近日，設施所設施農業新技術團隊在國際知名期刊Renewable Energy（中科院工程技術一區top，IF=9.1）上發表了題為“A novel spectral-splitting solar greenhouse roof with air-flowed containing particles between double covering: Experimental results and modeling”的研究論文。該研究利用顆粒與載熱流體對太陽輻射選擇性吸收特性，實現了太陽光的分頻利用，有效提升了溫室的光溫調控效果與太陽能的全光譜利用效率。

　　太陽光譜可根據其農業應用分為兩類：植物作用光譜（PAS, 300~800 nm）與熱作用光譜（HAS, 800~1500 nm）。PAS是植物光合作用的能量來源，而HAS進入溫室則會導致室內溫度過高，對植物生長產生不利影響。因此，在HAS進入溫室前將其阻擋並再利用，對於降低溫室能耗、實現太陽能的高效全譜利用至關重要。

　　研究團隊提出了一種新型雙層膜溫室覆蓋層。該結構由普通大棚膜與分光膜構成中空夾層，並在其中循環黑色輕質聚乙烯顆粒。通過這種設計，顆粒可吸收被分光膜反射的熱作用光譜（HAS），同時讓植物作用光譜（PAS）透射至室內供植物生長，從而實現太陽能的分頻利用。

雙層膜夾持氣流顆粒工作示意圖

　　結果表明，該氣流顆粒光譜分頻裝置能有效透過PAS並吸收HAS，在保障植物正常生長的前提下，顯著降低了夏季的降溫能耗，其吸收HAS產生的熱量還可為溫室日常運行提供能源。此外，在冬季夜間向夾層填充顆粒，能大幅提升覆蓋層的保溫性能。計算分析得到，采用此設計的溫室可分別降低冷負荷與熱負荷達32%與18%。這些結果為節能溫室的設計提供了有效的解決方案。

雙層膜夾持氣流顆粒光熱性能

　　此外，該團隊聚焦於光譜分頻技術，創新性地采用納米流體作為分頻介質。該方案能為植物生長提供適宜的光環境，有效降低炎熱季節的溫室溫度，同時將收集的熱量進行再利用，從而實現了太陽能的全光譜高效利用。此項研究為發展“農-光-熱”兼容互補的新模式提供了創新思路。

納米流體光譜分頻工作示意圖

　　為評估納米流體光譜分頻器的應用效果與植物生長響應，開展了植物栽培與係統光熱試驗，並對其能量性能進行了分析驗證。結果表明，該分頻器對PAS的透過率與對HAS的吸收率分別達到79.56%和75.78%。在此性能下，它能將室內冠層氣溫與植物葉片表麵溫度分別顯著降低7.5℃和8.7℃，並使太陽能利用總效率提升至73.6%。

納米流體光譜分頻光熱性能

　　上述研究成果已以題為“Experimental investigation of full solar spectrum utilization based on nanofluid spectral splitter for greenhouse applications”和“Balancing energy harvesting and crop production in a nanofluid spectral splitting covering for an active solar greenhouse”正式發表於國際知名期刊Energy Conversion and Management（中科院工程技術一區TOP，IF₂₀₂₂=10.4）和Energy（中科院工程技術一區TOP，IF₂₀₂₃=9.0）。

　　本係列研究成果獲得了審稿人的高度評價，認為“作者在該領域作出了重大貢獻”。上述論文的第一作者均為設施所袁餘博士。研究工作得到了國家重點研發項目（2022YFB3604604）、國家自然科學基金項目（51806244）、農業農村部重點實驗室開放課題（2011NYZD2205）、必威betways 科技人才引進專項資金項目（R2022YJ-YB3020）、廣東省鄉村振興戰略專項（粵農農技[2024]68號）等多個項目的聯合資助。

　　原文鏈接：

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148125021627?via%3Dihub

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890422000115?via%3Dihub

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544223011003?via%3Dihub