西藏高原以风光可再生能源驱动植物工厂可行性研究作者：吴怡然来源：《农业工程技术·综合版》2020年第03期摘要：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×PREout—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×EIN—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。