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奈米技術在植物工廠應用

103/07/16 瀏覽次數 10035
2014國際光電展在2014年6月17日至6月19日於台北南港展覽館盛大開辦,期間包含:平面顯示器、光電、太陽光電、LED照明、奈米科技、植物工廠,以及3D列印技術等七大主題;總計有640家廠商,近1,300個攤位參與此次盛會。當中最特別的即是綠色經濟-植物工廠;此乃將奈米技術應用於植物工廠內,打造1個不受風雨影響、無病蟲害、沒有農藥殘留,與化學使用過量等等問題,同時有效利用能源,一年四季都可產出高品質農作物的穩定生態系統,讓我們看見科技與農業相結合的綠色經濟正在起飛。

近年食安風暴頻傳,毒澱粉、農藥殘留,有機產品不有機…等等問題陸續被踢爆後,已讓人們不知現在到底吃什麼東西才是健康的。此種窘境也讓奈米光電科技與傳統農業結合的植物工廠成為近年最夯的名詞;所謂植物工廠是指藉由科技的裝置讓環境為人所控制,且可依照計畫全年無休的量產植物的場所,同時標榜無污染、不需農藥;溫室般的栽培,減少植物的病蟲害,進一步控制照光能量、水分、與溫濕度,使全年穩定生產農作物。

植物工廠的概念,早在1950年代就已提出,但2014年卻能如此蓬勃發展,主要是拜科技之賜。幾項關鍵性技術的突破與成本大幅下降,才讓植物工廠具有經濟開發價值;其中,透明式太陽能電池板與發光二極體(LED)光源就是關鍵性技術之一。

透明式太陽能電池板,讓電力需求自給自足:

植物工廠需要控制環境,讓收成穩定,代表的就是溫控、灌溉、與施肥的控制系統引進,這無疑是增加另外的耗能與成本。近年發展的透明式太陽電池,是在透明玻璃上刻劃奈米等級的導光結構,只折射太陽能板所需吸收的光譜,其餘光線均穿透照射植物行光合作用,不像矽晶電池吸收能量,卻也遮擋了光線;同時透明式太陽能電池板蓄電的能量,提供溫控與灌溉等電力系統所需,使生態與能源形成內部迴圈的模式,讓電力需求自給自足。

發光二極體光源取代耗電的金屬鈉燈:

光是植物生長發育的重要關鍵。對植物的生長、形態建成、光合作用、物質代謝均有調控作用。早期農民利用金屬鈉燈於冬季夜間照射植物,在短日照時節增加光合作用,增加收割的產期,筊白筍就是一成功案例。經過冬季夜間照光後,產期1年由2次增加至3次,但是高耗電的金屬鈉燈所產生的電費帳單,卻讓農民吃不消。近年科學家研究發現植物的光合作用,對紅光波長分佈在650-655nm,以及藍光波長在450-470nm,能達到的效果最佳,而白光在於觀察植物耕作時更為便利。這樣的發現已說明LED是當仁不讓的選擇。

今日LED照明技術在晶片端、封裝端的成熟,使得LED成為植物的人造太陽。在晶片端奈米量子井的設計,已可製造出精準波長的藍光與紅光LED。在封裝端奈米陶瓷散熱基板的加持,讓LED晶粒熱耗更小,朝高功率低耗能的照明推進,再加上市場價格的下滑,LED已廣泛應用於植物設施栽培領域。

21 世紀是生態農業的世紀,奈米與光電科學在其中起著至關重要的作用,在低碳環保與低成本的要求下,用透明式太陽能電池板,讓電力需求自給自足。在陽光照射不足的地方或是季節,藉由LED燈對綠色植物「施肥」,促進成長與發育。在因應氣候變遷與綠活生活的要求下,將科技導入農業,讓飲食更加安全與環保。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通」執行團隊撰稿/103年/07月)

責任編輯:楊谷洋|國立交通大學電機工程學系暨科技與社會中心智庫研究團隊
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