Комплекс для производства растительной продукции
COMPLEX FOR THE PRODUCTION OF PLANT PRODUCTS

Комплекс для производства растительной продукции относится к сельскому хозяйству, а именно к средствам выращивания растений вне грунта в замкнутом пространстве с искусственно созданной средой, и может быть использован для  выращивания разных растений одновременно.
Известно  «Устройство для вертикального или наклонного размещения сельскохозяйственных культур вне растительного грунта» по патенту RU 2553649 от 27.10.2010. Конвенционный приоритет: 30.10.2009. FR 0957705. Дата публикации заявки: 10.12.2013. Опубликовано: 20.06.2015 МПК A01G31/02 , A01G9/02, имеющее по крайней мере один модуль (12), определяющий внутренний объем (14), предназначенный для хранения питательного вещества и растений и ограниченный передней стенкой (30) и задней стенкой (35), жестко соединенной с передней стенкой (30), по крайней мере передняя стенка имеет отверстие (24) для прохода растений и по крайней мере одна стенка, передняя (30) или задняя (35), имеет пространство фиксации (43, 44) для крепления модуля (12) к держателю (18, 118), при этом, по крайней мере, одна стенка, передняя (30) или задняя (35), имеет ребра перекрытия, позволяющие, когда устройство установлено на растительной крыше или стене и имеет по крайней мере два смежных модуля (12), модулям перекрывать друг друга по крайней мере частично на стене или крыше; что задняя стенка (35) имеет выступающие вперед вертикальные опоры для обеспечения поддержки нижнего ребра (42) модуля (12), примыкающего к верхней части; задняя стенка имеет горизонтальную перегородку (60), выступающую во внутренний объем; перегородка (60) расположена под нижним ребром отверстия (24);имеет слив воды (75, 76), расположенный в нижней части внутреннего объема; слив воды (75, 76) продолжается по нижнему ребру (42) модуля (12), нижнее ребро (42) имеет для этого по крайней мере одну выемку (76) в передней части; имеет водоотвод (100) для повторного использования воды, проходящей через слив (75, 76); водоотвод (100) присоединен к нижнему ребру (42) благодаря вертикальному расположению нижнего ребра (42) передней стенки (30); имеет отверстие для впуска воды (36) между передней стенкой (30) и задней стенкой (35); имеет резервуар с запасом воды (90), расположенный между передней стенкой (30) и задней стенкой (35); резервуар с запасом воды представляет собой съемный резервуар (94); выполнено с перемещаемым держателем и имеет средства боковых соединений (271, 272, 273), приспособленные для образования шарнирных соединений, когда два модуля (12) или системы модулей соединены горизонтально.
Известны «Способ и устройство автоматического управления продукционным процессом растений с учетом самоорганизации» по патенту RU 2350068 от 02.02.2007, дата публикации заявки: 10.08.2008,  опубликовано: 27.03.2009,  МПК A01G 7/00, включающий расчетное или приборное определение величины эксергии параметра функционального состояния растения, отличающийся тем, что в сложной многофакторной системе «растение - окружающая среда - среда факторов управлений» из большого числа переменных выбирают одну, наиболее быстро изменяющуюся и наиболее сильно влияющую на процессы в системе переменную порядка - суммарную эксергию оптического излучения в отношении фотосинтеза растений, затем выбирают один или несколько параметров управления, с помощью которых возможно осуществить воздействия на продукционные процессы растений - температуру, влажность воздуха, влажность почвы, концентрацию минеральных элементов корневого питания, при этом измеряют значение суммарной эксергии оптического излучения в отношении фотосинтеза растений, причем по тестовой базе фактических состояний определяют какой из параметров управления находится в относительном минимуме, т.е. изменение какого из параметров управления приведет к наибольшему росту переменной порядка, затем проводят воздействие на растение, изменяя значение параметра управления, находящегося в относительном минимуме, в сторону его увеличения на величину не более 5% фактического его значения, оценивают изменение фактического состояния растений по значению переменной порядка при существующем значении мощности эксергии в зоне растений, при этом, если значение переменной порядка увеличилось, осуществляют воздействие, изменяя значение этого же параметра управления в сторону его увеличения на величину не более 5% начального его значения, при этом воздействия на растения проводят изменением данного параметра управления, которое выполняют до прекращения изменения значений переменной порядка, причем, если при первом воздействии на параметр управления значение переменной порядка снизилось, осуществляют новое воздействие, снизив значение параметра управления на величину не более 5% его начального значения, затем вновь по тестовой базе фактических состояний определяют какой из параметров управления находится в относительном минимуме и вышеуказанную последовательность операций повторяют в отношении другого параметра управления, значение которого приближается к относительному минимуму значения, при этом вышеперечисленные действия осуществляют поочередно со всеми параметрами управления, а затем вновь выполняют, начиная с первого параметра управления, а все измерения переменной порядка и измерения параметров управления проводятся с интервалами не более 3 ч.
2. Устройство автоматического управления продукционным процессом растений с учетом самоорганизации, содержащее датчик эксергии оптического излучения, блок вычисления расчетной величины мощности эксергии, компаратор, управляющий ключ, при этом в устройство введены таймер, блок памяти, датчик температуры окружающей среды, датчик температуры почвы, датчик влажности почвы, управляющий логический коммутатор, четыре управляющих ключа, при этом выход датчика мощности эксергии оптического излучения подключен к входу блока вычисления расчетной величины мощности эксергии, при этом первый выход блока вычисления расчетной величины мощности эксергии подключен к входу блока памяти, выход которого подсоединен к первому входу компаратора, выход которого подсоединен к первому входу управляющего логического коммутатора, причем второй выход блока вычисления расчетной величины мощности эксергии подключен ко второму входу компаратора, а управляющие ключи соединены с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым выходами управляющего логического коммутатора, выход датчика температуры окружающей среды подключен ко второму входу управляющего логического коммутатора, выход датчика температуры почвы подключен к третьему входу управляющего логического коммутатора, выход датчика влажности почвы подключен к четвертому входу управляющего логического коммутатора, а второй выход блока памяти подключен к пятому входу управляющего логического коммутатора, первый выход таймера подключен к третьему входу компаратора, второй выход таймера подключен к шестому входу управляющего логического коммутатора.
Известны «Универсальная одноярусная аэропонная установка «Урожай», «Универсальная многоярусная аэропонная установка» и «Ультракомпактная аэропонная установка, содержащие ярусы для размещения растений, резервуар для питательного раствора и  пульт управления для автоматической непрерывной регистрации всех параметров: влажность, температура, рН питательного раствора, СО2 и других, а также для  автоматического  поддержания заданных режимов температуры, влажности и освещенности по заранее установленной программе. «Группа аэропонных технологий выращивания растений Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной биотехнологии Россельхозакадемии» http://www.aerogidroponica.ru
7
Наиболее близким техническим решением является «Тепличный комплекс» по патенту RU 45592  от 01.02.2005, опубликовано: 27.05.2005, МПК  A01G 31/02, A01G 31/06, содержащий, по крайней мере, один гидропонный и один тепличный блоки, подключенные к системе полива через управляемые вентили; резервуар для отстоя воды, подключенный к водопроводу со своим управляемым вентилем; резервуар для приготовления питательного раствора; трубопровод, установленный на нем основной насос со своим управляемым вентилем для подачи воды из резервуара для отстоя в резервуар с питательным раствором; магистральный трубопровод, установленный на нем рабочий насос для подачи поливной жидкости к гидропонному и тепличному блокам; блок управления; датчики уровней, установленные в резервуарах для отстоя воды и приготовления питательного раствора и связанные своими выходами с входами блока управления, соответствующие выходы которого, в свою очередь, связаны с соответствующими входами силовых элементов запуска двигателей основного и рабочего насосов и управляемого основным насосом вентиля, а также с входом управляемого вентиля подачи воды в резервуар для ее отстоя и входами других управляемых вентилей, подключенных к системе полива гидропонного и тепличного блоков, при этом комплекс дополнительно снабжен обводным трубопроводом со своим вентилем; магистральным вентилем, установленным на заборном конце магистрального трубопровода; автономными вентилями, дублирующими действие управляемых вентилей; системой очистки и омагничивания поливной жидкости и устройствами для контроля ее параметров, установленных на магистральном трубопроводе; дренажным трубопроводом, связанным со сливом отработанной жидкости из гидропонного и тепличного блоков, а также из системы очистки и омагничивания поливной жидкости; отстойником для сбора отработанной жидкости с установленным в нем магнитным устройством; трубопроводом с установленными на нем вспомогательным насосом подачи осветленной жидкости в систему полива тепличного блока и своим запорным вентилем, при этом один конец обводного трубопровода связан с резервуаром для отстоя воды, а другой его конец подключен к магистральному трубопроводу между рабочим насосом и его вентилем, и соответствующие входы блока управления связаны с выходами устройств для контроля параметров поливной жидкости.
Все выше представленные аналоги энергозатратны, имеют общие растворные узлы, что предполагает глубокое очищение собранной воды, для дальнейшего использования для разных культур, и усложняет обеспечение точного подбора удобрений и микроэлементов для выращивания определенной культуры.
Задачей предлагаемого технического решения является  создание энергосберегающего комплекса для  одновременного выращивания разных растений  вне грунта в замкнутом пространстве с искусственно созданной средой.
2
Задача решена за счет комплекса для производства растительной продукции,  содержащего несколько  выполненных из светопроницаемого материала аэропонных   и/или  гидропонных блоков для выращивания растений в питательной среде без почвы, а также блоки управления с датчиками, резервуары для отстоя воды и приготовления питательного раствора, источник энергоснабжения, при этом в качестве светопроницаемого материала  использован поликарбонат с применением добавки LSE; комплекс  дополнительно снабжен аккумулятором тепловой энергии  в виде теплоизолированного резервуара с водой, присоединенного  к ветроэнергетической установке; каждый аэропонный   и/или  гидропонный блок  снабжен отдельными растворными узлами, с соединенными между собой  теплоизолированными резервуарами для отстоя и приготовления питательного раствора, емкостью  для удобрений, и отдельными, соединенными с блоком управления  пультами управления с датчиками и исполнительными механизмами; каждый аэропонный  блок  снабжен распылителями раствора, присоединенными к магистрали подачи сжатого воздуха от ветроэнергетической установки; каждый резервуар для приготовления питательного раствора присоединен теплоизолированным трубопроводом к теплоизолированному аккумулирующему резервуару; в каждом  аэропонном и/или  гидропонном блоке     к   пульту  управления присоединены датчики  влажности воздуха,  насыщения СО,    освещения,  температуры воздуха, а также насос  для подачи питательного раствора и освещение теплицы;    в каждом  растворном узле к   пульту  управления, соединенному с блоком управления,  присоединены   датчики   уровня раствора,  температуры раствора,  измерения рН-среды,  измерения состава раствора; блок подготовки  воды снабжен  насосом, фильтрами: механической очистки,  УФ-очистки   воды,   умягчителем воды; источник энергоснабжения выполнен  в виде ветроэнергетической установки, оснащенной компрессорным элементом,  пневмоэлектрогенератором,  аккумулятором для сжатого воздуха, насосом   для подачи сжатого воздуха, магистралью подачи сжатого воздуха.
Снабжение комплекса дополнительным аккумулятором тепловой энергии  в виде теплоизолированного резервуара с водой, присоединенного  к ветроэнергетической установке с компрессорным элементом,   пневмоэлектрогенератором, линией  подачи электроэнергии, насосом   для подачи сжатого воздуха, выполнение  каждого блока, из светопроницаемого материала с применением добавки LSE, пропускающего свет и задерживающего тепло,  и снабжение каждого тепличного блока отдельными, соединенными между собой резервуарами для отстоя и приготовления питательного раствора, пультами управления с датчиками и исполнительными механизмами, а также присоединение каждого резервуара для приготовления питательного раствора теплоизолированным трубопроводом к теплоизолированному резервуару позволяет создать энергонезависимую  энергосберегающую замкнутую систему выращивания растений в замкнутом пространстве с искусственно созданной средой.
2
2
На чертеже показана компоновка   комплекса для производства растительной продукции, где изображено:  аэропонный блок 1, гидропонный блок  2,   растворные узлы 3,    источник энергоснабжения 4,  блок 5 водоподготовки,  пульт  управления 6 климатом, поливом и вентиляцией (приток-отток),  насос 7 для подачи питательного раствора,  датчик 8 влажности воздуха,   датчик 9 насыщения СО,   датчик 10 освещения,   датчик 11 температуры воздуха,  освещение 12 естественное и/или кварцевое,    распылители 13 раствора,  пульт 14 управления,  насос 15 для подачи питательного раствора, датчик16 влажности воздуха,  датчик 17 насыщения СО,   датчик 18 освещения,  датчик 19 температуры воздуха,  освещение 20 естественное и/или кварцевое;  пульт 21 управления компьютерный (коррекция состава раствора),  емкости 22 для удобрений, резервуар 23 (теплоизолированный) для сбора (отстоя ) питательного раствора,  резервуар 24 (теплоизолированный) для приготовления  питательного раствора, датчик 25  уровня раствора, датчик 26 температуры раствора,  датчик 27  измерение рН среды, датчик 28   измерения состава раствора, ветроэнергетическая установка 29,  насос 30 подачи воздуха (сжатый), фильтры 31 для  очистки воздуха, резервуар 32 (теплоизолированный) с водой для аккумуляции тепловой энергии, блок 33 управления комплексом,  пневмоэлектрогенератор 34, аккумулятор 35 для сжатого воздуха, компрессорный элемент 36, магистраль 37 подачи сжатого воздуха, генератор 38 (дизельный или  бензиновый) -  альтернативный источник питания,  насос 39, фильтры  40  механической  очистки воды, УФ  очистка 41 воды, умягчитель 42 воды.
Комплекс для производства растительной продукции выполнен следующим образом.
Комплекс содержит несколько аэропонных  1  и/или  гидропонных 2 блоков для выращивания растений в питательной среде без почвы,  выполненных из светопроницаемого материала с применением  добавки ЛСЭ, блок 33 управления комплексом, соединенный с пультами  управления 6,14,21,  оснащенными датчиками и исполнительными механизмами, резервуары 23,24 для отстоя воды и приготовления питательного раствора, емкость для удобрений 22, источник  энергоснабжения 4, выполненный  в виде ветроэнергетической установки 29, оснащенной компрессорным элементом 36,  пневмоэлектрогенератором 34,  аккумулятором для сжатого воздуха 35, насосом   для подачи сжатого воздуха 30, магистралью подачи сжатого воздуха 37,  дополнен теплоизолированным  аккумулирующим резервуаром 32  с водой.
Для обеспечения энергосбережения при выращивании  растительной продукции, в качестве светопроницаемого материала для покрытия теплиц  использован поликарбонат с применением добавки LSE, на основе однородного Бисфенола А с минеральным наполнителем, рассеивающего ИК лучи, особенно длинноволнового ИК диапазона, обеспечивающего его защиту от воздействия солнечного света, обеспечивающего температуру в парнике осенью-зимой на 10-15° выше, чем в окружающей среде, жарким летом – ниже.
Каждый аэропонный блок 1 снабжен пультом 6 управления, соединенным с блоком 33  управления комплексом.
2
Пульт 6 управления аэропонным блоком оснащен датчиком 8 влажности воздуха,   датчиком 9 насыщения СО,   датчиком 10 освещения,   датчиком 11 температуры воздуха.
К пульту 6 управления аэропонным блоком присоединены исполнительные механизмы,  насос 7 для подачи питательного раствора,    освещение 12 естественное и/или кварцевое,    распылители 13 раствора, соединенные с магистралью подачи сжатого воздуха от ветроэнергетической установки.
Каждый гидропонный блок  2 снабжен пультом 14 управления, соединенным с блоком 33  управления комплексом.
2
Пульт 14 управления гидропонным блоком  2 оснащен датчиком 16 влажности воздуха,  датчиком 17 насыщения СО,   датчиком 18 освещения,  датчиком 19 температуры воздуха.
К пульту 6 управления гидропонным блоком  2 присоединены исполнительные механизмы, насос 15 для подачи питательного раствора,  освещение 20 естественное и/или кварцевое;
Каждый аэропонный 1  или гидропонный 2 блок, снабжен растворным узлом 3 с компьютерным пультом 21 управления коррекции состава раствора, соединенным с блоком 33  управления комплексом, емкостью 22 для удобрений, а для энергосбережения - теплоизолированным резервуаром 23  для сбора и отстоя использованного питательного раствора,  теплоизолированным резервуаром 24  для приготовления  питательного раствора,  соединенным теплоизолированным трубопроводом с теплоизолированным резервуаром 32 с водой, для аккумулирования энергии ветроэнергетической установки 29.
Пульт 21 управления коррекции состава раствора оснащен датчиком 25  уровня раствора, датчиком 26 температуры раствора,  датчиком 27  измерение рН среды, датчиком 28   измерения состава раствора.
Источник энергоснабжения 4 выполнен  в виде ветроэнергетической установки 29, содержащей насос 30 подачи сжатого воздуха, фильтры 31 для  очистки воздуха, пневмоэлектрогенератор  34, питающий электроэнергией весь комплекс, аккумулятор 35 для сжатого воздуха, компрессорный элемент 36, магистраль 37 подачи сжатого воздуха, генератор 38 (дизельный или  бензиновый) -  альтернативный источник питания, оснащённый автоматическим запуском, для случая аварийного отключения электроэнергии в тепличном комплексе, присоединенный к блоку 33 управления комплексом.
Для энергосбережения  комплекс дополнительно снабжен теплоизолированным резервуаром 32  с водой,  для аккумуляции тепловой энергии ветроэнергетической установки 29, соединенным теплоизолированным трубопроводом с растворными узлами 3 аэропонных 1 и гидропонных 2 блоков, и распылителем  13 раствора.
Блок 5 подготовки  воды соединен с теплоизолированным резервуаром 32  с водой и снабжен  насосом 39,   фильтрами  49  механической  очистки воды, УФ-очисткой 37 воды, умягчителем 38 воды.
Блок  33 управления комплексом соединен  с пультами  управления 6,14,21 всех блоков комплекса.
Комплекс для производства растительной продукции работает следующим образом.
Источник  энергоснабжения 4, выполненный  в виде ветроэнергетической установки 29,  через пневмоэлектрогенератор 34 снабжает весь комплекс электроэнергией, за исключением аварийных ситуаций, когда  блок 33 управления комплексом  подключает альтернативный дизельный или  бензиновый источник питания  - генератор 38, что позволяет комплексу быть энергонезависимым.
Ветроэнергетическая установка 29, оснащенная компрессорным элементом 36, аккумулятором для сжатого воздуха 35, насосом   30 подает сжатый воздух  магистралью 37 к распылителям 13 аэропонных блоков и для проветривания и регулирования состава воздуха в гидропонные блоки.
Управляют комплексом через автоматический блок  управления 33, соединенный с пультами  управления 6,14,21, оснащенными датчиками и исполнительными механизмами.
Пульты управления 6,14,21  по полученным сведениям от датчиков подключают исполнительные механизмы, что позволять регулировать параметры  каждой замкнутой среды в отдельности, согласуя их с требуемыми для выращивания определенной культуры растительной продукции параметрами.
В каждый растворный узел 3, в резервуары 24  для приготовления питательного раствора подают по теплоизолированному трубопроводу подогретую ветроэнергетической установкой 29 воду из теплоизолированного резервуара  32,  собранный отстоянный питательный раствор из  теплоизолированного резервуара 23 и удобрения из емкости 22, что обеспечивает энергосбережение и позволяет использовать для каждого блока свой набор удобрений, в зависимости от  выращиваемой культуры.
2
Соответствующие входы пульта  управления  6 связаны с выходами устройств для контроля параметров поливной жидкости:   датчиком влажности воздуха 8,  датчиком  насыщения СО 9, датчиком освещения 10,  датчиком  температуры воздуха 11. Анализируя полученную информацию с датчиков, соединенный с блоком управления 33 пульт управления 6, подключенный к системе полива, подает  сигналы  насосу для подачи питательного раствора 7, насосу  для подачи сжатого воздуха 30 и освещению 12. Соответствующие выходы пульта управления 6 связаны с соответствующими входами силовых элементов запуска двигателей: насоса для подачи раствора 7  и насоса  для подачи сжатого воздуха 30.  После соответствующего сигнала электроклапана открываются и пропускают раствор  из резервуаров  для приготовления питательного раствора 24 через теплоизолированные трубопроводы и сжатый воздух по магистралям подачи сжатого воздуха от ветроэнергетической установки 29 к форсунке распылителя  13 для создания воздушно-питательной среды у корней растений, таким образом поддерживая оптимальный режим выращивания интересующих культур.
Резервуар 23 для сбора и отстоя питательного раствора собранные излишки влаги направляет в резервуар  для приготовления питательного раствора 24, растворного узла 3, для повторного использования, что обеспечивает энергосбережение, позволяет повторно использовать удобрения, находящиеся в осажденном растворе, при приготовлении новой порции раствора.
За счет того, что растворный узел для каждого блока  свой, можно не тратить энергию на очистку  отстоянного раствора от следов удобрений и на перегонку в общий бак общего растворного узла, что обеспечивает дополнительное энергосбережение.
2
Управление поливом, контролем процессов и климата гидропонных блоков происходит  отдельными, соединенными с блоком управления пультами управления 14.  Соответствующие входы блока управления 14  связаны с выходами устройств для контроля параметров поливной жидкости: датчиком  влажности воздуха 16,  датчиком  насыщения СО 17, датчиком  освещения 18,  датчиком  температуры воздуха 19. Анализируя полученную информацию с датчиков, соединенный с блоком управления 33 пульт управления 14, подключенный к системе полива, подает  сигналы исполнительным механизмам:  насосу 15  для подачи питательного раствора, насосу  для подачи сжатого воздуха 30 и освещению 20, запуска двигателей   насоса  для подачи раствора 15  и насоса  для подачи сжатого воздуха  30.
После соответствующего сигнала электроклапана  открываются и пропускают раствор  из резервуаров  для приготовления питательного раствора 24  через теплоизолированные трубопроводы для орошения растений.
Сжатый воздух по магистралям подачи сжатого воздуха 37 от ветроэнергетической установки 29 направляется в теплицу для создания избыточного давления, для уменьшения подсасывания воздуха из окружающей среды,  для равномерного распределения воздушных потоков, таким образом,  поддерживая оптимальный  режим выращивания интересующих культур.
Соответствующие входы блоков управления 21  растворных узлов 3 связаны с выходами устройств для контроля параметров поливной жидкости: датчиками уровня раствора  25,   температуры раствора 26, измерения рН-среды 27,  измерения состава раствора 28.
Анализируя получаемую информацию с датчиков, пульт управления 21, подключенный соответствующими выходами к системе полива, подает  сигналы исполнительным механизмам: на  насос 35 для забора теплой очищенной фильтрами 40,41 и умягченной 42 воды из  теплоизолированного аккумулирующего резервуара  32,   на  запуск двигателей   насоса  для подачи теплой воды 35 и соответствущих клапанов емкостей с удобрениями 22.
Техническим эффектом является создание энергонезависимой  энергосберегающей автоматизированной системы одновременного выращивания разных растений вне грунта в замкнутом пространстве с искусственно созданной средой.