新农民技术贴（四）——植物工厂中的太阳能应用

近年来，我国的温室面积不断扩大，科技不断成熟，温室产业正在逐步实现规模化、智能化高效生产，然而，与设施农业发达国家相比，国内温室产业的发展仍然在路上。我们在温室节能技术贴中提到过，大型连栋温室的普及和温室产业的发展很大程度上限制于能源消耗量过大，可再生能源的开发利用则可以缓解这一困境，本文我们把目光聚焦于太阳能在温室产业的利用。

关于太阳能利用的背景

人类对太阳能的利用可以追溯到三千年前，而我国早在两千多年前的战国时期，人们就懂得利用铜制四面镜聚焦太阳光来点火，但人类将太阳能作为新能源开发利用的历史则短得多。

最初，太阳能研究的重点是太阳能动力装置，通过聚光加热产生的蒸汽推动发动机运转；20世纪70年代出现了太阳能的研究的热潮，太阳能光电池的发明使更多人看到了太阳能这种新能源的前景，各国政府也加大投资与政策支持发展太阳能；至今，太阳能是地球上开发利用最广泛的可再生能源。

以太阳辐射为推进动力的太阳能飞机。图：ofweek.com

太阳能分布广泛，用之不竭，是目前可再生能源种类中开发成本最低、最易普及和推广的清洁能源之一。而在当今全球气候变化、大气严重污染、化石能源面临枯竭的情况下，对太阳能的发展利用是各国实现低碳能源转型、保证能源供应，以及发展循环经济的重要措施。

太阳能指的是太阳光中蕴含的光能与热能，这两种存在形式的能量使得太阳能的利用便于操作且多样。除了用于发电，太阳能在许多领域都有着广泛的应用。设施园艺作为高密度耗能产业，对太阳能的开发利用也是由来已久，毕竟温室本身就是太阳能光能和热能最直接的利用方式，这也是人类最早将太阳能应用于温室的方式。

美国最古老的温室花房，位于旧金山金门公园。图：conservatoryofflowers.org

随着科技的快速发展，温室产业对太阳能的利用出现了多样化的形式。我国的温室产业主要包括大型连栋温室、日光温室和大棚，由于大棚和日光温室结构简易，受到技术限制，太阳能利用形式也相对有限；而大型连栋温室实现了技术融合，太阳能利用的多种先进技术也被利用在温室生产的方方面面，包括温室加温、温室用电、除虫、灌溉等等。

太阳能利用的形式

太阳能 & 温室加温

在农业领域，将太阳能转化为热能进而加以利用的做法可以追溯到我国古代，人们利用太阳辐射产生的热能来干燥农副产品；如今，太阳辐射产生的热能被大量运用于温室的加温。大型连栋温室的特殊结构造成了它对温室加温方面的高需求，冬季温室内温度过低，夜间则低温更严重，利用太阳能为温室加温可以大量节约能源，它主要有两种利用方式，主动利用和被动利用。

被动利用，顾名思义，它利用太阳自身产生的热量来加热物体，我们每个人都经历过被动太阳能发热——当我们在阳光明媚的夏日正午钻进车里时所感受到的高温正是来自被动的太阳能发热。人们被动利用太阳能发热的方式是通过调整目标加热物体的位置、结构等特性来实现的，温室建造中采用透光率高的覆盖材料使室内接收更多的太阳辐射就是其中的一种。

夏天太阳辐射造成的车内高温。图：sznews.com

利用太阳辐射产生的热能的一个重要方式是依靠介质进行热传递和热交换，可以通过太阳辐射加热介质，然后储存起来在夜间或者温室温度过低时给温室加温，这些介质可以是水、土壤、或者其他特殊材料。其中，特殊材料储存热量的能力最高，这些特殊材料吸收热量之后会发生固态到液态的形态转化，而当周围温度低于某个值时再由液态转为固态，这种不同形态之间的转换我们叫作变相，而这类特殊材料被称为相变材料，常见的有水合盐和蜡质相变材料。温室中利用相变材料吸收太阳辐射产生的大量热能，通过它们变相过程中吸收或释放这大量的热能来实现理想的热交换。

常见的相变材料，石蜡和水合盐，当达到一定温度时会变为液态。图：114pifa.com

被动的太阳能发热对加热过程不加任何干预，相比之下，主动的太阳能利用则采取积极的手段强化太阳能加热过程。由于太阳能比较分散，为了更有效地利用太阳能，需要设法把它集中起来，太阳能集热器就是集中吸收太阳辐射，把它转化为热能的一种装置，它实现了更高效的太阳能利用。虽然，太阳能集热器或许对许多人来说是一个陌生的名词，但它却是许多太阳能热利用技术的关键部分——我们生活中的太阳灶、太阳能热水器，乃至温室中的主动式太阳能储热系统都离不开它。

小时候玩儿过透镜聚光烧蚂蚁吗？太阳光中蕴含着大量热能，聚在一起就形成了极大的能量

在温室中，一般是利用太阳能集热器加热传热介质然后通过传热介质在系统内的循环，加热储热介质，将热量储蓄起来。由于传热介质的热能密度限制，温室中常使用热泵（热泵可以利用电力，将热量从低温物体传向高温物体）来提高传热效率，从而使储热介质储蓄更多的热量。在夜间室内气温较低的时候，则再次循环传热介质，将储热介质内的热量释放到室内，提高室内空气温度。  

太阳能加热温室的原理示意图。

主动式的太阳能温室加温有多种方法，它们主要区别于传热介质和储热介质的不同，目前常见的有用水作为传热介质和储热介质，或者用空气作为传热介质，用土壤、相变材料等作为储热介质。

太阳能 & 光伏发电

太阳能电池板。图：16sucai.com

光伏发电是20世纪90年代起在我国迅速兴起的一种太阳能利用技术。 现有光伏组件的转换效率仅为 14%~18%，且光伏发电需要大量的土地面积，因此近几年光伏发电的发展遭遇了一定的瓶颈；温室屋面结构十分适宜安装太阳能电池板,利用温室进行光伏发电可以节约用地，又能提供温室用电，提高温室的综合效益，这些因素促成了光伏发电与温室产业的结合，近年来光伏温室开始在国内逐步兴起。

光伏温室。图：tianfon.com

然而，光伏温室最大的缺陷是遮光，在温室屋面铺设光伏电板会造成室内光照减少一半以上，造成产量的显著降低，相关研究者提出改变光伏组件在屋面的排列方式，设计新型温室结构，开发透光率高的新型光伏材料等方式来改善遮光现象，一些有趣的发明和设计也就应运而生了。意大利图西亚大学的Marucci 和Cappuccini 针对光伏组件在室内形成阴影严重的问题提出了一种新的光伏温室结构，温室屋顶的光伏组件可以根据太阳高度角和强度的变化自动旋转，尽可能减小光伏组件在室内的阴影。

加州大学圣克鲁斯校区内的新型太阳能温室。图：news.ucsc.edu

这是美国加州出现的新型太阳能温室，它利用了一项新的发电技术，波长选择光伏系统(Wavelength-Selective Photovoltaic Systems, WSPVs)，比传统的光伏发电技术更高效、更节能。温室屋顶的透明材料被涂上了洋红色的发光染料，这种染料可以吸收光能并将能量转移到用来发电的光伏条上。WSPVs选择性吸收部分蓝光和绿光而其他颜色的光可以射入温室，供植物生长用，在发电的同时并不影响植物的生长。

光伏温室产生的电能可以被用于温室生产的方方面面，包括温室控温、温室灌溉、温室照明等等，与此相关的太阳能在温室中的应用这里不再一一赘述。

太阳能 & 温室杀虫

大型连栋温室采用无土栽培，在很大程度上规避了病虫害对植物的侵扰，然而病虫害的来源不仅仅是土壤，人、空气、水都有可能成为病虫害的来源，而且温室内适宜的温度湿度对虫害的发生十分有利；大多采用土壤栽培的日光温室更不必赘述，虫害更是限制产量的一大因素。太阳能杀虫是一种高效节能且安全环保的温室杀虫技术，对于露地、大棚、温室等不同生产方式都适用，目前，更多地被用于露地生产。  

太阳能灭虫灯。图：bioon.com.cn

借鉴了黑光灯的基本原理，太阳能灭虫灯利用昆虫对特殊波段光辐射十分敏感的特征灭虫。它采用弱光性太阳能电池板，白天将太阳能转化为电能储存起来，夜间利用储存的电能释放人眼不可见的长波紫外光（波长为320～400nm），具有趋光性的昆虫便被有效杀灭。

飞蛾扑火，是昆虫趋光性的典型例子。图：p.baidu.com

太阳能 & 温室水处理

太阳能在水处理方面的应用多种多样，常见的有太阳能污水处理和太阳能海水淡化技术。

太阳能净化淡水原理示意图。图：nfo.water.hc360.com

太阳能海水淡化采用的是特殊设计的蒸馏装置利用太阳能作为动力进行海水蒸馏。太阳能污水处理系统则利用太阳能为污水曝气增氧提供动力。目前，温室中水处理方面太阳能的利用并不常见。温室中的无土栽培营养液的循环利用是关键，在植物工厂的水培系统一文中提到过，利用纳米二氧化钛光催化法可以去除循环液中植物自毒物质，太阳辐射具有很强的催化作用，可以催化氧化作用的发生，将来，也许结合利用太阳能与纳米二氧化钛可以开发出节能、高效的无土栽培营养废液处理技术。

太阳能 & 温室灌溉

农业上利用太阳能水泵进行灌溉，可以达到节约能源，缓解电力供应紧张，保护环境的作用，独立用于水泵的太阳能电池板一般应用于农田灌溉，温室中的灌溉用电则可以依靠温室屋面统一的光伏电板产生的电力。

在天气寒冷的时节，日光温室的灌溉用水往往温度比较低，灌溉水温过低会影响植物对水分与营养的吸收，甚至导致冻害的发生。利用太阳能快速加热灌溉用水很好地解决了这个问题，原理是用太阳能集热器加热储热水管，再用储热水管内的热水与低温的灌溉水进行热交换，就得到了温度适宜的灌溉水。

植物工厂是一个非常现代的技术集成，它的发展很倚重整个社会的技术积累。近年来我国在太阳能领域的快速发展给植物工厂太阳能领域提供了丰富的技术储备；而植物工厂也为太阳能利用提供了更丰富的场景和市场，尤其是近些年太阳能在市场应用上遇到的挫折之后，设施农业为太阳能应用提供了更广阔的发展可能性。