CN1889824A - 多层面耕种模块和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明通过在生物“白天”循环期间以周期性的方式将叶绿体(或者其等价物)曝光来阻止光合作用的固有的低效率。将光、光电和/或机电技术引入传统耕种方法，以成倍增加转化率和农产量。提供一种执行本发明的以上目的的模块，该模块包括：日光分布子系统；以及具有多个种植层面的结构，其具有用于支承所需量的有生命植物和相关的营养源(例如土壤，溶液培养物或者等价的营养源)的构造和尺寸。

Description

多层面耕种模块和系统
背景技术
宏观上，本发明的耕种技术是基于土地使用的固有的低效率作出的。需要土地来种植待耕种的作物。土地也例如以池塘的形式在附近或者离作物一定的距离处用于水的存储。另外，土地也在附近或者离作物一定的距离处用于能量存储、分布、石油燃料存储/生产等。
但是，将池塘用于水的收集导致固有的低效率。例如，收集在池塘(例如在土壤、藻类或其他有机物内)中的多余的矿物质和其他杂质与植物用的水一起输送。这种杂质可以吸引害虫，而害虫又需要用杀虫剂来处理。尽管在一定程度上可用水处理来防止这些杂质，但是其成本高。
另外，从社会经济学、环境学、经济学和政治学的立场看，证明存在与广泛依赖于发电厂和石油燃料的能量有关的问题。
Hessel等人的美国专利No.6508033披露了一种用于生产农产品的自动系统。总的说来，Hessel等人的系统包括三维的生长区和机器人支承系统，其包括播种、灌溉、过滤和收割。Hessel等人还启示了一种系统，用于通过在灌溉流中导入氧气而增加种植效率。但是，如其中所启示的，在典型的白天-夜间循环中提供照明。
一般说来，公知的光合作用过程通过形成用作植物的食物的碳水化合物、蛋白质和其他产物将太阳能转化成化学能。光合作用是地球上规模最大的生物合成过程。通常，在光反应中获取光，并且在光获取过程中产生的能量用于暗反应中。但是，众所周知，光子能量转换效率大约为1％或者更低，可能相当于百分之零点几。尽管如此，传统现有技术的耕种方法得到了合理的发展，产生可合理负担得起的食物。
但是，对于除食物之外的物质，农产物成本高。例如，来自于蛋白质和其他植物产物的、具有所需要的特殊性能的物质如生物质、可生物降解的塑料、药品和其他材料的成本高。另外，其他特殊应用，如藻类产品和生物燃料产品利用现有技术限制了经济效果。
另外，一般说来，光谱的两个相对窄的部分(例如，以大约680nm和大约700nm为中心，但是对于其他类型的有生命植物可用其他带宽)对于植物生长尤其有用。
现有的耕种技术在时间和谱分量方面都依赖于过度照射。
另外，大多数现有的耕种技术处于未受控环境，从而导致与生物工程植物传播和超越其他有生命植物有关的担心。
因此，希望提供一种用于克服光低效的耕种的方法和系统。
发明内容
本发明的一个目的是通过在生物“白天”循环期间以周期性的方式将叶绿体(或者其等价物)暴露于光中来阻止光合作用的固有的低效率。
本发明进一步将光、光电和/或机电技术引入传统耕种方法，以成倍增加转化率和农产量。
在本发明中的一个实施例中，提供一种执行本发明的以上目的的模块，该模块包括：日光分布子系统；以及具有多个种植层面(level)的结构，其具有用于支承所需量的有生命植物和相关营养源(例如土壤，溶液培养物或者等价的营养源)的构造和尺寸。
在本发明的另一个实施例中，所述模块中设置有日光分布子系统，该日光分布子系统包括太阳能收集子系统、能量存储子系统和用于将光周期性地分布到每个结构层面的有生命植物上的光分布子系统。
在本发明的再一个实施例中，模块包括水收集子系统和分布子系统。在一个例子中，水收集子系统结合于太阳能收集子系统中。其可以是例如设置在光电电池阵列中在一定的光电电池之间和/或周围的槽。在另一个例子中，可以在电池之间和/周围设置孔以收集水(例如雨水)。
上述系统可包括适合的结构和管路，以将水导入用于每个模块的每个种植层面的局部收集槽，或者通向多个模块的网状收集槽。
太阳能收集子系统和可选的水收集子系统被支承在一结构上，该结构在优选实施例中提供对种植层面的支承。该支承结构(例如位于支承太阳能收集子系统的一个或多个底座或者腿内或与之并排)可支承或者容纳管路，以分布收集的雨水。另外，底座可支承或容纳导线管，例如从光电电池到能量存储子系统；从能量存储子系统到光系统；控制从控制器到光系统的信号导线；用于从模块收集数据的数据信号。
在本发明的又一个实施例中，可以在模块上使用冲洗或者洗涤循环。如上所述，冲洗循环的水可来自与模块相关联的容纳区，或者来自储存器或槽。另外，可选溶剂可与冲洗循环的水结合使用。冲洗循环可用来消除来自电池的污染物，该污染物可能阻挡有效收集太阳能。例如，这种污染物可包括花粉、碎片、滴下物、酸雨残留物等。
具体实施方式
此处公开的是一种用于农业生产(即耕种)的系统和方法，由此根据本发明的上述目的克服传统耕种技术的低效率。
现在参照图1，示出了作为时间的函数的光强度，其涉及一种植物或者一层植物。如图所示，调整光强使其以1/t(p)的频率在一个时间段t(h)上为“开”的状态。如在本发明的背景技术中所述的，频率1/t(p)表示有生命植物必须收集以可见光子形式的充分的能量以执行一个循环的光和暗反应的收获周期。基于有生命植物的类型，考虑到这种有生命植物类型的光合作用的原理，通常基于光和暗光合作用循环，优化t(h)和t(p)。另外，t(h)和t(p)的值可根据如下因素而变化，这些因素包括但不限于白天的时间、一年的时间、有生命植物的生长的期望率/最优化、试验系统、电子传输元件的除主要或其他特征之外的期望的饱和率。在一些实施例中，时间t(h)可以是大约10×10-15秒到大约1×10-3秒的数量级。周期t(p)可以是大约1×10-12秒到大约1秒的数量级。
另外，尽管光合生命的光合体系通常平行吸收光子能量，但是本发明可以被设计成在周期t(p)内的不同时间提供多个光脉冲t(h)。
现在参照图2，示出了多层面耕种(MLF)系统100。一般说来，MLF系统100包括能量分布子系统110和多(N)个耕种层面120，耕种层面120通常在其上具有所需数量的有生命植物和相关联的营养源(例如土壤，溶液培养物或者等价的营养源)。
有生命植物或者有机物可以选自蔬菜、叶状蔬菜、药草或其他香草、花、水果、树、块茎、菌类、谷物、油籽和通常改良的植物有机体。
现在参照图3，示意性的示出了MLF系统100的网络200。网络200可通常包括能量发生器230，其与每个MLF系统的多个能量分布子系统110连接。
在本发明的一个实施例中，参照图4，设置有MLF模块400用于执行本发明的目的。模块400通常包括日光分布子系统，其具有用于将太阳能转化为电能的日光收集系统410。转化的电能可以存储在能量存储系统440中，或者直接分布到每一层面420的光产生子系统422上。每一层面420的光产生子系统422上具有相关联的结构层面424，其具有用于支承所需数量的有生命植物和想关联的营养源(例如土壤，溶液培养物或者等价的营养源)的构造和尺寸。光产生子系统422可以直接从日光收集系统410、从能量存储系统440或者从其他源获得能量。在适合的定时控制器的控制下对有生命植物提供光，以实现相对于图1所述的上述目的。即，光接通周期t(h)关闭周期t(p)的循环。在更优选的实施例中，为了保存能量，光源对特定的有生命植物产生严格限制为所需带宽的光。
N层面有生命植物每个的尺寸(通常高度是唯一可以在层面之间变化的尺寸)、光照条件/周期/带宽、生长介质(土壤，溶液培养物)、温度条件、湿度水平和其他条件可以相同或者不同。
例如，在一些实施例中，可能希望设置系统的某些层面用于秧苗，而其他层面用于更成熟的有生命植物。
可选择地，本发明的系统可以是用于在一个系统中生长各种有生命植物的能量效率装置，例如用于住宅、餐厅、药用设施、医院等。
优选地，具有与N层面相关的不同方面的这种系统具有专用于每一层面的控制系统。
现在参照图5，示意性的示出了MLF模块400的网络500。网络500可通常包括普通的能量存储系统，或者与一个或者多个模块400相关联的多个能量存储系统。另外，能量分布系统可以是网络控制的，独立控制的或者以适合的组控制。
太阳能收集子系统410可包括任何适合的太阳能转化系统。最通常的太阳能收集系统基于光电电池。参照图6，太阳能收集子系统410可以单个光电电池的形式提供。参照图7，太阳能收集子系统410可以任何一组光电电池的形式提供。参照图8，太阳能收集子系统410还包括适合的机械结构，以例如允许太阳跟踪系统结合于其中，从而优化太阳能收集/转化。
能量存储系统440可以是任何适合的二次电池或电池系统、金属燃料再生系统、氢燃料生成系统或者其他适合的能量存储系统。通常，能量存储系统440包括任何适合的二次电池的一个或多个电池，包括但不限于铅酸、镉镍、锂聚合物、镍金属氢化物或者锌镍。
可选择地，从太阳能收集子系统收集的全部或部分能量可被供给局部网，由此这些局部网的能源可选地用于系统能量需求。
光源可以是任何适合的电光源。传统光源如卤素、钠、白炽、荧光、电致发光、光致发光或者任何其他适合的光源。电致发光光源可以是无机的或者是有机的。可选择地，根据开关速度和控制能力可使用聚合物发光电化学单元(LECs)。优选的是，可以使用高效发光二极管，其在某些实施例中围绕所需的光带宽设计。在一些实施例中，当需要超快(例如100毫微微秒的数量级)的脉冲时，可以使用超快的激光源或者开关。
可以提供适合的控制器，以确定系统的各种功能性操作。例如，可以在控制器中对发光控制进行编程。也可以通过控制器部署灌溉方案。
在本发明的另一个实施例中，参照图9，设置有MLF模块600用于执行本发明的目的。模块600通常包括日光分布子系统，其具有用于通过每一层面620的适合的光导向件623引导太阳能的日光收集系统611。光通过可控制的光阀626可选择地分布到每一层面。光阀626可以是适合的电光、磁光、电或磁机械光导结构，液晶结构或者能够基于图1所示的优化用于结构层面624上的有生命植物的定时系统将光从收集系统611引导到适合的层面620的任何其他可控制的装置或者物质。提供多个镜628或者其他适合的光反射或引导结构，以将光从分布臂628导向有生命植物。
在本发明的又一个实施例中，参照图10A-10C和11，集成系统750包括光转化和水收集，用于最大化覆盖效率(footprintefficiency)。
集成系统750包括光电电池组752，其具有通常位于光电电池之间的收集槽754。在电池组的周边的至少一部分周围设置主子系统收集槽756。
参照图10B，电池组可以被构造成倾斜角，以使雨水流入周边槽。另外，参照图10C，电池组可以是人字形的，以允许流入多个周边槽。
在另一个例子中，参照图11，孔或者穿孔758可包括在光电电池组752上，位于电池之间或者围绕电池，以收集雨水。
仍参照图11，在图10A-10C中带槽的系统或者图11中带孔的系统中，设置有适合的结构和管路762。这种结构可以将水导入每一层面或者每个模块的局部收集槽，或者导入通向多个模块的网状收集槽。
太阳能收集子系统和一体的水收集子系统支承在一结构上，该结构具有超过结构层面的构造和尺寸。该支承结构(例如位于支承太阳能收集子系统的一个或多个底座或者腿的内部或与之并排)可包括管路，以分布收集的雨水、水和/或营养供给有生命植物，或者其他所需的液体或者其他传输。
另外，可提供导线管用于容纳电线，例如从光电电池到能量存储子系统，从能量存储子系统到光系统；从控制器到光系统的控制信号导线；用于从模块收集数据的数据信号，或者其他所需的电线。
在本发明的各实施例中，可在模块中使用冲洗或者洗涤循环。例如，在不同的时间(例如，周期性(即，每天早上，每周等)，基于实际或者远程视觉检测，基于效率传感器等)，喷水器可对板进行喷射，以去除聚集的花粉、灰尘、滴下物、酸雨残留物或者其他污染物。冲洗循环的水可来自与模块相关联的容纳区，或者来自储存器或槽。另外，可与冲洗循环的水结合地使用任选的溶剂。特别的是，在其上具有光电电池的模块中希望出现这种循环。图12大体上示出了冲洗循环的操作。
除了冲洗循环之外，也可以结合擦拭循环以清洁表面。在一些实施例中，板非常大，例如跨度几米。该擦拭循环可使用来自电池族或者电池的能量。周期性地，例如每天早上，系统可以冲洗，如上参照图12所述，并且随后用适合的擦拭结构擦拭板，此处描述了擦拭结构的例子。这样，通过保持板的清洁，提高了太阳能收集效率。在未清洁的系统中，在不下雨的期间，堆积了灰尘、花粉等并且降低了效率。
另外，太阳能电池板可通过其他固有的装置保持清洁(由此保持最优的效率)。例如，本系统中使用的PV板可一体地结合有清洁结构，包括但不限于疏水的材料/涂层，声波系统和充电系统。
例如，图13A和13B示出了用于耕种模块800(具有上述任何或全部特征)的一个擦拭结构。13A是系统800的剖视图，13B是系统800的俯视图。模块800通常包括支承基座818和基座818上的太阳能电池板816，假定多层面被适当地构造和定位在其底下。擦拭结构810设有例如滑行器或者轮812，其具有用于横跨模块800的槽814的构造、尺寸和定位。如此处所述，可受适合的控制器或者网络控制的适合的马达、致动器等可用来允许擦拭器810在需要时或者周期性地横跨和擦拭太阳能电池板816。
参照图14A和14B，示出了结合在耕种模块820中的径向擦拭结构的一个实施例。模块820包括通常支承在模块820的基座828上的太阳能电池板826。由如此处描述的受适当控制的马达822的作用使擦拭器830转动。
除了活动的擦拭器、太阳能电池板或者用于太阳能电池板的透明盖之外，可结合有清洁结构，包括但不限于疏水材料、声波系统、充电系统或者其他适合的系统。
本发明的系统的能量存储和分布系统也可以变化。例如，能量存取器(即，电池)可基于模块式电池(例如，每个模块一个)或者连接到本发明的几个模块上的电池组。另外，能量分布子系统(例如，用于控制光、泵和其他能量消耗子系统)可包括DC-AC转换器，或者光可以基于DC电压。可选择的是，如本领域公知的，可以阶段性地收集能量，从而允许用适合的升压变压器进行AC输电。
现在参照图15，示出了本发明的另一个实施例。MLF系统900包括位于外壳950内的多个层面960。设置支承模块962，以对多层面960提供支承。该支承件的形式可以是能量(例如用于使与每一层面相关联的光源通电)、二氧化碳、水、营养或者有生命植物的其他所需物品。另外，可以在支承模块962内结合控制器和传感器。总线964连接MLF900的各层面960。在一些实施例中，MLF系统900可以部分自维持。但是，外部电源、水、二氧化碳、营养等可以用示意性地示出的线路966导入。
MLF900的另一个优点在于，由于其被包围并且具有自己的环境，降低或者消除了与基因工程有生命植物有关的缺点。一方面，通过使用MLF900，减小了基因工程有生命植物传播的担心。另一方面，通过使用MLF900，基因工程有生命植物可以在其中生长，而无需担心传播到其他农产品源(例如传统农作物)或者战胜原产的有生命植物。
现在参照图16，示出了本发明的另一个实施例。MLF系统1000包括位于外壳1050内的多个层面1060。与图16的系统相比，每一层面960可在其中包括必须的支承系统，例如(用于使与每一层面相关联的光源通电的)能量、二氧化碳、水、营养或者有生命植物的其他所需物品。另外，可以在每一层面1060中结合控制器和传感器。
这样，本发明的优点对于在对生长的有生命植物提供受控制的环境的同时优化土地使用效率和能量尤为重要。
在一些实施例中，系统可与环境隔离，从而例如在基因工程有生命植物的农业中，不存在这种基因工程有生命植物的不希望的传播的威胁。
另外，在植物在底下生长时，最大化了系统使用的空间，并且上面收集了水。在一些实施例中，上面收集水和能量。这相对于使用单独的存储器或者池塘水存储的传统耕种技术具有明显优势。
本发明的另一主要优点在于，模块可以部分地或者完全自维持。可从任何一体的PC电池、从具有从PV电池获取的能量的电池组或者从传统的能源网供应用于控制系统、泵、(例如太阳跟踪系统、移位系统、擦拭系统的)马达的电源。但是，在优选实施例中，大量的模块电源来自PV电池和/或电池组。
尽管已经示出和描述了本发明的优选实施例，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。因此，应当理解，只是以示例性而非限制的方式描述了本发明。

Claims (8)

1.一种种植有生命植物的方法，包括：调整光强使其以1/t(p)的频率在时间段t(h)上为“开”的状态，频率1/t(p)表示有生命植物必须收集足够的光子形式的能量以进行光和暗反应循环的收获周期；以及调整光强使其在收获周期之间所需的时间上为“关”的状态。
2.一种根据权利要求1的方法种植有生命植物的模块。
3.根据权利要求2所述的模块，包括：
a.日光分布子系统；以及
b.具有多个种植层面的结构，其具有用于支承所需量的有生命植物和相关营养源(例如，土壤、溶液培养物或者相当的营养源)的构造和尺寸。
4.根据权利要求3所述的模块，其特征在于，所述日光分布子系统包括太阳能收集子系统，能量存储子系统，以及用于周期性地将光分布到每个结构层面的有生命植物的光分布子系统。
5.根据权利要求2所述的模块，进一步包括水收集子系统和分布子系统。
6.根据权利要求4所述的模块，进一步包括水收集子系统和分布子系统，其中水收集子系统一体地形成于太阳能收集子系统中。
7.根据权利要求6所述的模块，其特征在于，在光电电池阵列中在一定的光电电池之间和/或周围设置槽。
8.根据权利要求6所述的模块，其特征在于，在电池之间和/或者周围具有孔以收集水。
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