近日，我所设施农业新技术团队在国际知名期刊Renewable Energy（中科院工程技术一区top，IF=9.1）上发表了题为“A novel spectral-splitting solar greenhouse roof with air-flowed containing particles between double covering: Experimental results and modeling”的研究论文。该研究利用颗粒与载热流体对太阳辐射选择性吸收特性，实现了太阳光的分频利用，有效提升了温室的光温调控效果与太阳能的全光谱利用效率。

　　太阳光谱可根据其农业应用分为两类：植物作用光谱（PAS, 300~800 nm）与热作用光谱（HAS, 800~1500 nm）。PAS是植物光合作用的能量来源，而HAS进入温室则会导致室内温度过高，对植物生长产生不利影响。因此，在HAS进入温室前将其阻挡并再利用，对于降低温室能耗、实现太阳能的高效全谱利用至关重要。

　　研究团队提出了一种新型双层膜温室覆盖层。该结构由普通大棚膜与分光膜构成中空夹层，并在其中循环黑色轻质聚乙烯颗粒。通过这种设计，颗粒可吸收被分光膜反射的热作用光谱（HAS），同时让植物作用光谱（PAS）透射至室内供植物生长，从而实现太阳能的分频利用。

双层膜夹持气流颗粒工作示意图

　　结果表明，该气流颗粒光谱分频装置能有效透过PAS并吸收HAS，在保障植物正常生长的前提下，显著降低了夏季的降温能耗，其吸收HAS产生的热量还可为温室日常运行提供能源。此外，在冬季夜间向夹层填充颗粒，能大幅提升覆盖层的保温性能。计算分析得到，采用此设计的温室可分别降低冷负荷与热负荷达32%与18%。这些结果为节能温室的设计提供了有效的解决方案。

双层膜夹持气流颗粒光热性能

　　此外，该团队聚焦于光谱分频技术，创新性地采用纳米流体作为分频介质。该方案能为植物生长提供适宜的光环境，有效降低炎热季节的温室温度，同时将收集的热量进行再利用，从而实现了太阳能的全光谱高效利用。此项研究为发展“农-光-热”兼容互补的新模式提供了创新思路。

　　纳米流体光谱分频工作示意图

　　为评估纳米流体光谱分频器的应用效果与植物生长响应，开展了植物栽培与系统光热试验，并对其能量性能进行了分析验证。结果表明，该分频器对PAS的透过率与对HAS的吸收率分别达到79.56%和75.78%。在此性能下，它能将室内冠层气温与植物叶片表面温度分别显著降低7.5℃和8.7℃，并使太阳能利用总效率提升至73.6%。

纳米流体光谱分频光热性能

　　上述研究成果已以题为“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”正式发表于国际知名期刊Energy Conversion and Management（中科院工程技术一区TOP，IF₂₀₂₂=10.4）和Energy（中科院工程技术一区TOP，IF₂₀₂₃=9.0）。

　　本系列研究成果获得了审稿人的高度评价，认为“作者在该领域作出了重大贡献”。上述论文的第一作者均为我所袁余博士。研究工作得到了国家重点研发项目（2022YFB3604604）、国家自然科学基金项目（51806244）、农业农村部重点实验室开放课题（2011NYZD2205）、广东省农业科学院科技人才引进专项资金项目（R2022YJ-YB3020）、广东省乡村振兴战略专项（粤农农技[2024]68号）等多个项目的联合资助。

　　原文链接：

　　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