TWI494054B - 智慧型光柵式植物培植裝置、其製法及培植方法 - Google Patents

Description

智慧型光柵式植物培植裝置、其製法及培植方法

本發明係有關於一種智慧型光柵式植物培植裝置及方法，尤指一種利用光柵上配置的顏色，自陽光中濾除其他光波，並反射出植物生長所需之光波，進而自然、節能且有效調控植物生長的技術。

按陽光對於植物的生長有著至為關鍵的作用，不論是在發芽、成長、開花和結果等階段都是需要陽光的參與。一般普遍所知的陽光，其實是由不同波長的電磁光波所組合。已被證實的是，植物於各種生長階段時具備不同的生理條件，對於不同的光波各自有所喜好，所以於不同的生長階段，某些波段的光波作用確實可以促進植物的快速生長，例如於在發芽階段時讓特定波段的光波入射溫室，可以促進植物於同一時間發芽，或是於開花階段時，讓特定波段的光波入射溫室，可以加速植物開花的時間，或是延遲植物開花的時間。

眾所周知，培植設施(即俗稱溫室)是生產精緻農作物的主要生產設施，沒有溫室，完全精準化的作物生產就不太可能。台灣每年約20億新台幣左右的蝴蝶蘭苗產值，都是抑賴溫室進行調控，將經濟作物的生長環境標準化；適用於溫室的經濟作物除了蝴蝶蘭、火鶴花外，還有蕃茄、甜椒、草莓等口味全球化的高價蔬菜。至於一般市面上蓋在溫室上方的農用網，大都是用來遮風避雨、防蟲、遮光等之一般用途。

一般市售的培植設施大致可分為固定式培植設施以及非固定式培植設施二種，非固定式之栽培設施又可分為下列的種類：

1.披覆式紗網覆蓋，將塑膠紗網直接覆蓋在作物上，其披覆材料為PE製綠色塑膠網或是白色不織布，主要作用在於防雨及保溫。

2.浮動式紗網覆蓋，其以竹竿架成帳棚狀，其披覆材料為PE製綠色或黑色塑膠網，主要作用在於遮陰、防豪雨及降低日曬高溫。

3.低架式紗網覆蓋，其披覆材料為PE綠色、白色或黑色塑膠網。

4.水平高架塑膠網室，內部寬敞而可供小型農機操作，披覆材料為PE綠色或白色塑膠網，主要作用在於避免豪雨雨滴直接沖擊植物葉面、遮陰及減少大型蛾類害蟲之入侵。

5.矮隧道式塑膠布棚，披覆材料為白色PE塑膠布，主要作用在於防寒、保溫及防雨、防蟲。

6.高架隧道式塑膠布溫網棚，披覆材料為PE白色塑膠網，主要作用在於防寒、保溫及防雨、防蟲。

7.大型塑膠布網室，其以金屬管為骨架，其上覆PE塑膠布，兩側露空，或加覆尼龍防蟲網，或更進一步在防蟲網外在加捲揚塑膠布，主要作用在於防蟲夏季通風與冬季保溫。

上述農用網係依據顏色種類而有不同的作用，例如黑色與綠色是用來抗強風，可耐夏天的高溫及防紫外線，可耐冬天的寒冷風雪、防蟲、防鳥等用途。銀黑/黑白雙色銀色/白色面朝上可反光降低溫度、防止蚜蟲及害蟲生長，保護根系，以減少農藥使用。黑色面朝下可以隔離光線，抑制雜草生長，以減少除草劑使用。銀色能反射光線促進光合作用不吸熱。白色能反射光線促進光合作用不吸熱，可兼作保溫隔熱幕。濾紅外光遮光網可以抑制植株高度，降低設施內溫度。由此得知，上述該等習用結構雖然已經揭露將不同顏色的農用網覆設在溫室上，惟農用網作用在於達成防蟲、防鳥、隔離光線以及保溫等功效，所以該等習用結構無法依據植物種類、生長階段而讓該種植植物有利之光波進入，以致較無法提升種植作物的產量與品質。

近年來，光質對植物生長與形態的影響，已經引起相關業者以及研究學者的重視。例如日本學界著重在探討LED單色光對組織培養苗的生長性狀影響。儘管目前已有將LED燈具應用在培植箱、室內，用以調節作物的光照量，在產量和效率方面優點突出，但存在的問題也同樣明顯，那就是高昂的成本，且光源僅為紅藍白三種，且LED燈超過負載，仍會使LED燈發熱，必須以恆壓源電路設計，以控制電流穩定，故而在設計上應注意串聯後的電流量及功率下降問題，加上LED燈的建構設備和基礎成本所費不貲，成本耗損可觀，且其需要支付而外的電費，亦是一種資源的浪費，因此，無法大力的有效推廣。

緣是，因鑑於上述習用結構所產生的缺失，因此，本發明人乃積極努力研究，經潛心開發，終於研發出一種確具實用功效的本發明。

本發明主要目的，在於提供一種智慧型光柵式植物培植裝置，主要是依據作物種類、生理條件以及生長階段而選用具特定光波反射效果的濾波光柵，在不需具特殊波長燈具的輔助下，即可直接將太陽光中對作物有利的光波導入至溫室，藉以促進作物的生長與培育，因而具有不需要耗費電能、成本低廉、符合節能減碳效益等特點，並可達成提升作物栽種的收成效益、品質以及經濟價值等之功效。達成上述目的之技術手段，係設計一種具有可反射出植物生長所需光波長相應顏色的光柵，將光柵罩於植物外圍，利用自然界中的陽光照射到光柵，以光柵的顏色將陽光中對於種植中的植物不需要的光波長濾除，僅留該植物生長所需的光波長通過光柵並照射在植物上，以調控制植物生長。

壹．本發明的概念

請參看圖9及圖10所示，本發明主要係利用具有可反射出植物30所需光波長的對應顏色的光柵10，將光柵10罩於植物30外圍，利用自然界中的陽光照射到光柵10，藉由光柵10的顏色作用將種植中的植物30不需要的光波長濾除，僅留該植物30所需的光波長通過光柵並照射在植物30上，而達到簡單、自然且省能以控制植物30生長之目的。

本發明之目的及概念，係依據在正常日曬下不同植物(陽性、中性及陰性植物)所需的不同光照強度(顏色遮蔽強度也就是透光率，利用顏色增加比重)及光譜範圍(不同色彩光譜(或激發光譜))，利用各種顏色材料的搭配找出各類植物生長最佳光質。或利用螢光材料或磷光材料轉換不需要生長光譜為生長光譜，更可利用磷光(餘長輝材料)以增長光照時間。

貳．本發明的具體實施例 2.1本發明之智慧型光柵式植物培植裝置

為了達到本發明上述之目的，本發明乃先設計出一種智慧型光柵式植物培植裝置。本發明的智慧型光柵式植物培植裝置，會包括有至少一光柵10。光柵10供罩於正在種植的植物30外圍，如圖9及10所示。光柵10具有與該生長所需光波長對應的顏色。當陽光先照射到光柵10時，光柵10因具有與種植中的植物30所需光波長對應的顏色，該顏色便會將陽光中其他波長的光線濾除，僅留植物30所需光波長的光線被反射出來，透過光柵10後再傳遞照射到植物30上，進而達到提供該植物30生長所需光波長之光線，故而可簡單、自然、省能且有效地達到控制植物30生長之功效。

一般種植的植物，其各生長期所需的光波長為400~500nm及600~700nm，因而本發明設置在光柵10的顏色，其顏色之光譜的光波長為400~500nm及600~700nm。

本發明的光柵10可設計成網狀，如圖7、8所示。本發明的光柵10亦可設計成包括有複數個呈橫向並行排列的長條片體11，如圖3至6所示。

2.2本發明之智慧型光柵式植物培植裝置的製法

請配合參看圖1、3所示，為了具體製備本發明之智慧型光柵式植物培植裝置，本發明設計一種具體的製法，其製法包括：

(a)確認一植物生長期所需的光波長，並加以記錄；

(b)準備包括有一特定量的高分子基材及一特定量的光轉化材料，將基材與光轉化材料混練製成母粒；

(c)將母料與一特定量的高分子基材混練成光柵原料，將光柵原料加工製成光柵基材，以該光柵基材製成具有複數個呈陣列分部之透光部且可將陽光轉化為該光波長的光柵10。

將製成的光柵10以光譜儀檢測其反射出來的光線之光譜，並與該光波長比對。於確定檢測光譜之波長與植物生長期所需的光波長相符合後，即確定光柵10可反射出該植物生長期所需的光波長，確定所製造的裝置為所需。

本發明之智慧型光柵式植物培植裝置的製法中，基材可選用聚乙烯或聚丙烯，光轉化材料為顏色材料、螢光材料或磷光材料，顏色材料為奈米色母，將基材與光轉化材料均勻混摻成母料，將母料與基材混摻製成基材原料，再以基材原料製成光柵10。若所選用的基材為聚乙烯，則會如一般習知技術一樣在混練的過程中添加有陽離子分離劑或陰離子分散劑(其比例視需要而定，約0.1~1%重量百分比)，以利均勻分散。若所選用基材為聚丙烯，則會如一般習知技術一樣在原料中添加有抗紫外線劑(抗UV劑)，及在混練的過程中添加陽離子分離劑或陰離子分離劑以利均勻分散(其比例視需要而定，約0.1~1%重量百分比)，抗紫外線劑可以避免光柵10因長期曝曬而裂解，藉以延長光柵10的使用壽命。本發明實驗例一，準備約68%重量百分比之聚乙烯、約25%重量百分比之螢光材料(紅色)，約5%重量百分比之光觸媒(例如T_i O₂ 氧化鋅)及約2%重量百分比之顏色材料(紅色母)分六段溫度以雙螺桿混練而製成母粒，六段溫度依序為攝氏190、220、230、240、250及250度。再取50%重量百分比之聚乙烯及50%重量百分比之母粒以分六段溫度以單螺桿混練而製成光柵原料，再以光柵原料製成光柵基材，六段溫度依序為攝氏190、220、230、240、250及250度，比較附件二表二依實驗例一所製成的光柵基材及表一的聚乙烯的光譜，顯示光柵基材確實具有良好的光轉化功效，其光波長符合所需。本發明實驗例二，準備63%重量百分比之聚丙烯、25%重量百分比之磷光材料(紅色)，5%重量百分比之光觸媒(例如T_i O₂ 氧化鋅)、5%重量百分比之抗紫外線劑(抗UV劑)及2%重量百分比之顏色材料(紅色母)分六段溫度以雙螺桿混練而製成母粒，六段溫度依序為攝氏180、200、220、230、240及240度。再取50%重量百分比之聚丙烯及50%重量百分比之母粒以分六段溫度以單螺桿混練而製成光柵原料，再以光柵原料製成光柵基材，六段溫度依序為攝氏180、200、220、230、240及240度，比較附件三表二依實驗例一所製成的光柵基材及表一的聚丙烯的光譜，顯示光柵基材確實具有良好的光轉化功效，其光波長符合所需。

本發明原料配方中所使用的色料(光阻劑)為遮蔽材主要遮蔽400nm以下紫外線波長留下400-500nm波長(藍光)及留下600-700nm(c紅光波長)。而螢光材料或磷光材料(也是光阻劑(或稱光柵劑))只是會吸收光譜400nm以下紫外線波長轉換激發光譜400-500nm波長(藍光)及600-700nm(c紅光波長)。螢光材料為即時轉換激發光譜。磷光材料(長餘暉材料)能轉換為激發光譜及儲存多餘光譜能量再激發光譜。

完成上述實驗例一及實驗例二的光柵基材調製後，若欲將光柵10製成網狀結構(如圖7及8所示)，則以原料熱融抽絲成纖維12，再由纖維12織製成網狀的光柵10，具體實施例中網格的間隙約為纖維12外徑的1~2倍，用以使陽光經纖維12的反射或繞射，最後傳遞照射到植物。若欲製成複數個長條片體並排而成的光柵10(如圖3及4所示)，則將原料模製成複數個長條片體11，再將該等長條片體11裝設在一外框20的內圍，進而形成光柵。一種較佳實施例中，複數個長條片體11可以串結成如百葉窗的連結形態，並可藉由轉向機構的操控下而調整每片片體11的受光角度，使太陽光經片體11表面的反射或繞射作用，最後傳遞照射植物。

再者，為了提升植物生長控制的效率，本發明於製法步驟(a)確認一植物生長期所需的光波長之方式，係自一建立的植物生長期資訊對應所需波長資訊的資料庫中找出所提供植物之各生長期對應所需生長光波長之資訊加以確認。

2.3本發明之智慧型光柵式植物培植方法

如圖2至4及9所示，本發明之智慧型光柵式植物培植方法，係包括：

(a1)提供上述製法所製成之智慧型光柵式植物培植裝置；

(b1)提供該確認的植物30;

(c1)栽植該植物30，使該植物30位於陽光可照射之處；及

(d1)將該裝置之光柵10置於該植物30與陽光之間，讓陽光先抵達光柵，由光柵10對陽光進行過濾，並讓該植物30生長所需光波長的光線穿越而傳遞照射該植物30。

其中，由於植物生長過程有多個不同的生長期，每一生長期所需的光波長會有不同。為了能有效提供各生長期所需的光波長之光線，本發明培植方式中，特別設計一種方式，即依據植物各生長期所需的光波長而配合更換具有與該光波長對應顏色的光柵。

參．本發明原理與實驗 3.1本發明之原理

眾所周知，光週期對於光照的要求與光合作用完全不同，光合作用是作為能量的需要依存於光照的。這部分的光進入人的眼睛中時才會產生顏色的感覺，可見光波長與顏色之關係可用色環表示，從400nm到700nm各顏色與光波的關係如附件一圖1所示。葉片是植物進行光合作用的主要器官，而葉綠體(chloroplast，chlor)是光合作用最重要的細胞器。葉綠體色素包括葉綠素(葉綠素A，葉綠素B)，類胡蘿蔔素(胡蘿蔔素α、β、γ以及葉黃素)和藻膽素(僅存於紅藻和藍藻之中)。葉綠素對光波最強的吸收區有兩個，一個在波長為640~660nm的紅光部分，另一個在波長為430~450nm的藍紫光部分，如附件一圖2所示，自然光光譜對這幾種色素的影響可見一般。此外，葉綠素對橙光、黃光吸收較少，其中尤以對綠光的吸收最少。葉綠素a對藍紫光的吸收為對紅光吸收的1.3倍，而葉綠素b則為3倍。胡蘿蔔素和葉黃素的吸收光譜與葉綠素不同，它們的最大吸收帶在400~500nm的藍紫光區，不吸收紅光等長波光。藻藍蛋白的吸收光譜最大值在橙紅光部分，藻紅蛋白在綠光、黃光部分。如附件一圖2所示，其中於450nm波段，對於植物發芽有一定程度的促進作用。當光波來到660nm波段時，植物發芽、開花及光合作用皆有最佳的促進作用，因此，本發明所製備的光柵10即是依據上述原理而構想研發。

進一步而言，本發明光柵10可依據植物生長特性而製成為紫色、藍色、綠色、黃色以及橙色等多種顏色。一般而言，待植物生長至一定階段後，光譜成分則開始對植物的發育生長發生作用。且經本發明人長期分析研究發現，光譜對植物生長的作用如后：(1)紫色光與紫外線波長為300~440nm，是促進植物形成色素的主要光能，並直接影響植物對磷和鋁等元素的吸收及維生素D的形成、幹物質的積累以及角質層的形成。(2)藍色光波長為440~490nm，可以活躍葉綠素的活動，促進光合作用。(3)綠色光及黃色光波長為500~600nm，抑制葉綠素的活動，使光合作用下降。(4)橙紅色光波長為600~700nm，可以大幅增強植物的光合作用，有利於促進植物生長，但如果過多又會引起植物枝蔓的過度生長。

此外，植物對不同光譜的吸收程度也有所不同，其中，吸收最多的是橙紅色光，其次是波長300~500nm的藍紫色光及紫外線，而對波長500~600nm的綠黃色光吸收較少。另外，不同地區不同習性的植物對光照的吸收能力也不一致，喜陽性植物一般可吸收落在其葉面上80%以上的光線，而喜陰性植物一般只吸收60%左右的光線。

色素吸收決定著可見光波段的光譜反射率，細胞結構決定近紅外波段的光譜反射率，而水汽吸收決定了短波紅外的光譜反射率特性。再經本發明人深入研究分析後發現，在一般的情況下，植被在350～2500nm範圍內具有如後之典型反射光譜特徵：(1)350～490nm波段：由於400～450nm波段為葉綠素的強吸收帶，425～490nm波段為類胡羅卜素的強吸收帶，380nm波長附近還有大氣的弱吸收帶，故350～490nm波段的平均反射率很低，一般不超過10%，反射光譜曲線的形狀也很平緩。(2)490～600mn波段：由於550nm波長附近是葉綠素的強反射峰區，故植被在此波段的反射光譜曲線具有波峰的形態和中等的反射率數值(約在8～28%之間)。(3)600～700nm波段：650～700nm波段是葉綠素的強吸收帶，610、660nm波段是藻膽素中藻藍蛋白的主要吸收帶，故植被在600～700nm的反射光譜曲線具有波谷的形態和很低的反射率數值(除處於落葉期的植物群落外，通常不超過10%)。(4)700～750nm波段：植被的反射光譜曲線在此波段急劇上升，具有陡而近於直線的形態。其斜率與植物單位面積葉綠素(a+b)的含量有關，但含量超過4～5mg.cm² 後則趨於穩定。(5)750～1300nm波段：植被在此波段具有強烈反射的特性(可理解為植物防灼傷的自衛本能)，故具有高反射率的數值。此波段室內測定的平均反射率多在35～78%之間，而野外測試的則多在25～65%之間。由於760nm，850nm，910nm，960nm和1120nm等波長點附近有水或氧的窄吸收帶，因此，750.1300nm波段的植被反射光譜曲線還具有波狀起伏的特點。(6)1300～1600nm波段：與1360～1470nm波段是水和二氧化碳的強吸收帶有關，植被在此波段的反射光譜曲線具有波谷的形態和較低的反射率數值(大多在12～18%之間)。(7)1600～1830nm波段：與植物及其所含水分的波譜特性有關，植被在此波段的反射光譜曲線具有波峰的形態和較高的反射率數值(大多在20～39%之間)。(8)1830～2080mn波段：此波段是植物所含水分和二氧化碳的強吸收帶，故植被在此波段的反射光譜曲線具有波谷的形態和很低的反射率數值(大多在6～10%之間)。(9)2080～2350nm波段：與植物及其所含水分的波譜特性有關，植被在此波段的反射光譜曲線具有波峰的形態和中等的反射率數值(大多在10～23%之間)。(10)2350～2500mn波段：此波段是植物所含水分和二氧化碳的強吸收帶，故植被在此波段的反射光譜曲線具有波谷的形態和較低的反射率數值(大多在8～12%之間)。

顏色的顯示與光有非常密切的關係，其反色光與透色光可顯現波段光波之顏色。本發明所製備的光柵10，是以適合植物生長之光波來過濾出色塊，根據國際標準色卡(Pantone色卡)的顏色區塊做光波反射後的顯色基礎，進而開發出其適合植物生長之光波的顏色。

肆．結論

因此，藉由上述技術特徵的建置，本發明確實可以依據作物種類、生理條件以及生長階段而選用具特定光波反射效果的濾波光柵，在不需具特殊波長燈具的輔助下，即可直接將太陽光中對作物有利的光波導入至溫室，藉以促進作物的生長與培育，因而具有不需要耗費電能、成本低廉、符合節能減碳效益等特點，並可達成提升作物栽種的收成效益、品質以及經濟價值等之功效。

以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請　鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

10．．．光柵

11．．．片體

12．．．纖維

20．．．外框

30．．．植物

圖1係本發明光柵式植物培植裝置的製法之流程示意圖；

圖2係本發明光柵式植物培植方法之流程示意圖；

圖3係本發明光柵之第一種實施例立體示意圖；

圖4係圖3所示實施例之局部斷面示意圖；

圖5係本發明光柵之第二種實施例立體示意圖；

圖6係圖5所示實施例之局部斷面示意圖；

圖7係本發明光柵之第三種實施例立體示意圖；

圖8係圖7所示實施例之局部斷面示意圖；

圖9係本發明使用第一種實施例光柵進行培植的示意圖；及

圖10係本發明使用第三種實施例光柵進行培植的示意圖。

附件一：圖1為顏色與光波的關係圖；圖2為自然光光譜對色素的影響圖。

附件二：表一的聚乙烯的光譜；表二依實驗例一所製成的光柵材料光譜。

附件三：表一的聚丙烯的光譜；表二依實驗例二所製成的光柵材料光譜。

10‧‧‧光柵

11‧‧‧片體

30‧‧‧植物

Claims (6)

1. 一種智慧型光柵式植物培植裝置的製法，其包括以下步驟：(a)確認一植物生長期所需的光波長，並加以記錄；(b)準備包括有佔63%~68%重量百分比的高分子基材及佔0.2~30%重量百分比的光轉化材料、佔1~10%重量百分比的光觸媒及佔1~10%重量百分比的抗UV劑，將該基材、該光轉化材料、該光觸媒及該抗UV劑混練製成母粒；(c)將該母料與特定量的高分子基材混練成光柵原料，將該光柵原料熱融抽絲成纖維的光柵基材，以該光柵基材製成具有複數個呈陣列分部布之透光部且可將陽光轉化為該光波長的網狀光柵，其中，該光柵為一織物，該織物之網格的間隙約為該纖維外徑的1~2倍。
2. 如請求項1所述之智慧型光柵式植物培植裝置的製法，其中，該高分子基材係選自聚乙烯及聚丙烯至少其中一種；該光轉化材料係選自顏色材料、螢光材料及磷光材料至少其中一種。
3. 如請求項1所述之智慧型光柵式植物培植裝置的製法，其中，確認一植物生長期所需的光波長，係自一建立的植物生長期資訊對應所需波長資訊的資料庫中找出該所提供植物之各生長期對應所需生長光波長之資訊加以確認。
4. 一種以如請求項1所述之方法製成的智慧型光柵式植物培植裝置，其包括至少一該光柵，該光柵混含有該高分子基材及該光轉化材料，且其上具有複數個呈陣列分佈的透光部，該光柵供罩於 正在種植的植物外圍，該光柵經陽光照射後，用以將陽光中的紫外光轉化而產生供該植物生長所需光波長之光線並傳遞至該植物。
5. 如請求項4所述之智慧型光柵式植物培植裝置，其中該織物係選自平織織物、雙層織物、雙層絞邊織物及絞邊紗織物其中一種。
6. 一種以如請求項1之方法所製成之智慧型光柵式植物培植裝置的植物培植方法，其包括：提供如請求項1所述之方法所製成之該裝置；提供該確認的植物；栽植該植物，使該植物位於陽光可照射之處；及將該裝置之該光柵置於該植物與陽光之間，讓陽光先抵達該光柵，由該光柵對陽光進行過濾，並讓該所需光波長的光線穿越而抵達該植物。