CN112930918A - 密闭植物工厂太阳能立体照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统，包括：多个聚光单元，多个所述聚光单元阵列排布在植物工厂的顶部；多个红外分离吸收单元，每个所述红外分离吸收单元分别位于所述聚光单元的出光侧；多组光传导单元，每组所述光传导单元分别位于所述红外分离吸收单元的出光侧，并位于所述植物工厂的内部。本发明提供的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，通过设置聚光单元将太阳光进行收集，红外分离吸收单元将太阳光进行分频，分频后的可见光用于照射各层栽培面上的植物，紫外光和红外光用于为营养液杀菌，实现了太阳能的分频利用，减小了植物工厂照明和制冷能耗。

Description

密闭植物工厂太阳能立体照明系统
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统。
背景技术
植物工厂是一种通过在设施内高精度环境控制，实现作物周年连续生产的高效农业系统，多年来一直被国际上认为是设施农业的高级发展形式。
密闭型植物工厂内的光源与空调能耗较大，一直是影响其发展的关键制约因素。室外大量的太阳能清洁能源不仅不能被其利用，还会增加其空调冷负荷。在植物工厂中，电能消耗约占运行成本的52％，而人工光源和空调的能耗分别占植物工厂总体电能耗的60％和35％，而由于密闭型植物工厂围护结构绝热性能强、气密性好(保持空气洁净度)几乎不与外界进行热交换，再加上光源发热、水泵风机等设备运行、人的活动、植物蒸腾、光合和呼吸作用产生了大量热量。为了维持植物生长的最佳温度，故大部分时候都是在降温，尤其是在人工光照明的光期。且目前太阳光不仅不能被植物工厂直接利用还会增加植物工厂内部的热量，增加其空调制冷负荷。基于此，如何有效地利用太阳能，降低电能消耗成为植物工厂亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统，用以解决现有技术中植物工厂电能消耗严重的缺陷。
本发明提供一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统，包括：多个聚光单元，多个所述聚光单元呈阵列排布在植物工厂的顶部；多个红外分离吸收单元，每个所述红外分离吸收单元分别位于所述聚光单元的出光侧；多组光传导单元，每组所述光传导单元分别位于所述红外分离吸收单元的出光侧，并位于所述植物工厂的内部。
根据本发明提供的一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统，所述红外分离吸收单元包括：反射腔体，位于所述聚光单元的出光侧，所述反射腔体的内壁涂有高反射涂层，所述反射腔体内填充有红外吸收液。
根据本发明提供的一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统，所述红外分离吸收单元还包括：第一筒形件，设置在所述反射腔体内，所述第一筒形件的两端与所述反射腔体连接，所述第一筒形件的侧壁开设有第一通孔，所述第一筒形件的外壁涂有高反射涂层；第一红外二向分光片，设置在所述第一筒形件内，并位于所述第一通孔处，且与水平面呈45°角度设置；第一透明盖板，设置在所述第一筒形件的顶端；第一聚焦透镜和第一准直透镜，所述第一聚焦透镜位于所述红外二向分光片的下方，所述第一准直透镜位于所述第一聚焦透镜的下方。
根据本发明提供的一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统，所述红外分离吸收单元还包括：第二筒形件，设置在所述反射腔体内，所述第二筒形件的两端与所述反射腔体连接，所述第二筒形件的侧壁开设有第二通孔，所述第二筒形件的外壁涂有高反射涂层；第二红外二向分光片，设置在所述第二筒形件内，并位于所述第二通孔处，且与水平面呈45°角度设置；第二聚焦透镜和第二准直透镜，所述第二聚焦透镜设置在所述第二筒形件的顶端，所述第二准直透镜位于所述第二红外二向分光片的下方。
根据本发明提供的一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统，所述反射腔体为两个纺锤体构造成的纺锤型腔体，外层纺锤体的顶面设置有第二透明盖板，内层纺锤体的顶面设置有第三红外二向分光片，所述外层纺锤体和所述内层纺锤体的底面通过圆筒连接，以使光线能够穿过所述圆筒的内部。
根据本发明提供的一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统，每组所述光传导单元包括：第一光传导单元，位于所述第一准直透镜的出光侧，并位于栽培架的顶层栽培面上方，所述第一光传导单元包括第一全反射镜，与所述第一全反镜间隔设置的第一反紫外二向分光片和第一能量分光镜，所述第一全反镜、所述第一能量分光镜和所述第一反紫外二向分光片与水平面呈45°角度设置，其中，所述第一反紫外二向分光片和所述第一能量分光镜重叠设置；
第二光传导单元，位于所述栽培架的中间层栽培面上方，所述第二光传导单元包括位于所述第一全反射镜下方的两个第一透紫外二向分光片，两个所述第一透紫外二向分光片沿竖直方向间隔且互相垂直设置，位于所述第一能量分光镜下方的第二全反射镜，以及位于所述第二全反射镜下方的第二能量分光镜，所述第二能量分光镜与所述第二全反射镜平行设置，其中，位于所述第一全反射镜下方的所述第一透紫外二向分光片和所述第二全反射镜与水平面呈135°角度设置；
第三光传导单元，位于所述栽培架的底层栽培面上方，所述第三光传导单元包括位于所述第一透紫外二向分光片下方的第二透紫外二向分光片，以及位于所述第二能量分光镜下方的第三全反射镜，其中，所述第二透紫外二向分光片和所述第二能量分光镜与水平面呈135°角度设置。
根据本发明提供的一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统，每组所述光传导单元包括：第四光传导单元，位于所述第二准直透镜的出光侧，并位于栽培架的顶层栽培面上方；第五光传导单元，位于所述第四光传导单元的出光侧，并位于所述栽培架的中间层栽培面上方；第六光传导单元，位于所述第五光传导单元的出光侧，并位于所述栽培架的底层栽培面上方；其中，所述第四光传导单元、所述第五光传导单元和所述第六光传导单元均包括：拱形分光镜；翼形散光元件，设置在所述拱形分光镜的外部，所述翼形散光元件的上表面为反射面，下表面为散射面，所述散射面上设置有多个锯齿状的散光凸起。
根据本发明提供的一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统，每组所述光传导单元包括：第七光传导单元，位于所述纺锤体的底面的下方，并位于栽培架的顶层栽培面上方，所述第七光传导单元包括连接的第一锥形分光散光元件和第一直管玻璃管，所述第一直管玻璃管位于所述第一锥形分光散光元件的下方，所述第一直管玻璃管内设置有第三聚焦透镜；第八光传导单元，位于所述第七光传导单元的出光侧，并位于所述栽培架的中间层栽培面上方，所述第八光传导单元包括：依次连接的第二直管玻璃管、第一锥形玻璃管、第二锥形分光散光元件和第三直管玻璃管，其中，所述第二直管玻璃管与所述第一直管玻璃管连接，所述第一锥形玻璃管内设置有第三准直透镜，所述第三直管玻璃管内设置有第四聚焦透镜；第九光传导单元，位于所述第八光传导单元的出光侧，并位于所述栽培架的底层栽培面上方，所述第九光传导单元包括：依次连接的第四直管玻璃管、第二锥形玻璃管、第三锥形分光散光元件和玻璃柱，其中，所述第四直管玻璃管与所述第三直管玻璃管连接，所述第二锥形玻璃管内设置有第四准直透镜。
根据本发明提供的一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统，还包括多个旋转散光照明单元，每个所述旋转散光照明单元分别位于所述第一光传导单元、所述第二光传导单元和所述第三光传导单元的出光侧，每个所述旋转散光照明单元包括：一字镜，所述一字镜的外部安装有小齿轮；大齿轮，与所述小齿轮啮合；电机，与所述大齿轮电连接；立柱，所述一字镜、所述大齿轮和所述电机安装在所述立柱；螺杆，与所述立柱活动连接。
根据本发明提供的一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统，还包括：营养液杀菌单元，所述营养液杀菌单元的部分组件位于所述光传导单元的下方，剩余部分组件位于所述植物工厂的外部，且所述剩余部分组件与所述红外分离吸收单元连接；发电单元，所述发电单元与所述营养液加热杀菌单元连接。
本发明提供的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，通过设置聚光单元将太阳光进行收集，红外分离吸收单元将太阳光进行分频，分频后的可见光用于均匀照射各层栽培面上的植物，紫外光和红外光用于为营养液杀菌，实现了太阳能的分频利用，减小了植物工厂照明和制冷能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的密闭植物工厂太阳能立体照明系统的结构示意图之一；
图2是本发明提供的密闭植物工厂太阳能立体照明系统的结构示意图之二；
图3是本发明提供的密闭植物工厂太阳能立体照明系统的结构示意图之三；
图4是图1中示出的红外分离吸收单元的结构示意图；
图5是图2中示出的红外分离吸收单元的结构示意图；
图6是图3中示出的红外分离吸收单元的结构示意图；
图7是图1中示出的光传导单元的结构示意图；
图8是图2中示出的光传导单元的结构示意图；
图9是图3中示出的光传导单元的结构示意图；
图10是图1中示出的旋转散光照明单元的结构示意图；
图11是图1至图3中示出的营养液杀菌单元中紫外杀菌子单元的结构示意图；
附图标记：
10：聚光单元； 20：支撑架； 30：红外分离吸收单
元；
40：LDE灯； 50：光传导单元； 51：第一能量分光镜；
52：第一反紫外二向 53：第一全反射镜； 54：第一透紫外二向
分光片； 分光片；
55：第二全反射镜； 56：第二能量分光镜； 57：第二透紫外二向
分光片；
58：第三全反射镜； 60：旋转散光照明单 61：一字镜；
元；
62：小齿轮； 63：大齿轮； 64：电机；
65：立柱； 66：螺杆； 70：栽培架；
80：营养液杀菌单元； 81：紫外杀菌子单元； 82：蓄热箱；
83：营养液箱； 84：加热箱； 85：预热箱；
86：降温箱； 90：温差发电单元； 100：玻璃管；
101：第二反紫外二向 102：第五聚焦透镜； 103：第五准直透镜；
分光片；
104：第四全反射镜； 105：第五全反射镜； 310：反射腔体；
311：第一筒形件； 312：第一红外二向分 313：第一透明盖板；
光片；
314：第一聚焦透镜； 315：第一准直透镜； 321：第二筒形件；
322：第二红外二向分 323：第二聚焦透镜； 324：第二准直透镜；
光片；
330：纺锤型腔体； 331：第三红外二向分 332：第二透明盖板；
光片；
501：拱形分光镜； 502：翼形散光元件； 510：第一直管玻璃
管；
511：第一锥形分光散 512：第三聚焦透镜； 520：第二直管玻璃
光元件； 管；
521：第一锥形玻璃 522：第二锥形分光散 523：第三准直透镜；
管； 光元件；
524：第四聚焦透镜； 525：第三直管玻璃 530：第四直管玻璃
管； 管；
531：第二锥形玻璃 532：第三锥形分光散 533：玻璃柱；
管； 光元件；
534：第四准直透镜； 811：高透明圆筒； 812：光路折返镜；
813：空气泵； 900：圆筒。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图11描述本发明的密闭植物工厂太阳能立体照明系统。
如图1-图3所示，密闭植物工厂太阳能立体照明系统包括：多个聚光单元10、多个红外分离吸收单元30和多个光传导单元50。多个聚光单元10呈阵列排布在植物工厂的顶部，每个红外分离吸收单元30位于聚光单元10的出光侧，每个光传导单元50分别位于红外分离吸收单元30的出光侧，并位于植物工厂内。
具体来说，多个聚光单元10呈阵列排布在植物工厂的顶部，每个聚光单元10的出光侧的下方设置有红外分离吸收单元30，红外分离吸收单元30设置在支撑架20下方，支撑架20安装在植物工厂建筑的顶部，植物工厂内部的每层栽培架70顶部都设置有LED灯40。光传导单元50位于红外分离吸收单元30的出光侧，光传导单元50可根据栽培架70上栽培面的分层情况，设置多个光传导单元50。
本发明实施例提供的密闭植物工厂太阳能立体照明系统的工作原理为：聚光单元10收集太阳光后使光竖直地照射到红外分离吸收单元30中，红外分离吸收单元30将红外线从太阳光中分离并吸收，剩下的紫外线和可见光穿过红外分离吸收单元30到达植物工厂室内的光传导单元50中，可见光经过光传导单元50均匀地传导至每层栽培面上方，用于为植物照明，紫外线通过光传导单元50传导至营养液杀菌单元80。
进一步地，在本发明的一个实施例中，可选地，聚光单元10包括两个开口方向相反的光漏斗，两个光漏斗的曲面形状相同。具体来说，光漏斗由质量较轻的反射铝板聚合物组成，其内表面涂高反射涂层，能够将射入第一反射面的光线反射至底部焦点处，通过焦点传导至第二反射面后被反射成竖直的光线照射至红外分离吸收单元30中。其中第一反射面和第二反射面的曲面形状相同。进一步地，聚光单元10还包括光传感器，光传感器传输信号给跟踪单元，使光漏斗的开口始终对准太阳。
可选地，聚光单元10包括：球形梯度折射率透镜、多个矩形菲涅尔镜和多个准直透镜。多个矩形菲涅尔镜沿球形梯度折射率透镜的圆周方向依次排列，并围设在球形梯度折射率透镜的外部，准直透镜分别设置在每个矩形菲涅尔镜与球形梯度折射率透镜之间，且每个准直透镜分别位于每个矩形菲涅尔镜的焦点处。准直透镜把聚焦光束准直成很细的平行光，这些平行光通过不同角度导入球型梯度折射率透镜后改变方向，使每个角度的光线都竖直的平行出射至红外分离吸收单元30中。
本发明实施例提供的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，通过设置聚光单元将太阳光进行收集，红外分离吸收单元将太阳光进行分频，分频后的可见光用于照射各层栽培面上的植物，紫外光和红外光可用于为营养液杀菌，实现了太阳能的分频利用，减小了植物工厂照明和制冷能耗。
如图1-图4所示，在本发明的一个实施例中，红外分离吸收单元30包括：反射腔体310，反射腔体310位于聚光单元10的出光侧，反射腔体310的内壁涂有高反射涂层，反射腔体310的内部填充有红外吸收液。
具体来说，如图4所示，在本发明的一个实施例中，红外分离吸收单元30还包括：第一筒形件311、第一红外二向分光片312、第一透明盖板313、第一聚焦透镜314和第一准直透镜315。反射腔体310位于聚光单元10的出光侧，反射腔体310的内壁涂有高反射层，反射腔体310内填充有红外吸收液，第一筒形件311设置在反射腔体310内，且第一筒形件311的两端与反射腔体310连接，第一透明盖板313设置在第一筒形件311的顶端，以将光线传播至第一筒形件311内。第一筒形件311的的侧壁开设有第一通孔，第一红外二向分光片312设置在第一筒形件311内，并位于该第一通孔处，且第一红外二向分光片312与水平面呈45°角度设置。第一聚焦透镜314位于第一红外二向分光片312的下方，第一准直透镜315位于第一聚焦透镜314的下方。
具体来说，反射腔体310可为多种几何形状的反射腔体310结构，在本发明的一个实施例中，反射腔体310为球形，可以理解的是：反射腔体310也可为矩形或其他多边形结构。
反射腔体310的内壁涂有高反射层，第一筒形件311的侧壁开设有第一通孔，以将第一筒形件311与反射腔体310连通。第一红外二向分光片312用于分离红外红线，使被分离的红外光线通过第一通孔射入反射腔体310中，可见光和紫外光透过第一红外二向分光片312射入位于第一红外二向分光片312下方的第一聚光透镜314和位于第一聚光透镜314焦点处的第一准直透镜315。透过第一红外二向分光片312的光束经过第一聚光透镜314和第一准直透镜315后直径变小，反射腔体310中填充有红外吸收液，该红外吸收液对太阳光谱具有分频作用，可透过可见光，吸收红外光线，并将红外光线转换成热能。
进一步地，红外分离吸收单元30的工作原理为：垂直入射的全光谱太阳光经过高透过率的第一透明盖板313射入第一筒形件311中，全光谱太阳光经过第一红外二向分光片312把红外光线反射到反射腔体310内壁的高反射层上，红外光线经过内壁高反射层数次反射多次穿过反射腔体310中的红外吸收液，并被红外吸收液吸收并转换成热能。而紫外光和可见光透过第一红外二向分光片312向下传导，由于第一准直透镜315位于第一聚光透镜314的焦点处，所以经过第一准直透镜315后的光束直径较小，对于传导的各个节点的损失也较少，被准直后的可见光和紫外光传导至位于植物工厂室内的光传导单元50中。
如图5所示，在本发明的一个实施例中，红外分离吸收单元30还包括：第二筒形件321、第二红外二向分光片322、第二聚焦透镜323和第二准直透镜324。第二筒形件321设置在反射腔体310内，第二筒形件321的两端与反射腔体310连接，第二筒形件321的侧壁开设有第二通孔，第二筒形件321的外壁涂有高反射涂层。第二红外二向分光片322设置在第二筒形件321内，并位于第二通孔处，且与水平面呈45°角度设置。第二聚焦透镜323设置在第二筒形件321的顶端，第二准直透镜324位于第二红外二向分光片322的下方。
具体来说，垂直入射的全光谱太阳光经过第二聚焦透镜323后射入第二筒形件321中，全光谱太阳光经过第二红外二向分光片322把红外光线反射到反射腔体310内壁的高反射层上，红外光线经过内壁高反射层数次反射多次穿过反射腔体310中的红外吸收液，并被红外吸收液吸收并转换成热能。而紫外光和可见光透过第二红外二向分光片322向下传导，第二准直透镜324将光线准直后，被准直后的可见光和紫外光传导至位于植物工厂室内的光传导单元50中。
进一步地，在本实施例中，第二通孔的直径小于第一通孔的直径，以减少通过第二通孔逸出的红外光线。
如图6所示，在本发明的一个实施例中，反射腔体310为两个纺锤体构造成的纺锤型腔体330，外层纺锤体的顶面设置有第二透明盖板332，内层纺锤体的顶面设置有第三红外二向分光片331，外层纺锤体和内层纺锤体的底面通过圆筒900连接，以使光线能够穿过圆筒900的内部。
具体来说，在本实施例中，反射腔体310为两个纺锤体夹成的纺锤型腔体330，外层纺锤体的顶面设置有第二透明盖板332，内层纺锤体的顶面设置有第三红外二向分光片331，外层纺锤体和内层纺锤体的底面通过圆筒900连接，以使可见光和紫外光能够通过圆筒900的内部传导至光传导单元50。进一步地，纺锤型腔体330的内壁涂有高反射层，纺锤型腔体330内填充有红外吸收液，太阳光束穿过高透过率的第二透明盖板332传导至第三红外二向分光片331上，太阳光中的红外光被第三红外二向分光片331分离并反射到纺锤型腔体330的壁面上，在纺锤型腔体330内多次反射，且穿过红外吸收液，被红外吸收液吸收转化为热能，而紫外光和可见光透过第三红外二向分光片331和圆筒900传导至光传导单元50中。
进一步地，在本实施例中，可选地，第三红外二向分光片331为圆锥形。
本发明实施例提供的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，通过设置红外分离吸收单元，红外分离吸收单元利用红外二向分光片把红外线反射到几何结构腔体内，红外线在几何结构腔体的反射壁面多次反射后被其中的红外吸收液吸收，该红外分离吸收单元利用光陷阱锁光和红外吸收液吸收红外的方法可使红外线吸收率接近于1，且不存在热传导过程的损失。
如图7所示，在本发明的一个实施例中，光传导单元50包括：第一光传导单元、第二光传导单元和第三光传导单元。
第一光传导单元位于第一准直透镜315的出光侧，并位于栽培架70的顶层栽培面上方。第一光传导单元包括第一全反射镜53，与第一全反射镜53间隔设置的第一能量分光镜51和第一反紫外二向分光片52，第一全反射镜53、第一能量分光镜51和第一反紫外二向分光片52与水平面呈45°角度设置，其中，第一能量分光镜51和第一反紫外二向分光片52重叠设置。
第二光传导单元位于栽培架70的中间层栽培面上方，第二光传导单元包括位于第一全反射镜53下方的两个第一透紫外二向分光片54，两个第一透紫外二向分光片54沿竖直方向间隔且互相垂直设置，位于第一能量分光镜51下方的第二全反射镜55，以及位于第二全反射镜55下方的第二能量分光镜56，第二全反射镜55与第二能量分光镜56平行设置，其中，位于第一全反射镜53下方的第一透紫外二向分光片54和第二全反射镜55与水平面呈135°角度设置。
第三光传导单元位于栽培架70的底层栽培面上方。第三光传导单元包括位于第一透紫外二向分光片54下方的第二透紫外二向分光片57，以及位于第二能量分光镜56下方的第三全反射镜58，其中，第二透紫外二向分光片57和第三全反射镜58与水平面呈135°角度设置。
具体来说，根据栽培架70栽培面的分层情况，光传导单元50可相应地设置为多层，在本发明的一个实施例中，光传导单元50设置为三层，第一光传导单元设置在栽培架70的顶层，第二光传导单元设置在栽培架70的中间层，第三光传导单元设置在栽培架70的底层。第一光传导单元、第二光传导单元和第三光传导单元在竖直方向排列为两个纵列，两个纵列的光学元器件位于垂直贯穿整个栽培架70的玻璃管100内。
光传导单元50的工作原理为：从红外分离吸收单元30中传出的光束传导到第一光传导单元的第一反紫外二向分光片52上，紫外光全反射到一侧的第一全反射镜53上，而可见光透过第一能量分光镜51透过1/n的光能量(n为栽培架层数)，传导至旋转散光照明单元60；从第一光传导单元传导出的紫外光直接穿过第二光传导单元一侧的两个第一透紫外二向分光片54到达第三光传导单元，而可见光被第一透紫外二向分光片54反射至第二全反射镜55，然后由第二全反射镜55反射至第二能量分光镜56分出1/n光到本栽培层，其余的可见光经过第一透紫外二向分光片54反射到第三光传导单元；从第二光传导单元传导出的紫外光光束直接穿过第三光传导单元一侧的第二透紫外二向分光片57传播至营养液杀菌单元80中，而可见光光束被第二透紫外二向分光片57反射到第三全反射镜58上反射到此层的旋转散光照明单元60中。
本发明实施例提供的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，通过设置光传导单元，光传导单元分别设置在栽培架的每个层面，在光线传导过程中将紫外线分离，使可见光均匀分布到每一层植物上，同时将分离出的紫外线收集在营养液杀菌单元中进行营养液杀菌，实现了太阳光谱的分频联用。
如图8所示，在本发明的一个实施例中，可选地，光传导单元50包括：第四光传导单元、第五光传导单元和第六光传导单元。第四光传导单元位于第二准直透镜324的出光侧，并位于栽培架70的顶层栽培面上方；第五光传导单元位于第四光传导单元的出光侧，并位于栽培架70的中间层栽培面上方；第六光传导单元位于第五光传导单元的出光侧，并位于栽培架70的底层栽培面上方；其中，第四光传导单元、第五光传导单元和第六光传导单元均包括：拱形分光镜501和翼形散光元件502。拱形分光镜501位于贯穿栽培架70的玻璃管100的内部，翼形散光元件502设置在拱形分光镜501的外部四周，并位于玻璃管100的外部四周，翼形散光元件502的上表面为反射面，下表面为散射面，散射面上设置有多个锯齿状的散光凸起。
具体来说，玻璃管100内部设置有对应着栽培架70顶层、中间层和底层的多个拱形分光镜501，拱形分光镜501的周围设置有翼形散光元件502，翼形散光元件502是中空的，上层是上反射面，下层是下散光面，散光面上有锯齿状的散光凸起，使出射的光更加均匀。可见光束在玻璃管100中传导，传导到拱形分光镜501上，拱形分光镜501把可见光分成1/n份和n-1/n份(n为层数)，1/n份可见光被拱形分光镜501反射到上反射面上，上反射面是由曲面方程计算而来，使拱形反射面反射出的光均匀的反射到下散射面上，下散射面上有参差不齐锯齿状的散光凸起，该散光凸起可以把投射到下散光面上的光，均匀的散射到栽培面上的植物上。
如图9所示，在本发明的一个实施例中，可选地，光传导单元50包括第七光传导单元、第八光传导单元和第九光传导单元。
第七光传导单元，位于纺锤体330的底面的下方，并位于栽培架70的顶层栽培面上方。第七光传导单元包括第一直管玻璃管510、第一锥形分光散光元件511和第三聚焦透镜512。第一直管玻璃管510位于第一锥形分光散光元件511的下方，并与第一锥形分光散光元件511连接，第三聚焦透镜512设置在第一直管玻璃管510内。
第八光传导单元位于第七光传导单元的出光侧，并位于栽培架70的中间层栽培面上方。第八光传导单元包括高透明的第二直管玻璃管520、第一锥形玻璃管521、第二锥形分光散光元件522、第三准直透镜523、第四聚焦透镜524、和第三直管玻璃管525。第二直管玻璃管520与第一直管玻璃管510连接，第一锥形玻璃管521位于第二直管玻璃管520的下方，并与第二直管玻璃管520连接，第二锥形分光散光元件522位于第一锥形玻璃管521的下方，并与第一锥形玻璃管521连接，第三直管玻璃管525设置在第二锥形分光散光元件522的下方，并与第二锥形分光散光元件522连接，第三准直透镜523设置在第一锥形玻璃管521内，第四聚焦透镜524设置在第三直管玻璃管525内。
第九光传导单元位于第八光传导单元的出光侧，并位于栽培架70的底层栽培面上方。第九光传导单元包括：第四直管玻璃管530、第二锥形玻璃管531、第三锥形分光散光元件532、玻璃柱533和第四准直透镜534。第四直管玻璃管530与第三直管玻璃管525连接，第二锥形玻璃管531位于第四直管玻璃管530的下方，并与第四直管玻璃管530连接，第三锥形分光散光元件532与第二锥形玻璃管531连接，玻璃柱533与第三锥形分光散光元件532连接，并固定在栽培架70底层的底面上。第四准直透镜534设置在第二锥形玻璃管531内。
具体来说，可见光光束经过第一直管玻璃管510后，被顶层的第一锥形分光散光元件511截获1/n能量光束，并被第一锥形分光散光元件511上的锯齿形散光结构散射均匀后照射到栽培面的植物上，剩余的光束被第一锥形分光散光元件511下方的第三聚焦透镜512汇聚传导至第八光传导单元；第七光传导单元传导下来的光束经过第二直管玻璃管520和第一锥形玻璃管521后，被第三准直透镜523准直后进入第二锥形分光散光元件522，中间层的第二锥形分光散光元件522的锥度比第一锥形分光散光元件511的锥度更大，但截获光面积是一样的，截获光面积对应的是光能量，第二锥形分光散光元件522截获1/n能量光束，并把截获的光散射均匀后照射到栽培面的植物上，剩余的光束经过第四聚焦透镜524汇聚传导至第九光传导单元；第八光传导单元传导下来的光束经过第四直管玻璃管530和第二锥形玻璃管531后，被第四准直透镜534准直后进入第三锥形分光散光元件532，第三锥形分光散光元件532的锥度比第二锥形分光散光元件522的锥度更大，且锥底是封闭的，但截获光面积是一样的，截获光面积对应的是光能量，第三锥形分光散光元件532把经过第四准直透镜534准直后的光全部截获，均匀分散后为植物照明。
需要说明的是：在本发明的实施例中，玻璃管100均为透明玻璃管。
如图10所示，在本发明的一个实施例中，密闭植物工厂太阳能立体照明系统，还包括多个旋转散光照明单元60，每个旋转散光照明单元60分别位于第一光传导单元、第二光传导单元和第三光传导单元的出光侧。旋转散光照明单元60包括：一字镜61、小齿轮62、大齿轮63、电机64、立柱65和螺杆66。一字镜61的外部安装有小齿轮62，大齿轮63与小齿轮62啮合，电机64与大齿轮63电连接，一字镜61、大齿轮63和电机64安装在立柱65上，螺杆66与立柱65活动连接。
具体来说，光束由每层的光传导单元50传导至一字镜61后，由点光源变为线光源，电机64带动大齿轮63和小齿轮62绕各自的中心轴转动，一字镜61被小齿轮62带动绕其自身中心轴旋转，从而使线光源旋转成一个光照面，为该层的植物照明，由于旋转速度较快，超过植物对光频闪的反应时间，故该面光源可看做是一个稳定的面光源。进一步地，旋转散光照明单元60安装在立柱65上，立柱65与螺杆66活动连接，通过转动螺杆66可调整立柱65与植物栽培板之间的距离，从而调整光源的覆盖范围，使光源根据植物大小展现不同的照明范围。
本发明实施例提供的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，通过设置旋转散光照明单元，旋转散光照明单元把传导来的光束转化成面光源为植物照明，由于一字镜可以使点光源均匀的变为线光源，而线光源通过旋转变为面光源，进而实现各层栽培面上的植物均匀照明，使植物生长状态一致，便于科学调控，以提高其经济价值。
如图2和图3所示，密闭植物工厂太阳能立体照明系统还包括紫外分离单元，紫外分离单元包括：第二反紫外二向分光片101、第五聚焦透镜102、第五准直透镜103、第四全反射镜104和第五全反射镜105。第二反紫外二向分光片101设置在红外分离吸收单元30与拱形分光镜501之间，或设置在红外分离吸收单元30与第一锥形分光散光元件511之间，第五聚焦透镜102位于第二反紫外二向分光片101的出光侧，第五准直透镜103位于第五聚焦透镜102的出光侧，第四全反射镜104位于第五准直透镜103的出光侧，第五全反射镜105位于第四全反射镜104的出光侧。
具体来说，经过红外分离吸收单元30分离出的可见光和紫外光射入第二反紫外二向分光片101，其中可见光通过第二反紫外二向分光片101射入光传导单元50中，紫外光被第二反紫外二向分光片101反射至第五聚焦透镜102，聚焦后的紫外光经过第五准直透镜103准直后，被第四全反射镜104反射至第五全反射镜105，第五全反射镜105将紫外光反射至营养液杀菌单元80中，用于为营养液紫外杀菌。
如图1-图3所示，在本发明的一个实施例中，营养液杀菌单元80包括：紫外杀菌子单元81和加热杀菌子单元。紫外杀菌子单元81位于光传导单元50的下方，并位于栽培架70的底部，加热杀菌子单元分别与紫外杀菌子单元81和红外分离吸收单元30连接。
具体来说，加热杀菌子单元包括：蓄热箱82、营养液箱83、加热箱84、预热箱85和降温箱86。蓄热箱82中的高温流体储存着红外分离吸收单元30中的热能，从蓄热箱82流出的高温流体分别经过加热箱84的加热管和预热箱85的预热管，最后流回蓄热箱82；营养液箱83回收植物工厂的营养液后，营养液流经加热箱84、预热箱85、降温箱86、紫外杀菌子单元81，最终通过营养液循环单元进入栽培槽中，进行循环。
具体的，如图11所示，紫外杀菌子单元中紫外杀菌结构包括透镜组，透镜组位于高透明圆筒811的上方，透镜组包括聚焦透镜和准直透镜，紫外线经过聚焦透镜聚焦后，射入准直透镜中进行准直。高透明圆筒811外壁上涂有TiO2涂层，高透明圆筒811底部设有光路折返镜812，光路折返镜812由两个相互垂直的反射镜组成，两个反射镜一左一右分别与水平面呈45°角度，光路折返镜812由支撑座支撑，光路折返镜812与高透明圆筒壁811之间有空隙便于气泡通过，光路折返镜812下设置有空气泵813，空气泵813抽气端的抽气管位于空气中，出气端位于光路折返镜812的下方两侧，高透明圆筒811与紫外杀菌格底部有通孔便于营养液的在高透明圆筒811与紫外杀菌格之间的流通。紫外线通过聚焦透镜和准直透镜后照射到高透明圆筒811内的营养液气泡上，气泡被散射到壁面上的TiO2涂层上，TiO2晶体受到激发产生空穴和激发电子，与空气中的O2和H2O结合后产生具有强氧化性的氢氧根离子和氧离子，把营养液中的有机物氧化成水和二氧化碳，起到杀菌去除有毒有机物的效果。而部分没有照射到气泡上的紫外光照射到底部光路折返镜812后，光线经过反射，再通过气泡散射到外壁涂层上激发TiO2杀菌。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，密闭植物工厂太阳能立体照明系统还包括温差发电单元90，温差发电单元90与营养液杀菌单元80连接。
具体来说，温差发电单元90利用降温箱86的热量作为热端，把营养液箱83中的低温营养液作为冷端，进行温差发电，发电后可供给电机64用电。其中利用导热性能较好的热管作为热量传递介质，将热管的蒸发端放入降温箱，把降温箱中高温营养液的热能传递到热管冷凝端，并以此作为温差发电电池的高温侧，用热管的冷凝端接入低温的营养液箱，热管把蒸发端的热量传递到营养液箱中，并以此作为温差发电电池的低温侧，这样形成了一个热能传递链，既能给降温箱中的高温营养液降温，又可以给营养液箱中的低温营养液预热，同时还利用温差发电电池进行发电储能。
本发明实施例提供的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，可在白天时为植物工厂立体多层栽培架上的植物提供所需光照，同时收集红外线储存热量用于营养液杀菌，分离的紫外线用于营养液双重杀菌，去除营养液循环使用中的自毒物质，实现了太阳能分频联用，减少了植物工厂照明和制冷能耗，去除了循环使用的营养液中自毒物质，使植物处在一个适宜的营养液环境中茁壮成长。本发明实施例提供的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，利用其降温热能作为热侧，同时利用待加热杀菌的营养液作为冷侧进行温差发电，这样形成了一个热能传递链，既能给营养液降温箱中的高温营养液降温，又可以给待加热杀菌营养液箱中的低温营养液预热，同时还利用温差发电电池进行发电储能；其中紫外杀菌结构中气泵抽取植物工厂中的空气通过营养液后逸出既可以给营养液增加氧含量又可以给空气加湿。
以下以图1-图3所示的实施例为例详细说明本发明提供的密闭植物工厂太阳能立体照明系统的工作原理。
如图1所示，太阳光经过聚光单元10收集后射入红外分离吸收单元30中，红外分离吸收单元30将太阳光谱中的红外光在红外分离吸收单元30的反射腔体310中经过多次反射后被红外吸收液所吸收，热量储存在蓄热箱82中。可见光和紫外光传导至光传导单元50中，光传导单元50根据栽培面的分层情况，设置为多个光传导单元50，每个光传导单元50分别位于各层栽培面上方。旋转散光照明单元60分别位于各层的光传导单元50的可见光出光处。可见光和紫外光通过光传导单元50后，可见光被旋转散光照明单元60旋转成面光源为各层的植物照明，紫外光直接传导至营养液杀菌单元80中为营养液杀菌。
如图2所示，太阳光经过聚光单元10收集后射入红外分离吸收单元30中，红外分离吸收单元30将太阳光谱中的红外光在红外分离吸收单元30的反射腔体310中经过多次反射后被红外吸收液所吸收，热量储存在蓄热箱82中。可见光和紫外光经过第二反紫外二向分光片101时，可见光直接通过第二反紫外二向分光片101射入光传导单元50中，紫外光被反射后依次经过第五聚焦透镜102、第五准直透镜103射入第四全反射透镜104中，紫外光被第四全反射透镜104反射至第五全反射透镜105，第五全反射透镜105将紫外光反射至营养液杀菌单元80中。可见光经过各层的光传导单元50传导，为各层的植物照明。
如图3所示，太阳光经过聚光单元10收集后射入红外分离吸收单元30中，红外分离吸收单元30将太阳光谱中的红外光在红外分离吸收单元30的反射腔体310中经过多次反射后被红外吸收液所吸收，热量储存在蓄热箱82中。可见光和紫外光经过第二反紫外二向分光片101时，可见光直接通过第二反紫外二向分光片101射入光传导单元50中，紫外光被反射后依次经过第五聚焦透镜102、第五准直透镜103射入第四全反射透镜104中，紫外光被第四全反射透镜104反射至第五全反射透镜105，第五全反射透镜105将紫外光反射至营养液杀菌单元80中。可见光经过各层的光传导单元50传导，为各层的植物照明。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种密闭植物工厂太阳能立体照明系统，其特征在于，包括：
多个聚光单元，多个所述聚光单元呈阵列排布在植物工厂的顶部；
多个红外分离吸收单元，每个所述红外分离吸收单元分别位于所述聚光单元的出光侧；
多组光传导单元，每组所述光传导单元分别位于所述红外分离吸收单元的出光侧，并位于所述植物工厂的内部。
2.根据权利要求1所述的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，其特征在于，所述红外分离吸收单元包括：
反射腔体，位于所述聚光单元的出光侧，所述反射腔体的内壁涂有高反射涂层，所述反射腔体内填充有红外吸收液。
3.根据权利要求2所述的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，其特征在于，所述红外分离吸收单元还包括：
第一筒形件，设置在所述反射腔体内，所述第一筒形件的两端与所述反射腔体连接，所述第一筒形件的侧壁开设有第一通孔，所述第一筒形件的外壁涂有高反射涂层；
第一红外二向分光片，设置在所述第一筒形件内，并位于所述第一通孔处，且与水平面呈45°角度设置；
第一透明盖板，设置在所述第一筒形件的顶端；
第一聚焦透镜和第一准直透镜，所述第一聚焦透镜位于所述红外二向分光片的下方，所述第一准直透镜位于所述第一聚焦透镜的下方。
4.根据权利要求2所述的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，其特征在于，所述红外分离吸收单元还包括：
第二筒形件，设置在所述反射腔体内部，所述第二筒形件的两端与所述反射腔体连接，所述第二筒形件的侧壁开设有第二通孔，所述第二筒形件的外壁涂有高反射涂层；
第二红外二向分光片，设置在所述第二筒形件内，并位于所述第二通孔处，且与水平面呈45°角度设置；
第二聚焦透镜和第二准直透镜，所述第二聚焦透镜设置在所述第二筒形件的顶端，所述第二准直透镜位于所述第二红外二向分光片的下方。
5.根据权利要求2所述的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，其特征在于，
所述反射腔体为两个纺锤体构造成的纺锤型腔体，外层纺锤体的顶面设置有第二透明盖板，内层纺锤体的顶面设置有第三红外二向分光片，所述外层纺锤体和所述内层纺锤体的底面通过圆筒连接，以使光线能够穿过所述圆筒的内部。
6.根据权利要求3所述的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，其特征在于，每组所述光传导单元包括：
第一光传导单元，位于所述第一准直透镜的出光侧，并位于栽培架的顶层栽培面上方，所述第一光传导单元包括第一全反射镜，与所述第一全反镜间隔设置的第一反紫外二向分光片和第一能量分光镜，所述第一全反镜、所述第一能量分光镜和所述第一反紫外二向分光片与水平面呈45°角度设置，其中，所述第一反紫外二向分光片和所述第一能量分光镜重叠设置；
第二光传导单元，位于所述栽培架的中间层栽培面上方，所述第二光传导单元包括位于所述第一全反射镜下方的两个第一透紫外二向分光片，两个所述第一透紫外二向分光片沿竖直方向间隔且互相垂直设置，位于所述第一能量分光镜下方的第二全反射镜，以及位于所述第二全反射镜下方的第二能量分光镜，所述第二能量分光镜与所述第二全反射镜垂直设置，其中，位于所述第一全反射镜下方的所述第一透紫外二向分光片和所述第二全反射镜与水平面呈135°角度设置；
第三光传导单元，位于所述栽培架的底层栽培面上方，所述第三光传导单元包括位于所述第一透紫外二向分光片下方的第二透紫外二向分光片，以及位于所述第二能量分光镜下方的第三全反射镜，其中，所述第二透紫外二向分光片和所述第二能量分光镜与水平面呈135°角度设置。
7.根据权利要求4所述的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，其特征在于，每组所述光传导单元包括：
第四光传导单元，位于所述第二准直透镜的出光侧，并位于栽培架的顶层栽培面上方；
第五光传导单元，位于所述第四光传导单元的出光侧，并位于所述栽培架的中间层栽培面上方；
第六光传导单元，位于所述第五光传导单元的出光侧，并位于所述栽培架的底层栽培面上方；
其中，所述第四光传导单元、所述第五光传导单元和所述第六光传导单元均包括：
拱形分光镜；
翼形散光元件，设置在所述拱形分光镜的四周，所述翼形散光元件的上表面为反射面，下表面为散射面，所述散射面上设置有多个锯齿状的散光凸起。
8.根据权利要求5所述的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，其特征在于，每组所述光传导单元包括：
第七光传导单元，位于所述纺锤体的下方，并位于栽培架的顶层栽培面上，所述第七光传导单元包括连接的第一锥形分光散光元件和第一直管玻璃管，所述第一直管玻璃管位于所述第一锥形分光散光元件的下方，所述第一直管玻璃管内设置有第三聚焦透镜；
第八光传导单元，位于所述第七光传导单元的出光侧，并位于所述栽培架的中间层栽培面上，所述第八光传导单元包括：依次连接的第二直管玻璃管、第一锥形玻璃管、第二锥形分光散光元件和第三直管玻璃管，其中，所述第二直管玻璃管与所述第一直管玻璃管连接，所述第一锥形玻璃管内设置有第三准直透镜，所述第三直管玻璃管内设置有第四聚焦透镜；
第九光传导单元，位于所述第八光传导单元的出光侧，并位于所述栽培架的底层栽培面上，所述第九光传导单元包括：依次连接的第四直管玻璃管、第二锥形玻璃管、第三锥形分光散光元件和玻璃柱，其中，所述第四直管玻璃管与所述第三直管玻璃管连接，所述第二锥形玻璃管内设置有第四准直透镜。
9.根据权利要求6所述的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，其特征在于，还包括多个旋转散光照明单元，每个所述旋转散光照明单元分别位于所述第一光传导单元、所述第二光传导单元和所述第三光传导单元的出光侧，每个所述旋转散光照明单元包括：
一字镜，所述一字镜的外部安装有小齿轮；
大齿轮，与所述小齿轮啮合；
电机，与所述大齿轮电连接；
立柱，所述一字镜、所述大齿轮和所述电机安装在所述立柱；
螺杆，与所述立柱活动连接。
10.根据权利要求1所述的密闭植物工厂太阳能立体照明系统，其特征在于，还包括：
营养液杀菌单元，所述营养液杀菌单元的部分组件位于所述光传导单元的下方，剩余部分组件位于所述植物工厂的外部，且所述剩余部分组件与所述红外分离吸收单元连接；
发电单元，所述发电单元与所述营养液杀菌单元连接。
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