新農民技術貼（四）——植物工廠中的太陽能應用
近年來，我國的溫室面積不斷擴大，科技不斷成熟，溫室產業正在逐步實現規模化、智能化高效生產，然而，與設施農業發達國家相比，國內溫室產業的發展仍然在路上。我們在溫室節能技術貼中提到過，大型連棟溫室的普及和溫室產業的發展很大程度上受限制於能源消耗量過大，可再生能源的開發利用則可以緩解這一困境，本文我們把目光聚焦於太陽能在溫室產業的利用。
關於太陽能利用的背景
人類對太陽能的利用可以追溯到三千年前，而我國早在兩千多年前的戰國時期，人們就懂得利用青銅製四面鏡聚焦太陽光來點火，但人類將太陽能作為新能源開發利用的歷史則短得多。
最初，太陽能研究的重點是太陽能動力裝置，通過聚光加熱產生的蒸汽推動發動機運轉；20世紀70年代出現了太陽能的研究的熱潮，太陽能光電池的發明使更多人看到了太陽能這種新能源的前景，各國政府也加大投資與政策支持發展太陽能；至今，太陽能是地球上開發利用最廣泛的可再生能源。
太陽能分布廣泛，用之不竭，是目前可再生能源種類中開發成本最低、最易普及和推廣的清潔能源之一。而在當今全球氣候變化、大氣嚴重污染、化石能源面臨枯竭的情況下，對太陽能的發展利用是各國實現低碳能源轉型、保證能源供應，以及發展循環經濟的重要措施。
太陽能指的是太陽光中蘊含的光能與熱能，這兩種存在形式的能量使得太陽能的利用便於操作且多樣。除了用於發電，太陽能在許多領域都有著廣泛的應用。設施園藝作為高密度耗能產業，對太陽能的開發利用也是由來已久，畢竟溫室本身就是太陽能光能和熱能最直接的利用方式，這也是人類最早將太陽能應用於溫室的方式。
隨著科技的快速發展，溫室產業對太陽能的利用出現了多樣化的形式。我國的溫室產業主要包括大型連棟溫室、日光溫室和大棚，由於大棚和日光溫室結構簡易，受到技術限制，太陽能利用形式也相對有限；而大型連棟溫室結合最先進的技術，對太陽能的利用形式則更加多樣。
太陽能利用的形式
太陽能& 溫室加溫
在農業領域，將太陽能轉化為熱能進而加以利用的做法可以追溯到我國古代，人們利用太陽輻射產生的熱能來乾燥農副產品；如今，太陽輻射產生的熱能被大量運用於溫室的加溫。大型連棟溫室的特殊結構造成了它對溫室加溫方面的高需求，冬季溫室內溫度過低，夜間則低溫更嚴重，利用太陽能為溫室加溫可以大量節約能源，它主要有兩種利用方式，主動利用和被動利用。
被動利用，顧名思義，它利用太陽自身產生的熱量來加熱物體，我們每個人都經歷過被動太陽能發熱——當我們在炙熱陽光的夏日正午鑽進車裡時所感受到的高溫正是來自被動的太陽能發熱。人們被動利用太陽能發熱的方式是通過調整目標加熱物體的位置、結構等特性來實現的，溫室建造中採用透光率高的覆蓋材料使室內接收更多的太陽輻射就是其中的一種。
利用太陽輻射產生的熱能的一個重要方式是依靠介質進行熱傳遞和熱交換，可以通過太陽輻射加熱介質，然後儲存起來在夜間或者溫室溫度過低時給溫室加溫，這些介質可以是水、土壤、或者其他特殊材料。
特殊材料儲存熱量的能力最高，這些特殊材料吸收熱量之後會發生固態到液態的形態轉化，而當周圍溫度低於某個值時再由液態轉為固態（最直觀的就是水蒸氣——水——冰這樣的形態變化），這種不同形態之間的轉換我們叫作變相，而這類特殊材料被稱為相變材料，常見的有水合鹽和蠟質相變材料。溫室中利用相變材料吸收太陽輻射產生的大量熱能，通過它們變相過程中吸收或釋放這大量的熱能來實現理想的熱交換。
被動的太陽能發熱對加熱過程不加任何干預，相比之下，主動的太陽能利用則採取積極的手段強化太陽能加熱過程。由於太陽能比較分散，為了更有效地利用太陽能，需要設法把它集中起來，太陽能集熱器就是集中吸收太陽輻射，把它轉化為熱能的一種裝置，它實現了更高效的太陽能利用。
太陽能集熱器或許對許多人來說是一個陌生的名詞，但它卻是許多太陽能熱利用技術的關鍵部分——我們生活中的太陽灶、太陽能熱水器，乃至溫室中的主動式太陽能儲熱系統都離不開它。
在溫室中，一般是利用太陽能集熱器加熱傳熱介質然後通過傳熱介質在系統內的循環，加熱儲熱介質，將熱量儲蓄起來。若傳熱介質的熱能密度較低，也可以使用熱泵來提高傳熱效率，確保儲熱介質能儲蓄較多的熱量。在夜間室內氣溫較低的時候，則再次循環傳熱介質，將儲熱介質內的熱量釋放到室內，提高室內空氣溫度。
主動式的太陽能溫室加溫有多種方法，它們主要區別於傳熱介質和儲熱介質的不同，目前常見的有用水作為傳熱介質和儲熱介質，或者用空氣作為傳熱介質，用土壤、相變材料等作為儲熱介質。
太陽能&光伏發電
光伏發電是20世紀90年代起在我國迅速興起的一種太陽能利用技術。現有光伏組件的轉換效率僅為 14%~18%，且光伏發電需要大量的土地面積，因此近幾年光伏發電的發展的並不好。
溫室屋面結構十分適宜安裝太陽能電池板,利用溫室進行光伏發電可以節約用地，又能提供溫室用電，提高溫室的綜合效益，這些因素促成了光伏發電與溫室產業的結合，近年來光伏溫室開始在國內逐步興起。
然而，光伏溫室最大的缺陷是遮光，在溫室屋面鋪設光伏電板會造成室內光照減少一半以上，造成產量的顯著降低，相關研究者提出改變光伏組件在屋面的排列方式，設計新型溫室結構，開發透光率高的新型光伏材料等方式來改善遮光現象，一些有趣的發明、設計也就應運而生了。
義大利圖西亞大學的Marucci和Cappuccini針對光伏組件在室內形成陰影嚴重的問題提出了一種新的光伏溫室結構，溫室屋頂的光伏組件可以根據太陽高度角和強度的變化自動旋轉，儘可能減小光伏組件在室內的陰影.
這是美國加州出現的新型太陽能溫室，它利用了一項新的發電技術，波長選擇光伏系統(Wavelength-SelectivePhotovoltaic Systems, WSPVs)，比傳統的光伏發電技術更高效、更節能。溫室屋頂的透明材料被塗上了洋紅色的發光染料，這種染料可以吸收光能並將能量轉移到用來發電的光伏條上。WSPVs選擇性吸收部分藍光和綠光而其他顏色的光可以射入溫室，供植物生長用，在發電的同時並不影響植物的生長。
光伏溫室產生的電能可以被用於溫室生產的方方面面，包括溫室控溫、溫室灌溉、溫室照明等等，與此相關的太陽能在溫室中的應用這裡不再一一贅述。
太陽能& 溫室殺蟲
大型連棟溫室採用無土栽培，在很大程度上規避了病蟲害對植物的侵擾，然而病蟲害的來源不僅僅是土壤，人、空氣、水都有可能成為病蟲害的來源，而且溫室內適宜的溫度濕度對蟲害的發生十分有利；大多採用土壤栽培的日光溫室更不必贅述，蟲害更是限制產量的一大因素。太陽能殺蟲是一種高效節能且安全環保的溫室殺蟲技術，對於露地、大棚、溫室等不同生產方式都適用。
借鑒了黑光燈的基本原理，太陽能滅蟲燈利用昆蟲對特殊波段光輻射十分敏感的特徵滅蟲。它採用弱光性太陽能電池板，白天將太陽能轉化為電能儲存起來，夜間利用儲存的電能釋放人眼不可見的長波紫外光（波長為320～400nm），具有趨光性的昆蟲便被有效殺滅。
太陽能& 溫室水處理
太陽能在水處理方面的應用多種多樣，此前，常見的有太陽能污水處理和太陽能海水淡化技術。太陽能海水淡化採用的是特殊設計的蒸餾裝置利用太陽能作為動力進行海水蒸餾；太陽能污水處理系統則利用太陽能為污水曝氣增氧提供動力。
溫室中的無土栽培，營養液的循環利用是關鍵，在植物工廠的水培系統一文中提到過，利用納米二氧化鈦光催化法可以去除循環液中植物自毒物質，太陽能具有很強的催化作用，可以催化氧化作用的發生，將來，也許結合利用太陽能與納米二氧化鈦可以開發出節能、高效的無土栽培營養廢液處理技術。
太陽能& 溫室灌溉
農業上利用太陽能水泵進行灌溉，可以達到節約能源，緩解電力供應緊張，保護環境的作用，獨立用於水泵的太陽能電池板一般應用於農田灌溉，溫室中的灌溉用電則可以依靠溫室屋面統一的光伏電板產生的電力。
溫室中灌溉系統對太陽能的利用還有另一種方式。在天氣寒冷的時節，日光溫室的灌溉用水往往溫度比較低，灌溉水溫過低會影響植物對水分與營養的吸收，甚至導致凍害的發生。利用太陽能快速加熱灌溉用水很好地解決了這個問題，原理是用太陽能集熱器加熱儲熱水管，再用儲熱水管內的熱水與低溫的灌溉水進行熱交換，就得到了溫度適宜的灌溉水。
植物工廠是一個非常現代的技術集成，它的發展很倚重整個社會的技術積累。近年來我國在太陽能領域的快速發展給植物工廠太陽能領域提供了豐富的技術儲備；而植物工廠也為太陽能利用提供了更豐富的場景和市場，尤其是近些年太陽能在市場應用上遇到的挫折之後，設施農業為太陽能應用提供了更廣闊的發展可能性。
往期閱讀
新農民技術貼——植物工廠技術系列之光的技術
新農民技術貼（二）——植物工廠的節能技術
新農民技術貼（三）——植物工廠的水培系統
推薦閱讀：
