ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ СИСТЕМА ГРЯДОК ДЛЯ РАСТЕНИЕВОДСТВА, ПОЗВОЛЯЮЩАЯ ОПТИМИЗИРОВАТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2024 года по МПК A01G9/28 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области растениеводства и может быть использовано при выращивании плодоовощных культур и других растений. В первую очередь, предназначено для средней полосы России, где недостает тепла, особенно тепла земли (грядок). Именно недостаток прогрева почвы в этой местности после длительного зимнего промерзания может являться основным негативным фактором для развития растений и получения больших урожаев. На снижение значения этого фактора и возможное его устранение путем высокоэффективного использования солнечной энергии, получение более ранних и обильных урожаев направлено данное изобретение. Использование предлагаемой системы в южных областях также имеет большое значение, так как позволяет создать благоприятные условия для растений на раннем этапе жизни, то есть весной, что существенно улучшает их развитие и урожай. Хотя в южных районах летом солнечного тепла обычно достаточно, урожай сильно зависит от прогрева почвы в момент их посадки и начале вегетации.

Уровень техники.

Из уровня техники известно техническое решение, являющееся наиболее близким к заявляемому техническому решению, по патенту РФ на изобретение №2780742, Бондарев О.В. (RU), A01G 9/00, опубл. 30.09.2022, в котором представлено описание системы наклонных грядок для выращивания растений, содержащей грядки, имеющие угол наклона до 40 градусов на юг, между грядками находятся горизонтальные проходы, отличающаяся тем, что грядки выполнены увеличивающимися с юга на север по высоте, грядки и проходы имеют общие разделяющие их вертикальные стенки, укрепленные бортами, имеющими высоту, рассчитываемую по

формуле:

Hi=hi+tgα×Bi, где

i - номер грядки с юга,

Hi- - высота северной стенки грядки,

hi - высота южной стенки грядки,

Bi - ширина грядки,

α - выбранный угол наклона грядок к солнцу,

при этом стенки проходов, расположенных между соседними грядками, имеют одинаковую высоту.

Общими признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются: система наклонных грядок для выращивания растений, содержащая грядки, имеющие угол наклона грунта до 40 градусов на юг, между грядками находятся горизонтальные проходы, грядки и проходы имеют общие разделяющие их вертикальные стенки, укрепленные оградой (бортами), при этом высота северной вертикальной стенки грядки рассчитывается по формуле:

H_i=h_i+tgα×B_i, где

i - номер грядки с юга,

H_i - высота северной стенки грядки,

h_i - высота южной стенки грядки,

B_i - ширина грядки,

α - выбранный угол наклона грядок к солнцу.

Техническая проблема, которая не могла быть решена при использовании наиболее близкого аналога изобретения, заключается в том, что для получения более раннего урожая и его повышения путем достижения необходимого уровня инсоляции грядок (за счет увеличения угла наклона к югу грядок системы) требуется значительное увеличение высоты наклонных грядок системы, связанных с этим денежных и трудовых затрат, а также с ростом неудобств вплоть до невозможности обслуживания северных грядок системы. Кроме того, в полной мере не достигнуто оптимально эффективное использование солнечной энергии для роста урожая.

Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является создание энергоэффективной системы грядок для растениеводства, позволяющей оптимизировать использование солнечной энергии (далее система грядок), обеспечивающей возможность увеличения уровня инсоляции грядок и более эффективного использования энергии солнца в целях получения более раннего и обильного урожая при сохранении удобства обслуживания грядок, снижении материало- и трудозатрат на их формирование, что достигается выполнением системы наклонных грядок для выращивания растений, содержащей грядки, имеющие угол наклона грунта до 40 градусов на юг, между грядками находятся горизонтальные проходы, грядки и проходы имеют общие разделяющие их вертикальные стенки, укрепленные оградой, при этом высота северной вертикальной стенки грядки рассчитывается по формуле:

H_i=h_i+tgα×B_i, где

i - номер грядки с юга,

H_i - высота северной стенки грядки,

hi - высота южной стенки грядки,

B_i - ширина грядки,

α - выбранный угол наклона грунта грядок к солнцу, при этом, высота hi южной боковой стенки каждой более северной грядки системы меньше, чем высота Hi-1 северной стенки более южной грядки, и рассчитывается в соответствии с математической формулой в зависимости от величины угла наклона солнечных лучей, при исключении затенения как верхней, так и южной боковой поверхности грядок на заданную глубину:

hi=Hi-1-Шп×tgβ₁+z, где

hi - высота южной стенки грядки,

Hi-1 - высота северной стенки более южной грядки,

Шп - выбранная ширина проходов для расчетов геометрии системы,

β₁ - угол наклона лучей солнца, по которому определяется геометрия системы наклонных грядок, принятой базовой,

z - заданная глубина, на которую исключается затенение южной боковой поверхности любой грядки системы; грядки имеют в поперечном сечении профиль верхней поверхности, выполненный в виде двухсторонних «зубцов» в количестве одного или более одного на одной грядке, расположенных на основании, находящемся на отрезке, соединяющем в поперечном направлении разновысотные стенки грядки высотой Hi и hi в их верхних точках, при этом, передняя сторона двухстороннего «зубца», обращенная к солнцу, находится под углом к основанию этого «зубца», дополнительно увеличивающим угол наклона грядки на требуемую величину к горизонту, задняя сторона двухстороннего «зубца» находится под углом к горизонту, имеющем выборную величину, определяемую углом наклона солнечных лучей к горизонту, при этом, величина угла наклона грунта передней стороны двухстороннего «зубца» к линии угла наклона солнечных лучей при подготовке грядок к посадочным, посевным работам приближается к 90°; ограда грядок выполнена из энергоемкого материала, накапливающего тепло днем и отдающего его грунту ночью.

Оптимизация использования солнечной энергии в предлагаемой системе, помимо использования грядок, имеющих наклон на юг, имитирующих естественный южный склон, достигается с помощью: использования в этой системе высоких грядок с оптимальными для прогрева грунта параметрами (шириной и высотой); предварительного прогрева грунта, начиная со времени схода снега, путем обеспечения отсутствия затенения не только верхней, но и боковой поверхности грядок на заданную глубину (высоту) для прогрева плодородного слоя сбоку; обеспечения (в целях достижения максимального количества солнечной энергии, попадающей на единицу площади грунта верхних поверхностей грядок, и ускорения их дальнейшего прогрева) при подготовке грядок к посадочным (посевным) работам угла наклона грунта в 90° (или близкого к нему) к линии угла наклона лучей солнца на этот момент при формировании на них двухсторонних «зубцов» из грунта; оснащения грядок оградой из энергоемкого материала, например, кирпича, бетона, камней, гранита, которая выполняет роль аккумулятора солнечного тепла, накапливающего тепло днем и отдающего это тепло грунту ночью, поддерживая требуемую температуру почвы и защищая грядки от возможных ночных заморозков.

Снижение высоты грядок системы, которая может оставаться оптимально удобной для их обслуживания, сокращение материало- и трудозатрат на формирование грядок в предлагаемой системе достигается тем, что высота южной боковой стенки каждой более северной грядки системы меньше, чем высота северной стенки более южной грядки и определяется на основании значения угла падения солнечных лучей к горизонту и по высоте северной боковой стенки более южной грядки.

Краткое описание чертежей.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен вид системы наклонных грядок наиболее близкого аналога изобретения в сравнении с предлагаемой системой грядок сбоку в разрезе, на фиг. 2 представлен укрупненный вид элемента предлагаемой системы грядок сбоку в разрезе, на фиг. 3 представлен укрупненный вид элемента предлагаемой системы грядок сбоку в разрезе с оградой грядок из энергоемкого материала, которая выполняет роль аккумулятора солнечного тепла.

Позициями на фигурах обозначены:

1, 2, 3, 4, 5 - грядки,

6 - горизонтальные проходы,

7 - система наклонных грядок наиболее близкого аналога изобретения с углом наклона 20° на юг,

8 - система наклонных грядок с углом наклона 20° на юг (базовая система наклонных грядок для предлагаемой системы грядок),

9 - предлагаемая системы грядок,

10 - лучи солнца,

11 - двухсторонние «зубцы» из грунта,

12 - отрезок, соединяющий в поперечном направлении разновысотные стенки грядки высотой Hi и hi в их верхних точках,

13 - сторона двухстороннего «зубца», обращенная к солнцу (передняя часть «зубцов», передняя сторона «зубцов»),

14 - задняя сторона двухстороннего «зубца» (задняя часть «зубцов», задняя сторона «зубцов»),

15. - южные стенки грядок, укрепленные стенками ограды, 16 - северные стенки грядок, укрепленные стенками ограды. Углы:

α - угол, наклона как наклонных грядок, так и передней стороны двухсторонних «зубцов» относительно горизонтальной линии (выбранный угол наклона грунта к солнцу).

α₁ - угол а наклона грядок базовой системы наклонных грядок, в представленном примере равный 20°,

α₂ - угол α наклона передней стороны двухсторонних «зубцов»,

β - угол наклона лучей солнца относительно горизонтальной линии,

β₁ - угол β, по которому определяется геометрия базовой системы наклонных грядок предлагаемой системы, в представленном примере равный 35°,

β₂ - угол β, по которому определяется геометрия двухсторонних «зубцов» предлагаемой системы, в первую очередь их передней стороны, например, на момент подготовки грядок к>посадочным (посевным) работам), в представленном примере равный 55°,

λ - дополнительный угол, увеличивающий величину угла α при выполнении двухстороннего «зубца» (λ=α₂-α₁),

τ - угол между линией выбранного угла наклона лучей солнца β₂ и поверхностью передней стороны двухсторонних «зубцов».

Осуществление изобретения.

Показанная на фиг. 1 в сравнении с системой наиболее близкого аналога изобретения, энергоэффективная система грядок, позволяющая оптимизировать использование солнечной энергии, базирующаяся на так называемой базовой системе наклонных грядок с углом наклона на юг α₁, содержит грядки 1, 2, 3, 4, 5 и более (фиг. 1), между грядками находятся горизонтальные проходы 6. Каждая грядка имеет южную и северную вертикальные стенки 15, 16, имеющие высоту, рассчитываемую по формуле. Такая грядка, шириной Bi (где i - номер грядки) имеет южную стенку высотой hi и северную стенку высотой Hi, которая рассчитывается с помощью математической формулы Hi=hi+tgα₁×Bi (формула 1), где i - номер грядки, Hi - высота северной стенки грядки, hi - высота южной стенки грядки, Bi - ширина грядки, α₁ - выбранный угол наклона грядок к солнцу. Для более эффективного и быстрого прогрева объема грунта каждой грядки весной ширина грядки Bi энергоэффективной системы должна быть ограничена и не превышать 120 см. (при возможности ее удобного обслуживания из двух прилегающих к ней по длине проходов 6), а ее минимальная высота hi, по возможности, должна быть сопоставима с глубиной плодородного слоя почвы в 20-30 см (быть равной этой глубине или составлять ее существенную часть) для лучшего его прогрева, особенно с боковых сторон, но не менее 10-15 см. Причем, чем больше зависящая от ширины и высоты грядок площадь соприкосновения промерзшей, после длительной зимы, почвы, и теплого весеннего воздуха, тем быстрее и эффективнее прогревается почва. Этому активно способствует и то, что при этом увеличивается площадь поверхности земли, на которую падают солнечные лучи в течение дня и лучше ее прогревают, чем при падении лучей на более ровную, ее горизонтальную, поверхность (без сформированных по предложенному способу грядок), когда земля прогревается не эффективно, по всему ее «монолитному» промерзшему объему. Известно, что с верхней поверхности «высоких» грядок быстрее сходит снег и они лучше прогреваются весной, причем тем быстрее и эффективнее, чем уже грядка. Однако уменьшение ширины грядки может быть ограничено практическим опытом пользователя, его целями и пожеланиями. Например, огородники имеют большой опыт использования узких грядок шириной 40-60 см, особенно широко используемых в качестве пристенных грядок в теплицах дачных и приусадебных хозяйств с обслуживанием их из одного прилегающего к ней по длине прохода. Существует мировой опыт использования грядок такой ширины и при возможности их обслуживания с обеих боковых сторон, а не только в качестве пристенных. В этом случае в дополнение к эффективному и быстрому прогреву объема грунта грядки весной добавляется сокращение затенения растений друг другом при их развитии (росте) в дальнейшем, а также улучшается их проветривание. На такой грядке с указанной шириной можно посадить огурцы или помидоры в один ряд, а некоторое увеличение этой ширины, скажем до 80 см, позволит дополнительно уместить на ней, например, более мелкие культуры. При этом считается, что на грядке шириной 60 см, величина которой часто определяется обычно используемыми для посадки разных культур расстояниями, можно разместить один, два или три продольных рядка в зависимости от вида культуры. Таким образом, исходя из эффективности солнечного прогрева почвы, имеющейся практики и удобства обслуживания грядок, наиболее оптимальными для приусадебных и дачных хозяйств могут быть грядки шириной 40-80 см, преимущественно до 60 см, и высотой не менее 10-15 см. Снижение высоты грядок предлагаемой системы по сравнению с наиболее близким аналогом изобретения (при сохранении уровня их инсоляции), которая может оставаться оптимально удобной для их обслуживания, сокращение материало- и трудозатрат на формирование грядок, в предлагаемой системе достигается тем, что, в отличие от прототипа, высота hi южной боковой стенки каждой более северной грядки системы меньше, чем высота Hi-1 северной стенки более южной грядки. В предлагаемой системе hi определяется на основании значения угла β падения солнечных лучей к горизонту, а именно угла β₁, по которому определяется конфигурация (геометрия) базовой системы наклонных грядок предлагаемой системы, например, на момент схода снега в конкретной местности и начала прогрева почвы, и по высоте Hi-1 северной боковой стенки более южной грядки, при условии, что i не равно единице. Таким образом, угол β для определения конфигурации базовой системы грядок предлагаемой системы может выбираться в зависимости от географической широты местности. Например, угол β₁ может быть выбран равным 35°, что соответствует углу наклона лучей в начале марта в средней полосе РФ (при сходе снега и начале возможного прогрева почвы на возвышенностях (высоких грядках). При этом каждая грядка не должна затенять не только верхней поверхности более северной грядки, но и ее южную боковую поверхность на заданную глубину (высоту) z, по возможности на глубину в 20-30 см плодородного слоя почвы или ее существенную часть, но не менее чем на 10-15 см. В более поздние месяцы, включая летние, отсутствие такого затенения будет тем более достижимо, так как солнце будет располагаться выше и угол наклона лучей станет больше. На фиг. 1 представлен вид предлагаемой системы грядок сбоку в разрезе, у которой базовая система 8 наклонных грядок имеет α₁ - угол наклона грядок равный 20° при угле наклона лучей солнца β₁, по которому определяется конфигурация (геометрия) этой базовой системы, равном 35°, а на фиг. 2 представлен укрупненный вид элемента (фрагмента) этого варианта предлагаемой системы грядок сбоку в разрезе. В этом примере ширина грядок Bi принята 60 см, выбранная ширина Ш_п горизонтальных проходов 6 составляет 60 см, а высота южной стороны самой южной грядки h₁ выбрана 30 см. Область затенения грядки 2 грядкой 1 (см. фиг 2) находится ниже линии солнечного луча, проходящего через самую высокую, северную точку (линию) D наклонной грядки 1 базовой системы 8, расположенную на высоте H₁. При затенении плоскости, соответствующей южной стенке грядки 2 (фиг. 2), грядкой 1 (когда упомянутая линия солнечного луча на момент времени, по которому определяется геометрия базовой системы, пересекает в точке (линии) К на высоте у₂ вертикальную плоскость, являющейся продолжением южной стенки грядки 2), чтобы грядка 1 не затеняла как верхнюю поверхность расположенной севернее грядки 2, так и ее южную боковую поверхность на заданную глубину (высоту) z, высота h₂ южной стенки грядки 2 должна рассчитываться (см. фиг. 2) в соответствии с математической формулой 2: h₂=у₂+z, где величина высоты у₂, на которую грядка 1 затеняет южную боковую поверхность грядки 2, определяется по математической формуле 3: у₂=L₂×tgβ₁, в которой величина L₂ вычисляется в соответствии с математической формулой 4: L₂=H₁/tgβ₁-Шп, что следует из равенства: tgβ₁=H₁/(L₂+Шп), где β₁ - угол наклона лучей солнца, в данном примере равный 35°, H₁ - высота северной стенки грядки 1, Шп - выбранная ширина горизонтальных проходов 6. В общем случае, для каждой грядки системы с номером i высота hi южной стенки с учетом формул 2, 3 и 4 (при условии, что i не равно единице) определяется по математической формуле 5: hi=Hi-1-Шп×tgβ₁+z, где z - заданная глубина (высота), на которую не должна затеняться южная боковая поверхность любой грядки системы.

Высота южной стенки hi (см. фиг. 2) при полном отсутствии затенения грядки с номером i более южной грядкой (i-1) может выбираться произвольным способом, но так, чтобы она была по возможности близка к глубине плодородного слоя почвы в 20-30 см. (для его прогрева сбоку) или ее существенной части, но не менее 10-15 см. В этом случае линия солнечного луча, проходящего через самую высокую, северную точку (линию) D (см. фиг 2) грядки с номером (i-1), в момент времени, по которому определяется геометрия базовой системы наклонных грядок предлагаемой системы, падает на дно прохода 6 системы, например в точке Т (см. фиг 2), и грядка под номером i полностью открыта солнцу. В более поздние месяцы, включая летние, отсутствие затенения будет обеспечено, так как солнце будет располагаться выше и угол наклона лучей станет больше.

В системе грядок наиболее близкого аналога высота северной стенки любой грядки равна высоте южной стенки следующей за ней грядки (на юг), что определяется математической зависимостью hi=Hi-1 при условии, что i не равно единице. Согласно формуле 5 снижение высоты южной стенки каждой грядки предлагаемой системы по сравнению с прототипом составит Δhi=Шп×tgβ₁-z (формула 6), где Шп - выбранная ширина проходов 6, z - заданная глубина (высота), на которую не должна затеняться южная боковая поверхность любой грядки системы, β₁ - угол наклона лучей солнца, в данном примере равный 35°, то есть высота северной стенки каждого межгрядочного прохода 6 предлагаемой системы, в отличие от прототипа, ниже южной стенки на (Шп×tgβ₁-z), что соответствует снижению высоты стенок (разнице в высоте южной и северной стенки) в каждом проходе 6 предлагаемой системы. В случае наличия в системе грядок в количестве N_гр, число N_п межгрядочных проходов будет равно (N_гр-1) или N_п=N_гр-1. Тогда общее (суммарное) снижение высоты грядок системы, в количестве N_гр, по сравнению с наиболее близким аналогом с таким же количеством грядок, составит ΣΔhi=N_п×(Шп×tgβ₁-z), где N_п - число проходов (формула 7), что определяет уменьшение высоты грядок всей системы и расходов на их формирование.

В системе наиболее близкого аналога, где высота южной и северной стенок межгрядочных проходов равна, для примера, имеющей пять грядок (N_гр=5) с одинаковой шириной Bi и одним углом наклона грядок к солнцу α₁, в соответствии с формулой 1, высота северной стенки грядки под номером пять Н₅ будет определяться по формуле 8: H₅=h₁+N_гр(tgα₁×Bi). Для представленного примера, когда высота южной стороны самой южной грядки h₁=30 см, N_гр=5, α₁=20°, а Bi=60 см, высота северной стенки пятой грядки Н₅ прототипа будет достигать значительной высоты в 139 см, что может быть затруднительно (не удобно) и даже невозможно для использования. В предлагаемой системе, для того же примера с аналогичными данными, высота северной стенки грядки Н₅, в соответствии с формулами 7 и 8, определяемая по формуле 9: Н₅=h₁+N_гр(tgα₁×Bi)-N_п×(Шп×tgβ₁-z), где N_п=N_гp-1 равно 4, Шп=60 см, β₁=35°, а z принята равной 30 см, высота северной стенки грядки Н₅, будет равна 91 см, что может быть приемлемо и удобно для самой высокой (северной) стороны наиболее высокой грядки системы. Таким образом, использование предлагаемой системы грядок в данном примере позволяет уменьшить северную высоту системы грядок на существенную величину в 48 см, т.е. на 35% по сравнению с наиболее близким аналогом изобретения при обеспечении глубины (высоты) z в 30 см, соответствующей глубине плодородного слоя, на которую в данном случае не будет затеняться (исключается затенение) южная боковая поверхность любой грядки системы для бокового прогрева ее плодородного слоя почвы. Для отдельных грядок и в целом для системы это проиллюстрировано на фиг. 1, где под цифрой 7 штриховой линией показана система наклонных грядок наиболее близкого аналога изобретения, а под цифрой 8 - сплошной линией - базовая система наклонных грядок для предлагаемой системы грядок.

Значение высоты северной стенки системы, в данном случае самой высокой и северной стенки грядки 5, имеет большое значение, т.к. от этого параметра зависит объем земляных работ при формировании грядок и степень удобства при обслуживании грядок. Поэтому максимальная высота самой северной грядки ограничивается оптимальным значением, при котором сохраняются удобные условия ее обслуживания, и которая зависит от величины выбранных значений: угла наклона грядок, высоты южной стороны самой южной грядки, ширины грядок и межгрядочных проходов, а также их количества. При этом существует возможность расчета параметров по приведенным математическим формулам, как отдельных грядок, так и всей системы в целом, содержащей грядки в количестве двух и более штук.

Для эффективного использования энергии солнца в целях предварительного прогрева грунта и получения более раннего, обильного, качественного урожая очень важно обеспечение отсутствия затенения боковой поверхности грядок с солнечной стороны на заданную глубину (высоту), начиная с момента времени, по которому определяется геометрия базовой системы наклонных грядок предлагаемой системы, например с начала марта в средней полосе России (при начале схода снега и возможного прогрева почвы на высоких грядках), до момента начала подготовки грядок к посадочным (посевным) работам после зимнего перерыва, например в конце апреля - начале мая, и далее. Это имеет большое значение, еще и потому, что грядки предлагаемой системы, ориентированы по длине по направлению восток-запад и имеют протяженную боковую поверхность, обращенную на юг, на которую падают солнечные лучи основную часть светового дня. Для более эффективного и быстрого солнечного прогрева объема грунта требуется обеспечение максимального количества солнечной энергии, попадающей на единицу площади грунта верхних поверхностей грядок системы путем доведения угла наклона грунта до 90° (или близкого к нему) к линии угла наклона лучей солнца. Это достигается при использовании двухсторонних «зубцов» из грунта, формируемых на грядках базовой системы наклонных грядок на момент, по которому определяется их геометрия, при отсутствии необходимости увеличения высоты боковых стенок грядок (и увеличения затрат), составляющих основную часть площади ограждения грядок системы. При этом, передняя сторона двухстороннего «зубца», обращенная к солнцу, находится под углом к основанию этого «зубца», дополнительно увеличивающим угол наклона грунта на требуемую величину к горизонту, вплоть до того, что передняя поверхность «зубцов», обращенная к солнцу, может, на момент, по которому определяется геометрия двухсторонних «зубцов», располагаться под углом 90° (или близким к нему) к линии лучей солнца, когда обеспечивается максимальное количество солнечной энергии, попадающей на единицу площади грунта. В качестве момента, по которому определяется геометрия двухсторонних «зубцов» предлагаемой системы может быть выбран момент подготовки грядок к посадочным (посевным) работам, который зависит от географической широты местности и от ряда других факторов, в частности, работы в условиях закрытого или открытого грунта, а также индивидуальных предпочтений и возможностей пользователя. Уровень инсоляции грядок увеличивается за счет увеличения угла грунтовой поверхности к солнцу, который состоит из угла наклона базовой системы наклонных- грядок и дополнительного угла, образованного наличием «зубцов» из грунта на этих грядках.

На фиг. 1 представлен вид предлагаемой системы грядок сбоку в разрезе с двухсторонними «зубцами» 11 из грунта (показаны только на грядках под номерами 1 и 4), а на фиг. 2 представлен укрупненный вид элемента предлагаемой системы грядок с такими зубцами. В данном примере при небольшой ширине грядки Bi в 60 см на каждой грядке с α₁=20° располагается только один двухсторонний «зубец» из грунта. В общем случае грядки имеют в поперечном сечении профиль верхней поверхности, который выполнен в виде этих двухсторонних «зубцов» 11 (далее «зубцов», грунтовых «зубцов»), расположенных на основании, находящемся на отрезке 12, соединяющем в поперечном направлении разновысотные стенки 15, 16 грядки высотой Hi и hi в их верхних точках.

Длина основания «зубца» 11 равна длине отрезка 12, разделенного на количество «зубцов» на грядке в случае выполнения «зубцов» геометрически одинаковой формы и размера. Одна из сторон двухстороннего «зубца» 11, обращенная к солнцу (передняя сторона), находится под углом λ (фиг. 2) к основанию этого «зубца» (верхней поверхности грядок базовой системы наклонных грядок), дополнительно увеличивающим угол наклона наклонной грядки а на требуемую величину к горизонту, другая из сторон этого двухстороннего «зубца» (задняя сторона) находится под углом к горизонту, имеющем выборную величину. В зависимости от ширины грядки количество «зубцов» 11 на грядке может быть в количестве одного или более одного на одной грядке, «зубцы» могут быть выполнены геометрически одинаковой формы и размера, либо одинаковой формы, но разные по размеру. Сумма (α₂=α₁+λ) величины угла наклона грунта передней стороны зубцов выбирается так, чтобы передняя поверхность «зубцов», обращенная к солнцу, на момент, по которому определяется геометрия двухсторонних «зубцов», располагалась под углом 90° (τ=90°) к линии лучей солнца или близким к нему (см. фиг. 2).

Увеличение углов наклона грунта на юг на величину λ дает значительное увеличение солнечного тепла и дополнительный прогрев грунта за счет уменьшения отражения солнечных лучей от поверхности грунта. По данным источников: «Солнечный вегетарий» Иванько А., Калиниченко А., Шмат Н., Анфас. Киев. 1996 г. и «Солнечный вегетарий Иванова» М. Бледнов, обновлено: 05.09.2019 г., увеличение угла наклона грядки (склона земли) всего в 1° на юг в определенной местности в средней полосе России создает условия освещенности и нагрева почвы, как в регионе на 50-100 км южнее этого места. При этом, в неблагоприятное лето именно более лучший прогрев на солнце наклонной поверхности, чем ровной, может способствовать увеличению (наличию) урожая.

Увеличение углов наклона грунта на юг может быть достижимо и без формирования двухстороннего «зубца» путем увеличения угла наклона грядок ой базовой системы наклонных грядок. Однако, требуемое увеличение угла наклона грунта в рамках базовой системы наклонных грядок приведет не только к существенному увеличению высоты северных стенок грядок базовой системы, но и значительному общему увеличению высоты системы грядок, включая, южные стенки грядок системы, высота каждой из которых (за исключением первой - самой южной), как было показано выше, определяется по углу наклона лучей солнца и высоте северной стенки более южной грядки. Т.е. требуемое увеличение угла наклона грунта в рамках базовой системы наклонных грядок приведет к значительному увеличению денежных и трудовых затрат на приобретение и сборку заметно более габаритных ограждений для системы грядок, а также существенным, дополнительным затратам времени и объемам работ по загрузке-выгрузке посадочного грунта. Кроме того, высота грядок, особенно максимальная высота самой северной грядки, может достигать величин, при которых их обслуживание становится неудобным. Таким образом, использование двухсторонних «зубцов» позволяет избежать значительного (чрезмерного) увеличения высоты системы наклонных грядок, имитирующих естественный склон, и связанных с этим денежных и трудовых затрат, а также обеспечить удобство обслуживания при увеличении угла наклона грунта на юг.

Максимальное количество солнечной энергии, попадающей на единицу площади обеспечивается, когда угол падения солнечных лучей на принимающую поверхность земли равен 90°. То есть передняя поверхность «зубцов» (сторона 13 «зубца», обращенная к солнцу) должна располагаться по линии перпендикуляра (τ=90°) к линии выбранного в данном случае угла наклона лучей солнца (β₂=55°) до пересечения с линией верхней поверхности грядок базовой системы наклонных грядок в их верхней, южной точке (фиг. 2).

β₂ - угол, по которому определяется геометрия двухсторонних «зубцов» предлагаемой системы, в первую очередь их передней стороны, в данном случае, на момент подготовки грядок к посадочным (посевным) работам, например равный 55°, что соответствует углу наклона солнечных лучей в конце апреля - начале мая в средней полосе РФ. При этом угол наклона передней поверхности «зубцов» α₂ составит 35°, который состоит из угла наклона α₁=20° базовой системы наклонных грядок 8 и дополнительного угла λ=15°, образованного наличием самих «зубцов».

Считается, что при увеличении угла наклона грунта α₂ выше 40° могут возникнуть затруднения при обслуживании наклонных земляных поверхностей. В таком случае обеспечить угол т падения солнечных лучей на переднюю сторону двухсторонних «зубцов», равный 90°, при уменьшении угла β₂ наклона лучей солнца может быть затруднительно. Поэтому при уменьшении угла β₂, например, при выборе более раннего момента, по которому определяется геометрия двухсторонних «зубцов», в условиях закрытого грунта, угол τ может быть уменьшен от величины 90° до значений, при которых угол наклона грунта α₂ является приемлемым для пользователя. Угол наклона задней стороны «зубцов» может выбираться в зависимости от географической широты местности, например, он может быть равен углу β₂ наклона солнечных лучей в этой местности на момент начала работы с грядками. При этом, задняя поверхность «зубцов» (фиг. 2) может располагаться по линии выбранного угла наклона лучей солнца, например β₂=55°, до пересечения с линией верхней поверхности грядок базовой системы наклонных грядок и вертикальной линией, соответствующей боковой северной поверхности (стороне) каждой грядки, а также вертикальными линиями, отделяющими «зубцы» по ширине друг от друга, в случае наличия более одного «зубца» на грядке. Ширина «зубца» - это расстояние по горизонтали между вертикальными линиями, проходящими через крайние (южную и северную) точки «зубца» в его разрезе сбоку (по линии ЮГ-СЕВЕР). Передняя и задняя поверхность «зубцов» соответственно ограничены линией их взаимного пересечения.

Угол наклона задней стороны «зубцов» является величиной выборной. Например, поверхность задней стороны «зубцов» (фиг. 2) может располагаться по (проходящей через самую высокую, северную точку (линию) D грядки) линии угла β₁, по которому определяется геометрия базовой системы наклонных грядок предлагаемой системы или по линии выбранного (между β₂ и β₁) угла, при сохранении угла наклона поверхности передней стороны «зубцов» α₂. При уменьшении угла наклона задней стороны «зубцов», например от β₂ к β₁, сокращается площадь передней стороны зубца и солнечная инсоляция, но может увеличиваться устойчивость (стабильность) грунтовой поверхности задней стороны «зубцов», которая становится недостаточной при чрезмерном увеличении угла наклона задней стороны «зубцов» и слишком крутом их заднем склоне. При угле наклона задней стороны «зубцов», равном β₂, а также снижении его до β₁ на момент, когда угол наклона солнечного луча реально равен β₂, не нарушается требования об отсутствии затенения боковой поверхности более северной грядки на заданную глубину z (см. фиг.1 и 2). «Зубцы» окончательно формируются во время подготовки грядок к посадочным (посевным) работам, например в конце апреля - начале мая, а геометрия базовой системы наклонных грядок определяется на гораздо более ранний момент времени (например, на начало марта) при меньших значениях угла наклона солнечных лучей.

Восточная и западная торцевые стенки грядок предлагаемой системы с выбранными параметрами (геометрией) как базовой системы грядок, так и зубцов укреплены повторяющими форму грунтовых «зубцов» стенками ограды, которые фиксируют форму торцевых стенок грядок с зубцами при их формировании, а также препятствуют возможному нарушению формы грядок при их обслуживании.

Для повышения эффективности использования солнечной энергии грядки предлагаемой системы могут оснащаться оградой из энергоемкого материала, например, кирпича, бетона, камней, гранита, которая выполняет роль аккумулятора солнечного тепла, накапливающего тепло днем и отдающего это тепло грунту ночью, поддерживая требуемую температуру почвы и защищая грядки от возможных ночных заморозков. На фиг. 3 представлен укрупненный вид элемента предлагаемой системы грядок сбоку в разрезе с оградой грядок из энергоемкого материала (стенки ограды заштрихованы). Исходя из роли аккумулятора солнечного тепла, стенки ограды могут иметь существенную толщину b, которая является величиной выборной. Стенки 15 грядок укреплены южными боковыми стенками их ограды и соприкасаются с ними, а стенки 16 грядок - северными боковыми стенками ограды, при этом внешняя (габаритная) ширина грядки с учетом толщины b стенок ограды (см. фиг. 3) будет равна: B_ic=B_i+2b (формула 10), где i - номер грядки, B_i - внутренняя ширина (по грунту) этой грядки, а реальная ширина проходов m между грядками составит: m=Шп-2 b (формула 11), где Шп - выбранная ширина проходов для расчетов геометрии системы. Для соблюдения заданной глубины (высоты), на которую не должна затеняться южная боковая (грунтовая) поверхность любой грядки системы более южной грядкой, верхняя поверхность северной боковой стенки этой (более южной) грядки может иметь наклон на север и проходить по линии луча β₁, проходящего через точку (линию) D наклонной грядки базовой системы, расположенную на высоте H_i (см. фиг. 3). Тогда высота внешней стороны северной боковой стенки ограды грядки H_iBC будет определяться по формуле 12: H_iBC=H_i-b×tgβ₁, где i - номер грядки, Hi - высота северной (грунтовой) стенки грядки, определяемая по формуле 1, равная высоте внутренней стороны северной боковой стенки ограды грядки, b - выбранная толщина стенки ограды. Исходя из унификации стенок (северной и южной) ограды, разница между высотой внутренней и внешней сторон северной стенки W (см. фиг. 3) и разница между высотой внутренней и внешней сторон южной стенки V ограды могут быть равны: W=V=b×tgβ₁ (формула 13), где b - выбранная толщина стенки ограды.

Тогда высота внешней стороны южной боковой стенки ограды грядки h_iBC будет определяться по формуле 14: h_iBC=h_i-b×tgβ₁), где i - номер грядки, hi - высота южной (грунтовой) стенки грядки, равная высоте внутренней стороны южной боковой стенки ограды грядки, b - выбранная толщина стенки ограды.

При толщине стенки ограды b, принятой равной толщине стандартного кирпича в 6,5 см для грядки №1, у которой высота южной стенки грядки h₁ в представленном случае выбрана равной 30 см, a B₁ - ширина (по грунту) грядки равна 60 см, внешняя (габаритная) ширина грядки B_1c, в соответствии с формулой 10, будет составлять 73 см. При этом высота внешней стороны северной боковой стенки ограды грядки H_1BC по формуле 12 будет равна 47,29 см при H₁, в соответствии с формулой 1, равной 51,84 см. А высота внешней стороны южной боковой стенки ограды грядки h_1BC по формуле 14 будет равна 25,45 см. В соответствии с формулой 11 реальная ширина проходов m между грядками составит 47 см. при Ш_П=60 см.

Реальная высота размещения грунта в грядке по разным причинам может отличаться от расчетной, в том числе из-за усадки грунта со временем.

Энергоэффективная система грядок для растениеводства, позволяющая оптимизировать использование солнечной энергии может быть сформирована следующим образом.

Исходя из условий местности, размера земельного участка и пожеланий пользователя определяют предварительный облик базовой системы наклонных грядок (число, ширину грядок и горизонтальных проходов между ними) с увеличивающейся с юга на север высотой грядок, чтобы имитировать южный склон земли. С учетом исходных выбранных значений ширины и угла наклона грядок, а также южной высоты самой южной грядки и глубины, на которую не должна затеняться южная боковая поверхность любой грядки системы с помощью математических формул рассчитывают высоту южной и северной, вертикальных стенок грядок, укрепленных стенками ограды. Далее, исходя из удобства пользования системой грядок и уровня затрат на ее реализацию, пользуясь указанными математическими формулами, подбирают уточненное значение угла наклона грядок базовой системы наклонных грядок β₁, которое может быть выбрано в зависимости от угла наклона лучей в соответствующий период времени года и в зависимости от географической широты местности, и определяют окончательную ее конфигурацию, в том числе число грядок, их ширину, высоту южной и северной стенки каждой грядки, ширину межгрядочных проходов, а также параметры ограды грядок.

На подготовленную для каждой грядки площадку устанавливается ограда грядки из энергоемкого материала, например, кирпича, бетона, камней, гранита. Толщина стенки ограды, как аккумулятора солнечного тепла, является величиной выборной. Для размещения такой ограды грядки может понадобиться основание (фундамент), без которого такая ограда, обладающая значительным весом, может со временем уходить под землю. Ограда может полностью изготовляться на месте, например, путем заливки бетона в опалубку, или собираться из промышленно-изготовленных частей или менее крупных кирпичей (блоков) из различных материалов, а также из других элементов, например, брусчатки, разнообразной плитки (тротуарной, бордюрной), природных камней разного размера и пр.

На предварительно засыпанный посадочный грунт в пространство, ограниченное установленной оградой грядки (для формирования наклонных грядок в рамках их базовой системы) по длине грядок для каждого конкретного «зубца» высыпается дополнительный грунт для формирования непосредственно грунтовых «зубцов», в соответствии с количеством и размерами «зубцов» на каждой грядке. Ориентируясь при этом на «зубцы» ограды торцевых (восточных и западных) стенок зубчато-наклонных грядок как на шаблоны, формируют «зубцы» из грунта системы зубчато-наклонных грядок. По длине грядки могут использоваться промежуточные (съемные или постоянные) шаблоны «зубцов» аналогичной формы из жесткого материала, которые могут крепиться к северной и южной стенкам грядок (между ними). Для удобства формирования гребня «зубцов» могут использоваться шнуры, натянутые по направлениям, соединяющим гребни противоположно (симметрично) расположенных «зубцов» на восточной и западной стенке каждой грядки. Соблюдение формы «зубцов» особенно важно весной в солнечную энергию в то время, когда она особенно необходима (например, на момент начала работы с грядками после зимнего перерыва). Таким образом, формируется система грядок предлагаемой системы, которая может содержать разное количество грядок. Считается, что при увеличении угла наклона грунта выше 40° могут возникнуть затруднения при обслуживании наклонных земляных поверхностей, появляются проблемы при определенных видах полива, которые уменьшаются при нормальной рыхлости почвы. Следует отметить, что при большом угле наклона почвы предпочтение может отдаваться капельному поливу с капельницами, воткнутыми в почву в районе стебля растений, возможен также другой способ полива - в постоянные лунки.

Изобретение может использоваться в условиях как открытого, так и закрытого грунта. Высокие грядки предлагаемой системы позволяют пользователю не зависеть от плодородия земли конкретного участка земли при наполнении их специально подготовленным плодородным грунтом с оптимальными характеристиками для выращиваемых растений. Также имеется хорошая возможность реализации так называемых «органических» грядок с использованием в их наполнении органических отходов (продуктов жизнедеятельности) сада, леса, огорода и некоторых пищевых отходов. Существует мнение, что в южных районах летом солнечного тепла обычно более чем достаточно и чрезмерная высота грядок может способствовать излишнему перегреву их почвы. В этом случае пользователь исходя из климатических условий для конкретного участка может оптимизировать высоту грядок системы, выбирая подходящие значения параметров, например, глубины, на которую не должна затеняться южная боковая поверхность любой грядки системы и высоты южной стороны самой южной грядки системы, при сохранении возможности использования двухсторонних «зубцов» из грунта весной на момент посадки растений. При этом, особенно для более низких южных грядок системы, для обеспечения требуемой высоты слоя плодородного (засыпаемого) грунта в грядке, она (нижняя часть ее ограды) может быть заглублена на необходимую величину относительно уровня земли упомянутого участка.

Изобретение относится к области растениеводства и может быть использовано при выращивании растений. Система наклонных грядок для выращивания растений содержит грядки, имеющие угол наклона грунта до 40 градусов на юг, между грядками находятся горизонтальные проходы, грядки и проходы имеют общие разделяющие их вертикальные стенки, укрепленные оградой, при этом высота северной вертикальной стенки грядки рассчитывается по формуле: H_i=h_i+tgα×B_i, где i - номер грядки с юга, H_i - высота северной стенки грядки, h_i - высота южной стенки грядки, B_i - ширина грядки, α - выбранный угол наклона грунта грядок к солнцу. Высота h_i южной боковой стенки каждой более северной грядки системы меньше, чем высота H_i-1 северной стенки более южной грядки, и рассчитывается в соответствии с математической формулой в зависимости от величины угла наклона солнечных лучей, при исключении затенения как верхней, так и южной боковой поверхности грядок на заданную глубину: h_i=H_i-1-Ш_п×tgβ₁+z, где h_i - высота южной стенки грядки, H_i-1 - высота северной стенки более южной грядки, Ш_п - выбранная ширина проходов для расчетов геометрии системы, β₁ - угол наклона лучей солнца, по которому определяется геометрия системы наклонных грядок, принятой базовой, z - заданная глубина, на которую исключается затенение южной боковой поверхности любой грядки системы. Грядки имеют в поперечном сечении профиль верхней поверхности, выполненный в виде двухсторонних «зубцов» в количестве одного или более одного на одной грядке, расположенных на основании, находящемся на отрезке, соединяющем в поперечном направлении разновысотные стенки грядки высотой H_i и h_i в их верхних точках. При этом передняя сторона двухстороннего «зубца», обращенная к солнцу, находится под углом к основанию этого «зубца», дополнительно увеличивающим угол наклона грядки на требуемую величину к горизонту. Задняя сторона двухстороннего «зубца» находится под углом к горизонту, имеющим выборную величину, определяемую углом наклона солнечных лучей к горизонту. Величина угла наклона грунта передней стороны двухстороннего «зубца» к линии угла наклона солнечных лучей при подготовке грядок к посадочным, посевным работам приближается к 90°. Ограда грядок выполнена из энергоемкого материала, накапливающего тепло днем и отдающего его грунту ночью. Способ обеспечивает создание энергоэффективной системы грядок для растениеводства, позволяющей оптимизировать использование солнечной энергии, обеспечивающей возможность увеличения уровня инсоляции грядок и более эффективного использования энергии солнца для получения более раннего и обильного урожая при сохранении удобства обслуживания грядок, снижении материало- и трудозатрат на их формирование. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система наклонных грядок для выращивания растений, содержащая грядки, имеющие угол наклона грунта до 40 градусов на юг, между грядками находятся горизонтальные проходы, грядки и проходы имеют общие разделяющие их вертикальные стенки, укрепленные оградой, при этом высота северной вертикальной стенки грядки рассчитывается по формуле:

H_i=h_i+tgα×B_i,

где i - номер грядки с юга,

H_i - высота северной стенки грядки,

h_i - высота южной стенки грядки,

B_i - ширина грядки,

α - выбранный угол наклона грунта грядок к солнцу,

отличающаяся тем, что высота h_i южной боковой стенки каждой более северной грядки системы меньше, чем высота H_i-1 северной стенки более южной грядки, и рассчитывается в соответствии с математической формулой в зависимости от величины угла наклона солнечных лучей, при исключении затенения как верхней, так и южной боковой поверхности грядок на заданную глубину:

h_i=H_i-1-Ш_п×tgβ₁+z,

где h_i - высота южной стенки грядки,

H_i-1 - высота северной стенки более южной грядки,

Ш_п - выбранная ширина проходов для расчетов геометрии системы,

β₁ - угол наклона лучей солнца, по которому определяется геометрия системы наклонных грядок, принятой базовой,

z - заданная глубина, на которую исключается затенение южной боковой поверхности любой грядки системы; грядки имеют в поперечном сечении профиль верхней поверхности, выполненный в виде двухсторонних «зубцов» в количестве одного или более одного на одной грядке, расположенных на основании, находящемся на отрезке, соединяющем в поперечном направлении разновысотные стенки грядки высотой H_i и h_i в их верхних точках, при этом передняя сторона двухстороннего «зубца», обращенная к солнцу, находится под углом к основанию этого «зубца», дополнительно увеличивающим угол наклона грядки на требуемую величину к горизонту, задняя сторона двухстороннего «зубца» находится под углом к горизонту, имеющим выборную величину, определяемую углом наклона солнечных лучей к горизонту, при этом величина угла наклона грунта передней стороны двухстороннего «зубца» к линии угла наклона солнечных лучей при подготовке грядок к посадочным, посевным работам приближается к 90°; ограда грядок выполнена из энергоемкого материала, накапливающего тепло днем и отдающего его грунту ночью.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что угол наклона грунта грядок выбирается в зависимости от географической широты местности.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что грядки имеют ширину B_i, значение которой не превышает 120 см, а высота южной стенки каждой грядки h_i составляет не менее 10-15 см.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что значение угла β₁ может быть выбрано в зависимости от угла наклона лучей в соответствующий период времени года и в зависимости от географической широты местности.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве энергоемкого материала ограды грядок может быть использован, например, кирпич, бетон, камни, гранит.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что заданная глубина z составляет не менее 10-15 см.