Комплекс для контролируемого выращивания растений в искусственных условиях Российский патент 2023 года по МПК A01G9/26 A01G31/02 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и биологии и может быть использовано для стимуляции процессов жизнедеятельности растений и обеспечения возможности эффективного использования различных технологий выращивания растений в искусственных условиях, в частности, грунтовой технологии и гидропонической технологии. Изобретение может найти применение в промышленном производстве сельскохозяйственной продукции, в том числе в зонах повышенного загрязнения окружающей среды.

Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленной технологией признаков.

Известно устройство для облучения растений по патенту РФ №2029458, выращиваемых в лотках, установленных на основании теплицы и треугольных рамах вегетационных блоков, содержащее первую секцию источников оптического излучения для размещения над лотками между соседними вегетационными блоками и вторую секцию источников оптического излучения для установки в полости между треугольными рамами каждого вегетационного блока и основанием теплицы, которое характеризуется тем, что источники оптического излучения второй секции выполнены с уменьшением отношения потока энергии в спектральном диапазоне 600-700 нм к общему потоку энергии во всем спектре излучения каждого из источников оптического излучения от 60-80% до 30-40% при увеличении высоты размещения данных источников оптического излучения относительно основания теплицы. Обеспечивается повышение урожайности растений на 15-20%, достигается одновременность их созревания и улучшается качество сельскохозяйственной продукции.

Известно устройство для облучения растений по патенту РФ №2318368, содержащее источник света, установленный с возможностью перемещения по высоте, которое характеризуется тем, что корпус устройства выполнен из жалюзийных экранов, прикрепленных к каркасу конструкции, при этом в двух противоположных по диагонали шарнирных соединениях каркаса установлены биметаллические пластины, воздействующие на систему управления жалюзийными экранами и на управляющее устройство нагревательных элементов, выполненных в форме сетки и прикрепленных к каркасу с внутренней стороны по всему его периметру. Обеспечивается повышение равномерности и эффективности распределения тепловой и световой энергии.

Известна система выращивания растений по патенту US 5597731, состоящая, по меньшей мере, из одной герметичной полупроницаемой мембранной емкости для выращивания в ней растительного материала, включающей, по меньшей мере, одну емкость, включающую первую мембранную часть и вторую мембранную часть, указанная первая мембранная часть, будучи, по крайней мере, проницаемой для газов, но при этом остающаяся непроницаемой для микроорганизмов, по крайней мере, для второй мембранной части, проницаемой для жидкости, при этом оставаясь непроницаемой для микроорганизмов; емкостный опорный лоток для приема по крайней мере одного герметичного, полупроницаемая мембранная емкость, в том числе резервуар для хранения жидкости, приспособленный к содержанию и циркуляции различных жидкостей для контакта с ним, по крайней мере, одного сосуда; средство для резервуара питательной среды для подачи питательной среды в резервуарную камеру судна для ее распространения, по крайней мере, в один герметичный сосуд; клапанообразующее средство для соединения опорного лотка судна со средством резервуара питательных сред и регулирования потока этих питательных сред между ними; и средства центрального управления, сообщающиеся, по крайней мере, с одним из элементов системы для автоматического управления. Данная система включает герметичные сосуды с полупроницаемой мембраной для полного помещения в них растительного материала. Герметичные сосуды обычно полупрозрачны и проницаемы для газов и жидкостей, оставаясь непроницаемыми для биологических загрязнений. Растительную ткань, первоначально извлеченную из родительского растения, можно поместить в герметичные сосуды и выращивать гетеротрофно. Как только растительный материал разовьет способность к фотосинтезу, запечатанные сосуды можно перенести в теплицу для фотоавтотрофного роста. Оказавшись в теплице, герметичные сосуды помещают в лотки и подвергают воздействию света, газов, воды и жидкого питательного раствора для оптимизации роста. Центральный контроллер может быть включен для автоматизации системы управления потоком жидкости в поддонах для поддержки сосудов и из них, а также для мониторинга состояния системы. Дезинфицирующее средство также может циркулировать внутри системы для уничтожения биологических загрязнителей в лотке и вне герметичных сосудов для поддержания асептической среды.

Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа

Недостатками известного технического решения является отсутствие возможности по выращиванию растений в искусственных условиях с использованием двух известных и широко применяемых технологий выращивания растений: грунтовой и гидропонной, а также трудности в обеспечении в подобном комплексе повышения эффективности выращивания растений ввиду отсутствия возможности создания и регулирования в искусственных условиях и в автоматическом режиме основных характеристик природного микроклимата для выращивания растений.

Задачей заявляемого изобретения является создание в комплексе для контролируемого выращивания растений условий для грунтового и гидропонного выращивания растений с обеспечением в автоматическом режима основных характеристик природного микроклимата в искусственных условиях по свету (уровень яркости, цвет, уровень ультрафиолета, уровень ИК-излучения), температуре, уровню влажности и ветру, и напрямую влиять на эффективность урожая, его сроки и качество.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению комплекс для контролируемого выращивания растений в искусственных условиях, содержащий средства для грунтового выращивания растений с системой патрубков для полива растений водой, поступающей из системы водоснабжения и/или поддон для гидропонного выращивания растений, наполненный подготовленным и циркулирующим в замкнутой системе гидропонным составом, снабжен программируемым логическим контроллером, синхронизированным с компьютером, который управляет программируемым логическим контроллером в рамках программной среды, которая обеспечивают ввод в компьютер значений требуемых параметров технологии выращивания растений, а программируемый логический контроллер обеспечивает выполнение заданных команд и достижение требуемых параметров в автоматическом режиме, содержит датчики влажности и температуры, отличающийся тем, что он содержит сборно-разборный каркас, внутри которого установлены средства для грунтового выращивания растений и/или поддон для гидропонного выращивания растений, при этом комплекс разделен на изолированные друг от друга сегменты, которые изолированы от внешней среды, при этом для создания микроклимата в каждом таком сегменте установлен источник искусственного излучения, выполненный со спектральной характеристикой воздействующего на выращиваемые растения излучения в диапазоне длин волн 200-1500 нм, кроме того, в каждом сегменте установлен вентилятор для создания требуемых значений температуры и влажности, вентилятор для имитации естественного ветра, при этом программируемый логический контроллер связан с источником искусственного излучения, вентиляторами и датчиком влажности и температуры и обеспечивает ю автоматическую и/или ручную корректировку характеристик, создаваемых внутри сегментов комплекса воздействующих на выращиваемые растения искусственных условий.

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:

- в качестве программируемого логического контроллера может быть использован контроллер ОВЕН;

- управление программируемым логическим контроллером может быть осуществлено в рамках программной среды OwenLogic;

- в качестве датчика влажности и температуры может быть использован датчик типа ОВЕН ПВТ10.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что заявленный комплекс имеет расширенные возможности по выращиванию растений в искусственных условиях с использованием грунтовой и гидропонной технологии, а также обеспечивает возможность облучения выращиваемых растений с помощью источников искусственного излучения в диапазоне длин волн 200-1500 нм обеспечивает повышение эффективности выращивания растений и плодов путем стимулирования важнейшего для растений процесса фотосинтеза, который максимально эффективно происходит под действием энергии естественного солнечного света. Кроме того, источник искусственного излучения позволяет как регулировать спектральные характеристики микроклимата, так и учувствовать в регуляции теплообмена в каждом изолированном сегменте комплекса за счет инфракрасной части спектра, дающей тепло и поднимающего температуру воздуха. Вентилятор для создания требуемых значений температуры и влажности высвобождает лишнее тепло и влагу из изолированных сегментов комплекса, а вентилятор для имитации естественного ветра обеспечивает оптимальную силу ветра, воздействующего на выращиваемые растения.

Все существенные признаки заявленного комплекса в каждом из альтернативных вариантов технологии выращивания растений в совокупности с общими существенными признаками позволяют повысить эффективность выращивания растений и плодов ввиду возможности в автоматическом или ручном режиме регулировать основные характеристики природного микроклимата в искусственных условиях и напрямую влиять на эффективность урожая, его сроки и качество.

Заявленный комплекс работает следующим образом.

Комплекс разделен на несколько изолированных друг от друга сегментов, которые изолированы от внешней среды. Для создания необходимого микроклимата в каждом таком сегменте установлен источник искусственного излучения, выполненный с возможностью излучения в диапазоне длин волн 200-1500 нм со спектральной характеристикой воздействующего на выращиваемые растения излучения, близкой к спектральной характеристике естественного солнечного света. В каждом сегменте установлен вентилятор для создания требуемых значений температуры и влажности, вентилятор для имитации естественного ветра, а также датчики влажности и температуры. Программируемый логический контроллер комплекса связан с источником искусственного излучения, вентиляторами и датчиком и обеспечивает автоматическую и/или ручную корректировку характеристик создаваемы внутри сегментов комплекса воздействующих на выращиваемые растения искусственных условий.

Для системы грунтового выращивания растений предусмотрены поддоны для размещения емкостей с растениями. Для осуществления капельного полива используется вода, поступающая из общего бака, подключенного к системе общего водоснабжения. К каждой ячейке под емкость для выращивания растений подведены патрубки для капельного полива, гребенка которых подключена к общему баку с водой. Источник искусственного излучения в диапазоне длин волн 200-1500 нм обеспечивает повышение эффективности выращивания растений путем стимулирования важнейшего для растений процесса фотосинтеза. Источник искусственного излучения позволяет как регулировать спектральные характеристики микроклимата, так и учувствовать в регуляции теплообмена в каждом изолированном сегменте комплекса за счет инфракрасной части спектра искусственного излучения, дающего тепло и поднимающего температуру воздуха. Вентилятор для создания требуемых значений температуры и влажности высвобождает лишнее тепло и влагу из изолированных сегментов комплекса, а вентилятор для имитации естественного ветра обеспечивает оптимальную силу ветра, воздействующего на выращиваемые растения. В качестве программируемого логического контроллера использован контроллер ОВЕН, а управление программируемым логическим контроллером осуществлено в рамках программной среды OwenLogic. В качестве датчика влажности и температуры может быть использован датчик типа ОВЕН ПВТ10.

Для системы гидропонного выращивания растений предусмотрено наполнение соответствующего по форме поддона гидропонным составом, для создания которого установлен дополнительный бак, в который наливаются требуемые специальные жидкие высококонцентрированные удобрения. После залива данный концентрат поступает в общий бак с водой, перемешивается в нем и создается необходимый гидропонный состав с соответствующим для разных видов растений концентратом и его концентрацией в гидропонном составе. Время и объем полива регулируется и управляется программируемым логическим контроллером с модулями расширения, позволяющими управлять и контролировать все элементы комплекса одновременно. При этом программируемый логический контроллер синхронизирован с компьютером, который выполняет роль интерфейса и позволяет управлять программируемым логическим контроллером в рамках программной среды. Таким образом, пользователь может вводить в компьютер различные значения (объем полива, время полива, набор воды в бак или время отключения набора воды в бак, составлять расширенные графики работы всей системы), а система будет выполнять заданные команды в автоматическом режиме. В качестве программируемого логического контроллера использован контроллер ОВЕН, а управление программируемым логическим контроллером осуществлено в рамках программной среды OwenLogic. В качестве датчика влажности и температуры может быть использован датчик типа ОВЕН ПВТ10.

За счет регулировки скоростью вентилятора становится возможным удерживать в каждом изолированном сегменте комплекса конкретные температурные и влажностные значения. Вентилятор высвобождает лишнее тепло и влагу из изолированного сегмента/корпуса во внешнюю среду. Для этого в изолированных сегментах комплекса установлены датчики влажности и температуры типа ОВЕН ПВТ10. Требуемый уровень влажности создается при помощи системы растений в комплексе. Вентилятор для имитации естественного ветра посредством регулировки его мощности обеспечивает требуемую силу ветра.

Заявленный комплекс может быть изготовлен промышленным способом с использованием известных, выпускаемых промышленностью источников искусственного излучения. Он искусственно воссоздает условия инсоляции и подпитки выращиваемых растений под комплексным воздействием программно контролируемого искусственного излучения, а также позволяет повысить эффективность выращивания растений и плодов ввиду возможности регулировать основные характеристики природного микроклимата в искусственных условиях, и, как следствие, повысить эффективность урожая, его сроки и качество.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и биологии. Комплекс содержит средства для грунтового выращивания растений с системой патрубков для полива растений водой, поступающей из системы водоснабжения, и/или поддон для гидропонного выращивания растений, наполненный подготовленным и циркулирующим в замкнутой системе гидропонным составом, снабжен программируемым логическим контроллером, синхронизированным с компьютером, который управляет программируемым логическим контроллером в рамках программной среды, которая обеспечивают ввод в компьютер значений требуемых параметров технологии выращивания растений. Программируемый логический контроллер обеспечивает выполнение заданных команд и достижение требуемых параметров в автоматическом режиме, содержит датчики влажности и температуры. Комплекс содержит сборно-разборный каркас, внутри которого установлены средства для грунтового выращивания растений и/или поддон для гидропонного выращивания растений. Комплекс разделен на изолированные друг от друга сегменты, которые изолированы от внешней среды. Для создания микроклимата в каждом таком сегменте установлен источник искусственного излучения, выполненный со спектральной характеристикой воздействующего на выращиваемые растения излучения в диапазоне длин волн 200-1500 нм. В каждом сегменте установлен вентилятор для создания требуемых значений температуры и влажности и вентилятор для имитации естественного ветра. Программируемый логический контроллер связан с источником искусственного излучения, вентиляторами и датчиком влажности и температуры и обеспечивает автоматическую и/или ручную корректировку характеристик, создаваемых внутри сегментов комплекса воздействующих на выращиваемые растения искусственных условий. В качестве программируемого логического контроллера использован контроллер ОВЕН. Управление программируемым логическим контроллером осуществлено в рамках программной среды OwenLogic. В качестве датчика влажности и температуры использован датчик типа ОВЕН ПВТ10. Комплекс обеспечивает расширение функциональных возможностей выращивания растений в искусственных условиях с использованием грунтовой и гидропонной технологии, а также обеспечивает возможность облучения выращиваемых растений с помощью источников искусственного излучения в диапазоне длин волн 200-1500 нм, и повышение эффективности выращивания растений и плодов путем стимулирования процесса фотосинтеза. 3 з.п. ф-лы.

1. Комплекс для контролируемого выращивания растений в искусственных условиях, содержащий средства для грунтового выращивания растений с системой патрубков для полива растений водой, поступающей из системы водоснабжения, и/или поддон для гидропонного выращивания растений, наполненный подготовленным и циркулирующим в замкнутой системе гидропонным составом, снабжен программируемым логическим контроллером, синхронизированным с компьютером, который управляет программируемым логическим контроллером в рамках программной среды, которая обеспечивают ввод в компьютер значений требуемых параметров технологии выращивания растений, а программируемый логический контроллер обеспечивает выполнение заданных команд и достижение требуемых параметров в автоматическом режиме, содержит датчики влажности и температуры, отличающийся тем, что он содержит сборно-разборный каркас, внутри которого установлены средства для грунтового выращивания растений и/или поддон для гидропонного выращивания растений, при этом комплекс разделен на изолированные друг от друга сегменты, которые изолированы от внешней среды, при этом для создания микроклимата в каждом таком сегменте установлен источник искусственного излучения, выполненный со спектральной характеристикой воздействующего на выращиваемые растения излучения в диапазоне длин волн 200-1500 нм, кроме того, в каждом сегменте установлен вентилятор для создания требуемых значений температуры и влажности, вентилятор для имитации естественного ветра, при этом программируемый логический контроллер связан с источником искусственного излучения, вентиляторами и датчиком влажности и температуры и обеспечивает автоматическую и/или ручную корректировку характеристик, создаваемых внутри сегментов комплекса воздействующих на выращиваемые растения искусственных условий.

2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в качестве программируемого логического контроллера использован контроллер ОВЕН.

3. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что управление программируемым логическим контроллером осуществлено в рамках программной среды OwenLogic.

4. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в качестве датчика влажности и температуры использован датчик типа ОВЕН ПВТ10.