[發明專利]一種密集型高光能利用率植物工廠

有效

• 申請號: 201410056062.4
• 申請日: 2014-02-19
• 公開（公告）號: CN103814775A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 王鑫;鄒騰躍;吳作勛;吳傳宇;徐永
• 申請（專利權）人: 福建農林大學
• 主分類號: A01G9/20
• 分類號: A01G9/20
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本發明屬于設施農業生產領域，通過滑動式支架的密集型栽種、植株高度的自動檢測及LED光強的自適應調節系統來提高植物工廠的空間使用效率并節約能源，使農作物的生產更為高效。?

背景技術

植物工廠是現代設施農業發展的高級階段，是一種高投入、高技術、精裝備的生產體系，集生物技術、工程技術和系統管理于一體，使農業生產從自然生態束縛中脫離出來，按計劃周期性地進行植物產品化生產的工廠化農業系統。植物工廠的一大優點是節約耕地資源，它利用層疊的支架來實現植物的多層種植，從而提高了土地面積的使用率，實現了對空間更為有效的利用。植物工廠的另一個優點是通過室內人工光源的栽培，人們可以采用各種高科技的手段對光照條件進行自適應地調節，使得植物在整個生長周期都能獲得最佳的光照，滿足植物快速生長的需求。

現有的植物工廠一般采用如圖1所示固定的植物培養架，它在空間和能源利用率上仍有許多不足，仔細分析就會發現這種結構的缺點。首先從橫向上看，這種結構每兩個培養架之間都有一條走道，占用了大量的土地面積，再加上兩個縱向排列的培養架之間的走道，因此室內的土地利用率只有50%左右。此外，植物工廠的建筑物以及建筑物外圍的走道將占用與室內相似的面積，使得實際土地的綜合利用率只有25%左右。如果每個培養架上有四層支架，則可栽種的面積與原有的土地面積相同，違背了植物工廠節約土地資源的初衷。此外采用這種培養架之間有走道的分離式結構，會使LED光源中約三分之一的光能從培養架的兩側泄露到走道上而不能為植物所吸收，從而浪費了這部分光能。當所有的培養架并在一起后，不僅提高了土地的利用率，而且從培養架的兩側泄露到走道的光能也能被充分利用，從而節約了約三分之一的光能。此外，當所有的培養架并在一起后，其上方的照明光源也連成一片，有助于對植物提供更均勻的光照，確保培養架內各個部位的植物都能得到足夠的光照強度。

其次從縱向上看，針對單個植物培養單元，無論培養單元內種的是什么植物，是很矮的秧苗還是植株高大的植物，現有的植物工廠大多數采用簡單的固定高度的植物培養架單元，這就使得LED光源到植株頂部的距離差別很大。由于單個LED光源照射到植株上的光強是與其距離的平方成反比的，距離每增加一倍，照射到植株上的光強就減為原來的四分之一。當植株還是很矮小的秧苗時，植株高度相對于架子高度低矮得多，其頂部到LED光源的距離也許會是長大之后的植株到LED光源距離的4到5倍，甚至更大。此時LED光源照射到植株上的光強只有長大之后光強的1/16到1/25，因此需要提高LED的照明功率以達到符合要求的光強值。換句話說，當植株還是很矮小的秧苗時如果我們能將其上移到與其長大后到LED光源的距離一致，我們所需的LED光源的光強可以降為不移動時光強的1/16到1/25。這既能極大地節省照明光源的能量，又能使LED光源的照射光強滿足植物生長的需求，是一個簡單而又節能的好方法。

但由于植物在不同生長期所需的光強是不同的，上述那種簡單地將植株的頂部上移到與其長大后到LED光源的距離一致的做法并不是最佳的，為此，我們可以采用兩種不同的方法來實現植物對光強的不同需求。其一是保持LED的光強不變，通過自適應地調節植物頂部到LED的距離，使得當植物需要較強的光照時，就減小植物頂部到LED的距離，反之，當植物需要較弱的光照時，就增加植物頂部到LED的距離。因此，在這種方案中，植物頂部到LED的距離是隨著植物生長期的不同而自適應變化的。其二是在植物的整個生長過程中保持植物頂部到LED的距離不變，通過自適應地調節LED的光照強度，使得當植物需要較強的光照時，就增加LED的光照強度，反之，當植物需要較弱的光照時，就減小LED的光照強度。因此，在這種方案中，LED的光照強度是隨著植物生長期的不同而自適應變化的。無論采用哪種自適應檢測和跟蹤系統，我們都可以使托盤上的植株頂部到LED光源的距離較近，以便可以采用較小的LED功率來滿足植物生長所需的光照強度，既能實現節能的目的，又可以滿足植物在不同的生長期對光照強度的不同需求，從而使植物在各個生長期都能得到最佳的光照，滿足其快速生長的需求。

目前用于提高植物工廠空間和光能利用率的專利和各種公開文件中，都沒有針對用于提高LED人工光源以及植物工廠內空間利用率和光照均勻性的植物培養架間走道空間的優化方案和植物培養單元內縱向高度自動跟蹤植物生長過程的優化設計。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是提供一種密集型高光能利用率植物工廠，能有效提高植物工廠的空間使用效率并節約能源，使農作物的生產更為高效。