УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ

Полезная модель относится к растениеводству, в частности к установкам для выращивания преимущественно зерновых культур и салатных растений гидропонным методом.
Известна гидропонная установка для выращивания клубне- и корнеплодообразующих растений, представляющая из себя емкость любой формы, предпочтительно конусообразной, заполненную наполнителем, способным принимать состояние псевдоожиженности или поддерживать состояние псевдокипящего слоя (RU 2229792, 10.06.2004). В нижней части емкости расположена труба, имеющая множество мелких отверстий для выхода газовой смеси, воздуха и питательного раствора. Конструкция емкости предусматривает использование обширной корнеобитаемой зоны, что необходимо при выращивании корнеплодов. Недостатком известной установки при выращивании в ней злаковых и салатных растений является излишняя материалоемкость, так как для выращивания этих культур не обязательно использовать наполнитель.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является установка для выращивания растений пшеницы с использованием трубчатых модулей, с помощью которых обеспечивается корневое питание и пространственная фиксация растений (US 4926585, 22.05.1990). Подвод питательного раствора к корням растений осуществляется по внутренним микропористым трубкам модулей, которые размещены в водонепроницаемых трубках большего диаметра, изготовленных из твердого материала. Зазоры между внутренними и внешними трубками обеспечивают пространство для прорастания корней растений. В верхней части внешних трубок выполнены отверстия для посева семян и прорастания стеблей растений. Система подачи питательного раствора включает накопительную емкость с питательным раствором, погруженный насос, напорные емкости, распределительный коллектор, клапаны, измерительные приборы, трубчатые модули и перистальтические насосы. Погруженный насос подает раствор из накопительной емкости в две напорные емкости. Излишек раствора сливается по установленному уровню обратно в накопительную емкость. Из напорных емкостей раствор поступает в распределительный коллектор и далее через регулируемые клапаны - в девять трубчатых модулей. Непрерывная прокачка раствора через трубчатые модули осуществляется с помощью перистальтических насосов. Согласованная работа клапанов, измерительных приборов и перистальтических насосов обеспечивает проток раствора через трубчатые модули с постоянной скоростью 200 мл/мин. На выходе из трубчатых модулей отработанный раствор регенерируют и возвращают в накопительную емкость.
Известная установка предназначена обеспечивать непрерывную регулируемую прокачку питательного раствора через корнеобитаемую зону трубчатых модулей в системе жизнеобеспечения, находящейся в условиях невесомости.
При использовании известной установки в условиях гравитации могут выявиться следующие недостатки:
- затраты электроэнергии на непрерывную прокачку питательного раствора через трубчатые модули;
- недостаточно комфортные условия для прорастания семян в верхней части межтрубного пространства трубчатого модуля;
- не регулируемый объем межтрубного пространства может быть причиной пространственного ограничения для роста корней или дополнительного расхода питательного раствора.
Кроме того, в известной установке отсутствует возможность для регулирования спектрального состава света при выращивании растений.
Техническая проблема, решаемая при создании заявленной полезной модели, заключается в разработке конструкции установки с использованием трубчатых модулей, обеспечивающей эффективное выращивание растений в условиях гравитации.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью:
- упрощение конструкции установки;
- экономия электроэнергии;
- улучшение условий для прорастания семян в трубчатых модулях;
- увеличение объема корнеобитаемой зоны в трубчатых модулях по мере разрастания корневой системы растений;
- улучшение светового режима растений;
- возможность отработки модулей полезной модели с последующим использованием полученных результатов для совершенствования аналогичных установок в системах жизнеобеспечения человека.
Технический результат достигается тем, что система подачи питательного раствора выполнена в виде дозировочных резервуаров, снабженных электромагнитными клапанами, регулировочными трубками и датчиками уровня жидкости. В трубчатые модули введены семяложи в виде гидрофильных лент. Внешняя оболочка трубчатых модулей выполнена из эластичной водонепроницаемой пленки, а в панели освещения размещены две группы красных и белых светодиодов с возможностью независимого регулирования светового потока от каждой группы в пределах 0%-100% в зависимости от потребностей растений.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно:
- упрощение конструкции установки и экономия электроэнергии осуществляются за счет исключения перистальтических насосов из конструкции полезной модели, а также за счет кратковременной периодической работы насосов, осуществляющих подачу питательного раствора в дозировочные резервуары, и последующей подачи самотеком дозированного объема питательного раствора под действием гравитации в трубчатые модули благодаря оснащению дозировочных резервуаров входными и выпускными электромагнитными клапанами, датчиками уровня жидкости и регулировочными трубками;
- улучшение условий для прорастания семян происходит вследствие введения в трубчатые модули семялож в виде гидрофильных лент, которые обеспечивают снабжение семян водой и не препятствуют контакту семян с атмосферным кислородом;
- изменение объема корнеобитаемой зоны по мере разрастания корней реализуется благодаря использованию эластичной водонепроницаемой пленки в качестве внешней оболочки трубчатых модулей;
- размещение семян на семяложах, а также использование пленки в трубчатых модулях становится возможным благодаря гравитации, которая обеспечивает фиксацию семян на семяложах и предотвращает утечку питательного раствора из пространства между микропористой трубкой и пленкой в атмосферу системы жизнеобеспечения;
- улучшение светового режима растений осуществляется за счет размещения в панели освещения красных и белых светодиодов;
- возможность отработки узлов полезной модели с последующим использованием полученных результатов для совершенствования аналогичных действующих установок реализуется за счет максимального сближения их конструкций.
Сущность полезной модели поясняется чертежами (фиг. 1-3) и фотографиями (фиг. 4-6):
фиг. 1 - установка для выращивания растений;
фиг. 2 - установка для выращивания растений (вид сбоку);
фиг. 3 - трубчатый модуль (вид сбоку и поперечный разрез);
фиг. 4 - общий вид установки для выращивания растений;
фиг. 5 - трубчатый модуль с растениями пшеницы;
фиг. 6 - трубчатый модуль с растениями салата.
Установка для выращивания растений включает систему подачи питательного раствора, блоки с растениями 12, светодиодные панели 24 и корпус 21. В блоках с растениями 12 находятся трубчатые модули 13, прикрепленные к опорным поверхностям 18 и 19 с помощью держателей 20. На корпусе 21 закреплены вентиляторы 22, а на противоположной стороне корпуса 21 находятся жалюзи 23, которые обеспечивают оптимальную для растений скорость потока воздуха (фиг. 1, 2, 3).
Система подачи питательного раствора к трубчатым модулям 13 включает резервуар-источник питательного раствора 1; трубопроводы 2, насосы 3, электромагнитные клапаны 4, дозировочные резервуары 5 и электромагнитные клапаны 6. Дозировочные резервуары 5 снабжены регулировочными трубками 7, изменением уровня погружения которых регулируется скорость поступления питательного раствора к растениям, и датчиками уровня жидкости 8. Программируемый контроллер 9 электрически связан с насосами 3, электромагнитными клапанами 4 и 6, а также с датчиками уровня жидкости 8. К трубчатым модулям 13 прикреплены выпускные клапаны 10. Трубчатые модули 13 состоят из микропористых трубок 14, на внешней цилиндрической поверхности которых закреплена эластичная водонепроницаемая светоотражающая пленка 16. Торцы трубок 14 закрыты силиконовыми пробками 17.
В верхней части трубчатых модулей 13 размещены семяложи 15 в виде гидрофильных лент для проращивания семян (фиг. 3). Семяложи 15 выполнены из влагоемкого полимерного материала.
В светодиодных панелях 24 закреплены две группы красных и белых светодиодных источников света с возможностью независимого регулирования светового потока от каждой группы от 0% до 100% в зависимости от потребностей растений. Интенсивность освещения растений регулируется перемещением по высоте светодиодных панелей в верхнем и в нижнем блоках 12.
Установка работает следующим образом. С помощью контроллера 9 задают режим заполнения дозировочных резервуаров 5 питательным раствором из резервуара-источника 1 через трубопроводы 2 с помощью насосов 3. При этом клапаны 4 открыты, а клапаны 6 закрыты. При достижении определенного уровня заполнения срабатывает датчик уровня 8, сигнал от которого с помощью контроллера 9 инициирует закрытие клапана 4, открытие клапана 6 и отключение насосов 3. Питательный раствор самотеком благодаря действию гравитации поступает из дозировочных резервуаров 5 в микропористые трубки 14. После заполнения микропористых трубок 14 питательным раствором из них удаляют остатки воздуха, поочередно открывая и закрывая клапаны 10. При развоздушивании микропористых трубок 14 вытекает некоторое количество питательного раствора, который сливают в раствороприемник 11. Регулировочные трубки 7 устанавливают на таком уровне, чтобы после заполнения микропористых трубок 14 происходило смачивание поверхности семялож 15. После этого размещают семена растений на семяложах 15, включают светодиодную панель 24, вентиляторы 22 и циркуляцию хладагента внутри светодиодной панели 24. Корни прорастают в пространство между микропористой трубкой 14 и пленкой 16. По мере разрастания корней зазор между микропористой трубкой 14 и пленкой 16 увеличивается за счет растяжения пленки 16.
Уровень питательного раствора в дозировочных резервуарах 5 по мере поглощения его растениями снижается до минимального уровня, и по сигналу обратной связи от датчика уровня жидкости 8 контроллер 9 закрывает клапан 6 и открывает клапан 4. В верхнем и нижнем блоках 12 можно разместить несколько трубчатых модулей 13 (на фиг.2 до 10 модулей), каждый из которых подключен отдельным трубопроводом к дозировочным резервуарам 5 через электромагнитный клапан 6. Подключение трубчатых модулей 13, посев семян и сбор урожая осуществляют последовательно с временным лагом, в зависимости от длины вегетационного периода конкретного вида растений и числа ступеней конвейера.
Пример конкретного выполнения.
-2
-1
Семена пшеницы и салата размещали на семяложах 15 трубчатых модулей 13 в количестве 64 и 10 семян на модуль, соответственно. Длина трубчатого модуля 13 и семяложи 15 составляла 1 м, внешний диаметр микропористой трубки - 70 мм. Семяложи 15 были изготовлены из гидрофильного лигноцеллюлозного материала. Ширина семялож 15 составляла 20 мм, толщина - 6 мм. Растения пшеницы и салата выращивали конвейерным способом в верхнем и нижнем блоках 12, используя десять и восемь трубчатых модулей 13, соответственно. В трубчатые модули 13 подавали питательный раствор Хогланда. Растения пшеницы и салата выращивали при атмосферном содержании углекислого газа и температуре окружающего воздуха 21°С. При выращивании пшеницы освещение было непрерывным на уровне 500 μмоль м сек. Интенсивности световых потоков от красных и белых светодиодов устанавливали в соотношении 80:20. Сбор урожая проводили на 70-е сутки после посева. Периодичность посева семян в трубчатые модули 13 и сбора урожая пшеницы составляла 7 суток.
-2
-1
При выращивании растений салата световой период составлял 18 часов, темновой период - 6 часов. Интенсивность освещения поддерживали на уровне 200 μмоль м сек. Соотношение световых потоков от красных и белых светодиодов составляло 60:40. Сбор урожая проводили на 40-е сутки после посева. Периодичность посева семян в трубчатые модули 13 и сбора урожая салата составляла 5 суток.
В таблице представлены результаты апробации заявленной полезной модели на примере выращивания конвейерных культур пшеницы и салата.
Перед сбором урожая остатки питательного раствора из трубчатых модулей 13 сливали в раствороприемник 11. Микропористые трубки 14 и пленки 16 освобождали от корней растений. Пленки 16 для обертывания микропористых трубок 14 использовали многократно. Питательный раствор, поступивший в раствороприемник 11, регенерировали путем добавления питательных веществ и воды для повторного использования.
Элементы конструкции полезной модели были использованы в установках для выращивания растений в ходе 105-суточного испытания системы жизнеобеспечения «Lunar Palace» с экипажем из трех человек (http://en.cmse.gov.cn/show.php?contentid=1395).
Источники информации.
1. Патент 2229792 РФ. Гидропонная установка и способ для выращивания растений. / Автор и патентообладатель Антуфьев И.А. Заявка №2001135538/12; заявл. 29.12.2001; опубл. 10.06.2004.
2. Patent 4926585 US. Plant nutrient delivery system having a porous tubular member / Thomas W. Dreschel, Titusville, Fla. The Bionetics Corporation, Hampton, Va. Date of Patent: May 22, 1990.