Солнечный интенсифицированный тепличный комплекс
SOLAR INTENSIFIED GREENHOUSE COMPLEX

Предлагаемое изобретение относится к области сельскохозяйственного промышленного производства растительной продукции, а именно: к укрывным материалам в растениеводстве при интенсивных способах выращивания сельскохозяйственных культур и других растений посредством устройств защищенного грунта, в частности, посредством энергосберегающих теплиц, и может быть использовано при сооружении тепличных комплексов и строительства связанных с ним других, в том числе сельскохозяйственных, сооружений, в которых обогрев освещение и электроснабжение их внутреннего пространства осуществляется посредством расширенного использования энергии солнечного излучения.
Энергоснабжение составляет весьма существенную часть расходов при выращивании растений в теплицах. Кроме того, при выработке электроэнергии для теплиц используется большое количество углеводородного топлива, что наносит вред окружающей среде. В настоящее время в мире запасы источников углеводородного топлива сокращаются при возрастании проблем экологии, связанных с использованием углеводородного топлива, вследствие чего все большее внимание уделяется развитию зеленых технологий, в частности, развитию солнечной энергетики.
Температура воздуха в северных широтах значительно ниже, чем в южных. Существующие основные конструкции теплиц приспособлены, в основном, для южных климатических условий и часто не рассчитаны на низкие температуры северных широт. Вследствие этого зимой потребление электроэнергии теплицами чрезвычайно высоко, что существенно повышает себестоимость выращиваемых в теплицах сельскохозяйственных культур. С другой стороны, в летний период из-за большой продолжительности дня тепловая нагрузка на теплицу может быть избыточной, что, порой, также нежелательно вследствие чего температурный режим в теплице необходимо контролировать в заданном, наиболее благоприятном для выращиваемых в ней растений диапазоне.
С учетом вышеизложенного широкое вовлечение солнечной энергии в энергетический баланс сельскохозяйственного производства является чрезвычайно актуальной проблемой. Важную роль в ее решении играет создание светорегулирующих и светотрансформирующих материалов. Отсюда проблема создания светорегулирующих и светотрансформирующих материалов, в том числе трансформирующих солнечную энергию в электрическую, для тепличных комплексов с более эффективным использованием солнечной энергии в настоящее время встала достаточно остро.
Известно техническое решение, содержащее основание, светопрозрачную теплоизолирующую оболочку, выполненную в виде шара с отверстием в нижней части и закрепленную на опорах, установленных вертикально на основании, круговые лотки для гидропонного выращивания растений, выполненные в виде секций и размещенные внутри шара, подмости для ухода за растениями и обслуживания гидропонной установки, установленные по периметру круговых лотков, комплекс инженерных систем жизнеобеспечения растений: дополнительного облучения, минерального питания, теплообеспечения, вентиляции и другие, лестницы, связывающие ярусы круговых лотков между собой [1].
Однако известное техническое решение не обеспечивает снижение потребляемой извне электрической и тепловой энергии при одновременной интенсификации роста растений за счет расширенного использования энергии солнечного излучения для обогрева и равномерного и более интенсивного освещения внутреннего пространства теплицы вследствие того, что энергии солнечных лучей, падающих на обращенную к солнцу поверхность теплицы, недостаточно для обогрева внутреннего объема и равномерного освещения всей рабочей площади теплицы, вследствие наличия теневых зон, создающихся растениями и оборудованием, находящимися внутри теплицы, и отсутствия трансформации избыточного солнечного излучения в электрическую энергию.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) по совокупности существенных признаков является тепличный комплекс, содержащий составляющие совместно гелиопреобразующее рабочее пространство, светопроницаемое теплоизолирующее куполообразное покрытие, закрепленное на несущих опорах, установленных вертикально на основании, площади с культивируемыми растениями, основное оборудование и вспомогательные технологические средства, обеспечивающие функционирование названного комплекса по его проектному назначению, гелиопоглощающий, теплоаккумулирующий резервуар, установленный на основании по центру светопроницаемого теплоизолирующего куполообразного покрытия, изготовленного из кровельных блоков из светонепроницаемого материала с малой теплопроводностью, с массивом сквозных отверстий в форме усеченных конусов или пирамид, покрытых изнутри лучеотражающим материалом и закрытых снаружи и изнутри тонким светопроницаемым материалом, причем поверхность вышеназванных блоков, обращенная внутрь гелиопреобразующего пространства и незанятая сквозными и технологическими отверстиями, покрыта лучеотражающим материалом, а на прилегающей к светопроницаемому теплоизолирующему куполообразному покрытию территории концентрично ему и, как минимум, в два концентрических ряда размещены преимущественно плоские лучеотражающие панели, каждая из которых установлена на выходном звене своего двухкоординатного поворотного механизма с управляемыми приводами, основание которого закреплено на опорной стойке, вертикально установленной на земле, образующие вместе с отражателями, один из которых выполнен в виде усеченного конуса или усеченной многогранной пирамиды с отражающей поверхностью преимущественно снаружи и размещен вершиной вниз над центром светопроницаемого теплоизолирующего куполообразного покрытия, в котором создан сплошной светопроницаемый теплоизолирующий проем в центре, а второй - в виде пустотелого усеченного конуса или усеченной многогранной пирамиды с отражающими внутренней и внешней боковыми поверхностями установлен внутри светопроницаемого теплоизолирующего куполообразного покрытия вершиной вверх, под первым отражателем и соосно с ним дополнительный энергетический канал в виде потока солнечных лучей, отраженных лучеотражающими панелями, сконцентрированного и направленного сверху вниз, внутрь светопроницаемого теплоизолирующего куполообразного покрытия, причем управляемые привода двухкоординатных поворотных механизмов лучеотражающих панелей своими входами подключены к выходам устройства автоматического управления, реализованного на базе компьютерного центра, электрические входы которого соединены с датчиками температуры среды в гелиопоглощающем, теплоаккумулирующем резервуаре и в пространстве под светопроницаемым теплоизолирующим куполообразным покрытием с датчиками скорости и направления ветра, с датчиками положения выходных валов двухкоординатных поворотных механизмов лучеотражающих панелей.
Ко второй емкости гелиопоглощающего, теплоаккумулирующего резервуара подключена мини-теплоэлектростанция, выходы систем охлаждения которой связаны с первой емкостью гелиопоглощающего, теплоаккумулирующего резервуара.
Лучеотражающий материал, примененный в плоских лучеотражающих панелях, установленных на поворотных конструкциях, выполнен по меньшей мере из трех скрепленных между собой слоев разных материалов, одним из которых является фольга с зеркальной поверхностью, вторым, обращенным в сторону к свету, - тонкий светопроницаемый защитный материал, например, стеклянная пленка, и третьим, обращенным в сторону от света, материал, например синтетическая ткань, покрытый с внешней стороны влагостойким, морозостойким светоотражающим красителем [2].
Однако известное техническое решение достаточно сложное и нетехнологично при сборке отдельных элементов в единый тепличный комплекс, недостаточно надежно в эксплуатации и требует обеспечения электроснабжения тепличного комплекса извне.
Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является обеспечение электроснабжения тепличного комплекса солнечным излучением, а также повышение технологичности изготовления и сборки тепличного комплекса.
Указанный технический результат достигается тем, что в тепличном комплексе, включающем светопроницаемое теплоизолирующее покрытие, со структурой в виде полых пирамид или полых конусов, теплоаккумулирующий резервуар, установленный с возможностью получения тепловой энергии солнечного излучения, проходящего через светопроницаемое теплоизолирующее покрытие, содержащий заполненную водой первую емкость, и заполненную поваренной солью вторую емкость, установленную внутри первой емкости соосно с ней. изолированную по бокам и снизу материалом с низкой теплопроводностью, закрытую сверху светопроницаемым теплоизолирующим покрытием, ко второй емкости подключена мини-теплоэлектростанция, выход систем охлаждения которой связан с первой емкостью, в отличие от прототипа, на внутренней стороне светопроницаемого теплоизолирующего покрытия размещены прозрачные фотоэлектрические преобразователи, выход которых соединен посредством контроллера заряда с преобразователем постоянного напряжения, соединенного со входами аккумуляторных батарей, выходы которых соединены через инвертор с тепличным комплексом, а полые пирамиды или полые конусы выполнены с вершиной.
В тепличный комплекс может быть дополнительно введено защитное светопроницаемое покрытие, закрывающее снаружи и изнутри светопроницаемое теплоизолирующее покрытие.
В качестве защитного светопроницаемого покрытия может быть использована стеклянная пленка или пленка из оптически прозрачных полимерных материалов.
Стеклянная пленка или пленка из оптически прозрачных полимерных материалов могут быть выполнены со структурой в форме линз френеля или микролинз, или нанолинз, обеспечивающих фокусировку падающего на них солнечного излучения в направлении светопроницаемого покрытия.
Оптически прозрачный полимерный материал может быть выполнен из поливинилхлорида или поликарбоната, или полиметилметакрилата, или майлара.
На тыльную поверхность наружного защитного светопроницаемого покрытия может быть нанесен слой из оксида алюминия или оксида кремния, или оксида титана, обеспечивающий фильтрацию падающего на него солнечного излучения.
Боковые поверхности пирамид или конусов могут быть выполнены под углом наклона к соответствующему их воображаемому основанию не менее 69°.
На фиг. 1-3 представлены принципиальные схемы выполнения тепличного комплекса.
Солнечный интенсифицированный тепличный комплекс (1) включает светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2), со структурой в виде полых пирамид (3) с вершиной (фиг.1а), например, четырехгранных (фиг.1б), шестигранных (фиг.1в) и т.д., теплоаккумулирующий резервуар (4), установленный с возможностью получения тепловой энергии солнечного излучения, проходящего через светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2), содержащий заполненную водой первую емкость (5), и заполненную поваренной солью вторую емкость (6), установленную внутри первой емкости (5) соосно с ней, изолированную по бокам и снизу материалом (7) с низкой теплопроводностью, закрытую сверху вторым светопроницаемым теплоизолирующим покрытием (8), ко второй емкости (6) подключена мини-теплоэлектростанция (9), выход (10) систем охлаждения которой связан с первой емкостью (5), при этом на внутренней стороне светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2) размещены прозрачные фотоэлектрические преобразователи (11) (фиг.1).
Прозрачные фотоэлектрические преобразователи (11) предназначены для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.
Внутренняя относительно падающего солнечного излучения сторона светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2) является основанием, на которое наносится фотоприемный слой фотоэлектрических преобразователей (11) и тыльный и лицевой электроды (на фиг.1 не показаны). При этом светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2) должно быть диэлектрическим или на него дополнительно наносится диэлектрический слой, на котором далее последовательно формируются соответствующие тыльный и лицевой электроды.
Емкости (5, 6) теплоаккумулирующего резервуара (4) предназначены для концентрации, накопления и хранения в рабочих средах с высокой теплоемкостью, значительное количество тепловой энергии, поступающей с солнечным излучением в течение дня, особенно в полуденное время, что позволяет использовать полуденный максимум солнечного излучения для удовлетворения тепловой и электрической энергией тепличный комплекс (1) за счет тепла, накопленного в рабочих средах емкостей (5, 6) теплоаккумулирующего резервуара (4) и используемого по мере необходимости в системах обогрева (горячая вода в первой емкости (5) и генерации электроэнергии в мини-теплоэлектростанции, потребляющей горячий пар от парогенератора, размещенного во второй емкости (6).
Оптические характеристики и структура светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2) позволяют собрать и сконцентрировать на поверхности поваренной соли в во второй емкости (6) необходимое количество солнечной энергии, достаточное вплоть до расплавления поваренной соли. При этом высокое значение теплоемкости фазового перехода поваренной соли и ее количество, размещенное во второй емкости (6), позволяет в течение светового дня накопить значительное количество тепловой энергии. Теплоизоляция дна и боковых поверхностей второй емкости (6) и второе светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (8) препятствует рассеянию тепла, накопленного в объеме поваренной соли, обеспечивая тем самым необходимую длительность сохранения тепла. Водяная «рубашка» вокруг второй емкости (6), заполняющая первую емкость (5), обеспечивает дополнительную теплоизоляцию для второй емкости (6) вследствие того, что вода имеет очень низкую теплопроводность и, кроме того, утилизирует тепло, проникающее из второй емкости (6) через ее дно и боковые поверхности, которое используется в системах отопления и горячего водоснабжения.
В тепличный комплекс (1), при необходимости, могут быть дополнительно введены защитные светопроницаемые покрытия (12), закрывающие снаружи и изнутри светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2), при этом на тыльную поверхность наружного защитного светопроницаемого покрытия (12), при необходимости, может быть нанесен слой (13), обеспечивающий фильтрацию падающего на него солнечного излучения (фиг.2).
Наличие защитного светопроницаемого покрытия (12) позволяет защищать светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2) и прозрачные фотоприемные слои фотоэлектрических преобразователей (11) от разрушения, слипания, нанесения механических царапин и т.п.при сборке тепличного комплекса (1) и транспортировке светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2) от процессов перегрузки и тряски и/или защиты прозрачных фотоприемных слоев фотоэлектрических преобразователей (11) от слипания в процессе их хранения и/или в исходном транспортном положении, когда светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2) сложено и прозрачные фотоприемные слои фотоэлектрических преобразователей (11) соприкасаются друг с другом.
В зависимости от конкретных условий эксплуатации тепличного комплекса (1) в качестве защитного светопроницаемого покрытия (12) может быть использована стеклянная пленка или пленка из оптически прозрачных полимерных материалов (ПВХ, поликарбонат, полиметилметакрилат, майлар, полиэтилентерефталат и т.п.), выполненная, например, со структурой в форме линз френеля или микролинз, или нанолинз, обеспечивающих фокусировку падающего на них солнечного излучения в направлении светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2).
Структура в форме линз френеля или микролинз, или нанолинз, обеспечивающих фокусировку падающего на них солнечного излучения в направлении светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2), может быть сформирована методом голографического тиснения. В качестве нанолинз могут быть использованы, например, наночастицы размером много меньше длины волны излучения видимого диапазона [3].
Наличие слоя (13), обеспечивающего фильтрацию падающего на него солнечного излучения, позволяет ослабить при необходимости возможное неблагоприятное воздействие солнечного излучения на культивируемые в тепличном комплексе (1) растения (14) с учетом того, что фотоприемные слои фотоэлектрических преобразователей (11) поглощают часть спектра солнечного излучения. Как следствие, слой (13) обеспечивает оптимизацию диапазона длин волн солнечного излучения, падающего на культивируемые в тепличном комплексе (1) растения (14) для разных типов прозрачных фотоприемных слоев фотоэлектрических преобразователей (11), которые могут поглощать разные части спектра солнечного излучения.
2
3
2
2
В качестве слоя (13), обеспечивающего фильтрацию солнечного излучения, падающего на фотоприемный слой фотоэлектрических преобразователей (11), используют, например, прозрачные для солнечного излучения в определенном диапазоне оксиды: AlO (1,59), SiO (1,46), TiO (2,2-2,6). Выбор конкретного состава слоя (13) зависит от типа фотоприемного слоя фотоэлектрических преобразователей (11) и определяется длиной волны спектра солнечного излучения, активно поглощаемой фотоприемным слоем фотоэлектрических преобразователей (11), а также возможного неблагоприятного воздействия солнечного излучения определенной длины волны на культивируемые в тепличном комплексе (1) растения (14). Кроме этого, для создания эффекта фильтрации солнечного излучения может быть использован слой (13), сформированный методом голографического тиснения.
Полые пирамиды (3) (фиг.1) с вершинами и конусы (15) с вершинами (фиг.2), формирующие структуру светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2), предназначены для обеспечения максимально возможного поглощения падающей на фотоприемные слои фотоэлектрических преобразователей (11) солнечной энергии за счет многократного переотражения и соответственно поглощения излучения внутри пирамид (3) и конусов (15), что повышает КПД преобразования падающей на светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2) солнечной энергии в электрическую, а также повышает количество поступающего в тепличный комплекс (1) солнечного излучения, не поглощенного фотоприемными слоями фотоэлектрических преобразователей (11) вследствие снижения до минимума доли отраженного и рассеянного солнечного излучения внутри пирамид (3) и конусов (15). Например, для повышения их КПД фотоэлектрических преобразователей (11) солнечной энергии можно увеличить поглощательную способность генерирующего прозрачного фотоприемного слоя фотоэлектрических преобразователей (11) с помощью формирования массива микроконусов путем облучения KrF-лазером.
Угол наклона боковых граней пирамид (3) и боковой поверхности конусов (15) выбирается с учетом типа фотоприемного слоя фотоэлектрических преобразователей (11), его шероховатости и технологических возможностей его формирования на светопроницаемом теплоизолирующего покрытии (2) без разрушения фотоприемного слоя фотоэлектрических преобразователей (11) и нарушения электрических контактов фотоприемного слоя с лицевым и тыльным электродами. Чем больше угол наклона боковых граней пирамид (3) и боковой поверхности конусов (15) к их воображаемым основаниям, тем большее количество переотражений претерпевает луч внутри таких пирамид (3) и конусов (15) до своего выхода из них, преобразуя при каждом последующем переотражении все большую часть солнечной энергии, попавшей в пирамиды (3) и конусы (15), в электрическую энергию. Уже после 3-х - 4-х таких переотражений большая часть солнечной энергии преобразуется в электрическую энергию, а при больших углах наклона, когда число таких переотражений превышает десятки, пирамиды (3) и конусы (15) становятся ловушками, близкими по свойствам к абсолютно черному телу, поглощающему всю попадающую в них солнечную энергию. Это происходит при угле не менее 69° наклона боковых граней пирамид (3) и боковой поверхности конусов (15) к их воображаемым основаниям (при угле не более 21° при вершите соответствующих пирамид (3) и боковой поверхности конусов (15)).
Пирамиды (3) могут быть трех-, четырех-, пяти-, шестигранными и т.д. Использование светопроницаемого теплоизолирующего покрытии (2) со структурой из четырех- и шестигранных пирамид (3) обеспечивает возможность получения большей доли поверхности светопроницаемого теплоизолирующего покрытии (2), занятой четырех- и шестигранными пирамидами (3), по сравнению с долей поверхности светопроницаемого теплоизолирующего покрытии (2), занятой конусами (15) и пирамидами (3) с другим числом граней.
Выход прозрачных фотоэлектрических преобразователей (11) соединен посредством контроллера заряда (16) (фиг.3) с преобразователем постоянного напряжения (на фиг.3 не показан), соединенного со входами аккумуляторных батарей (17), выходы которых соединены через инвертор (18) с тепличным комплексом (1)
Контроллер заряда (16) предназначен для оптимального заряда аккумуляторных батарей (17) от фотоэлектрических преобразователей (10). В качестве контроллера заряда (16) может быть использован, например, покупной контроллер заряда МРРТ 60А фирмы Voltronic Power.
Преобразователь постоянного напряжения предназначен для преобразования входного постоянного напряжения, поступающего от фотоэлектрических преобразователей (11), в постоянное напряжение, пригодное для зарядки аккумуляторных батарей (17) тепличного комплекса (1) и электропитания внешних потребителей (19) электроэнергии.
В качестве преобразователя постоянного напряжения может быть использована, например, система управления IntegraTel ООО «Промышленные силовые машины», доработанная в соответствии со схемой, представленной на фиг.3.
Аккумуляторные батареи (17) предназначены для накопления энергии, вырабатываемой фотоэлектрическими преобразователями (11). В качестве аккумуляторной батареи (17) может быть использована покупная герметизированная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея глубокого разряда с абсорбированным электролитом и с встроенными регулирующими клапанами и системой рекомбинации с рабочим напряжением - 12 В и номинальной емкостью - не менее 100 А х ч, не требующая обслуживания в течение всего срока службы, фирмы Coslight типа 6-GFM (С), в том числе в виде последовательно соединенных аккумуляторных батарей.
Инвертор (18) предназначен для преобразования входного постоянного напряжения, поступающего от фотоэлектрических преобразователей (11) светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2), в переменное однофазное напряжение, пригодное для электропитания тепличного комплекса (1).
В качестве инвертора (18) может быть использован сетевой инвертор, напрямую преобразующий электричество от солнечных панелей в 220 или 380 В (в нашем техническом решении - от фотоэлектрических преобразователей (11)), потребляемое для тепличного комплекса (1). Для функционирования сетевого инвертора нужно внешнее электропитание, без которого сетевой инвертор работать не будет.
В качестве генерирующего прозрачного фотоприемного слоя фотоэлектрических преобразователей (11), наносимого на светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2) для изготовления прозрачных электродов, может быть использована, например, тонкая гибкая пленка аморфного кремния [4]. В электрод, выполненный из оксида цинка с добавлением алюминия, наносимый на поверхность прозрачного фотоприемного слоя фотоэлектрических преобразователей (11) методом атомарно-слоевого осаждения и служащий одновременно проводником электричества и светозахватывающим покрытием, погружены стеклянные сферы микронного размера каплеобразной формы. Данная форма стеклянных микрочастиц помогает фокусировать свет в фотоприемном слое аморфного кремния и снижает отражение солнечных лучей с поверхности фотоприемного слоя фотоэлектрических преобразователей (11).
2
2
3
-
-
В качестве генерирующего прозрачного фотоприемного слоя фотоэлектрических преобразователей (11), наносимого на светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2), для изготовления прозрачных электродов могут быть использованы также: 1) тонкая гибкая нанопористая пленка из TiO на прозрачных электропроводящих фотоанодах из оксидного стекла, из платинированного электропроводящего стекла или покрытого платиной пленкой электрода. Поры нанопленки из TiO заполнены жидким электролитом содержащем I/I окислительно-восстановительные пары в неводных электролитах, таких как ацетонитрил [5]; 2) прозрачные проводящие пленки на основе оксидов редких металлов, в частности, ITO (indium-tin oxide - оксид индия, легированный оловом), обладающий высокой светопропускной способностью и достаточной проводимостью [6]; 3) оксид олова, легированный фтором или сурьмой, графен, оксид индия, легированный фтором или цинком, ванадат стронция или кальция, полимер поли (3,4-этилен диокситиофена): поли (стирол сульфоната) (полимер PEDOT:PPS).
Данные тонкие гибкие пленки можно нанести практически на любую поверхность, в том числе на стеклянную поверхность типа оконного стекла.
Тепличный комплекс работает следующим образом.
В память компьютера устройства автоматического управления (20) в качестве исходных данных постоянного хранения внесены данные о географическом положении тепличного комплекса (1) (географические широта и долгота), геометрические параметры его составляющих (диаметр и высота светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2) и др., а также ежедневно, в качестве исходных данных оперативного характера, в компьютер вносятся данные о текущих производственных планах, краткосрочном прогнозе погоды, необходимых климатических параметрах и режимах освещенности в рабочем пространстве тепличного комплекса (1) на предстоящий день (сутки).
Компьютер устройства автоматического управления (20) формирует управляющие воздействия индивидуально для систем отопления, вентиляции, орошения и других систем жизнеобеспечения культивируемых растений (14) исходя из данных о географическом положении тепличного комплекса (1), текущем астрономическом времени, а также с учетом текущих данных с выходов датчиков температуры среды теплоаккумулирующего резервуара (4).
Устройство автоматического управления (20) контролирует текущие значения параметров регулируемых режимов и характеристик управляемых объектов тепличного комплекса (1) посредством исполнительных устройств, датчиков температуры, влажности воздуха и освещенности рабочего пространства, исполнительных устройств, датчика температуры среды теплоаккумулирующего резервуара (4) и компьютерных энергонезависимых кварцевых часов, отсчитывающие текущее время - месяц, число, часы, минуты и секунды.
Информация с выхода датчика температуры (на фигурах не показан) среды теплоаккумулирующего резервуара (4) в виде электрических сигналов через кроссовое устройство (на фигурах не показаны) поступает на входы устройства связи с управляемыми объектами (на фигурах не показано), где преобразуется в цифровую форму и по цифровым каналам передается в компьютер устройства автоматического управления (20).
Управление температурой и влажностью воздуха в рабочем пространстве тепличного комплекса (1), а также системами отопления, вентиляции, орошения и другими системами жизнеобеспечения культивируемых растений (14), осуществляется компьютером на основе информации о текущем состоянии, поступающей от соответствующих датчиков температуры, влажности воздуха, освещенности (на фигурах не показаны) и технологических программ управления режимами, исходя из которых компьютер устройства автоматического управления (20) формирует команды управления, поступающие через устройство связи с управляемыми объектами на входы контроллеров дистанционного управления соответствующих исполнительных устройств (заслонки систем вентиляции, задвижки систем отопления, водоснабжения и орошения и других систем жизнеобеспечения культивируемых растений (14)), приводимых в движение своими электродвигателями через редукторы или непосредственно электродвигателями (вентиляторы систем вентиляции и отопления, насосы транспортировки жидких сред) (на фигурах не показаны).
Все исполнительные устройства с ограниченным диапазоном перемещений, не имеющие в своем составе датчиков непрерывного контроля положений выходных звеньев, оснащены датчиками начального и конечного положений дискретного действия, информация с которых через контроллеры дистанционного управления и устройство связи с управляемыми объектами передается в компьютер устройства автоматического управления (20).
Устройство автоматического управления (20) оснащено пультом оператора, на который в удобном для оператора виде выводится вся информация о текущем значении технологических параметров производственного процесса, прогнозах на ближайшее время, техническом состоянии и режимах работы систем жизнеобеспечения растений (14), необходимая оператору для наблюдения и, в случае необходимости, оперативного вмешательства с целью корректировки производственного процесса или устранения угрозы аварийных ситуаций, для чего на пульте оператора предусмотрен необходимый набор органов управления и средств индикации.
Тепло, накопленное во второй емкости (6) в течение светового дня, используется для производства пара с применением воды из первой емкости (5) и горячего воздуха, например, при переработке сельскохозяйственной продукции, а в ночное время - для выработки электроэнергии для тепличного комплекса (1). К тепличному комплексу (1), при необходимости, могут быть подключены внешние потребители (19) тепло- и электроэнергии в случае ее избыточности для тепличного комплекса (1).
Для изготовления генерирующего прозрачного фотоприемного слоя фотоэлектрических преобразователей (11) получают, например, экстракты In и Sn. Полученные экстракты с уточненной методом атомно-абсорбционного анализа концентрацией смешивают в необходимой стехиометрии, либо используют индивидуально для нанесения пленок разной толщины. Варьируя концентрацию раствора экстрактов, регулируют толщину, микроструктуру и пористость пленок оксида индия, легированного оловом.
На очищенное и высушенное светопроницаемое с малой теплопроводностью покрытие (2) методом погружения наносят смесь экстрактов In и Sn в соотношении 9:1. После подсушивания светопроницаемого теплоизолирующее покрытие (2) при температурах от 20°С и выше в зависимости от характеристик светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2) по температуре его деструкции на поверхности происходит образование прозрачной пленки InSnO. Более высокая температура подсушивания позволяет ускорить процесс нанесения прозрачной пленки InSnO. Однако, возможная деструкции при этом светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2) из полимера вызывает необходимость для подсушивания использовать другие методы без существенного повышения температуры, например, обдув или подсушивание в вакуумной камере. Пленки InSnO показывают коэффициент пропускания в видимом диапазоне более 80%, при этом на длине волны видимого света при 580 нм коэффициент пропускания близок к 100%. Полученные прозрачные проводящие пленки InSnO используют в качестве электродов фотоэлектрических преобразователей (11).
Раствор экстракта рутения с уточненной методом атомно-абсорбционного анализа концентрацией также используют для нанесения пленок рутения разной толщины. Варьируя концентрацию раствора экстракта, регулируют толщину, микроструктуру и пористость пленки рутения. Лицевой электрод фотоэлектрических преобразователей (11) изготавливают в виде структуры, включающей компактный слой, полученный из раствора экстракта рутения соответствующей концентрации, обладающий хорошей адгезией. Тыльный электрод фотоэлектрических преобразователей (11) выполняют из прозрачного полимера поли (3,4-этилен диокситиофена): поли (стирол сульфоната) (полимер PEDOT:PPS). Тыльный электрод из PEDOT:PSS, по крайней мере, на 44% эффективнее анода из InSnO [7].
На основании вышеизложенного новыми достигаемыми техническими результатами заявляемого изобретения (по сравнению с прототипом) являются следующие.
1. Предлагаемый тепличный комплекс (1) не менее чем на 20% технологичнее как в производстве, так и при его изготовлении и сборке непосредственно на месте его размещения, за счет исключения лучеотражающих панелей, установленных на поворотных конструкциях и исполнительных механизмов слежения за ними, и кровельных блоков из светонепроницаемого материала.
2. Повышение КПД преобразования падающей на светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2) солнечной энергии в электрическую, а также количества поступающего в тепличный комплекс (1) солнечного излучения, не поглощенного фотоприемными слоями фотоэлектрических преобразователей (11) вследствие снижения до минимума доли отраженного и рассеянного солнечного излучения внутри пирамид (3) и конусов (15).
3. Обеспечение электроснабжения тепличного комплекса (1) солнечным излучением при одновременном освещении культивируемых растений (14) солнечным освещением, снижает затраты на реализации производственного процесса не менее чем на 20% за счет получения дополнительной электроэнергии посредством трансформации части солнечной энергии в электрическую энергию. Вследствие этого тепличный комплекс (1) не только менее зависим от подачи электроэнергии из внешних источников, но и потенциально способен обеспечивать тепло- и электроэнергией внешних потребителей (19).
В настоящее время в ООО «Инсол Телеком» проведены компьютерное моделирование и испытания предлагаемого тепличного комплекса (1), и на их основе на тепличный комплекс (1) выпущена конструкторская документация.
Используемые источники
1. Патент RU №2066526. 1994. МКИ A01G 9/14.
2. Патент RU №2264080. 2005. МКИ A01G 9/14, A01G 9/24, E04D 13/18, F24J 2/10, F24J 2/34.
3. Патент RU №2331140. 2008. МКИ H01L 31/04.
4. Omelyanovich M.M., Simovski C.R. Wide-angle light-trapping electrode for photovoltaic cells, 2017, vol. 42, issue 19, pp. 3726-3729.
5. Снежко Н.Ю., Красиков M.A., Солдатов А.В., Патрушева Т.Н. Экстракционно-пиролитический метод изготовления гибких оксидных солнечных элементов. URL: http://flatik.ru/ekstrakcionno-piroliticheskij-metod-izgotovleniya-gibkih-oksid
6. Российские ученые разработали революционный материал для экранов смартфонов. URL: https://hi-tech.mail.ru/news/nanohybrid-technology/#a02
7. Полимер PEDOT:PPS начали использовать вместо индий-оловянного оксида в OLED-дисплеях. URL: http://compblog.ilc.edu.ru/blog/4007.html