通過現代光學干涉濾波原理，劉文團隊提出并發(fā)展了一種具有選擇性的薄膜。

通過現代光學干涉濾波原理，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亞太電視網向全世界首播。

“它能夠分離植物萌芽、生長、開花、結果和育種所需的約10%的可見光，同時將剩余80%以上的光通過槽形發(fā)光器進行反射，集中到一塊標準的太陽能電池板上，再產電。”作為中國科技創(chuàng)新的16個典型案例之一，中國科學技術大學先進技術研究院的“農作物智能光照技術”在節(jié)目中被詳細報道。

在節(jié)目中，中國科學院院士褚君浩評價認為，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，農作物智能光照技術項目負責人、中國科學技術大學先進技術研究院（以下簡稱中國科大先研院）副總工程師劉文在接受《中國科學報》記者采訪時說。

分離農作物生長所需太陽光

“事實上，農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，基于多層介質膜干涉濾波理論和特殊的生產工藝，通過調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。

據了解，這種薄膜采用石化行業(yè)副產品（聚酯類）制作，成本低、附加值高、性能穩(wěn)定。現有樣品不僅可以把光合作用有效光輻射（紅、藍光）分離出來，并且經過500小時100攝氏度開水長期蒸沸、紫外輻照等實驗，沒有發(fā)現光學及其他物理、化學特性的變化。

劉文告訴《中國科學報》記者，目前中國科大先研院已經建設完成了一個實際示范及實驗系統，已經完成了經過人工選擇陽光條件下和普通光照條件下三種農作物（黃瓜、竹葉菜、生菜）生長情況的對比實驗，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有好處，可以幫助實現作物增收、改善作物品質等。值得一提的是，實驗中農作物不僅接受透過多層干涉濾光膜的紅藍光，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

這項技術能實現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備及其頂部結構，通過薄膜技術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)光器進行反射，集中到一塊標準的太陽電池板上，用于發(fā)電。

“這個設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，與過去國內外光伏農業(yè)系統相比，該系統由簡單的幾何分光或者強度分光升級到光譜分光，在實現光伏發(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)電能力已經達到87瓦/平方，水蒸發(fā)減少了40%。

實際上，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(guī)模的應用。

“但是現有光伏農場及光伏植物大棚都沒有很好地解決農作物光照需要與發(fā)電的矛盾。”劉文說，從這一點上來看，農作物智能光照技術則是一種可以實現種植與光伏發(fā)電“兩不誤”的創(chuàng)新方案。“種地+種電”可能成為廣大農戶成倍提高收入的一個新生產模式。

應用前景可期

除了實現種植和光伏發(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控，農作物經濟性可以顯著提升，可以幫助農民進一步提升經濟收入；第二，可以大幅度節(jié)約農業(yè)灌溉用水，預計節(jié)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申請了8項專利，2015年在上海召開的第九屆國際太陽能產業(yè)及光伏工程展覽會暨會議SNEC(2015)上，經過嚴格的專業(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)展光伏農業(yè)（農場），是土地資源匱乏國家提升土地資源利用率的一大舉措，也是目前國內各級政府農村扶貧的一個重要內容。”劉文說。

目前，智能光伏系統仍處于前期示范階段，中等規(guī)模量產還需要具體實踐。從示范工程來看，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，如果實現了批量生產，其成本還可以進一步降低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(qū)農村大面積推廣?？赡軐τ诼鋵崌倚履茉?ldquo;十三五”發(fā)展規(guī)劃中關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場，則每年需投資6000億元。

如果4000萬畝新型光伏農場最終成為現實，那么，正如節(jié)目中所說，這將成為“瘋狂”的綠色科技。“這些農場每年發(fā)電量相當于12個三峽電站，所節(jié)約的水蒸發(fā)還相當于新建立了一個南水北調中線工程。”劉文說。

劉文介紹說項目組多個成員家在農村，大家夢想我們發(fā)展的技術能夠幫助更多農戶實現“金山銀山”和“綠水青山”雙豐收。