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基本信息
- 項目名稱：
- 新型氣流擾動茶園防霜凍技術(shù)系統(tǒng)
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 針對近年來連續(xù)倒春寒晚霜凍害給茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展造成的巨大損失，提出充分利用氣象逆溫的特點，通過風(fēng)扇擾動茶園近地層氣流進行自動化防霜的新方法，并進行技術(shù)裝備的研發(fā)和應(yīng)用。 試驗研究冬春逆溫條件下茶園近地逆溫層上下方逆溫強度變化動態(tài)，系統(tǒng)分析了氣流擾動防霜系統(tǒng)的作用原理與功能組成，并開發(fā)出適合我國國情的高架風(fēng)扇防霜系統(tǒng)。創(chuàng)新采用基于可見-近紅外漫反射光譜技術(shù)識別茶葉凍害等級，以評價凍害程度及防霜效果。 從決定茶樹霜凍害程度的逆溫和茶樹自身耐凍性的臨界低溫這兩個氣象學(xué)和生物學(xué)根本因素著手，研發(fā)風(fēng)扇防霜系統(tǒng)的自動控制技術(shù)。提出基于臨界低溫逆溫差的控制策略，合理確定系統(tǒng)的啟閉時機，水平居國際領(lǐng)先。 自主研制的高架風(fēng)扇防霜及其自動控制系統(tǒng)，技術(shù)優(yōu)勢明顯，填補國內(nèi)空白，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，打破國外同類技術(shù)產(chǎn)品進口貿(mào)易壁壘。該系統(tǒng)價格僅為國外同類產(chǎn)品的約40%，運行成本降低20%，已成功進行示范應(yīng)用。進一步實施產(chǎn)業(yè)化，市場潛力巨大。 該作品已通過產(chǎn)品檢測，技術(shù)成果獲授權(quán)專利1件，申請專利5件，其中國際PCT專利1件，發(fā)明專利3件；獲得軟件著作權(quán)1件；發(fā)表SCI、EI、ISTP收錄論文5篇；技術(shù)已成功轉(zhuǎn)讓給相關(guān)企業(yè)。
- 詳細介紹：
- 作品開發(fā)背景： 中國是茶葉的原產(chǎn)地，近年來發(fā)展勢頭迅猛。2008年我國茶葉種植面積約160萬公頃，居世界第一位。但是，隨著全球氣候環(huán)境的多變、異常和惡化，農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害特別是低溫凍霜害日益嚴重。同樣地，冬期的低溫凍害和早春的晚霜凍害也給茶葉生產(chǎn)帶來嚴重危害。近幾年來，茶樹的低溫凍霜害連年發(fā)生，成為長江以南茶區(qū)名優(yōu)茶經(jīng)濟發(fā)展的主要限制因素之一。以江蘇、浙江兩省為例，2005-2009年連續(xù)發(fā)生多次嚴重倒春寒，每年茶樹凍霜害面積近8萬公頃，導(dǎo)致茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)下降，經(jīng)濟損失約9億元。而常規(guī)的凍霜害防治方法如煙熏、覆蓋、灌水等，效果很差，并且會帶來環(huán)境污染或者資源浪費。因此，急需新的原理、方法和技術(shù)解決來這一技術(shù)瓶頸。 茶樹凍霜害的發(fā)生有其特殊性，其凍害的程度取決于低溫的氣象條件和自身的生物學(xué)耐凍敏感性。首先，凍霜害的發(fā)生往往是在早春逆溫條件下，此時由于茶園白天吸收大量太陽輻射，在晚間不斷向天空放射，導(dǎo)致近地氣溫快速下降，形成空氣溫度場上高下低的逆溫現(xiàn)象（前期預(yù)研試驗表明，地面上方6米處氣溫比地面溫度高處約5℃）。其次，茶樹抗寒性最差時機恰逢晚霜頻發(fā)期，此時作為茶葉加工原料的芽葉極易受凍，一般在-2 ℃以下維持30分鐘，即表現(xiàn)為芽葉紅變焦枯，出現(xiàn)“麻點”、“麻頭”。所以，充分利用逆溫的溫度場分布特點，通過機械（如風(fēng)扇）擾動近地逆溫層空氣，將上方暖空氣導(dǎo)入下方茶樹冠層，可有效提高其溫度3 ℃左右，避免和減輕霜害。 因此，本作品針對近年來連續(xù)倒春寒晚霜凍害給茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展造成的巨大損失，提出充分利用氣象逆溫的特點，通過風(fēng)扇擾動茶園近地層氣流進行自動化防霜的新方法，并研制高架防霜風(fēng)扇及其控制系統(tǒng)，同時制定簡單實用的使用技術(shù)規(guī)范。 作品技術(shù)內(nèi)容： 1、試驗研究冬春逆溫條件下茶園近地逆溫層上下方逆溫強度變化動態(tài)，系統(tǒng)分析了氣流擾動防霜系統(tǒng)的作用原理與功能組成，并開發(fā)出適合我國國情的高架風(fēng)扇防霜系統(tǒng)。 2、利用便攜式光譜儀，在可見-近紅外光譜波段內(nèi)掃描受凍處理后茶葉樣品的漫反射光譜，經(jīng)預(yù)處理后運用PCA與ANN相結(jié)合的方法來建立凍害程度的識別模型。其識別率達到93.33﹪，預(yù)測均方差為0.1730。 3、從決定茶樹霜凍害程度的逆溫和茶樹自身耐凍性的臨界低溫這兩個氣象學(xué)和生物學(xué)根本因素著手，研發(fā)風(fēng)扇防霜系統(tǒng)的自動控制技術(shù)。提出基于臨界低溫逆溫差的控制策略，合理確定系統(tǒng)的啟閉時機，水平居國際領(lǐng)先。 4、主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)： 風(fēng)扇防霜有效作用范圍大于300 m2/Kw，安裝高度4-8 m，俯角15-50°可調(diào)，擺頭頻率0.5-1 r/min，擺動范圍可調(diào)；使用壽命大于10年；制定自動控制策略，確定系統(tǒng)合理啟動時機，節(jié)能約20％；系統(tǒng)價格僅為國外同類產(chǎn)品的約40%，嚴重倒春寒霜凍害時減少損失2000元/畝。 自主研制的高架風(fēng)扇防霜及其自動控制系統(tǒng)，填補國內(nèi)空白，打破國外同類技術(shù)產(chǎn)品進口貿(mào)易壁壘。該系統(tǒng)價格和運行成本低，已成功進行示范應(yīng)用。進一步實施產(chǎn)業(yè)化，市場潛力巨大。 該作品已通過江蘇省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站的檢驗，技術(shù)成果獲得申請專利6件，其中國際PCT專利1件，發(fā)明專利3件；獲得軟件著作權(quán)1件；發(fā)表SCI、EI、ISTP收錄論文5篇；技術(shù)已成功轉(zhuǎn)讓給相關(guān)企業(yè)。 作品特點： 防霜效果大幅提高，避免晚霜生成。 減輕霜凍侵害，緩解融霜過程，避免茶葉進一步受害。 防霜面積大，平均每臺風(fēng)扇的有效防霜面積可達1.5畝。 安裝、使用操作簡便，避免了傳統(tǒng)方法的費時費力。 價格低廉，僅為國外同類產(chǎn)品價格的約40%。 使用成本低，使用夜間電力，有選擇分時段節(jié)能運行。 可實現(xiàn)自動智能控制，無需人工操作。根據(jù)不同的天氣狀況，自動運行和關(guān)閉系統(tǒng)。 適用性強。通過簡單設(shè)置，可滿足不同地區(qū)、茶樹品種、茶園地形、逆溫程度等各種使用條件。 使用壽命長。滿足田間防雨、防腐蝕要求，平均使用壽命超過10年。 使用清潔的電能，噪聲在60 dB以內(nèi)，不會對環(huán)境造成任何污染。 作品應(yīng)用前景： 據(jù)統(tǒng)計，倒春寒成災(zāi)之年會導(dǎo)致名優(yōu)早茶平均減產(chǎn)30％以上，有的年份甚至超過50%，良種茶園畝均損失在2000元以上。以全國茶園面積的5%、嚴重的倒春寒三年一遇計，安裝風(fēng)扇防霜系統(tǒng)可以挽回經(jīng)濟損失8.0億元/年。每套風(fēng)扇系統(tǒng)的價格在8000元左右，有效防霜面積1.5畝，使用壽命10年，仍以全國茶園面積的5%使用該技術(shù)產(chǎn)品計算，每年的銷售額可達6.4億元，產(chǎn)品市場價值潛力巨大。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、作品設(shè)計目的：針對倒春寒晚霜凍害對茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展造成的巨大損失，充分利用氣象逆溫的特點，通過機械裝備擾動茶園近地層氣流進行自動化防霜，以期實現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化茶園防霜凍技術(shù)系統(tǒng)。 2、基本思路：茶樹抗寒性最差時機恰逢晚霜頻發(fā)期，此時出現(xiàn)近地空氣溫度場上高下低的逆溫現(xiàn)象，通過風(fēng)扇擾動逆溫層空氣，將上方暖空氣導(dǎo)入下方茶樹冠層，可有效提高其溫度，避免和減輕霜凍害。本作品以防霜效果為目標(biāo)，以控制策略為核心，分析氣流擾動法防除霜凍害的機理過程，評價其防霜效果，構(gòu)建高架風(fēng)扇防霜凍系統(tǒng)，并確定系統(tǒng)控制策略，使系統(tǒng)自動、節(jié)能、穩(wěn)定運行。 3、創(chuàng)新點：制定基于臨界低溫的逆溫差控制策略，符合茶樹的生物學(xué)特性和特定逆溫氣象的根本特點，避免了誤操作帶來的霜凍害加劇和空操作導(dǎo)致的能耗浪費。創(chuàng)新采用基于可見-近紅外漫反射光譜技術(shù)，識別茶葉凍害等級，以評價凍害程度及防霜效果。 4、技術(shù)關(guān)鍵：系統(tǒng)啟閉的時機，即系統(tǒng)的控制策略是技術(shù)關(guān)鍵之所在。僅僅依賴一個低溫作為系統(tǒng)啟動的條件，很容易引起誤操作；逆溫強度小時效果不明顯，此為空操作。所以，綜合考慮臨界低溫和特定逆溫強度，從根本上保證系統(tǒng)的合理運行。 5、主要技術(shù)指標(biāo)： （1）有效作用范圍約1.5畝/臺，安裝高度4-8 m，俯角15-50 °可調(diào)，擺頭頻率0.5-1 r/min，擺動范圍60、90、120°可調(diào)；運行噪聲低于60 dB； （2）價格僅為國外同類產(chǎn)品的約40%； （3）運行節(jié)能約20%；控制技術(shù)水平居國際領(lǐng)先。
科學(xué)性、先進性
- 傳統(tǒng)的茶園晚霜凍害防除方法如煙熏、覆蓋、灌水等，效果很差，操作不便，費時費力并且會帶來環(huán)境污染或者資源浪費；利用軸流風(fēng)扇通過擾動近地逆溫層氣流，將上方暖空氣導(dǎo)入下方茶樹冠層低溫處，可有效防除和減輕霜害程度，科學(xué)創(chuàng)新性強，且先進實用。該方法及其技術(shù)裝置可實現(xiàn)自動化、機械化操作，提高勞動生產(chǎn)率，降低勞動強度，由于使用清潔的電能而無任何環(huán)境污染。 但是該技術(shù)現(xiàn)存主要問題和缺陷有：僅僅依賴于一個低溫或者風(fēng)速作為控制啟動的條件，這是必要條件，但缺少逆溫差（近地逆溫層上方與作物冠層處空氣溫度之差）這一充分條件限制，無逆溫差控制反而加重霜凍害（誤操作）；逆溫強度小時效果也不明顯（空操作）。 本作品研發(fā)的基于臨界低溫的逆溫差控制策略，既考慮作物的臨界低溫的生物學(xué)參數(shù)，同時考慮了逆溫的氣象特征，從而合理確定系統(tǒng)的啟動時機，優(yōu)于國外傳統(tǒng)的僅依靠一個低溫或者風(fēng)速進行控制的方法，具有突出的實質(zhì)性技術(shù)特點和顯著進步。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 本作品于2009年4月通過江蘇省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站的性能檢驗，結(jié)果表明：防霜風(fēng)扇開啟后保證茶樹冠層溫度提高3 ℃左右，可有效達到防霜凍的目的。
作品所處階段
- 中試階段。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)使用權(quán)轉(zhuǎn)讓或?qū)＠毤以S可實施。
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品 現(xiàn)場演示 圖片 錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 1、使用說明：風(fēng)扇立柱需垂直穩(wěn)固安裝于茶園土壤中，風(fēng)扇擺動范圍的中間位置與主風(fēng)向一直；各部件確?？煽窟B接；供電線路宜地下鋪設(shè)。使用前，請檢查線路和傳感器是否置于合適位置。 I、溫度傳感器校準；II、系統(tǒng)上電；Ⅲ、風(fēng)扇系統(tǒng)運行調(diào)試：將控制模式切換至“自動”，通過鍵盤設(shè)置系統(tǒng)及運行參數(shù)。 2、技術(shù)特點和優(yōu)勢：防霜效果大幅提高，防霜面積大；價格低廉，使用成本低；可實現(xiàn)自動智能控制，運行節(jié)能約20%；使用壽命超過10年；使用清潔的電能，噪聲低于60 dB，不會造成任何環(huán)境污染。 3、適應(yīng)范圍和推廣前景：本技術(shù)產(chǎn)品特別適合于茶樹、果樹、葡萄等植物的晚霜凍害防除。目前我國茶園面積約160萬ha，居世界第一，所以該技術(shù)產(chǎn)品必定有較好的推廣前景。 4、市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測：據(jù)統(tǒng)計，倒春寒成災(zāi)之年會導(dǎo)致名優(yōu)早茶平均減產(chǎn)30％以上，良種茶園畝均損失在2000元以上。以全國茶園面積的5%安裝風(fēng)扇防霜系統(tǒng)計，每年的銷售額可達6.4億元，經(jīng)濟效益顯著。
同類課題研究水平概述
- 1、作品研制背景： 2008年我國茶葉種植面積約160萬ha，居世界第一位。但近幾年來，茶樹低溫霜凍害連年發(fā)生，成為名優(yōu)茶發(fā)展的主要限制因素之一。以江蘇、浙江兩省為例，2005-2009年連續(xù)發(fā)生多次嚴重倒春寒，經(jīng)濟損失約9億元。而常規(guī)的霜凍害防除方法如煙熏、覆蓋、灌水等，效果差且會帶來環(huán)境污染或資源浪費。 茶樹霜凍害的發(fā)生有其特殊性，凍害程度取決于低溫氣象條件和自身生物學(xué)耐凍敏感性。首先，霜凍害往往發(fā)生在早春逆溫條件下，此時形成空氣溫度場上高下低的逆溫現(xiàn)象。其次，茶樹抗寒性最差時機恰逢晚霜頻發(fā)期，此時芽葉極易受凍。所以，充分利用逆溫溫度場分布特點，通過風(fēng)扇擾動近地逆溫層空氣，將上方暖空氣導(dǎo)入下方茶樹冠層，可有效提高其溫度，避免和減輕霜害。 2、國內(nèi)外科技創(chuàng)新發(fā)展現(xiàn)狀及動態(tài)： 國外利用氣流擾動法進行農(nóng)作物霜凍害防除的國家，主要集中在美國和日本，其研究水平較高，一部分技術(shù)產(chǎn)品已推廣使用。美國的果園和葡萄園里使用的防霜系統(tǒng)有兩種，一種是利用離心風(fēng)機將下方冷空氣抽至上方，另一種是利用軸流風(fēng)機或是附帶離心風(fēng)機將上方暖空氣吹向下方。在日本茶園里應(yīng)用更多的是軸流風(fēng)扇，可以起到很好的防霜效果。國內(nèi)茶樹霜凍害防除的方法和措施僅限于傳統(tǒng)的覆蓋、煙熏和灌水，氣流擾動方法的相關(guān)基礎(chǔ)研究較少。 氣流擾動是一種有效的霜凍害防除方法，但現(xiàn)存問題是：該方法僅依賴于一個低溫作為控制條件，這是必要條件，但缺少逆溫差這一充分條件，無逆溫差控制反而加重霜凍害（誤操作）；逆溫強度小時效果也不明顯（空操作）。 因此，本作品同時從決定茶樹霜凍害程度的逆溫和茶樹自身耐凍性的臨界低溫這兩個根本因素著手，研究逆溫條件下茶園近地微氣候環(huán)境的變化特征；自主研發(fā)國產(chǎn)化高架風(fēng)扇防霜系統(tǒng)；重點研究成霜期氣流擾動法的控制策略。 3、作品推廣應(yīng)用前景： 目前我國茶園面積約160萬ha，居世界第一，所以進行國產(chǎn)化茶園高架風(fēng)扇防霜系統(tǒng)的研究開發(fā)和示范應(yīng)用，迫在眉睫。由于我國茶葉大國的地位，開發(fā)出系列化成套的防霜風(fēng)扇產(chǎn)品，必定有較好的推廣應(yīng)用前景。據(jù)統(tǒng)計，倒春寒成災(zāi)之年會導(dǎo)致名優(yōu)早茶平均減產(chǎn)30％以上，良種茶園畝均損失在2000元以上。以全國茶園面積的5%安裝風(fēng)扇防霜系統(tǒng)可以挽回經(jīng)濟損失8億元/年，每年的銷售額可達6.4億元，經(jīng)濟效益顯著。
