CN111664414A - 太阳光的采收、传输、光谱更变和向植物的被遮蔽区域的递送 - Google Patents

太阳光的采收、传输、光谱更变和向植物的被遮蔽区域的递送 Download PDF

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Abstract

一种光采收器或收集器从邻近生长中植物的未遮蔽位置收集太阳辐射。所述光采收器可以是成像式(例如，抛物面反射器)或非成像式(例如，复合抛物面集中器)。所集中的太阳辐射投射到光传输器中，所述光传输器将所述光传导穿过所述植物的外冠层并传导至内冠层中到达漫射器，该漫射器使所述光弥散并重新辐射到所述内冠层中。漫射光将所述植物的非生产性潜在无叶区转化为生产性区，以使得地表的单位体积可以生产出更多的果实。所述系统可以阻止向所述内冠层中的红外传输，以使得所述内冠层区不变热并且使得因蒸腾作用而损失的水量减少。所述系统还可以更变其他光谱成分以影响植物发育以及控制病虫害。

Description

太阳光的采收、传输、光谱更变和向植物的被遮蔽区域的递送
本申请是申请日为2014年12月30日、申请号为201480076560.3、 发明名称为“太阳光的采收、传输、光谱更变和向植物的被遮蔽区 域的递送”的中国专利申请(PCT申请号为PCT/US2014/072837)的分 案申请。
在先申请的交叉引用
本发明基于2013年12月31日提交的美国临时专利号 61/922,317，并且要求其优先权。
发明背景
发明领域
本发明涉及一种用于通过对光进行采收、隧送、更变 (modify)并且将光递送至植物的被遮蔽区域来改善植物的生长和 生产率的装置。
背景说明
众所周知，包括生长、开花和结果在内的植物发育取决于光能 并且受其调节。太阳辐射为光合作用提供能量，通过光合作用这一 过程将大气碳“固化”到糖分子中从而为绿色植物以及地球上几乎所 有生命提供基本化学结构单元。另外，在对在植物内如何以及何处 使用光合产物的自然调节中以及在对所有光形态建成 (photomorphogenetic)过程和光周期相关过程的调节中涉及到光。 植物可以感测到光的质量(即，颜色)、数量和方向并且使用此类 信息作为优化其生长和发育的信号。这包括各种“蓝光”响应，所述 “蓝光”响应可能取决于UVA和UVB紫外波长以及传统的“蓝”波 长。这些调节过程涉及若干光受体系统的共同作用，所述光受体系 统负责检测太阳光谱的特定部分，包括远红(FR)光和红(R) 光、蓝光以及紫外(UV)光。激活的光受体启动信号转导通路，所 述信号转导通路导致形态过程和发育过程(Warrington和Mitchell， 41；Briggs和Lin，12；Kasperbauer，23)。光合有效辐射(PAR， photosynthetically active radiation)的范围在400-700nm之间，这是 因为叶绿体内的叶绿素蛋白复合体吸收光谱中的蓝色部分以及红色 部分。然而，叶绿素几乎不吸收光谱的绿色部分，当然，这就是为 什么光合作用的植物通常呈现绿色。
通常而言，低光强度至中等光强度足以驱动光形态建成过程以 及光周期过程，而对于光合作用，太阳光能的总量是支配植物生产 率的主要因素。即使在阳光充足的气候里，光常常也是农业生产的 限制因素。农作物的叶片所截获的光越多，那些作物的生产率就越 高。换句话说，植物的光合能力常常不因可用的太阳能而饱和。通 常而言，植物的叶绿体适应于可用太阳能的量。暴露于最大水平的 光的叶片中的叶绿体的光合作用将仅在高光通量下饱和。然而，植 物的所有叶片无法全都暴露于最大太阳辐射，这是因为叶片排列形 成“冠层”，在“冠层”中外部叶片彼此几乎不会造成互相遮蔽。一些 光，大多为散射部分，在外部叶片之间穿过，以被内部叶片吸收。 这些内部叶片通常接收到较低水平的太阳辐射并且将在不足以使外 部叶片饱和的光通量下饱和，这是因为它们的叶绿体适应于低光照 条件，从而在较低的光通量下饱和。
类似地，在植物紧密生长在一起并且彼此遮蔽的情况下，被遮 蔽的叶片将变得适应于在较低光注量下饱和。因此，植物中存在过 剩的光合能力，并且如果增加的光可被供应给被遮蔽的叶片，则整 体生产率将会增大。单株植物之间的间距显著地控制到达植物不同 部分的有效光量。如果单株植物相距很远，那么将会有更多的、对 植物组织的有效辐照。这可能致使生长和生产率改善，但如果单株 植物相距太远，那么在单位面积上将没有增益，这是因为大量的太 阳辐射不会被植物截获。类似地，通过修剪来改善对植物组织的辐 照可能不会得到预期的整体效益，这是因为这减少了光合有效植物 组织的量。
由于叶绿素的高效光吸收，因此穿过外冠层的叶子的光到达内 冠层处既在强度方面过低又具有错误的光谱组成。由于蓝光和红光 优先被外冠层吸收，因此主要是绿光被传输到内冠层中。然而，绿 光在驱动光合作用方面用处不大，并且作为结果，需要显著的光合 物输入的果实产生局限于外冠层。由于位于冠层内部部分内深处的 叶片不能维持有效的光合作用水平，因此这些叶片开始枯萎，冠层 的内部部分叶子脱落并且变为非生产性的。例如，在柑橘树中，估 计生产性叶层仅有约100cm深(33)。树冠的所有其余部分是随着树木越长越大而不断增大的非生产性体积。
同样已知的是，散射(漫射)的自然光常常优于直接的太阳辐 射，这是因为其部分穿透于外冠层的叶片之间，从而基本上光谱未 被更变地到达内冠层。在阳光充足的气候里，外部暴露于阳光的植 物冠层可能遭受过多的太阳辐射，所述过多的太阳辐射可能损伤(光损伤)植物组织并且可能是抑制性(光抑制)的。这是在这样 的气候下使用园艺“遮蔽”布的原因之一。
植物虫害(很大程度上为昆虫和蛛形类)以及真菌性和细菌性 病害也被知晓为对太阳光的强度、光谱质量和方向有反应。它们大 多数对紫外(UVA和UVB)、蓝色以及黄色光谱区(2，9)有反 应。因此，可以通过光质量和数量操纵来实现病虫害防治。
许多已经随时代发展的园艺实践和农业实践对农作物的光截获 具有显著的影响，即使在一些情况下这一影响最初并未被意识到或 理解。这些实践中的许多由于其高劳动力需求而相对低效且昂贵。 这样的实践包括修剪、整枝以及株距。通常认为修剪是因为改变了 植物生长能量的方向并且除掉了弱枝和/或位置不当的枝干而有效 的。然而，在许多情况(例如，修整、修顶和移除主要枝干)下， 修剪涉及移除树木的重要部分。这对于移除遮蔽叶子的“夏剪或带叶 修剪”实践而言尤为如此。这些实践是既浪费能量(因为植物和种植 者已经向被移除部分的生长中投入了很多能量、水和其他输入)又 花费劳动力的过程。人们基本上被迫牺牲树木的重要部分以通过其 余的重要部分来实现生产改善。
植物和树木生长很大程度上受植物对光的寻找所限。开发了众 多能够实现最大光截获的修剪实践。修剪方法包括用于高度和形状 控制的机械修顶和修整，以及对枯木、弱枝并且常常还有重要枝干 的手动选择性移除。目前，修剪依然是将光既带到冠层的内部部分 又带到冠层的外部部分的主要手段之一。尤其是在果树中，修剪控 制果芽的位置并且防止它们离主干移动得越来越远。修剪对太阳能 的渗透有主要影响。通过移除弱枝和交叉枝，修剪打开了植物的结 构并且允许有效的(PAR)光达到更接近于主茎之处。类似地，整枝(诸如给树木或藤蔓支棚架的过程)确定枝干的位置，以使得一 个枝干的叶片不会遮蔽另一枝干的叶片。
开花由光形态建成过程诱发，并且因此是光依赖性的。被遮蔽 最多的内冠层中的光状况常常是注量太低，以及/或者对于诱发开花 (开花以及对红光波长与远红光(近红外)波长的比率有反应的其 他发育过程)不充分的光谱组成。诸如授粉、受精、坐果和果实发 育等生理过程全都完全取决于从相邻叶片获得充足的碳水化合物。 果实发育所需的碳水化合物无法从远处叶片充分移来。因此，即使 在内冠层中确实出现有开花，但是被遮蔽叶子的有限的光合活性也 不足够用于适宜的果实发育。
在一些作物(例如，桃子、鲜食葡萄和酿酒葡萄)中，种植者 在采收之前的几周内实行对叶子一部分的带叶修剪，以便增加光渗 透，从而显著增加了果实颜色和芳香族化合物——即，果实质量。 遮蔽对果实着色具有特别不利的影响是已知的。果实颜色发育是由光经由若干不同的途径来控制的。光是色素生物合成的代谢途径的 触发器。光还提供了糖(经由与果实相邻的叶片中的光合作用)， 所述糖使有色组织中的花青素类色素结合并稳定。因为，果实的三 维结构造成了自遮蔽。果实中被遮蔽的一侧未发育成最佳颜色。果 皮中的芳香族化合物的生物合成类似地取决于对太阳光的暴露。果 实着色和芳香/香味积累都要求相对密集注量的光。
已有许多现代栽培技术寻求在不除掉植物组织的情况下重新分 配太阳辐射量。通过光散射材料(玻璃、塑料膜、光选择性半透明 网、反射性颗粒膜等；参见，Glenn(14)和Glenn等人(15))来 覆盖作物是确保光合有效光到达更多的植物体的一种方式。利用反 射膜来覆盖土壤可以将光反射到植物冠层的内部部分中。补充的人 工照明(例如，作物间LED照明)在用以提供照明的能量以及用以 购买照明设备方面都很昂贵，但可以致使生长和产量改善。遗传操 纵是进行对植物体的更有效辐照的另一种方式。培育更紧凑的植物 可以与改变植物的间距几乎具有相同的影响，但紧凑的植物可能较 为优越，这是因为其可以将给定的叶面积压紧成更小的体积。当 然，过于紧凑的植物可能加剧自遮蔽的问题。还可以通过嫁接到生 长调节砧木上以及通过施加生长调节农业化学品，来影响植物体积 和叶片间距。
出于有用目的(主要是能量相关的目的)而截获/收集太阳光 正成为一个充满活力而成熟的领域。收集太阳能来直接地(例如， 光伏)或间接地(例如，太阳能锅炉)发电。还收集太阳能来提供 热能(例如，太阳能热水器)。这些领域中的激烈竞争已经在太阳 能收集器的设计和效率(包括成本效率和整体功能效率)方面带来 发展。本发明寻求以新的方式利用这些技术和使用收集的光能。
发明内容
太阳辐射不仅无处不在，并且还是唯一免费的农业资源。改善 农业生产中该资源的利用率是本发明的目标。为了实现增强的植物 生长，使用现代太阳能收集器来收集、集中和重定向太阳能。收集 的太阳光继而被递送到选定植物(即，树木、葡萄藤等)的(较低的)冠下层(sub-canopy)/内部位置，从而刺激植物生长和发育。 对植物/树木内部被遮蔽最多的体积进行照明提高了植物的原本非生 产性部分或生产性较低部分的生理活性和生产率。植物的内冠层部 分接收的太阳能不充足；使得那里的叶片最终开始枯萎，并且内部体积变为无叶区。当光在叶片开始枯萎之前被递送至该区时，所述 区就保有健康功能的叶片并且变为生产性的。植物体的整个体积变 为生产性的，因此显著地提高来自给定土地面积的产量。
本发明提供了用以从邻近生长中植物的未遮蔽位置收集太阳辐 射的光采收器或收集器。所述光采收器优选地放置在生长中植物旁 边或上方。应当理解，光采收器可以放置在任何方便的位置。此 外，每株植物的光采收器的数目取决于植物的生长条件和大小(每 个系统有若干株植物，或者每株植物有一个、两个、三个或更多个 系统)。所述光采收器可以是成像式(例如，抛物面反射器)或非 成像式(例如，复合抛物面集中器)。非成像系统由于其简单性、 低成本以及便于构建而为优选的。所集中的太阳辐射投射到光传输 器(内反射式光管、很像潜望镜的光学布置，或者光纤束)中，所 述光传输器将光传导穿过植物的外冠层并传导至内冠层中。传导的 光进入漫射器，该漫射器使所述光弥散并重新辐射到内冠层中。漫 射光提供了用以驱动光合作用的光以及用以影响多个光形态建成系 统的光。结果是，植物的非生产性潜在无叶区转化为生产区。因 此，地表的每单位体积可以生产出更多的果实，并且可以在植物材 料中封存更多的二氧化碳(改善碳足迹)。另外，通过向发育中的 果实提供光，可以改变并改善果实的质量。
还应当理解，植物上适当位置处的补充光导致生产率提高以及 芽诱导和芽萌生增强，从而致使营养生长以及花(果实)生长提 高。增强光合物的产生致使芽/果实脱落减少并且改善花/果实质量， 所述花/果实质量包括更好的颜色、增加的风味(糖/酸比率以及香味/味道)、改善的贮藏特性以及改善的营养价值。所添加的光(特别 是在采用光谱更变的情况下)导致了在不施加生长调节化学品的情 况下的生长调节(植物形状等)。另外，控制光的数量和质量可以 导致在不增加杀虫剂化学品施加的情况下减少植物病害和虫害。
由于所采用的光学系统可以用于阻止红外辐射和近红外辐射传 输到内冠层中，因此内冠层区不变热，并且因蒸腾作用而损失的水 量少于在考虑到内冠层区中增加的生长而将会预期到的损失的水 量。然而，当在生长季早期使用本发明时，很容易改变光学系统以 允许红外传输并且向内冠层提供促进生长的温暖。类似的光学系统 可以用于改变不同波长的光的相对量，从而对植物生长和发育具有 光形态建成作用。可以使用LED或类似的高效光源来补充某些波 长，而不是滤除某些波长，从而达到光形态建成作用。
本发明的系统可以用于任何植物生长情况。虽然所提供的示例 主要是针对葡萄园和果园，但该系统还可适用于苗圃、所有类型的 大田作物、园林绿化、家庭花园以及所有类型的温室、板条育苗 室、遮蔽室以及任何其他植物生长构造物。在封闭的建筑物(例 如，城市花园)内，可以将光收集器放置在屋顶上并且将光“管送” 到生长区域中。在该情况下，所述系统基本上提供了全部的光。在 任何应用中，部分或全部光可由人工照明(诸如LED)来供应。使 用具有人工光源的系统的优点在于，可以将所述源(例如，LED或 金属卤化物灯)定位于其将不受农业中固有的水(这有可能导致电 气故障)等影响的地方。
附图说明
图1示出了本发明的一个实施方式的示意性概览；
图2示出了作为当前CPC设计前身的简单设计的示意性表 示；
图3示出了在描述CPC设计的方程中使用的坐标系；
图4示出了在描述CPC的参数方程中使用的角φ；
图5示出了用于抛物线型CPC的常用描述性术语；
图6示出了具有不同的收集角度的若干CPC设计；
图7是示出热量滤除的CPC的示意图；
图8示出了非成像光收集器的备选矩形实施方式；
图9示出了基于抛物面反射镜的成像光采收器的示意图；
图10示出了传输器/运送器；
图11a是用作柑橘树的漫射器以及类似的树木应用的凸凹面镜 组合；
图11b示出了图11a的装置的光线示意图；
图12示出了由柔性反射材料制成的“吊床式线性漫射器”；
图13示出了由刚性反射材料构建而成的槽式漫射器；
具体实施方式
提供了以下描述以使得本领域任何技术人员能够制作和使用本 发明，并且以下描述阐述了本发明人所设想的、执行其发明的最佳 方式。然而，由于在本文中已经限定了本发明的一般原理，特别是 用于提供用以收集太阳能并将其递送到生长的植物的冠层内的策略 性位置的系统的一般原理，因此对本领域技术人员而言各种修改仍 然是十分显而易见的。
图1示出了在本发明的一个实施方式中使用的组件的总体概 览。示意性箭头50表示太阳相对于采收器/收集器组件——复合抛物 面集中器(CPC，compound parabolicconcentrator)反射元件56的 每日移动。线54表示CPC的接受界限，并且这些界限限定了接受 角52。CPC 56使光传输穿过光管58，光管58穿透冠层60并且将 光投射到弥散器64上，弥散器64使弥散光62辐射到冠层的内部部 分中。现将更详细地描述这些组件。
系统从植物/树木/藤蔓/灌木的上方/旁边采收自然太阳光并使 其传输穿过植物/树木的外部生产性冠层，从而将其递送并散射遍及 叶子内部/较低的被遮蔽最多的非生产性部分。对此，优选直接反射 设计(例如，光束由反射镜、棱镜等引导)。所述装置包括三个主 要部分。第一组件是光采收器/收集器/集中器(通常为具有或不具有 聚光器系统的广角/复合抛物面收集器)，并且被设计成安置在植物/ 树木上方或与之相邻。
光采收器可以包括多种形式，其中每种形式可以是可根据最终 用户农业需求和总体环境而适用的。采收器设计的优选实施方式采 用称为CPC(复合抛物面集中器)的反射元件。这一设计具有许多 优点，包括降低制造成本、使系统内的热累积最小以及由于其对于 与太阳的未对准的容差的原因而易于安装。
本文描述的光收集和弥散系统都基于非成像光学器件的原理。 CPC设计是非成像集中器的原始形式的演化，光锥或锥形集中器已 经得到很多年的使用(参见，例如，Holter等人，21；Senthilkumar 和Yasodha，36)。图2示出了原理。如果锥体具有半角γ且如果 θi为极限输入角，那么若2γ＝(π/2-θi)则所指示的光线将仅在一次 反射之后通过。对于给定的入口孔径直径，很容易得到锥体长度的 表达式。另外，很容易看出，以角度θi入射的一些其他光线，诸如 由双箭头指示的一条光线将被锥体折回。如果使用具有较大数目的 反射的更长锥体，仍能找到被折回的、成角度θi的一些光线。显 然，该锥体远不是理想的集中器。Williamson(42)和Witte(49) 试图对锥形集中器进行一些分析，但两人都将这种处理限制于子午 光线。
在二十世纪六十年代中期在内容广泛不同的文献中出现了对这 类光学装置的描述。Baranov和Melnikov(6)以三维几何形状描述 了相同的原理，而Baranov(4)提出了针对太阳能收集的三维 CPC。Baranov(3；5)获得了关于若干CPC配置的苏联专利。由 Ploke(30)描述了轴对称的CPC，其中概括了除导光反射壁之外还 并入了折射元件的设计。Ploke(31)获得了针对各种光度应用的德 国专利。由Hinterberger和Winston(19，20)将CPC结构描述为针 对来自切伦科夫(Cerenkov)计数器的光的收集器。
在针对光收集的其他应用中，对于高能物理学中的应用， Hinterberger和Winston(19，20)指出了对可达到集中度的1/sin2θ 的限制，但直到一段时间之后才明确给出理论(Winston，43)。在 后者的出版物中，作者得出广义集光率并且示出了CPC如何紧密接 近理论最大集中度。
由Winston(44)描述了二维几何形状的CPC。可以在 Winston和Hinterberger(48)以及Rabl和Winston(32)中获悉进 一步详细阐述。另外还描述了将3D形式的CPC应用到红外收集 (Harper等人，16)和视网膜结构(Baylor和Fettiplace，8)。在多 个美国专利(Winston，45，46，47)中给出了2D几何形状的CPC 设计的一般原理。
图3图示了在对CPC的数学描述中使用的r—z坐标系。而图 4示出了在CPC参数方程中使用的角φ的定义，且图5图示了随抛物 线型CPC一起使用的描述性术语，以使各个角与抛物线的焦点关 联。图6示出了具有范围从10度至25度(上至下)的接受角的四 个不同CPC装置的示意图。所述示意图都按同一比例并且都具有相 同大小的出口孔径，并且图示了尺寸如何根据接受角而变化。
CPC光收集设计是高效率的收集光的方式，并且在自然界中 用于包括人类视网膜的视锥在内的许多光学系统中。利用CPC来收 集太阳光实现了所述系统的许多优点。
CPC收集器几何形状的第一个优点在于，其拥有大的接受角 或数值孔径，这意味着当太阳在一天的过程期间在天空行进时，固 定的单元能够在较宽的入射角范围内有效地收集太阳光。具有45度 接受角的通常的CPC将能够有效地收集达6-8小时的太阳光；因此，不需要主动跟踪子系统，从而降低了系统复杂度和成本。还有 可能使用具有不同朝向的两个或更多个CPC单元，以进一步延长最 大光收集周期。简单直接的设计以及使用低成本材料的能力允许简 单的工业大批量生产，这意味着可以按每棵树至少一个单元的密度来使用所述系统。大接受角还允许由非专业人员进行装置设置和使 用(因为与太阳的对准并不是关键的)，并且意味着一旦安装完， 收集效率就对太阳的位置随季节变化而变化不敏感。
第二个优点在于，相比于必须跟踪太阳以收集足够的光的成像 光学系统，CPC设计在装置内生成的热量要少得多。成像系统设计 通常需要光纤以允许跟踪头单元的移动。为了让光纤高效地传输 光，必须使所收集的光集中到非常小的区域中，从而在装置组成部分上造成巨大的热应力。这样的系统通常需要高成本的特殊材料以 防止设备故障。
第三个优点是大幅减少进入系统的热量并从而减少植物上的热 应力的能力，因此减少了植物水消耗量。为了能够实现将“冷”光递 送到内冠层，系统将在如图7中所示的收集器的入口孔径处采用滤 光器，诸如具能量效率的低辐射(low-E)玻璃中所使用的那些滤光 器，在图7中，传入的太阳光70照在覆盖CPC 78的入口的滤光器 (分色滤光器)74上。红外辐射72被滤除，而PAR 76被传输到 CPC 78中。系统的整体模块化的获益在于，可以将这些滤光器设计 成为可轻易拆卸的。因此，在温带地区，在整体温度较低且来自所 收集的光的额外温暖将对植物有益时的生长季早期中可以移除这些 滤光器，而在夏季月份可以重新放置这些滤光器以减少热应力。第 四个优点在于，成像系统仅在清晰而不受阻碍的太阳光下工作，相 反，CPC设计不仅收集直射的太阳光，还收集漫射光，以使得即使 在阴天，也会将额外的光传送到内冠层。
应当理解，应当对光采收器进行定位使得不会显著地遮蔽植物 的外部部分。根据植物的间距，可以将光采收器放置在行之间或者 行中的单株植物(例如，树木)之间，并且经由漫射器元件的形状 而能够将光同时递送到多棵(例如，四棵)树木。为了避免遮蔽植物的外部部分，可以将光采收器放置成低于冠层或者显著地高于冠 层。如果将采收器放置成显著高于冠层，则采收器阴影的季节-昼夜 移动以及光衍射将会避免对植物的任何显著遮蔽。如果将光采收器 放置于较低的位置，则其将不能够显著地遮蔽植物；然而，植物可能显著地遮蔽采收器，除非它们相隔较远。这支持将采收器置于较 高的位置。由于上文提到的衍射-移动效应，因此还可以将采收器定 位在基本上植物正上方的一定距离处。采收器将利用光传送管，作 为将其固定到位的基座结构元件。可以将该支撑物与植物自身或已存在的支撑物(例如，葡萄藤架)相集成。
非成像光采收器的其他实施方式包括诸如图8的矩形版本等几 何形状。与圆形CPC设计相比，具有这样的四重对称且平整的反射 表面的采收器提供的光学效率较低。然而，模块化的潜在优点以及 针对运送的扁平封装能力(即，可折叠能力)允许降低生产成本。 平面设计的其他实现方式对于本领域技术人员将显而易见。
上文描述的本发明的非成像式装置通常是被动式的，并且在无 附加能源的情况下操作。应当理解，除了赤道地区以外，太阳在空 中的位置季节性地变化。因此，为了达到最大效率，必须不断调整 太阳能收集器以跟踪太阳的位置。昼夜/连续地跟踪太阳由于所需技 术的高成本而复杂且昂贵。然而，太阳位置的季节性变化相对较 慢；因此，通过以数目较少的固定增量改变采收器角度进行每周/每 月调整会以非常低的成本取得每日跟踪的大部分收益。提供简单的 手动调整接口以将收集器瞄准太阳位置，尽管太阳位置存在季节性 变化。
图9示出了关于基于成像光学系统的光采收器系统的备选实施 方式，该成像光学系统包含被布置用于将收集的光聚集到诸如光纤 束等窄体传送装置中的一对广角/抛物面反射镜。在该实施方式中， 较大直径的下部抛物线100收集光线96并且将其反射到创建准直光 束的较小直径的辅助抛物线102上。该光束被引导穿过位于较大抛 物线中心处的孔径104，进入传送管(未示出)。双抛物线采收器设 计在与太阳直接对准时收集最优，并且随着太阳在一天中跨天空行 进，效率会急剧下降。因此，这样的系统将需要某种机构来自动移 动碟盘以跟踪太阳。太阳跟踪技术非常成熟并且能够实现其用途的 控制机构容易获得。这些元件额外的复杂性和成本可以通过将光递 送至每个基站的给定阈值数目颗树木而得以减轻。较小的反射镜102 可以有利地为“冷反射镜”，该“冷反射镜”具有滤光器能力。如图中所 示，一些光(近红外光)穿过反射镜102并因此不被集中和传输到 冠层中。
除了为光合作用提供额外的光之外，本发明还允许容易地调整 光质量。可以在所收集和传输到植物的较低部分/内部部分的光被递 送到冠层之内/之下之前，通过改变其波长(使用光学过滤)、漫射 率(通过适当选取的漫射器)、强度(通过部分闭塞，只有在适当之时)来对其进行更变，已经获悉了所有这些手段都会积极更变作 物产量或质量。对光质量的调整可以利用滤光器(既是带通滤光器 又是分色滤光器)或者通过添加来自诸如LED等补充源的光来实 现。
在重新递送之前对光进行光谱优化提供了许多优点。太阳辐射 提供热能以及光合能量，因此提升总太阳辐照来增强光合作用还可 能导致热损害。有可能将太阳光谱的选定热成分(NIR和IR)移 除，从而避免超越自然形成的微气候使被照射区域过热。另外，可以对递送的光进行波长过滤，以匹配于针对生产率(Rajapakse和 Shahak，35；Shahak等人，38，39；Shahak，37；Longstaff， 26)、病虫害调治(Karpinski等人，22；Ben-Yakir等人，9；Antignus，2)等的最佳已知光谱特征。
本发明的第二组件是传输器/运送器，所述传输器/运送器附接 至光采收器以便运送或传输所集中的太阳辐射。尽管附图总体上示 出每个传输器对应单一光采收器，但没有理由认为无法将多个采收 器可操作地耦合至单一传输器。这样的传输器可以是纯反射系统， 所述反射系统构成为由反射镜和/或棱镜构建而成的“反向”潜望镜 (“inverse”periscope)。通常情况下，传输器是具有反射内表面的 刚性管，所述反射内表面能够穿透外部植物冠层或者玻璃或塑料温 室或网棚的遮盖物。图10示出了的这样的装置98。该管被设计成使 得多个节段99可以轻易地插接在一起以根据应用场景来定制长度。 传输器将充当整个系统的支撑物和主要锚固点，其直接附接至植物 或附接至已经存在的诸如棚架系统等基础设施。该组件将具有截面 对称性以匹配采收器单元的截面，从而允许最高效的光传送。
出于传输目的，敞开的、内反射的管通常是优选的。这些管可 以由塑料或镀铝卡纸制成，所述塑料或镀铝卡纸可容易回收并且甚 至可被选定为是可生物降解的。整个装置目前优选的塑料构造将全 部来自UL 746C(f1)认证的塑料，所述塑料能够承受持久暴露于UV、水和高温。本发明的有益特征之一在于，通过刺激光合作用， 本发明实际上减少了大气温室气体(二氧化碳)。使用可回收材料 可以导致对于整个系统而言甚至更小的碳足迹。
传输器子系统的另一实施方式是柔性保护鞘中的密集柔性光纤 束，可以使所述柔性保护鞘穿过外部植物冠层或者玻璃或塑料温室 或网棚的遮盖物。先前已经使用光纤来监测光对植物冠层的穿透 (Bauerle和Bowden，7)，但是未曾将其用于将光主动递送到植物 冠层中。对于通信(即，数据传输)目的，光纤通常由高纯度玻璃 形成，以便可将信号传输达很远的距离而无显著的衰减。对于本发 明，使用由塑料制成的光纤常常会更经济且生态。尽管塑料光纤 (POF)比玻璃光纤显示出更大的衰减，但塑料可容易回收并且甚 至可被选定为是生物可降解的。目前优选的塑料光纤由聚全氟丁烯 基乙烯基醚制成；这些光纤具有比玻璃光纤更大的直径、高数值孔 径，以及诸如高机械灵活性、低成本、低重量等良好性质。重要的 是，关于衰减已经取得了进步，衰减现可轻易降至小于1dB/米，考 虑到本发明中的光纤通常将不超过几米长，这表示损耗不显著。本 发明的有益特征之一在于，通过刺激光合作用，本发明实际上减少 了大气温室气体(二氧化碳)。使用可回收塑料材料可以导致对于 该系统而言甚至更小的碳足迹。
系统的第三组件是漫射器，该漫射器附接至与光采收器相对的 传输器/运送器的末端，或者定位成略低于所述传输器/运送器。漫射 器的工作基本上与光采收器相反。光采收器从相对较大的区域(采 收器的表面积)收集太阳辐射并且将其集中到传输器的较小区域 (例如，中空管或光纤束)中，而漫射器反向进行该过程并且使光 散射在植物的内冠层周围。漫射光在园艺上的优点是众所周知的 (Sinclair等人，40；Hemming等人，18；Nissim-Levi等人，28； Hemming，17，Dueck等人，13)。
存在多种针对漫射器的、允许将系统定制用于各种农业应用和 植物几何形状的设计。对于非成像系统，漫射器可以包含成形的漫 反射表面的组合。如图11a和图11b中所示，大凹面镜90和较小的 凸面镜92的组合可以使离开传送管98的孔径94的光线96扩散。这种扩散光束对于在诸如柑橘树等树木的内冠层中使用而言是理想 的。对于诸如葡萄藤等成行的植物，这些表面可包括这样的形状， 诸如由柔性反射材料(诸如镀铝Mylar)的细长吊床样式反射器，如 图12中所示。柔性反射Mylar(或类似的材料)106由线框108支 撑。可以将带条(未示出)附接至线框的外围部件110，以悬挂反射 器/漫射器。线性“槽”由刚性反射材料制成，如图13中所示。该槽具 有反射表面——根据安装配置，该反射表面为内表面或外表面。该 单元可以通过线悬置，以悬吊在植物下方或者简单地置于地面上。 许多其他可能的几何形状对于本领域技术人员将显而易见。
对于其中光传送是经由光纤系统进行的成像系统，使传输器在 诸如内部涂覆有Mylar的球囊或半透明球等漫射球体内终止提供了 有效的漫射器。根据植物的形状，漫射器可被设计用于将光漫射成 若干不同的三维形状。例如，具有圆形冠层的常规柑橘树将使用投 射呈球体或部分球体的光的漫射器。单一光纤传输器可以终止于布 置在植物内的若干漫射器中，以获得最佳覆盖。
存在许多对这三个基本组件的添加或修改。如已经提及的，光 采收器可以配备有各种机械接口，以允许对其进行调整来跟随太阳 位置的季节变化和/或昼夜变化。上文还已提及对所传输光的光谱的 更变。出于该目的，滤光器材料(吸收性或者干涉性/反射性材料) 可以适用于光采收器和/或漫射器。还有可能向光纤本身添加滤光物 质。对于通常被滤除的波长(例如，红外波长)，可以使用诸如棱 镜、分色镜或光栅等光学装置来滤除这些波长以便不使任何组件变 热。在一些情况下，向系统添加补充光源(例如，LED)以供应比可从太阳获得的光更多的光以及/或者增大某些波长的光可能是有益 的。这将在所添加的光的经济效益超过能量成本的情况下得到使 用。附加光源可以瞄准光采收器，直接耦合至传输器或者安置在漫 射器内。
对用户的益处包括由增强的光合作用和/或增强的光形态建成 活动而导致的植物生产率和果实产量增加，所述光形态建成活动诸 如为冠层中原本被遮蔽的非活性部分中的开花诱导和芽萌生。另 外，由本发明提供的补充辐照可能导致果实质量改善：大小、颜色、采后质量/耐贮性/贮存期/营养价值等。由于该系统使植物更健 康，因此看出病虫害防治得以改善——可能通过阻止病虫害以及/或 者增强植物对生物应力的抵抗的光谱操纵而实现(Karpinski等人， 22；Ben-Yakir等人，10，2014；Kong等人，24)。这导致减小了 对施加诸如杀虫剂、杀真菌剂以及植物生长调节剂等农用化学品的 需要。由于系统能够提供无热(近红外(NIR)和红外)辐射的 PAR，因此使植物组织变热较少，从而导致水使用减少(水使用效 率提高)。可能还存在由减少诸如修剪、整枝等此类传统实践的使 用以及减少光散射材料的使用而引起的节约。由于可以移动和重新 布置本发明的系统以适应植物生长所引起的变化，因此还减少了确 定最优株距的问题。最后，植物生长的量和方向可以通过所供应的 附加光及其光谱来控制，例如，通过降低树木高度以便更容易采收 (在不牺牲每棵树木产量的情况下)来控制，或者通过实现某种形 状——例如，用于装饰性目的的形状来控制(Warrington和 Mitchell，41；Mortensen和Moe，27；Rajapakse等人，34；Oren- Shamir等人，29；Rajapakse和Shahak，35；Aiga等人，1)。
所述系统对于多年生作物很理想，但该系统亦可用于几乎任何 植物。其可有利地应用于果园中的单颗树木。其可用于其中水平光 弥散可能特别有价值的小果实“葡萄园”中(鲜食葡萄、酿酒葡萄、 猕猴桃和浆果)。其还用于温室、网棚、网室、塑料大棚(“拱形” 温室)以及“植物工厂”中的蔬菜、观赏作物、浆果(蓝莓、树莓、 黑莓、草莓)和苗圃的设施栽培(Kozai，25)。在这些情况下，本 发明的装置将穿过构造物屋顶。每个房屋面积的单元数目可根据所 栽培的作物而容易地调整。
原型单元的使用提供了关于系统可容易采收多少光和将多少光 递送至植物上的给定位置的一些信息。PAR读数(微摩尔(μmol) 光子/m2/s)是正午在柑橘林中使用PAR计(Apogee Instruments， Logan，UT)而获得的，其中传感器面保持朝向太阳(即，与太阳 的光线垂直)。没有柑橘树的区域中的峰值读数为2040-2060；树木 的行之间的峰值读数为1920-1945；而树木的内冠层内的峰值读数仅 为8-15。实验的光采收器定位于外冠层处，因此其部分地被相邻树 木遮蔽。尽管如此，采收器的出口处的峰值读数为1800-2500。在冠层内距光传输器的出口约150cm的距离处的测量值为800-1000。 (当将光采收器放置于完全不受阻碍的太阳光下时，其递送8500- 9500光子/m2/s；PAR计的上限读数为3000，因此，这些数字是通过 使用该PAR计上的中性密度滤光器而获得的。)
类似地，在开心果果园中，行之间的读数为1800-1900，而树 下方的读数范围在40-350之间。这是因为开心果树的冠层不如柑橘 树的冠层那么密集。在地面上测量时，接收光采收器的输出的阴影 区域给出的读数为2000-3000。在鲜食葡萄园中，远离葡萄藤的读数 约为2000，而棚架生长的葡萄藤下方的读数仅为13-25。光收集器/ 传输器的出口给出了超过3000的读数。使用与图12的那些漫射器 类似的Mylar漫射器，在测量计传感器定位成与被照射果簇相邻的 情况下(其传感器平面与地平面成约45度角)，给出的读数为800- 1045，该读数应当足以显著地影响果实成熟。
本发明提供了包括但不限于以下实施方案：
1.一种用于通过供应光能来更变植物生长和发育的装置，包 括：
光采收器，用于收集和集中光能；
光传输器，用于传导来自所述光采收器的集中的光能；以及
光漫射器，用于从所述光传输器接收集中的光能并且漫射和辐 射所述光能以便对植物的一部分进行照射，从而更变植物的生长和 发育。
2.根据实施方案1所述的装置，还包括至少一个光学组件，所 述至少一个光学组件改变传输至所述植物的所述光能的光谱质量。
3.根据实施方案2所述的装置，其中所述至少一个光学组件通 过允许光合有效辐射被传输至所述植物，同时阻止红外辐射和/或近 红外辐射被传输至所述植物来改变所述光能的光谱质量。
4.根据实施方案2所述的装置，其中所述至少一个光学组件通 过改变紫外波长、蓝色波长、黄色波长、红色波长或远红波长来改 变所述光能的光谱质量。
5.根据实施方案1所述的装置，其中所述光集中器包括非成像 光学系统。
6.根据实施方案5所述的装置，其中所述非成像光学系统包括 复合抛物面集中器。
7.根据实施方案6所述的装置，其中所述复合抛物面集中器具 有矩形几何形状。
8.根据实施方案6所述的装置，其中所述复合抛物面集中器具 有圆形几何形状。
9.根据实施方案1所述的装置，其中所述光传输器是内反射管 状结构。
10.根据实施方案1所述的装置，其中所述光传输器是光纤 束。
11.根据实施方案1所述的装置，其中所述光传输器是反向潜 望镜。
12.根据实施方案1所述的装置，其中所述光漫射器包括凹面 镜。
13.根据实施方案1所述的装置，其中所述光漫射器包括柔性 反射表面。
14.根据实施方案1所述的装置，其中所述光漫射器包括形成 为槽的反射器。
15.根据实施方案1所述的装置，其中所述光漫射器包括漫射 球体。
16.一种用于改善植物的生长和生产率的方法，包括以下步 骤：
提供包括光采收器、光传输器和光漫射器的装置，所述光采收 器收集并集中光能；
将所述光漫射器放置成接近所述植物；
安置所述光采收器以便接收和收集光能；
将收集的光能传导至所述光传输器；
借助于所述光传输器将所收集的光能传输至所述光漫射器；以 及
借助于所述光漫射器散布所传输的光能以对植物的一部分进行 照射，从而更变所述植物的生长和发育。
17.根据实施方案16所述的方法，所述光传输器将所收集的光 能传输穿过构造物的屋顶、地板或壁。
18.根据实施方案16所述的方法，其中所述光采收器收集太阳 光能。
19.根据实施方案18所述的方法，其中所述光采收器收集完整 的一天中的光，而无需太阳跟踪系统或自适应系统。
20.根据实施方案18所述的方法，还包括在生长季期间每隔一 段时间重新定位所述光采收器的步骤以便保持对太阳能的最优接 收。
21.根据实施方案16所述的方法，其中所述光漫射器定位在所 述植物的内冠层之内。
22.根据实施方案16所述的方法，还包括调整收集的光能的质 量的步骤。
23.根据实施方案22所述的方法，其中所述调整收集的光能的 质量的步骤包括从收集的光能中消除一些或全部近红外波长和/或红 外波长。
24.根据实施方案22所述的方法，其中所述调整收集的光能的 质量的步骤包括用来自不同光源的光补充所收集的光能。
25.根据实施方案22所述的方法，其中所述调整收集的光能的 质量的步骤包括改变紫外波长、蓝色波长、黄色波长、红色波长或 远红波长。
26.根据实施方案25所述的方法，其中改变紫外波长、蓝色波 长、黄色波长、红色波长或远红波长导致病虫害防治。
当然，该装置还能够以其他形式用于即使可能不涉及光合作用 但光亦可具有有益影响的养殖业。畜牧业，尤其是家禽养殖可受益 于增加的光。水产养殖也是本发明装置的自然用途。
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Claims (10)

1.一种用于通过供应光能来更变植物生长和发育的装置，包括：
光采收器，用于收集和集中光能；
光传输器，用于传导来自所述光采收器的集中的光能；以及
光漫射器，用于从所述光传输器接收集中的光能并且漫射和辐射所述光能以便对植物的一部分进行照射，从而更变植物的生长和发育。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括至少一个光学组件，所述至少一个光学组件改变传输至所述植物的所述光能的光谱质量。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述至少一个光学组件通过允许光合有效辐射被传输至所述植物，同时阻止红外辐射和/或近红外辐射被传输至所述植物来改变所述光能的光谱质量。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述至少一个光学组件通过改变紫外波长、蓝色波长、黄色波长、红色波长或远红波长来改变所述光能的光谱质量。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述光集中器包括非成像光学系统。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述非成像光学系统包括复合抛物面集中器。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述复合抛物面集中器具有矩形几何形状。
8.根据权利要求6所述的装置，其中所述复合抛物面集中器具有圆形几何形状。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述光传输器是内反射管状结构。
10.一种用于改善植物的生长和生产率的方法，包括以下步骤：
提供包括光采收器、光传输器和光漫射器的装置，所述光采收器收集并集中光能；
将所述光漫射器放置成接近所述植物；
安置所述光采收器以便接收和收集光能；
将收集的光能传导至所述光传输器；
借助于所述光传输器将所收集的光能传输至所述光漫射器；以及
借助于所述光漫射器散布所传输的光能以对植物的一部分进行照射，从而更变所述植物的生长和发育。
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