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石墨烯远红外电热膜在农业上的应用
发布时间：
2023-10-27
我国是农业大国，从农业发展历史来看，每次生产技术进步的飞跃，都离不开科技创新。随着当代互联网的发展，大数据、云计算、人工智能、无人机和机器人等新材料、新技术、新装备在农业生产中的应用范围越来越广，传统农业生产模式正逐步向智慧农业转变。
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格状的二维碳纳米材料。石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数，单层石墨烯的导热系数可达5300W/m∙K，不仅优于碳纳米管，更是远高于金属中导热系数最高的银、铜、金、铝等，因此石墨烯作为热电材料目前已被广泛应用于电地暖、墙暖画、智能穿戴等发热产品上。
其中，石墨烯电采暖作为一种全新的采暖方式，在近几年的北方地区清洁取暖工程中被大量采用，得到了市场的良好反馈。更高的电热转换效率，更低的能耗，更清洁的空气，更安全的设计，更健康的远红外采暖方式，让石墨烯电采暖在众多采暖技术中脱颖而出。
农业需求
AGRICULTURAL DEMAND
在我国农业大棚生产领域，由于传统的增温方式（燃煤、燃油、电热等）存在能耗高、安全性低、空气污染、安装复杂等问题，已不再适合农业高质量发展的需要。急需寻找替代传统锅炉水暖、热风炉、电热线、燃气炉、燃油炉等加热设备，受到石墨烯家庭电采暖应用的启发，石墨烯远红外电热膜在农业和农村也具有十分广泛的应用场景，涵盖蔬菜大棚、花卉栽培、农林育苗、土壤保温、雏鸡孵化、特种水产养殖等产业。
政策助力
POLICY ASSISTANCE
全国石墨烯产业研发和应用第一梯队的江苏省发布了全国首个推进石墨烯在农业领域开发应用的政策支持文件。
2020年5月7日江苏省农村农业厅办公室发出（苏农办发〔2020〕8号）《关于建立石墨烯农业科技推广联盟的通知》，通知要求加快推进石墨烯在农业领域的开发应用，推动新一轮农业科技革命，促进农业生产方式转变和资源高效利用，由江苏省现代农业科技产业研究会牵头，成立石墨烯农业科技推广联盟，联合从事石墨烯研发的科研院所和制造业、推广部门以及相关农业经营主体，形成石墨烯农业科技研发、生产、推广、应用一体化格局， 提升农业产业综合竞争力，提升农业现代化水平。
同年2020年7月21日，石墨烯农业应用研讨会暨石墨烯农业应用推广中心成立揭牌仪式在大同大学举办。石墨烯农业应用推广中心将结合《乡村振兴战略规划(2018-2022年)》《科技助力精准扶贫工程实施方案》等，围绕石墨烯农业应用与推广这一核心，将石墨烯农业应用“排头兵”作为自身定位，以赋能精准扶贫、助力美丽乡村建设为战略高度，依托石墨烯联盟产业创新服务能力和优势资源，采用电化学法制备石墨烯溶胶，并通过干燥工艺制得石墨烯粉体，将溶胶或粉体与化肥复合，制备石墨烯增效复合肥应用于农林种植，探究其在节肥增产、低碳环保方面的效果，大力推进农业应用创新成果的转化落地和应用示范落地，建设在全国具有影响力的农业应用推广中心。
应用方向
APPLICATION DIRECTION
1
在温室大棚上的应用
我国设施农业始于20世纪80年代后期，经过几十年的发展，取得了举世瞩目的成就。进入21世纪后，我国温室大棚已经发展到占全球50%的建设规模，温室大棚已成为我国设施农业最普及的生产方式，不仅大大提高土地产出率，而且解决了反季节生产。但我国与设施农业比较发达的国家相比，仍存在较大差距，主要表现在：种植方式简易、粗放，抗御自然灾害能力差，温室大棚冬季采暖主要依靠煤供暖等。其中大多温室热源采用热风炉、采暖炉或电热线等，不仅能耗高，污染大，而且稳定性差、成本高。
石墨烯电热膜系统电热转化率高，比传统加热方式节约能源30% ～ 50%，且不会造成污染。采用石墨烯发热膜覆盖土壤后，工作加热发出的远红外增温，能够促进幼苗的发育。同时，也能实现地上、地下同步调控，促进根冠发育协调，有助于培育壮苗，缩短菜苗发育周期和单次育苗时间。
2
在设施养殖上的应用
在养殖领域，特别是对畜禽良繁场、水产种苗场，以及特种水产、工厂化畜禽生产企业，用远红外石墨烯电热膜可以实现快速升温、智能调温、节能无噪音，且维护方便，操作简单，运行安全可靠。远红外线对畜禽、水产健康繁育具有促进作用。台湾地区在海虾养殖上已广泛使用远红外线石墨烯电热膜。
3
在农作物烘干中的应用
传统的热风烘干以热气流为干燥介质，烘干时，热风吹过谷物表面，热能慢慢传导到内部，整个烘干过程耗时较长；而远红外烘干不需要利用任何介质，可以直接加热干燥谷物。由于远红外线能量密度大，且具有一定的穿透能力，能穿透农作物的表面直接加热农作物内部的有机物、水等，降低农作物的内外温差，可在快速蒸发农作物内部水分的同时，减少对农作物的损伤。
1996 年日本已开始在干燥机上使用远红外线加热技术。目前，日本使用远红外线的干燥机已经有2000多台。最近，日本又开发了“常温减压快速干燥系统”，与传统的高温干燥技术相比，该技术不但可缩短干燥时间，还可减少50%的能源消耗。
PRODUCT ADVANTAGES
■ 根据公开的研究数据，石墨烯远红外电热膜在蔬菜大棚的应用，能有效促进蔬菜发芽，增强蔬菜光合作用，提高蔬菜地上部植株生育和根系生育。
优势1 促进蔬菜发芽
电热膜铺设在土层之下，通过直接加热土壤，能够以最小的耗能赋予植物最适宜的生长条件，有效促进幼苗发育，并缩短种苗培育时间。
叶绿体是植物进行光合作用的细胞器，而绿体中叶绿素含量的多少与叶片的光合性能直接相关。远红外电热膜处理番茄和辣椒功能叶片叶绿素含量的光合速率明显提高。
优势3 提高蔬菜地上部植株生育
叶片面积不仅影响植物的光合特性，也可直接影响光合作用的干物质积累，因而提高叶面积指数对于植物的生长发育有重要的意义。
根冠比是反映植物根与地上部生长相关性的重要指标，协调根冠比有助于植物的生长发育。
■ 石墨烯远红外电热膜恒温系统运行无噪音，无电磁波干扰，稳定性好，石墨烯辐射供暖产生的6~14μm远红外线对畜牧生长发育起到良好的保健作用，下暖上热，圈舍干燥清洁，舒适度好。石墨烯远红外电热膜恒温系统拥有精确的温控系统，安全可靠，随着圈舍环境温度变化而自动工作，省去了不必要的人工维护，省心又安心。
APPLICATION EXAMPLES
案例1：石墨烯远红外电热膜在蔬菜种苗中心的应用
根据湖南省湘潭市蔬菜种苗中心（以下简称种苗中心）普通大棚与石墨烯远红外加温大棚对比数据得出以下结果：
常温大棚内培育的丝瓜种苗，95%以上被冻伤。
石墨烯加温大棚内培育的丝瓜种苗，出芽率达98%以上，并提前10—15天移栽，长势极好。
常温大棚内的辣椒种苗
石墨烯远红外加温棚内的辣椒种苗
根据蔬菜种苗中心提供的采集数据记录，石墨烯加温棚的种苗无需定期消毒，喷洒农药和施肥等工序，大大减少了人工作业，降低了生产成本。
由此可以看到石墨烯远红外电热膜在大棚育苗中的应用具有如下特点：
解决了反季节冻害难题
石墨烯远红外加温大棚，在室外低温-2℃以下，棚内可达到5—15℃恒温效果，使农作物顺利越冬生长，消除了无法种植反季蔬菜的疑虑。
缩短了种苗培育时间
缩短了蔬菜种苗培育时间，如：种苗中心播种的丝瓜种，一般还需推迟一个月播种，一周后发芽，通过石墨烯远红外加温，提前一个月播种，并提前10~15天移栽，长势良好。
增长18%出苗率
种苗出苗率原本为80%，通过石墨烯远红外加温采暖后达到98%的出苗率。有望实现30%—40%的增产量。
减少病虫害
在石墨烯加温板产生的8—14微米远红外“生命之光”辐射下，种苗中心种植的种苗无需进行定期消毒，喷洒农药和施肥等工序，大大减少了人工作业，降低了生产成本，培育的种苗绿色环保。
真正做到恒温、节能
种苗中心曾使用水循环锅炉采暖和碳晶加热板采暖，因加热效果不佳，能耗高已经弃用。通过对石墨烯远红外采暖系统的恒温控制，相比其它采暖系统节约50%的能耗，（整个大棚安装32片石墨烯远红外加温板，单片功率550W, 32片*550W=17600w,即每小时17.6度电，通过恒温分区控制，实际每小时只需9.2度电）。
净化水
氧化石墨烯能够形成一个完美的气液屏障。所以苗圃下方蓄水处，无青苔、无气味、不浑浊。保证了苗圃供水源头的干净无污染。
农作物保护
农作物保护——石墨烯传感器可以提高关键农作物的监测有效性。
案例2：石墨烯远红外电热膜在蔬菜集约化育苗的应用
安徽宿州市农业科学院及宿州市埇桥区农业技术推广中心的工作人员针对石墨烯远红外电暖加温的应用效果，于2017年12月在宿州市蔬乐园农业科技有限公司育苗基地进行了安装试验示范。试验温室为PC板连栋温室，面积3168平方米，内部四周用丝绵被保温。温室内有移动苗床59个，总面积2171.7平方米，苗床上搭建小拱棚，4丝农膜覆盖，夜间加盖保温被。
一、应用效果
■ （1）增温效果
从记录结果看，在夜间室外温度-15～-2℃的情况下，室内温度整体可达到2～15℃，育苗床上小拱棚内温度可达16～26℃，正常维持在21℃，增温效果稳定。按需求预置恒温数据，以保证西瓜嫁接苗顺利越冬生长。
■ （2）育苗效果
2017年12月26日接穗播种、12月31日砧木播种，2018年1月6日开始嫁接，至2月3日西瓜嫁接苗达到三叶一心的壮苗标准，历时38天。整个管理过程为苗床每隔1天补水1次，不施肥，没有病菌感染，苗壮叶旺，长势良好。通过石墨烯远红外电暖加温后，种子出苗率达到98%左右，嫁接苗成活率达到98%以上，与普通加热方法种苗80%左右的出苗率相比较提高10%。应用石墨烯远红外电暖加热过程中，没有进行消毒、喷洒农药、施肥等工序，根壮苗旺，大大减少人工作业，降低生产成本。同时也缩短了种苗培育时间，石墨烯远红外电暖加温与其他加温方式相比，西瓜嫁接苗提前10～15天出圃，且长势良好。
二、成本分析
■ （1）安装成本
石墨烯远红外电暖系统的安装成本包括电热膜、智能温控仪及安装、调试费等，折合单位造价为64.52元/平方米。
该试验温室原安装燃煤锅炉供暖系统，包括2.5吨锅炉和配套的锅炉房、热水管道、管道热水泵、散热器（镀锌翘片管）、高温水阀等，折合单位造价为76.14元/平方米。石墨烯远红外电暖与燃煤锅炉水暖安装成本相当，没有进行变压器增容。
■ （2）应用成本
经测算，该石墨烯远红外电暖系统的日加温费用为672元。之前采用燃煤锅炉供暖的话，考虑到每天用煤的投入及锅炉工作人员每天的工资，测算得到的每天综合费用超过1000元，费工费力不安全。工作人员还对石墨烯远红外电暖和电热线加温效果进行了比较，取相邻2个相同规格的苗床（1.8m×17.5m）分别安装4盘电热线（1000W）和4片石墨烯电热板（330W，300cm×50cm×6cm）。经测算，采用石墨烯远红外电暖，可节省能耗30%～50%。目前，试验基地以前采用的传统锅炉水暖、地热线等加温采暖方式，因效果不佳、能耗过高，已停用。
三、存在哪些问题？应用前景如何？
■ 存在问题：
石墨烯远红外电暖前期一次性投入相对较高，但是使用成本低、应用效果好、使用寿命长（电热膜寿命50年，温控器寿命3～8年）。石墨烯远红外电暖在集约化育苗中初次应用，具体数据、参数还需要进一步试验总结，进而形成产品标准和安装、操作技术规程。
在今后的应用中，石墨烯电热膜使用面积与苗床面积比率可为1∶5～1∶4，并进一步运用智能化，采用可全触摸操控集成控制系统，通过恒温分时分区控制，如升级基于GPRS的远程访问功能，利用互联网对温控器进行远程控制和管理，支持长达180天的历史记录存储，可查询历史温度曲线和加热状态，分多区域控制在网，实现集约化育苗产业化精准作业。
■ 应用前景：
石墨烯电加热产品经3750V耐压测试，不存在漏电、触电的危险，防水等级高达IPX7标准，是通电后即能快速发热，达到设定温度的高科技绿色环保新能源材料。优点有：
（1）能耗低，使用寿命长，安全性高，防水、防漏电，能够解决冬季燃煤、燃油、燃甲、乙醇、燃气等供暖污染的难题，且有净化空气的功能。
（2）该产品结构紧凑、占地面积小、热效率高，大大缩短了安装工期，电热转换率高达99.15%，热能利用率高，节能效果显著。
（3）石墨烯电热板通电后产生的8～14μm远红外“生命光波”，容易被植物吸收并转化为内能，种苗无需进行定期消毒、喷洒农药和施肥等工序，大大减少病虫害防治次数，降低了生产成本，培育的种苗绿色环保。
综上，石墨烯远红外电暖加温系统一次性投入较高，但综合成本低，经济效益、社会效益及环境效益突出，可以在瓜菜类集约化育苗中推广应用。
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