CN102742473B - 用于下沉式温室大棚的植物生长条件维持系统 - Google Patents

Abstract

一种用于下沉式温室大棚的植物生长条件维持系统和使用该系统的下沉式温室大棚。所述系统包括空气加热装置和风力发电装置。空气加热装置包括安装于下沉式温室大棚的墙体上的散热片和安装在散热片内的电阻加热器。风力发电装置安装于风场，将风能转换为电能后传送给空气加热装置的散热片中的所述电阻加热器。使用该系统的大棚能够利用较为环保的风能改善冬季植物生长所需的温度和光照度条件。

Description

用于下沉式温室大棚的植物生长条件维持系统

技术领域

本发明一般地涉及一种用于下沉式温室大棚的植物生长条件维持系统和使用该系统的温室大棚，更具体地，本发明涉及一种利用风能的无污染环保型用于下沉式温室大棚的植物生长条件维持系统和使用该系统的温室大棚。

背景技术

温室(greenhouse)又称暖房，是一种能透光、保温(或加温)，用来栽培植物的设施。在不适宜植物生长的季节，能提供生育期和增加产量，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。温室的种类多，依不同的屋架材料、采光材料、外形及加温条件等又可分为很多种类，如玻璃温室、塑料温室；单栋温室、连栋温室；单屋面温室、双屋面温室；加温温室、不加温温室等。温室结构应密封保温，但又应便于通风降温。现代化温室中具有控制温湿度、光照等条件的设备，用电脑自动控制创造植物所需的最佳环境条件。基于温室条件开展农业生产安排的农业活动一般叫做设施农业。目前在我国，特别是温度较低的北方地区，设施农业技术得到了重视、发展和推广，为提高土地产出，提升农产品附加值和增加农民收入做出了重要贡献。

温室建设必须因地制宜，温室类型必须根据当地地理条件、气候条件、当地能够实际投入的资金和长期运行费用等因素全面综合地确定才能充分发挥预期作用。例如，玻璃温室的保温效果好于塑料大棚，下沉式塑料大棚的保温效果又好于地面大棚，但是，玻璃温室的造价和维护费用远远高于塑料大棚。

以本发明发明人所处的河北省张家口市崇礼县为例。崇礼县境内气候属东亚大陆性季风气候中温带亚干旱区。由于所处地理位置和地形的影响，冬季空气活动频繁，春季气温回升快，但波动较大，结霜期较晚，雨量偏少，大风日数较多；夏季凉爽而短促，气温比较稳定，昼夜温差较大，雨量集中，由于山区的地形影响，时有冰雹、暴雨灾害；秋季气温下降迅速，初霜出现较早。全县平均气温的分布受地形、地势影响很大。等温线基本上是东北一西南走向，北部靠近坝头的石窑子、狮子沟等乡年平均气温为0-20℃。

在这种自然条件下，采用一般的地面塑料大棚只能种植一季应季蔬菜，如彩椒、豆角等，近年来随着区域内大棚种植面积的推广，产品有价格下降、同质化竞争加剧的趋势，识别将影响到农民收入的持续增长。在这种情况下，为了延长始于植物生长的可耕作时间，境内已开展了下沉式日光温室的试验，并在境内南部区域取得了一定效果，然而在温度相对较低的北部地区，温室内的温度仍不够理想，同时，由于为了保温而采用多层膜覆盖，也影响了透光效果，植物日照受到限制。使用燃料加热温室固然能够提高温室温度利于植物生长，但是燃料价格将导致种植利润大大降低，同时，在境内如果大范围使用化石燃料必然会导致严重污染，与崇礼县“绿色崛起”和“旅游立县”的发展方针相悖。

因此，需要一种立足本地自然条件特点的无污染环保型用于温室大棚的植物生长条件维持系统和使用该系统的温室大棚。

发明内容

本发明提供了一种利用风能的用于下沉式温室大棚的植物生长条件维持系统，所述系统包括：空气加热装置，其包括安装于下沉式温室大棚的墙体上的散热片和安装在散热片内的电阻加热器；风力发电装置，其安装于风场，将风能转换为电能后传送给空气加热装置的散热片中的所述电阻加热器。

根据本发明的实施例，所述系统还包括由半导体发光元件构成的光照补偿装置，其悬挂安装于支撑下沉式温室大棚顶部的支架上，发光方向指向地面。根据本发明的实施例，所述系统还包括与光照补偿装置耦合的温差发电装置，温差发电装置包括半导体发电组件，所述半导体发电组件的热端与空气加热装置耦合，冷端暴露在下沉式温室大棚的外部空气中，半导体发电组件产生的电能传递给所述光照补偿装置。根据光照补偿的要求，可用外部控制信号导通或断开所述光照补偿装置和所述温差发电装置之间的电连接，从而提供适当的光照补偿。

根据本发明的实施例，构成温差发电装置的半导体发电组件基于塞贝克效应制成，所述风力发电装置由机头、转体、尾翼、叶片组成，其电力输出直接耦合到空气加热装置中的电阻加热器。

本发明还提供了一种下沉式温室大棚，在所述大棚内安装了根据本发明实施例的植物生长条件维持系统。

根据本发明实施例的用于下沉式温室大棚的植物生长条件维持系统以风能作为调节温室大棚内环境的能量来源，无需燃烧化石燃料就可以为大棚补偿自然散失的热量，并提供必要的光照补偿，从而在不污染环境的条件下促进大棚内植物作物更好的生长，有利的延长了设施农业在本区域内的有效时间耕作时间。

附图说明

结合附图，从本说明书的描述能够更全面地理解本发明，在附图中，相同的参考符号代表相同元件：

图1示出了根据本发明实施例的植物生长条件维持系统的配置；

图2是使用根据本发明实施例的下沉式温室大棚的侧视图。

具体实施例

下面将参考附图描述本发明的实施例。

图1示出了根据本发明实施例的植物生长条件维持系统的配置。根据图1所示实施例，植物生长条件维持系统包括风力发电装置101和空气加热装置102，空气加热装置102被安装在由虚线框100代表的下沉式温室大棚内，风力发电装置101则安装在下沉式温室大棚外的风场中。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度(微风的程度)，便可以开始发电。因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，因此是一种非常环保的能源。在崇礼县境内，每年冬季温度降低需要对大棚增温的同时，风力也较强，因而风能的供给较有保障。

用于植物生长条件维持系统的小型风力发电装置效率可以很高。典型的小型风力发电装置包括：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电装置因风量不稳定，故其输出须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电装置产生的电能变成化学能，然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成一定电压和频率的交流电，例如50Hz、220v市电，才能保证稳定使用。在本发明的应用环境中，由于对风能最主要的最终用途是通过电阻热效应加热大棚空气或土壤，因而对风力发电装置输出的电能的电压和频率并无要求，因此，当无需使用风力发电装置输出的电能驱动大棚内的其他装置，例如环境参数监控系统、水泵、卷帘机等时，为了降低建设成本，可以把风力发电机的输出直接供给电阻加热器，从而省去充电器、逆变器等成本。

风力发电装置101可以是现有技术中已知的任何类型的风力发电装置。风力发电装置101最好设置在距离温室大棚3公里以内的风场中，风场场址的风能资源最好达到年平均风速在6米/s以上，年平均有效风功率密度不低于300瓦/m2，最好大于400瓦/m2。在风能资源有保障的前提下，应尽可能缩小大棚与风力发电装置101之间的距离以减小设备投资和运行时的电能损耗。优选地，这一距离为1公里以内。

空气加热装置102包括多个散热片102S和安装在散热片内的电阻加热器102R。尽管在图1中将散热片102S描绘为圆柱形，但是本领域技术人员知道，散热片102S可以被制作成便于散热的各种形状，例如常见的鳍状散热片。电阻加热器102R可以使电阻丝，安装在散热片102S内部，并与其绝缘。在散热片102S内填充导热介质，例如煤油或水，或者其他能够作为导电介质的液体。空气加热装置102安装在下沉式大棚的保温墙墙体上，一种典型的安装形式如图2中所示，即多个圆柱形的散热片102S贴近墙体表面，相互平行的安装，这些外观为圆柱形的散热片的轴线平行于墙体表面。

风力发电装置101输出的电信号经过线路101W施加于安装在散热片102S内部的电阻加热器102R，由此风能被首先转换为电能，然后再转换为热辐射用于加热温室大棚。

根据本发明的另一实施例的植物生长条件维持系统还可以包括由半导体发光元件构成的光照补偿装置104和为其供电的温差发电装置103。半导体发光元件可以是发出可见光的发光二极管，其发出的光可以是白光，或者，可以根据种植需求选择安装发出其他波长或者颜色的发光器件。

温差发电装置103由半导体发电组件103A-103B构成。半导体温差发电装置是一种利用温差直接将热能转化为电能的全固态能量转化发电装置，它无需化学反应且无机械移动部分，因而具有无噪音，无污染，无磨损，重量轻，使用寿命长等种种优点。半导体温差发电器件是根据塞贝克效应制成的，即把两种半导体的接合端(热端103A)置于高温，处于低温环境的另一端(冷端103B)就可得到电动势E＝As(T2-T1)。式中As为塞贝克系数，塞贝克系数As是由材料本身的电子能带结构决定的；T2-T1为温差。

例如，一种市场上能够获得的半导体发电组件单元的外形尺寸为40mm×40mm×4mm，共有127对PN结，具有一定的耐高温特性(热端稳定工作温度可达180℃，最高短时冲击温度220℃)，热电转化效率超过10％。根据大棚种植面积和期望的光照补偿能力可以确定光照补偿装置所需要的的半导体发光元件的数量，从而可以进一步确定所需的半导体发电组件单元的数量。例如，当给出对光照补偿能力的需求以及单个半导体发光元件的光照度参数后，通过简单运算即可确定半导体发光元件的数量。此后，根据半导体发光元件的电学参数可确定所需的半导体发电组件单元数量。

图2是使用根据本发明实施例的下沉式温室大棚的侧视图，在该侧视图中，大棚的保温墙墙体平面垂直于纸面。典型的下沉式温室大棚的尺寸为(不包括保温墙体所占面积)：宽度12米，长度50米。如图2中所示，光照补偿装置104悬挂安装于支撑下沉式温室大棚顶部的支架上，发光方向指向地面。光照补偿装置104在垂直方向上的高度可调整，使其在工作时能够更接近被照射的作物。此外，尽管图2中未示出，但是下沉式温室大棚一般都设有通风窗，用于调整棚内温度和湿度，并通过空气交换带走大棚内积聚的含有致病细菌或真菌的微小悬浮粒子，减少大棚职业病的病原微生物。通风窗可以设置在大棚顶部，也可以设置在大棚的两个相对侧面，也可以在上述位置同时设置。大棚通风窗可人工操作，也可以通过远程控制，以电机驱动。此外，尽管图2中未示出，但是在大棚内部中央位置，还可以设置一空气电离装置，用于净化棚内空气。一种简单的空气电离装置用变压器产生高压电，施加于相隔几毫米的两个尖锐的电极，可对空气进行电离。

半导体发电组件被安装在加热装置的最上方，使其热端103A与空气加热装置最上方的散热片耦合，冷端103B则能够暴露在下沉式温室大棚的外部空气中，依靠外部的冷空气降温。为便于安装，必要时可以专为半导体发电组件增加专用散热片，使其位于温室大棚的边界，便于设置半导体发电组件的热端和冷端。

半导体发电组件产生的电能传递给所述光照补偿装置104。可用外部控制信号导通或断开所述光照补偿装置和所述温差发电装置之间的电连接。当白天光照充足时，可以关闭光照补偿装置104以延长其使用寿命；当光照不足或者夜间时可以将其开启，促进植物生长。

尽管在图中未示出，但是根据本发明的一个实施例的植物生长条件维持系统还可以包括在下沉式温室大棚内分布式设置的环境参数传感器和接收环境参数传感器数据的数据接收设备。所述环境参数传感器均为集成了ZigBee芯片的无线传感器，可以监测温度、湿度、光照度等各种与植物生长密切相关的环境参数。传感器和数据接收设备之间进行无线通信，数据接收设备通过有线或者无线网络耦合到用于监测和控制下沉式温室大棚内的植物生长条件的控制终端。

控制终端内预先存储适于大棚内当前种植的作物生长的温度参数，当控制终端检测到棚内温度超过所述温度参数时，开启设置于下沉式温室大棚两端的通风设备(图2中的105A和105B)，利用外部冷空气降温，或者，控制终端可以切断风力发电装置与空气加热装置之间的电连接，停止对大棚进行加热。

根据本发明的另一个实施例的植物生长条件维持系统还可以包含土壤加热装置，如图2中所示。土壤加热装置的散热片109S埋藏于大棚内土壤下方，其内装有电阻加热器。土壤加热装置与空气加热装置类似，但是由于植物对土壤温度更为敏感，因此，在使用土壤加热装置时，必须做好土壤温度监测，增加埋藏于土壤中的温度传感器，并在土壤温度达到预先设定的温度时及时停止加热。

此外，控制终端内可以预先存储适于大棚内当前种植的作物生长的光照度参数，当控制终端检测到棚内光照度低于所述光照度参数时，自动地导通所述光照补偿装置和所述温差发电装置之间的电连接以使所述光照补偿装置发光。

在中国专利申请申请号CN201110311645、CN201020589247、CN201120152217和CN201010249890中均公开了在大棚内设置无线传感器网络监测环境参数并通过计算机等控制终端自动调整大棚内环境参数的方法和装置，其公开内容通过引用被全部包含于此。

另外，虽然在本发明中描述了将植物生长条件维持系统用于下沉式温室大棚，但是本领域技术人员能够认识到，其他类型的大棚也可以应用本发明的植物生长条件维持系统。例如，对于简单的速率大棚，可以把空气加热装置设置在大棚中央，便于其均匀加热棚内空气。

前面的示范性实施例并且不应被理解为对本发明的限制。本领域技术人员将容易理解，不实质上偏离本发明概念的新颖教导和益处，在示范性实施例中很多修改是可能的。因此，预期所有这些修改要被包括在本发明概念的如权利要求中所定义的范围内。

Claims (5)

1.一种用于下沉式温室大棚的植物生长条件维持系统，包含：

空气加热装置，其包括安装于下沉式温室大棚的墙体上的散热片和安装在散热片内的电阻加热器；

风力发电装置，其安装于风场，将风能转换为电能后直接传送给空气加热装置的散热片中的所述电阻加热器；风力发电装置与大棚之间的距离在1公里之内；

由半导体发光元件构成的光照补偿装置，其悬挂安装于支撑下沉式温室大棚顶部的支架上，发光方向指向地面；

半导体发电组件构成的温差发电装置，半导体发电组件的热端与空气加热装置耦合，冷端暴露在下沉式温室大棚的外部空气中，半导体发电组件产生的电能传递给所述光照补偿装置，其中，可用外部控制信号导通或断开所述光照补偿装置和所述温差发电装置之间的电连接；

其中，构成温差发电装置的半导体发电组件基于塞贝克效应制成，所述风力发电装置由机头、转体、尾翼和叶片组成，其电力输出直接耦合到空气加热装置中的电阻加热器；

在下沉式温室大棚内分布式设置的环境参数传感器和接收环境参数传感器数据的数据接收设备，所述环境参数传感器均为集成了ZigBee芯片的无线传感器，传感器和数据接收设备之间进行无线通信，数据接收设备通过有线或者无线网络耦合到用于监测和控制下沉式温室大棚内的植物生长条件的控制终端；

控制终端内预先存储适于大棚内当前种植的作物生长的温度参数，当控制终端检测到棚内温度超过所述温度参数时，开启设置于下沉式温室大棚两端的通风设备，或者切断风力发电装置与空气加热装置之间的电连接；

且控制终端内还预先存储适于大棚内当前种植的作物生长的光照度参数，当控制终端检测到棚内光照度低于所述光照度参数时，导通所述光照补偿装置和所述温差发电装置之间的电连接以使所述光照补偿装置发光。

2.如权利要求1所述的用于下沉式温室大棚的植物生长条件维持系统，还包含土壤加热装置，土壤加热装置的散热片埋藏于大棚内土壤下方，其内装有电阻加热器，其中，所述空气加热装置和所述土壤加热装置的导热介质为存储于散热片内的煤油。

3.如权利要求1或2所述的用于下沉式温室大棚的植物生长条件维持系统，其中，根据大棚种植面积和期望的光照补偿能力确定光照补偿装置所具有的半导体发光元件的数量。

4.如权利要求1-3中的任何一个所述的用于下沉式温室大棚的植物生长条件维持系统，其中，光照补偿装置工作时发出的光为白光，并且光照补偿装置在垂直方向上的高度可调整，使其在工作时更接近被照射的作物。

5.一种下沉式温室大棚，其包含如权利要求1-4其中之一所述的植物生长条件维持系统。

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