CN103814775A - 一种密集型高光能利用率植物工厂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密集型高光能利用率植物工厂，其特征在于：包括植物生产车间，所述植物生产车间由一个植物栽培架组构成，所述植物栽培架组包括多排栽培架，所述的栽培架能在一轨道上平移；且所述栽培架组只设有一个单位宽度的可滑动移动式调节通道；所述栽培架具有N层，每层的顶部均设置有为该层提供光照的LED光源，每层还设置有可升降植株培养托盘和限位装置；所述限位装置用于识别植株顶部的位置，以配合控制系统为植株提供所需的光照。本发明的方案既可以采用较小的LED功率来满足植物生长所需的光照强度，实现节能的目的，又可以满足植物在不同的生长期对光照强度的不同需求，从而使植物在各个生长期都能得到最佳的光照，满足其快速生长的需求。

Description

一种密集型高光能利用率植物工厂

技术领域

本发明属于设施农业生产领域，通过滑动式支架的密集型栽种、植株高度的自动检测及LED光强的自适应调节系统来提高植物工厂的空间使用效率并节约能源，使农作物的生产更为高效。 

背景技术

植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段，是一种高投入、高技术、精装备的生产体系，集生物技术、工程技术和系统管理于一体，使农业生产从自然生态束缚中脱离出来，按计划周期性地进行植物产品化生产的工厂化农业系统。植物工厂的一大优点是节约耕地资源，它利用层叠的支架来实现植物的多层种植，从而提高了土地面积的使用率，实现了对空间更为有效的利用。植物工厂的另一个优点是通过室内人工光源的栽培，人们可以采用各种高科技的手段对光照条件进行自适应地调节，使得植物在整个生长周期都能获得最佳的光照，满足植物快速生长的需求。

现有的植物工厂一般采用如图1所示固定的植物培养架，它在空间和能源利用率上仍有许多不足，仔细分析就会发现这种结构的缺点。首先从横向上看，这种结构每两个培养架之间都有一条走道，占用了大量的土地面积，再加上两个纵向排列的培养架之间的走道，因此室内的土地利用率只有50%左右。此外，植物工厂的建筑物以及建筑物外围的走道将占用与室内相似的面积，使得实际土地的综合利用率只有25%左右。如果每个培养架上有四层支架，则可栽种的面积与原有的土地面积相同，违背了植物工厂节约土地资源的初衷。此外采用这种培养架之间有走道的分离式结构，会使LED光源中约三分之一的光能从培养架的两侧泄露到走道上而不能为植物所吸收，从而浪费了这部分光能。当所有的培养架并在一起后，不仅提高了土地的利用率，而且从培养架的两侧泄露到走道的光能也能被充分利用，从而节约了约三分之一的光能。此外，当所有的培养架并在一起后，其上方的照明光源也连成一片，有助于对植物提供更均匀的光照，确保培养架内各个部位的植物都能得到足够的光照强度。

其次从纵向上看，针对单个植物培养单元，无论培养单元内种的是什么植物，是很矮的秧苗还是植株高大的植物，现有的植物工厂大多数采用简单的固定高度的植物培养架单元，这就使得LED光源到植株顶部的距离差别很大。由于单个LED光源照射到植株上的光强是与其距离的平方成反比的，距离每增加一倍，照射到植株上的光强就减为原来的四分之一。当植株还是很矮小的秧苗时，植株高度相对于架子高度低矮得多，其顶部到LED光源的距离也许会是长大之后的植株到LED光源距离的4到5倍，甚至更大。此时LED光源照射到植株上的光强只有长大之后光强的1/16到1/25，因此需要提高LED的照明功率以达到符合要求的光强值。换句话说，当植株还是很矮小的秧苗时如果我们能将其上移到与其长大后到LED光源的距离一致，我们所需的LED光源的光强可以降为不移动时光强的1/16到1/25。这既能极大地节省照明光源的能量，又能使LED光源的照射光强满足植物生长的需求，是一个简单而又节能的好方法。

但由于植物在不同生长期所需的光强是不同的，上述那种简单地将植株的顶部上移到与其长大后到LED光源的距离一致的做法并不是最佳的，为此，我们可以采用两种不同的方法来实现植物对光强的不同需求。其一是保持LED的光强不变，通过自适应地调节植物顶部到LED的距离，使得当植物需要较强的光照时，就减小植物顶部到LED的距离，反之，当植物需要较弱的光照时，就增加植物顶部到LED的距离。因此，在这种方案中，植物顶部到LED的距离是随着植物生长期的不同而自适应变化的。其二是在植物的整个生长过程中保持植物顶部到LED的距离不变，通过自适应地调节LED的光照强度，使得当植物需要较强的光照时，就增加LED的光照强度，反之，当植物需要较弱的光照时，就减小LED的光照强度。因此，在这种方案中，LED的光照强度是随着植物生长期的不同而自适应变化的。无论采用哪种自适应检测和跟踪系统，我们都可以使托盘上的植株顶部到LED光源的距离较近，以便可以采用较小的LED功率来满足植物生长所需的光照强度，既能实现节能的目的，又可以满足植物在不同的生长期对光照强度的不同需求，从而使植物在各个生长期都能得到最佳的光照，满足其快速生长的需求。

目前用于提高植物工厂空间和光能利用率的专利和各种公开文件中，都没有针对用于提高LED人工光源以及植物工厂内空间利用率和光照均匀性的植物培养架间走道空间的优化方案和植物培养单元内纵向高度自动跟踪植物生长过程的优化设计。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种密集型高光能利用率植物工厂，能有效提高植物工厂的空间使用效率并节约能源，使农作物的生产更为高效。

本发明采用以下方案实现：一种密集型高光能利用率植物工厂，其特征在于：包括植物生产车间，所述植物生产车间由一个植物栽培架组构成，所述植物栽培架组包括多排栽培架，所述的栽培架能在一轨道上平移；且所述栽培架组只设有一个单位宽度的可滑动移动式调节通道；所述栽培架具有N层，每层的顶部均设置有为该层提供光照的LED光源，每层还设置有可升降植株培养托盘和限位装置；所述限位装置用于识别植株顶部的位置，以配合控制系统为植株提供所需的光照，N为自然数。

在本发明一实施例中，所述限位装置包括一可移动的红外发射器和一可移动的红外接收器。

在本发明一实施例中，所述控制系统为植株提供所需光照的实现方式是：保持所述LED光源强度不变，当植株挡住所述红外发射器发往红外接收器的红外线时，所述控制系统则将植株培养托盘向下移动一预定距离，以保证植株顶端到LED人工光源的距离维持在适宜的高度。

在本发明一实施例中，所述红外发射器和红外接收器均设置于一可升降的机构上，所述控制系统能根据预先设定的参数和植株所需的光照强度自动调节红外发射器和红外接收器的高度，使得当植物需要较强的光照时，就减小LED到植株顶部距离，反之，当植物需要较弱的光照时，就增加LED到植株顶部距离。

在本发明一实施例中，所述控制系统为植株提供所需光照的实现方式是：在植株的整个生长过程中保持植株顶部到所述LED光源的距离不变，通过自适应地调节LED的光照强度，使得当植物需要较强的光照时，就增加LED的光照强度，反之，当植物需要较弱的光照时，就减小LED的光照强度。

在本发明一实施例中，所述栽培架是依靠一电动滚轮在所述轨道上移动；所述电动滚轮受控于所述控制系统。

相比于现有的植物工厂，该植物工厂的设计方案主要有两点优势：第一，每个植物培养架都是活动的，底部装有轨道和运动电机，植物培养架可沿轨道运行。当植物在正常生长时，培养架是密集型排列的，这样既可以节约大量的走道空间，又可以通过培养架之间的连接，避免LED侧光从培养架间漏出造成能源的浪费，提高光能利用率，还可以通过培养架之间的连接达到光照均匀的目的。当需要观察植物的生长或进行其它操作时，可以通过电动机的按钮移动培养架，以腾出工作人员进入的通道。第二，植物培养架内部的栽培单元采用纵向可以活动的植物培养托盘，通过自动化设备循环检测植株顶部的位置，自适应地调节通过自适应地调节植物顶部到LED的距离，以便既能在植物的整个生长期都能为植物的生长提高最佳的光照条件，又能避免灼伤植株。

附图说明

图1是现有植物工厂的栽培架布局结构示意图。

图2是本发明植物工厂的栽培架布局结构示意图。

图3是本发明各层纵向植株调节托盘结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种密集型高光能利用率植物工厂，其特征在于：包括植物生产车间，所述植物生产车间由一个植物栽培架组构成，所述植物栽培架组包括多排栽培架，所述的栽培架能在一轨道上平移；且所述栽培架组只设有一个单位宽度的可滑动移动式调节通道；所述栽培架具有N层，每层的顶部均设置有为该层提供光照的LED光源，每层还设置有可升降植株培养托盘和限位装置；所述限位装置用于识别植株顶部的位置，以配合控制系统为植株提供所需的光照，N为自然数。值得说明的是，上述涉及的升降结构由于是现有技术，这里就不做具体说明，该升降结构可以是齿轮齿条升降结构、液压升降机构、气缸升降机构、丝杆螺母升降结构或提拉式升降结构等。

本发明采用两种不同的方法来实现植物对光强的不同需求。其一是保持LED的光强不变，通过自适应地调节植物顶部到LED的距离，使得当植物需要较强的光照时，就减小植物顶部到LED的距离，反之，当植物需要较弱的光照时，就增加植物顶部到LED的距离。因此，在这种方案中，植物顶部到LED的距离是随着植物生长期的不同而自适应变化的。其二是在植物的整个生长过程中保持植物顶部到LED的距离不变，通过自适应地调节LED的光照强度，使得当植物需要较强的光照时，就增加LED的光照强度，反之，当植物需要较弱的光照时，就减小LED的光照强度。因此，在这种方案中，LED的光照强度是随着植物生长期的不同而自适应变化的。无论采用哪种自适应检测和跟踪系统，我们都可以使托盘上的植株顶部到LED光源的距离较近，以便可以采用较小的LED功率来满足植物生长所需的光照强度，实现节能的目的，又可以满足植物在不同的生长期对光照强度的不同需求，从而使植物在各个生长期都能得到最佳的光照，满足其快速生长的需求。目前用于提高植物工厂空间和光能利用率的专利和各种公开文件中，都没有针对用于提高LED人工光源以及植物工厂内空间利用率和光照均匀性的植物培养架间走道空间的优化方案和植物培养单元内纵向高度自动跟踪植物生长过程的优化设计。以下分两个实施例子对本发明的技术进行进一步说明。

实施方案一

在该实施方案中，首先为减少并优化非生产性面积在整个植物工厂中所占的比率，对以往植物工厂栽培架之间的通道与分布做出系统的规划与设计，设计图见图2。整个植物工厂采用植物栽培架组作为物植物生长单元的载体集合。植物工厂中的每个生产车间由一个植物栽培架组构成，植物栽培架组是由多排横向长条型的单个栽培架组成。图2中B-1、B-2、B-3均为栽培架，它们共同组成了栽培架组。栽培架纵向之间设有可滑动轨道，图2中A-1，A-2为可滑动轨道，整个栽培架组只设有一个单位宽度（图2中F宽度）的可滑动移动式调节通道。植物栽培架组在集中栽培期间处于整组合并状态，以便在同样光照条件下为植物的生长提供多的光能和更均匀的光照。在播种、收割和需要进行操作的期间，通过栽培架上的控制按钮可对指定栽培架进行移动调节，以便分离出一个单位宽度（图2中F宽度），作为工作人员或者智能搬运机活动的通道，以此达到植物栽培架的密集式排布。多条非必要人行通道的减少可大幅度提高植物工厂中生产性用地的比率，也就是说在不改变厂区土地面积的前提下，可以通过增加植物工厂的生产面积来提高植物工厂单位面积的产能，降低植物工厂单位成本的投入。

其次，在纵向上，LED灯的输出功率固定，每层植物生长单元（如图2中E-1与E-2之间）采用如图3所示的动态调节系统。图3中B为红外线发射器，C为红外线接收器，B和C均可视植物的生长状况在纵向适时地移动，以便自适应的调节照射到植物上的光强，为植物的生长提供最佳的光照条件。当植株高度到达BC所在连线时，将挡住B发往C的红外线，此时通过控制系统就可以将植株培养托盘B向下移动一小段距离，以保证植株顶端到LED人工光源的距离h维持在适宜的高度。由于单个LED灯的光照度与光在空间通过距离的平方成反比，因此若要有效利用光能需要将植株近可能靠近LED灯。但由于植株是不断生长的，若不动态调节LED灯与植株的距离，随着植株的长高，它距离LED灯将越来越近，以至于太热而将植株灼伤，或者由于植株顶部碰到了LED灯而妨碍其继续生长。有了图3所示的动态调节系统，就将植株的顶部在整个生长过程中都尽量接近LED灯而不用担心植株进一步生长所带来的伤害，从而可以采用功率更小的LED元件，达到节能的目的。同时通过自适应地调节LED植物顶部的距离，还可以始终为植物的生长提供最佳的光照条件。

实施方案二

在该实施方案中，首先为减少并优化非生产性面积在整个植物工厂中所占的比率，对以往植物工厂栽培架之间的通道与分布做出系统的规划与设计，设计图见图2。整个植物工厂采用植物栽培架组作为物植物生长单元的载体集合。植物工厂中的每个生产车间由一个植物栽培架组构成，植物栽培架组是由多排横向长条型的单个栽培架组成。图2中B-1、B-2、B-3均为栽培架，它们共同组成了栽培架组。栽培架纵向之间设有可滑动轨道，图2中A-1，A-2为可滑动轨道，整个栽培架组只设有一个单位宽度（图2中F宽度）的可滑动移动式调节通道。植物栽培架组在集中栽培期间处于整组合并状态，以便在同样光照条件下为植物的生长提供多的光能和更均匀的光照。在播种、收割和需要进行操作的期间，通过栽培架上的控制按钮可对指定栽培架进行移动调节，以便分离出一个单位宽度（图2中F宽度），作为工作人员或者智能搬运机活动的通道，以此达到植物栽培架的密集式排布。多条非必要人行通道的减少可大幅度提高植物工厂中生产性用地的比率，也就是说在不改变厂区土地面积的前提下，可以通过增加植物工厂的生产面积来提高植物工厂单位面积的产能，降低植物工厂单位成本的投入。

其次，在纵向上，LED灯的输出功率将随着植物的生长状态而变，每层植物生长单元（如图2中E-1与E-2之间）采用如图3所示的动态调节系统。图3中B为红外线发射器，C为红外线接收器，B和C均安放在纵向适当的高度，以便能够将植物顶部调节到固定的高度，同时自适应地调节LED照射到植物上的光强，为植物的生长提供最佳的光照条件。当植株高度到达BC所在连线时，将挡住B发往C的红外线，此时通过控制系统就可以将植株培养托盘B向下移动一小段距离，以保证植株顶端到LED人工光源的距离h维持在适宜的高度。由于LED灯的光照度与光在空间通过距离的平方成反比，因此若要有效利用光能需要将植株近可能靠近LED灯。但由于植株是不断生长的，若不动态调节LED灯与植株的距离，随着植株的长高，它距离LED灯将越来越近，以至于太热而将植株灼伤，或者由于植株顶部碰到了LED灯而妨碍其继续生长。有了图3所示的动态调节系统，就将植株的顶部在整个生长过程中都尽量接近LED灯而不用担心植株进一步生长所带来的伤害，从而可以采用功率更小的LED元件，达到节能的目的。同时通过自适应地调节LED照射到植物上的光强，还可以始终为植物的生长提供最佳的光照条件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。 

Claims (6)

1.一种密集型高光能利用率植物工厂，其特征在于：包括植物生产车间，所述植物生产车间由一个植物栽培架组构成，所述植物栽培架组包括多排栽培架，所述的栽培架能在一轨道上平移；且所述栽培架组只设有一个单位宽度的可滑动移动式调节通道；所述栽培架具有N层，每层的顶部均设置有为该层提供光照的LED光源，每层还设置有可升降植株培养托盘和限位装置；所述限位装置用于识别植株顶部的位置，以配合控制系统为植株提供所需的光照，N为自然数。

2.根据权利要求1所述的密集型高光能利用率植物工厂，其特征在于：所述限位装置包括一可移动的红外发射器和一可移动的红外接收器。

3.根据权利要求2所述的密集型高光能利用率植物工厂，其特征在于：所述控制系统为植株提供所需光照的实现方式是：保持所述LED光源强度不变，当植株挡住所述红外发射器发往红外接收器的红外线时，所述控制系统则将植株培养托盘向下移动一预定距离，以保证植株顶端到LED人工光源的距离维持在适宜的高度。

4.根据权利要求3所述的密集型高光能利用率植物工厂，其特征在于：所述红外发射器和红外接收器均设置于一可升降的机构上，所述控制系统能根据预先设定的参数和植株所需的光照强度自动调节红外发射器和红外接收器的高度，使得当植物需要较强的光照时，就减小LED到植株顶部距离，反之，当植物需要较弱的光照时，就增加LED到植株顶部距离。

5.根据权利要求2所述的密集型高光能利用率植物工厂，其特征在于：所述控制系统为植株提供所需光照的实现方式是：在植株的整个生长过程中保持植株顶部到所述LED光源的距离不变，通过自适应地调节LED的光照强度，使得当植物需要较强的光照时，就增加LED的光照强度，反之，当植物需要较弱的光照时，就减小LED的光照强度。

6.根据权利要求1所述的密集型高光能利用率植物工厂，其特征在于：所述栽培架是依靠一电动滚轮在所述轨道上移动；所述电动滚轮受控于所述控制系统。

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