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(chǎng)一體化安裝的利用日光進(jìn)行照明和補(bǔ)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(duì)農(nóng)作物進(jìn)行精確生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)控的植物工廠(chǎng)。農(nóng)作物生長(zhǎng)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(jì)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(huì)受到上層和相鄰栽培架的遮蔽，并且太陽(yáng)的東升西落，日光角度的時(shí)刻變化，也會(huì)引起立體栽培架不同位置不同時(shí)間光照強(qiáng)弱變化的問(wèn)題。并且溫室內(nèi)的立柱和支架也會(huì)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(wèn)題，一般要把立體栽培架之間的隔開(kāi)較大距離，因此降低了栽培密度，難以實(shí)現(xiàn)高密度立體栽培。

3、為解決以上問(wèn)題，有技術(shù)方案使用人工光源來(lái)代替日光來(lái)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(zhǎng)的無(wú)限生長(zhǎng)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(bǔ)光時(shí)，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(huì)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(bǔ)光裝置的報(bào)道，后來(lái)國(guó)內(nèi)的連棟玻璃溫室經(jīng)營(yíng)者也嘗試同樣的補(bǔ)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(chǎng)，又叫垂直農(nóng)場(chǎng)，如美國(guó)的航空農(nóng)場(chǎng)公司（aerofarms）和我國(guó)的中科三安植物工廠(chǎng)。設(shè)置有多層栽培架，每層中都通過(guò)人工光源照明，達(dá)到了高密度立體栽培的效果。但據(jù)報(bào)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(guò)高的能耗提高了栽培成本，限制了全人工光植物工廠(chǎng)的發(fā)展。

5、日光是地球上最直接也最有效的免費(fèi)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(duì)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(wèn)題。

6、有的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)出可以運(yùn)動(dòng)的栽培架來(lái)跟蹤日光運(yùn)動(dòng)。

7、國(guó)內(nèi)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01410788355.1公開(kāi)的一種自動(dòng)追日式多層立體草莓栽培系統(tǒng)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)栽培架跟隨日光轉(zhuǎn)動(dòng)以獲得穩(wěn)定照明。存在的問(wèn)題是栽培架自身重量較大，因此電機(jī)的能耗也較高。

8、新加坡的綠色天空農(nóng)場(chǎng)公司（skygreens）公司，蔬菜的栽培槽在由水利驅(qū)動(dòng)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(wèn)題是水力驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)速度慢，每層栽培槽的蔬菜接受足夠強(qiáng)度的日光照明時(shí)間較短，處于照明不足的栽培架中下層的時(shí)間較長(zhǎng)，蔬菜生長(zhǎng)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(méi)有多倍的提高，還是受限于照明不足的問(wèn)題。

9、我國(guó)的中環(huán)易達(dá)公司開(kāi)發(fā)了一套移動(dòng)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(dòng)，改善一般連棟溫室中立體栽培架不同位置日光照明強(qiáng)弱不同引起蔬菜生長(zhǎng)快慢不同的問(wèn)題。近年國(guó)內(nèi)農(nóng)博會(huì)還展示一種設(shè)計(jì)是栽培槽懸掛在軌道上，軌道依次把栽培槽輸送到光照強(qiáng)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(chǎng)相似。

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

11、國(guó)內(nèi)實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01520431694.4和國(guó)內(nèi)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01710905698.5，兩個(gè)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(wèn)題是光導(dǎo)管傳輸中光損耗較大，光導(dǎo)管越長(zhǎng)，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(guò)10次的內(nèi)部反射后光能損耗超過(guò)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(guò)大。

12、國(guó)內(nèi)實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01120361809.9和國(guó)內(nèi)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?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(huì)引起光損耗，也存在光能損耗大的問(wèn)題。并且光纖對(duì)不同光譜的透過(guò)率不同，特別對(duì)紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)有較大的屏蔽作用，而紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)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(qiáng)度可以達(dá)到6萬(wàn)至10萬(wàn)lx，而根據(jù)我國(guó)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，居住建筑關(guān)照強(qiáng)度只需要30lx至300lx，公共建筑在50lx至500lx，日光的光照強(qiáng)度是建筑照明需求的上百倍到幾千倍強(qiáng)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(mǎn)足一般建筑照明需求。

14、但是植物生長(zhǎng)所需的光照強(qiáng)度比生活所需光照強(qiáng)度高很多倍，比如生菜光補(bǔ)償點(diǎn)接近3000lx，光飽和點(diǎn)70000lx，低于3000lx光照強(qiáng)度生菜就會(huì)枯萎，人工光植物工廠(chǎng)栽培生菜照明也在10000lx以上才能滿(mǎn)足正常生長(zhǎng)所需。

15、現(xiàn)有技術(shù)中能解決一般建筑照明的方案無(wú)法滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)照明的需求。因此采光效率低，光能傳播過(guò)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(wèn)題，固定建設(shè)的溫室和大棚采光面是固定的，不能在太陽(yáng)的東升西落中保持適宜的采光角度。溫室和大棚在中午時(shí)光照過(guò)強(qiáng)容易引起光抑制現(xiàn)象，中午溫室內(nèi)溫度過(guò)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(guò)撥泥水在大棚膜上降低入射的光照強(qiáng)度。因此現(xiàn)在的玻璃溫室和大棚，也浪費(fèi)了很多日光資源，對(duì)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(qiáng)度能滿(mǎn)足植物正常生長(zhǎng)所需的日光照明系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)還應(yīng)該能滿(mǎn)足高密度立體栽培的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是日光照明難以實(shí)現(xiàn)高密度立體栽培的問(wèn)題，為解決該問(wèn)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(dòng)機(jī)構(gòu)、照射器;在控制器的控制下，聚光鏡由主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)跟蹤太陽(yáng)，反射和/或折射日光到照射器，照射器對(duì)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(jì)出在太陽(yáng)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(jì)成栽培裝置跟隨日光運(yùn)動(dòng)的方案，會(huì)帶來(lái)運(yùn)動(dòng)裝置復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)的重量負(fù)荷大能耗高的問(wèn)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(yáng)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(jì)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(shí)現(xiàn)高密度立體栽培的問(wèn)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(duì)微藻或植物進(jìn)行照明。

5、照射器不同的光學(xué)設(shè)計(jì)和組合，能夠根據(jù)微藻或植物所需光照強(qiáng)度和照明范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)勢(shì)是可以適應(yīng)不同植物生長(zhǎng)的照明需求。比如需要光照強(qiáng)的植物，照射器可以設(shè)計(jì)照射面積聚攏一點(diǎn)，光照強(qiáng)一點(diǎn)。對(duì)于需要光照較弱的植物，比如常見(jiàn)的葉菜類(lèi)蔬菜，和需要光照更弱的三七、人參、鐵皮石斛和金線(xiàn)蓮等名貴藥材，以及微藻，照射器設(shè)計(jì)照射面積可以提高，光照強(qiáng)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(gè)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(chē)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(jí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)。

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(guò)設(shè)施內(nèi)的障礙物。增加了次級(jí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)后，導(dǎo)光鏡和照射鏡可以變成運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)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(bǔ)光燈，補(bǔ)光燈包括驅(qū)動(dòng)電路、光源，所述驅(qū)動(dòng)電路輸出脈沖電流驅(qū)動(dòng)光源閃爍發(fā)光。

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

10、優(yōu)選的，在次級(jí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)光鏡或照射器前還應(yīng)設(shè)置補(bǔ)光燈，補(bǔ)光燈包括驅(qū)動(dòng)電路、聚光燈罩、光源，補(bǔ)光燈發(fā)出光束經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)光鏡和\或運(yùn)動(dòng)的照射器對(duì)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(bǔ)光燈發(fā)出的穩(wěn)定光束能通過(guò)運(yùn)動(dòng)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(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)光照明。

12、還應(yīng)設(shè)置太陽(yáng)能光熱利用裝置，如太陽(yáng)能電池板和\或太陽(yáng)能集熱管。太陽(yáng)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(yùn)動(dòng)的導(dǎo)光鏡的分支光路上，聚光鏡在主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下可以將光束從主光路移動(dòng)到分支光路上的太陽(yáng)能光熱利用裝置上，或?qū)Ч忡R在次級(jí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下可以將光束從主光路移動(dòng)到分支光路上的太陽(yáng)能光熱利用裝置上。

13、加入太陽(yáng)能光熱利用裝置后，在溫室內(nèi)不需要照明的時(shí)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(lái)對(duì)溫室的提升氣溫或培養(yǎng)液提升氣溫。實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)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(guò)其中一個(gè)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(shí)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(jī)器人和\或貨籃可以在懸掛軌道上工作或運(yùn)輸。

17、增加這個(gè)懸掛軌道后，更有利于農(nóng)業(yè)機(jī)器人在溫室內(nèi)的工作，這樣農(nóng)業(yè)機(jī)器人就不需要占據(jù)過(guò)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(mǎn)足植物正常生長(zhǎng)所需的照明，方法的步驟包括：

19、步驟a，聚光鏡在主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下跟蹤太陽(yáng)；

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(duì)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(jí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，以?huà)呙璧姆绞揭来伟压馐渡湎蚨鄶?shù)個(gè)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(jí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)的照射器；

29、其有利效果是進(jìn)一步提高植物光合作用對(duì)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。