本發(fā)明涉及園藝栽培領(lǐng)域，具體涉及一種在溫室或植物工廠一體化安裝的利用日光進(jìn)行照明和補光的系統(tǒng)，和所述系統(tǒng)配套的溫室以及照明方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向是設(shè)施農(nóng)業(yè)，設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向是可以對農(nóng)作物進(jìn)行精確生長環(huán)境調(diào)控的植物工廠。農(nóng)作物生長必需的水、空氣、養(yǎng)分、溫度和濕度這幾方面，現(xiàn)有調(diào)控技術(shù)都很成熟，只有光照調(diào)控比較困難，是農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

2、為達(dá)到單位土地面積的更高利用，栽培方式趨向立體栽培的方向發(fā)展?，F(xiàn)代溫室普遍設(shè)置立體栽培架，進(jìn)行垂直栽培，使單位土地面積上的栽培面積增加，以增加產(chǎn)量。比如立柱式栽培、a字架栽培、滾筒式栽培等。高密度立體栽培的定義是有別于露地栽培和溫室中主流的平面栽培，高密度立體栽培的栽培架是立體設(shè)置的，栽培面積如果平鋪于平面應(yīng)該明顯大于平面面積。然而在直接利用日光照明的溫室里，如此設(shè)計只有栽培架最上層的栽培物能接受到足夠日光，栽培架下層會受到上層和相鄰栽培架的遮蔽，并且太陽的東升西落，日光角度的時刻變化，也會引起立體栽培架不同位置不同時間光照強弱變化的問題。并且溫室內(nèi)的立柱和支架也會遮擋日光，投下陰影，造成溫室內(nèi)部分區(qū)域光照不足的情況。為減少立體栽培架遮擋光照問題，一般要把立體栽培架之間的隔開較大距離，因此降低了栽培密度，難以實現(xiàn)高密度立體栽培。

3、為解決以上問題，有技術(shù)方案使用人工光源來代替日光來照明的方法，比如在栽培番茄的連棟玻璃溫室中，垂直攀爬生長的無限生長型番茄植株冠層下層的葉片受上層葉片的遮蔽，很難獲得足夠的日光，即使在使用農(nóng)用鈉燈進(jìn)行補光時，設(shè)置在溫室頂部的農(nóng)用鈉燈依然難以照射到冠層下層的葉片，因此部分冠層下層的健康葉片會被摘除。因此有荷蘭的科研人員在番茄冠層中下層設(shè)置led補光裝置的報道，后來國內(nèi)的連棟玻璃溫室經(jīng)營者也嘗試同樣的補光方式，獲得了更高的產(chǎn)量。

4、為解決農(nóng)作物高密度立體栽培的難題，近年出現(xiàn)了全人工光型植物工廠，又叫垂直農(nóng)場，如美國的航空農(nóng)場公司（aerofarms）和我國的中科三安植物工廠。設(shè)置有多層栽培架，每層中都通過人工光源照明，達(dá)到了高密度立體栽培的效果。但據(jù)報道即使是栽培需要光照低的生菜，使用較節(jié)能的紅藍(lán)led光源，每平米栽培面積照明需要近100w的耗電功率，每畝栽培面積照明需要66千瓦的耗電功率，因此過高的能耗提高了栽培成本，限制了全人工光植物工廠的發(fā)展。

5、日光是地球上最直接也最有效的免費光源，日光也是地球上化石能源和風(fēng)能水能的能源的源頭，因此其他技術(shù)團(tuán)隊也在以不同的技術(shù)方案嘗試解決日光照明下高密度立體栽培的問題。

6、有的技術(shù)方案是設(shè)計出可以運動的栽培架來跟蹤日光運動。

7、國內(nèi)發(fā)明專利申請?zhí)?01410788355.1公開的一種自動追日式多層立體草莓栽培系統(tǒng)，通過電機驅(qū)動栽培架跟隨日光轉(zhuǎn)動以獲得穩(wěn)定照明。存在的問題是栽培架自身重量較大，因此電機的能耗也較高。

8、新加坡的綠色天空農(nóng)場公司（skygreens）公司，蔬菜的栽培槽在由水利驅(qū)動上下循環(huán)的栽培架上，讓每一層蔬菜都依次地提升到日光充足的溫室頂部接受日光照明，又依次地下降到底部的水槽中吸收水分。這種栽培方式，栽培密度比連棟玻璃溫室大很多倍，屬于高密度立體栽培，蔬菜產(chǎn)量也比連棟玻璃溫室高。存在的問題是水力驅(qū)動裝置運轉(zhuǎn)速度慢，每層栽培槽的蔬菜接受足夠強度的日光照明時間較短，處于照明不足的栽培架中下層的時間較長，蔬菜生長速度比單層栽培的連棟玻璃溫室慢。雖然栽培密度是連棟玻璃溫室的多倍，但產(chǎn)量沒有多倍的提高，還是受限于照明不足的問題。

9、我國的中環(huán)易達(dá)公司開發(fā)了一套移動式多層立體軌道栽培系統(tǒng)，蔬菜栽培槽在多層立體軌道上移動，改善一般連棟溫室中立體栽培架不同位置日光照明強弱不同引起蔬菜生長快慢不同的問題。近年國內(nèi)農(nóng)博會還展示一種設(shè)計是栽培槽懸掛在軌道上，軌道依次把栽培槽輸送到光照強的區(qū)域，又輸送回光照暗的區(qū)域。在栽培密度接近的情況下，這兩種形式在日光照明的效果與新加坡的綠色天空農(nóng)場相似。

10、在檢索本領(lǐng)域相關(guān)發(fā)明的時候，發(fā)現(xiàn)本領(lǐng)域一些運用光纖技術(shù)和光導(dǎo)管技術(shù)的方案。

11、國內(nèi)實用新型專利申請?zhí)?01520431694.4和國內(nèi)發(fā)明專利申請?zhí)?01710905698.5，兩個技術(shù)方案都是使用光導(dǎo)管作為光的中間傳輸介質(zhì)。存在的問題是光導(dǎo)管傳輸中光損耗較大，光導(dǎo)管越長，直徑越小，反射的次數(shù)越多損耗越大。比如反射率0.95的光導(dǎo)管，經(jīng)過10次的內(nèi)部反射后光能損耗超過40%，加上采光罩的損耗，連接處損耗，漫射器損耗，光能綜合損耗過大。

12、國內(nèi)實用新型專利申請?zhí)?01120361809.9和國內(nèi)發(fā)明專利申請?zhí)?01110121985.x的技術(shù)方案，都是使用光纖束作為光的中間傳輸介質(zhì)，其中光耦合器，光纖傳輸，分光器，出光燈具都會引起光損耗，也存在光能損耗大的問題。并且光纖對不同光譜的透過率不同，特別對紫外線和紅外線有較大的屏蔽作用，而紫外線和紅外線對植物生長有利。

13、光導(dǎo)管照明技術(shù)和光纖導(dǎo)入照明技術(shù)，在居住建筑和公共建筑的照明應(yīng)用較多，晴天直射日光光照強度可以達(dá)到6萬至10萬lx，而根據(jù)我國《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，居住建筑關(guān)照強度只需要30lx至300lx，公共建筑在50lx至500lx，日光的光照強度是建筑照明需求的上百倍到幾千倍強度。因此光導(dǎo)管照明技術(shù)和光纖導(dǎo)入照明技術(shù)光能傳播雖然損耗較大，也能滿足一般建筑照明需求。

14、但是植物生長所需的光照強度比生活所需光照強度高很多倍，比如生菜光補償點接近3000lx，光飽和點70000lx，低于3000lx光照強度生菜就會枯萎，人工光植物工廠栽培生菜照明也在10000lx以上才能滿足正常生長所需。

15、現(xiàn)有技術(shù)中能解決一般建筑照明的方案無法滿足農(nóng)業(yè)照明的需求。因此采光效率低，光能傳播過程損耗較大的光導(dǎo)管技術(shù)和光纖導(dǎo)入照明技術(shù)在植物栽培方面應(yīng)用比較困難。

16、連棟玻璃溫室和塑料大棚日光照明還有其他問題，固定建設(shè)的溫室和大棚采光面是固定的，不能在太陽的東升西落中保持適宜的采光角度。溫室和大棚在中午時光照過強容易引起光抑制現(xiàn)象，中午溫室內(nèi)溫度過高，易引起植物高溫障礙，需要進(jìn)行遮光和散熱，因此玻璃溫室要設(shè)置遮光簾，大棚通過撥泥水在大棚膜上降低入射的光照強度。因此現(xiàn)在的玻璃溫室和大棚，也浪費了很多日光資源，對日光的利用率較低。

17、因此需要一種采光效果好，光傳輸損耗少，照明光照強度能滿足植物正常生長所需的日光照明系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)還應(yīng)該能滿足高密度立體栽培的需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是日光照明難以實現(xiàn)高密度立體栽培的問題，為解決該問題本發(fā)明提供一種農(nóng)業(yè)日光傳輸照明系統(tǒng)，還有提供與所述系統(tǒng)配套的溫室和照明方法。

2、本發(fā)明的一種農(nóng)業(yè)日光傳輸照明系統(tǒng)，包括：控制器、聚光鏡、主驅(qū)動機構(gòu)、照射器;在控制器的控制下，聚光鏡由主驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動跟蹤太陽，反射和/或折射日光到照射器，照射器對被照物進(jìn)行照明。

3、農(nóng)業(yè)設(shè)施的固定設(shè)置的立體栽培架，難以設(shè)計出在太陽照射角度不斷變化的情況下不同位置栽培的蔬菜依然獲得穩(wěn)定照明的結(jié)構(gòu)。如果設(shè)計成栽培裝置跟隨日光運動的方案，會帶來運動裝置復(fù)雜，運動的重量負(fù)荷大能耗高的問題。應(yīng)用了本發(fā)明的一種農(nóng)業(yè)日光傳輸照明系統(tǒng)后，能把太陽東升西落照射角度不斷變化的日光，變成照射角度穩(wěn)定的日光，照射角度穩(wěn)定的條件下，可以設(shè)計出相適應(yīng)的高密度立體栽培架。因此本發(fā)明能夠解決日光照明難以實現(xiàn)高密度立體栽培的問題。

4、優(yōu)選的，照射器是反射鏡、透射鏡、導(dǎo)光板或其組合，照射器對微藻或植物進(jìn)行照明。

5、照射器不同的光學(xué)設(shè)計和組合，能夠根據(jù)微藻或植物所需光照強度和照明范圍進(jìn)行設(shè)計，優(yōu)勢是可以適應(yīng)不同植物生長的照明需求。比如需要光照強的植物，照射器可以設(shè)計照射面積聚攏一點，光照強一點。對于需要光照較弱的植物，比如常見的葉菜類蔬菜，和需要光照更弱的三七、人參、鐵皮石斛和金線蓮等名貴藥材，以及微藻，照射器設(shè)計照射面積可以提高，光照強度可以降低。

6、優(yōu)選的，聚光鏡和照射器之間光路上，設(shè)置一個以上的導(dǎo)光鏡，導(dǎo)光鏡體形狀是平板形、弧形板形、輪形、棱錐形、棱柱形、風(fēng)車形、風(fēng)扇葉形，反射面為平面或曲面，導(dǎo)光鏡和\或照射鏡是固定安裝或在次級驅(qū)動機構(gòu)帶動下運動。

7、增加了導(dǎo)光鏡后，可以更靈活的改變光路的走向，可以繞過設(shè)施內(nèi)的障礙物。增加了次級驅(qū)動機構(gòu)后，導(dǎo)光鏡和照射鏡可以變成運動的狀態(tài)，運動的導(dǎo)光鏡或照射鏡能改變光路的方向，讓射出的光束具有掃描的效果，被照射的植物在掃描的光束下獲得明暗交替的脈沖照明效果，根據(jù)植物光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)的特性，明暗交替的照明，同樣的光能下，能夠獲得更高光能利用率，有助于提高產(chǎn)量。

8、優(yōu)選的，還應(yīng)設(shè)置補光燈，補光燈包括驅(qū)動電路、光源，所述驅(qū)動電路輸出脈沖電流驅(qū)動光源閃爍發(fā)光。

9、增加了補光燈后，在陰天或夜間也能保障植物的正常生長。補光燈發(fā)出脈沖光的方式，能以更加節(jié)能的方式對植物進(jìn)行補光照明。

10、優(yōu)選的，在次級驅(qū)動機構(gòu)帶動下運動的導(dǎo)光鏡或照射器前還應(yīng)設(shè)置補光燈，補光燈包括驅(qū)動電路、聚光燈罩、光源，補光燈發(fā)出光束經(jīng)過運動的導(dǎo)光鏡和\或運動的照射器對被照物進(jìn)行掃描式照明。

11、本優(yōu)選方案的有利效果是補光燈發(fā)出的穩(wěn)定光束能通過運動的照射器或?qū)Ч忡R后變成脈沖光，以更加節(jié)能的方式對植物進(jìn)行補光照明。

12、還應(yīng)設(shè)置太陽能光熱利用裝置，如太陽能電池板和\或太陽能集熱管。太陽能光熱利用裝置設(shè)置于聚光鏡的分支光路上，或設(shè)置于可以運動的導(dǎo)光鏡的分支光路上，聚光鏡在主驅(qū)動機構(gòu)的帶動下可以將光束從主光路移動到分支光路上的太陽能光熱利用裝置上，或?qū)Ч忡R在次級驅(qū)動機構(gòu)的帶動下可以將光束從主光路移動到分支光路上的太陽能光熱利用裝置上。

13、加入太陽能光熱利用裝置后，在溫室內(nèi)不需要照明的時候，可以把收集的日光用于發(fā)電，或者用于集熱，收集的熱量可以用來對溫室的提升氣溫或培養(yǎng)液提升氣溫。實現(xiàn)對日光綜合的利用效果。

14、本發(fā)明還提供和一種農(nóng)業(yè)日光傳輸照明系統(tǒng)配套的溫室，溫室的外立面和\或頂部設(shè)置有一個以上的通光孔，本發(fā)明的一種農(nóng)業(yè)日光傳輸照明系統(tǒng)的主光軸穿過其中一個通光孔，溫室內(nèi)部設(shè)置有所述照射器的支撐裝置。

15、本發(fā)明的溫室，可以配合本發(fā)明的一種日光傳輸照明系統(tǒng)，具有相應(yīng)的通光孔，和相應(yīng)的安裝位置，溫室內(nèi)可以設(shè)置和本發(fā)明的一種農(nóng)業(yè)日光傳輸照明系統(tǒng)相應(yīng)的高密度立體栽培設(shè)施，能更好實現(xiàn)高密度立體栽培的效果。

16、優(yōu)選的，溫室的上方設(shè)置有懸掛軌道，農(nóng)業(yè)機器人和\或貨籃可以在懸掛軌道上工作或運輸。

17、增加這個懸掛軌道后，更有利于農(nóng)業(yè)機器人在溫室內(nèi)的工作，這樣農(nóng)業(yè)機器人就不需要占據(jù)過道位置。

18、本發(fā)明還提供一種利用日光獲得更大有效照明栽培面積的方法照明方法，有效照明是指能滿足植物正常生長所需的照明，方法的步驟包括：

19、步驟a，聚光鏡在主驅(qū)動機構(gòu)帶動下跟蹤太陽；

20、步驟b，聚光鏡反射和/或折射日光到照射器；

21、步驟c，照射器對微藻或植物進(jìn)行照明。

22、其有利效果是可以高效采集日光，傳輸日光，減少光能損耗。

23、優(yōu)選的，方法的步驟b可分解為b11和b12：

24、b11：聚光鏡反射和/或折射日光到導(dǎo)光鏡；

25、b12：導(dǎo)光鏡在次級驅(qū)動機構(gòu)帶動下旋轉(zhuǎn)，以掃描的方式依次把光束投射向多數(shù)個照射器；

26、優(yōu)選的，方法的步驟b可分解為b21和b22：

27、b21：聚光鏡反射和/或折射日光到導(dǎo)光鏡；

28、b22：導(dǎo)光鏡反射日光到次級驅(qū)動機構(gòu)帶動運動的照射器；

29、其有利效果是進(jìn)一步提高植物光合作用對光能的利用率，在采集日光面積相同的情況下進(jìn)一步在提高有效照明的面積，提高栽培密度。