源以DMX512协议为基础，应用PLC控制不同植物各生育阶段的需光特性，通过PC终端设定LED灯板，实现光源光质在可见光、红外光、紫外光的变换，以及发光强度在0-300 μmol/m2·s（由灯板电功率决定）范围的自动调节。该LED灯可运用于规模化的生产型植物工厂中，充分发挥各种光质在植物不同生育阶段的作用。

智能LED灯板。新型智能LED灯板结构简单，操作方便。运用单色光调光器和微电脑时控开关结合进行光配方设置，可设定单色光质在一个光配方中的光强度以及开闭频率，实现单色光质PPF值（光合有效辐射单位）的连续变化，及最大频率为0.5次/min的混合光质交替设置。同时，内置电力监测仪，为电能利用率的核算提供了更好的便捷性和准确度。

（6）总控系统

总控系统使用人机交互触摸屏作为上位机，采用用户自设定方式。根据人工设定的参数、既定策略，达到营养液的分层循环，定时更新，自动控制作物光照时长。总控系统由营养液自动循环子系统和LED灯光控制子系统构成。各子系统之间彼此独立，并共享同一上位机，通过画面调用接口实时监控每个子系统的工况。

控制参数可设置营养液循环参数和LED灯板控制参数。手动模式下可以通过屏幕按钮自由操作各个开关，包括电磁阀、水泵和LED灯;自动模式下，利用用户自设定方式，将控制参数嵌入到既定的控制决策中，当上位机发出控制指令时，控制器开关量输出端口闭合，中间继电器常开触点得电吸合，驱动电磁阀控制执行器的开关，同时按需求完成营养液自动循环和作物光照时长自动控制。

（7）监控系统

实时监控显示系统运行状况、系统时间和画面调用接口;视频监控植物生长状况，通过智能AI算法实现对植物的精细化生长控制。提供调用接口可扩展视频溯源，流媒体直播推广。

（8）光伏植物工厂生产管理系统

电能是常见植物工厂系统中唯一的动力能源，耗电量大是限制植物工厂发展和大规模应用的主要因素之一。研究表明，光源是人工光型植物工厂的主要耗能设备，占整个植物工厂耗能的60%以上。因此，从降低植物工厂运行成本的角度出发，将太阳能光伏发电系统与植物工厂相结合，可将太阳能转变成电能后为植物工厂的运行提供能源。

2、新能源与植物工厂的组合方式

（1）离网型

用电负载远离电网时，使用太阳板的电能，通过控逆一体机，在储存电能到蓄电池内的同时，将直流电逆变成负载所需的交流电能。该模式由太阳能电池组件、控逆一体机、蓄电池组等组成。种植的集装箱整体负荷约为10 kW，8 h为满负荷，其他时间为满负荷的1/3—1/4耗能，最大为133 kWh。

太阳能电池板一天至少需要发的电量为133/0.8=166 kWh才能达到平衡。根据能量守恒定律，铅酸蓄电池放电深度为电池满容量时的80%，另外由于在蓄电池充电的后期对电池的充电处于浮充状态，所以应留有10%的电池余量以更好的利用太阳能电池发出来的电，所以：

C=Q2×d/（U×δ）

式中C为电池容量，单位为A.H;U为系统电压，单位为V;δ电池可放电量，一般可取70%-80%;d为后备天数。电池的可放电系数取0.8，单体电压取12 V。

C=166000/（12×0.76）=18201A.H。取总容量为18000 A.H。单体200 A.H/12 V，90个，10串9并组成120V电池组。

以拉萨地区为例，峰值日照时数5.53 h，要求电池用完后在晴天情况下10天内电池容量处于90%以上的状态。则每天电池板用于充电池的余量为Q3=133000/10≈13300 W·H。电池板每天要发的电为Q3+Q2=13300+166000=179300 W·H，所以电池板使用JKM370M-72，功率P3=179300/5.53=32423.15 W，5片1串18并，取90片。

控制器选择。由于太阳能系统已选定为120 V系统，考虑雪域高原平均海拔4000 m以上，则最大发电电流Imax=90×370/120×1.29≈358 A，所以选用额定功率為200 A/120 V的太阳能控制器2台。

逆变器选择。总负载的功率为10 kW，逆变器出力系数取0.75，计算功率为13 kW，高原降容后功率为13.33×1.29=17.2 kW，所以选用20 kW/120 V纯正弦波输出逆变器。

该模式构成中因蓄电池和电池组件成本较高，无相应政策支持时一般不采用。

（2）挂网型

绿色种植工厂可接入电网，但当地电网电能质量较差，可光伏0.4 kV挂网，不带储能，不能脱网，自发自用，用电维持负荷大小足以消纳光伏发出的电力，其组成仅为：光伏组串、并网逆变器、配电双向计量装置、远程监控（可选），无蓄电池相关费用。

系统效率0.81，单个集装箱光伏为2个组串，采用32块（16串2并）370 W组件，其出力为32×370×0.81=9.59 kW，配置10 kW并网逆变器。水平安装峰值日照时数5.53 h，日发电53 kWh;最佳倾角30°安装时日照时数5.8634 h，日发电56 kWh。10 kW负荷，8 h所需电能为80 kWh，挂网型配置的日发电量为满负荷时间内的70%（56/80），即集装箱满负荷工作时可以全部消纳;在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时自动切换至电网供电，下网电能需与当地电网结算，因此需办理当地电网手续[2]。

结合拉萨地区光伏系统从CO2减排结论，安装11.84 kW的光伏系统，在其寿命期（25年）内将减少CO2排放量37.15×11.84=440吨。

（3）分布式太阳能+风能互补

分布式太阳能风能互补系统由垂直轴风力发电系统和光伏发电系统组成。主设备包括垂直轴风力发电机、太阳能电池组件、太阳能方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，配套供电系统监控装置和环境监测装置。在夜间和阴雨天无阳光时，由风力发电系统将风能转换输出电能;有太阳辐射时由光伏系统将太阳能转换输出电能;既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用转换输出电能，经汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给负载。多余上网、不足下网，自动无缝、无断点调节，实现全天候的发电、供电功能，比单用风机和太阳能更经济、实用。可在农村、牧区、山区及大、中、小城市、商业区附近建设，解决当地用电需求，减小环保压力。

拉萨年平均风力为（3.0+2.3+2.1+2.5）/4=2.475 m/s，年日照时数2140 h，适宜采用分布式风光互补模式为种植集装箱提供能量。选择风机容量应是负载需求量的2-3倍。

不同地点和不同高度的风速计算。风速随高度变化，受地面平坦度以及风通道上的气温变化，风速计算通常采用指数公式：

式中v—距离地面高度h处的风速（m/s）;

v1—高度为h1处的风速（m/s）;

α—风切变指数，取值1/2—1/8。

风力发电量计算采取以下公式：

风力日发电量E=E1+E2（Vm≤Vi/v）

E1=ΣPNhi（vi/VH）（Vi≤vm/vh）

E2=PNΣhi（vi≤vH/v）

E—当月发电量（kWh）;

E1，E2—风力发电机在不同风速段的发电量（kWh）;

v—当时风速（m/s）;

Vm—风机启动风速（m/s）;

vi—风机额定风速（m/s）;

PN—风机额定功率;

hi—该月中与vi相对应的小时数。

集装箱日耗电能最大为133 kWh，如按前述光伏满足10 kW负荷8 h/天工作所需电能为80 kWh，那么组件数量n= 10×102  Wp/（370 Wp×0.81）=33.36片。取34片，日发电= 34×370×8×0.81/1000=81.52 kWh，余133-81.52= 51.48 kWh，即负荷为51.48 kWh/16 h=3.2175 kW。风力容量=3.2175 kW× 2.5/0.98=8.21 kW，风机降容处理1.29×8.21=10.59，取整需5 KW风机2台。

五、结论

未来将以独立微网的风光可再生清洁能源，驱动自动化植物工厂生产清洁农作物，实现长久循环的绿色生態种植。密闭工厂化农场无需担心环境气候变化，在栽培舱里可以避免外界干扰，轻松实现“风调雨顺”。未来几乎可以在任何地方种植蔬菜水果，包括沙漠、酷热的东南亚地区、海岛、施工工地、极地等环境恶劣的地区。立体种植可以避免农产品的长途运输问题，而且产量高，是常规理想环境田间种植的6-14倍，而且具备标准模块化、新能源供电、规模化扩展、自动化运行的特点。植物工厂可栽培的作物目前有180多种，基本满足日常果蔬所需。因为充分利用立体空间降低土地成本，亦可将其称为低碳足迹系统。对于种植系统的能源需求可通过对应光谱的耐用LED、智能控制、光伏+风能系统互补实现。我们追寻的方向是在自然家园中打造可以循环持续产出的洁净果蔬，以工业化技术推进农业发展。

参考文献

[1] 杨金焕，于化丛，葛 亮. 太阳能光伏发电应用技术[M]. 北京：电子工业出版社，2009.

[2] 周志敏，纪爱华. 太阳能光伏发电系统设计与应用实例[M]. 北京：电子工业出版社，2010