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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 新型氣流擾動(dòng)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(duì)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(diǎn)，通過風(fēng)扇擾動(dòng)茶園近地層氣流進(jìn)行自動(dòng)化防霜的新方法，并進(jìn)行技術(shù)裝備的研發(fā)和應(yīng)用。 試驗(yàn)研究冬春逆溫條件下茶園近地逆溫層上下方逆溫強(qiáng)度變化動(dòng)態(tài)，系統(tǒng)分析了氣流擾動(dòng)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(shí)別茶葉凍害等級(jí)，以評(píng)價(jià)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(gè)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(dòng)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(shí)機(jī)，水平居國際領(lǐng)先。 自主研制的高架風(fēng)扇防霜及其自動(dòng)控制系統(tǒng)，技術(shù)優(yōu)勢明顯，填補(bǔ)國內(nèi)空白，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，打破國外同類技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)口貿(mào)易壁壘。該系統(tǒng)價(jià)格僅為國外同類產(chǎn)品的約40%，運(yùn)行成本降低20%，已成功進(jìn)行示范應(yīng)用。進(jìn)一步實(shí)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(qǐng)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(xì)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(yán)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(yán)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(jì)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(yán)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(jì)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(huì)帶來環(huán)境污染或者資源浪費(fèi)。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(shí)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(yàn)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(shí)機(jī)恰逢晚霜頻發(fā)期，此時(shí)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(diǎn)”、“麻頭”。所以，充分利用逆溫的溫度場分布特點(diǎn)，通過機(jī)械（如風(fēng)扇）擾動(dòng)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(duì)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(diǎn)，通過風(fēng)扇擾動(dòng)茶園近地層氣流進(jìn)行自動(dòng)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(shí)制定簡單實(shí)用的使用技術(shù)規(guī)范。 作品技術(shù)內(nèi)容： 1、試驗(yàn)研究冬春逆溫條件下茶園近地逆溫層上下方逆溫強(qiáng)度變化動(dòng)態(tài)，系統(tǒng)分析了氣流擾動(dòng)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(yùn)用PCA與ANN相結(jié)合的方法來建立凍害程度的識(shí)別模型。其識(shí)別率達(dá)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(gè)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(dòng)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(shí)機(jī)，水平居國際領(lǐng)先。 4、主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(dòng)范圍可調(diào)；使用壽命大于10年；制定自動(dòng)控制策略，確定系統(tǒng)合理啟動(dòng)時(shí)機(jī)，節(jié)能約20％；系統(tǒng)價(jià)格僅為國外同類產(chǎn)品的約40%，嚴(yán)重倒春寒霜凍害時(shí)減少損失2000元/畝。 自主研制的高架風(fēng)扇防霜及其自動(dòng)控制系統(tǒng)，填補(bǔ)國內(nèi)空白，打破國外同類技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)口貿(mào)易壁壘。該系統(tǒng)價(jià)格和運(yùn)行成本低，已成功進(jìn)行示范應(yīng)用。進(jìn)一步實(shí)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(jī)械試驗(yàn)鑒定站的檢驗(yàn)，技術(shù)成果獲得申請(qǐng)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(diǎn)： 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(jìn)一步受害。 防霜面積大，平均每臺(tái)風(fēng)扇的有效防霜面積可達(dá)1.5畝。 安裝、使用操作簡便，避免了傳統(tǒng)方法的費(fèi)時(shí)費(fèi)力。 價(jià)格低廉，僅為國外同類產(chǎn)品價(jià)格的約40%。 使用成本低，使用夜間電力，有選擇分時(shí)段節(jié)能運(yùn)行。 可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能控制，無需人工操作。根據(jù)不同的天氣狀況，自動(dòng)運(yùn)行和關(guān)閉系統(tǒng)。 適用性強(qiáng)。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(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。 作品應(yīng)用前景： 據(jù)統(tǒng)計(jì)，倒春寒成災(zāi)之年會(huì)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(yán)重的倒春寒三年一遇計(jì)，安裝風(fēng)扇防霜系統(tǒng)可以挽回經(jīng)濟(jì)損失8.0億元/年。每套風(fēng)扇系統(tǒng)的價(jià)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(jì)算，每年的銷售額可達(dá)6.4億元，產(chǎn)品市場價(jià)值潛力巨大。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、作品設(shè)計(jì)目的：針對(duì)倒春寒晚霜凍害對(duì)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(diǎn)，通過機(jī)械裝備擾動(dòng)茶園近地層氣流進(jìn)行自動(dòng)化防霜，以期實(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)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(shí)機(jī)恰逢晚霜頻發(fā)期，此時(shí)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(dòng)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(dòng)法防除霜凍害的機(jī)理過程，評(píng)價(jià)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(dòng)、節(jié)能、穩(wěn)定運(yùn)行。 3、創(chuàng)新點(diǎn)：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(diǎn)，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(fèi)。創(chuàng)新采用基于可見-近紅外漫反射光譜技術(shù)，識(shí)別茶葉凍害等級(jí)，以評(píng)價(jià)凍害程度及防霜效果。 4、技術(shù)關(guān)鍵：系統(tǒng)啟閉的時(shí)機(jī)，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(gè)低溫作為系統(tǒng)啟動(dòng)的條件，很容易引起誤操作；逆溫強(qiáng)度小時(shí)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(qiáng)度，從根本上保證系統(tǒng)的合理運(yùn)行。 5、主要技術(shù)指標(biāo)： （1）有效作用范圍約1.5畝/臺(tái)，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(dòng)范圍60、90、120°可調(diào)；運(yùn)行噪聲低于60 dB； （2）價(jià)格僅為國外同類產(chǎn)品的約40%； （3）運(yùn)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(jìn)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(fèi)時(shí)費(fèi)力并且會(huì)帶來環(huán)境污染或者資源浪費(fèi)；利用軸流風(fēng)扇通過擾動(dòng)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(qiáng)，且先進(jìn)實(shí)用。該方法及其技術(shù)裝置可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、機(jī)械化操作，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低勞動(dòng)強(qiáng)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(gè)低溫或者風(fēng)速作為控制啟動(dòng)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(qiáng)度小時(shí)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(shí)考慮了逆溫的氣象特征，從而合理確定系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)機(jī)，優(yōu)于國外傳統(tǒng)的僅依靠一個(gè)低溫或者風(fēng)速進(jìn)行控制的方法，具有突出的實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn)和顯著進(jìn)步。
獲獎(jiǎng)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(jī)械試驗(yàn)鑒定站的性能檢驗(yàn)，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(dá)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)＠?dú)家許可實(shí)施。
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品 現(xiàn)場演示 圖片 錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)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(jì)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(dòng)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(qǐng)檢查線路和傳感器是否置于合適位置。 I、溫度傳感器校準(zhǔn)；II、系統(tǒng)上電；Ⅲ、風(fēng)扇系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試：將控制模式切換至“自動(dòng)”，通過鍵盤設(shè)置系統(tǒng)及運(yùn)行參數(shù)。 2、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢：防霜效果大幅提高，防霜面積大；價(jià)格低廉，使用成本低；可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能控制，運(yùn)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(huì)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(jì)效益預(yù)測：據(jù)統(tǒng)計(jì)，倒春寒成災(zāi)之年會(huì)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(jì)，每年的銷售額可達(dá)6.4億元，經(jīng)濟(jì)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(yán)重倒春寒，經(jīng)濟(jì)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(huì)帶來環(huán)境污染或資源浪費(fèi)。 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(shí)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(shí)機(jī)恰逢晚霜頻發(fā)期，此時(shí)芽葉極易受凍。所以，充分利用逆溫溫度場分布特點(diǎn)，通過風(fēng)扇擾動(dòng)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(dòng)態(tài)： 國外利用氣流擾動(dòng)法進(jìn)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(jī)將下方冷空氣抽至上方，另一種是利用軸流風(fēng)機(jī)或是附帶離心風(fēng)機(jī)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(dòng)方法的相關(guān)基礎(chǔ)研究較少。 氣流擾動(dòng)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(gè)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(qiáng)度小時(shí)效果也不明顯（空操作）。 因此，本作品同時(shí)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(gè)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(diǎn)研究成霜期氣流擾動(dòng)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(jìn)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(jì)，倒春寒成災(zāi)之年會(huì)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(jì)損失8億元/年，每年的銷售額可達(dá)6.4億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
