通過(guò)現代光學(xué)干涉濾波原理，劉文團隊提出并發(fā)展了一種具有選擇性的薄膜。
通過(guò)現代光學(xué)干涉濾波原理，劉文團隊提出并發(fā)展了一種具有選擇性的薄膜。中國科大先研院供圖
三農直通車(chē)綜合報道：9月，在G20杭州峰會(huì )舉辦的同時(shí)，由美國Discovery探索頻道與五洲傳播中心聯(lián)合打造的以中國創(chuàng )新為主題的三集紀錄片《Smart China（智慧中國）》在Discovery亞太電視網(wǎng)向全世界首播。
“它能夠分離植物萌芽、生長(cháng)、開(kāi)花、結果和育種所需的約10%的可見(jiàn)光，同時(shí)將剩余80%以上的光通過(guò)槽形發(fā)光器進(jìn)行反射，集中到一塊標準的太陽(yáng)能電池板上，再產(chǎn)電。”作為中國科技創(chuàng )新的16個(gè)典型案例之一，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院的“農作物智能光照技術(shù)”在節目中被詳細報道。
在節目中，中國科學(xué)院院士褚君浩評價(jià)認為，這是一個(gè)重要創(chuàng )新，對于解決能源和環(huán)境問(wèn)題具有重要意義。
“這個(gè)項目從產(chǎn)業(yè)化角度看仍處于早期，卻是一個(gè)原創(chuàng )性強、可行性高、意義重大的項目。”近日，農作物智能光照技術(shù)項目負責人、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中國科大先研院）副總工程師劉文在接受《中國科學(xué)報》記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。
分離農作物生長(cháng)所需太陽(yáng)光
“事實(shí)上，農作物生長(cháng)所需的光僅約占太陽(yáng)光的10%。”劉文在節目中介紹，植物對光的吸收除了在650+/-20nm的紅光和440+/-20nm的藍光之外，其他都很少，總共大約只占太陽(yáng)光譜同時(shí)，不同植物需要吸收的光照是不同的。“比如西紅柿的生長(cháng)需要吸收的紅光要大于藍光，比例約為9：1。”劉文舉例道。
由于每種植物的最佳生長(cháng)都只需要吸收特定范圍的光譜，劉文及其團隊的思路是測量出不同植物吸收的光譜，然后根據光譜數值設計光譜比，利用獨特的薄膜技術(shù)分離太陽(yáng)光譜，讓每種植物類(lèi)群能夠精確吸收其生長(cháng)所需的光譜。
他們提出并發(fā)展了一種能選擇性地透過(guò)紅光和藍光的薄膜，這種光譜分離薄膜由多層高分子薄膜組成，基于多層介質(zhì)膜干涉濾波理論和特殊的生產(chǎn)工藝，通過(guò)調控每層薄膜的折射率和厚度，不同波長(cháng)的光會(huì )在不同折射率的界面處干涉疊加，最終只能使特定波長(cháng)的光透過(guò)薄膜，其余部分光反射。
據了解，這種薄膜采用石化行業(yè)副產(chǎn)品（聚酯類(lèi)）制作，成本低、附加值高、性能穩定?，F有樣品不僅可以把光合作用有效光輻射（紅、藍光）分離出來(lái)，并且經(jīng)過(guò)500小時(shí)100攝氏度開(kāi)水長(cháng)期蒸沸、紫外輻照等實(shí)驗，沒(méi)有發(fā)現光學(xué)及其他物理、化學(xué)特性的變化。
劉文告訴《中國科學(xué)報》記者，目前中國科大先研院已經(jīng)建設完成了一個(gè)實(shí)際示范及實(shí)驗系統，已經(jīng)完成了經(jīng)過(guò)人工選擇陽(yáng)光條件下和普通光照條件下三種農作物（黃瓜、竹葉菜、生菜）生長(cháng)情況的對比實(shí)驗，植物主要生理參數（可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、根活躍吸收面積）測試結果表明：在3—5月份等光照充足的春季使用濾光膜對農作物生長(cháng)有好處，可以幫助實(shí)現作物增收、改善作物品質(zhì)等。值得一提的是，實(shí)驗中農作物不僅接受透過(guò)多層干涉濾光膜的紅藍光，還有全光譜的漫散射太陽(yáng)光（約占15%光能）。
不僅僅為植物提供光照
這項技術(shù)能實(shí)現的不僅僅是為植物生長(cháng)提供所需的光照。
在節目中，劉文展示了實(shí)驗室中溫室設備及其頂部結構，通過(guò)薄膜技術(shù)分離植物生長(cháng)所需的約10%的太陽(yáng)光的同時(shí)，剩余80%以上的光通過(guò)槽形發(fā)光器進(jìn)行反射，集中到一塊標準的太陽(yáng)電池板上，用于發(fā)電。
“這個(gè)設備巧妙高效地將光能利用起來(lái)，否則這些光就會(huì )照射到地面上造成浪費。”Discovery節目如是評價(jià)該發(fā)明在能源利用方面的重要意義。
劉文告訴記者，與過(guò)去國內外光伏農業(yè)系統相比，該系統由簡(jiǎn)單的幾何分光或者強度分光升級到光譜分光，在實(shí)現光伏發(fā)電的同時(shí)，還優(yōu)化了植物生長(cháng)光照條件，可以使太陽(yáng)能的利用“最大化”。
從實(shí)際示范及實(shí)驗系統的效果來(lái)看，在5月中旬晴朗天氣條件下，中午時(shí)間單位面積發(fā)電能力已經(jīng)達到87瓦/平方，水蒸發(fā)減少了40%。
實(shí)際上，光伏農業(yè)在國外也有不少案例，日本、德國、意大利等國都有一定規模的應用。
“但是現有光伏農場(chǎng)及光伏植物大棚都沒(méi)有很好地解決農作物光照需要與發(fā)電的矛盾。”劉文說(shuō)，從這一點(diǎn)上來(lái)看，農作物智能光照技術(shù)則是一種可以實(shí)現種植與光伏發(fā)電“兩不誤”的創(chuàng )新方案。“種地+種電”可能成為廣大農戶(hù)成倍提高收入的一個(gè)新生產(chǎn)模式。
應用前景可期
除了實(shí)現種植和光伏發(fā)電“兩不誤”，該發(fā)明還有兩大優(yōu)點(diǎn)：第一，通過(guò)光照條件智能調控，農作物經(jīng)濟性可以顯著(zhù)提升，可以幫助農民進(jìn)一步提升經(jīng)濟收入；第二，可以大幅度節約農業(yè)灌溉用水，預計節約灌溉用水40%以上。
劉文及其團隊研制的智能光伏項目已經(jīng)申請了8項專(zhuān)利，2015年在上海召開(kāi)的第九屆國際太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)及光伏工程展覽會(huì )暨會(huì )議SNEC(2015)上，經(jīng)過(guò)嚴格的專(zhuān)業(yè)評委評選，中國科大先研院提出的新型農業(yè)光伏系統解決方案獲得十大亮點(diǎn)吉瓦級金獎，并同時(shí)榮獲2015APVIA亞洲光伏—科技成就獎。另外，該項目還獲得了第43屆日內瓦國際發(fā)明展金獎和2015年全國創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)大賽優(yōu)秀獎等。
“客觀(guān)條件上，中國人均土地資源、人均水資源匱乏，發(fā)展光伏農業(yè)（農場(chǎng)），是土地資源匱乏國家提升土地資源利用率的一大舉措，也是目前國內各級政府農村扶貧的一個(gè)重要內容。”劉文說(shuō)。
目前，智能光伏系統仍處于前期示范階段，中等規模量產(chǎn)還需要具體實(shí)踐。從示范工程來(lái)看，采用這種智能光伏系統發(fā)電，每瓦成本約9.8元。相比之下，傳統光伏和光伏農業(yè)系統發(fā)電每瓦成本分別為6.5元和8元。
劉文告訴記者，如果實(shí)現了批量生產(chǎn)，其成本還可以進(jìn)一步降低20%以上，同時(shí)每畝發(fā)電量可以再增加20%以上。“相當于光伏發(fā)電部分的成本可以降低到6元/瓦以下，低于普通晶硅光伏解決方案。”
因為從根本上突破了農地與光伏用地不能兼容的問(wèn)題，劉文表示，該項目今后可以在人口稠密的京津冀農村、中東部地區農村大面積推廣?？赡軐τ诼鋵?shí)國家新能源“十三五”發(fā)展規劃中關(guān)于大力推廣分布式光伏發(fā)電具有重要意義。項目組初步測算，如果用10年時(shí)間改造河南、河北及中東部地區約4000萬(wàn)畝耕地為新型光伏農場(chǎng)，則每年需投資6000億元。
如果4000萬(wàn)畝新型光伏農場(chǎng)最終成為現實(shí)，那么，正如節目中所說(shuō)，這將成為“瘋狂”的綠色科技。“這些農場(chǎng)每年發(fā)電量相當于12個(gè)三峽電站，所節約的水蒸發(fā)還相當于新建立了一個(gè)南水北調中線(xiàn)工程。”劉文說(shuō)。
劉文介紹說(shuō)項目組多個(gè)成員家在農村，大家夢(mèng)想我們發(fā)展的技術(shù)能夠幫助更多農戶(hù)實(shí)現“金山銀山”和“綠水青山”雙豐收。
