通過現(xiàn)代光學(xué)干涉濾波原理，劉文團(tuán)隊提出并發(fā)展了一種具有選擇性的薄膜。
通過現(xiàn)代光學(xué)干涉濾波原理，劉文團(tuán)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(nóng)直通車綜合報道：9月，在G20杭州峰會舉辦的同時，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(jì)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、開花、結(jié)果和育種所需的約10%的可見光，同時將剩余80%以上的光通過槽形發(fā)光器進(jìn)行反射，集中到一塊標(biāo)準(zhǔn)的太陽能電池板上，再產(chǎn)電。”作為中國科技創(chuàng)新的16個典型案例之一，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院的“農(nóng)作物智能光照技術(shù)”在節(jié)目中被詳細(xì)報道。
在節(jié)目中，中國科學(xué)院院士褚君浩評價認(rèn)為，這是一個重要創(chuàng)新，對于解決能源和環(huán)境問題具有重要意義。
“這個項目從產(chǎn)業(yè)化角度看仍處于早期，卻是一個原創(chuàng)性強、可行性高、意義重大的項目。”近日，農(nóng)作物智能光照技術(shù)項目負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院（以下簡稱中國科大先研院）副總工程師劉文在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時說。
分離農(nóng)作物生長所需太陽光
“事實上，農(nóng)作物生長所需的光僅約占太陽光的10%。”劉文在節(jié)目中介紹，植物對光的吸收除了在650+/-20nm的紅光和440+/-20nm的藍(lán)光之外，其他都很少，總共大約只占太陽光譜同時，不同植物需要吸收的光照是不同的。“比如西紅柿的生長需要吸收的紅光要大于藍(lán)光，比例約為9：1。”劉文舉例道。
由于每種植物的最佳生長都只需要吸收特定范圍的光譜，劉文及其團(tuán)隊的思路是測量出不同植物吸收的光譜，然后根據(jù)光譜數(shù)值設(shè)計光譜比，利用獨特的薄膜技術(shù)分離太陽光譜，讓每種植物類群能夠精確吸收其生長所需的光譜。
他們提出并發(fā)展了一種能選擇性地透過紅光和藍(lán)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，通過調(diào)控每層薄膜的折射率和厚度，不同波長的光會在不同折射率的界面處干涉疊加，最終只能使特定波長的光透過薄膜，其余部分光反射。
據(jù)了解，這種薄膜采用石化行業(yè)副產(chǎn)品（聚酯類）制作，成本低、附加值高、性能穩(wěn)定。現(xiàn)有樣品不僅可以把光合作用有效光輻射（紅、藍(lán)光）分離出來，并且經(jīng)過500小時100攝氏度開水長期蒸沸、紫外輻照等實驗，沒有發(fā)現(xiàn)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(shè)完成了一個實際示范及實驗系統(tǒng)，已經(jīng)完成了經(jīng)過人工選擇陽光條件下和普通光照條件下三種農(nóng)作物（黃瓜、竹葉菜、生菜）生長情況的對比實驗，植物主要生理參數(shù)（可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、根活躍吸收面積）測試結(jié)果表明：在3—5月份等光照充足的春季使用濾光膜對農(nóng)作物生長有好處，可以幫助實現(xiàn)作物增收、改善作物品質(zhì)等。值得一提的是，實驗中農(nóng)作物不僅接受透過多層干涉濾光膜的紅藍(lán)光，還有全光譜的漫散射太陽光（約占15%光能）。
不僅僅為植物提供光照
這項技術(shù)能實現(xiàn)的不僅僅是為植物生長提供所需的光照。
在節(jié)目中，劉文展示了實驗室中溫室設(shè)備及其頂部結(jié)構(gòu)，通過薄膜技術(shù)分離植物生長所需的約10%的太陽光的同時，剩余80%以上的光通過槽形發(fā)光器進(jìn)行反射，集中到一塊標(biāo)準(zhǔn)的太陽電池板上，用于發(fā)電。
“這個設(shè)備巧妙高效地將光能利用起來，否則這些光就會照射到地面上造成浪費。”Discovery節(jié)目如是評價該發(fā)明在能源利用方面的重要意義。
劉文告訴記者，與過去國內(nèi)外光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)由簡單的幾何分光或者強度分光升級到光譜分光，在實現(xiàn)光伏發(fā)電的同時，還優(yōu)化了植物生長光照條件，可以使太陽能的利用“最大化”。
從實際示范及實驗系統(tǒng)的效果來看，在5月中旬晴朗天氣條件下，中午時間單位面積發(fā)電能力已經(jīng)達(dá)到87瓦/平方，水蒸發(fā)減少了40%。
實際上，光伏農(nóng)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(guī)模的應(yīng)用。
“但是現(xiàn)有光伏農(nóng)場及光伏植物大棚都沒有很好地解決農(nóng)作物光照需要與發(fā)電的矛盾。”劉文說，從這一點上來看，農(nóng)作物智能光照技術(shù)則是一種可以實現(xiàn)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(nóng)戶成倍提高收入的一個新生產(chǎn)模式。
應(yīng)用前景可期
除了實現(xiàn)種植和光伏發(fā)電“兩不誤”，該發(fā)明還有兩大優(yōu)點：第一，通過光照條件智能調(diào)控，農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)性可以顯著提升，可以幫助農(nóng)民進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)收入；第二，可以大幅度節(jié)約農(nóng)業(yè)灌溉用水，預(yù)計節(jié)約灌溉用水40%以上。
劉文及其團(tuán)隊研制的智能光伏項目已經(jīng)申請了8項專利，2015年在上海召開的第九屆國際太陽能產(chǎn)業(yè)及光伏工程展覽會暨會議SNEC(2015)上，經(jīng)過嚴(yán)格的專業(yè)評委評選，中國科大先研院提出的新型農(nóng)業(yè)光伏系統(tǒng)解決方案獲得十大亮點吉瓦級金獎，并同時榮獲2015APVIA亞洲光伏—科技成就獎。另外，該項目還獲得了第43屆日內(nèi)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。
“客觀條件上，中國人均土地資源、人均水資源匱乏，發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)（農(nóng)場），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(nèi)各級政府農(nóng)村扶貧的一個重要內(nèi)容。”劉文說。
目前，智能光伏系統(tǒng)仍處于前期示范階段，中等規(guī)模量產(chǎn)還需要具體實踐。從示范工程來看，采用這種智能光伏系統(tǒng)發(fā)電，每瓦成本約9.8元。相比之下，傳統(tǒng)光伏和光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)發(fā)電每瓦成本分別為6.5元和8元。
劉文告訴記者，如果實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，其成本還可以進(jìn)一步降低20%以上，同時每畝發(fā)電量可以再增加20%以上。“相當(dāng)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(nóng)地與光伏用地不能兼容的問題，劉文表示，該項目今后可以在人口稠密的京津冀農(nóng)村、中東部地區(qū)農(nóng)村大面積推廣。可能對于落實國家新能源“十三五”發(fā)展規(guī)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年時間改造河南、河北及中東部地區(qū)約4000萬畝耕地為新型光伏農(nóng)場，則每年需投資6000億元。
如果4000萬畝新型光伏農(nóng)場最終成為現(xiàn)實，那么，正如節(jié)目中所說，這將成為“瘋狂”的綠色科技。“這些農(nóng)場每年發(fā)電量相當(dāng)于12個三峽電站，所節(jié)約的水蒸發(fā)還相當(dāng)于新建立了一個南水北調(diào)中線工程。”劉文說。
劉文介紹說項目組多個成員家在農(nóng)村，大家夢想我們發(fā)展的技術(shù)能夠幫助更多農(nóng)戶實現(xiàn)“金山銀山”和“綠水青山”雙豐收。
