СИСТЕМА КУЛЬТИВАЦИИ РАСТЕНИЙ В ПОМЕЩЕНИИ В УСЛОВИЯХ, ИМИТИРУЮЩИХ ЕСТЕСТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ Российский патент 2019 года по МПК A01G31/00 A01G9/20 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к области системы культивирования растений. В частности, изобретение относится к системе беспочвенного культивирования растений в помещении, предназначенной для культивирования растений в питательном растворе.

Предпосылки создания изобретения

Многих людей привлекает жизнь в городских условиях в силу экономического прогресса, который может быть реализован. Города объединяют разнообразные группы людей и компаний таким образом, что повышается производительность и создаются сети, кластеры и случайные взаимодействия, приводящие к открытию новых инноваций и созданию нового предпринимательства. Другие преимущества проживания в городских условиях включают наличие большого количества доступных культурных мероприятий и относительную легкость добраться до места работы.

В то время как 60% населения в настоящее время живет в городах и защищены от внешних условий окружающей среды, пищевые растения подвергаются суровым внешним условиям окружающей среды. Люди думают, что хорошие погодные условия в течение года обеспечат их продовольствием. Однако часто случающиеся быстрая смена климатических условий, крупные наводнения, затяжные засухи, 4-5-балльные ураганы и сильные муссоны каждый год наносят ущерб, уничтожая миллионы тонн ценных сельскохозяйственных культур.

К 2050 году почти 80% населения Земли будет проживать в городских центрах. Применяя самые консервативные оценки к нынешним демографическим тенденциям, население Земли увеличится примерно на 3 миллиарда человек в течение этого периода. По оценкам, потребуется 10,9 млн квадратных км новых территорий (примерно на 20% больше территорий, чем во всей Бразилии), чтобы вырастить достаточное количество продовольствия, способное их прокормить, если сельское хозяйство будут вести традиционным образом, как сегодня. В настоящее время во всем мире используется свыше 80% территорий, пригодных для выращивания сельскохозяйственных культур. Исторически сложилось так, что примерно 15% этих территорий, пригодных для ведения сельского хозяйства, находятся в запустении из-за бесхозяйственности. Действительно, множество территорий находятся в опустошенном состоянии, а это привело к тому, что природные экозоны превратились в полуаридные пустыни.

Традиционная сельскохозяйственная практика выращивания пищевых растений в открытом грунте или в теплицах, расположенных в сельскохозяйственных районах, является проблематичной, с точки зрения ухудшения погодных условий или сельскохозяйственных вредителей, стоимости транспортировки сельскохозяйственных культур в центры распределения продовольствия, экологического ущерба, причиняемого выбросами ископаемого топлива от транспортных средств, которые перевозят сельскохозяйственные культуры и которые используются для осуществления сельскохозяйственных видов деятельности, таких как вспашка, стоимости удобрений и пестицидов, возникновения инфекционных заболеваний, возникающих в связи с сельскохозяйственной деятельностью, и экологического ущерба из-за поверхностных стоков с сельскохозяйственных угодий.

Чтобы обеспечивать питанием растущее население Земли, желательно узнать, как безопасно выращивать продукты питания в многоэтажных сооружениях, которые расположены в черте города, с возможностью управления внешними условиями окружающей среды с целью обеспечения легкодоступного производства продовольственных продуктов, и одновременно решить проблемы, связанные с традиционными методами ведения сельского хозяйства.

Некоторые гидропонные системы, применяемые в помещении, известны из предшествующего уровня техники, при этом емкости для выращивания растений укладывают одна поверх другой, к растениям подводят раствор из воды и питательного вещества для растений, а панели, содержащие искусственные источники света, которые устраняют потребность в естественном солнечном свете и обеспечивают световые циклы различной продолжительности, устанавливают сверху каждой емкости для выращивания растений.

Цветок расцветающего растения с фотопериодизмом чувствителен к изменению длины ночи и поэтому требуют непрерывного периода темноты до начала развития цветка. Однако световые панели для имитации таких световых циклов в предшествующем уровне техники являются дорогостоящими из-за необходимости использования световой панели на каждом уровне емкости для выращивания растений и отдельной системы управления для каждой панели. Кроме того, световые панели являются самонагревающимися, и для удаления генерируемого тепла требуются дорогостоящие системы охлаждения.

Было установлено, что светоизлучающие диоды (светодиоды) являются идеальными источниками света для производства сельскохозяйственных культур в силу их небольшого размера, долговечности, длительного срока службы, специфичности длины волны, относительно холодных излучающих поверхностей и линейного фотонного выхода с электрическим входным током. Работа в Космическом центре НАСА имени Кеннеди была сосредоточена на пропорции голубого света, необходимого для нормального роста растений, а также на оптимальной длине волны красного цвета и на соотношении красного/дальнего красного цветов. Также было рассмотрено добавление длин волн зеленого цвета для улучшения роста растений. [“Plant Productivity in Response to LED Lighting,” G. Massa et al, HortScience, December 2008, vol. 43, no. 7, 1951-1956]

Однако неспособность таких световых систем предшествующего уровня техники обеспечить по существу равное распределение света ограничивает их реализацию для емкостей для выращивания растений больших вертикальных размеров в помещении.

Другим недостатком систем культивирования растений предшествующего уровня техники является безопасность работников во время борьбы с вредителями, когда все пространство для культивирования распыляется пестицидом. Это подразумевает использование большего количества пестицида. Однако некоторые пестициды могут вызывать рак и другие проблемы со здоровьем, а также наносить вред окружающей среде.

Целью настоящего изобретения является создание системы беспочвенного культивирования растений в помещении для устойчивого производства безопасной и разнообразной сельскохозяйственной пищевой продукции.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание системы беспочвенного культивирования растений в помещении с системой освещения, которая поддерживает по существу равное распределение света для облегчения процесса фотосинтеза у растущих в помещении в емкостях для выращивания растений с относительно большими вертикальными размерами.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание системы беспочвенного культивирования растений в помещении, с помощью которой эксплуатационные и капитальные затраты на источники света, используемые для имитации световых циклов, требуемых для расцветающих растений с фотопериодизмом, значительно снижаются, по сравнению с эксплуатационными и капитальными затратами на источники света в предыдущем уровне техники.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание системы беспочвенного культивирования растений в помещении, с помощью которой эксплуатационные и капитальные затраты на системы охлаждения для удаления тепла, генерируемого источниками света, которые имитируют циклический характер естественного солнечного света, значительно снижаются, по сравнению с эксплуатационными и капитальными затратами на системы охлаждения в предыдущем уровне техники.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание системы беспочвенного культивирования растений в помещении, которая экономит значительное количество требуемого для распыления пестицида, уменьшая тем самым вредное воздействие на работников и окружающую среду.

Другие цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными по мере продолжения описания.

Краткое описание изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается система беспочвенного культивирования растений в помещении, содержащая множество стационарных световых опор, каждая из которых приспособлена для освещения предопределенного сектора помещения в соответствии с предопределенной сигнатурой освещения; множество башенок для выращивания растений, которые вращаются вокруг, по существу, вертикальной оси, в соответствии с предопределенной временной последовательностью с тем, чтобы подвергаться воздействию света, генерируемого в любой заданный момент времени одной или более световыми опорами, и которые объединены, по меньшей мере, в один модуль, определяющий затемненную область внутри модуля, внутри которой растения фактически находясь, получают ощущение ночного времени; и ирригационное устройство для снабжения растений, культивируемых в каждой из упомянутых башенок, питательным раствором.

Система дополнительно содержит блок привода для циклического вращения каждой из башенок, чтобы она последовательно подвергалась воздействию условий утреннего освещения, условий полуденного освещения, условий дневного освещения и ночных условий, в соответствии с сигнатурой освещения, испускаемого световыми опорами, по меньшей мере, одного модуля. Блок привода может быть выполнен с возможностью совершения башенкой полного оборота один раз за каждый 24-часовой период времени.

Каждая из башенок в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения выполнена со множеством установочных элементов, с помощью каждого из которых соответствующее растение устанавливается на различных периферийных участках башенки и вынуждено расти наружу от упомянутого периферийного участка, причем группы упомянутых установочных элементов распределены на разных уровнях высоты башенки.

Листья всех растений, выращиваемых на одной из башенок, подвергаются, по существу, равномерному распределению света, испускаемого световыми элементами, установленными рядом с одной из световых опор, в течение заданного имитируемого периода времени, несмотря на разницу в высоте между растениями.

Для достижения по существу равномерного распределения света световые элементы могут быть в значительной степени малыми, поэтому их компактность составляет не менее 40 световых элементов на одну световую опору высотой 50 см, и они установлены на каждой из световых опор таким образом, что только один световой элемент установлен на любой заданной высоте. Сегмент световых элементов имеет предопределенное количество и последовательность световых элементов, объединенных таким образом, что избирательные лучи, испускаемые из световых элементов упомянутого сегмента, смешиваются внутри угла конического распределения с тем, чтобы создать плотность фотосинтетического фотонного потока на периферийном участке башенки, с помощью чего избирательный луч падает, что стимулирует фотосинтез у данного выращиваемого растения. Таким образом, плотность фотосинтетического фотонного потока на другом периферийном участке башенки, освещенном в данный имитируемый период времени, является, по существу, одинаковой.

Предопределенное количество и последовательность световых элементов в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения повторяются вдоль высоты световой опоры для всех других сегментов.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается, чтобы каждый из световых элементов был оснащен линзой с направленным действием, выполненной с возможностью создания угла испускания света, угловые границы которого падают на периферию башенки, вызывая блокировку распространения испускаемого света во внутреннюю область модуля, находящегося между двумя рядом расположенными башенками, в результате его падения на периферию башенки, чтобы тем самым обеспечить затемнение упомянутой внутренней области до уровня излучения, меньшего, чем предопределенный уровень фотосинтетического активного излучения для культивируемого растения.

Преимущество системы культивирования состоит в том, что предлагается, по меньшей мере, следующее:

- Модульная масштабируемая система, которая проста в отгрузке, сборке и обслуживании.

- Систему можно разместить в любом имеющемся здании любой геометрической формы, независимо от его первоначального предназначения.

- Динамическое распределение количества башенок внутри одного и того же помещения или на разных этажах одного и того же помещения для разных сельскохозяйственных культур, в зависимости от сезонного спроса или возможностей.

- Помещение изолировано от условий окружающей среды для обеспечения культивации растений каждый час и каждый день в году, независимо от погодных условий и климата.

- Существенное сокращение цикла роста каждого растения для чрезвычайно быстрого выращивания высококачественной продукции.

- Количество растений, которое можно выращивать при такой системе в данной местности - в 7 раз больше, по сравнению с выращиванием растений традиционным методом гидропоники.

- Работа системы приближается к оптимальной точке при комбинированном использовании света, воздуха, воды, которые являются наиболее важными элементами, способствующими росту растений.

- Выращиваемые растения не будут повреждаться из-за экстремальных метеорологических условий и стихийных бедствий.

- Сельскохозяйственные культуры обладают максимальной пищевой ценностью, превосходным вкусом и свежестью.

- Сокращение времени и стоимости транспортировки в охлажденном состоянии.

- Поскольку система культивирования - беспочвенная, то для выращивания сельскохозяйственных культур требуется на 95% меньше воды, чем для систем предшествующего уровня техники.

- Отсутствие выбросов парниковых газов в атмосферу.

- Простые и относительно недорогие закрытые системы безопасности и наблюдения за периметром, предотвращающие потери от воровства сельскохозяйственной продукции, которые распространены во всем мире.

- Отсутствуют загрязнители почвы.

- Решение проблемы нехватки земли.

- Система воздушного потока, с помощью которой высвобождаемый из растений диоксид углерода транспортируется в дневную область для улучшения процесса фотосинтеза.

- Искусственное опыление.

Настоящее изобретение также относится к системе культивирования растений в помещении, содержащей устройство для выращивания растений, в котором размещено одно или более растений; стационарную световую опору, приспособленную для освещения упомянутого одного или более растений, в соответствии с предопределенной сигнатурой освещения; и ирригационное устройство для подачи питательного раствора к упомянутому одному или более растениям, при этом каждый один или более сегментов световых элементов, установленных на упомянутой световой опоре, имеет предопределенное количество и последовательность световых элементов, объединенных таким образом, что избирательные лучи, испускаемые из световых элементов упомянутого сегмента, смешиваются внутри угла конического распределения, чтобы создать плотность фотосинтетического фотонного потока на периферийном участке упомянутого устройства для выращивания растений, с помощью чего смешанные лучи падают, что стимулирует фотосинтез упомянутого одного или более выращиваемых растений.

Настоящее изобретение также относится к системе искусственного опыления, содержащей опору, на которой установлена воздухоотводная насадка; устройство для выращивания растений, на котором установлено одно или более пыльценосов; датчик для обнаружения фактического нахождения упомянутого одного или более растений; воздухоприемный резервуар для хранения сжатого воздуха; труба, проходящая от упомянутого воздухоприемного резервуара и обменивающаяся жидкостью с упомянутой насадкой; клапан управления, функционально соединенный с упомянутой трубой; и контроллер, обменивающийся данными, полученными от упомянутого датчика и упомянутого клапана управления, при этом упомянутый контроллер управляет открытием упомянутого клапана управления в течение предопределенного времени, когда сигнал, передаваемый упомянутым датчиком, указывает, что, по меньшей мере, одно из упомянутых растений находится на таком расстоянии от упомянутой насадки, которое обеспечивает доступ к высвобождаемой пыльце с тем, чтобы импульсная подача сжатого воздуха при достаточно высоком давлении способствовала высвобождению пыльцы из своего пыльника, и перемещаемая по воздуху упомянутая высвобожденная пыльца, которая должна попасть на карпель того же или расположенного рядом растения, была направлена на упомянутое растение, находящееся на таком расстоянии от насадки, которое обеспечивает доступ к высвобождаемой пыльце.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

- Фигура 1 - вид сверху системы культивирования растений, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;

- Фигура 2 - вид сверху системы культивирования растений, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения;

- Фигуры 3А и 3В - схематический вид сбоку двух световых опор, соответственно, показывающий относительное объединение установленных на них световых элементов;

- Фигура 3С - схематическое изображение угла конического распределения света, который испускается из сегмента светового элемента световой опоры и который падает на периферийный участок башенки;

- Фигура 4 - схематическое изображение в разрезе одного варианта осуществления ирригационного устройства для орошаемых растений, культивируемых методом гидропоники;

- Фигура 5 - схематическое изображение в разрезе одного варианта осуществления ирригационного устройства для орошаемых растений, культивируемых методом аэропоники;

- Фигуры 6А и 6В - схематическое изображение в разрезе другого варианта осуществления ирригационного устройства для орошаемых растений, культивируемых методом аэропоники;

- Фигура 7 - вид спереди изнутри участка наружной стенки башенки, используемой в сочетании с ирригационным устройством, изображенным на Фигуре 1;

- Фигура 8 - схематическое изображение системы рециркуляции для эффективного использования ирригационной жидкости, используемой в сочетании с системой культивирования растений;

- Фигура 9 - схематическое изображение в боковой проекции температуры замкнутой жидкостной системы циркуляции воздуха для регулирования температуры воздуха в непосредственной близости от башенки;

- Фигура 10 - схематическое изображение устройства циркуляции воздуха, используемого в сочетании с системой культивирования растений, способствующей росту растений;

- Фигура 11 - схематическое изображение системы искусственного опыления, используемой в сочетании с системой культивирования растений;

- Фигура 12 - вид в перспективе со стороны конструктивных элементов для использования в сочетании с модулем башенок;

- Фигура 13 - вид в перспективе сверху конструктивных элементов Фигуры 12, изображающий верхнюю раму и расположенный в центре потолочный вентилятор;

- Фигура 14 - увеличенный вид в перспективе со стороны верхней рамы Фигуры 13, изображающий один вариант осуществления блока привода для вращения башенки;

- Фигура 15 - увеличенный вид в перспективе со стороны стенки башенки Фигуры 13, изображающий съемный держатель растения;

- Фигура 16 - вид в перспективе многонаправленной распылительной колонны;

- Фигура 17 - вид сверху модуля башенок, изображающий относительное положение многонаправленной распылительной колонны Фигуры 16; а также

- Фигура 18 - схематическое изображение системы управления, используемой в сочетании с системой культивирования растений для модулирования световой энергии, направленной на растения.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения

Настоящее изобретение представляет собой энергоэффективную, беспочвенную систему культивирования растений в помещении, в которой используется множество стационарных световых опор, каждая из которых освещает предопределенный сектор помещения, в соответствии с предопределенной сигнатурой освещения. Растения, подлежащие культивированию, устанавливают в емкость для выращивания растений, снабженную ирригационным устройством (именуемое в дальнейшем «башенка») большого вертикального размера, аналогичного размеру каждой световой опоры, для эффективного использования размеров помещения, которое может представлять собой заброшенное здание в городской местности или здание в промзоне, предназначенное для использования в системе культивирования растений. Система работает в сочетании с модулем, который включает предопределенное количество башенок таким образом, что каждая башенка модуля вращается с помощью блока привода вокруг вертикальной оси, в соответствии с предопределенной временной последовательностью с тем, чтобы подвергаться воздействию света, генерируемого в любой заданный момент времени одной или более световыми опорами. Внутренняя область модуля не подвергается воздействию света, генерируемого каким-либо из модулей, связанных со световыми опорами, а растения, фактически находящиеся в затемненной внутренней области, получают ощущение ночного времени.

Помещение в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения изолировано от внешних условий окружающей среды, включая условия освещения, влажности и температурные условия, присутствующие снаружи помещения. Система культивирования растений позволяет имитировать оптимальные условия выращивания растений в открытом грунте, которые отличаются от фактических внешних условий окружающей среды, так что листья всех растений, подвергнутых воздействию контролируемой среды, будут подвергаться, по существу, равномерному распределению света в течение заданного имитируемого периода времени, несмотря на разность между ними. Несмотря на то, что растения изолированы от внешних условий окружающей среды, производство фруктов и семенных культур стало возможным благодаря искусственной системе опыления.

На Фигуре 1 схематично изображена система культивирования растений 10 на виде сверху, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Система культивирования растений 10 содержит множество модулей, и для краткости будет описан один из модулей 5.

Модуль 5 включает четыре круглые башенки 2а-d, объединенные в симметричную квадратную конфигурацию. Восемь равномерно распределенных световых опор 6a-h размещены рядом с воображаемым периметром 7 модуля 5, так что световые опоры первого ряда 6a-c расположены рядом с примыкающим служебным проходом 11a, световые опоры третьего ряда 6f-h расположены рядом с примыкающим служебным проходом 11b, который находится напротив служебного прохода 11a, а световые опоры второго ряда 6d-e расположены с двух сторон, соответственно, периметра 7, в соответствии с изображенной ориентацией, и при этом они расположены в промежуточной области модуля 5 и размещены между световыми опорами первого ряда и световыми опорами третьего ряда.

Служебные проходы 11a и 11b, предназначенные для доступа к башенкам для обслуживания, ухода за растением и сбора урожая, могут иметь ширину 70 см. Сбор урожая может осуществляться с помощью ручных тележек, которые могут перемещаться по рельсам. Тележки могут быть оборудованы гидрологическим подъемом, чтобы обеспечить удобный доступ к верхней области башенки. Для использования в период экстремальных холодных погодных условий рельс может быть выполнен в виде группы взаимосвязанных круглых полых труб, через которые проходит теплая вода, чтобы поддерживать тепловыделение, являющееся частью системы управления окружающей средой помещения. Эти трубы могут иметь уникальный механический профиль, например, воронкообразный, для обеспечения равномерного распределения тепла.

Каждая из световых опор может работать непрерывно, чтобы испускать свет в соответствии с предопределенной постспецифической сигнатурой освещения вдоль предопределенного углового сектора S, например, 60 градусов. Установка предопределенного углового сектора может быть получена с помощью линзы с направленным действием 9, снабженной световым элементом, каждый из которых установлен на опоре, и с помощью выбранного расстояния между световым элементом и соответствующей линзой. Каждый световой элемент также имеет заданный диапазон освещенности.

В примерном варианте осуществления размещения световых опор сигнатура освещения опор 6a, 6c, 6f и 6h имитирует условия полуденного освещения в области N. Фактическая сигнатура освещения опор 6b, 6d, 6e и 6g имитирует условия утреннего освещения в области M, а дневного или вечернего освещениям - в области A, с точки зрения интенсивности света и/или длины волны. Затененная внутренняя область D расположена за пределами ограниченного диапазона освещения световых элементов, установленных на каждой из световых опор 6a-h, и поэтому растения, фактически находящиеся в затемненной области D, получают ощущение ночного времени. Расстояние между башенками в затемненной области D может составлять 80 см для башенок с диаметром 60 см.

Каждая из башенок 2а-d имеет установочное приспособление 17, с помощью которого каждое соответствующее растение 19 удерживается на периферии башенки, находясь при этом под воздействием световых опор. Различные растения расположены слоями, так что растения 19 размещаются по всей высоте и окружности башенки для максимального использования объема внутри помещения. Растения 19 также могут быть расположены наклонно, так что им придется расти наружу из башенки, не мешая расположенному рядом растению.

Система культивирования растений по настоящему изобретению способствует выращиванию множества различных видов сельскохозяйственных культур, особенно высококачественных сельскохозяйственных культур, которые не обязательно происходят из местности, на территории которой находится данное помещение, благодаря оптимальной окружающей среды, в которой они выращиваются, включая листовые овощи, такие как салат, цикорий, томат, огурец, чили, перец и шпинат, ягоды, такие как клубник, клюква, черника и малина, а также травы, такие как травы, используемые в качестве пряностей, продуктов питания, в медицине и косметике, например, медицинская марихуана.

Круговая конфигурация башенок позволяет установить шпалеры для ползучих растений, таких как помидоры черри и могильные лозы, вокруг периферии башенки, чтобы с выгодой минимизировать использование площади поверхности модуля. Съемные держатели 211 (Фигура 15) могут быть вставлены в свободные отверстия 208 вокруг периферии башенки, чтобы поддерживать вес сельскохозяйственной культуры, если ожидается, что нагрузка на башенку будет чрезмерной.

Линза с направленным действием 9 может быть выполнена с возможностью создания угла испускания света, угловые границы которого, когда учитывается заданный диаметр башенки и заданное расстояние от световой опоры до башенки, являются тангенциальными, или падают иным образом, по отношению к периферии башенки. Распространение испускаемого света во внутреннюю область модуля 5 блокируется в результате его падения на периферию башенки, чтобы тем самым обеспечить затемнение внутренней области между двумя расположенными рядом башенками до уровня излучения, меньшего, чем предопределенный уровень фотосинтетического активного излучения для культивируемого растения, например, уровень затемнения до 90% или более. Уровню затемнения также способствует постоянный рост листьев или ветвей растений, которые помогают блокировать проникновение света во внутреннюю область.

Вращение каждой из башенок 2а-d с помощью центрального вертикального вала и блока привода позволяет циклическим образом подвергать каждое растение 19 воздействию условий утреннего освещения, условий полуденного освещения, условий дневного освещения и ночных условий, путем выполнения полного оборота вокруг вертикальной оси один раз за каждый 24-часовой период, имитируя, таким образом, ежедневный цикл день/ночь. Блоком привода может быть электродвигатель или гидравлический или пневматический блок привода.

Следует иметь в виду, что башенка не должна вращаться с постоянной скоростью. Если выбранное растение расцветает при воздействии определенных условий освещения, то относительное время пребывания растения в этих оптимальных условиях освещения может быть увеличено.

На Фигуре 2 изображен модуль 25, содержащий три вращающиеся башенки 2а-с, обеспечивающие затемнение внутренней области D, воздействию которой подвергаются установленные растения циклическим образом, как описано выше.

Определение темных затемненных внутренних областей с помощью вышеупомянутых конфигураций модулей обеспечивает преимущество, состоящее в том, что это способствует безопасности работников и других наблюдателей, благодаря размещению многонаправленной распылительной колонны 231, изображенной на Фигурах 16 и 17 в затемненной области D.

Многонаправленная распылительная колонна 231, которая может иметь прямолинейную или криволинейную конфигурацию, имеет множество насадок 234, которые выступают в разных направлениях. Когда пестицид доставляется по трубе 237, например, в соответствии с регулируемым рабочим циклом через подземную трубу, к распылительной колонне 231, из каждой насадки 234 распыляется спрей в направлении каждой из башенок 2а-d. Объем направления и форму распыла каждой насадки 234 тщательно подбирают, чтобы избежать потерь пестицидов в результате ненужного распыления в области R между башенками.

Поскольку башенки 2а-d непрерывно вращаются, все растения будут подвергаться воздействию распыленного пестицида. Однако работники, как правило, располагаются в пределах служебных проходов 11a-b (Фигура 1), которые снаружи отделены от модулей, и поэтому не будут подвергаться воздействию распыленного пестицида. Такая организация распыления повысит безопасность работников и значительно уменьшит или существенно устранит вред, причиняемый окружающей среде, сводя к минимуму выброс вредных пестицидов. Кроме того, количество пестицидов, необходимых для эффективной борьбы с вредителями, будет значительно сокращено.

Несмотря на то, что растения выращивают в беспочвенной среде, и поэтому они не повреждаются вредителями, обитающими в почве, тем не менее, Малые насаждения, которые произрастали за пределами помещения и уже были инфицированы вредителями или бактериями, нуждаются по этой причине в обработке пестицидом, прежде чем их установят в башенке.

На Фигурах 12-15 изображены примерные варианты осуществления структурных особенностей для использования с помощью системы культивирования растений.

Как изображено на Фигуре 12, вертикальный вал каждой из четырех башенок 2а-d модуля 5 установлен с возможностью вращения сверху на соответствующей подставке или опоре, предусмотренной в верхней квадратной или прямоугольной раме 191 и снизу на соответствующей подставке или опоре, предусмотренной на нижнем стержне 197. Верхняя рама 191 может быть встроена в участок крыши или потолка 189 или может открываться внутрь и располагаться ниже участка крыши или потолка 189.

Восемь стационарных световых опор 6a-h прикреплены к верхней раме 191 и находятся в фиксированном контакте с простирающейся внизу нижней поверхностью, световые опоры 6a, 6c, 6f и 6b проходят вниз от соответствующего угла верхней рамы, а остальные световые опоры, соединенные с соответствующим поперечным элементом 194, проходят снаружи от центральной области бокового элемента верхней рамы. Таким образом, каждая из световых опор расположена на относительно коротком и определенном расстоянии от периферии башенки, например, минимальное расстояние между световой опорой и периферией башенки - 30 см, хотя это расстояние обычно уменьшается из-за присутствия растущих листьев. Пока башенка вращается, фактическое расстояние от растения до световой опоры изменяется. Четыре нижних стержня 197 проходят изнутри от нижнего участка каждой из световых опор, простирающихся под соответствующим углом верхней рамы 191, и соединены вместе.

Открытое пространство в центре верхней рамы 191 облегчает размещение потолочного вентилятора 162 (Фигура 13), назначение которого будет описано в данном документе ниже. Потолочный вентилятор 162 может быть подвешен с помощью ангара, прикрепленного к вышележащей потолочной области, таким образом, чтобы он располагался в центре открытого пространства, независимо от того, находится ли он над или под высотой верхней рамы 191. В другом варианте осуществления настоящего изобретения решетка 164 вентилятора 162 может быть соединена с двумя или более боковым элементам 193 верхней рамы 191.

Каждая башенка 2a-d может быть выполнена с одним или более входными люками 199, которые закрывают соответствующее открытое пространство, сформированное на периферии башенки. Люки 199 позволяют обслуживающим работникам получать доступ к полому сердечнику башенки, чтобы чистить или ремонтировать периферию башенки и ирригационные элементы, например, для сбора урожая. Полый сердечник также способствует росту растений с клубнями и луковицами большого размера.

Как изображено на Фигуре 13, каждая башенка может быть выполнена с многоугольной периферией, которая является, по существу, круглой, так что каждая вертикально идущая и плоская стенка 192 определяет стенку многоугольника. Множество вертикально размещенных посадочных отверстий 208, с помощью которых растение установлено на башенке, сформировано внутри каждой стенки 192. Если растение имеет размер, который несовместим с открытым пространством посадочного отверстия 208, то держатель 211, изображенный на Фигуре 15, например, выполненный в виде колена трубы, изготовленный из формованной резины или пластмассы, может быть вставлен с возможностью съема в одно из посадочных отверстий для обеспечения надежной установки растений разного размера.

Например, в башенке, выполненной с высотой 240 см и диаметром 57 см, было сформировано 11 посадочных отверстий 208 в каждой стенке 192, при этом каждое посадочное отверстие было размещено на расстоянии 20 см от центра к центру от расположенного рядом посадочного отверстия на той же самой стенке.

Стенки 192 могут быть изготовлены из непрозрачного или черного материала для оптимального поглощения света. Во внутренней поверхности стенки 192 могут быть предусмотрены желобчатые дренажные канавки, например, вертикально проходящие, благодаря чему ирригационная жидкость направляется к корням растений, в результате чего обеспечивается ее максимальное использование.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения блок привода изображен на Фигурах 13 и 14. Зубчатое колесо 196 прикреплено к верхней поверхности 197 каждой из башенок, чтобы находиться в коаксиальном положении по отношению к ним. Продольная ось зубчатого колеса 196 установлена с возможностью вращения на соответствующем узле 200 между боковым элементом верхней рамы 193 и поперечным элементом 194 для облегчения вращения башенки.

Концевой зажим 201 по существу горизонтально расположенного возвратно-поступательного поршневого штока в сборе 202, который может быть с гидравлическим приводом, пневматическим приводом или с электроприводом, соединен, например, поворотно соединен, с кронштейном 207, проходящим вниз от бокового элемента 193. Поршневый шток в сборе 202 имеет раздвоенную головку 206, которая приспособлена принимать в свою внутреннюю область зубец 198, радиально проходящего от периферии зубчатого колеса 196, когда поршневой шток удлиняется, и прикладывать усилие к боковому краю зубца 198, заставляя зубчатое колесо 196 и башенку, соединенную с ним, повернуться вокруг своей вертикально ориентированной продольной оси на дискретный угол, в зависимости от предопределенного хода

поршневого штока. Затем поршневой шток перемещается назад в ожидании начала следующей операции вращения.

Чтобы обеспечить по существу однородное распределение света, испускаемого продолговатыми световыми опорами, на вертикально расположенные растения, которые могут располагаться вдоль общей башенки с большой разницей в высоте до 3 метров или более, световые элементы плотно установлены на каждой световой опоре, например, 50 световых элементов установлены на расстоянии 50 см таким образом, что только один световой элемент установлен на любой заданной высоте. Число и последовательность световых элементов можно точно определить для того, чтобы генерировать световую сигнатуру для конкретных растений, что будет оптимизировать рост растений.

На Фигурах 3А и 3В схематично изображена примерная последовательность световых элементов, которые изображены в увеличенном размере для наглядности и установлены на световых опорах 6а и 6b для генерирования сигнатуры освещения, которая имитирует условия освещения в течение полуденного времени и условий пониженной интенсивности света, соответственно. Световые элементы, которые расположены вертикально и вертикально ориентированы, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения представляют собой светодиодные элементы, хотя другие световые элементы также входят в объем настоящего изобретения. Каждая световая опора в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения является трубчатой, чтобы максимально рассеивать тепло, происходящее от постоянно работающих световых элементов. Если это необходимо, световые элементы могут работать в соответствии с выбранным рабочим циклом или временной последовательностью, чтобы генерировать желательную форму волны.

Изображены световые элементы для испускания следующих пяти цветов: синий (В) с длиной волны 4 40-4 60 нм для использования, в основном, в полуденных условиях, зеленый (G) с длиной волны 505-530 нм, красный (R) с длиной волны 620-650 нм для использования, в основном, в утренних/дневных условиях, темно-красный (DR) с длиной волны 650-680 нм и холодный белый (CW) при цветовой температуре или температуре абсолютно черного тела, которое излучает свет сопоставимого оттенка 5000° К. Эти цвета были выбраны, поскольку они составляют основные спектральные составляющие солнечного света, необходимые растениям, хотя другие цвета также входят в объем настоящего изобретения.

Последовательность световых элементов тщательно подбирается таким образом, чтобы генерировать желательную световую сигнатуру для конкретных растений в результате взаимодействия световых лучей, испускаемых расположенными рядом световыми элементами, и распределения вертикальной длины волны по всей длине световой опоры. Световая сигнатура, сгенерированная двумя расположенными рядом световыми опорами, также доступна для взаимодействия.

Сегмент 31 световых элементов 33, имеющий высоту J, изображен на Фигуре 3С. Сегмент 31 включает предопределенное количество вертикально расположенных световых элементов 33, например, 30 элементов. Каждый световой элемент 33 сегмента 31 испускает соответствующий луч, который падает на периферийный участок 27 башенки 2, которая расположена на расстоянии K от световой опоры 6. В пределах конического угла распределения 36 света, испускаемого из сегмента 31, который ограничен равными сторонами L, задавая тем самым равнобедренный треугольник в поперечном сечении, избирательные лучи, испускаемые из каждого светового элемента 33, смешиваются для создания плотности фотосинтетического фотонного потока (PPFD) на периферийном участке 27, что оптимально стимулирует фотосинтез у данного выращиваемого растения. Аналогичным образом, PPFD на любом другом периферийном участке 2 7 или на любом листе культивируемого растения, которое приспособлено для поглощения испускаемого света, включенного в конический угол 36, по существу одинаков. Последовательность световых элементов сегмента 31 повторяется вдоль высоты световой опоры 6 у всех других сегментов, например, у сегмента 32, расположенного рядом с сегментом 31. Таким образом, такое расположение световых элементов способствует равномерному распределению света между всеми растениями, выращиваемыми по всей высоте башни 2.

Условия утреннего и дневного освещения могут быть имитированы, например, путем генерирования следующего процента относительной световой энергии, соответствующей спектральным составляющим света, испускаемого из сегмента светового элемента: (1) темно-синий с длиной волны, приблизительно, 450 нм, 12%, (2) красный с длиной волны, приблизительно, 660 нм, 62%, (3) инфракрасный с длиной волны, приблизительно, 730 нм, 7% и (4) белый с цветовой температурой 4000° К, 19%. Растения, как правило, подвергаются воздействию этих условий утреннего и дневного освещения в течение двух четвертей 24-часового периода.

Условия полуденного освещения могут быть имитированы, например, путем генерирования следующего процента относительной световой энергии, соответствующей спектральным составляющим света, испускаемого из сегмента светового элемента: (1) темно-синий с длиной волны, приблизительно, 450 нм, 34%, (2) красный с длиной волны, приблизительно, 660 нм, 31%, (3) инфракрасный с длиной волны, приблизительно, 730 нм, 7% и (4) белый с цветовой температурой 4000° К, 28%. Растения, как правило, подвергаются воздействию этих условий полуденного освещения в течение одной четверти 24-часового периода.

Трубчатая конфигурация световых опор также может быть использована для обеспечения циркуляции ирригационной жидкости через их внутреннюю область. Ирригационная жидкость, протекающая через герметичную внутреннюю область световой опоры, охлаждает непрерывно работающие световые элементы и, в свою очередь, нагревается до индуктивной температуры роста растения, приблизительно, 30°C. Нагретая ирригационная жидкость, в свою очередь, направляется к растениям, способствуя их росту. Поэтому обычно неиспользуемый источник энергии тепла, отдаваемого источниками света, используется для улучшения роста растений.

На Фигуре 4 изображен один вариант осуществления ирригационного устройства 30 для полива растений, которые культивируются методом гидропоники. Холодная ирригационная жидкость 34а впрыскивается во внутреннюю область 37 световой опоры 6 и постепенно нагревается по мере того, как она поднимается во внутренней области световой опоры. Теплая ирригационная жидкость 34b выливается из верхней части световой опоры через эмиттер 39 в резервуар 46, расположенный на верхнем участке башенки 2, например, со скоростью 1 л/мин.

Каждое культивируемое растение 19 содержится в корзине 41, которая позволяет корням подвергаться воздействию ирригационной жидкости. Корзина 41, в свою очередь, установлена в соответствующем наклонном полом держателе 43, например, в цилиндрическом, который прикреплен к вертикальной наружной стенке 45 башенки 2 или интегрирован в нее, что позволяет каждому растению 19 расти подходящим образом при воздействии света, испускаемого элементами 9.

Соответствующая труба 49 проходит вниз, например, под уклоном, от резервуара 46 до держателя 43 или от первого держателя до второго держателя, находящегося ниже там же, для введения ирригационной жидкости в каждый держатель. Поскольку каждый держатель 43 расположен под уклоном относительно вертикальной стенки 45, то масса 52 вводимой ирригационной жидкости собирается на дне держателя на высоте, подходящей для погружения в нее корней растения 19 для обеспечения растения питательными веществами, а затем сливается каскадом в держатель, находящийся ниже там же. Использованная слитая жидкость в конечном итоге стекает в резервуар 54, находящийся в нижней части башенки 2. Каждая труба 49 может быть полуциркулярной, чтобы имитировать окисление внутри сливаемой каскадом ирригационной жидкости, подвергаемой воздействию окружающего воздуха.

Поток, выходящий из нижнего резервуара 54, протекает через водозаборную колонну 56 к вторичному водосборному резервуару 58, а затем к основному водосборному резервуару 59 под действием силы тяжести, в который добавляется пресная вода через впускное отверстие 61. Смесительный резервуар 63 принимает поток из основного водосборного резервуара 59. Добавки, такие как азот, фосфор, калий и другие необходимые питательные вещества, обычно находящиеся в почве, добавляются в оптимальных концентрациях и в правильном соотношении. Аэрационный насос 67 доставляет полученную ирригационную жидкость 34 во входное отверстие внутренней области световой опоры 37.

Звуковой эмиттер 51, например, громкоговоритель, может быть установлен на наружной стенке световой опоры 6 для генерации акустических сигналов, которые могут способствовать росту растений.

Ирригационное устройство 70, изображенное на Фигуре 5, может быть использовано для полива растений 19, которые культивируются аэропоническим методом. Ирригационная жидкость вводится из смесительного резервуара 63 в трубу 72, сформированную во внутренней области вертикального вала 74, посредством которого поворачивается башенка 2. Смешивание ирригационной жидкости аналогично смешиванию, упомянутому в описании Фигуры 4. Множество вертикально расположенных распылителей 76, установленных на вертикальном валу 74 и обменивающихся жидкостью с трубой 72, распыляют влагу 79, направленную к корням 81 растений 19 для обеспечения обильного снабжения кислородом. Каждое культивируемое растение 19 содержится в корзине 41, которая расположена в апертуре, сформированной в вертикальной стенке 45 башенки 2, и устанавливается под наклоном с помощью соответствующего наклонного кронштейна 77, что позволяет корням 81 подвергаться воздействию ирригационной жидкости.

Примерное расположение апертур 89, сформированных в наружной стенке 45 башенки, изображено на Фигурах 6А и 6В.

В это же время вращение вала 74 в соответствии с предопределенной временной последовательностью приводит к тому, что растения 19 подвергаются воздействию света, генерируемого в любой заданный момент времени одним или более световыми опорами 6. Внутренняя область каждой световой опоры охлаждается впрыскиваемой холодной водой 84a, которая постепенно нагревается по мере того, как она поднимается. Нагретая вода 84b выпускается через верхнюю панель 83 башенки 2 и собирается в нижнем резервуаре 54.

На Фигуре 7 изображена конструкция наружной стенки 95 башенки для выращивания растений, благодаря которой значительно экономится потребление воды. Наружная стенка 95 сформирована со множеством узких пазов 91, каждый из которых в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения углублен для того, чтобы получать жидкость, выпускаемую из распылителя, которая воздействовала на наружную стенку и обычно стекала бы в нижний резервуар башенки без орошения растения. Каждый паз 91 проходит, например, от верхнего края 92 наружной стенки 95 к периферии апертуры 89, в которой установлена корзина для выращивания растений, тем самым обеспечивая дополнительный источник орошения в дополнение к распыленной воде. Паз 91 не обязательно должен быть прямым, каким он изображен, он вполне может быть изогнутым, или он может иметь любую другую желаемую форму или расположение.

На Фигуре 8 схематично изображена система рециркуляции с открытым контуром 110 для эффективного использования ирригационной жидкости. В системе 110 корни 81 растений 19, содержащиеся во внутренней области башенки, орошаются аэропоническим методом с помощью ирригационной жидкости, которая доставляется питательным насосом высокого давления 115 через центральную вертикальную трубу 72 башенки 2 и к вертикально размещенным распылителям 76 для создания среды из распыленной воды.

Ирригационную жидкость подают в питательный насос 115 из второй смесительной камеры 121, в которую доставляется как выпускаемое содержимое из первой смесительной камеры 117, так и выпускаемое содержимое озонатора 126, причем последний служит для впрыска окисляющего агента в форме O₂ или O₃ в ирригационную жидкость с целью дезинфекции водных организмов и обогащения, тем самым, жидкости. В первой смесительной камере 117 смешиваются пресная вода, протекающая через клапан 106, например, клапан управления, и выпускаемое содержимое дозирующего насоса 124, например, перистальтического дозирующего насоса, который доставляет предопределенное количество питательных веществ, таких как азот, фосфор, калий и кислота, необходимых для культивирования конкретного вида сельскохозяйственной культуры.

Контроллер 135 обменивается данными с питательным насосом 115, дозирующим насосом 124 и озонатором 126 для регулирования проводимости и рН ирригационного раствора и доставки его в распылители 76 в предопределенные моменты. Озонатор 126, как правило, запускают в работу незадолго до активации питательного насоса 115 с тем, чтобы обеспечить подходящее оксигенирование ирригационной жидкости. Контроллер 135 может также обмениваться данными с системой кондиционирования воздуха 137 и локальным осушителем 139 для поддержания предопределенного качества воздуха, включая желательную степень влажности, вблизи каждой башенки 2.

Излишняя ирригационная жидкость, не потребленная корнями растений 81, собирается в резервуаре 101 в нижней части башенки 2. Конденсатный насос, управляемый контроллером 135 в предопределенный момент, доставляет собранную ирригационную жидкость посредством трубы 146 в резервуар-хранилище для использованной жидкости 142, который также принимает конденсат, доставляемый из осушителя 139, посредством трубы 147. Рециркуляционный насос, обмениваясь данными с контроллером 135, доставляет повторно используемую жидкость в первую смесительную камеру 117 посредством трубы 148 и клапана 138, которым может являться клапан управления, управляемый контроллером 135.

В дополнение к системе кондиционирования воздуха 137 и осушителю 139 (Фигура 8) температуру воздуха вблизи каждой башенки можно контролировать с помощью замкнутой системы циркуляции жидкости 155, изображенной на Фигуре 9. Насос 151 доставляет охлаждающую жидкость вверх через внутреннюю область световой опоры 6, чтобы она постепенно нагревалась, в то время как постоянно работающие световые элементы, установленные на световой опоре, охлаждаются. Нагретая ирригационная жидкость, выпускаемая из верхней части внутренней области световой опоры, находится под давлением насоса 153 и, следовательно, протекает с достаточно высокой скоростью через жидкостно-воздушный теплообменник, например, радиатор, чтобы заставить нагреться окружающий воздух 159. Затем жидкость, истратившую тепло, вводят в насос 151. Повышение температуры окружающего воздуха 159 может контролироваться пропускной способностью циркулирующей жидкости.

На Фигуре 10 изображена схема циркуляции воздуха, которая способствует ускорению роста растений. Потолочный вентилятор 162 установлен таким образом, что он располагается по центру внутри и сверху затемненной внутренней области D модуля 5. Поскольку растения 19 выделяют диоксид углерода во время дыхания ночью, то затемненная внутренняя область D характеризуется повышенной концентрацией диоксида углерода относительно других областей модуля. Во время работы потолочного вентилятора 162 диоксид углерода, выделяемый растениями, или воздух, насыщенный диоксидом углерода, выделяемым растениями, подвергается всасыванию потолочным вентилятором 162 и, соответственно, переносится в наружные полуденные области N модуля 5, или в другом варианте осуществления настоящего изобретения, в утренние или дневные области. Растения 19 требуют значительного количества диоксида углерода для проведения фотосинтеза. Благодаря возможности направлять обычно неиспользуемый источник диоксида углерода, выделяемого растениями, в дневную область, преимущество по настоящему изобретению состоит в том, что растения 19 могут увеличивать темпы роста, при этом они производят большее количество сахаров и углеводов в процессе фотосинтеза в результате поглощения соответствующего повышенного количества диоксида углерода. Потолочный вентилятор 162 может быть дезактивирован, когда он перекрывает область, которая в данный момент находится в условиях дневного освещения.

Процесс фотосинтеза сопровождается потерей воды в результате испарения из устьиц или микроскопических отверстий в листьях растения, через которые проходят поступающие и выходящие газы, такие как диоксид углерода, кислород и водяной пар. Транспортировка диоксида углерода, выделяемого растениями, в дневную область, приводящего к усилению фотосинтеза, способствует тем самым еще большей скорости испарения воды, заставляя растение в ответ на поглощение соответственно повышенного количества воды через его корни поддерживать оптимальный водный баланс. Растение можно также заставить поглощать повышенное количество воды через его корни с помощью осушителя с управлением 139 (Фигура 8) для поддержания относительно низкого уровня влажности в пространстве для выращивания растений, окружающем башенку, по сравнению с высоким уровнем влажности в сердцевине башенки.

Приток воды через корни растения является главной движущей силой для перемещения минералов из корней и транспортировки сахаров, полученных в процессе фотосинтеза, по всему растению. Растения растут в оптимальной беспочвенной среде при контролируемой температуре и влажности, и потребляют очень небольшое количество воды, по сравнению с растениями, культивируемыми в открытом грунте. Поскольку корням не приходится тратить энергию растения на проникновение в почву в поисках воды и питательных веществ, то неиспользованная энергия может быть использована метаболическими процессами растения для других целей. Например, фрукты, как правило, - слаще, в то время как листовые овощи достигают хрустящей текстуры листьев, поскольку растение использует неиспользованную энергию для производства большего количества минералов.

Специалистам в данной области техники будет очевидно, что диоксид углерода, выделяемый растениями, также может транспортироваться через каналы, например, соединенные с верхней рамой 191 (Фигура 13), в дневную область.

Температура транспортируемого диоксида углерода, а также свежего воздуха, если желательно смешивание с ним, может контролироваться системой кондиционирования воздуха 137, которая управляется контроллером 135.

В другом варианте осуществления устройство по настоящему изобретению может использоваться в сочетании с системой искусственного опыления 170, изображенной на Фигуре 11.

Световая опора 176 несет множество вертикально размещенных насадок для отвода воздуха 173, которые получают импульсную подачу сжатого воздуха параллельно от воздухоприемного резервуара 177. Воздухоприемный резервуар 177 для хранения сжатого воздуха, в свою очередь, обменивается жидкостью с компрессором 174, расположенным в области с низкой влажностью и, возможно, расположенным на полу помещения. Компрессор 174 активируется, когда давление внутри резервуара 177 меньше предопределенного низкого значения и дезактивируется, когда давление внутри резервуара 177 превышает предопределенное высокое значение. Труба 172, находящаяся с наружной стороны по отношению к световой опоре 176, проходит от резервуара 177 и обменивается жидкостью с каждой насадкой 173, а клапан управления 179 может быть функционально соединен с трубой 172, расположенной рядом с выпускным портом резервуара 177. Каждая насадка 173 может иметь расширяющееся выпускное отверстие для направления выпущенного сжатого воздуха в коническую структуру, чтобы обеспечить попадание сжатого воздуха в тычинку растения 19, например, клубники, для того, чтобы вызвать высвобождение пыльцы 182 из ее пыльника и перенести по воздуху пыльцу 182 на карпель того же или расположенного рядом растения.

Система искусственного опыления 170, конечно, способна вызывать высвобождение пыльцы из пыльника растения только тогда, когда пыльценос надежно расположен в непосредственной близости от насадки 173 на практически одинаковой высоте. Повторное и надежное вращательное перемещение башенки 2 вокруг ее продольной оси 184 можно осуществить с помощью шагового двигателя 187, который выполнен с возможностью вращения башенки 2 с шагом приращения с предопределенной дискретностью в ответ на командный импульс, полученный схемой запуска. Выравнивания растения с соответствующей насадкой 173 можно достичь, зная угловое смещение каждого шага, диаметра башенки и количество растений, которые установлены вокруг окружности башенки.

Эффективность системы искусственного опыления 170 может быть усилена регулируемым изменением локальной влажности. Поэтому контроллер 135 работает для выполнения пятиэтапного процесса: (1) этапа работы осушителя с управлением 139 для значительного снижения локальной влажности вблизи башенки 2, например, до уровня 20% для клубники, для снижения адгезионных свойств пыльцы, чтобы тем самым способствовать высвобождению пыльника, несущего пыльцу, из тычиночной нити, (2) этапа приема информации от схемы запуска двигателя 187, сообщающей о том, когда или сколько шагов выполнено, до тех пор, пока данное растение 19 не будет размещено на таком расстоянии от насадки 173, которое обеспечивает доступ к высвобождаемой пыльце, (3) этапа управления открытием клапана управления 179 в течение предопределенного времени с тем, чтобы сжатый воздух был направлен на данное растение, (4) этапа работы осушителя с управлением 139 для значительного увеличения уровня локальной влажности вблизи башенки 2 после высвобождения пыльника, например, до уровня 50% для клубники, чтобы обеспечить жизнеспособность пыльцы и адгезионных свойства рыльца, на которое должна попасть пыльца, и (5) этапа закрытия клапана управления 179 в конце цикла опыления.

Длительность открывания клапана управления может регулироваться контроллером 135 в ответ на фактическое давление воздуха в воздухоприемном резервуаре 177, чтобы обеспечить достаточно высокий расход воздуха, вызывающий высвобождение пыльцы из ее пыльника. Например, каждая насадка 173 может быть размещена на расстоянии 30 см от периферии башенки, а давление воздуха, когда он выходит из насадки, составляет, примерно, 6 бар, независимо от количества насадок.

На Фигуре 18 изображен другой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором свет, испускаемый растениями, модулируется.

Несколько исследований, проведенных доктором T.С. Сингхом (T.C. Singh), руководителем отделения ботаники в Университете Аннамалай, Индия и другими, подтвердили, что музыка влияет на рост растений. Растения ощущают вибрацию генерируемых звуковых волн и ускоряют протоплазматическое движение в клетках, чтобы стимулировать производство большего количества питательных веществ, в результате чего растение станет более сильным и качественным [http://hubpages.com/living/the-effect-of-music-on-plant-growth, обновлено 12 ноября 2015 г., 10/03/2016].

Система управления 240 направляет модулированную световую энергию на растения, чтобы стимулировать улучшение метаболических процессов, аналогично реакции растения на модулированные акустические волны. Модулированная световая энергия генерируется модулем цифровой обработки сигналов (ЦОС) 245, выполненным с наличием подходящей передаточной функции, который может быть размещен на контроллере 135 (Фигура 10) или на любом другом подходящем аппаратном компоненте. В ответ на вход аудиофайла 241, переданного плеером 242, модуль ЦОС 245 передает аудиосигнал на дискретные частотные компоненты, а затем эти частотные компоненты последовательно передаются на компоненты модулированного напряжения и компоненты модулированного светового сигнала для генерации соответствующего светового сигнала. Модуль ЦОС 245 также управляет интенсивностью света светового сигнала, в зависимости от области дневного света, в которой в настоящий момент находятся растения, и фильтрует световой сигнал. Выходной световой сигнал передается на программируемый источник питания 247 светодиодов 249, установленных на световой опоре, для генерации желательного модулированного светового луча 251.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения всем посадочным отверстиям, сформированным в стенках башенки, присвоен уникальный идентификатор, который хранится в базе данных системы. Следующая информация, относящаяся к выращиванию каждого растения, связана с идентификатором и также хранится в базе данных: время посадки, протокол параметров выращивания, географическое местоположение в любой заданный момент времени и время сбора урожая. Точная геолокация каждого растения в реальном времени является важной информацией для служебного прохода, поскольку она облегчает использование робототехники для сбора урожая растений.

Хотя некоторые варианты осуществления настоящего изобретения были описаны с помощью изображений, специалистам в данной области техники будет очевидно, что изобретение может быть выполнено со многими модификациями, изменениями и адаптациями, а также с использованием многочисленных эквивалентных или альтернативных решений, которые входят в сферу деятельности специалистов в данной области техники, без превышения объема формулы настоящего изобретения.

Группа изобретений относится к области гидропоники и растениеводства. Система содержит: a) множество стационарных световых опор, каждая из которых приспособлена к освещению предопределенного сектора помещения, в соответствии с предопределенной сигнатурой освещения, при этом сигнатура освещения одной или более световых опор имитирует условия полуденного света, утреннего или дневного света; b) множество башенок для выращивания растений, которые подвергаются воздействию света, генерируемого в любой момент времени, и которые объединены, по меньшей мере, в один модуль, определяющий затемненную внутреннюю область модуля, с помощью которой растения получают ощущение ночного времени; c) множество световых элементов, установленных на каждой из световых опор, при этом каждый из световых элементов оснащен линзой с направленным действием, выполненной с возможностью создания угла испускания света, угловые границы которого падают на периферию одной или двух башенок, вызывая блокировку распространения испускаемого света во внутреннюю область модуля, находящегося между двумя рядом расположенными башенками, в результате его падения на периферию башенки, d) блок привода, выполненный с возможностью циклического поворота каждой из башенок вокруг вертикальной оси с полным оборотом башенки один раз в каждый 24-часовой период с тем, чтобы последовательно подвергаться воздействию условий утреннего света, полуденного света, дневного света и ночного света, в соответствии с сигнатурой освещения, испускаемого световыми опорами, по меньшей мере, одного модуля; а также e) ирригационное устройство для снабжения растений, культивируемых на каждой из башенок, питательным раствором. Система культивирования растений в помещении содержит: a) устройство для выращивания растений; b) стационарную световую опору; c) ирригационное устройство, при этом каждый сегмент световых элементов имеет световые элементы, расположенные таким образом, что избирательные лучи смешиваются внутри угла конического распределения для создания плотности фотосинтетического фотонного потока на периферийном участке устройства, благодаря чему смешанный луч падает так, что стимулирует фотосинтез у растений, при этом световые элементы на световой опоре, являются модулированными для стимуляции улучшения метаболических процессов растений. Система искусственного опыления содержит: a) световую опору, на которой установлена насадка для выпуска воздуха; b) поворачивающуюся башенку для выращивания растений, на которой установлен один или более пыльценосов; c) датчик для обнаружения фактического положения растений; d) воздухоприемный резервуар для хранения сжатого воздуха; e) трубу, проходящую от воздухоприемного резервуара и обменивающуюся жидкостью с насадкой; f) клапан управления, функционально соединенный с трубой; g) блок для регулирования локальной влажности воздуха вблизи башенки для выращивания растений; а также h) контроллер, обменивающийся данными с датчиком, клапаном управления и блоком, контроллер обеспечивает: i. отдачу команды блоку для снижения локальной влажности до уровня достаточного снижения адгезионных свойств пыльцы; ii. отдачу команды открыть клапан управления, когда сигнал, передаваемый датчиком, указывает, что одно из растений находится на таком расстоянии от насадки, которое обеспечивает доступ к высвобождаемой пыльце, с тем чтобы импульсная подача сжатого воздуха способствовала высвобождению пыльцы из своего пыльника и чтобы перемещаемая по воздуху пыльца, которая должна попасть на карпель того же или расположенного рядом растения, была направлена на растение; iii. отдачу команды блоку повысить уровень локальной влажности после высвобождения пыльцы; закрытие клапана управления в конце цикла опыления. Изобретения обеспечивают устойчивое производство безопасной сельскохозяйственной продукции. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Система беспочвенного культивирования растений в помещении для имитирования условий выращивания растений в открытом грунте, содержащая:

a) множество стационарных световых опор, каждая из которых приспособлена к освещению предопределенного сектора помещения, в соответствии с предопределенной сигнатурой освещения, при этом сигнатура освещения одной или более упомянутых световых опор имитирует условия полуденного света, и сигнатура освещения одной или более упомянутых световых опор имитирует условия утреннего или дневного света;

b) множество башенок для выращивания растений, которые подвергаются воздействию света, генерируемого в любой данный момент времени одной или более световыми опорами, и которые объединены, по меньшей мере, в один модуль, определяющий затемненную внутреннюю область модуля, с помощью которой фактически находящиеся растения получают ощущение ночного времени;

c) множество световых элементов, установленных на каждой из упомянутых световых опор, при этом каждый из упомянутых световых элементов оснащен линзой с направленным действием, выполненной с возможностью создания угла испускания света, угловые границы которого падают на периферию одной или двух башенок, вызывая блокировку распространения испускаемого света во внутреннюю область модуля, находящегося между двумя рядом расположенными башенками, в результате его падения на периферию башенки, чтобы тем самым обеспечить затемнение упомянутой внутренней области до уровня излучения, меньшего, чем предопределенный уровень фотосинтетического активного излучения для культивируемого растения;

d) блок привода, выполненный с возможностью циклического поворота каждой из упомянутых башенок вокруг, по существу, вертикальной оси с полным оборотом башенки один раз в каждый 24-часовой период с тем, чтобы последовательно подвергаться воздействию условий утреннего света, условий полуденного света, условий дневного света и условий ночного света, в соответствии с сигнатурой освещения, испускаемого световыми опорами, по меньшей мере, одного модуля; а также

e) ирригационное устройство для снабжения растений, культивируемых на каждой из упомянутых башенок, питательным раствором.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что каждая из башенок выполнена со множеством установочных элементов, с помощью каждого из которых соответствующее растение устанавливается на другом периферийном участке башенки и вынуждено расти наружу от упомянутого периферийного участка, причем группы упомянутых установочных элементов распложены на разных уровнях высоты башенки.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что листья всех растений, выращиваемых на одной из башенок, подвергаются, по существу, равномерному распределению света, испускаемого из световых элементов, установленных на одной из световых опор, расположенной рядом, в течение заданного времени имитирования, несмотря на разницу в высоте между растениями.

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что плотность световых элементов составляет не менее 40 световых элементов в пределах высоты световой опоры 50 см, и они установлены на каждой из световых опор таким образом, что только один световой элемент устанавливается на любой заданной высоте.

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что сегмент световых элементов имеет предопределенное количество и последовательность световых элементов, объединенных таким образом, что избирательные лучи, испускаемые из световых элементов упомянутого сегмента, смешиваются внутри утла конического распределения с тем, чтобы создать плотность фотосинтетического фотонного потока на периферийном участке башенки, с помощью которого смешанный луч падает, что стимулирует фотосинтез у данного выращиваемого растения.

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что плотность фотосинтетического фотонного потока на другом периферийном участке башенки, освещенном в данный имитируемый период времени, по существу, одинакова.

7. Система по п. 5, отличающаяся тем, что предопределенное количество и последовательность световых элементов повторяются вдоль высоты световой опоры для всех других сегментов.

8. Система по п. 1, дополнительно содержащая дозировочный насос для доставки предопределенного количества питательных веществ, необходимых для культивируемого растения, и контроллер, обменивающийся данными с упомянутым дозировочным насосом, который работает для регулирования проводимости и рН ирригационного раствора, доставляемого в ирригационное устройство в предопределенные моменты времени.

9. Система по п. 8, отличающаяся тем, что помещение изолировано от внешних условий, существующих снаружи помещения.

10. Система по п. 9, дополнительно содержащая систему искусственного опыления для облегчения производства фруктовых и семенных культур в помещении.

11. Система по п. 10, отличающаяся тем, что система искусственного опыления содержит множество вертикально размещенных насадок для выпуска воздуха, имеющихся на каждой из световых опор, импульсный источник сжатого воздуха, получаемого параллельно расположенными упомянутыми насадками из воздухоприемного резервуара, служащего для принуждения высвобождения пыльцы из пыльника растений, фактически находящихся вблизи упомянутых насадок.

12. Система по п. 11, отличающаяся тем, что система искусственного опыления дополнительно содержит трубу, расположенную с наружной стороны по отношению к световой опоре, которая проходит от резервуара с воздухом и обменивается жидкостью с каждой из насадок, и клапан управления, функционально связанный с упомянутой трубой и обменивающийся данными с контроллером, с помощью которого регулируется давление сжатого воздуха.

13. Система по п. 12, отличающаяся тем, что система искусственного опыления дополнительно содержит блок для управления локальной влажностью воздуха вблизи каждой башенки модуля, при этом функции контроллера заключаются в:

a) отдаче команды упомянутому блоку снизить локальную влажность до уровня, обеспечивающего достаточное снижение адгезионных свойств пыльцы, чтобы способствовать высвобождению пыльцы;

b) получении информации от источника данных, связанного с блоком привода, относительно того, когда данное растение будет размещено на таком расстоянии от насадки, которое обеспечивает доступ к высвобождаемой пыльце;

c) отдаче команды открыть клапан управления в течение предопределенного времени, с тем, чтобы сжатый воздух был направлен на упомянутое растение;

d) отдаче команды упомянутому блоку повысить уровень локальной влажности после высвобождения пыльцы с тем, чтобы обеспечить жизнеспособность пыльцы; а также

e) закрытии клапана управления в конце цикла опыления.

14. Система по п. 13, отличающаяся тем, что блок представляет собой кондиционер и осушитель.

15. Система по п. 1, дополнительно содержащая потолочный вентилятор, расположенный по центру внутри и сверху затемненной внутренней области модуля, для выведения во время его работы диоксида углерода, высвобождаемого растениями, в наружную область модуля, которая характеризуется условиями утреннего освещения, условиями полуденного освещения или условиями дневного освещения с тем, чтобы вызвать увеличение темпов роста растений в результате поглощения соответствующего увеличенного количества диоксида углерода.

16. Система по п. 1, дополнительно содержащая систему рециркуляции с открытым контуром для повторного использования излишней ирригационной жидкости, не потребленной корнями растений.

17. Система по п. 1, отличающаяся тем, что световые элементы, установленные на каждой из световых опор, непрерывно работают и охлаждаются посредством охлаждающей жидкости, вводимой через внутреннюю область световой опоры.

18. Система по п. 17, отличающаяся тем, что охлаждающая жидкость представляет собой ирригационную жидкость.

19. Система по п. 1, отличающаяся тем, что световые элементы, установленные на каждой из световых опор, являются модулированными для стимуляции улучшения метаболических процессов растений.

20. Система по п. 1, дополнительно содержащая в затемненной внутренней области многонаправленную колонну для распыления пестицидов, подаваемых трубой для доставки пестицидов, причем упомянутая распылительная колонна имеет множество насадок, выступающих в разных направлениях, и которые направлены на одну или более башенок, и которые приспособлены для распыления предопределенного количества пестицидов.

21. Система культивирования растений в помещении, содержащая:

a) устройство для выращивания растений, на котором установлено одно или более растений;

b) стационарную световую опору, приспособленную для освещения упомянутого одного или более растений, в соответствии с предопределенной сигнатурой освещения; а также

c) ирригационное устройство для снабжения упомянутого одного или более растений питательным раствором,

при этом каждый один или более сегментов световых элементов, установленных на упомянутой световой опоре, имеет предопределенное количество и последовательность световых элементов, расположенных таким образом, что избирательные лучи, испускаемые из световых элементов упомянутого сегмента, смешиваются внутри угла конического распределения для создания плотности фотосинтетического фотонного потока на периферийном участке упомянутого устройства для выращивания растений, благодаря чему смешанный луч падает, что стимулирует фотосинтез у упомянутого одного или более выращиваемых растений,

при этом световые элементы, установленные на упомянутой световой опоре, являются модулированными для стимуляции улучшения метаболических процессов растений.

22. Система искусственного опыления, содержащая:

a) световую опору, на которой установлена насадка для выпуска воздуха;

b) поворачивающуюся башенку для выращивания растений, на которой установлено один или более пыльценосов;

c) датчик для обнаружения фактического положения упомянутого одного или более растений;

d) воздухоприемный резервуар для хранения сжатого воздуха;

e) трубу, проходящую от упомянутого воздухоприемного резервуара и обменивающуюся жидкостью с упомянутой насадкой;

f) клапан управления, функционально соединенный с упомянутой трубой;

g) блок для регулирования локальной влажности воздуха вблизи указанной башенки для выращивания растений; а также

h) контроллер, обменивающийся данными с упомянутым датчиком, упомянутым клапаном управления и упомянутым блоком,

при этом функции упомянутого контроллера заключаются в:

i. отдаче команды упомянутому блоку для снижения локальной влажности до уровня, обеспечивающего достаточное снижение адгезионных свойств пыльцы, чтобы способствовать высвобождению пыльцы;

ii. отдаче команды открыть упомянутый клапан управления в течение предопределенного времени, когда сигнал, передаваемый упомянутым датчиком, указывает, что, по меньшей мере, одно из упомянутых растений находится на таком расстоянии от указанной насадки, которое обеспечивает доступ к высвобождаемой пыльце, с тем, чтобы импульсная подача сжатого воздуха при достаточно высоком давлении способствовала высвобождению пыльцы из своего пыльника, и чтобы перемещаемая по воздуху упомянутая высвобожденная пыльца, которая должна попасть на карпель того же или расположенного рядом растения, была направлена на упомянутое растение, находящееся на таком расстоянии от насадки, которое обеспечивает доступ к высвобождаемой пыльце;

iii. отдаче команды упомянутому блоку повысить уровень локальной влажности после высвобождения пыльцы с тем, чтобы обеспечить жизнеспособность пыльцы; а также

закрытии клапана управления в конце цикла опыления.