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高光效低能耗LED智能植物工厂关键技术及系统集成
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  • 公布年份:
    2017
  • 中图分类:
    S126
  • 关键词:
  • 成果简介:
    植物工厂是一种环境高度可控、产能倍增的高效生产方式,不受或很少受自然资源限制,可实现在垂直立体空间的规模化周年生产,甚至可在岛礁、极地、太空探索等特殊场所应用,对保障菜篮子供给、拓展耕地空间与支撑国防战略具有重要意义。植物工厂发展潜力大,但产业化应用面临成本控制与效益提升等问题,亟待突破光源光效低、系统能耗大、蔬菜品质调控与多因子协同管控难等关键技术难题。项目团队历经12年系统研究,在植物工厂关键技术及系统集成方面取得重大创新和突破。率先提出植物光配方概念并阐明其理论依据,创制出基于光配方的LED节能光源及其控制技术装备,显著提高光效。探明了PAR单色光、UV和FR对植物产量与品质形成的机制,提出并构建20余种植物光配方;创制出基于GaN的高光效660nm、450nm LED芯片,以及红蓝芯片组合与荧光粉激发两大类LED光源;研发出移动与聚焦LED光源及其调控技术装备,实现节能50.9%。首次提出了植物工厂光-温耦合节能调温方法,研发出室外冷源与空调协同降温控制技术装备,大幅降低系统能耗。阐明了植物工厂光期热负荷与室外冷源之间的匹配关系及调控机制,首次提出将光期置于夜晚并利用室外冷源调温的光-温耦合技术方法,并研制出协同调温策略及其节能控制技术装备。与传统降温相比,节能24.6%-63.0%。率先提出光与营养协同调控蔬菜品质方法,研发出采前短期连续光照与营养液耦合调控技术,有效提升蔬菜品质。阐明了水培叶菜光、暗期硝酸盐-碳水化合物代谢机理,提出了采收前短期连续光照提升蔬菜品质方法;研发出光-营养液协同调控蔬菜品质的技术装备。降低叶菜硝酸盐30%以上,提升Vc和可溶性糖38%和46%。研发出光效、能效与营养品质提升的多因子协同调控技术,集成创制出3个系列智能LED植物工厂成套产品,实现规模化应用。构建了基于光配方、光-温耦合与营养品质提升等多因子协同调控的控制逻辑策略,研发出基于植物生长特征识别与决策模型的智能控制系统,实现对植物工厂多因子协同智能管控;集成创制出规模量产型、可移动型、家庭微型3个系列植物工厂成套技术产品。成果已实现在北京、广东、浙江等22个省区、南海岛礁部队及航天系统应用,产品远销美国、英国、新加坡等国,推广面积1200多万平方米,占国内应用面积的85%以上;移动型及微型植物工厂推广30000套以上。近3年直接效益6.3亿元,间接效益35.8亿元,社会、经济与生态效益显著,应用前景广阔。授权专利86件,其中发明专利42件(美国等国际专利4件),发表论文112篇(SCI、EI38篇),出版专著5部。获军队推广特等奖、省部级一等奖、著作一等奖各1项。整体水平达国际先进,光配方构建以及光-温耦合节能技术居国际领先。入选国家“十二五”科技创新成就展,并荣膺13项重大科技成果之一接受党和国家领导人检阅,被誉为“农作方式的颠覆性技术”。
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