устройство для утилизации биоэнергии

Формула изобретения

1. Устройство для утилизации энергии растений, содержащее помещение сбора урожая, расположенные над ним помещение высадки рассады, пункт подготовки питательного раствора и установленные с возможностью вращения вокруг вертикальной оси расположенные в виде спиралей вегетационные трубы с увеличивающимися диаметрами вниз, причем внутри вегетационных труб расположены держатели с сетками для растений, соединенные между собой телескопическими связями с возможностью автоматического изменения расстояния между держателями для растений, отличающееся тем, что оно выполнено с дополнительными помещениями высадки рассады и сбора урожая, установленными над помещениями сбора урожая с возможностью вращения на общей вертикальной оси расположенными в виде спиралей вегетационными трубами с увеличивающимися диаметрами вниз, которые расположены ярусами друг над другом на вертикальной оси с возможностью периодического отключения каждого отдельного яруса при вращении, вегетационные трубы в виде спиралей в каждом ярусе по внешнему контуру образуют сферическую поверхность, выполнены по длине в виде ряда секций и имеют несветопрозрачное теплоизоляционное покрытие, причем устройство снабжено механизмом поворота вокруг вертикальной оси, мультипликатором, аккумулятором энергии и зондами с подвешенными на них концентраторами солнечного излучения, оборудованными теплоприемниками и световодами, а под каждым ярусом расположено ветроколесо, приводимое во вращение газом из газгольдера.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая секция вегетационных труб выполнена в виде каркаса с кольцами жесткости, содержащего элементы коммуникаций - световоды, газопроводы с соплами для подачи газовой смеси, растворопроводы, газоотсасывающие трубы, являющиеся одновременно направляющими для перемещения держателей растений и имеющие газоотсасывающие отверстия, причем газоотсасывающие трубы и газопроводы соединены с газгольдером, а в верхней части секций вегетационных труб расположены душевые установки, соединенные растворопроводами с пунктом подготовки питательного раствора, в нижней части секций вегетационных труб под душевыми установками расположены светопрозрачные поддоны с вмонтированными в них осветительными приборами и зеркальными отражателями, обеспечивающими за счет направленного света импульсное освещение проходящих над поддонами крон растений, устанавливаемых в держателях корнями вверх, и взаимодействие со смонтированными на душевых установках и телескопических связях фотоэлементами для автоматического включения и выключения душевой установки, сопла газопровода и импульсного удлинения телескопической связи.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что концентраторы солнечного излучения соединены световодами с осветительным центром, обеспечивающим осветительные приборы в светлое время солнечным концентрированным освещением, а в темное время искусственным светом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к биотехнологической области, а именно к утилизации энергии растений в процессе вегетации.

Цель изобретения - комплексное использование энергии, выделяемой в процессе выращивания растений в условиях закрытого грунта.

Известно предложение с бессубстатным выращиванием растений в вегетационных трубах, при котором для перемещения конвейера с растениями и поворотом культивационного устройства используют залповый выброс аэрозоли и гравитацию растущих растений [1].

Недостатком этого предложения являются разнонаправленные усилия различных видов энергии при выращивании растений и сложная технология выращивания.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в отличие от вышеприведенного прототипа растения высаживают корнем вверх, а кроной вниз, при этом питание растений осуществляют за счет подачи питательного раствора через душевую установку, установленную сверху над растением, а освещение в затемненной вегетационной трубе подают снизу. При таком расположении растений и оборудования все усилия, возникающие в процессе вегетации, действуют в одном направлении. Эти усилия следующие: гравитация растений и струй ниспадающего питательного раствора; стремление растения к источнику света, расположенного под растением [2-8]; усилия, связанные с процессами осмоса, происходящими во время питания растения [8]; собственно рост растений; напор струи газовой смеси, направленной на растение; а также газоотсасывающие усилия, связанные с удалением метаболитов дыхания корневой системы растений [1-4].

Отказ от предложенной в прототипе [1] технологии приготовления питательной аэрозоли, подачи ее на корни растения и сбора конденсата упрощает процесс.

Кроме того, предлагаемое устройство, являясь многоярусным, позволяет ускорить его вращение, периодически отключать отдельные ярусы для ремонта и перезарядки держателей с растениями без остановки всего устройства, совмещать помещения высадки и сбора урожая, а также экономить территорию тепличного комплекса, что важно в условиях пригородов крупных городов, где эти комплексы в основном размещают.

Утилизация энергии растений при этом не исключает использование их для питания и технических нужд, а ботвы - для производства биогаза.

На фиг. 1 изображен план устройства; на фиг. 2 - разрез устройства по сечению А-А; на фиг. 3 - ветроколесо (аксонометрия); на фиг. 4 - продольный разрез вегетационной трубы по сечению В-В; на фиг. 6 - поперечный разрез вегетационной трубы; на фиг. 7 - секция вегетационной трубы (аксонометрия); на фиг. 8 - аксонометрия фрагмента направляющих труб; на фиг. 9 - продольный разрез держателя растений по сечению В-В; на фиг. 10 - фрагмент продольного разреза вегетационной трубы по сечению В-В; на фиг. 11 - план поддона; на фиг. 12 - этапы прохождения растения в вегетационной трубе: I - на подходе к зоне действия душевой установки; II - при выходе из зоны; III - в момент включения сопла газопровода; на фиг. 13 - телескопическая связь между держателями растений, поперечный разрез; на фиг. 14 - то же, продольный разрез по сечению Д-Д; на фиг. 15 - то же, по сечению Е-Е; на фиг. 16 - автоматизированная система управления (схема).

На фиг. 1 и 2 приведено многоярусное устройство с расположенными на каждом из ярусов помещениями высадки рассады 1 вверху и помещениями сбора урожая 2 в нижней части яруса. На сферической поверхности каждого яруса устанавливают вегетационные трубы 3 (фиг. 4-6) переменного сечения, укладывая их спиралевидно впритык друг к другу, большим диаметром вниз, а меньшим - вверх. Внутри вегетационной трубы конвейер с растениями, установленными корнем вверх, а кроной вниз в эластичных сетках органического происхождения 4, укрепленные в держателях 5, соединенные между собой телескопическими связями 6. В помещениях высадки рассады 1 и сбора урожая 2 устраивают окна 7, через которые осуществляют высадку рассады и сбор выращенных растений. Между помещением сбора урожая 2 каждого из ярусов устройства и помещением высадки рассады 1 этого же яруса установлена обратная труба 8, по которой осуществляется доставка порожних держателей растений после того, как урожай собран, причем каждой вегетационной трубе 3 яруса соответствует своя обратная труба 8. Устройство оборудовано поворотным механизмом 9, обеспечивающим его круговое вращение вокруг центральной вертикальной оси 10, и соединено с мультипликатором 11, связанным с электрогенератором 12, соединенным с аккумулятором энергии 13 (фиг. 2). Каждый ярус устройства оборудован ветроколесом 14, выполненным в виде листа Мебиуса, обеспечивающим при вращении снижение трения устройства за счет создания воздушной подушки (фиг. 3), и которое при минимальной массе обеспечивает минимальный гироскопический момент [9].

Вегетационная труба 3 (фиг. 4-7) оборудована осветительными приборами 15, расположенными в нижней части вегетационной трубы, вмонтированными в светопрозрачные поддоны 16, предназначенные для сбора питательного раствора, подаваемого сверху из душевой установки 17 на корни растений. Кроме того, вегетационная труба оборудована газопроводами 18 с соплами 19, через которые газовую смесь подают на корни растений после полива их питательным раствором для удаления метаболитов дыхания. Душевые установки 17 при помощи растворопроводов 20 соединены с поддонами 16 и пунктом подготовки питательного раствора 21, сопла 19 газопроводов связаны газопроводом 18 с газгольдером 22, осветительные приборы 15 соединены световодами 23 с концентратором солнечного излучения 24 через осветительный центр 25, обеспечивающий необходимый уровень освещения как в светлое, так и в темное время суток за счет солнечного света и электроэнергии. Вегетационная труба (фиг. 7) состоит из отдельных секций, которые включают каркас, состоящий из колец жесткости 26, световодов 23, расположенных в нижней части вегетационной трубы, верхних растворопроводов 20 и диагональных растворопроводов 27, подающих от пункта подготовки питательного раствора 21 и от поддонов 16 к нижележащим душевым установкам неиспользованный раствор, а также обеспечивающих конструктивную жесткость вегетационной трубе, газопроводов 18 по бокам вегетационной трубы, а также газоотсасывающих труб 28, установленных на консолях 29 с подпорками 30, прикрепленными к кольцам жесткости 26. Газоотсасывающие трубы 28 предназначены для отсоса газовой смеси, насыщенной метаболитами дыхания корневой системы через отверстия 31, которые служат тормозными устройствами и в момент прохождения держателей 5 мимо отверстий 31 притягивают к себе держатели. По существу газоотсасывающие трубы являются одновременно направляющими держателей, а благодаря отверстиям в них при этом осуществляются торможение цепи держателей и включение вегетационных труб, а с ними ярусов и всего устройства в поворотное движение (фиг. 8, 9). Вегетационная труба покрыта несветопрозрачной пленкой 32, а ярусы устройства - теплоизоляционным покрытием 33.

Включение душевой установки и полив корней растения осуществляют при попадании растения в зону действия душевой установки (фиг. 10-12), при этом тень растения падает на осветительный прибор 15, вмонтированный в светопрозрачный поддон 16. На противоположном краю чаши поддона расположено вмонтированное в поддон светоотражающее зеркало 34, на душевой установке вмонтирован фотоэлемент 35, от осветительного прибора 15 к фотоэлементу 35 направлен стационарный световой луч 36, при перекрывании которого растением срабатывает автоматическое устройство душевой установки, осуществляя полив растения. После выхода растения из зоны действия душевой установки растение освобождает луч 37 между светоотражающим зеркалом 34 и фотоэлементом 35 душевой установки, после чего автоматическое устройство душевой установки выключает подачу питательного раствора.

Телескопическая связь 6 между держателями 5 растений включает ступени 38 с зубчатыми пластинами 39, связанными между собой пружинами 40, отдельные зубчатые пластины 39 закреплены своими зубьями 41 фиксатором 42, размещенным в наружной ступени 43 связи с возможностью перемещения через шарнир 44 под постепенно возрастающей массой растущего растения при опускании коромысла 46 и кольца держателя 47, а также с учетом наклона вегетационной трубы 3 на сферической поверхности яруса устройства. Импульсом для освобождения очередного зуба 41 фиксатором 42 является попадание направленного светового луча 37 на фотоэлемент 48, расположенный на наружной ступени 43, который связан с электромагнитом 49, расположенным над фиксатором 42, который притягивается в результате импульса к электромагниту 49, освобождая зуб 41 (фиг. 12-15). После дальнейшего перемещения растения луч 50 от осветительного прибора 15, попадая на фотоэлемент сопла 19 газопровода, включает, а после прерывания луча 50 очередным движущимся растением выключает его. На каждом ярусе устройства установлен газгольдер 22, снабжающий газовой смесью растения, обеспечивающий работу ветроколеса 14, подъем зондов 51 с концентраторами солнечного излучения 24. Использование зондов целесообразно при низко расположенном относительно горизонта Солнце. Поворотный механизм культивационного устройства 9 связан с метантанком 52, который заполняют ботвой выросших растений и в котором ботву перемешивают вместе с сетками органического происхождения 4, после чего метан утилизируют (фиг. 2).

Устройство снабжено автоматизированной системой управления 53 с вычислительным устройством 54, связанным с датчиками и приводами культивационного устройства. На фиг. 16 приведена схема связей вычислительного устройства 54 с терминалом 55, оператором 56, интерфейсом 57, с которым связаны конвектор отопления 58, выключатель конвектора 59 и термометр 60, дозатор 61 пункта подготовки питательного раствора 21, привод дозатора 62 и датчик состава питательной смеси 63, поворотный механизм устройства 9, привод поворотного механизма 64 и определитель угла поворота устройства 65, мультипликатор 11, электрогенератор 12 и аккумулятор энергии 13, концентратор солнечного излучения со следящей системой 24, световод 23 и теплоприемник 66, ввод 67 осветительного прибора 15, выключатель ввода 68 и датчик ввода осветительного прибора 69, газгольдер 22, привод состава газа в газгольдере 70 и манометр газгольдера 71, сопло газопровода 19, привод давления газовой смеси 72 и манометр газопровода 73, зонд с концентратором солнечного излучения 51, привод подачи газа 74 в зонд и высотомер 75 зонда. Все эти устройства обеспечивают оптимизацию управления процессом, позволяют программировать функционирование групп устройств (ярусы и вегетационные трубы), обозначенные на фиг. 16 как ГУ, куда входят конечные объекты управления - растения.

Устройство оборудовано лестнично-лифтовой шахтой 76 и переходами 77 (фиг. 1 и 2).

Процесс начинается с высадки рассады в сетки 4 и установки их в держатели 5 в помещении высадки растений, затем в вегетационную трубу 3 подают газовую смесь из газгольдера 22, освещение от осветительного цента 25 и питательный раствор из пункта подготовки питательного раствора 21. После внешнего энергетического импульса под воздействием гравитации и всего комплекса усилий в результате вегетации растений конвейер с растениями начинает перемещаться внутри вегетационной трубы, вовлекая в поворотное движение сами вегетационные трубы, ярусы и все культивационное устройство, которое, поворачиваясь на подшипниках поворотного механизма 9, набирает обороты, а после включения ветроколеса 14 отрывается от подшипников и, находясь на воздушной подушке, начинает через мультипликатор 11 вращать генератор электрической энергии 12, часть этой энергии используется для нужд самого культивационного устройства, часть накапливают в аккумуляторе энергии 13 или используют в народнохозяйственных целях.

По мере роста растений, объем питательного раствора и время полива, благодаря увеличению интервала между растениями и накоплению питательного раствора из поддонов, расположенных в верхней части вегетационной трубы, увеличиваются. Аналогично увеличивается объем газовой смеси по мере роста растений. Сила света зависит от мощности источника света, расположенного в осветительном центре, и регулируется благодаря индивидуальным характеристикам прибора в определенной секции вегетационной трубы. Осветительный прибор наряду с основным световым потоком, рассчитанным на освещение кроны растения, располагает тремя концентрированными направленными лучами: один из них - луч 36 направлен на фотоэлемент душевой установки и служит импульсом для включения душевой установки, второй луч направлен на зеркало, находящееся на поддоне и, отражаясь от зеркала, попадая на фотоэлемент душевой установки, отключает подачу питательного раствора. Этот же отраженный луч 37 служит импульсом для удлинения телескопической связи при попадании луча 37 на фотоэлемент внешней ступени связи. И, наконец, концентрированный луч 50 после выхода растения из зоны действия душевой установки, попадая на фотоэлемент, расположенный снизу сопла газопровода, через автоматическое устройство сопла включает газовую струю, направленную на корневую систему растения. Подача газовой смеси прекращается после того, как следующее по ходу движение растение прерывает поток света луча 50. Размещение осветительных приборов и сопел газопровода посекционно чередуется, располагаясь то слева, то справа от перемещаемого растения, что обеспечивает всестороннее освещение и обдувание растения. Благодаря быстрому перемещению растения вдоль осветительных приборов создается импульсное освещение, благоприятное для вегетации [7]. Поскольку концентраторы солнечной энергии утилизируют как световую, так и тепловую энергию, благодаря установленным под концентраторами теплоприемникам 66 газовая смесь из газгольдеров, проходя по шлангам через теплоприемники, попадает в зонд нагретой.

После достижения растением помещения сбора урожая сетку с выросшим растением извлекают через окно, плоды используют, ботву направляют в метантанк, а конвейер с порожними держателями направляют в помещение высадки рассады по обратной трубе, после чего цикл повторяют.

Предложенное устройство наряду с достижением основной цели: утилизацией энергии, выделяемой в процессе выращивания растений, позволяет получать продукты растениеводства, а также упростить технологию выращивания по сравнению с прототипом за счет автоматизации производства и использования более простых технологических средств и приемов, рационально использовать полученную энергию, обеспечить ресурсосбережение за счет экономии энергии, материалов, территории, а также сборности при монтаже устройства за счет блочно-секционной конструкции. Кроме того, при этом повышается культура агротехнического производства, исключается зависимость от погодно-климатических условий и потребность в каких-либо субстратах, а, главное, достигается оптимизация процесса доведением его до полной автоматизации при получении экологически чистой возобновляемой энергии.

Использованные источники

1. Патент РФ N 2050123, МКИ⁶ A 1 G 31/02, Способ выращивания растений и устройство для его осуществления /Саркисов С.К., Саркисов А.С./, опубл. 20.12.95. Бюл. N 35.

2. Югай Г.А. Философские проблемы теоретической биологии. - М.: Мысль, 1976. - 247 с., ил.

3. Дубров А. П. Действие ультрафиолетовой радиации на растения. - М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 123 с., ил.

4. Фамилицин А.С. Обмен веществ и превращение энергии в растениях. - М.: Наука, 1989. - 637 с., ил.

5. Саркисов С.К., Мельниченко А.В. Новые технологические средства в здании // Строительство и архитектура (Киев), 1989, N 7, С. 10-11.

6. Шахов А.А. Фотоэнергетика растений и урожай. - М.: Наука, 1993. - 411 с., ил.

7. Инюшин В.М., Ильясов Г.У., Федорова Н.Н. Лазер - стимулятор развития сельскохозяйственных растений. - Алма-Ата: Кайнар, 1973. - 112 с., ил.

8. Патури Ф. Растения - гениальные инженеры природы. - М.: Прогресс, 1979. - 311 с., ил.

9. Перепелкин И.А. Тайны листа Мебиуса. - М.: Шаг, 1995. - 56 с., ил.