Способ и устройство выращивания растений на одно- или многоярусных гидропонных установках
METHOD AND DEVICE FOR GROWING PLANTS IN SINGLE OR MULTI-TIERED HYDROPONIC INSTALLATIONS

Настоящее изобретение относится к сельскому хозяйству, к области выращивания растений, в том числе в теплицах и в светонепрозрачных помещениях при электрическом освещении, а именно при производстве овощей, зеленных культур, лекарственных растений, ягод и цветов.
Из предшествующего уровня техники известно устройство для гидропонного выращивания растений, расположенных в кюветах с наклонным дном на разных уровнях и снабженных переливными каналами в виде сифонов (SU1542489 A1, МПК A01G 31/02, 1971 г.).
Недостатками данного технического решения являются недостаточно регулируемые параметры работы переливного устройства, что делает невозможным выращивание различных видов растений с оптимальными для них параметрами питания, отсутствие фильтрации питательного раствора, что приводит к аварийным ситуациям через забивание каналов перелива разросшимися корнями и частями отмершей корневой системы, других загрязнений; невозможность использования широкого спектра производимых промышленностью дешевых полимерных труб в качестве вегетационных для выращивания растений.
Известны способ и устройство гидропонного бессубстрактного выращивания растений, в соответствии с которыми вегетационный лоток выполнен в средней части приподнятым для образования площадки для размещения емкостей с растениями, по сторонам от этой площадки выполнены два канала, каждый из которых предназначен для размещения части разделенной на две части корневой системы каждого растения, при этом внутри вегетационного лотка уложено покрытие из влагоудерживающего материала, охватывающее площадку и стенки лотка, отходящие от площадки, а сверху вегетационный лоток закрыт светонепроницаемой пленкой, которая зафиксирована на краях вегетационного лотка с помощью фиксаторов и в которой через центральную рамку фиксатора выполнены отверстия или разрезы для размещения через них на площадке емкостей с растениями, а в полости каждого канала установлена по крайней мере одна капельная линия для подвода питательного раствора в канал. Выдерживают корневую систему растений в воздушной среде в течение определенного времени. После чего повторяют цикл (патент РФ № 2635396, дата приоритета 07.11.2016, МПК A01G 31/00). Однако данный способ отличается достаточной сложностью – необходимостью наличия специального двухканального лотка, размещенного с наклоном, разделения корневой системы растения на две стороны так, что при росте корневой системы растений одна ее половина занимает левый канал вегетационного лотка, а вторая половина – правый его канал. Кроме того, данный способ и устройство не предназначены для использования в многоярусных установках.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является реализация способа и устройства выращивания растений на одно- или многоярусных гидропонных установках путем перелива питательного раствора при выращивании растений аэроводным способом, в том числе и на многоярусных гидропонных установках, отличающимся простотой и эффективностью, отвечающим современным требованиям по эффективному выращиванию различных видов растений с оптимальными для них параметрами питания, экологичности, низкой себестоимости продукции, безаварийности работы оборудования.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленный способ выращивания растений на одно- или многоярусных гидропонных установках включает размещение растений в перфорированных емкостях, помещенных в вегетационные емкости так, что подачу питательного раствора в вегетационные емкости, его фильтрацию, перелив питательного раствора осуществляют с верхнего яруса вегетационных емкостей на нижние ярусы вегетационных емкостей через переливные каналы (устройства), выполненные в форме трубок, оборудованные сифонными дозаторами с динамическим фильтром, перелив питательного раствора на нижний уровень многоярусной гидропонной установки осуществляют дозировано циклами (периодически), при этом жидкость подают до нижней части перфорированных емкостей с растениями, выдерживают в течение установленного периода времени, после чего уровень жидкости снижается, оставляя расстояние между дном перфорированной емкости с растением и поверхностью питательного раствора от 5 до 150 мм, или спускают питательный раствор полностью, выдерживают установленное количество времени, после чего цикл повторяют. При этом питательный раствор может быть подан в вегетативную емкость наливом, капельной подачей или аэрацией путем разбрызгивания, а циклы зависят от вида выращиваемых растений.
Устройство для выращивания растений на одно- или многоярусных гидропонных установках включает вегетационные емкости, расположенные ярусами, трубки для подачи и перелива питательного раствора, при этом устройство подачи и перелива питательного раствора выполнено в виде регулируемого сифонного дозатора с динамическим фильтром. Вегетационные емкости выполнены в виде труб с отверстиями под рассадные емкости, например перфорированные горшочки для выращиваемых растений. Динамический фильтр выполнен самоочищающимся.
Соединитель вегетационных емкостей выполнен в виде фасонного тройника и содержит три раструба с кольцевыми уплотнениями, два из которых расположены на одной оси друг против друга, соединяя части вегетационных емкостей (труб) в одну горизонтальную емкость, верхний раструб содержит крышку, имеющую отверстие, внутри фасонного соединительного устройства помещен фильтр, выполненный в виде сетчатого цилиндра с лопастями, внутри фильтра размещен регулируемый сифонный дозатор. Лопасти фильтра расположены по спирали к образующей части цилиндра или располагаются в верхнем торце фильтра в виде крыльчатки. Регулируемый сифонный дозатор выполнен U-образным в виде сифонной трубки с регулируемой восходящей частью или в виде колпачкового сифона с регулируемой восходящей частью.
Заявленное техническое решение представлено на рисунках:
Фиг. 1 – общий вид вегетационной установки.
Фиг. 2 – трехраструбный модуль перелива питательного раствора в разрезе с U-образным сифонным дозатором, используемый в примере реализации вегетационной установки.
Фиг. 3 – U-образный регулируемый сифонный дозатор с регулируемой восходящей частью в разрезе.
Фиг. 4 – сифонный дозатор колпачкового типа с регулируемой восходящей частью в разрезе.
Фиг. 5 – динамический самоочищающийся фильтр в разрезе.
Фиг. 6 – схема работы вегетационной установки.
Где:
1 – корпус фасонного тройника – модуля соединения, фильтрации и перелива питательного раствора Р;
2 – корпус U-образного регулируемого сифонного дозатора;
3– самоочищающийся фильтр – сетка;
4 – регулируемая втулка восходящей части сифона;
5 – наконечник ёрш;
6 – крышка;
7 – трубка подачи питательного раствора Р от насоса;
8 – трубка переливная;
9 – углубленное дно;
10, 11, 12 – раструбы модуля перелива питательного раствора Р;
13 – сальниковый уплотнитель;
14 – прижимная гайка;
15 – уплотнительное кольцо;
16 – корпус переливного колпачкового регулируемого сифона;
17 – колпачок;
18 – передвижная трубка;
19 – каркас динамического фильтра;
20 – ручка;
21 – винтовые лопатки (лопасти);
22 – вегетационные емкости;
23 – сифонное переливное устройство;
24 – многоярусная вегетационная установка;
25 – питательный раствор;
26 – насос;
27 – приемная емкость питательного раствора;
28 – растворный узел (устройство контроля и коррекции параметров питательного раствора).
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Рассаду выращиваемых растений размещают в перфорированных емкостях с небольшим количеством органического, минерального или искусственного субстрата и помещают в вегетационные емкости, выполненные в виде труб с отверстиями в верхней части для размещения растений, расположенных одна над другой. В средней части каждой из вегетационных труб монтируется соединительная вставка в виде фасонного тройника 1, в котором оборудован узел фильтрации и перелива питательного раствора.
Подачу питательного раствора Р в вегетационные емкости, его фильтрацию, перелив питательного раствора осуществляют с верхнего яруса вегетационных емкостей на нижние ярусы вегетационных емкостей через переливные каналы – через трубку подачи питательного раствора 8. Наполнение вегетационных емкостей и перелив питательного раствора на нижний уровень многоярусной гидропонной установки осуществляется дозировано циклами (периодически), при этом жидкость заливают в вегетационные емкости вплоть до уровня нижней части перфорированных емкостей с растениями и выдерживают в течение установленного периода времени, определяемого для каждой категории растений. Так, для пряных трав данный период времени составляет от одной до шести минут, для томатов и других пасленовых – от шести до восьми минут, для огурцов и других тыквенных – от восьми до десяти минут, для салатов – от двух до пяти минут.
После того как уровень питательного раствора в вегетационной емкости достигнет hmax, срабатывает сифонный дозатор и питательный раствор самотеком сливается в приемную емкость при одноярусном исполнении либо переливается на нижерасположенный ярус при многоярусном исполнении вегетационной установки. При этом на нижерасположенном ярусе происходит повышение уровня питательного раствора. При достижении на этом ярусе уровня hmax срабатывает сифонный дозатор, и питательный раствор самотеком переливается на следующий нижний ярус. Этот процесс продолжается, пока питательный раствор не сольется с самого нижнего яруса вегетационной установки в приемную емкость.
Во время воздушной паузы уровень питательного раствора в вегетационной емкости составляет hmin, что соответствует расстоянию между дном перфорированной емкости с растением и поверхностью питательного раствора от 5 до 150 мм, после чего цикл повторяют.
Как было указано, все циклы зависят от вида выращиваемых растений, времени суток, температуры окружающей среды. При повышении температуры длительность пауз цикла сокращается. При снижении температуры и в ночное время длительность пауз цикла увеличивается на 10–30%.
Заявляемый способ может быть представлен  в виде следующей последовательности:
1. Включается насос, который подает питательный раствор из приемной емкости на верхний ярус вегетационной установки (установок) (ВУ).
2. Уровень питательного раствора в верхнем ярусе ВУ повышается от hmin до hmax.
3. Уровень hmax подбирается таким образом, чтобы он был чуть выше донышка горшочков, в которых находятся растения.
4. Уровень hmax ограничен уровнем срабатывания сифона переливного устройства.
5. Как только питательный раствор достигнет уровня hmax, срабатывает сифон переливного устройства и питательный раствор сливается в приемную емкость при одноярусном исполнении либо переливается на нижерасположенный ярус при многоярусном исполнении вегетационной установки.
6. В этой фазе питания растений происходит увлажнение субстрата (наполнителя стаканчика) за счет капиллярных сил, которые подтягивают влагу выше уровня контакта с питательным раствором.
7. При достижении уровня питательного раствора hmin в вегетационной емкости верхнего уровня должен подняться уровень питательного раствора до hmax в вегетационной емкости нижерасположенного уровня, так как раствор сливался именно туда.
8. Как только уровень в этой вегетационной емкости достигнет hmax, сработает сифон в этой вегетационной емкости и начнется переток в нижерасположенную вегетационную емкость.
9. Таким образом проходит весь цикл от верхнего яруса до самого нижнего.
10. С самого нижнего яруса питательный раствор сливается в приемную емкость.
11. Время наполнения вегетационных емкостей каждого яруса равно времени слива. Определяется производительностью сифона переливного устройства. Равно примерно: наполнение — 8–12 мин, слив — 8–12 мин. Таким образом, в течение 16–24 мин корни растений омываются питательным раствором снизу доверху и сверху донизу.
12. Период, соответствующий окончанию слива и достижению уровня hmin до начала следующего цикла наполнения, называется воздушной паузой.
13. После окончания воздушной паузы опять включается насос, который подает питательный раствор из приемной емкости на верхний ярус ВУ.
14. Работой насоса управляет автоматика, задающая время его работы и время паузы в работе (таймер, реле и др.). Пауза в работе насоса определяет паузу воздушного питания корневого объема растений и может быть от 30 мин до нескольких часов.
15. Время паузы в работе насоса регулируется в зависимости от агротехники. Мы можем чаще/реже подавать питание растениям.
Устройство для выращивания растений на одно- или многоярусных гидропонных установках включает вегетационные емкости, выполненные, например, из труб диаметром 50–200 мм. Данные размеры являются оптимальными для использования в гидропонных установках в соответствии с предложенным способом выращивания растений. Если диаметр труб будет меньше 50 мм, то для свободного размещения корней растущего растения будет недостаточно свободного места. Если диаметр будет превышать 200 мм, то количество используемого питательного раствора будет превышать оптимальное, необходимое для обеспечения жизненного цикла растения. Вегетационные емкости расположены ярусами, трубки 8 для подачи питательного раствора Р входят через крышку 6 верхнего раструба. Устройство подачи и перелива питательного раствора выполнено в виде регулируемого сифонного дозатора с динамическим фильтром. Динамический фильтр выполнен самоочищающимся благодаря наличию вращающихся под воздействием поступающей жидкости лопастей 21. Трехраструбный соединитель вегетационных емкостей состоит из трех раструбов 10, 11, 12, два из которых 10, 11 расположены на одной оси друг против друга, верхний раструб 12 содержит крышку 6, имеющую отверстие. Внутри устройства помещен фильтр 3, выполненный в виде сетчатого цилиндра с лопастями 21, внутри фильтра размещен регулируемый сифонный дозатор, лопасти 21 которого расположены по спирали на образующей части цилиндрического каркаса 19. Лопасти 21 могут располагаться в верхнем торце фильтра в виде крыльчатки. Регулируемый сифонный дозатор может быть выполнен U-образным в виде сифонной трубки с регулируемой восходящей частью, а может быть выполнен в виде колпачкового сифона с регулируемой восходящей частью. Регулирование восходящей части осуществляется регулируемой втулкой 4 (Фиг. 2, Фиг. 3) и передвижной трубкой 18 (Фиг. 4).
Регулируемый сифонный дозатор и динамический самоочищающийся фильтр объединены в трёхраструбный модуль для присоединения к вегетационным ёмкостям, выполненным из промышленных пластиковых труб массового производства.
Трёхраструбный модуль для объяснения осуществления способа и устройства регулируемого орошения корневой системы растений подтоплением с динамической фильтрацией питательного раствора выполнен в виде трёхраструбного изделия, адаптированного под возможность присоединения вегетационных ёмкостей, выполненных из промышленных полимерных труб. Корпус 1 выполнен с круглым углублённым дном 9, в котором закреплен регулируемый сифонный дозатор СД1 или СД2 для перелива питательного раствора, а вокруг него вращается динамический самоочищающийся фильтр 3 с небольшой положительной плавучестью. Корпус сверху закрывается крышкой 6 (Фиг. 2) с отверстием для прохода трубки 7, 8 подачи питательного раствора. Верхний и два боковых конца корпуса модуля 1 выполнены раструбами с кольцевыми расширениями на концах 10, 11, 12 (Фиг. 2). Боковые раструбы 10, 11 предназначены для присоединения двух условно не показанных на чертежах вегетационных труб.
Регулируемый сифонный дозатор СД1 для перелива питательного раствора состоит из корпуса 2, прикрепленного к углубленному дну 9 гайкой 14 через резиновый уплотнитель 15. Регулировка длины восходящего патрубка сифонного дозатора, а с этим и уровня hmin постоянно присутствующего в вегетационных трубах питательного раствора в диапазоне hmin1 – hmin2, осуществляется перемещением втулки 4 вдоль восходящего патрубка сифонного дозатора.
Уровень hmin регулируется в зависимости от вида выращиваемых растений и фазы их роста. Попадание паразитного воздуха в регулируемый сифонный дозатор предотвращается сальниковым уплотнителем 13 (Фиг. 3). Присоединение переливной трубки 8 (Фиг. 2) к корпусу регулируемого сифонного дозатора СД1 для перетекания стекающего фильтрованного раствора ФР на более низкий уровень осуществляется через наконечник ёрш 5 или иным способом.
Регулируемый сифонный дозатор может быть выполнен также на устройстве колпачкового типа. Корпус 16 переливного колпачкового регулируемого сифонного дозатора СД2 крепится к круглому донышку 9 гайками 14 через резиновый уплотнитель 15. Положением корпуса 16 относительно донышка 9 регулируется верхний уровень hmax питательного раствора в вегетационных трубах каждого яруса. На этом уровне вся корневая система растений на определенный регулируемый период времени находится в питательном растворе. Уровень питательного раствора в диапазоне hmin1 – hmin2 регулируется положением передвижной трубки 18 относительно колпачка 17. Уплотняются поверхности сальниковым уплотнителем 13. Присоединение переливной трубки 8 к колпачковому регулируемому сифонному дозатору СД2 осуществляется через наконечник ёрш 5 или иным способом.
В процессе выращивания растений аэроводным способом от корневой системы могут отделяться единичные корешки от основного корня. Фильтрация раствора осуществляется динамическим самоочищающимся фильтром 3. Фильтр выполнен на пластмассовом каркасе 19 (Фиг. 5), к которому прикреплен цилиндрический сетчатый фильтрующий элемент 3. Снаружи каркаса организованы винтовые лопатки 21 (Фиг. 5). Фильтр можно извлечь из переливного модуля, сняв крышку 6 верхнего раструба и потянув фильтр за ручку 20.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Во время пауз между циклами питания в горизонтально расположенных вегетационных ёмкостях одно- или многоярусной гидропонной установки (условно не показанных), прикреплённых к левому 11 и правому 10 (Фиг. 2) раструбам трёхраструбного модуля перелива питательного раствора, питательный раствор находится внизу вегетационных ёмкостей и в модуле перелива питательного раствора на регулируемом уровне hmin. Водная часть корневой системы растений находится в питательном растворе и потребляет элементы питания из него.
Необходимый минимальный уровень питательного раствора hmin нужен для того, чтобы с зеркала жидкости испарялась влага и в корнеобитаемом объеме формировалась атмосфера с высоким содержанием насыщенных водяных паров, что препятствует подсыханию корневых волосков во время воздушной паузы.
Воздушная часть корневой системы растения во время пауз потребляет необходимый кислород из влажного воздуха внутри вегетационных ёмкостей.
Во время циклов питания после включения насоса доза питательного раствора Р (Фиг. 1) через трубку 7, вставленную в отверстие в крышке 6 трёхраструбного модуля перелива питательного раствора, струёй стекает на лопатки 21 динамического самоочищающегося фильтра, при этом разбрызгивается, чем достигается значительное насыщение раствора кислородом воздуха. Кислород в питательном растворе необходим растениям для успешного роста, в том числе для активного поглощения элементов питания, например азота, фосфора и калия, а также для синтеза протеина и сухого вещества. Высокая концентрация растворенного кислорода повышает конкуренцию между микроорганизмами, что, в свою очередь, снижает развитие патогенов. Кроме того, растворенный кислород регулирует процессы синтеза соединений, подавляющих развитие патогенов.
Одновременно струя стекающего питательного раствора своей энергией приводит к вращению динамический самоочищающийся фильтр и смывает загрязнения с сетки 3. Крупные загрязнения задерживаются динамическим самоочищающимся фильтром, не мешая переливу питательного раствора, остаются в вегетационных трубах и удаляются во время сезонной обработки. Во время подачи питательного раствора его уровень в трёхраструбном модуле перелива питательного раствора (Фиг. 2) и в вегетационных ёмкостях постепенно повышается до регулируемого уровня hmax, орошая воздушную часть корневой системы и вовлекая её в процесс потребления элементов питания из питательного раствора. По достижению уровня питательного раствора hmax срабатывает регулируемый сифонный дозатор (Фиг. 2, Фиг. 3), и питательный раствор, проходя через динамический самоочищающийся фильтр (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4), очищенным сливается через трубку 8 (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4) в трёхраструбный модуль на более низкий уровень многоярусной гидропонной установки. После чего уровень раствора в вегетационной ёмкости опускается до hmin. Нижняя (водная) часть растений остаётся в остаточном растворе, а верхняя (воздушная) часть корней потребляет кислород из влажного воздуха внутреннего объема вегетационных труб. Циклы питания вновь повторяются после пауз.
Количество питательного раствора, подаваемого на многоярусную гидропонную установку, и время воздушных пауз регулируются в зависимости от вида выращиваемых растений, фазы их роста, температуры и уровня освещения.
Таким образом, каждый раз во время регулируемого подтопления 100 % объема корневой системы растений потребляет элементы питания из питательного раствора, а во время воздушной паузы почти 100 % корневой системы потребляет необходимый кислород из воздуха. С каждым циклом подачи питательного раствора и изменением его уровня от hmin до hmax происходит смена питательного раствора и замена воздуха в корнеобитаемом объеме на свежий естественным образом. Изменение максимального уровня питательного раствора в пределах от hmax1 к hmax2 и минимального уровня от hmin1 к hmin2 диктуется необходимостью регулирования максимального и минимального уровней питательного раствора в вегетационных трубах в различных технологиях выращивания широкого спектра видов растений.
Такая организация питания растений способствует быстрому нарастанию корневой системы, даёт толчок к активному росту и развитию растений, ускоряет метаболизм растений, увеличивается их урожайность и качество. Время циклов питания и пауз покоя зависит от условий внешней среды (температуры, влажности, освещения) и регулируется средствами управления работы гидропонной установки (условно не показаны).
Процесс питания повторяется от верхнего до нижнего уровня многоярусной гидропонной установки за счет срабатывания сифонных дозаторов 23, вплоть до приёмной ёмкости 27 (Фиг. 6). Растворный узел РУ 28 (Фиг. 6) определяет параметры питательного раствора 25 (Фиг. 6), при необходимости корректирует его и возвращает в емкость 27 (Фиг. 6). Насос 26 по заданной программе вновь подает питательный раствор на многоярусные гидропонные установки 24 (Фиг. 6) для выращивания растений.
Заявленная группа изобретений позволяет обеспечить регулирование дозы питательного раствора и уровня постоянно присутствующего в вегетационных ёмкостях питательного раствора, в котором находится водная часть корневой системы растений; регулирование уровня и времени орошения воздушной части корневой системы растений; фильтрацию питательного раствора динамическим самоочищающимся фильтром, а также позволяет использовать энергию струи переливаемого питательного раствора для очистки динамического самоочищающегося фильтра. В ходе подачи питательного раствора в вегетационные емкости происходит аэрация питательного раствора воздушно-капельным разбрызгиванием струи стекающего питательного раствора на лопатках динамического самоочищающегося фильтра. Фильтрация питательного раствора может производиться статическим фильтром.
Достигаемый технический результат заключается в возможности выращивания на многоярусных гидропонных установках широкого спектра растений с оптимальными для них параметрами питания, с низкой себестоимостью выращиваемой продукции, безаварийностью работы оборудования, а также в экологичности выращиваемых растений.
Заявленные способ и устройство для его реализации могут быть осуществлены в условиях промышленного и фермерского производства сельскохозяйственной продукции.