基本信息
- 项目名称：
- 新型气流扰动茶园防霜冻技术系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 针对近年来连续倒春寒晚霜冻害给茶产业可持续发展造成的巨大损失，提出充分利用气象逆温的特点，通过风扇扰动茶园近地层气流进行自动化防霜的新方法，并进行技术装备的研发和应用。 试验研究冬春逆温条件下茶园近地逆温层上下方逆温强度变化动态，系统分析了气流扰动防霜系统的作用原理与功能组成，并开发出适合我国国情的高架风扇防霜系统。创新采用基于可见-近红外漫反射光谱技术识别茶叶冻害等级，以评价冻害程度及防霜效果。 从决定茶树霜冻害程度的逆温和茶树自身耐冻性的临界低温这两个气象学和生物学根本因素着手，研发风扇防霜系统的自动控制技术。提出基于临界低温逆温差的控制策略，合理确定系统的启闭时机，水平居国际领先。 自主研制的高架风扇防霜及其自动控制系统，技术优势明显，填补国内空白，具有自主知识产权，打破国外同类技术产品进口贸易壁垒。该系统价格仅为国外同类产品的约40%，运行成本降低20%，已成功进行示范应用。进一步实施产业化，市场潜力巨大。 该作品已通过产品检测，技术成果获授权专利1件，申请专利5件，其中国际PCT专利1件，发明专利3件；获得软件著作权1件；发表SCI、EI、ISTP收录论文5篇；技术已成功转让给相关企业。
- 详细介绍：
- 作品开发背景： 中国是茶叶的原产地，近年来发展势头迅猛。2008年我国茶叶种植面积约160万公顷，居世界第一位。但是，随着全球气候环境的多变、异常和恶化，农业气象灾害特别是低温冻霜害日益严重。同样地，冬期的低温冻害和早春的晚霜冻害也给茶叶生产带来严重危害。近几年来，茶树的低温冻霜害连年发生，成为长江以南茶区名优茶经济发展的主要限制因素之一。以江苏、浙江两省为例，2005-2009年连续发生多次严重倒春寒，每年茶树冻霜害面积近8万公顷，导致茶叶产量和品质下降，经济损失约9亿元。而常规的冻霜害防治方法如烟熏、覆盖、灌水等，效果很差，并且会带来环境污染或者资源浪费。因此，急需新的原理、方法和技术解决来这一技术瓶颈。 茶树冻霜害的发生有其特殊性，其冻害的程度取决于低温的气象条件和自身的生物学耐冻敏感性。首先，冻霜害的发生往往是在早春逆温条件下，此时由于茶园白天吸收大量太阳辐射，在晚间不断向天空放射，导致近地气温快速下降，形成空气温度场上高下低的逆温现象（前期预研试验表明，地面上方6米处气温比地面温度高处约5℃）。其次，茶树抗寒性最差时机恰逢晚霜频发期，此时作为茶叶加工原料的芽叶极易受冻，一般在-2 ℃以下维持30分钟，即表现为芽叶红变焦枯，出现“麻点”、“麻头”。所以，充分利用逆温的温度场分布特点，通过机械（如风扇）扰动近地逆温层空气，将上方暖空气导入下方茶树冠层，可有效提高其温度3 ℃左右，避免和减轻霜害。 因此，本作品针对近年来连续倒春寒晚霜冻害给茶产业可持续发展造成的巨大损失，提出充分利用气象逆温的特点，通过风扇扰动茶园近地层气流进行自动化防霜的新方法，并研制高架防霜风扇及其控制系统，同时制定简单实用的使用技术规范。 作品技术内容： 1、试验研究冬春逆温条件下茶园近地逆温层上下方逆温强度变化动态，系统分析了气流扰动防霜系统的作用原理与功能组成，并开发出适合我国国情的高架风扇防霜系统。 2、利用便携式光谱仪，在可见-近红外光谱波段内扫描受冻处理后茶叶样品的漫反射光谱，经预处理后运用PCA与ANN相结合的方法来建立冻害程度的识别模型。其识别率达到93.33﹪，预测均方差为0.1730。 3、从决定茶树霜冻害程度的逆温和茶树自身耐冻性的临界低温这两个气象学和生物学根本因素着手，研发风扇防霜系统的自动控制技术。提出基于临界低温逆温差的控制策略，合理确定系统的启闭时机，水平居国际领先。 4、主要技术经济指标： 风扇防霜有效作用范围大于300 m2/Kw，安装高度4-8 m，俯角15-50°可调，摆头频率0.5-1 r/min，摆动范围可调；使用寿命大于10年；制定自动控制策略，确定系统合理启动时机，节能约20％；系统价格仅为国外同类产品的约40%，严重倒春寒霜冻害时减少损失2000元/亩。 自主研制的高架风扇防霜及其自动控制系统，填补国内空白，打破国外同类技术产品进口贸易壁垒。该系统价格和运行成本低，已成功进行示范应用。进一步实施产业化，市场潜力巨大。 该作品已通过江苏省农业机械试验鉴定站的检验，技术成果获得申请专利6件，其中国际PCT专利1件，发明专利3件；获得软件著作权1件；发表SCI、EI、ISTP收录论文5篇；技术已成功转让给相关企业。 作品特点： 防霜效果大幅提高，避免晚霜生成。 减轻霜冻侵害，缓解融霜过程，避免茶叶进一步受害。 防霜面积大，平均每台风扇的有效防霜面积可达1.5亩。 安装、使用操作简便，避免了传统方法的费时费力。 价格低廉，仅为国外同类产品价格的约40%。 使用成本低，使用夜间电力，有选择分时段节能运行。 可实现自动智能控制，无需人工操作。根据不同的天气状况，自动运行和关闭系统。 适用性强。通过简单设置，可满足不同地区、茶树品种、茶园地形、逆温程度等各种使用条件。 使用寿命长。满足田间防雨、防腐蚀要求，平均使用寿命超过10年。 使用清洁的电能，噪声在60 dB以内，不会对环境造成任何污染。 作品应用前景： 据统计，倒春寒成灾之年会导致名优早茶平均减产30％以上，有的年份甚至超过50%，良种茶园亩均损失在2000元以上。以全国茶园面积的5%、严重的倒春寒三年一遇计，安装风扇防霜系统可以挽回经济损失8.0亿元/年。每套风扇系统的价格在8000元左右，有效防霜面积1.5亩，使用寿命10年，仍以全国茶园面积的5%使用该技术产品计算，每年的销售额可达6.4亿元，产品市场价值潜力巨大。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、作品设计目的：针对倒春寒晚霜冻害对茶产业发展造成的巨大损失，充分利用气象逆温的特点，通过机械装备扰动茶园近地层气流进行自动化防霜，以期实现具有自主知识产权的国产化茶园防霜冻技术系统。 2、基本思路：茶树抗寒性最差时机恰逢晚霜频发期，此时出现近地空气温度场上高下低的逆温现象，通过风扇扰动逆温层空气，将上方暖空气导入下方茶树冠层，可有效提高其温度，避免和减轻霜冻害。本作品以防霜效果为目标，以控制策略为核心，分析气流扰动法防除霜冻害的机理过程，评价其防霜效果，构建高架风扇防霜冻系统，并确定系统控制策略，使系统自动、节能、稳定运行。 3、创新点：制定基于临界低温的逆温差控制策略，符合茶树的生物学特性和特定逆温气象的根本特点，避免了误操作带来的霜冻害加剧和空操作导致的能耗浪费。创新采用基于可见-近红外漫反射光谱技术，识别茶叶冻害等级，以评价冻害程度及防霜效果。 4、技术关键：系统启闭的时机，即系统的控制策略是技术关键之所在。仅仅依赖一个低温作为系统启动的条件，很容易引起误操作；逆温强度小时效果不明显，此为空操作。所以，综合考虑临界低温和特定逆温强度，从根本上保证系统的合理运行。 5、主要技术指标： （1）有效作用范围约1.5亩/台，安装高度4-8 m，俯角15-50 °可调，摆头频率0.5-1 r/min，摆动范围60、90、120°可调；运行噪声低于60 dB； （2）价格仅为国外同类产品的约40%； （3）运行节能约20%；控制技术水平居国际领先。
科学性、先进性
- 传统的茶园晚霜冻害防除方法如烟熏、覆盖、灌水等，效果很差，操作不便，费时费力并且会带来环境污染或者资源浪费；利用轴流风扇通过扰动近地逆温层气流，将上方暖空气导入下方茶树冠层低温处，可有效防除和减轻霜害程度，科学创新性强，且先进实用。该方法及其技术装置可实现自动化、机械化操作，提高劳动生产率，降低劳动强度，由于使用清洁的电能而无任何环境污染。 但是该技术现存主要问题和缺陷有：仅仅依赖于一个低温或者风速作为控制启动的条件，这是必要条件，但缺少逆温差（近地逆温层上方与作物冠层处空气温度之差）这一充分条件限制，无逆温差控制反而加重霜冻害（误操作）；逆温强度小时效果也不明显（空操作）。 本作品研发的基于临界低温的逆温差控制策略，既考虑作物的临界低温的生物学参数，同时考虑了逆温的气象特征，从而合理确定系统的启动时机，优于国外传统的仅依靠一个低温或者风速进行控制的方法，具有突出的实质性技术特点和显著进步。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品于2009年4月通过江苏省农业机械试验鉴定站的性能检验，结果表明：防霜风扇开启后保证茶树冠层温度提高3 ℃左右，可有效达到防霜冻的目的。
作品所处阶段
- 中试阶段。
技术转让方式
- 技术使用权转让或专利独家许可实施。
作品可展示的形式
- 实物、产品 现场演示 图片 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、使用说明：风扇立柱需垂直稳固安装于茶园土壤中，风扇摆动范围的中间位置与主风向一直；各部件确保可靠连接；供电线路宜地下铺设。使用前，请检查线路和传感器是否置于合适位置。 I、温度传感器校准；II、系统上电；Ⅲ、风扇系统运行调试：将控制模式切换至“自动”，通过键盘设置系统及运行参数。 2、技术特点和优势：防霜效果大幅提高，防霜面积大；价格低廉，使用成本低；可实现自动智能控制，运行节能约20%；使用寿命超过10年；使用清洁的电能，噪声低于60 dB，不会造成任何环境污染。 3、适应范围和推广前景：本技术产品特别适合于茶树、果树、葡萄等植物的晚霜冻害防除。目前我国茶园面积约160万ha，居世界第一，所以该技术产品必定有较好的推广前景。 4、市场分析和经济效益预测：据统计，倒春寒成灾之年会导致名优早茶平均减产30％以上，良种茶园亩均损失在2000元以上。以全国茶园面积的5%安装风扇防霜系统计，每年的销售额可达6.4亿元，经济效益显著。
同类课题研究水平概述
- 1、作品研制背景： 2008年我国茶叶种植面积约160万ha，居世界第一位。但近几年来，茶树低温霜冻害连年发生，成为名优茶发展的主要限制因素之一。以江苏、浙江两省为例，2005-2009年连续发生多次严重倒春寒，经济损失约9亿元。而常规的霜冻害防除方法如烟熏、覆盖、灌水等，效果差且会带来环境污染或资源浪费。 茶树霜冻害的发生有其特殊性，冻害程度取决于低温气象条件和自身生物学耐冻敏感性。首先，霜冻害往往发生在早春逆温条件下，此时形成空气温度场上高下低的逆温现象。其次，茶树抗寒性最差时机恰逢晚霜频发期，此时芽叶极易受冻。所以，充分利用逆温温度场分布特点，通过风扇扰动近地逆温层空气，将上方暖空气导入下方茶树冠层，可有效提高其温度，避免和减轻霜害。 2、国内外科技创新发展现状及动态： 国外利用气流扰动法进行农作物霜冻害防除的国家，主要集中在美国和日本，其研究水平较高，一部分技术产品已推广使用。美国的果园和葡萄园里使用的防霜系统有两种，一种是利用离心风机将下方冷空气抽至上方，另一种是利用轴流风机或是附带离心风机将上方暖空气吹向下方。在日本茶园里应用更多的是轴流风扇，可以起到很好的防霜效果。国内茶树霜冻害防除的方法和措施仅限于传统的覆盖、烟熏和灌水，气流扰动方法的相关基础研究较少。 气流扰动是一种有效的霜冻害防除方法，但现存问题是：该方法仅依赖于一个低温作为控制条件，这是必要条件，但缺少逆温差这一充分条件，无逆温差控制反而加重霜冻害（误操作）；逆温强度小时效果也不明显（空操作）。 因此，本作品同时从决定茶树霜冻害程度的逆温和茶树自身耐冻性的临界低温这两个根本因素着手，研究逆温条件下茶园近地微气候环境的变化特征；自主研发国产化高架风扇防霜系统；重点研究成霜期气流扰动法的控制策略。 3、作品推广应用前景： 目前我国茶园面积约160万ha，居世界第一，所以进行国产化茶园高架风扇防霜系统的研究开发和示范应用，迫在眉睫。由于我国茶叶大国的地位，开发出系列化成套的防霜风扇产品，必定有较好的推广应用前景。据统计，倒春寒成灾之年会导致名优早茶平均减产30％以上，良种茶园亩均损失在2000元以上。以全国茶园面积的5%安装风扇防霜系统可以挽回经济损失8亿元/年，每年的销售额可达6.4亿元，经济效益显著。
