光子改变未来——漫谈中科大刘文老师的精准高效新型光伏农业技术

3/1/2019,在阳光的照耀下，安徽省阜阳市郊外吕寨村的农地里呈现出五色斑斓的奇异效果。这不是因为地上种植了什么彩色的植物，而纯粹是一种光学的现象。这里是中国科大刘文教授的“试验田”。就在几年之前，刘文老师还在光通信产业的一线工作。这看似毫不相干的农业和光通信两个行业，在刘老师的创意之下，奇妙地结合到了一起。
    简单说，刘文老师发明了一种精准，高效利用太阳能的革命性的农业生产技术。刘老师说，植物在生长中需要的光能其实并不是全部太阳光，而只是很小一部分，不到5%（当年钱学森先生正是因为高估了这一点才推算出水稻亩产极限可以高达六万斤）。不同的植物可能需要的光谱也不完全一样。注意到这一特点后，2015年，他回到学校不久就提出采用光学干涉滤光技术先将适合植物光合作用的光波长一个一个挑选出满足农作物生长。利用多层塑料薄膜挤压技术，刘老师带领学生开发出具有特定滤光效应的薄膜。应用这些薄膜进行选光后，生长出的农作物普遍质量更高，生长更健康，味道也更好。而不仅如此，选光剩余下来的光能还可以通过反射器用于光伏或者光热发电，最大化利用太阳能。还有，由于光照强度大幅降低，农地上的水分蒸发就减少了，从而对浇灌用水的需求降低。刘文老师说，他们的技术不仅可以彻底解决光伏农业中光伏发电与农作物争光的矛盾，并且有助于在干旱地区大量节约灌溉用水，有可能成为以色列“滴灌”技术那样的农业高科技标志性技术。
    就是这项技术，2015年获得日内瓦发明展金奖、亚洲光伏协会科技成就奖、2016年被选入Discovery拍摄的“智慧中国”纪录片、2017年获得了被誉为科技创新“奥斯卡”的美国R&D100大奖，2018年获得世界可持续能源技术协会年度创新奖。也是这项技术，国内外众多的专家学者给出了高度评价，这里面既有加拿大农业部的高级专家，更有赵梓森院士，褚君浩院士这样的光技术大家。更重要的是，在安徽省政府，阜阳市政府的支持下，刘老师新创办的专门从事这一技术开发和推广的公司已经在阜阳成立，产品生产和推广正紧锣密鼓地进行中。
     早就知道刘文老师的这个项目，2月24日中午，趁着路过合肥的机会编辑特别来拜访刘文老师，编辑想亲耳听听刘文老师介绍他的创新技术，更想亲眼看看光通信技术如何能够用到看似风马牛不相及的农业领域。
    首先，编辑想知道，这样一个想法是从何而来呢？刘老师说，安徽是农业大省，他回到科大当教授的时候就曾想能不能结合安徽的这一农业特色做点什么工作。就这样，他想到了把光通信里常见的滤光技术，WDM技术用到农业上来。
    第二个问题，这样做的生物学机理是什么？刘文老师说，尽管现在还没有明确的理论解释农作物为什么在选择性光照条件下生长更好，但是试验的效果却是很明显的。目前，中科院相关的植物生理学领域的专家已经介入进来，开始一起探讨植物选择性吸收光谱的更多秘密。由于不同的农作物需要不同的光谱，下一步刘文老师他们还在更多进行试验找到不同农作物的最佳光吸收配方。而且，刘老师说，不仅植物有选择性吸收光谱的特性，动物也有。基于光谱选择技术的生命科学，未来还有很多工作可以做。
    接下来的问题围绕这一技术的产业化。一项技术能否顺利产业化，很多时候不仅仅是技术本是的问题，和相应的产业配套，产业环境都有很大的关系。拿刘文老师这个技术来说，他们在国际上最早提出了对农作物需要的太阳光谱精准选择，多余的光能再用于光伏发电的概念，但是如果不在相关的产品和专利上上尽早布局，也有可能被他人抢占先机。对于这一点，刘老师告诉编辑，他们的团队已经在相关的滤光膜加工设备，滤光膜设计技术，以及相关的农业生产技术方面做了许多工作。在当地政府的扶持下，相应的公司已经建立起来，有了基本的团队，正式的产品不久之后也会推出来。现阶段滤光膜价格偏高的问题也有望在产品批量生产之后获得解决。
     谈到该技术的产业化前景，刘文老师说，多层塑料膜原材料很便宜，具备今后大批量推广的可能性。并且因为基于光学干涉原理，塑料膜本身并不吸收太阳光，所以抗紫外线能力也很强，他们最初的塑料膜样品已经经过三个夏天的野外暴晒，滤光性能仍然没有变化。
    刘老师还告诉编辑，国家现在正在大力推广光伏农业，光伏农业是当前农村扶贫工作的一个重点。但是传统光伏农业的一大问题是光伏板下方光照不足而且光照不均匀，破坏了农作物生长条件。他们的技术可以通过人工干预透光的光谱和透过光强的比例，来为下面的农作物提供一个稳定的定制化的光照环境，彻底解决传统光伏农业存在的问题，这样可以大大提升光伏扶贫的效果。过去农业高科技的重点内容是育种、水、肥、土和温度（温室）的调控，以后光的控制也会是一个关键内容了。

         安徽省阜阳市高效光伏农业系统试验基地现场图
    刘文老师告诉编辑，他们的技术不仅对于农业可能有很大的意义，对于旅游业同样很有用。基于他们的技术可以让大地变成五色斑斓的效果，不仅好看，也是很好的科普。下一步他们希望能在更多的地方建设这一技术的示范园区甚至景观大道。
    借鉴光通信成熟技术的概念，在完全不同的行业创造出全新的价值，实现定制化精准化的高效农业。刘文老师的技术，证明了光子技术无限美好的应用前景，也验证了中国可以有第一流的原创技术。我们为刘文老师的这一创新感到高兴，也期待更多的朋友一起加入进来，为这一技术的普及和发展鼓与呼。