Способ выращивания длинностебельных растений с использованием искусственного освещения и устройство для его осуществления

 

Использование: выращивание длинностеблевых растений, таких, как зерновые, огурцы, высокорослые томаты, с использованием искусственного освещения. Сущность изобретения: способ включает боковое односторонее или двухстороннее облучение растений соответственно одной или двумя вертикальными панелями с горизонтальными секциями источниками света и отличается тем, что с помощью этих секций и отражателей формируют раздельные по высоте зоне с горизонтальными потоками облучения, причем включение зон осуществляют последовательно, начиная с нижней, по мере достижения вершинами растений очередной зоны. Устройство содержит вертикальную панель с горизонтальными секциями источников света, вдоль которой расположен стеллаж с растениями. Горизонтальные секции снабжены отражателями, формирующими раздельные по высоте зоны с горизонтальными потоками облучения. С противоположной стороны стеллажа на границах соприкасающихся зон установлены фотоприемники, соединенные через блоки измерения освещенности и управления включением с секциями, формирующими соответствующие фотоприемникам верхние из соприкасающихся зон облучения. В частном случае используется две вертикальные панели с соответствующей автоматикой, обеспечивающей последовательное включение зон. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, может быть использовано при выращивании растений, преимущественно длинностебельных, с использованием искусственного освещения и может найти применение в ускоренной селекции зерновых, при выращивании огурцов, томатов и других с/х культур.

Известен способ выращивания растений с использованием искусственного освещения, при котором облучение растений производят источниками света, установленными на заданном расстоянии над контейнерами с выращиваемыми растениями.

Известны установка для выращивания и селекции растений и камера для выращивания растений. Размещение источников света на фиксированном расстоянии от контейнеров, превышающем максимальную высоту фенотипа растения, не позволяет эффективно использовать энергию источников излучения, так как в начале вегетации растения удалены от источников и находятся в зоне с меньшей интенсивностью облучения и лишь по мере роста входят в зону с высокой интенсивностью облучения. Это приводит к непроизводительным потерям электроэнергии в начальный период выращивания растений.

Более эффективное использование энергии источников света обеспечивает способ, при котором расположенные над растениями источники или стеллаж с растениями перемещают по вертикали (соответственно вверх или вниз) по мере роста растения. Перемещение осуществляют с помощью электропривода с ручным управлением по результатам визуального наблюдения расстояния между источниками света и растениями.

Более высокую эффективность использования электроэнергии при выращивании длинностебельных растений обеспечивает способ выращивания с использованием искусственного освещения, включающий боковое одностороннее или двустороннее (с противоположных сторон) облучение растений, размещенных соответственно сбоку от одной или между двумя вертикальными панелями (рамами) с источниками света.

При таком способе выращивания все ярусы листьев растения освещаются равномерно, что обеспечивает благоприятные условия развития растений, оптимальные сроки созревания, в результате чего расход энергии на выращивание единицы продукции снижается. Однако все источники света в течение всего вегетационного периода используются одновременно, в то время как листовая поверхность растений многократно увеличивается от появления проростков до периода созревания.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, включающий боковое одностороннее или двустороннее облучение растений вертикальными панелями с источниками света и изменение в процессе роста растений положения светового потока упомянутых источников путем их перемещения по вертикальным направляющим. Перемещение вверх вертикальных панелей с источниками света по мере роста растений позволяет повысить эффективность использования электроэнергии за счет облучения ярусов растения с наиболее развитой листовой поверхностью. Однако световой поток панелей при таком способе выращивания неадекватен многократно увеличивающейся в течение вегетационного период листовой поверхности растений.

Известны устройства для реализации перечисленных способов выращивания растений: устройства для выращивания растений с фиксированным положением источников света над растениями представляют собой камеру с вертикальными светоотражающими перегородками, образую- щими секции, в каждой из которых расстояние между источником света и растением выбрано небольшим, чтобы освещать растения при незначительной освещенности; установка для выращивания и селекции растений или камеру с установленными друг на друге этажерочными модулями в форме кровати, на горизонтальном стеллаже которой установлены контейнеры с растениями, а под ним источники света для облучения растений нижележащей секции камера для выращивания растений.

Более эффективное использование энергии источников света обеспечивают камеры для выращивания растений, в которых горизонтальная панель с источниками света или стеллаж выполнены с возможностью перемещения в вертикальном направлении по мере роста растений. Перемещение осуществляется с помощью электропривода, управляемого вручную.

Устройства для выращивания длинностебельных растений с боковым односторонним или двусторонним облучением содержат вертикальную панель с источниками света, вдоль которой установлен стеллаж для выращивания растений или две параллельные вертикальные панели с источниками света, обращенные друг к другу и расположенные с противоположных сторон стеллажа. Все источники света в течение всего вегетационного периода включаются одновременно. За счет равномерного освещения всех ярусов листьев обеспечиваются благоприятные условия развития растений и оптимальные сроки созревания урожая, что способствует повышению эффективности использования электроэнергии по сравнению с установками с расположенными над растениями источниками света. Однако одновременное включение всех источников света приводит к неэффективному расходу электроэнергии на начальных этапах онтогенеза, когда площадь листовой повеpхности растений мала, и не попадающая на растение энергия лучистого потока рассеивается бесполезно.

Цель изобретения повышение эффективности использования электроэнергии, определяемой ее затратами на единицу растительной продукции, при выращивании длинностебельных растений в условиях искусственного освещения.

Сущность предлагаемого способа выращивания длинностебельных растений с использованием искусственного освещения, включающего, как и прототип, боковое одностороннее или двустороннее облучение растений вертикальными панелями с источниками света и изменение в процессе роста растений светового потока упомянутых источников, состоит в том, что в отличие от прототипа, с помощью горизонтальных секций источников света формируют раздельные по высоте зоны с горизонтально расположенными потоками облучения, а включение секций осуществляют последовательно, начиная с нижней, по мере достижения вершинами растений очередной зоны. Включение секций осуществляют вручную или автоматически с использованием оптической системы определения положения ярусов листьев.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого способа, состоит в том, что формирование раздельных по высоте зон с горизонтально расположенными потоками облучения и последовательное включение горизонтальных секций источников света по мере роста растений обеспечивают адекватность создаваемого осветительными панелями светового потока площади листовой поверхности вегетирующих растений при постоянной в течение периода вегетации плотности светового потока, облучающего растения. Благодаря этому обеспечивается экономия электроэнергии и повышается эффективность ее использования.

Сущность предлагаемого устройства для выращивания длинностебельных растений с использованием искусственного освещения, содержащего, как и прототип, основную вертикальную панель с секциями источников света, вдоль которой расположен стеллаж для выращивания растений, состоит в том, что в отличие от прототипа, источники света выполнены в виде разнесенных по высоте горизонтальных секций, которые снабжены отражателями для формирования раздельных по высоте зон горизонтального потока облучения, причем устройство снабжено фотоприемниками, блоков измерения освещенности и блоком управления включением секций, соединенными в последовательную цепь, секции подключены к соответствующим выходам блока управления их включением, а фотоприемники установлены с противоположной от вертикальной панели стороны стеллажа на границах соприкасающихся зон.

Устройство в частном случае снабжено дополнительной вертикальной панелью с горизонтальными секциями источников света, расположенной с противоположной от основной секции стороны стеллажа, а также дополнительными фотоприемниками, которые установлены в пространстве между отражателями секций источников света основной вертикальной панели, причем фотоприемники подключены к входам блока измерения освещенности, а горизонтальные секции источников света дополнительной вертикальной панели к соответствующим выходам блока управления включением секций.

В предлагаемом устройстве, реализующем предлагаемый способ, последовательное включение горизонтальных секций источников света по мере роста растений, обеспечивающее адекватность создаваемого осветительными панелями светового потока площади листовой поверхности вегетирующих растений, осуществляется автоматически. Поэтому задача обеспечения эффективности использования электроэнергии при искусственном освещении решается без участия оператора.

Технический результат в заявляемом частном случае устройства выражается в создании более благоприятных условий развития растений за счет двустороннего облучения. При этом можно удвоить рядность (и количество) размещенных между панелями растений и дополнительно повысить эффективность использования электроэнергии при выращивании растений.

На фиг. 1 представлены схемы, поясняющие заявляемый способ выращивания растений с использованием одной (а) или двух (б) вертикальных панелей с горизонтальными секциями источников света, формирующими раздельное по высоте зоны с горизонтально расположенными потоками облучения (показано включение секций, соответствующих положению листовой поверхности растения); на фиг.2 схематическое изображение заявляемого устройства для выращивания растений с одной (основной) вертикальной панелью источников света, фотоприемниками и блоками автоматики, обеспечивающими последовательное включение секций с горизонтальными потоками облучения по мере роста растения; на фиг.3 аналогичное устройство с двумя вертикальными панелями источников света.

Для осуществления предлагаемого способа используют одну (фиг.1а) или две (фиг. 1б) вертикальные панели 1 с горизонтальными секциями 2 источников света. В качестве источников света применяют расположенные горизонтально люминесцентные лампы (трубки), лампы накаливания, установленные горизонтальными рядами, либо другие линейные или точечные источники. С помощью отражателей 3, например параболического профиля, формируют раздельные по высоте зоны 4 с горизонтально расположенными потоками облучения. Растения 5 в контейнерах 6 устанавливают на стеллаж 7 в одни или несколько рядов сбоку от одной вертикальной панели (фиг.1а) или между двумя такими панелями (фиг.1б). При выращивании растений, начиная с проростков, вначале включают только нижнюю секцию 2, формирующую нижнюю зону с горизонтально расположенным потоком облучения. По достижении листьями растений второй по высоте зоны включают источники света второй секции (фиг.1а). аналогично по мере вхождения вершин растений в следующие зоны осуществляют их последовательное включение. При опадании нижнего яруса листьев взрослых растений (огурцов или томатов) нижнюю секцию источников света выключают (показано на фиг.1б) Включение и выключение горизонтальных секций источников 2 света производят вручную или автоматически путем измерения затенения листьями растений фотоприем- ников, устанавливаемых с противоположной от источников света стороны растений.

Предлагаемое устройство для выращивания длинностебельных растений с использованием искусственного освещения, в котором осуществляется автоматическое последовательное включение зон по мере роста растения, содержит (фиг.2) основную вертикальную панель 1 с источниками 2 света, вдоль которой установлен стеллаж 7, служащий для размещения растений. Источники 2 света выполнены в виде разнесенных по высоте горизонтальных секций, которые снабжены отражателями 3, служащими для формирования раздельных по высоте зон 4 с горизонтальными потоками облучения. Устройство снабжено фотоприемниками 8, блоком 9 измерения освещенности и блоком 10 управления включением секций, соединенными в последовательную цепь. Секции с источниками 2 света подключены к соответствующим выходам блока 10 управления их включением. Фотоприемники 8 установлены рядами на границах соприкасающихся зон 4 с противоположной от вертикальной панели 1 стороны стеллажа 7. При этом каждый ряд фотоприемников 8 связан через блоки 9 и 10 только с расположенной над ним секцией 2.

Выращиваемые растения 5 в контейнерах 6 в возрасте проростков устанавливают на стеллаже 7 вдоль вертикальной панели 1 с горизонтальными секциями источников 2 света и включают нижнюю из секций источников 2 света. Эта секция формирует нижнюю зону 4 с горизонтально расположенным потоком облучения. Остальные секции с источниками света при этом выключены. По достижении растениями верхней границы нижней зоны облучения вершины растений перекрывают световой поток, падающий на нижний ряд фотоприемников 8. Это приводит к уменьшению сигналов фотоприемников до порогового значения, прохождение через который регистрируется блоком 9 измерения освещенности и через триггер блока 10 управления включением вырабатывает команду на включение второй по высоте горизонтальной секции источников 2 света. Увеличение освещенности нижних фотоприемников при включении второй секции не меняет состояния триггера благодаря блокировке его входов на время включения второй секции ждущим мультивибратором. В результате оказываются включенными две нижние горизонтальные секции источников света 2. Аналогично по мере роста растений фотоприемники 8, блоки 9 и 10 обеспечивают последовательное включение следующих по высоте секций источников света, формирующих соответствующие зоны с горизонтально расположенными потоками облучения. В случае выращивания растений с опадающим нижним ярусом листьев у взрослых растений (огурцы, помидоры) нижнюю секцию после опадания нижних листьев выключают. Если опавшие листья возобновляют беспрепятственное попадание светового потока на нижний ряд фотоприемников 8, автоматически выключается вторая снизу секция источников 2 света при прохождении сигналом нижнего ряда фотоприемников порогового значения снизу вверх.

Вариант устройства для выращивания длинностебельных растений (фиг.3) снабжен дополнительной вертикальной панелью 1 (справа) с горизонтальными секциями источников 2 света, которая расположена с противоположной от основной панели 1 (слева) стороны стеллажа 7. В пространстве между отражателями 3 секций источников 2 света основной панели 1 (слева) расположены рядами дополнительные фотоприемники 8, которые подключены к соответствующим входам блока 9 измерения освещенности. Горизонтальные секции источников 2 света дополнительной вертикальной панели 1 (справа) подключены к соответствующим выходам блока управления включением секции.

Выигрыш в потреблении электроэнергии при использовании изобретения следующий.

Пусть число ламп (источников 2 света) в каждой горизонтальной секции n, число секций (и соответственно, зон облучения) m, а мощность, потребляемая каждой лампой, Р. В течение вегетационного периода в условиях выращивания растений при искусственном освещении свет излучается в течение t чаcов в сутки, а весь период освещения растений до их созревания составляет К суток.

В способе и устройстве прототипе все лампы вертикальной панели включены одновременно, поэтому общая энергия, затрачиваемая на получение хозяйственно полезной биомассы, составит для прототипа E_прот pmntK.

В предлагаемых способе и устройстве секции источников 2 света вертикальной панели 1 включаются последовательно, начиная с нижней. При выходе растений из первой зоны облучения во вторую они освещаются одновременно первой и второй зонами. При выходе из второй и переходе в третью освещаются тремя зонами и так далее до достижения ими предельной высоты.

Если конечная высота растения L полностью перекрывается зонами облучения, а l₃ высота одной зоны 4 с горизонтальным потоком облучения, то L l₃m. Мощность одной горизонтальной секции источников света 2 составляет pn. При условии постоянной скорости роста растений различные горизонтальные секции источников света потребляют электроэнергию, определяемую выражениями: 1-я (нижняя) секция Е₁ pntK 2-я секция E₂=pntK1 3-я секция E₃=pntK1 4-я секция E₄= pntK1 m-я секция (верхняя) E_m=pntK1 Общая потребляемая электроэнергия при выращивании растений составит: E_изобр E_i=pntK1+1 +1 + _... +1 c учетом того, что получим окончательно: E_изобр=E1 (m-1)
Из полученной формулы видно, что выигрыш в потреблении электроэнергии для изобретения по сравнению с прототипом составляет для различного числа зон освещения: m 3 33% m 5 40% m 10 45% m 20 46,5%
Рациональное количество зон, при котором достигается выигрыш в потреблении электроэнергии уже на 40% составляет m5.

При выращивании огурцов и томатов экономия электроэнергии будет еще больше за счет выключения нижних зон облучения при опадании нижнего яруса листьев. Например, при К 100 суток и m 5, возможно после 20 суток выключить 1-ю зону облучения, после 40 и вторую. Тогда экономия электроэнергии по сравнению с прототипом составит 52%
Таким образом, предлагаемые способ и устройство обеспечивают значительную экономию электроэнергии, достигающую 40.50% и более.

Формула изобретения

1. Способ выращивания длинностебельных растений с использованием искусственного освещения, включающий боковое одностороннее или двустороннее облучение растений вертикальными панелями источников света и изменение в процессе роста растений положения светового потока упомянутых источников, отличающийся тем, что с помощью горизонтальных секций источников света формируют раздельные по высоте зоны с горизонтально расположенными потоками облучения, фиксируют достижение вершинами растений очередной зоны, а включение секций осуществляют последовательно, начиная с нижней, по мере достижения вершинами растений очередной зоны, при этом отключение нижних секций осуществляют при уменьшении биомассы растений в соответствующей этой секции зоне ниже заданной величины.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что задают величины прошедших через зону выращивания растений световых потоков на включение и отключение соответствующим им источников света, регистрируют текущую величину прошедшего через зону выращивания светового потока от каждой зоны, сравнивают заданные и текущие для данной зоны величины и по результатам сравнения включают или отключают соответствующие источники света.

3. Устройство для выращивания длинностебельных растений с использованием искусственного освещения, содержащее основную вертикальную панель с источниками света, вдоль которой расположен стеллаж для выращивания растений, отличающееся тем, что источники света выполнены в виде разнесенных по высоте горизонтальных секций, которые снабжены отражателями для формирования раздельных по высоте зон горизонтального потока облучения, а устройство также снабжено фотоприемниками, блоком измерения освещенности и блоком управления включением секций, соединенными последовательно, секции подключены к соответствующим выходам блока управления их включением, а фотоприемники установлены с противоположной от вертикальной панели стороны стеллажа на границах соприкасающихся зон.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной вертикальной панелью с горизонтальными секциями источников света, расположенной от основной секции стеллажа, а также дополнительными фотоприемниками, которые установлены в пространстве между отражателями секций источников света основной вертикальной панели, причем дополнительные фотоприеники подключены к входам блока измерения освещенности, а горизонтальные секции источников света дополнительной вертикальной панели- к соответствующим выходам блока управления включением секций.