光纖式陽光導(dǎo)入系統(tǒng)應(yīng)用在多層無土栽培工廠的創(chuàng)新研究

喬旺　張永強(qiáng)　宋溫江

[摘 要]光纖式陽光導(dǎo)入系統(tǒng)是太陽能利用和光纖照明的有機(jī)結(jié)合，是一種冷光照明，具有波長類型豐富，能隔除紅外線和紫外線輻射，能將太陽光引入植物工廠替代植物工廠電燈照明，在植物工廠的光環(huán)境調(diào)控中有極大意義。文章論述了光纖照明應(yīng)用于植物的實(shí)現(xiàn)方式，介紹了太陽光追蹤裝置，太陽光導(dǎo)入裝置、傳導(dǎo)光的裝置、光纖耦合裝置、放射裝置、儲(chǔ)光裝置、led補(bǔ)光裝置。介紹了光環(huán)境控制技術(shù)和光源的特點(diǎn)，并結(jié)合工廠的光照介紹了可生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物的全光譜光纖燈光源特性。使植物在各生長階段具有最佳光照，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，環(huán)保，高效利用陽光的目的。在全球能源危機(jī)，耕地面積減少的背景下，依靠安全清潔太陽光為人類提供一個(gè)可行的解決途徑。

[關(guān)鍵詞]光纖式陽光導(dǎo)入系統(tǒng)；LED光源；植物工廠；節(jié)能；光環(huán)境調(diào)控

[中圖分類號(hào)]S316 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

植物工廠代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，具有環(huán)境智能控制，水肥一體化管理，高產(chǎn)等優(yōu)勢。單位土地利用率是露地的40-108倍，日本的植物工廠在全世界發(fā)展最快。當(dāng)前植物工廠主要發(fā)展瓶頸是環(huán)境的調(diào)控，無法制定合適的光環(huán)境調(diào)控，無奈成為生產(chǎn)短板全光譜的光對(duì)植物生長來說是非常重要的，而植物工廠照明設(shè)備主要是熒光燈和高壓鈉燈，并不是全光譜，并且與植物光合作用吸收的光譜不是很匹配，光合作用有效輻射比例小，無效的熱輻射較多?，F(xiàn)有的植物生長燈都是電光轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)化很低，所以人工光源的能耗是植物工廠能耗的主要來源，能耗成本占總運(yùn)行成本的50%-60%，人們對(duì)能源需求越來越大，因此降低能耗能促進(jìn)植物工廠的普及，如果自然光能代替人工光源，則充分體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保理念。

目前光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化為電，電用來發(fā)光，其能源利用率效率為10%―20%，經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換，損失較大，效率太低，進(jìn)一步使太陽能的發(fā)展受限，而利用這光纖傳陽光的裝置，不經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換，能源利用可達(dá)45%以上。

人工光源不僅產(chǎn)生了極大的能源浪費(fèi)，近距離照射熱輻射會(huì)傷害植物，最新的照明技術(shù)是LED紅藍(lán)組合光作為光源，將人工栽培從連續(xù)光譜簡化到紅藍(lán)復(fù)合光質(zhì)，但只是促進(jìn)植物某方面生長，并不能全方位生長，能夠使陽光導(dǎo)入植物工廠具有很大意義。農(nóng)業(yè)技術(shù)提高，現(xiàn)代溫室、植物工廠的推廣，進(jìn)行溫室內(nèi)合理給光，降低成本越來越重要，光纖燈的出現(xiàn)成為解決這個(gè)問題的契機(jī)。近年世界發(fā)達(dá)國家高度重視太陽能開發(fā)，美、日、英、德等發(fā)達(dá)國家已推出陽光導(dǎo)入成品并打開消費(fèi)市場，期待我國跟上發(fā)達(dá)國家的步伐，全球范圍內(nèi)光纖導(dǎo)入照明在農(nóng)業(yè)利用方面是個(gè)空白領(lǐng)域，希望我國超過發(fā)達(dá)國家的光導(dǎo)入系統(tǒng)，完美解決光照不足問題，讓植物在自然光下更健康地生長。密集立體無土栽培的這一套系統(tǒng)可以有效地將自然光導(dǎo)入到室內(nèi)，提供給植物生長的光，植物不再受地理位置的限制。光纖式陽光導(dǎo)入系統(tǒng)可將自然光通過光纖引導(dǎo)至植物上方，供給植物生長所需的光，可充分利用太陽能，提供了全光譜，因?yàn)槭抢涔庠?，可近距離照射，提高生產(chǎn)率。

1 植物工廠的概念及特點(diǎn)

植物工廠是一種高效的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，通過控制工廠內(nèi)的精密環(huán)境來實(shí)現(xiàn)作物的連續(xù)生產(chǎn)。它是一種由計(jì)算機(jī)控制作物生產(chǎn)過程中的溫度、濕度、光照、CO2濃度和營養(yǎng)液等環(huán)境因素的新型生產(chǎn)，不受或少受自然條件的約束。植物可進(jìn)行周年生產(chǎn)。由于不占用農(nóng)戶耕地，無污染，機(jī)械化程度高節(jié)約了人力。單位土地利用效率可達(dá)裸露土地的40～108倍，被認(rèn)為是解決二十一世紀(jì)資源、人口和環(huán)境問題的重要途徑，也是未來太空探索和其他行星探測中食物自足的重要組成部分。

工廠生產(chǎn)要使植物快速生長，生產(chǎn)獲得優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，光顯得尤為重要，因?yàn)楣馐侵参锃h(huán)境信號(hào)和光合作用唯一的來源

2 光纖傳導(dǎo)太陽光照明系統(tǒng)

基本原理是通過陽光追蹤把太陽光垂直射入菲涅爾透鏡，光線會(huì)匯聚到一點(diǎn)，光耦合進(jìn)入塑料光纖，塑料光纖使光發(fā)生全反射傳輸?shù)街参锕S，經(jīng)過配光系統(tǒng)換成符合植物生長所需的光。

國內(nèi)近幾年也有類似系統(tǒng)的問世，如南京杰特新能源有限公司研發(fā)的類似產(chǎn)品，它的總受光面積0.12m2，滿足10m2的房間照明。

2.1 太陽光追蹤裝置

是一種能自動(dòng)使菲涅爾透鏡對(duì)準(zhǔn)太陽，采集光并導(dǎo)入光纖系統(tǒng)并傳遞到植物工廠的裝置，太陽光采集系統(tǒng)跟著太陽位置變化而變化。若保證太陽光始終垂直入射其鏡面，陽光利用率就提高很多，太陽光的匯聚后形成高亮度高溫度的光斑，要考慮散熱，它的使用壽命一般在20年以上。

2.2 太陽光導(dǎo)入裝置

亞克力球罩：它能很好地保護(hù)內(nèi)部光組件，也能夠達(dá)到自我清潔。

筒座：將整個(gè)光收集系統(tǒng)固定起來，使得系統(tǒng)在穩(wěn)定的環(huán)境中運(yùn)行。筒座設(shè)有全球定位系統(tǒng)和微機(jī)控制程序。在安裝系統(tǒng)之前，安裝預(yù)定程序，輸入當(dāng)?shù)亟?jīng)度緯度信息可實(shí)時(shí)跟蹤太陽位置，控制電機(jī)的升降和位移，使裝置可對(duì)準(zhǔn)太陽，獲得光。自動(dòng)跟蹤經(jīng)GPS定位后，傳感器測出太陽方位，將數(shù)據(jù)傳到處理器里，處理器與模型對(duì)比后，輸出信號(hào)控制機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)太陽。當(dāng)太陽被遮住后，仍通過內(nèi)置的程序算出太陽，保證太陽一旦出云，實(shí)現(xiàn)聚光工作。夜間復(fù)位，等待第二天。

聚光組件：聚光組件的功能是聚焦陽光，將通過透鏡的陽光的焦點(diǎn)與光纖連接起來，并實(shí)現(xiàn)紫外線濾光器的裝置。

非球面透鏡光線經(jīng)過之后能匯聚到一點(diǎn)上，因?yàn)榍拾霃诫S著中心軸不斷變化，經(jīng)過設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)，可以消除球面像差。采用菲涅爾透鏡，因?yàn)樗哂袃?yōu)良的光學(xué)特性，聚光效果好，能提高單位面積上的光通量。依據(jù)光的可逆性將匯聚在焦點(diǎn)的光通過合適位置放置光學(xué)器件，能把高亮度的光調(diào)整為平行光。

菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)是一圈圈的螺紋齒狀，一邊平整一面刻錄條紋，考慮反射損失和制造缺陷后，在實(shí)際測量中通光率90%以上，匯聚率75%-80%，

將大面積的陽光聚焦壓縮至1.5萬倍，精確地將聚焦后的高強(qiáng)光射入透鏡焦點(diǎn)位置處的光纖入口。

有害陽光頻譜的分離：通過光纖入口精確定位使透鏡對(duì)不同波長的光焦距不同的原理，將自然界中具有放射性射線進(jìn)行分離，保持一定的紅外輻增熱和1/2160的紫外線

經(jīng)過過濾的光線和光纖入口處需要高精度對(duì)焦，以濾除紫外線和紅外線，減少光強(qiáng)損失入射的光斑必須小于光纖入口的孔徑，以實(shí)現(xiàn)光在光纖的全反射

2.3 傳導(dǎo)光的裝置

光纖：光纖核心部分是高折射率高透明的內(nèi)芯與低折射率的外芯。我們已經(jīng)知道光的透射元件是利用全內(nèi)反射機(jī)制來制作的，光經(jīng)過折射率高的介質(zhì)以高于臨界角的角度進(jìn)入低折射率的介質(zhì)會(huì)發(fā)生全反射，光在這個(gè)介質(zhì)維持光波形的特性，光傳輸?shù)耐ǖ谰褪歉哒凵渎实慕橘|(zhì)，而低折射率的外芯充當(dāng)?shù)驼凵渎实慕橘|(zhì)，防止光的溢出，構(gòu)成全反射的條件。最外層加保護(hù)層，保護(hù)外芯和內(nèi)芯不受損壞，也增加光纖的強(qiáng)度。為了使大功率植物光信息和光合作用的光傳輸?shù)街参锕S，可以將大量光纖捆在一起合成光纖束，滿足需求。

光纖的選?。簩?dǎo)光光纖要求對(duì)太陽光的可見光光譜段有極高的傳輸通過率。聚合物光纖PMMA的芯層是高折射率的聚合物，包層是較低折射率聚合物，塑料光纖具有不發(fā)熱，質(zhì)軟可彎曲，價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。目前，能做到傳輸損耗為0.2db/m。一種新的塑料光纖蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的空芯布拉格材質(zhì)能將光纖損耗降低到104-106分之一，傳輸光的波段信息是0.4-1000μm，將可能成為普遍使用的導(dǎo)光纖維。

石英光導(dǎo)纖維也取得突破性進(jìn)展，高純度大直徑石英光導(dǎo)實(shí)現(xiàn)3km只有0.001%的衰減。

連接處需彎曲的地方采用塑料光纖，遠(yuǎn)距離傳輸用石英光纖，可減少中途損耗，又保證使用的方便，便于安裝。

在光線聚焦之前安裝一個(gè)濾光片，能將植物有害的紫外線和紅外線濾除，降低聚焦光斑的溫度，以防對(duì)光纖入口的損害，延長光纖使用壽命。

隨著塑料光纖的技術(shù)成熟，成本大幅度下降，大批量采用光纖成為可能，大數(shù)值孔徑光纖也成熟，降低了光纖耦合的難度。

陽光透過菲涅爾透鏡如圖，紫外線的焦點(diǎn)在光集中點(diǎn)的左側(cè)，紅外線焦點(diǎn)在光集中點(diǎn)的右側(cè)，光導(dǎo)纖維可恰好置于這倆焦點(diǎn)之間，可同時(shí)過濾掉紫外線與紅外線

2.4 放射裝置

采光器漫射器均采用可回收的亞克力材料制成。漫射器采用菲涅爾透鏡技術(shù)，將光線均勻地滿射到植物上方。當(dāng)沒有安裝燈具時(shí)從光纖里58度的角度射出，照度可達(dá)1000lx。若檢測光照不足，輔助補(bǔ)償光源則控制LED電路驅(qū)動(dòng)電路連接電源，實(shí)現(xiàn)照明補(bǔ)光智能調(diào)光控制。當(dāng)天氣陰雨時(shí)根據(jù)光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)輔助補(bǔ)償光源的亮度與閉合。

放射裝置可設(shè)置不同的方向照射植物如垂直向下照射、側(cè)面照射等，可加大受光面積，達(dá)到增產(chǎn)增效目的。

2.5 儲(chǔ)光裝置

由于地球白夜交替和陰雨特殊變化，如果系統(tǒng)進(jìn)入夜間或陰天照明，它必須有一個(gè)光存儲(chǔ)裝置來存儲(chǔ)光能。一般是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電，但可充電電池會(huì)造成環(huán)境污染。如果能創(chuàng)建一個(gè)像電池一樣的“光池”，可以暫時(shí)儲(chǔ)存光能，它可以用作太陽能光纖夜光系統(tǒng)的光源，并且可以與照明LED光源分開，互相補(bǔ)光就很有應(yīng)用價(jià)值。長余輝發(fā)光材料是在照亮?xí)r吸收和儲(chǔ)存激發(fā)能量。在停止激發(fā)之后，所存儲(chǔ)的能量可以以光的形式逐漸和連續(xù)地發(fā)射。

在長余輝材料設(shè)計(jì)太陽能光存儲(chǔ)系統(tǒng)中，存儲(chǔ)的太陽能存儲(chǔ)在余輝材料中。在夜間發(fā)光的方法可能彌補(bǔ)太陽能光纖照明系統(tǒng)的缺點(diǎn)。

3 光合作用與光纖照明植物的關(guān)系

3.1 太陽光譜及各色光的作用：太陽光對(duì)植物的作用

生理輻射指被植物葉片吸收的且被光合作用利用的那部分光能。在光譜段300～800nm中，是植物生理有效輻射，對(duì)植物的色素生物合成、光周期現(xiàn)象、向光性、光形態(tài)建成等生理作用。

400～700nm是光合有效輻射，是植物進(jìn)行光合作用的能量來源。在生理輻射中，植物吸收的光大約有60%～65%，其中主要吸收610～720nm是紅橙光，占生理輻射55%左右，紅光主要集中在630～660nm，作用是促進(jìn)植物開花結(jié)果，使植物的鮮質(zhì)量和株高增高，在紅光的環(huán)境里生長速度提高40%以上。次要吸收波長是400～510nm的藍(lán)紫光，藍(lán)光集中在450～470，可幫助植物莖和葉的生長，使株苗加粗，卉若生長在藍(lán)光量是自然界中藍(lán)光的2倍，生長會(huì)提高50%～70%，占生理輻射8%左右，吸收很少的是黃綠光510～610nm；

310～400nm是近紫外輻射，其中短波區(qū)有些是有害的，但長波區(qū)是有益的，能夠促進(jìn)生長發(fā)育，使果實(shí)或葉片著色，也會(huì)促進(jìn)合成花青素等黃酮物質(zhì)，黃酮類物質(zhì)有抗氧化維持健康功效，小于300nm的高強(qiáng)度紫外線對(duì)植物生長發(fā)育有害，

700～800nm是遠(yuǎn)紅輻射，它們會(huì)參與光形態(tài)建成和二次代謝物質(zhì)生產(chǎn)；800mm以上的是紅外輻射，只能對(duì)植物有加熱影響。

3.2 光纖燈與LED組合

目前LED光源對(duì)植物生長尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。LED燈和光纖燈一樣都是冷光源，可貼近植物照射，空間利用率高，LED的光譜可按植物生長發(fā)育需求進(jìn)行調(diào)制，植物培育光源的選擇，對(duì)與植物有效波長吻合的越好。從目前發(fā)達(dá)國家民用消費(fèi)市場分析看，一束太陽光導(dǎo)入系統(tǒng)光照度相當(dāng)于500瓦電燈的照度LED特質(zhì)波長光源技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但不同學(xué)者研究結(jié)論有所不同，有學(xué)者認(rèn)為紅光或藍(lán)光配比的光質(zhì)有利于植物的生長，葉促進(jìn)植物的生長，也顯著促進(jìn)維生素C的積累，也有學(xué)者認(rèn)為藍(lán)光更有利于生菜品質(zhì)的提高，應(yīng)用測試表明，LED農(nóng)業(yè)照明光源非常適合植物生長、開花、結(jié)果。LED作為唯一光源有成功的例子，如日本的生菜、小白菜等工廠化生產(chǎn)取得了成功.它的缺點(diǎn)在于并沒有按照植物需求供光，藍(lán)紫光在一定的條件下會(huì)促進(jìn)植物生長，也僅僅限于植物開花，莖葉的生長，只對(duì)葉菜類植物有用，但全光譜的光才使植物健康生長。于是，光纖燈與LED組合就互補(bǔ)了各自缺點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)?？紤]到陰雨天氣太陽光照強(qiáng)度弱，我們?cè)诠饫w的散射器里增加了 LED燈形式的植物生長燈，植物邊緣合適位置安裝光傳感器，通過獲取光的強(qiáng)弱數(shù)據(jù)來改變 LED燈的亮度，可以在植物生長關(guān)鍵期內(nèi)補(bǔ)光，這樣在植物生長關(guān)鍵期能夠正常生長，從而不耽擱植物，使效益達(dá)到最大化。

優(yōu)點(diǎn)在于能近距離照射植物，也可以根據(jù)植物各個(gè)生長得的階段需求，通過預(yù)先設(shè)置的程序控制對(duì)植物最有益的紅藍(lán)組合LED的強(qiáng)弱和時(shí)間。

一天任何時(shí)間都能補(bǔ)光，在霧天或冬季可延長光照時(shí)間，只需要簡單的設(shè)定就能讓補(bǔ)光燈每天自行啟動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)光，也能智能化調(diào)控補(bǔ)充紅藍(lán)光方法轉(zhuǎn)光膜法，添加有機(jī)稀土化合物的塑料薄膜，能將綠光轉(zhuǎn)化為紅光和藍(lán)光。

4 結(jié)語

光纖式陽光導(dǎo)入系統(tǒng)是新興的照明系統(tǒng)，在國內(nèi)剛剛起步，還沒有應(yīng)用到農(nóng)業(yè)大生產(chǎn)中，它的農(nóng)業(yè)應(yīng)用將打破光照不足對(duì)植物減產(chǎn)影響。光纖式陽光導(dǎo)入系統(tǒng)顛覆傳統(tǒng)觀念，開辟了一條新的農(nóng)業(yè)照明之路，應(yīng)用在多層無土栽培工廠上，大大提高單位面積產(chǎn)量，但一個(gè)確定非常明顯，那就是采光面積大，植物工廠只能應(yīng)用在光資源利用低的地方。如果應(yīng)用在荒漠戈壁，增加了可利用的耕地面積；如果應(yīng)用在城市中心，采光設(shè)備安裝在樓頂，可將大面積閑置資源利用起來，也增加了市民的蔬菜供應(yīng)；若應(yīng)用在航天領(lǐng)域，探索星球過程中，可過濾掉宇宙射線，留下有益的光波，可提供一套完美的生態(tài)系統(tǒng)解決方案，為人類資源緊缺提供了可行的解決途徑，具有深遠(yuǎn)的意義。（論文內(nèi)容需提供在結(jié)題報(bào)告里，供專家結(jié)題驗(yàn)收，別無他用）。

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