Тепличный комплекс
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, подмостки 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.
Известно техническое решение, содержащее 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.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) по совокупности существенных признаков является тепличный комплекс, включающий 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 вторым светопроницаемым теплоизолирующим покрытием, ко второй емкости подключена мини-теплоэлектростанция, выход систем охлаждения которой связан с первой емкостью, при этом 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 [3].
Однако известное техническое решение не позволяет регулировать разную интенсивность солнечного излучения к растениям в тепличном комплексе для избежания появления «ожогов» растений при высокой тепловой интенсивности солнечного излучения.
Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение регулировки разной интенсивности солнечного излучения при воздействии на растения или семена в тепличном комплексе.
Указанный технический результат достигается тем, что в тепличном комплексе, включающем светопроницаемое теплоизолирующее покрытие со структурой в виде полых пирамид или полых конусов, вершины которых обращены в направлении теплоаккумулирующего резервуара, установленного с возможностью получения тепловой энергии солнечного излучения, проходящего через светопроницаемое теплоизолирующее покрытие, содержащего 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 вторым светопроницаемым теплоизолирующим покрытием, ко второй емкости подключена мини-теплоэлектростанция, выход систем охлаждения которой связан с первой емкостью, при этом 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, в отличие от прототипа, в тепличный комплекс дополнительно введено третье светопроницаемое покрытие периодического действия со структурой в виде полых пирамид или полых конусов, вершины которых обращены наружу относительно тепличного комплекса, размещенное на участках тепличного комплекса, через которые возможно непосредственное воздействие на растения или семена диффузно рассеянного от полых пирамид или полых конусов третьего светопроницаемого покрытия периодического действия солнечного излучения, при этом отдельные полосы третьего светопроницаемого покрытия периодического действия выполнены с возможностью поворота вокруг своей оси на 180° для изменения характера диффузного рассеивания падающего солнечного излучения и с возможностью смещения для уменьшения или увеличения площади диффузного рассеивания при уменьшении или увеличении яркости солнечного излучения.
Третье светопроницаемое покрытие периодического действия может быть выполнено в виде вертикальных или горизонтальных жалюзи.
В качестве защитного светопроницаемого покрытия может быть использована стеклянная пленка или пленка из оптически прозрачных полимерных материалов.
В тепличный комплекс дополнительно может быть введено устройство подачи охлажденного воздуха с возможностью обеспечения обдува пространства между внутренней стороной светопроницаемого теплоизолирующего покрытия и защитным светопроницаемым покрытием, закрывающим изнутри светопроницаемое теплоизолирующее покрытие, для охлаждения прозрачных фотоэлектрических преобразователей.
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 прозрачный в ультрафиолетовой и видимой областях спектра электромагнитного излучения и отражающий инфракрасное излучение слой.
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.
Защитное светопроницаемое покрытие может быть выполнено устойчивым к воздействию солнечных лучей, а, по крайней мере, его часть внутри теплицы может быть выполнена гидрофильной.
В тепличный комплекс может быть дополнительно введено устройство искусственного освещения растений или семян, обеспечивающее возможность диффузного рассеивания искусственного освещения.
На фиг. 1-3 представлены принципиальные схемы выполнения тепличного комплекса.
Солнечный тепличный комплекс (1) включает светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2), со структурой в виде полых пирамид (3) с вершиной (фиг. 1, выноска 1---1), например, четырехгранных, шестигранных 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. 1, выноска 1---1).
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. Защитное светопроницаемое покрытие (12) позволяет защищать фотоприемные слои фотоэлектрических преобразователей (11) также и от конденсирующейся влаги в теплице (1). В теплице (1), как правило, имеет место большая влажность и на защитное светопроницаемое покрытие (12), если оно холодное, например, в ночное время или в холодные периоды времени года, может конденсироваться влага.
Защитное светопроницаемое покрытие (12) может быть выполнено устойчивым к воздействию солнечных лучей, а, по крайней мере, его часть внутри теплицы (1) может быть выполнена гидрофильной. В связи с тем, что конденсирующаяся на защитное светопроницаемое покрытие (12) влага может снижать пропускание солнечного излучения через светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2), необходимо чтобы влага максимально быстро стекала с него вниз в соответствующий сборник. Это обеспечивается приданием ей гидрофильных свойств одним из известных методов. Также одним из известных методов защитное светопроницаемое покрытие (12) может быть выполнено устойчивым к воздействию прежде всего прямых солнечных лучей. Вода из водосборника при необходимости может в дальнейшем дополняться необходимыми для выполнения тех или иных задач минералами и использоваться для хозяйственных нужд, например, в том же тепличном комплексе (1).
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) или семена 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) или семена 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) или семена. Кроме этого, для создания эффекта фильтрации солнечного излучения может быть использован слой (13), сформированный методом голографического тиснения.
Полые пирамиды (3) или конусы (15) с вершинами, обращенными в направлении теплоаккумулирующего резервуара, формирующие структуру светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2) (фиг.1), 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).
Солнечное излучение зависит от солнечной инсоляции в зависимости от широты и долготы местности, времени суток, наличия облачности и пр. Все они влияют на светопропускание защитного светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2), которое служит не только для фотоэлектрического преобразования (11), но и для рассеивающего эффекта солнечных лучей, создавая при прохождении через полые пирамиды (3) или полые конусы (15) диффузное рассеивание. Создание диффузного рассеивания позволяет равномерно распределить солнечное излучение без образования устойчивых теней и уменьшить возможность появления «ожогов» на растениях (14) или семенах при высокой тепловой интенсивности солнечного излучения и увеличить урожайность от 6 до 12%, например, у овощных культур. Это способствует более быстрому развитию многих растений (14) или семян за счет оптимального распространения световых лучей. Диффузный свет является чрезвычайно полезным для выращивания прежде всего высоких вертикально растущих культур с большими листьями [4]. Использование светопроницаемого теплоизолирующего покрытии (2) с предлагаемой структурой обеспечивает светопропускание до 98% и равномерное распределение солнечного излучения в теплице (1); уменьшает срок роста цветочных культур; сглаживает пики нагрева листьев, снижая стресс для растений (14) или семян; освещает большую площадь листьев, больше солнечного излучения проникает вглубь растений (14) и лучше усваивается листьями нижнего яруса, вследствие чего ускоряется процесс фотосинтеза.
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. Ориентировочный угол, обеспечивающий в соответствии с экспериментами, проведенными авторами данного предлагаемого изобретения, наиболее благоприятный эффект рассеяния на растения и семяна в сроках всхожести, темпах роста, сроках созревания, урожайности, и улучшения вкусовых качеств падающего на пирамиды (3) и конусы (15) солнечного излучения составляет 102°-106°.
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.
Формирование массива микроконусов (15) может быть обеспечено, например, путем облучения криптон-фторидным лазером (KrF-лазером) или прокаткой фигурным валиком, поверхность которого соответствует заданной форме пирамид (3) с необходимы числом граней или конусов (15), по горячей стекломассе, или с помощью, например, штампа или матрицы с рисунком на ее рабочей поверхности, ответном образуемым в результате такого воздействия штампа или матрицы на полимерную пленку соответствующего типа пирамидам (3) с необходимым числом граней или конусам (15).
Выход прозрачных фотоэлектрических преобразователей (11) соединен посредством контроллера заряда (16) (фиг. 2) с преобразователем постоянного напряжения (на фиг. 2 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. 2.
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 x 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 [5]. 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
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  окислительно-восстановительные пары в неводных электролитах, таких как ацетонитрил [6]; 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 [7]; 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.
Также для повышения урожайности в зависимости от солнечной инсоляции в разное периоды возникает необходимость периодически регулировать интенсивность солнечного излучения, падающего на растения (14) или семена, то есть обеспечивать периодичность воздействия диффузно рассеянного солнечного излучения на растения (14) или семена в тепличном комплексе (1). Для этого может быть использовано третье светопроницаемое покрытие (20) периодического действия, выполненное в виде покупных вертикальных или горизонтальных жалюзи, которые могут отодвигаться, обеспечивая, при необходимости, открытый (в случае их отодвигания) или через третье светопроницаемое покрытие (20) периодического действия доступ солнечного излучения к растениям (14) или семенам в тепличном комплексе (1), например, когда при повороте на необходимый угол (они выполнены с возможностью поворота вокруг своей оси на 180°) соответствующей полосы жалюзи, они обеспечивают полностью или частичную проницаемость солнечного излучения, по крайней мере, в световой области спектра падающего на него снаружи солнечного излучения, и тем самым регулируют разные интенсивность воздействия солнечного излучения, в частности, характер диффузного рассеивания падающего солнечного излучения на растения (14) или семена в тепличном комплексе (1), соответствующее смещение солнечного излучения для уменьшения или увеличения площади диффузного рассеивания при уменьшении или увеличении яркости солнечного излучения.
Характер диффузного рассеивания зависит от поверхности, на которую падает излучение (в частности, от того, как выполнена структура третьего светопроницаемого покрытия (20) периодического действия: в виде обращенных вершинами наружу относительно тепличного комплекса (1) или внутрь его с возможностью диффузного рассеивания падающего на полые пирамиды (3) или полые конусы (15) солнечного излучения. Проведенные в ООО «Инсол Телеком» компьютерное моделирование и испытания предлагаемого тепличного комплекса (1) показали больший эффект диффузного рассеивания падающего снаружи солнечного излучения, если вершины полых пирамид (3) или полых конусов (15) обращены наружу относительно тепличного комплекса (1) по сравнению с тем, если вершины полых пирамид (3) или полых конусов (15) обращены внутрь тепличного комплекса (1).
В тепличный комплекс (1) дополнительно может быть введено покупное устройство подачи охлажденного воздуха (на фигурах не показано) для обдува пространства между внутренней стороной светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2) и защитным светопроницаемым покрытием (12), закрывающим изнутри светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2), для охлаждения прозрачных фотоэлектрических преобразователей (11).
В тепличный комплекс (1), при необходимости, может быть дополнительно введено покупное устройство искусственного освещения (на фигурах не показано) растений (14) или семян, например, в ночное время, обеспечивающее возможность диффузного рассеивания искусственного освещения.
Полые пирамиды (3) с вершинами или конусы (15) с вершинами (фиг. 3), формирующие структуру третьего светопроницаемого покрытия периодического действия (20), предназначены для обеспечения диффузного рассеивания падающего солнечного излучения. Места установки третьего светопроницаемого покрытия (20) периодического действия (например, выполненные в виде вертикальных или горизонтальных жалюзи) показаны на фиг. 3; на выносках фиг. 3 (3---1, 3---2, 3---3, 3---4) показаны единичные полосы и полосы в сборке третьего светопроницаемого покрытия (20) периодического действия.
Тепличный комплекс работает следующим образом.
В память компьютера устройства автоматического управления 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 формирует управляющие воздействия индивидуально для систем отопления, вентиляции, орошения и других систем жизнеобеспечения культивируемых растений (14) или семян 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 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.
Управление температурой и влажностью воздуха в рабочем пространстве тепличного комплекса (1), а также системами отопления, вентиляции, орошения и другими системами жизнеобеспечения культивируемых растений (14) или семян, 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 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) или семян), 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.
Устройство автоматического управления 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) или семян, 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).
При использовании третьего светопроницаемого покрытия (20) периодического действия, выполненного в виде вертикальных или горизонтальных жалюзи, его устанавливают внутри тепличного комплекса (1) на участках, через которые солнечное излучение падает непосредственно на растения (14) или семена. Полосы жалюзи могут поворачиваться вокруг своей оси на 90 или 180°. В первом случае обеспечивается возможность смещения полос жалюзи и регулируется площадь перекрытия прямого солнечного излучения в зависимости от интенсивности солнечного излучения, например, в пасмурный день требуется уменьшение площади перекрытия. Во втором варианте в зависимости от того на какую сторону полосы падает солнечное излучение обеспечивается разный тип рассеивания солнечного излучения с целью избежания появления «ожогов» растений (14) или семян при высокой тепловой интенсивности солнечного излучения.
Управление работой третьего светопроницаемого покрытия (20) периодического действия, например, вертикальных или горизонтальных жалюзи, в зависимости от географического размещения и географической широты тепличного комплекса (1), времени суток и уровня освещенности может обеспечиваться автоматически с помощью установленного на компьютере специального программного обеспечения.
Для изготовления генерирующего прозрачного фотоприемного слоя фотоэлектрических преобразователей (11) получают, например, экстракты индия (In) и олова (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 оксида индия-олова (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 спектра солнечного излучения 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 [8].
В процессе работы фотоэлектрических преобразователей (11) они нагреваются, что снижает их эффективность (КПД) по преобразованию солнечной энергии в электрическую энергию. Для повышения эффективности (КПД) работы фотоэлектрических преобразователей (11) может быть предусмотрено их охлаждение, например, посредством обеспечения подачи холодного воздуха между тыльной частью светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2) с фотоэлектрическими преобразователями (11) и защитным светопроницаемым покрытием (12), закрывающим изнутри светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2).
Наличие защитного светопроницаемого покрытия (12), закрывающего снаружи светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2), обеспечивает защиту от загрязнения светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2), например, от воздействия атмосферных осадков, пыли и т.п., а плоская поверхность защитного светопроницаемого покрытия (12) обеспечивает возможность его легкой протирки чистящим материалом от возможных загрязнений, например, помывкой ветошью и мыльным раствором. То есть защитное светопроницаемое покрытие (12) не позволяет пыли и другим загрязнениям оседать в полых пирамидах (3) или полых конусах (15) и, тем самым, снижать работоспособность фотоэлектрических преобразователей (11) и эффективность воздействия на растения (14) или семена. При этом защитное светопроницаемое покрытие (12), при необходимости, может быть легко заменяемым.
Наличие слоя, прозрачного в ультрафиолетовой и видимой областях спектра электромагнитного излучения и отражающего инфракрасное излучение (на фигурах не показан), на защитном светопроницаемом покрытии (12), закрывающем изнутри светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2), существенно повышает теплозащиту теплицы (1) и снижает затраты на поддержание в них необходимого теплового режима. То есть слой, прозрачный в ультрафиолетовой и видимой областях спектра электромагнитного излучения и отражающий инфракрасное излучение, обеспечивает отражение инфракрасного излучения в герметично закрытом в теплице (1) пространстве с растениями (семенами) обратно к растениям (семенам), при этом тепло из закрытого пространства теплицы (1) не уходит в окружающее пространство, а остается в герметично закрытом покрытием пространстве теплицы (1).
Для освещения растений (14) или семян, например, в ночное время, в тепличный комплекс (1) может быть введено устройство искусственного освещения, обеспечивающее возможность диффузного рассеивания искусственного освещения.
На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом заявляемого изобретения (по сравнению с прототипом) является следующее.
1. Предлагаемый тепличный комплекс (1) обеспечивает регулировку разной интенсивности солнечного излучения при воздействии на растения (14) или семена в тепличном комплексе (1) за счет использования третьего светопроницаемого покрытия (20) периодического действия в виде покупных вертикальных или горизонтальных жалюзи и повышения эффекта диффузного рассеивания падающего снаружи солнечного излучения не менее чем на 20% вследствие того, что вершины полых пирамид (3) или полых конусов (15) обращены наружу относительно светопроницаемого теплоизолирующего покрытия (2).
2. Предлагаемый тепличный комплекс (1) обеспечивает повышение теплозащитных свойств тепличного комплекса (1) не менее чем на 10% за счет наличия на защитном светопроницаемом покрытии (12), закрывающего изнутри светопроницаемое теплоизолирующее покрытие (2), слоя, прозрачного в ультрафиолетовой и видимой областях спектра электромагнитного излучения и отражающего инфракрасное излучение.
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 №2762363. 2021. МКИ A01G 9/14, E04D 13/18.
4. Стекло рифленое для теплицы. 24.02.2021. URL: https://fininstroy.ru/steklo-riflenoe-dlya-teplitsy/
5. Omelyanovich M.M., Simovski C.R. Wide-angle light-trapping electrode for photovoltaic cells, 2017, vol. 42, issue 19, pp. 3726-3729.
6. Снежко Н.Ю., Красиков M.A., Солдатов A.B., Патрушева Т.Н. Экстракционно-пиролитический метод изготовления гибких оксидных солнечных элементов. URL: http://flatik.ru/ekstrakcionno-piroliticheskij-metod-izgotovleniya-gibkih-oksid
7. Российские ученые разработали революционный материал для экранов смартфонов. URL: https://hi-tech.mail.rU/news/nanohybrid-technology/#a02
8. Полимер PEDOT:PPS начали использовать вместо индий-оловянного оксида в OLED-дисплеях. URL: http://compblog.ilc.edu.ru/blog/4007.html.