一種密集型高光能利用率植物工廠的製作方法
2023-07-18 11:56:11 3
一種密集型高光能利用率植物工廠的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種密集型高光能利用率植物工廠，其特徵在於：包括植物生產車間，所述植物生產車間由一個植物栽培架組構成，所述植物栽培架組包括多排栽培架，所述的栽培架能在一軌道上平移；且所述栽培架組只設有一個單位寬度的可滑動移動式調節通道；所述栽培架具有N層，每層的頂部均設置有為該層提供光照的LED光源，每層還設置有可升降植株培養託盤和限位裝置；所述限位裝置用於識別植株頂部的位置，以配合控制系統為植株提供所需的光照。本發明的方案既可以採用較小的LED功率來滿足植物生長所需的光照強度，實現節能的目的，又可以滿足植物在不同的生長期對光照強度的不同需求，從而使植物在各個生長期都能得到最佳的光照，滿足其快速生長的需求。
【專利說明】一種密集型高光能利用率植物工廠
【技術領域】
[0001]本發明屬於設施農業生產領域，通過滑動式支架的密集型栽種、植株高度的自動檢測及LED光強的自適應調節系統來提高植物工廠的空間使用效率並節約能源，使農作物的生產更為高效。
【背景技術】
[0002]植物工廠是現代設施農業發展的高級階段，是一種高投入、高技術、精裝備的生產體系，集生物技術、工程技術和系統管理於一體，使農業生產從自然生態束縛中脫離出來，按計劃周期性地進行植物產品化生產的工廠化農業系統。植物工廠的一大優點是節約耕地資源，它利用層疊的支架來實現植物的多層種植，從而提高了土地面積的使用率，實現了對空間更為有效的利用。植物工廠的另一個優點是通過室內人工光源的栽培，人們可以採用各種高科技的手段對光照條件進行自適應地調節，使得植物在整個生長周期都能獲得最佳的光照，滿足植物快速生長的需求。
[0003]現有的植物工廠一般採用如圖1所示固定的植物培養架，它在空間和能源利用率上仍有許多不足，仔細分析就會發現這種結構的缺點。首先從橫向上看，這種結構每兩個培養架之間都有一條走道，佔用了大量的土地面積，再加上兩個縱向排列的培養架之間的走道，因此室內的土地利用率只有50%左右。此外，植物工廠的建築物以及建築物外圍的走道將佔用與室內相似的面積，使得實際土地的綜合利用率只有25%左右。如果每個培養架上有四層支架，則可栽種的面積與原有的土地面積相同，違背了植物工廠節約土地資源的初衷。此外採用這種培養架之間有走道的分離式結構，會使LED光源中約三分之一的光能從培養架的兩側洩露到走道上而不能為植物所吸收，從而浪費了這部分光能。當所有的培養架並在一起後，不僅提高了土地的利用率，而且從培養架的兩側洩露到走道的光能也能被充分利用，從而節約了約三分之一的光能。此外，當所有的培養架並在一起後，其上方的照明光源也連成一片，有助於 對植物提供更均勻的光照，確保培養架內各個部位的植物都能得到足夠的光照強度。
[0004]其次從縱向上看，針對單個植物培養單元，無論培養單元內種的是什麼植物，是很矮的秧苗還是植株高大的植物，現有的植物工廠大多數採用簡單的固定高度的植物培養架單元，這就使得LED光源到植株頂部的距離差別很大。由於單個LED光源照射到植株上的光強是與其距離的平方成反比的，距離每增加一倍，照射到植株上的光強就減為原來的四分之一。當植株還是很矮小的秧苗時，植株高度相對於架子高度低矮得多，其頂部到LED光源的距離也許會是長大之後的植株到LED光源距離的4到5倍，甚至更大。此時LED光源照射到植株上的光強只有長大之後光強的1/16到1/25，因此需要提高LED的照明功率以達到符合要求的光強值。換句話說，當植株還是很矮小的秧苗時如果我們能將其上移到與其長大後到LED光源的距離一致，我們所需的LED光源的光強可以降為不移動時光強的1/16到1/25。這既能極大地節省照 明光源的能量，又能使LED光源的照射光強滿足植物生長的需求，是一個簡單而又節能的好方法。[0005]但由於植物在不同生長期所需的光強是不同的，上述那種簡單地將植株的頂部上移到與其長大後到LED光源的距離一致的做法並不是最佳的，為此，我們可以採用兩種不同的方法來實現植物對光強的不同需求。其一是保持LED的光強不變，通過自適應地調節植物頂部到LED的距離，使得當植物需要較強的光照時，就減小植物頂部到LED的距離，反之，當植物需要較弱的光照時，就增加植物頂部到LED的距離。因此，在這種方案中，植物頂部到LED的距離是隨著植物生長期的不同而自適應變化的。其二是在植物的整個生長過程中保持植物頂部到LED的距離不變，通過自適應地調節LED的光照強度，使得當植物需要較強的光照時，就增加LED的光照強度，反之，當植物需要較弱的光照時，就減小LED的光照強度。因此，在這種方案中，LED的光照強度是隨著植物生長期的不同而自適應變化的。無論採用哪種自適應檢測和跟蹤系統，我們都可以使託盤上的植株頂部到LED光源的距離較近，以便可以採用較小的LED功率來滿足植物生長所需的光照強度，既能實現節能的目的，又可以滿足植物在不同的生長期對光照強度的不同需求，從而使植物在各個生長期都能得到最佳的光照，滿足其快速生長的需求。
[0006]目前用於提高植物工廠空間和光能利用率的專利和各種公開文件中，都沒有針對用於提高LED人工光源以及植物工廠內空間利用率和光照均勻性的植物培養架間走道空間的優化方案和植物培養單元內縱向高度自動跟蹤植物生長過程的優化設計。
【發明內容】
[0007]有鑑於此，本發明的目的是提供一種密集型高光能利用率植物工廠，能有效提高植物工廠的空間使用效率並節約能源，使農作物的生產更為高效。
[0008]本發明採用以下方案實現:一種密集型高光能利用率植物工廠，其特徵在於:包括植物生產車間，所述植物生產車間由一個植物栽培架組構成，所述植物栽培架組包括多排栽培架，所述的栽培架能在一軌道上平移；且所述栽培架組只設有一個單位寬度的可滑動移動式調節通道；所述栽培架具有N層，每層的頂部均設置有為該層提供光照的LED光源，每層還設置有可升降植株培養託盤和限位裝置；所述限位裝置用於識別植株頂部的位置，以配合控制系統為植株 提供所需的光照，N為自然數。
[0009]在本發明一實施例中，所述限位裝置包括一可移動的紅外發射器和一可移動的紅外接收器。
[0010]在本發明一實施例中，所述控制系統為植株提供所需光照的實現方式是:保持所述LED光源強度不變，當植株擋住所述紅外發射器發往紅外接收器的紅外線時，所述控制系統則將植株培養託盤向下移動一預定距離，以保證植株頂端到LED人工光源的距離維持在適宜的高度。
[0011]在本發明一實施例中，所述紅外發射器和紅外接收器均設置於一可升降的機構上，所述控制系統能根據預先設定的參數和植株所需的光照強度自動調節紅外發射器和紅外接收器的高度，使得當植物需要較強的光照時，就減小LED到植株頂部距離，反之，當植物需要較弱的光照時，就增加LED到植株頂部距離。
[0012]在本發明一實施例中，所述控制系統為植株提供所需光照的實現方式是:在植株的整個生長過程中保持植株頂部到所述LED光源的距離不變，通過自適應地調節LED的光照強度，使得當植物需要較強的光照時，就增加LED的光照強度，反之，當植物需要較弱的光照時，就減小LED的光照強度。
[0013]在本發明一實施例中，所述栽培架是依靠一電動滾輪在所述軌道上移動；所述電動滾輪受控於所述控制系統。
[0014]相比於現有的植物工廠，該植物工廠的設計方案主要有兩點優勢:第一，每個植物培養架都是活動的，底部裝有軌道和運動電機，植物培養架可沿軌道運行。當植物在正常生長時，培養架是密集型排列的，這樣既可以節約大量的走道空間，又可以通過培養架之間的連接，避免LED側光從培養架間漏出造成能源的浪費，提高光能利用率，還可以通過培養架之間的連接達到光照均勻的目的。當需要觀察植物的生長或進行其它操作時，可以通過電動機的按鈕移動培養架，以騰出工作人員進入的通道。第二，植物培養架內部的栽培單元採用縱向可以活動的植物培養託盤，通過自動化設備循環檢測植株頂部的位置，自適應地調節通過自適應地調節植物頂部到LED的距離，以便既能在植物的整個生長期都能為植物的生長提高最佳的光照條件，又能避免灼傷植株。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是現有植物工廠的栽培架布局結構示意圖。
[0016]圖2是本發明植物工廠的栽培架布局結構示意圖。
[0017]圖3是本發明各層縱向植株調節託盤結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
[0019]本實施例提供一種密集型高光能利用率植物工廠，其特徵在於:包括植物生產車間，所述植物生產車間由一個植物`栽培架組構成，所述植物栽培架組包括多排栽培架，所述的栽培架能在一軌道上平移；且所述栽培架組只設有一個單位寬度的可滑動移動式調節通道；所述栽培架具有N層，每層的頂部均設置有為該層提供光照的LED光源，每層還設置有可升降植株培養託盤和限位裝置；所述限位裝置用於識別植株頂部的位置，以配合控制系統為植株提供所需的光照，N為自然數。值得說明的是，上述涉及的升降結構由於是現有技術，這裡就不做具體說明，該升降結構可以是齒輪齒條升降結構、液壓升降機構、氣缸升降機構、絲杆螺母升降結構或提拉式升降結構等。
[0020]本發明採用兩種不同的方法來實現植物對光強的不同需求。其一是保持LED的光強不變，通過自適應地調節植物頂部到LED的距離，使得當植物需要較強的光照時，就減小植物頂部到LED的距離，反之，當植物需要較弱的光照時，就增加植物頂部到LED的距離。因此，在這種方案中，植物頂部到LED的距離是隨著植物生長期的不同而自適應變化的。其二是在植物的整個生長過程中保持植物頂部到LED的距離不變，通過自適應地調節LED的光照強度，使得當植物需要較強的光照時，就增加LED的光照強度，反之，當植物需要較弱的光照時，就減小LED的光照強度。因此，在這種方案中，LED的光照強度是隨著植物生長期的不同而自適應變化的。無論採用哪種自適應檢測和跟蹤系統，我們都可以使託盤上的植株頂部到LED光源的距離較近，以便可以採用較小的LED功率來滿足植物生長所需的光照強度，實現節能的目的，又可以滿足植物在不同的生長期對光照強度的不同需求，從而使植物在各個生長期都能得到最佳的光照，滿足其快速生長的需求。目前用於提高植物工廠空間和光能利用率的專利和各種公開文件中，都沒有針對用於提高LED人工光源以及植物工廠內空間利用率和光照均勻性的植物培養架間走道空間的優化方案和植物培養單元內縱向高度自動跟蹤植物生長過程的優化設計。以下分兩個實施例子對本發明的技術進行進一步說明。
[0021]實施方案一
在該實施方案中，首先為減少並優化非生產性面積在整個植物工廠中所佔的比率，對以往植物工廠栽培架之間的通道與分布做出系統的規劃與設計，設計圖見圖2。整個植物工廠採用植物栽培架組作為物植物生長單元的載體集合。植物工廠中的每個生產車間由一個植物栽培架組構成，植物栽培架組是由多排橫向長條型的單個栽培架組成。圖2中B-1、B-2.B-3均為栽培架，它們共同組成了栽培架組。栽培架縱向之間設有可滑動軌道，圖2中A-1, A-2為可滑動軌道，整個栽培架組只設有一個單位寬度(圖2中F寬度)的可滑動移動式調節通道。植物栽培架組在集中栽培期間處於整組合併狀態，以便在同樣光照條件下為植物的生長提供多的光能和更均勻的光照。在播種、收割和需要進行操作的期間，通過栽培架上的控制按鈕可對指定栽培架進行移動調節，以便分離出一個單位寬度(圖2中F寬度)，作為工作人員或者智能搬運機活動的通道，以此達到植物栽培架的密集式排布。多條非必要人行通道的減少可大幅度提高植物工廠中生產性用地的比率，也就是說在不改變廠區土地面積的前提下，可以通過增加植物工廠的生產面積來提高植物工廠單位面積的產能，降低植物工廠單位成本的投入。
[0022]其次，在縱向上，LED燈的輸出功率固定，每層植物生長單元(如圖2中E_1與E_2之間)採用如圖3所示的動態調節系統。圖3中B為紅外線發射器，C為紅外線接收器，B和C均可視植物的生長狀況在縱向適時地移動，以便自適應的調節照射到植物上的光強，為植物的生長提供最佳的光照條件。當植株高度到達BC所在連線時，將擋住B發往C的紅外線，此時通過控制系統就可 以將植株培養託盤B向下移動一小段距離，以保證植株頂端到LED人工光源的距離h維持在適宜的高度。由於單個LED燈的光照度與光在空間通過距離的平方成反比，因此若要有效利用光能需要將植株近可能靠近LED燈。但由於植株是不斷生長的，若不動態調節LED燈與植株的距離，隨著植株的長高，它距離LED燈將越來越近，以至於太熱而將植株灼傷，或者由於植株頂部碰到了 LED燈而妨礙其繼續生長。有了圖3所示的動態調節系統，就將植株的頂部在整個生長過程中都儘量接近LED燈而不用擔心植株進一步生長所帶來的傷害，從而可以採用功率更小的LED元件，達到節能的目的。同時通過自適應地調節LED植物頂部的距離，還可以始終為植物的生長提供最佳的光照條件。
[0023]實施方案二
在該實施方案中，首先為減少並優化非生產性面積在整個植物工廠中所佔的比率，對以往植物工廠栽培架之間的通道與分布做出系統的規劃與設計，設計圖見圖2。整個植物工廠採用植物栽培架組作為物植物生長單元的載體集合。植物工廠中的每個生產車間由一個植物栽培架組構成，植物栽培架組是由多排橫向長條型的單個栽培架組成。圖2中B-1、B-2.B-3均為栽培架，它們共同組成了栽培架組。栽培架縱向之間設有可滑動軌道，圖2中A-1, A-2為可滑動軌道，整個栽培架組只設有一個單位寬度(圖2中F寬度)的可滑動移動式調節通道。植物栽培架組在集中栽培期間處於整組合併狀態，以便在同樣光照條件下為植物的生長提供多的光能和更均勻的光照。在播種、收割和需要進行操作的期間，通過栽培架上的控制按鈕可對指定栽培架進行移動調節，以便分離出一個單位寬度(圖2中F寬度)，作為工作人員或者智能搬運機活動的通道，以此達到植物栽培架的密集式排布。多條非必要人行通道的減少可大幅度提高植物工廠中生產性用地的比率，也就是說在不改變廠區土地面積的前提下，可以通過增加植物工廠的生產面積來提高植物工廠單位面積的產能，降低植物工廠單位成本的投入。
[0024]其次，在縱向上，LED燈的輸出功率將隨著植物的生長狀態而變，每層植物生長單元(如圖2中E-1與E-2之間)採用如圖3所示的動態調節系統。圖3中B為紅外線發射器，C為紅外線接收器，B和C均安放在縱向適當的高度，以便能夠將植物頂部調節到固定的高度，同時自適應地調節LED照射到植物上的光強，為植物的生長提供最佳的光照條件。當植株高度到達BC所在連線時，將擋住B發往C的紅外線，此時通過控制系統就可以將植株培養託盤B向下移動一小段距離，以保證植株頂端到LED人工光源的距離h維持在適宜的高度。由於LED燈的光照度與光在空間通過距離的平方成反比，因此若要有效利用光能需要將植株近可能靠近LED燈。但由於植株是不斷生長的，若不動態調節LED燈與植株的距離，隨著植株的長高，它距離LED燈將越來越近，以至於太熱而將植株灼傷，或者由於植株頂部碰到了 LED燈而妨礙其繼續生長。有了圖3所示的動態調節系統，就將植株的頂部在整個生長過程中都儘量接近LED燈而不用擔心植株進一步生長所帶來的傷害，從而可以採用功率更小的LED元件，達到節能的目的。同時通過自適應地調節LED照射到植物上的光強，還可以始終為植物的生長提供最佳的光照條件。
[0025]以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明 的涵蓋範圍。
【權利要求】
1.一種密集型高光能利用率植物工廠，其特徵在於:包括植物生產車間，所述植物生產車間由一個植物栽培架組構成，所述植物栽培架組包括多排栽培架，所述的栽培架能在一軌道上平移；且所述栽培架組只設有一個單位寬度的可滑動移動式調節通道；所述栽培架具有N層，每層的頂部均設置有為該層提供光照的LED光源，每層還設置有可升降植株培養託盤和限位裝置；所述限位裝置用於識別植株頂部的位置，以配合控制系統為植株提供所需的光照，N為自然數。
2.根據權利要求1所述的密集型高光能利用率植物工廠，其特徵在於:所述限位裝置包括一可移動的紅外發射器和一可移動的紅外接收器。
3.根據權利要求2所述的密集型高光能利用率植物工廠，其特徵在於:所述控制系統為植株提供所需光照的實現方式是:保持所述LED光源強度不變，當植株擋住所述紅外發射器發往紅外接收器的紅外線時，所述控制系統則將植株培養託盤向下移動一預定距離，以保證植株頂端到LED人工光源的距離維持在適宜的高度。
4.根據權利要求3所述的密集型高光能利用率植物工廠，其特徵在於:所述紅外發射器和紅外接收器均設置於一可升降的機構上，所述控制系統能根據預先設定的參數和植株所需的光照強度自動調節紅外發射器和紅外接收器的高度，使得當植物需要較強的光照時，就減小LED到植株頂部距離，反之，當植物需要較弱的光照時，就增加LED到植株頂部距離。
5.根據權利要求2所述的密集型高光能利用率植物工廠，其特徵在於:所述控制系統為植株提供所需光照的實現方式是:在植株的整個生長過程中保持植株頂部到所述LED光源的距離不變，通過自適應地調節LED的光照強度，使得當植物需要較強的光照時，就增加LED的光照強度，反之，當植物需要較弱的光照時，就減小LED的光照強度。
6.根據權利要求1所述的密集型高光能利用率植物工廠，其特徵在於:所述栽培架是依靠一電動滾輪在所述軌道上移動；所 述電動滾輪受控於所述控制系統。
【文檔編號】A01G9/20GK103814775SQ201410056062
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月19日 優先權日:2014年2月19日
【發明者】王鑫, 鄒騰躍, 吳作勳, 吳傳宇, 徐永 申請人:福建農林大學