КОНВЕЙЕРНЫЙ СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ "ЗЕЛЕНАЯ ВОЛНА" Российский патент 2008 года по МПК A01G31/06 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к теплицам для выращивания зелени, овощей, цветов и другой растительной продукции в закрытом грунте.

Известен конвейерный способ и устройство для выращивания растений, в котором рассаду высаживают в лотки, размещают эти лотки на конвейере, освещают их с помощью искусственного источника света и поливают питательным раствором (см., например, патент РФ №2101930, МПК А01G 31/04 «Устройство для выращивания растений в подвальном или подсобном помещении жилого или производственного здания, способ эксплуатации устройства для выращивания растений в подвальном или подсобном помещении жилого или производственного здания, емкость для выращивания растений», опубл. 20.01.1998, БИ №2).

Недостаток известного способа заключается в том, что в нем в качестве источника света применены лампы, для которых необходимо водяное охлаждение. Спектр излучения этих ламп не соответствует потребностям растений и не позволяет обеспечить оптимальный фотосинтетический процесс в растениях. Кроме того, применяемая для питательного раствора вода может содержать вредные для растений примеси и плохо проникать в клеточную ткань.

Известен также способ выращивания растений, в котором система освещения снабжена реверсивным приводом и перемещается вокруг растений (см., например, патент РФ №2015663, МПК⁶ А01G 31/06 «Устройство для облучения растений в теплице с многоярусной гидропонной установкой», опубл. 15.07.1994, БИ №13).

Недостаток известного технического решения заключается в том, что для реализации такого способа требуются источники света большой длины. Кроме того, как можно предположить из описания, в качестве источника света применены люминесцентные лампы. Эти лампы имеют низкую механическую прочность, излучают световой поток, спектральный состав которого не соответствует оптимальному, при котором процесс фотосинтеза в растениях происходит наиболее интенсивно.

Более близким по технической сущности и принятым за прототип является конвейерный способ для выращивания растений, описанный в патенте РФ №2004143, МПК А01G 31/04 «Установка для выращивания растений», опубл. 15.12.1993 в БИ №45-46.

В известном техническом решении рассаду растений высаживают в лотки, устанавливают лотки с рассадой на движущийся многоярусный конвейер, который перемещают с помощью электропривода, производят полив растений питательным раствором и освещают их искусственным источником света.

В известном конвейерном способе выращивания растений питательный раствор используется более рационально.

Однако предложенный способ также не лишен недостатков. В описании, приложенном к прототипу, ничего не говорится о применяемом источнике света. Тем не менее, если судить по описанию, так же, как и в аналогах, спектр излучения источника света не соответствует потребностям растений для их быстрого роста. Освещенность растений не меняется, а сами источники света имеют большое энергопотребление.

Применяемая для питательного раствора вода может содержать вредные для растений примеси и плохо проникать в клеточную ткань.

По приведенным причинам удельный расход электроэнергии и продуктивность теплицы понижены.

Между тем практика показывает, что растения весьма чувствительны к спектральному составу светового потока. Известно, что зеленая часть спектра растениями практически не воспринимается. Хлорофилл поглощает сине-фиолетовые лучи в коротковолновой части спектра и красные лучи в длинноволновой части спектра (см. кн. Тетерина Т.П. Глаз и мозг. - Калуга: ГУЛ Облиздат, 2001 г., стр.116-117).

Кроме того, в последнее время получает развитие импульсный режим освещения растений. При этом важно соотношение между продолжительностью световых вспышек и длительностью темновых пауз, которое должно быть сформировано при освещении искусственным источником света для того, чтобы обеспечить оптимальный процесс фотосинтеза в растениях (см. там же, стр.107). При этом необходимо учитывать вид растений, стадию его развития и климатические особенности произрастания.

В условиях загрязнения окружающей среды большое значение приобретает состояние воды, используемой для орошения. Очистка воды, ее обеззараживание и, по возможности, структуризация способствуют лучшей усвояемости питательных веществ, попадающих в клетки растений.

И, наконец, процесс подкормки растений должен происходить с учетом стадии их развития.

Техническим результатом данного изобретения является резкое повышение урожайности и снижение сроков созревания растений, большая эффективность использования источников света и расхода орошающей воды, снижение площади под парник и, как следствие, снижение потребления электроэнергии.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном конвейерном способе выращивания растений, включающим высаживание растений в лотки, освещение их искусственным светом, снабжение растений питательным раствором в процессе перемещения ветвей конвейера и сбор урожая, согласно изобретению, освещение растений производят импульсно с длительностью темновой фазы, большей, чем продолжительность светового импульса, со спектральным составом, содержащим преимущественно синий и красный спектр излучения, а для приготовления питательных растворов воду обрабатывают в активаторе с помощью электромагнитного облучателя.

В варианте технического решения источник света выполняют на светодиодах.

В варианте технического решения продолжительность световых вспышек и длительность темновых фаз изменяют в соответствии с видом растений.

В варианте технического решения источник света выполняют подвижным и реверсивно перемещают его вдоль ярусов конвейера.

В варианте технического решения скорость движения источника света изменяют в соответствии с видом растения.

В варианте технического решения скорость перемещения конвейера изменяют в соответствии с показателями роста растений.

В варианте технического решения подкормки растений питательным раствором и фитогормонами производят с учетом стадии их развития на определенном положении лотков на конвейере.

Освещением импульсами света с длительностью темновой фазы, большей, чем продолжительность светового импульса, и регулированием частоты световых импульсов можно оптимизировать метаболические процессы в растениях, что ведет к ускорению их роста. При этом также значительно снижается потребление электроэнергии. Выращивание растений можно производить круглосуточно, с минимальным потреблением электроэнергии.

При излучении, состоящем преимущественно из синего и красного спектра, образование хлорофилла происходит интенсивнее и растения развиваются быстрее.

Приготовление питательных растворов на основе воды, обработанной в активаторе с помощью электромагнитных излучений, приводит к тому, что структура воды измельчается и питательные растворы лучше проникают в клетки растений, что приводит к лучшему усвоению питательных веществ, растворенных в такой воде. При этом, в процессе обработки, вода обеззараживается, а вещества, содержащие тяжелые металлы, частично выпадают в осадок.

Изменение частоты включения источника света с длительностью темновой фазы, большей, чем продолжительность светового импульса, в соответствии с видом растений, дает возможность создавать адаптивные системы, позволяющие максимально использовать имеющиеся ресурсы для выращивания растительной продукции.

Сочетание импульсного освещения с оптимальным спектром и полив водой, обработанной электромагнитными излучениями, формирует кумулятивный эффект, выражающийся в резком ускорении процесса роста, снижении сроков созревания растений, улучшении их питательных и вкусовых качеств, товарного вида и увеличении продуктивности теплиц. Как следствие, происходит снижение потребления электроэнергии, расходуемой на единицу продукции.

Применение в качестве источника света светодиодов способствует дополнительному снижению потребления электроэнергии, повышению сроков службы системы в целом. Кроме того, светодиоды можно включать с высокой частотой, регулировать спектр излучения, они имеют низкую телоотдачу, высокую механическую прочность и не боятся попадания на их корпус водяных брызг.

Реверсивное перемещение источника света вдоль ярусов конвейера позволит уменьшить количество элементов источника света и за счет этого можно снизить как энергопотребление, так и общую стоимость конвейера.

Изменение скорости перемещения источника света и/или конвейера в соответствии с показателями роста растений позволит оптимизировать процесс выращивания той или иной растительной культуры.

Подкормка растений и обработка их фитогормонами с учетом стадии их развития дает дополнительный эффект по улучшению качества продукции и ускорению роста и созревания растений.

Конвейерный способ выращивания растений «Зеленая волна» иллюстрируется 9-ю фигурами.

На фиг.1 представлена продольная конструкция конвейера.

На фиг.2 показано положение лотков конвейера при виде сверху.

На фиг.3 нарисован поперечный разрез 2-ярусной установки конвейера при виде сбоку.

На фиг.4 изображен фрагмент конвейера, иллюстрирующий соединение лотков через ролики качения и втулку с несущей цепью.

На фиг.5 показан элемент источника света со светодиодами, вид со светящейся поверхности.

На фиг.6 представлена принципиальная электрическая схема системы освещения с импульсным источником света.

На фиг.7 представлена принципиальная электрическая схема для источника света, перемещающегося вдоль конвейера.

На фиг.8 приведены принципиальные электрические схемы электропривода перемещения источника света и конвейера.

Фиг.9 дает представление о характере интегрального изменения фотосинтетической активной радиации (ФАР) (восприятия оптической радиации) растениями в зависимости от времени (t) при импульсном включении источника света.

Общие для всех фигур элементы обозначены одинаково.

Система, работающая согласно конвейерному способу выращивания растений «Зеленая волна», устроена следующим образом. Конвейер состоит из лотков 1 (фиг.1, 2, 3, 4), которые на своих торцах имеют полуоси 2 со свободно сидящими на них роликами качения 3. Ролики опираются на направляющие колеи 4. Лотки расположены между парой несущих бесконечных цепей 5, к звеньям которых по большой оси симметрии жестко прикреплены втулки 6 для плавающего соединения с полуосями 2. Стороны направляющей опорной колеи 4 каждого яруса конвейера установлены на разных уровнях и крепятся к вертикальным опорам 7.

Предпочтительно конвейер состоит из двух ярусов.

Лотки снабжены системой подачи в них питательного раствора (на фиг. не показана). Дно лотков выполнено с наклоном в одну сторону, и под нижней стороной лотков 1 расположен желоб 8 для сбора излишней жидкости, поступающей из каждого лотка. Желобы всех ярусов соединены между собой и с емкостью для сбора излишков жидкости (на фиг. не показана).

Каждый элемент искусственного источника света представляет собой плоскую прямоугольную панель 9 (фиг.5), вытянутую в поперечном направлении. Светодиоды 10 распределены в несколько рядов, на равном расстоянии друг от друга по всей поверхности панели 9, обращенной в сторону рассады лотков. Примерно 1/3 светодиодов излучает световой поток с синим спектром, а 2/3 остальных светодиодов излучают красный спектр. Соотношение между количеством синих и красных светодиодов может отличаться от указанного и определяется световым потоком установленных светодиодов той или иной группы. Элементы источника света могут содержать светодиоды и со спектральным составом, отличным от указанного, например желтый. В составе панели могут содержаться светодиоды с белым свечением и с ультрафиолетовым спектром излучения. При этом светодиоды с различным спектром излучения распределены по поверхности панели равномерно.

Панели расположены над лотками каждого яруса (на фиг. не показано). Все панели 9 включены по параллельной схеме (фиг.6) и получают электрическое питание от блока электропитания 11 через блок управления 12. Блок электропитания содержит устройство, преобразующее напряжение электропитания сети в напряжение постоянного тока, соответствующее напряжению питания светодиодов. В блоке управления имеется устройство формирования импульсов напряжения, которое управляется регулятором частоты импульсов 13 и регулятором длительности темновой фазы 14.

Если конвейер состоит из двух ярусов, то верхний ярус может и не содержать элементов источника света, если теплица имеет общее верхнее освещение или имеет прозрачное покрытие, позволяющее освещать верхнюю ветвь конвейера естественным светом и верхним общим освещением.

В варианте технического решения источник света каждого яруса выполнен в виде подвижной панели 9. Панель снабжена двумя парами металлических роликов качения (не показаны), расположенных с двух сторон по торцам. Механизм перемещения панели выполнен аналогично механизму перемещения лотков конвейера и также снабжен бесконечной приводной цепью. Ролики опираются на опорные колеи, выполненные из металла. Электропитание к светодиодам подается через опорные колеи, контактирующие с металлическими роликами. Напряжение электропитания светодиодов не превышает 24-36 В, что признано безопасным для персонала. При этом блок управления частотой длительностью темновой фазы и продолжительностью светового импульса отсутствует. На фиг.3 показан один подвижный элемент 9 источника света, расположенный над нижним ярусом конвейера. Аналогично могут быть выполнены подвижные элементы источника света и над остальными ярусами конвейера.

Электрически светодиоды 10 подвижных элементов источника света соединены по последовательно-параллельной схеме (фиг.7). Элементы источника света могут также содержать светодиоды и со спектральным составом, отличным от указанного, например желтый. В составе панели могут содержаться светодиоды с белым свечением и с ультрафиолетовым спектром излучения. При этом светодиоды с различным спектром излучения распределены по поверхности панели равномерно. Напряжение подводится к панели через подвижные контакты 15 между опорными колеями и роликами. Поскольку с обеих сторон панели имеется два контактных ролика, то перебои питания при перемещении панели практически исключены.

Электропривод перемещения светодиодной панели состоит из электродвигателя 16 и электромагнитного тормоза 16′ (фиг.8). В цепи электропитания двигателя имеется реверсор 17, на вход которого поступают сигналы от путевых датчиков соответственно 18 и 19, ограничивающих перемещение панели в обе стороны. Электродвигатель получает питание от сети через регулятор частоты вращения 20.

В свою очередь, электродвигатель 21 перемещения конвейера получает питание от сети через регулятор частоты вращения 22, снабженного устройством управления 23 со шкалой, на которую выведены указатели вида растения или какие-либо другие данные, необходимые для регулирования скорости двигателя.

Импульсы светового потока «Ф₁» 24, в зависимости от времени «t», будут иметь вид, показанный на фиг.9. Частота появления и форма импульсов зависит от частоты включения светодиодов, длительности темновых фаз или от скорости перемещения панели со светодиодами. Характер интегрального изменения фотосинтетической активной радиации ФАР, при импульсном включении светодиодов, в зависимости от времени t, будет иметь вид 25 последовательных нарастающих волн, с последующей установившейся их амплитудой.

В варианте технического решения поливальные установки, размещенные вдоль конвейера, содержат различные питательные растворы и растворы фитогормонов.

Конвейерный способ выращивания растений «Зеленая волна» действует следующим образом. В лоток 1 (фиг.1), находящийся в начале конвейера, высаживается рассада растений. Конвейер непрерывно перемещается с помощью электродвигателя 21. Потребляемая мощность электродвигателя невелика, поскольку движение конвейера происходит медленно и измеряется несколькими сантиметрами в час. По мере движения конвейера в лотки поступает питательный раствор через распылители жидкости (на фиг. не показаны). При этом вода перед внесением в нее питательных веществ проходит через активатор, в котором на нее воздействуют электромагнитными излучениями (на фиг. не показано). Активатор содержит электромагнитный облучатель, погруженный в воду. После некоторого времени воздействия на воду электромагнитным облучателем вода обеззараживается, тяжелые металлы частично выпадают в осадок, а вода разбивается на наноструктуры, которые легче проникают в клетки растений. После обработки в активаторе в воду добавляются питательные вещества и раствор подается в лотки. Излишняя жидкость, попавшая из лотков 1 в желобы 8, отфильтровывается, разбавляется свежей водой, проходит через конвертер, в нее добавляют свежий питательный раствор и после этого ее вновь используют для питания растений.

В варианте технического решения подача питательного раствора происходит следующим образом. Первые лотки, расположенные в начале конвейера и в которых высаженные растения находятся в начальной стадии роста, и в которых находятся растения, должны орошаться питательным раствором, содержащим больше калия, способствующего более быстрому развитию рассады. При перемещении лотков и по мере роста растений в питательных растворах увеличивают концентрацию кальция и ряда других элементов. На последней стадии, в конце конвейера, в питательном растворе опрыскивающих установок повышают концентрацию фосфора, способствующего закладке цветущих органов и формированию плодов (если это необходимо). Поскольку каждая стадия развития растений соответствует определенному положению лотков на конвейере, то подачу различных питательных растворов осуществляют путем установки поливальных установок с соответствующим раствором на разных позициях вдоль конвейера. Аналогично производится подача и фитогормонов.

Освещение растений производят источником света со спектральным составом, содержащим преимущественно синий и красный спектр излучения. Различными опытами показано, что синий свет способствует разрастанию зеленой массы растения, а красный световой поток необходим для полноценного развития и созревания. Наличие других составляющих спектра излучения определяется особенностями растительной продукции и устанавливается экспериментально. Ультрафиолетовая добавка в световом потоке способствует подавлению вредителей.

Искусственный источник света освещает растения световыми импульсами, которые формируются с помощью блока управления 12, на который воздействуют регулятором частоты импульсов 13 и регулятором длительности темновых фаз 14. Длительность темновой фазы больше, чем продолжительность светового импульса.

В варианте технического решения панель 9 с источником света перемещают с помощью электропривода 16. Возвратно-поступательне движение панели вдоль ярусов конвейера обеспечивается за счет реверса двигателя 16 по сигналам путевых датчиков 18 и 19. При возвратно-поступательном перемещении источника света также обеспечивается импульсный режим освещения растений с повышенной продолжительностью темновых пауз. В этом варианте, за счет того, что панель 9 в крайних положениях замедляет свое движение и затем на короткое время останавливается, лотки 1 будут освещаться неравномерно. Однако в связи с тем, что все лотки проходят через начальный и конечный этапы движения, результирующая (интегральная) освещенность для всех растений будет одинакова. При этом стоимость источника света значительно снижается. Мощность, потребляемая электродвигателем 16 невелика и, по предварительным оценкам, будет составлять не более 100 Вт, поскольку движение источника света происходит практически в режиме холостого хода.

В варианте технического решения скорость движения источника света изменяют в соответствии с видом растения.

В варианте технического решения скорость перемещения конвейера изменяют в соответствии с показателями роста растений. Этот процесс может выполняться по определенной программе или вручную.

После прохождения всего цикла на выходе конвейера с лотков собирают урожай. Для этого на выходе конвейера может быть установлено устройство по съему лотков с конвейера. В освободившийся лоток вновь высаживают растения и ставят его на начало конвейера.

Особенности описанного способа выращивания растений «Зеленая волна» заключаются в следующем. Как известно, во время световой фазы запасание световой энергии у растений в большей части происходит за счет фотоокисления воды (см. кн. Пильщиков Н.В. Физиология растений с основами микробиологии. - М.: Мир, 2004, стр.28-29). При наличии воды, расчлененной в активаторе на наноструктуры, и относительно коротком световом импульсе процесс запасания световой энергии будет происходить значительно быстрее, что способствует лучшему развитию растений и снижению сроков их выращивания. Кроме того, при использовании структурированной воды корневое давление растений снижается, что приводит к тому, что большая часть энергии растения используется для роста и поглощения питательных веществ.

Оптимальный процесс фотосинтеза, фотоморфогинеза, движения устьиц должен осуществляться при спектральном составе, состоящем в основном из красного и синего спектров излучения (см. кн. Пильщиков Н.В. ..., стр.38). В данном предложении этот процесс полностью удовлетворяется. При этом светодиодный источник света соответствует всем требования, необходимым для получения соответствующего спектра излучения. Он не выделяет избыточного тепла, имеет срок службы, в несколько раз превосходящий срок службы известных ламп, и обеспечивает импульсный режим работы, производящий достаточную энергию для фотосинтеза. При этом ФАР будет находиться в области максимального восприятия растениями светового потока.

В результате производство растительной продукции будет действительно напоминать быстро нарастающую зеленую волну, перемещающуюся вдоль конвейера. По предварительным оценкам скорость произрастания, а, если нужно, то и созревания, будет выше, по крайней мере, в два раза, по сравнению с прототипом.

При этом выращивание растений в светоимпульсном режиме освещения может производиться круглосуточно, а потребление электроэнергии сократится в несколько раз.

Таким образом, решается задача по повышению урожайности и снижению сроков созревания земледельческой продукции путем обеспечения более рационального распределения освещения, регулирования спектра, изменения величины освещенности и времени экспозиции по мере роста и созревания растений, а также полива растений водой, обработанной электромагнитным облучением, своевременной подачи питательных растворов и фитогормонов.

Технико-экономические преимущества предлагаемого конвейерного способа выращивания растений «Зеленая волна» заключаются в следующем:

1. Снижены сроки выращивания растительной продукции.

2. Повышены питательные и вкусовые качества продукции, улучшен ее товарный вид.

3. Снижено потребление электроэнергии на единицу продукции.

4. Повышены удельные показатели по объему выращивания растительной продукции с единицы площади теплиц.

Изобретение может быть использовано в теплицах. Способ включает высаживание растений в лотки, освещение их искусственным светом, снабжение растений питательным раствором в процессе перемещения ветвей конвейера и сбор урожая. Освещение растений производят импульсно посредством подвижно и реверсивно перемещающихся вдоль ярусов конвейера светодиодов. Длительность темновой фазы больше, чем продолжительность светового импульса. Спектральный состав содержит преимущественно синий и красный спектр излучения. Частоту включения источника света и длительность темновых фаз изменяют в соответствии с видом растений. Снабжение растений питательным раствором и фитогормонами производят на определенном положении лотков на конвейере с учетом стадии развития растений. Воду для растворов предварительно обрабатывают с помощью электромагнитных облучателей. Скорость движения источника света изменяют в соответствии с видом растения. Перемещение конвейера изменяют в соответствии с показателями роста растений. Предлагаемый способ способствует повышению урожайности и сроков созревания растений, большей эффективности использования источника света и снижению потребления электроэнергии. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Конвейерный способ выращивания растений, включающий высаживание растений в лотки, освещение их искусственным светом, снабжение растений питательным раствором в процессе перемещения ветвей конвейера и сбор урожая, отличающийся тем, что освещение растений производят импульсно посредством подвижно и реверсивно перемещающихся вдоль ярусов конвейера светодиодов с длительностью темновой фазы, большей, чем продолжительность светового импульса, и со спектральным составом, содержащим преимущественно синий и красный спектры излучения, при этом снабжение растений питательным раствором и фитогормонами производят при определенном положении лотков на конвейере с учетом стадии развития растений, а воду для растворов предварительно обрабатывают с помощью электромагнитных облучателей.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту включения источника света и длительность темновых фаз изменяют в соответствии с видом растений.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что скорость движения источника света изменяют в соответствии с видом растения.4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что перемещение конвейера изменяют в соответствии с показателями роста растений.