[摘 要]光纤式阳光导入系统是太阳能利用和光纤照明的有机结合，是一种冷光照明，具有波长类型丰富，能隔除红外线和紫外线辐射，能将太阳光引入植物工厂替代植物工厂电灯照明，在植物工厂的光环境调控中有极大意义。文章论述了光纤照明应用于植物的实现方式，介绍了太阳光追踪装置，太阳光导入装置、传导光的装置、光纤耦合装置、放射装置、储光装置、led补光装置。介绍了光环境控制技术和光源的特点，并结合工厂的光照介绍了可生产的优质农作物的全光谱光纤灯光源特性。使植物在各生长阶段具有最佳光照，以实现节能，环保，高效利用阳光的目的。在全球能源危机，耕地面积减少的背景下，依靠安全清洁太阳光为人类提供一个可行的解决途径。
[关键词]光纤式阳光导入系统；LED光源；植物工厂；节能；光环境调控
[中图分类号]S316 [文献标识码]A
植物工厂代表着未来农业的发展方向，具有环境智能控制，水肥一体化管理，高产等优势。单位土地利用率是露地的40-108倍，日本的植物工厂在全世界发展最快。当前植物工厂主要发展瓶颈是环境的调控，无法制定合适的光环境调控，无奈成为生产短板全光谱的光对植物生长来说是非常重要的，而植物工厂照明设备主要是荧光灯和高压钠灯，并不是全光谱，并且与植物光合作用吸收的光谱不是很匹配，光合作用有效辐射比例小，无效的热辐射较多。现有的植物生长灯都是电光转换，能量转化很低，所以人工光源的能耗是植物工厂能耗的主要来源，能耗成本占总运行成本的50%-60%，人们对能源需求越来越大，因此降低能耗能促进植物工厂的普及，如果自然光能代替人工光源，则充分体现节能环保理念。
目前光伏发电转化为电，电用来发光，其能源利用率效率为10%―20%，经过两次能量转换，损失较大，效率太低，进一步使太阳能的发展受限，而利用这光纤传阳光的装置，不经过能量转换，能源利用可达45%以上。
人工光源不仅产生了极大的能源浪费，近距离照射热辐射会伤害植物，最新的照明技术是LED红蓝组合光作为光源，将人工栽培从连续光谱简化到红蓝复合光质，但只是促进植物某方面生长，并不能全方位生长，能够使阳光导入植物工厂具有很大意义。农业技术提高，现代温室、植物工厂的推广，进行温室内合理给光，降低成本越来越重要，光纤灯的出现成为解决这个问题的契机。近年世界发达国家高度重视太阳能开发，美、日、英、德等发达国家已推出阳光导入成品并打开消费市场，期待我国跟上发达国家的步伐，全球范围内光纤导入照明在农业利用方面是个空白领域，希望我国超过发达国家的光导入系统，完美解决光照不足问题，让植物在自然光下更健康地生长。密集立体无土栽培的这一套系统可以有效地将自然光导入到室内，提供给植物生长的光，植物不再受地理位置的限制。光纤式阳光导入系统可将自然光通过光纤引导至植物上方，供给植物生长所需的光，可充分利用太阳能，提供了全光谱，因为是冷光源，可近距离照射，提高生产率。
1 植物工厂的概念及特点
植物工厂是一种高效的农业系统，通过控制工厂内的精密环境来实现作物的连续生产。它是一种由计算机控制作物生产过程中的温度、湿度、光照、CO2浓度和营养液等环境因素的新型生产，不受或少受自然条件的约束。植物可进行周年生产。由于不占用农户耕地，无污染，机械化程度高节约了人力。单位土地利用效率可达裸露土地的40～108倍，被认为是解决二十一世纪资源、人口和环境问题的重要途径，也是未来太空探索和其他行星探测中食物自足的重要组成部分。
工厂生产要使植物快速生长，生产获得优质农产品，光显得尤为重要，因为光是植物环境信号和光合作用唯一的来源
2 光纤传导太阳光照明系统
基本原理是通过阳光追踪把太阳光垂直射入菲涅尔透镜，光线会汇聚到一点，光耦合进入塑料光纤，塑料光纤使光发生全反射传输到植物工厂，经过配光系统换成符合植物生长所需的光。
国内近几年也有类似系统的问世，如南京杰特新能源有限公司研发的类似产品，它的总受光面积0.12m2，满足10m2的房间照明。
2.1 太阳光追踪装置
是一种能自动使菲涅尔透镜对准太阳，采集光并导入光纤系统并传递到植物工厂的装置，太阳光采集系统跟着太阳位置变化而变化。若保证太阳光始终垂直入射其镜面，阳光利用率就提高很多，太阳光的汇聚后形成高亮度高温度的光斑，要考虑散热，它的使用寿命一般在20年以上。
2.2 太阳光导入装置
亚克力球罩：它能很好地保护内部光组件，也能够达到自我清洁。
筒座：将整个光收集系统固定起来，使得系统在稳定的环境中运行。筒座设有全球定位系统和微机控制程序。在安装系统之前，安装预定程序，输入当地经度纬度信息可实时跟踪太阳位置，控制电机的升降和位移，使装置可对准太阳，获得光。自动跟踪经GPS定位后，传感器测出太阳方位，将数据传到处理器里，处理器与模型對比后，输出信号控制机械转动，对准太阳。当太阳被遮住后，仍通过内置的程序算出太阳，保证太阳一旦出云，实现聚光工作。夜间复位，等待第二天。
聚光组件：聚光组件的功能是聚焦阳光，将通过透镜的阳光的焦点与光纤连接起来，并实现紫外线滤光器的装置。
非球面透镜光线经过之后能汇聚到一点上，因为曲率半径随着中心轴不断变化，经过设置适当的参数，可以消除球面像差。采用菲涅尔透镜，因为它具有优良的光学特性，聚光效果好，能提高单位面积上的光通量。依据光的可逆性将汇聚在焦点的光通过合适位置放置光学器件，能把高亮度的光调整为平行光。
菲涅尔透镜结构是一圈圈的螺纹齿状，一边平整一面刻录条纹，考虑反射损失和制造缺陷后，在实际测量中通光率90%以上，汇聚率75%-80%，
将大面积的阳光聚焦压缩至1.5万倍，精确地将聚焦后的高强光射入透镜焦点位置处的光纤入口。
有害阳光频谱的分离：通过光纤入口精确定位使透镜对不同波长的光焦距不同的原理，将自然界中具有放射性射线进行分离，保持一定的红外辐增热和1/2160的紫外线
经过过滤的光线和光纤入口处需要高精度对焦，以滤除紫外线和红外线，减少光强损失入射的光斑必须小于光纤入口的孔径，以实现光在光纤的全反射
2.3 传导光的装置
光纤：光纤核心部分是高折射率高透明的内芯与低折射率的外芯。我们已经知道光的透射元件是利用全内反射机制来制作的，光经过折射率高的介质以高于临界角的角度进入低折射率的介质会发生全反射，光在这个介质维持光波形的特性，光传输的通道就是高折射率的介质，而低折射率的外芯充当低折射率的介质，防止光的溢出，构成全反射的条件。最外层加保护层，保护外芯和内芯不受损坏，也增加光纤的强度。为了使大功率植物光信息和光合作用的光传输到植物工厂，可以将大量光纤捆在一起合成光纤束，满足需求。
光纤的选取：导光光纤要求对太阳光的可见光光谱段有极高的传输通过率。聚合物光纤PMMA的芯层是高折射率的聚合物，包层是较低折射率聚合物，塑料光纤具有不发热，质软可弯曲，价格便宜的优点。目前，能做到传输损耗为0.2db/m。一种新的塑料光纤蜘蛛网结构的空芯布拉格材质能将光纤损耗降低到104-106分之一，传输光的波段信息是0.4-1000μm，将可能成为普遍使用的导光纤维。
石英光导纤维也取得突破性进展，高纯度大直径石英光导实现3km只有0.001%的衰减。
连接处需弯曲的地方采用塑料光纤，远距离传输用石英光纤，可减少中途损耗，又保证使用的方便，便于安装。
在光线聚焦之前安装一个滤光片，能将植物有害的紫外线和红外线滤除，降低聚焦光斑的温度，以防对光纤入口的损害，延长光纤使用寿命。
随着塑料光纤的技术成熟，成本大幅度下降，大批量采用光纤成为可能，大数值孔径光纤也成熟，降低了光纤耦合的难度。
阳光透过菲涅尔透镜如图，紫外线的焦点在光集中点的左侧，红外线焦点在光集中点的右侧，光导纤维可恰好置于这俩焦点之间，可同时过滤掉紫外线与红外线
2.4 放射装置
采光器漫射器均采用可回收的亚克力材料制成。漫射器采用菲涅尔透镜技术，将光线均匀地满射到植物上方。当没有安装灯具时从光纤里58度的角度射出，照度可达1000lx。若检测光照不足，辅助补偿光源则控制LED电路驱动电路连接电源，实现照明补光智能调光控制。当天气阴雨时根据光照强度实时动态地调节辅助补偿光源的亮度与闭合。
放射装置可设置不同的方向照射植物如垂直向下照射、侧面照射等，可加大受光面积，达到增产增效目的。
2.5 储光装置
由于地球白夜交替和阴雨特殊变化，如果系统进入夜间或阴天照明，它必须有一个光存储装置来存储光能。一般是将太阳能转换为电能，用于光伏发电系统中的蓄电，但可充电电池会造成环境污染。如果能创建一个像电池一样的“光池”，可以暂时储存光能，它可以用作太阳能光纤夜光系统的光源，并且可以与照明LED光源分开，互相补光就很有应用价值。长余辉发光材料是在照亮时吸收和储存激发能量。在停止激发之后，所存储的能量可以以光的形式逐渐和连续地发射。
在长余辉材料设计太阳能光存储系统中，存储的太阳能存储在余辉材料中。在夜间发光的方法可能弥补太阳能光纤照明系统的缺点。
3 光合作用与光纤照明植物的关系
3.1 太阳光谱及各色光的作用：太阳光对植物的作用
生理辐射指被植物叶片吸收的且被光合作用利用的那部分光能。在光谱段300～800nm中，是植物生理有效辐射，对植物的色素生物合成、光周期现象、向光性、光形态建成等生理作用。
400～700nm是光合有效辐射，是植物进行光合作用的能量来源。在生理辐射中，植物吸收的光大约有60%～65%，其中主要吸收610～720nm是红橙光，占生理辐射55%左右，红光主要集中在630～660nm，作用是促进植物开花结果，使植物的鲜质量和株高增高，在红光的环境里生长速度提高40%以上。次要吸收波长是400～510nm的蓝紫光，蓝光集中在450～470，可帮助植物茎和叶的生长，使株苗加粗，卉若生长在蓝光量是自然界中蓝光的2倍，生长会提高50%～70%，占生理辐射8%左右，吸收很少的是黄绿光510～610nm；
310～400nm是近紫外辐射，其中短波区有些是有害的，但长波区是有益的，能够促进生长发育，使果实或叶片着色，也会促进合成花青素等黄酮物质，黄酮类物质有抗氧化维持健康功效，小于300nm的高强度紫外线对植物生长发育有害，
700～800nm是远红辐射，它们会参与光形态建成和二次代谢物质生产；800mm以上的是红外辐射，只能对植物有加热影响。
3.2 光纤灯与LED组合
目前LED光源对植物生长尚无统一标准。LED灯和光纤灯一样都是冷光源，可贴近植物照射，空間利用率高，LED的光谱可按植物生长发育需求进行调制，植物培育光源的选择，对与植物有效波长吻合的越好。从目前发达国家民用消费市场分析看，一束太阳光导入系统光照度相当于500瓦电灯的照度LED特质波长光源技术已经非常成熟，但不同学者研究结论有所不同，有学者认为红光或蓝光配比的光质有利于植物的生长，叶促进植物的生长，也显著促进维生素C的积累，也有学者认为蓝光更有利于生菜品质的提高，应用测试表明，LED农业照明光源非常适合植物生长、开花、结果。LED作为唯一光源有成功的例子，如日本的生菜、小白菜等工厂化生产取得了成功.它的缺点在于并没有按照植物需求供光，蓝紫光在一定的条件下会促进植物生长，也仅仅限于植物开花，茎叶的生长，只对叶菜类植物有用，但全光谱的光才使植物健康生长。于是，光纤灯与LED组合就互补了各自缺点与优点。考虑到阴雨天气太阳光照强度弱，我们在光纤的散射器里增加了 LED灯形式的植物生长灯，植物边缘合适位置安装光传感器，通过获取光的强弱数据来改变 LED灯的亮度，可以在植物生长关键期内补光，这样在植物生长关键期能够正常生长，从而不耽搁植物，使效益达到最大化。
优点在于能近距离照射植物，也可以根据植物各个生长得的阶段需求，通过预先设置的程序控制对植物最有益的红蓝组合LED的强弱和时间。
一天任何时间都能补光，在雾天或冬季可延长光照时间，只需要简单的设定就能让补光灯每天自行启动进行补光，也能智能化调控补充红蓝光方法转光膜法，添加有机稀土化合物的塑料薄膜，能将绿光转化为红光和蓝光。
4 结语
光纤式阳光导入系统是新兴的照明系统，在国内刚刚起步，还没有应用到农业大生产中，它的农业应用将打破光照不足对植物减产影响。光纤式阳光导入系统颠覆传统观念，开辟了一条新的农业照明之路，应用在多层无土栽培工厂上，大大提高单位面积产量，但一个确定非常明显，那就是采光面积大，植物工厂只能应用在光资源利用低的地方。如果应用在荒漠戈壁，增加了可利用的耕地面积；如果应用在城市中心，采光设备安装在楼顶，可将大面积闲置资源利用起来，也增加了市民的蔬菜供应；若应用在航天领域，探索星球过程中，可过滤掉宇宙射线，留下有益的光波，可提供一套完美的生态系统解决方案，为人类资源紧缺提供了可行的解决途径，具有深远的意义。（论文内容需提供在结题报告里，供专家结题验收，别无他用）。
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