掌握关键技术 智能设计植物工厂

植物工厂结合IT与农业技术，设计出植物生长的最佳环境，目前植物工厂可分为「全人工型」与「太阳光型」，两者都有其关键技术，只要充分掌握，将可打造出最具智能的植物工厂系统...

在粮食短缺与食品安全问题层出不穷之下，植物工厂这几年成为农业与IT产业的当红议题。但何谓「植物工厂」？从字面意思上，可将此名词分为「植物」与「工厂」两段，「植物」是目标，「工厂」是手段，意即用工厂的思维与作法来量产植物，透过高度控制，营造出适合植物生长的各种条件，包括光、湿度、温度、二氧化碳浓度、养分、水质等，使植物可以全年计划性生长，其环境不受天然气候影响，具备定期、定量、定品质特点。

全人工与阳光型  作物种类不同

植物工厂目前可分为「全人工」与「太阳光」两种型态。顾名思义，前者是全然利用全人工光线培育植物，后者则以阳光为主，两者适合的作物不同，所需的控制方式也大致相同。

全人工型不受天候左右，加上作物可往上层层堆叠，因此只要少量的土地面积，就可以大量生产作物。全人工型可以随需求控制环境条件，因此作物的维他命与矿物质也较高，不过其缺点在于除设备成本外，电费是其营运的最大支出成本。根据业界估计，目前全人工型的植物工厂，其电费约占总支出的70%左右，全人工型植物工厂主要生产作物以叶菜类为主，如莴苣、菠菜等，日本在这方面技术目前领先全球。

太阳光型则是使用阳光的栽培系统，这类作法通常被视为温室栽培与水耕栽培的延伸。太阳光型植物工厂受气候影响较重，尤其是夏天，几乎无法进行无农药栽培，虽然光源以阳光为主，不用另外支付电费，不过由于无法像全人工控制型的植物工厂，其栽培床架可往上堆叠，因此太阳光型需要大面积土地才能有一定产量，土地利用率偏低，此类生产的作物果菜与叶菜类都适合，太阳光型植物工厂，目前技术领先国家为荷兰。

就发展趋势来看，全人工型是植物工厂的未来主流，相较于阳光型，全人工型无论在能源、环保、生产效率、安全、品质、空间等，都远优于太阳光型。在资源方面，现在植物工厂在能源控管方面相当严格，尤其是在水资源部份，工厂内植物与栽培液蒸腾出来的95%水分，可以被回收当成灌溉之用，相较于一般温室的水再利用率只有0.02%，全人工型高出4,750倍；此外栽培过程中含有肥料的水，一般不会排出系统外部，而是在系统内循环再使用，这使得肥料的使用量可以降至最低，也不至污染外部水源，达到环保目的。

空间利用部份，就目前的技术来看，全人工型植物工厂的地板使用面积约为太阳光型的1/10。分析两者成本，全人工型的主要成本为电费，太阳光型则为土地与随土地面积递增的初期设备购置费用，不过全人工型植物工厂产品诉诸无农药残留，加上口感比太阳光型更佳，因此若再将售价因素计入，全人工型的投资报酬率会更好。

在作物安全与品质部份，由于太阳光型并非完全密闭空间，而且土壤中会有一定的昆虫种类，在害虫、病原菌的危害下，农药的使用成为必须，而全人工型的隔热外壁没有缝隙，可使天然灾害与病虫害机率降至最低，进行最安全、稳定的计划生产，且其光、温度伤度、二氧化碳浓度都可被控制，其品质不但趋于一致，植物的授粉、开花、结果，也都可依所需调整。

植物工厂的关键设计

全人工型植物工厂所使用的系统，主要由传感器与控制器所组成，其工厂内部分为育苗室、栽培室、机械室、出货室等四部份。一般来说，育苗室与栽培室等于是工厂的产线，因此所占的面积最大，机械室与出货室则尽可能缩小空间，以达最大土地利用效率。育苗室与栽培室也是自动化系统的主要设置地点，为了避免外界的环境干扰，其屋顶与墙壁都会使用隔热材质，内壁漆成白色，若使用灯管式光源，则会在灯管两侧或床架边贴上反光材料，以使光线做最有效利用。

太阳光型植物工厂则通常以玻璃或塑胶布等透明材质作为建筑外体，另外也会选择隔热性高、可吸收反射光线效果的被覆材料。就发展现况来看，太阳光型的关键技术包括隔热材质、自动化设备、空调设备等。

无论是全人工型或太阳光型，其多数技术都相通，包括：1.养液调整与给排水技术；2.栽培介质调整与栽培容器技术；3.收获技术与整列技术；4.播种技术与移动技术；5.温湿度控制技术与水体供氧技术；6.光控制技术。

这六类技术涉及了植物地上与地下两部份的环境控制，而这些技术都是透过传感器与自动控制设备的整合，前端传感器24小时侦测温湿度、光线、水涵氧量等植物环境，当环境变化达到设定参数值时，立即启动自动化设备加以调整，若环境未有大幅变化，则将信号数据定时传输至后方系统，累积为庞大数据库，除了栽培参考外，也作为生产履历的依据。

值得注意的是，上述的六大技术并非独立运作，而是必须环环相扣紧密结合，且这些技术的根本目标是使植物在最适当环境下，尽可能快速且健全的生长。此外，既同时有「工厂」之名，其成本控制也是必须的，尤其是设备折旧占植物工厂相当高的费用比例，如何降低此一费用，将是植物工厂业者必须严正面对的课题。

全人工型植物工厂的首要课题是降低照明设备成本与提高照明效率，再来则是降温，目前这类型植物工厂的空调主要是降低灯具所发出的热能，因此主要的空调设备为冷气，暖气需求则相当少，至于电力，则可避开电费较高的白天，选择在低电费的夜间开启照明，以节省庞大的电费支出。

至于太阳型植物工厂，由于受阳光的影响较大，夏天需要降温，冬天则需要增温，台湾由于地处亚热带，夏天相当炎热而冬天低温有限，因此主要问题会是在夏天的降温，植物工厂通常是密闭空间，内部不易散热，热能容易聚集，影响植物生长，不过如果长时间开启空调设备，电费将会带来沈重的负荷，因此现在的作法是引进便宜降温方式，像是只针对养液进行局部冷却或只在夜间间歇冷却。

产学合作提升良率

归纳所有的技术，植物工厂的环境控制无非是在「风」、「光」、「水」、「养」、「气」五大部分进行调节。「风」指的是温湿度与气流，「光」是光的质量、周期、匀度，「水」是水质、水量、给水时间，「养」是养液里的养份、浓度、酸硷值、溶氧量等，「气」则是空气中的二氧化碳浓度。要能使这五大部分达到最佳数值，需要透过大量的数据才能培养出专业经验，因此除了亲力亲为的实际操作外，系统所累积的庞大数据，更会是业者的最佳帮手。

植物工厂目前仍属于萌芽期，严格来说，多数厂商的经验都不丰富，大家都是且战且走，一边观察别人的作法，一边累积自己的经验，要在如此艰困的环境下获利实属不易，业者建议可与研究机构密切合作，以产学合作的方式提高产品良率，缩短导入的艰困期，以使产品能早日量产化。