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摘要：
阳光再分布系统是利用几何光学原理，将照射到地球表面的阳光进行人工调整分配的自动化系统。可以为植物工厂提供优质的光照条件，对解决当前植物工厂发展中遇到的成本高适用范围小的问题发挥一定的作用，可促进植物工厂的发展，对于降低能源消耗保护生态环境、以及对于社会发展都有一定意义。
关键字：阳光再分布系统 植物工厂 非成像光学 光合作用
中图分类号：C35文献标识码： A
植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是现代设施农业发展的高级阶段。植物工厂在土地的集约利用、依法合理种植转基因作物、保护生物多样性、防止生物入侵等等自然方面都有着重大的战略意义。植物工厂可以打破城市与农村之间的壁垒，对于推动100%城市化、推动社会结构发展同样有重大战略意义。
植物工厂按光能的利用方式不同来划分，共有三种类型：太阳光利用型（简称太型）、人工光利用型或者叫完全控制性（简称完型）、太阳光和人工光并用型（综合型）。当前的植物工厂还处于发展的初级阶段，尚有许多问题没能解决，共有的问题在于能量的转化效率低下，因而成本高昂，较难市场化。同时各类型的植物工厂各有不足之处：阳光利用型和综合利用型都是一层的温室型建筑，以便于其从顶部接受日照，土地利用率低，在提高产量方面与传统农业相比并没有太大优势。人工光利用型则由于采用人工照明，光照照度直接和成本挂钩，目前主要采用LED作为光源，电能转化光能的效率较白炽灯等传统光源相比已经大为提高，但功率也受到限制。不仅运营成本较高，农作物可选择面也比较狭窄：果菜类和粮食类由于光饱和点高，同时许多植株较大，对要求空间大，且布光复杂，难以采用，目前植物工厂里种植的都是以植株小、光饱和点低的叶菜类为主。
既然植物工厂被认为是未来农业的发展方向，无论效率低下还是选择面狭窄都是无法令人满意的。我们应当积极解决这些问题。
每个人都知道光合作用的重要性，但研究发现，并不是照射在叶片上的所有阳光都得到了充分的利用。光合作用是一个光生物化学反应，所以光合速率随着光照强度的增加而加快。但超过一定范围之后，光合速率的增加变慢，直到不再增加。当达到某一光强时，光合速率就不再随光强的增高而增加，这种现象称为光饱和现象。开始达到光合速率最大值时的光强称为光饱和点。
1883年德国J.赖因克首先发现植物的光饱和现象，并指出：光饱和点取决于所研究的对象。对于水稻、小麦等C3植物，光饱和点为3～8万勒克斯。C4植物的光饱和点一般比C3植物高，有的C4植物在自然光强下甚至测不到光饱和点（如玉米的嫩叶）。作物群体的光饱和点较单叶为高，小麦单叶光饱和点为2～3万勒克斯，而群体在10万勒克斯下尚未达到饱和。这因为光照度增加时，群体的上层叶片虽已饱和，但下层叶片的光合强度仍随光照度的增加而提高，所以群体的总光合强度还在上升。
由此可见，大部分时候直接照射到叶片上的阳光是超过植物最大需求的，即便是群体利用也是有的过量有的不足，体现出自然界对阳光的利用不够充分及合理，有很大的改进空间。
由于人们使用的电能除了少部分来自核能和地热外绝大部分都是直接或间接的来自太阳能，所以在有日照条件的情况下，植物工厂里不应该优先使用人工照明。但是对于阳光不能够得以充分利用的问题，我们认为其关键点在于阳光的不可控制。如果能够对作物的光照进行精确控制，使强度刚好适合植物生长成熟，这样原来的阳光就会有剩余，可以分配给更多植物。对一块平面土地而言，可以进行多层化分配。具体的实施方法参照常规建筑，建造多层的植物工厂厂房，使每一层空间都分配给适宜的阳光光照，因此可引入阳光再分布系统，建成阳光再分布型植物工厂。
照射在地球上的阳光基本上是均匀的和无目标的，我们称之为阳光的一次分布或原始分布。根据具体应用而对阳光进行有目的的调控分布称为阳光的二次分布或再分布。基于几何光学原理，用以实现对阳光进行再分布的一整套自动化设备体系称为阳光再分布系统。
标准的阳光再分布系统包括光学、跟踪、控制和维护几个子系统。其中光学子系统由采光、调整、传输、布光四个阶段组成。采光部分包括主动式采光和被动式采光，主动式采光使用定日镜以使方向不停变化的太阳光变为定向，定日镜可以是单镜式、双镜式或多镜式，精度高效果好；被动式使用单透镜或透镜组来减小阳光角度变化范围，用于光路较短且要求较低的地方，投资少维护简单。调整部分指的是根据传输要求或应用要求将已经定向的阳光进行汇聚、舒展、分光、分频、偏振、过滤等控制的设备，具体采用哪些根据要求而定。传输设备可以是光导管、光纤、反光镜等等；传输是包括在系统的整个过程中的，没有先后顺序。布光部分根据应用需求选择安装，可以是毛玻璃、非平面反光镜透镜等。
阳光再分布系统的应用范围包括能量型和信息型两个方面，对植物工厂的应用属于能量型，适用非成像光学，以使得太阳能利用得到最大化。太阳虽然距离地球很远，由于体积巨大，光学设计仍要按面光源考虑。
阳光再分布系统的采光部分可以安置于光照良好的工厂屋顶、外墙及室外地面等位置。下面是安装于屋顶的示意简图，安装于外墙和室外地面的情况类似，不再重复：
为了便于理解，简化为光路流程图如下：
由图可知，原始阳光经过采集、汇聚（以减小光路直径）后，光线传输到各层室内顶部，按目标需求分配并洒布給下面的植物。分配量及分配角度时间等等因素应当根据实际植物的生长状态精确测量来决定。
因为气象条件的限制，采集的阳光强度本身仍然有较大范围的变化，而且植物的不同生长阶段也对阳光强度有不同需求。因此植物工厂采用阳光再分布系统后仍应配备人工光源进行补充。
阳光再分布系统是一套光机电一体的自动化系统，需配备专门的管理控制系统，且应与人工光源结合在一起，使人工光和再分布的阳光统一调配，满足植物种类和时期的不同需求。同时还要控制室外设备设施以应对各种恶劣天气，保障植物工厂长期稳定运作。
阳光再分布系统对于植物工厂是有进步意义的：
一方面它减少了灯光照明所耗费的能源，降低了植物工厂的运营成本，提高了植物工厂的经济性；另一方面它提供了比人工照明更高的能量，可以种植更为广泛的植物，即使原本不适合当地气候的植物也可以在植物工厂里种植了。此外阳光具有较强的方向性，可以拉开照明设备与被照农作物的距离，便于植物的布置和人工的操作。
阳光再分布型植物工厂降低成本，扩大适用范围，促使植物工厂在取代传统农业的道路上更进一步。
参考资料：
杨其长 魏灵玲 刘文科 程瑞锋《植物工厂系统与实践》化学工业出版社
古在丰树《太阳光利用型植物工厂》 【日】 中国农业出版社
阳光再分布系统是利用几何光学原理，将照射到地球表面的阳光进行人工调整分配的自动化系统。可以为植物工厂提供优质的光照条件，对解决当前植物工厂发展中遇到的成本高适用范围小的问题发挥一定的作用，可促进植物工厂的发展，对于降低能源消耗保护生态环境、以及对于社会发展都有一定意义。
关键字：阳光再分布系统 植物工厂 非成像光学 光合作用
中图分类号：C35文献标识码： A
植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是现代设施农业发展的高级阶段。植物工厂在土地的集约利用、依法合理种植转基因作物、保护生物多样性、防止生物入侵等等自然方面都有着重大的战略意义。植物工厂可以打破城市与农村之间的壁垒，对于推动100%城市化、推动社会结构发展同样有重大战略意义。
植物工厂按光能的利用方式不同来划分，共有三种类型：太阳光利用型（简称太型）、人工光利用型或者叫完全控制性（简称完型）、太阳光和人工光并用型（综合型）。当前的植物工厂还处于发展的初级阶段，尚有许多问题没能解决，共有的问题在于能量的转化效率低下，因而成本高昂，较难市场化。同时各类型的植物工厂各有不足之处：阳光利用型和综合利用型都是一层的温室型建筑，以便于其从顶部接受日照，土地利用率低，在提高产量方面与传统农业相比并没有太大优势。人工光利用型则由于采用人工照明，光照照度直接和成本挂钩，目前主要采用LED作为光源，电能转化光能的效率较白炽灯等传统光源相比已经大为提高，但功率也受到限制。不仅运营成本较高，农作物可选择面也比较狭窄：果菜类和粮食类由于光饱和点高，同时许多植株较大，对要求空间大，且布光复杂，难以采用，目前植物工厂里种植的都是以植株小、光饱和点低的叶菜类为主。
既然植物工厂被认为是未来农业的发展方向，无论效率低下还是选择面狭窄都是无法令人满意的。我们应当积极解决这些问题。
每个人都知道光合作用的重要性，但研究发现，并不是照射在叶片上的所有阳光都得到了充分的利用。光合作用是一个光生物化学反应，所以光合速率随着光照强度的增加而加快。但超过一定范围之后，光合速率的增加变慢，直到不再增加。当达到某一光强时，光合速率就不再随光强的增高而增加，这种现象称为光饱和现象。开始达到光合速率最大值时的光强称为光饱和点。
1883年德国J.赖因克首先发现植物的光饱和现象，并指出：光饱和点取决于所研究的对象。对于水稻、小麦等C3植物，光饱和点为3～8万勒克斯。C4植物的光饱和点一般比C3植物高，有的C4植物在自然光强下甚至测不到光饱和点（如玉米的嫩叶）。作物群体的光饱和点较单叶为高，小麦单叶光饱和点为2～3万勒克斯，而群体在10万勒克斯下尚未达到饱和。这因为光照度增加时，群体的上层叶片虽已饱和，但下层叶片的光合强度仍随光照度的增加而提高，所以群体的总光合强度还在上升。
由此可见，大部分时候直接照射到叶片上的阳光是超过植物最大需求的，即便是群体利用也是有的过量有的不足，体现出自然界对阳光的利用不够充分及合理，有很大的改进空间。
由于人们使用的电能除了少部分来自核能和地热外绝大部分都是直接或间接的来自太阳能，所以在有日照条件的情况下，植物工厂里不应该优先使用人工照明。但是对于阳光不能够得以充分利用的问题，我们认为其关键点在于阳光的不可控制。如果能够对作物的光照进行精确控制，使强度刚好适合植物生长成熟，这样原来的阳光就会有剩余，可以分配给更多植物。对一块平面土地而言，可以进行多层化分配。具体的实施方法参照常规建筑，建造多层的植物工厂厂房，使每一层空间都分配给适宜的阳光光照，因此可引入阳光再分布系统，建成阳光再分布型植物工厂。
照射在地球上的阳光基本上是均匀的和无目标的，我们称之为阳光的一次分布或原始分布。根据具体应用而对阳光进行有目的的调控分布称为阳光的二次分布或再分布。基于几何光学原理，用以实现对阳光进行再分布的一整套自动化设备体系称为阳光再分布系统。
标准的阳光再分布系统包括光学、跟踪、控制和维护几个子系统。其中光学子系统由采光、调整、传输、布光四个阶段组成。采光部分包括主动式采光和被动式采光，主动式采光使用定日镜以使方向不停变化的太阳光变为定向，定日镜可以是单镜式、双镜式或多镜式，精度高效果好；被动式使用单透镜或透镜组来减小阳光角度变化范围，用于光路较短且要求较低的地方，投资少维护简单。调整部分指的是根据传输要求或应用要求将已经定向的阳光进行汇聚、舒展、分光、分频、偏振、过滤等控制的设备，具体采用哪些根据要求而定。传输设备可以是光导管、光纤、反光镜等等；传输是包括在系统的整个过程中的，没有先后顺序。布光部分根据应用需求选择安装，可以是毛玻璃、非平面反光镜透镜等。
阳光再分布系统的应用范围包括能量型和信息型两个方面，对植物工厂的应用属于能量型，适用非成像光学，以使得太阳能利用得到最大化。太阳虽然距离地球很远，由于体积巨大，光学设计仍要按面光源考虑。
阳光再分布系统的采光部分可以安置于光照良好的工厂屋顶、外墙及室外地面等位置。下面是安装于屋顶的示意简图，安装于外墙和室外地面的情况类似，不再重复：
为了便于理解，简化为光路流程图如下：
由图可知，原始阳光经过采集、汇聚（以减小光路直径）后，光线传输到各层室内顶部，按目标需求分配并洒布給下面的植物。分配量及分配角度时间等等因素应当根据实际植物的生长状态精确测量来决定。
因为气象条件的限制，采集的阳光强度本身仍然有较大范围的变化，而且植物的不同生长阶段也对阳光强度有不同需求。因此植物工厂采用阳光再分布系统后仍应配备人工光源进行补充。
阳光再分布系统是一套光机电一体的自动化系统，需配备专门的管理控制系统，且应与人工光源结合在一起，使人工光和再分布的阳光统一调配，满足植物种类和时期的不同需求。同时还要控制室外设备设施以应对各种恶劣天气，保障植物工厂长期稳定运作。
阳光再分布系统对于植物工厂是有进步意义的：
一方面它减少了灯光照明所耗费的能源，降低了植物工厂的运营成本，提高了植物工厂的经济性；另一方面它提供了比人工照明更高的能量，可以种植更为广泛的植物，即使原本不适合当地气候的植物也可以在植物工厂里种植了。此外阳光具有较强的方向性，可以拉开照明设备与被照农作物的距离，便于植物的布置和人工的操作。
阳光再分布型植物工厂降低成本，扩大适用范围，促使植物工厂在取代传统农业的道路上更进一步。
参考资料：
杨其长 魏灵玲 刘文科 程瑞锋《植物工厂系统与实践》化学工业出版社
古在丰树《太阳光利用型植物工厂》 【日】 中国农业出版社