聚焦 |新能源、新材料、新设计——助力温室新革命

李建明、孙国涛等温室园艺农业工程技术2022-11-21 17:42 发表于北京

近年来,温室产业得到大力发展。温室大棚的发展,不仅提高了土地利用率和农产品的产出率,还解决了淡季果蔬的供应问题。然而,温室大棚也遇到了前所未有的挑战。原有的设施、供暖方式和结构形式对环境和发展产生了阻力。改变温室结构急需新材料、新设计,急需新能源以达到节能环保、增产增收的目的。

本文以“新能源、新材料、新设计助力温室新革命”为主题展开讨论,包括太阳能、生物质能、地热能等新能源在温室中的研究与创新、研究与应用覆盖、保温、墙体等设备新材料研究进展,以及未来新能源、新材料、新设计助力温室改造的展望与思考,为行业提供参考。

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发展设施农业是贯彻落实中央重要指示精神和中央决策部署的政治要求和必然选择。到2020年,中国农业保护地总面积将达到280万公顷,产值将超过1万亿元。通过新能源、新材料和新型温室设计,提高温室采光和保温性能,是提高温室生产能力的重要途径。传统温室大棚生产存在诸多弊端,传统大棚取暖取暖采用煤炭、燃油等能源,产生大量二氧化 碳气体,严重污染环境,而天然气、电能和其他能源增加了温室的运营成本。传统的温室墙体蓄热材料多为粘土和砖块,消耗大,对土地资源造成严重破坏。传统土墙日光温室土地利用效率仅为40%~50%,普通温室蓄热能力差,在我国北方生产暖性蔬菜无法过冬。因此,推动温室变革或基础研究的核心在于温室设计、新材料、新能源的研发。本文将围绕温室新能源的研究与创新,总结太阳能、生物质能、地热能、风能等新能源和新型透明覆盖材料、保温材料、墙体材料的研究现状。温室,分析新能源、新材料在新型温室建设中的应用,展望其在未来温室发展和改造中的作用。

新能源温室的研究与创新

农业利用潜力最大的绿色新能源包括太阳能、地热能和生物质能,或者对多种新能源进行综合利用,取长补短,实现能源的高效利用。

太阳能/电力

太阳能技术是一种低碳、高效、可持续的能源供应方式,是我国战略性新兴产业的重要组成部分。将成为未来中国能源结构转型升级的必然选择。从能源利用的角度来看,温室本身就是一种利用太阳能的设施结构。通过温室效应,将太阳能聚集在室内,提高温室温度,提供作物生长所需的热量。温室植物进行光合作用的主要能源是直射阳光,是对太阳能的直接利用。

01 光伏发电供热

光伏发电是利用光伏效应将光能直接转化为电能的技术。这项技术的关键要素是太阳能电池。当太阳能照射在串联或并联的太阳能电池板阵列上时,半导体元件直接将太阳辐射能转化为电能。光伏技术可以直接将光能转化为电能,通过电池储存电能,在夜间为温室供暖,但其高昂的成本制约了其进一步发展。课题组研发了一种光伏石墨烯加热装置,该装置由柔性光伏板、一体式逆控机、蓄电池和石墨烯加热棒组成。根据种植线的长度,将石墨烯加热棒埋入基材袋下方。白天,光伏板吸收太阳辐射产生电能储存在蓄电池中,晚上释放出来的电能供石墨烯加热棒使用。实测中采用17℃启动、19℃关闭的温控方式。夜间(第二天20:00-08:00)运行8小时,单排植物供暖能耗为1.24 kW·h,基质袋夜间平均温度为19.2℃,比对照高3.5~5.3℃。这种结合光伏发电的供暖方式解决了冬季温室供暖高能耗、高污染的问题。

02 光热转化与利用

太阳能光热转换是指利用由光热转换材料制成的特殊太阳光收集面,尽可能多地收集和吸收辐射到其上的太阳能,并将其转化为热能。与太阳能光伏应用相比,太阳能光热应用增加了对近红外波段的吸收,因此对太阳光的能量利用效率更高,成本更低,技术成熟,是应用最广泛的太阳能利用方式。

我国光热转化利用技术最成熟的是太阳能集热器,其核心部件是带有选择性吸收涂层的吸热板芯,能将通过盖板的太阳辐射能转化为热能并传输出去。它到吸热工质。太阳能集热器按集热器内是否有真空空间可分为两大类:平板太阳能集热器和真空管太阳能集热器;根据采光口太阳辐射是否改变方向分为聚光太阳能集热器和非聚光太阳能集热器;按传热工质分为液体太阳能集热器和空气太阳能集热器。

温室中的太阳能利用主要是通过各种类型的太阳能集热器进行的。摩洛哥伊本佐尔大学开发了一种用于温室变暖的主动式太阳能供暖系统(ASHS),可在冬季将番茄总产量提高 55%。中国农业大学设计开发了一套表冷器-风机集排热系统,集热能力为390.6~693.0 MJ,并提出了集热过程与热泵储热过程分离的思路。意大利巴里大学开发了温室多联产供暖系统,由太阳能系统和空气-水热泵组成,可使空气温度提高3.6%,土壤温度提高92%。课题组研发了一种日光温室变倾角主动式太阳能集热设备,以及配套的温室水体全天候蓄热装置。变倾角主动式太阳能集热技术突破了传统温室集热设备集热能力有限、遮荫、占用耕地等局限性。利用日光温室特殊的温室结构,充分利用温室的非种植空间,大大提高了温室空间的利用效率。在典型晴天工况下,变倾角主动式太阳能集热系统达到1.9 MJ/(m2h),能量利用效率达到85.1%,节能率为77%。在温室蓄热技术中,设置多相变蓄热结构,增加蓄热装置的蓄热容量,实现装置热量的缓慢释放,从而实现高效利用温室太阳能集热设备收集的热量。

生物质能

将生物质供热装置与温室相结合,构建新型设施结构,将猪粪、菌渣、秸秆等生物质原料进行堆肥,酿造热能,产生的热能直接供给温室[ 5].与没有生物质发酵加热罐的温室相比,加热温室可以有效提高温室内的地温,在冬季正常气候下保持土壤中栽培作物根系的适宜温度。以跨度17m、长30m的单层不对称保温大棚为例,将8m农业废弃物(番茄秸秆和猪粪混合)加入室内发酵罐进行自然发酵,不翻堆即可冬季温室日平均气温升高4.2℃,日平均最低气温可达4.6℃。

生物质可控发酵能源利用是利用仪器设备控制发酵过程,以快速获取和高效利用生物质热能和CO2气肥的发酵方法,其中通风和水分是调节发酵热的关键因素和生物质的气体生产。在通风条件下,发酵堆中的好氧微生物利用氧气进行生命活动,产生的能量一部分用于自身的生命活动,一部分能量以热能的形式释放到环境中,有利于温度的升高环境的崛起。水参与整个发酵过程,为微生物活动提供必需的可溶性养分,同时通过水以蒸汽的形式释放堆体热量,从而降低堆体温度,延长堆体寿命。微生物并增加堆的整体温度。在发酵罐内安装秸秆浸出装置,可使冬季室内温度升高3~5℃,加强植物光合作用,使番茄增产29.6%。

地热能

中国地热资源丰富。目前,农业设施利用地热能最普遍的方式是采用地源热泵,通过输入少量的高品位能量(如电能)。与传统的温室供暖措施不同,地源热泵供暖不仅能取得显着的供暖效果,而且具有温室降温、降低温室内湿度的能力。地源热泵在房建领域的应用研究已经成熟。影响地源热泵供暖制冷能力的核心部分是地下换热模块,主要包括埋地管道、地下井等。如何设计成本与效果均衡的地下换热系统一直是人们关注的焦点。成为本部分的研究重点。同时,地源热泵应用中地下土层温度的变化也会影响热泵系统的使用效果。利用地源热泵在夏季对温室进行降温,将热能储存在深层土层中,可以缓解地下土层的温度下降,提高地源热泵在冬季的产热效率。

目前,在地源热泵性能与效率的研究中,通过实际实验数据,利用TOUGH2、TRNSYS等软件建立数值模型,得出地源热泵的供热性能与性能系数(COP) )地源热泵可达3.0~4.5,制冷制热效果好。在热泵系统运行策略研究中,付云准等发现,与负荷侧流相比,地源侧流对机组性能和地埋管传热性能的影响更大.在流量设定条件下,采用开2小时停2小时的运行方案,机组COP值最高可达4.17;史慧贤等。采用蓄水式冷却系统间歇运行方式。夏季气温高时,整个供能系统的COP可达3.80。

大棚深层土壤蓄热技术

温室深层土壤蓄热又称温室“蓄热库”。冬季冷害和夏季高温是温室生产的主要障碍。基于深层土壤强大的储热能力,课题组设计了温室地下深层储热装置。该装置为埋设于温室地下1.5~2.5m深度的双层并联传热管道,进风口在温室顶部,出风口在地面。当温室内温度较高时,通过风机将室内空气强行抽入地下,实现蓄热降温。当温室温度较低时,从土壤中提取热量以加热温室。生产应用结果表明,该装置冬夜可使温室温度升高2.3℃,夏日白天可降低室内温度2.6℃,667米番茄增产1500kg。2个.该装置充分利用地下深层土壤“冬暖夏凉”和“恒温”的特点,为温室提供“能源接入库”,不断完成温室降温、供暖的辅助功能.

多能协调

采用两种或多种能源对温室供暖,可以有效弥补单一能源的不足,发挥“一加一大于二”的叠加效应。地热能与太阳能的互补合作是近年来农业生产中新能源利用的研究热点。埃米等。研究了一个多源能源系统(图 1),它配备了光伏热混合太阳能收集器。与普通空气-水热泵系统相比,多源能源系统能效提高16%~25%。郑等。开发了新型太阳能与地源热泵耦合储热系统。太阳能集热系统可实现热量的优质季节性储存,即冬季优质供暖,夏季优质制冷。地埋管换热器和间歇式储热罐均能在系统中正常运行,系统COP值可达6.96。

结合太阳能,旨在降低市电消耗,增强温室太阳能供电的稳定性。万亚等。提出了太阳能发电与市电相结合的温室供暖智能控制技术方案,有光时利用光伏发电,无光时转为市电,大大减少负荷缺电率,并在不使用电池的情况下降低经济成本。

太阳能、生物质能和电能可以联合供暖温室,同样可以达到较高的供暖效率。张良瑞等人将太阳能真空管集热与谷电蓄热水箱相结合。温室供暖系统具有良好的热舒适性,系统平均供暖效率为68.70%。电蓄热水箱是一种电加热的生物质能热水蓄热装置。设定供热端最低进水温度,根据太阳能集热部分和生物质储热部分的蓄水温度确定系统的运行策略,以达到稳定的供热温度。供暖端,最大限度地节约电能和生物质能材料。

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新型温室材料的创新研究与应用

随着温室面积的扩大,砖、土等传统温室材料的应用弊端日益显现。因此,为进一步提高温室的热工性能,满足现代温室的发展需要,对新型透明覆盖材料、保温材料和墙体材料进行了大量研究和应用。

新型透明覆盖材料的研究与应用

温室透明覆盖材料的种类主要有塑料薄膜、玻璃、太阳能板和光伏板等,其中塑料薄膜的应用领域最大。传统大棚PE膜存在使用寿命短、不降解、功能单一等缺陷。目前,通过添加功能试剂或涂层,开发出多种新型功能薄膜。

光转换膜:光转换膜利用稀土、纳米材料等光转换剂改变膜的光学特性,可将紫外光区转换为植物光合作用所需的红橙光和蓝紫光,从而提高作物产量,减紫外线对农作物和塑料大棚棚膜的危害。例如,添加了VTR-660光转换剂的宽波段紫红大棚膜应用于大棚后,可显着提高红外线透过率,与对照大棚相比,番茄单公顷产量、维生素C和番茄红素含量均有显着提高。分别大幅增长了 25.71%、11.11% 和 33.04%。但目前,新型光转换膜的使用寿命、可降解性和成本等方面仍需研究。

散片玻璃:温室散光玻璃是在玻璃表面采用特殊的花纹和增透技术,使太阳光最大限度地变成散射光进入温室,提高作物的光合作用效率,增加作物的产量。散射玻璃通过特殊图案将进入温室的光线变成散射光,散射光可以更均匀地照射到温室内,消除骨架对温室的阴影影响。与普通浮法玻璃和超白浮法玻璃相比,散射玻璃的透光率标准为91.5%,普通浮法玻璃为88%。温室内透光率每提高1%,可增​​产3%左右,果蔬中的可溶性糖和维生素C都有所增加。温室散光玻璃先镀膜后钢化,自爆率高于国家标准,达到2‰。

新型保温材料的研究与应用

传统的温室保温材料主要有草席、纸被、针刺毡保温被等,主要用于屋面的内外保温、墙体保温和一些蓄热、集热装置的保温。 .大多存在长期使用后因内部受潮而失去保温性能的缺陷。因此,新型高保温材料的应用较多,其中新型保温被、储热集热装置是研究热点。

新型保温材料通常是将编织膜、涂层毡等表面防水耐老化材料与喷塑棉、杂绒、珍珠棉等蓬松保温材料加工复合而成。一种织膜喷塑棉保温被在东北进行试验。经研究发现,加入500克喷塑棉相当于市场上销售的4500克黑毡保温被的保温性能。在同等条件下,700g喷塑棉的保温性能比500g喷塑棉保温被提高1~2℃。同时,其他研究也发现,与市场上常用的保暖被相比,喷漆棉和杂绒保暖被的保暖效果更好,保暖率分别为84.0%和83.3%。 %分别。当室外最冷温度为-24.4℃时,室内温度可分别达到5.4℃和4.2℃。与单一的草毯保温被相比,新型复合保温被具有质轻、保温率高、防水、抗老化能力强等优点,可作为日光温室的新型高效保温材料。

同时,根据对温室集热蓄热装置保温材料的研究也发现,在厚度相同的情况下,多层复合保温材料的保温性能优于单一材料。西北农林科技大学李建明教授团队设计筛选了真空板、气凝胶、橡胶棉等22种温室蓄水装置保温材料,并进行了热性能测试。结果表明,80mm保温涂料+气凝胶+橡塑保温棉复合保温材料与80mm橡塑棉相比,单位时间散热量减少0.367MJ,传热系数为0.283W/(m2 ·k)当绝缘组合厚度为100mm时。

相变材料是温室材料研究的热点之一。西北农林科技大学研制了两种相变材料储存装置:一种是用黑色聚乙烯制成的储存盒,尺寸为50cm×30cm×14cm(长×高×厚),里面装满了相变材料,因此它可以储存热量和释放热量;其次,开发了一种新型相变墙板。相变墙板由相变材料、铝板、铝塑板和铝合金组成。相变材料位于墙板的最中心位置,规格为200mm×200mm×50mm。相变前后均为粉状固体,无熔化、流动现象。相变材料的四壁分别为铝板和铝塑板。该装置可实现白天以蓄热为主,夜间以放热为主的功能。

因此,单一保温材料的应用存在保温效率低、热损失大、蓄热时间短等问题。因此,采用复合保温材料作为保温层和室内外保温蓄热装置覆盖层可有效提高温室的保温性能,减少温室的热量损失,从而达到节能的效果。

新型墙体的研究与应用

墙体作为一种围护结构,是温室防寒、保温的重要屏障。根据墙体材料和结构,温室北墙的发展可分为土、砖等单层墙和粘土砖、砌块砖、聚苯板等,内蓄热,外保温,这些墙体大多费时费力;因此,近年来出现了很多新型的墙体,它们易于搭建,适合快速组装。

新型装配式墙体的出现促进了装配式温室的快速发展,包括以毛毡、珍珠棉、太空棉、玻璃棉或再生棉等为热源的外防水、抗老化面材和材料的新型复合墙体绝缘层,如新疆喷粘棉的柔性组装墙。此外,其他研究也报道了带有储热层的装配式温室北墙,如新疆的砖砌麦壳砂浆砌块。在相同的外部环境下,当室外最低温度为-20.8℃时,小麦壳砂浆砌块复合墙体日光温室的温度为7.5℃,而砖混墙体日光温室的温度为3.2℃。砖棚番茄采收期可提前16天,单棚增产18.4%。

西北农林科技大学设施团队从轻简墙体设计角度提出了将秸秆、土壤、水、石料和相变材料制成保温蓄热模块的设计思路,推动了模块化组装的应用研究墙。例如,与普通砖墙温室相比,在典型的晴天,温室内的平均温度要高出4.0℃。由相变材料(PCM)和水泥制成的三种无机相变水泥模块,其积热分别为74.5、88.0和95.1 MJ/m3个,并释放出 59.8、67.8 和 84.2 MJ/m 的热量3个, 分别。具有白天“削峰”、夜间“填谷”、夏季吸热、冬季放热的功能。

这些新型墙体在现场组装,施工周期短,使用寿命长,为建造轻型、简化、快速组装的装配式温室创造了条件,可以极大地促进温室结构改革。但这种墙体也存在一些缺陷,如喷粘棉保温被墙保温性能优良,但蓄热能力不足,相变建材存在使用成本高等问题。今后应加强装配式墙体的应用研究。

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新能源、新材料、新设计助力温室结构变革。

新能源、新材料的研究与创新为温室的设计创新提供了基础。节能日光温室和拱棚是我国农业生产中规模最大的棚舍结构,在农业生产中发挥着重要作用。但是,随着我国社会经济的发展,这两种设施结构的弊端也日益显现出来。一是设施构筑物空间小,机械化程度低;二是节能型日光温室保温性能好,但占地面积小,相当于以土地代替温室能源。普通拱形棚不仅空间小,而且保温效果差。连栋温室虽然空间大,但保温性能差,能耗高。因此,研发适合我国当前社会经济水平的温室结构势在必行,而新能源、新材料的研发将有助于温室结构的变革,产生多种创新的温室模型或结构。

大跨度非对称控水酿造温室创新研究

大跨度非对称控水酿造温室(专利号:ZL 201220391214.2)是在日光温室原理的基础上,改变普通塑料温室的对称结构,增大南面跨度,增加南面屋顶采光面积,减少北跨,减少散热面积,跨度18~24m,屋脊高6~7m。通过设计创新,空间结构得到显着提升。同时,采用生物质酿造热保温材料新技术,解决了冬季大棚供暖不足和普通保温材料保温效果差的问题。生产和研究结果表明,大跨度不对称控水酿酒温室,晴天平均气温11.7℃,阴天平均气温10.8℃,能够满足冬季作物生长的需要,建设成本低。温室比聚苯乙烯砖墙温室减少39.6%,土地利用率提高30%以上,适合在我国黄淮河流域进一步推广应用。

装配式日光温室

装配式日光温室以立柱和屋面骨架为承重结构,其墙体材料以保温围护为主,不承重,不被动蓄热放热。主要有:(1)由涂膜或彩钢板、秸秆砌块、柔性保温被、砂浆砌块等多种材料组合而成的新型装配式墙体。(2)预制水泥板制成的复合墙板-聚苯板-水泥板;(3)具有主动储放热系统和除湿系统的轻型、简易组装型保温材料,如塑料方桶蓄热、管道蓄热等。用不同的新型保温材料和蓄热材料代替传统的土墙建造日光温室,占地面积大,土建工程量小。实验结果表明,冬季温室夜间温度比传统砖墙温室高4.5℃,后墙厚度为166mm。与600mm厚砖墙温室相比,墙体占用面积减少72%,每平方米造价334.5元,比砖墙温室低157.2元,施工成本已大幅下降。因此,装配式温室具有耕地破坏少、节约用地、施工速度快、使用寿命长等优点,是当前和未来日光温室创新发展的重点方向。

滑动日光温室

沉阳农业大学研制的滑板组装式节能日光温室,利用日光温室后墙构成水循环壁蓄热系统蓄热升温,主要由水池(32m3个), 集光板 (360m2个)、水泵、水管和控制器。顶部采用新型轻质岩棉彩钢板材料代替柔性保温被。研究表明,该设计有效解决了山墙挡光问题,增加了温室的进光面积。温室采光角度为41.5°,比对照温室提高了近16°,提高了采光率。室内温度分布均匀,植物生长整齐。该温室具有提高土地利用效率、灵活设计温室规模和缩短建设周期等优点,对保护耕地资源和环境具有重要意义。

光伏温室

农业大棚是集太阳能光伏发电、智能温控、现代高科技种植于一体的温室。采用钢骨骨架,外覆太阳能光伏组件,保证光伏发电组件的采光要求和整个温室的采光要求。太阳能产生的直流电直接补充农业大棚的光照,直接支持温室设备的正常运行,带动水资源的灌溉,提高温室温度,促进农作物的快速生长。这样的光伏组件会影响大棚屋顶的采光效率,进而影响大棚蔬菜的正常生长。因此,温室屋顶光伏板的合理布局成为应用的重点。农业大棚是观光农业与设施园艺有机结合的产物,是集光伏发电、农业观光、农作物种植、农业科技、园林景观、文化开发为一体的创新型农业产业。

不同类型温室能量相互作用的温室群创新设计

北京农林科学院研究员郭文忠利用温室间能量传递的供暖方式,将一个或多个温室内剩余的热能收集起来,供暖另一个或多个温室。这种供暖方式实现了温室能量在时间和空间上的转移,提高了剩余温室热能的能源利用效率,降低了供热总能耗。两种类型的温室可以是不同的温室类型,也可以是同一种温室类型,用于种植多种作物,如生菜、番茄温室。集热方式主要有提取室内空气热量和直接拦截入射辐射。通过太阳能收集、换热器强制对流、热泵强制抽取,提取高能温室内的余热,用于温室供暖。

总结

这些新型日光温室具有组装快捷、施工周期缩短、土地利用率提高等优点。因此,有必要进一步探索这些新型温室在不同地区的性能,为新型温室的大规模推广应用提供可能。同时,要不断加强新能源、新材料在温室中的应用,为温室结构改革提供动力。

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未来展望与思考

传统温室大棚往往存在能耗高、土地利用率低、费时费力、性能差等缺点,已不能满足现代农业的生产需要,必将逐步被淘汰。淘汰。因此,利用太阳能、生物质能、地热能和风能等新能源、新型温室应用材料和新型设计来推动温室结构的变革是一种发展趋势。首先,新能源、新材料驱动的新型温室,既要满足机械化作业的需要,又要节能、节地、节本。其次,要不断探索新型温室在不同地区的性能,为温室大面积推广提供条件。今后应进一步寻找适合温室应用的新能源、新材料,寻找新能源、新材料与温室的最佳组合,使建设成本低、建设期短的新型温室成为可能。低能耗、优异性能,助力温室结构变革,推动我国温室现代化发展。

尽管新能源、新材料、新设计在温室建设中的应用是必然趋势,但仍有许多问题需要研究和克服:(1)建设成本增加。与传统的煤、天然气或石油供热相比,应用新能源、新材料环保无污染,但建设成本明显增加,对生产经营的投资回收产生一定影响.与能源利用相比,新材料的成本将显着增加。(2)热能利用不稳定。新能源利用的最大优势是运行成本低、二氧化碳排放量低,但能源和热能供应不稳定,阴天成为太阳能利用的最大限制因素。在生物质发酵制热过程中,由于存在发酵热能低、管理控制困难、原料运输储存空间大等问题,限制了这种能量的有效利用。(3)技术成熟度。新能源、新材料所采用的这些技术属于前沿研究和技术成果,其应用领域和范围还十分有限。它们没有经过多次、多站点和大规模的实践验证,在应用中难免存在一些不足和需要改进的技术含量。用户往往会因为微小的缺陷而否定技术的进步。(4)技术普及率低。一项科技成果的广泛应用需要一定的知名度。目前,新能源、新技术、新温室设计技术都在具有一定创新能力的高校科研中心团队中,大多数技术需求者或设计者还不知道;同时,由于新技术的核心设备都是专利,新技术的推广应用还很有限。(5)新能源、新材料与温室结构设计的融合有待进一步加强。由于能源、材料和温室结构设计分属于三个不同的学科,有温室设计经验的人才往往缺乏对温室相关能源和材料的研究,反之亦然;因此,能源与材料研究相关的研究人员需要加强对温室产业发展实际需求的调研和了解,结构设计人员也应研究新材料和新能源,促进三者关系的深度融合,从而实现以温室研究技术实用、建设成本低、使用效果好为目标。基于以上问题,建议国家、地方和科研中心加大技术攻关力度,深入开展联合攻关,加强科技成果宣传,提高成果普及率,尽快实现科技成果转化。目标新能源新材料助力温室产业新发展。

引用信息

李建明、孙国涛、李昊杰、李锐、胡益新。新能源、新材料、新设计助力温室新革命[J].蔬菜,2022,(10):1-8。


发布时间:Dec-03-2022