CN101530043A - 太阳能有机农产品禽畜品高产多用大型温室 - Google Patents

Abstract

以太阳能的高效采集、光电-热转换和贮存利用的技术为基础，以复合保温和具反光能力的卷帘墙以及光导块的季节性灵活应用和电网的设置，实现对热、光、气、风和水的按需调控以及对有害生物的严防，使大型温室环境有与大地自然环境相似的植物(动物)生长条件，它可使种植(养殖、烘干)产业高产又高品质，保证食品安全。它不消耗一次性能源，不污染环境，有高温杀菌、虫、草籽的功能，此设施节能、节地、节水、节肥料和农药；机械化耕作，显著提高劳动生产率，提供价格低廉的有机食品。由于温室可对各种生长因素进行有效甚至定量调控，温室内的高产经验也可为同种类植物在大田环境的高产作借鉴，也可为粮食作物和果蔬类等的精细农业提供试验设施。

Description

太阳能有机农产品禽畜品高产多用大型温室

本发明属于农业工程设施，太阳能利用技术。

温室技术是现代农业的主要工程设施，它对农业的增产增收起了重要作用。对许多果蔬的反季节栽培更是不可或缺的技术。但它也有许多不足之处：它消耗一次性能源；使产品的品质下降；往往离不开化肥和农药，使有机食品难以推广；只能手工作业，劳动强度大，生产率低；土地浪费严重；与大田环境有很大不利的差别。本人发明的《太阳能多用可调控温室》和《太阳能多用有机农畜品高产大田温室》消除了上述不足的大部分，但不够完美，主要表现在：对植物、动物生长发育的增产、提质因素缺乏全面的调控，对相关资源(土、肥、水、光、热、风、电等)相关技术成果未能充分利用，温室环境与大地自然环境仍有不少的差别。本发明通过一系列的技术措施，使大型温室趋于完美，基本上消除了温室与大自然环境的差别，而且要优于后者。

本发明为一个系统工程。下面先介绍大型温室的整体情况。图1示大型温室由东(E)、南(S)、西(W)、北(N)四个长形温室围合而成。图中d为各温室的出入门，其中的D门很大，可供耕作机械和汽车出入。SUN为四个温室围成的大院，它的面积可以任意大；且越大，大型温室的节能节地节材和适于机械化耕作的优越性更为突出。大院和4温室统一由一个顶棚覆盖，形成一个半封闭的空间(只有出入大门和必要的顶棚上的通气孔)。在这个四合院的“墙”体中，只有最南面的粗细线所示位置为高效采集阳光的光导块所全面覆盖，其余的“墙”面均由隔热反光的墙帘构成(粗黑线位置)。顶棚下的4个温室及大院，它们的温、湿度可以统一调控和种植各类作物，也可分别调控种植对温湿度有不同要求的各种作物。大型温室在不消耗一次性能源的情况下，可以给所有植物(以及动物)以最佳的温湿度、光照、无虫菌害环境和土肥等条件，使它们高产、高品质和低成本。要使农业在这三方面更突出且更加环保，实施精细农业是必然的趋势。在大型温室的条件下，植物生长的各种因素都可以有效调控，因此本发明为精细农业的可行提供了必要的条件。

大型温室：植物生长有许多因素，它们因植物种类而异，即使是同种植物，其不同生理阶段也有不同的最佳因素指标，因此，调控这些生长因素，使它们满足对某种植物及其不同生理阶段的最佳需要，使它们优质高产又不影响生态环境，是农业生产追求的当代目标。大型温室就是要为各种植物提供各种最适宜的生长条件。温室有许多大地环境无法比拟的优越性，但也有不如大地环境的地方，如阳光的充足程度和光谱组成，通风条件及二氧化碳的满足程度等。大型温室在不消耗一次性能源的突出优势下，要最大限度地趋利——发挥温室的种种优点，且最大限度地避害——让植物能受到大自然的阳光、空气风流和空气成份。这是大型温室要达到的目的。

大型温室是这样实施的：

如图1所示，按照图1的大小(要求南北宽60米，东西长200米)和高度(南温室的南“墙”净高1.8米，北温室北墙高23米)。设计钢结构框架，它由一个矩形加向正南倾斜的平面钢结构件构成的。此框架在D的位置设大门，高宽各3米，在d的位置设小门，高1.8米，宽1.5米。S温室的南墙面要设光导块，框的大小要与光导块大小一致。W、N和E是温室的框架，要求是统一的：黑线位置需要安装卷帘墙，各卷帘可根据光照和天气，卷起或放下，放下时接地要严密(不透风)。因墙很长，可分段安装卷帘墙，这时各段的接缝要严密。在严寒地区各室的外墙要做成双层的，内外两层的纵向接缝要错开。顶棚桁架是一个倾斜的钢结构件，它上面要安装三层设施：

①光导块和太阳电池：(其上也有光导块作盖板)，它们倾向长，均为水平宽度2米，沿走向宽度均为1.5米。它们沿走向按光导块、太阳电池和光导块排列和循环。附图2为顶棚的平面投影图，其中A为光导块，B为太阳电池，C为光导块。A和C在非采暖季节要取下(所以大多月份为空档)，其目的是给院内植物以天然光谱的阳光和直接降水。在A、B、C中，B处于相对最高位置，以保证雨水不浸湿太阳电池。每一行的下端留有空隙，以便雨水下泄。附图2之下为顶棚倾向剖面图，其中的下倾斜面为带漏水孔的接雨板，它把较高的光导块流下来的水接纳，由漏水孔向下散“雨水”。

②防虫电网：整体金属框架的次外侧，即四周卷帘墙之内侧以及顶棚光导块和太阳电池之下的位置均有孔眼为2*2mm的铁丝网(它固定于瓷瓶之上)。铁丝网由太阳电池(或锂离子蓄电池)供电，通过脉冲发生器，产生不低于3000V的高压脉冲，脉宽0.3S左右，但电流不大。此电网可有效防止昆虫和鸟兽进入。

③补雨降温网：位于防虫电网之下，它对其上的两者起支撑作用，由下半部带小孔的塑料管，组成喷水管网，在干旱天气它可人工降雨补水，在十分炎热天气可用来降温，也可以用它喷晒液态的菌液和其它肥料。施菌液时，先洒菌液，后洒清水，就可将叶面菌液冲洗入土壤中。附图2中，各喷水管1由供水管2供水。喷水管下半圆的孔排呈辐射状排列，调整泵压可使喷出的液体远洒并遍及其上、下两侧。

本发明的这部分是这样具体实施的，附图3为图1的南温室的南北向示意剖面图。其中：1为南墙的立面安装的光导块。2为倾斜安装的光伏电池陈列和光导块。其向南倾，倾角可按当地的纬度减去20°。在当地纬度小于20°时，陈列取水平位置。光导块和光伏电池陈列两者各占一半面积且相间排列。3为北墙，为隔热玻璃幕墙。4为热风源管，热风来源于地下的光-电的电-热转换和连续恒温利用装置。5为水平布置的缝隙式放热气管，它只在冬天需要保温时使用。它放出的热气温度在40℃左右，热气沿光伏电池陈列底面和光导块的斜坡，逆坡向流动，为它们的底板面加温，防止大田温室内热量损失，最后由总排气管6排出。6为总排气管，它也是缝隙式的，但作用是吸气外排。7为凉风管，凉风来自附近可贮冷量的空间(地下室、地道、人防工程、较深的地下水体等)。8为沿四周墙根分布的缝隙式放凉气管(必要时它还可喷水降温、增湿和喷灌，为喷灌，喷头应可旋转以使喷水分布较广)。9为顶棚支柱。10为支柱外套管，外套管外表面有反光材料，且凹凸不平(可粘上细小玻璃碎块)。11为行人道及其反光材料。12为防撞蹬，它可防止耕作机械撞坏支柱，也供人登高用；它还是备用的作物棚架支撑点。13为墙脚下的放风窗，它位于四墙的底部，有铁纱防止动物进入，有门可开关，但平常不开。夏天夜晚，把它打开可将低温空气放入室内。这低温空气使室内植物和土壤等降温，所蓄冷量用于白天降温。放风窗也可用于调节温湿度。14为遍布各立面、柱面和顶棚下沿的Led灯，其电源由有阳光时贮于蓄电池的电量提供。光导块1分别向水平方向(大箭头①所示)和向下、向斜下(大箭头②所示)投射阳光。它们除直射光外，还制造大量反射光和散射光，它们使作物的上部和下部，叶的正面和反面，植株各部位的非叶的绿色组织都得到充足的阳光，从而发挥它们的光合作用。顶棚上的部分光导块也垂直、斜向地投射阳光(大箭头③、④所示)。塑料管的作用有两：将顶棚阳光引向柱基，由柱基的反射镜以40°左右的反射面反射阳光；利用顶棚附近与地面上的空气温度差，实现空气的对流。有了对流和反光、散射光，植物就不会因过度茂盛而致病减产，反能显著增产。温湿度的大幅调控，可使大田温室技术适用于所有气候带和一年四季，适用于所有作物。

卷帘墙可以卷起，这时南温室就与其北侧SUN大院连成一体，两者有相同的温湿度。

若将图3的1，即光导块换成卷帘墙，则图3就成了其余各温室的剖面图。

图1中的SUN大院很大，应增加几排顶棚支柱和支柱外套。图中西北角(东南角)的虚线是北温室与西温室(南温室与东温室)的分界，也是卷帘墙。这两个分界帘，使整个大型温室形成东、南、西、北四温室和SUN中心温室。由于温度可分别控制，它适用对温湿度与通风有不同要求的植物的栽培(或不同动物的养殖)。如果有果品和蔬菜等需要烘干，也可将其中的温室将温度提高到100℃或更高(只要卷帘耐得住高温)。

卷帘是大型温室特有的构件之一。它的主要功能是采暖期的保温，所以它有里、中、外三层，里、外层应有很强的反光能力，以造成院内的散射光环境，也起冬保温、夏隔热的作用；中间为保温纤维；在严寒地区，可在里层下加电阻丝(类似于电热毯)，必要时接电加热。大型温室在采暖期的保温主要靠外圈的卷帘墙，所以这圈的卷帘的保温纤维层要厚。其余的卷帘主要起分隔作用，这些帘的两侧的温差不大，传导散热作用不大，卷帘夹层可做得较薄，但其内外层的反光性能要好。在非采暖季节，卷帘可适度适时卷起，以保持大型温室有良好的通风条件；只在需要保温或加强反射形成散射光时才放下。例如，春分和秋分日前后，太阳从正东升起，在正西下山，在这季节可早晨放下东温室内圈的卷帘(卷帘直立)，对东来的阳光起反射作用；在下午，放下西温室内圈的卷帘形成对西来的阳光的反射。类似的，卷帘也可对由顶棚投射下来的阳光进行反射。漫射光线对植物光合作用的效果，比直射阳光要高；由下至上的反射阳光，使叶托、花托和枝干的绿色组织得到充足的阳光，这两方面都是大型温室特有的增产因素。大型温室的最外圈的卷帘墙，也可改为简单的挂帘，在采暖期起保温作用；过采暖期摘下平放在钢架外的地面上，用它向室内反射阳光。

太阳能高效采集技术：太阳能的能量密度太低，通常的采集利用方法要占很大的面积。本项目利用光的折射与全反射原理，实现对阳光的高效采集和任意方向的传输，从而使阳光的热利用效率成倍提高，使—电转换过程，以较小的太阳电池使用面积上实现加倍的转化效率，并且比采用透镜或抛物面镜的聚光更简单，也不用各种跟踪方法的复杂装置。

光导块选用高透明度(透光率达92％，高于玻璃)、高折射率(n₁＝1.495)和耐紫外光老化性能极强的且其它物、化性能亦良好的聚甲基丙烯酸甲酸(PMMA)为原料，制成三种基本类型：平板型、角锥形和半球形。

平板形光导块可用PMMA粒料用塑料挤出机产出板材，经切割成一定使用尺寸即可。角锥形光导块的形状如图4。图4中，1为板形光导块制成的角锥，2为角锥前端的板形光导块，3为角锥外侧的涂层。涂层由PMMA加配少量GeO₂(使PMMA的折射率为N₂＝1.402)制成，这时n₁<n₂，光线在角锥内面形成全反射，聚光并射向锥顶4(锥顶4的光导块无涂层)由锥顶射出。锥体内腔抽成真空。当锥体的一个面(例如上面)延长时，阳光就射向下方向。平板形和角锥形的一个受光面圆锥角，它们的法线方向周围形成一个受光面圆锥角，它的顶角(接受角)等于最大入射角的θ_max的两倍。这光导块的采光效率η：

此式说明，当入射角小于1/2接受角时，阳光没有反射，全部折射进光导块，消除了阳光的余弦效应。当入射角大于1/2接受角时，光导块反射全部阳光。光导块平面的这种性质对冬季采暖的温室和建筑物是极为重要的。以PMMA制成的光导块的受光面圆锥角约为40°。冬季太阳的高度角也在40°附近。这说明，将光导块安装成立面，其法线方向指向正南，这时光导块可从日出到日落的整天内将阳光引入到温室内，可使温室的热源增加2倍以上。在春分日前后，到秋分日的前后，太阳从正东升起，正西入地平线，这些月份的阳光入射正南方向的入射角都超过1/2的顶角，太阳不能进入室内，而这季节正是温度和建筑物不需阳光、需要防热的时候。塑料的导热性能很差，非采暖季节它又不会引入阳光，所以光导块成了隔热材料。

太阳光电风电的电—热转换共贮与利用技术：

太阳能和风能都有不稳定的特点或中断的时候，而温室需要热能的季节在采暖期，采暖期最需要补温的时间在阴雨雪天和夜间。当温室用于烘干车间(工艺)时，它所需热量很大，往往不是太阳光能和风能的实时正常产能所能满足的。所以对光电和风电的贮存备用、实时按需(按所需热量和空气温度)取用是使太阳能趋于臻善臻美的必要条件。

本技术是这样实施的，将镍铬钢管埋于地下，在此钢管的地上的两端接上光电或风电(两者并联，但不使光电流入风力发电机)，使镍铬钢管成为电—热转换器件，所产热能，对管内流经的空气加热(这时调控通过的空气速度，可以改变输出的空气温度)，同时为管外的砾、砂、土等加热，并由它们传导向四周、向远方(这时砾、砂、土等是吸热即贮热介质和传导热的介质)。这时，砾、砂、土的温度是：紧贴钢管的一圈的温度与钢管同温度；离钢管较近处，温度很高；但离钢管越远温度降得越快；……最后变为非升温区。岩石的热容量很大，而导热系数则很小，所以，在加温过程，钢管周围岩石贮热量极大，但贮热岩石的范围扩大很慢，热量主要贮在近钢管周围。砾、砂、土中，有空隙，空隙中有空气。空气的热容量很小，对温度的反应敏感，温度升高，受热空气体积膨胀，它先向四周扩散，也将热量带向四方，先去加热岩石。反之，钢管停止供电，钢管周边的空气首先降温、体积缩小，远处的空气流近钢管，先为钢管加热。在钢管无电时，向钢管供热的主要是已经贮热的高温岩石。这时，钢管成了固—气和气—气热交换器。管外的热空气和热岩石的热量为流经管内的冷空气加温。这时调控管内的空气流量(即流速)，就可以较稳定地获取温室所需的一定温度的空气。这空气可为温室补温，也可以用于干燥工艺。

如附图5所示，左图为“U”型钢管的俯视图，右图为侧视图。图中1、2为“U”形钢管的竖直部分。1为钢管进气口，它与可调速的空气泵连接；它还是风力发电或光伏发电的接线柱。2为“U”形钢管的排气口，热空气可经它送传各种用热场所；它还是风-电或光-电输出的另一接线柱。只要场地足够大，1和2管段的间距尽可能大，它们的间距越大贮热能空间越大，这贮热用热装置能稳定供热的天数越多。1和2管段的垂直长度，取2m左右。3为“U”形钢管的水平部分。“U”形钢管的总长度(即1—3—2)和其断面积大小，应与光-电和风-电的输出的最小电能相匹配。4为钢管周围的砾石层。5为砾石外围的大致等粒径的砂层。6为未经筛分的一般沙土。7为保温材料层。8为混凝土地面，其功能是防止热空气流失；防止空气过热从而压力过大时地面开裂甚至爆炸；防止雨水渗入地下(这会使砂、砾层潮湿、导电)。9为弹簧式安全阀，当地下温度过高、空气体积膨胀、压力骤增超过混凝土地面的设计抗压强度之前，弹簧受压缩而放气降压。10为绝缘板(墙)，防止1和2之间的短路。当绝缘有保证时，也可不设此绝缘板。

为减少初期投资可以将光电和风电的生产能力设计得较小，个别特冷的年头若热量不够，可用低谷电补充。

Claims (10)

1.太阳能有机农产品禽畜品高产多用大型温室为与大地自然环境相似而又更佳的农业设施，其特征在于：

a.在《太阳能多用可调控温室》和《太阳能多用有机农畜品高产大田温室》的基础上进一步完善和扩充功能；

b.增加光电和风电的贮存与利用；

c.增加了灭菌、虫、草籽等功能，有防昆虫、鸟、兽等功能；

d.增加了夏季降温、增湿，冬季保温和通风功能；

e.三面围护结构均改成三层结构卷帘，且可按需要装、拆和利用；

f.增加了温室内的反光与散射光措施；

g.顶棚光导块可在不必要时拆下，使室内有自然光；

h.顶棚有1/3面积为太阳电池。

2.根据权利要求1所述特征，围护结构卷帘由内、中、外三层组成，内、外层具反光能力，中层为保温纤维，必要时加电阻丝。

3.根据权利要求1所述特征，以埋设地下的“U”形镍铬钢管为电—热转换器件，以及固—气和气—气热交换器件。

4.根据权利要求1所述特征，调控流经镍络钢管的空气量，以调节供给温室的气温、供气管铺设在地面上，在温室四周和中间位置。

5.根据权利要求1所述特征，围护结构是可装拆的，采暖季节用于保温，非采暖季节，用于反光。

6.根据权利要求1所述特征，整个温室为电网覆盖，由太阳电池或锂电池供电，电脉冲发生器产生高压电，防昆虫和鸟兽。

7.根据权利要求1所述特征，可将温度调到80℃上，以杀灭害菌、害虫和草籽，或以更高温度用于干燥工艺。

8.根据权利要求1所述特征，顶棚下安装喷洒水系统，可调控泵压以淋水或喷水雾。

9.根据权利要求1所述特征，太阳电池下有带孔的雨水承接板，它可向下洒“雨水”。

10.根据权利要求1所述特征，由南立面的光导块和当地纬度减20°角的顶棚倾斜面上的光导块以及覆盖有光导块的太阳电池高效采集阳光与利用。

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