◎本報記者 趙漢斌
(資料圖)
我國西南山區，農村土壤貧瘠、水資源缺乏。各地雖已建立起覆蓋面較廣的農電網絡，但部分偏遠村組和農戶“電網末梢”吃緊的狀況仍未完全得到緩解。
科學研究如何助力鄉村振興？云南大學材料與能源學院教授萬艷芬帶領的云南大學綠源功能材料團隊為此展開了持久探索。近期，他們以作物秸稈為原料，將原料進行碳化后制備出了光熱材料，并將材料進行三重仿生設計，研制出了水電聯發的清潔能源裝置，建立起了循環低碳智慧大棚。
利用秸稈參與水伏發電
2021年，云南省秸稈資源量約1972.08萬噸，可收集量1763.91萬噸。秸稈主要來自玉米、水稻、甘蔗、油菜、小麥、薯類等作物，其中玉米、水稻、甘蔗秸稈的利用空間巨大。
“基于學科所長，聚焦農業廢料再利用，是科研團隊致力綠色發展、促進鄉村振興的著力點。”萬艷芬說。
近年來，隨著納米材料研究的深入，人們發現部分碳材料在與液體作用時，會表現出一系列新的生電效應，如波動生電、液滴生電、蒸發生電、濕度生電等，這些現象統稱為水伏效應，這為新型能源開發開辟了新路。
“我們的創新點在于‘水電聯發’。”綠源功能材料團隊負責人、云南大學碩士研究生趙嶸介紹，他們研發的裝置，主要以秸稈碳化后的生物質炭作為涂層材料，其易于與水進行表面耦合，可使水分在材料的納米微通道中定向滲透，并在靜電作用下讓水中的正負電荷分離，使上下游產生電勢差，從而產生電壓。
與此同時，在太陽光的照射下，這種水電聯發裝置能夠將農業廢水轉換為清潔的農業用水，重金屬離子去除率達92%，有效解決了農業廢水處理難、部分地區水資源緊缺的問題。
首創智慧大棚植物診療平臺
云南大學綠源功能材料團隊成員由來自材料化工、新能源、信息技術、生物科學、財務管理、視覺設計等領域的數十名研究生組成。
“團隊根據水伏凈水發電、減污節能這一構想，通過配套太陽能水電聯發裝置，建成循環低碳智慧大棚，對作物進行精準呵護。”萬艷芬說，這樣可提高作物產量，增加經濟效益。
團隊在調研中發現，在云南種植花卉、蔬菜的智慧大棚，多停留在僅能監測棚內環境溫度、濕度的階段，且存在搭建成本高、碳排放量較高但智能化程度較低等問題。“針對這些痛點，我們想何不以作物秸稈為原材料，制備一套水電聯發裝置，通過太陽能清潔能源，凈化農業廢水，并給大棚供電？”團隊成員羅洪耀說，精準培育循環低碳智慧大棚的理念由此誕生。
團隊首次原創制備出柔性傳感器件，以及對植物微環境中的氣體、溫度、濕度進行監測的一體化平臺，并通過信息技術對平臺數據進行了后端采集，做到植物病蟲害實時監測。
“我們與云南大學生態與環境學院合作，開辟了番茄種植園區并進行了一系列試驗。”團隊成員王學科介紹說，通過在不同狀態的番茄葉片上黏附柔性傳感貼片，他們發現病變葉片的微環境濕度以及氣體釋放量與正常葉片均明顯不同。
原來，病蟲害發生時，被侵蝕葉片的氣孔呼吸作用明顯下降，氣孔開合狀態較差，水分以及氣體釋放量明顯下降。基于此，研究團隊就可以提前診斷出植株是否正在遭病蟲害侵襲。“這時，我們就可以進行人工干預，減少蟲害發生。”王學科說，團隊整合了各項技術，成功構建了水電聯發的植物診療一體化大棚監測系統。
據悉，這是國內首家獲得專利授權的植物診療平臺。水電聯發裝置不僅能對偏遠、不適宜布設電網的大棚提供監測設備用電，還能及時控溫控水，精準釋放農藥、化肥，給作物提供精心呵護，實現大棚的自動化、智能化，減少農廢污染，增加經濟效益，助力低碳農業推進和鄉村振興目標的實現。
技術成果促進綠色發展
水伏發電和智慧大棚不僅能節省人力物力，提高產量，增加經濟效益，還能在生產各環節減少環境污染，推動農村發展，助力“綠美鄉村”目標的實現，其技術、成本優勢對農民更有吸引力。
“涂層材料的原料是從農戶那里購買的秸稈，每公斤約0.6元；其他常用的化學原材料從網絡渠道購買，整體成本較市場上的各類傳感器更加低廉。”羅洪耀介紹，產品主要針對太陽能資源豐富以及電力緊缺的山區農村，目前裝置正處于推廣階段。
團隊已獲得了中國青年創新創業基金會的經費支持，與云南省大理市鳳儀鎮莊科村以及云龍縣團結村簽訂了合作意向書，提供750套水電聯發裝置和資金、技術指導，解決當地農廢難處理以及用電問題。該團隊還與云南省云上小鎮創新創業平臺合作，進行項目產業孵化，完成了“秸農科學技術開發（昆明）有限公司”的工商注冊手續。
“當然，創新創業中我們也面臨不少難點。”團隊負責人趙嶸說，主要是前期推廣投產存在風險與困難，市場份額尚不確定，以及技術與產品知識產權保護等問題。
“這項智慧農業系統的實施，將在西南鄉村振興戰略中扮演重要角色。先進技術手段和創新的農業模式將有利于推動農村環境改善和可持續發展。”萬艷芬說。后期，團隊將以國家標準為引領，向著發展成為智慧農業領域領軍企業這一目標邁進。
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