CN110545657A - 用于栽培作物的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在用于栽培作物的方法和装置中，栽培发生于至少大体上无日光、气候受调节的栽培空间(10)中。栽培空间在第一侧(1)和相对的第二侧(2)之间延伸，其中作物暴露于来自一组空间上隔开的人造光源(60)的光合成有效辐射。将气流(35)从第一侧向第二侧引导至作物上。人造光源在作物上呈空间分布。如引导气流(35)至作物上的流动方向上所见到的，所述一组光源中的下游光源(60QR)相比位于更上游的光源(60AB)产生更高剂量的光合成有效辐射。

Description

用于栽培作物的方法和装置

本发明涉及在至少大体上无日光、气候受调节的栽培空间中栽培作物的方法，所述栽培空间在第一侧和相对的第二侧之间延伸，其中作物暴露于来自一组空间上隔开的人造光源的光合成有效辐射，并且其中在从第一侧向第二侧的方向上引导气流流动至作物上和/或通过作物。本发明还涉及用于栽培作物的装置，其包括至少大体上无日光、气候受调节的栽培空间、用于产生和发射作物所暴露的光合成有效辐射的至少一组空间上隔开的人造光源，所述栽培空间在第一侧和相对的第二侧之间延伸，并且包括在从第一侧向第二侧的方向上引导气流流动通过栽培空间的气流装置。

前序部分中描述的类型的方法和装置在诸如园艺、室内农业、室内种植、城市农业或垂直农业的各种名称下是已知的，并且在下文中将简称为室内农业。这涉及在人工生长条件如人造光和至少部分受调节的气候下的作物受控栽培和生产。这提供了需要时特别是在城市地区进行地下室内农业的可能性，并且相比传统园艺还具有显著的优势。因此，可以例如显著缩短从种子到收获的自然生长周期，因为其不再受自然日光的日/夜节奏的控制。因此，室内农业被视为解决不断增加的世界人口的全球食品安全问题的重要环节。

在栽培空间内(其中栽培因而在人工条件下进行)，在已知的方法和装置中作物暴露于来自人造光源的人造光。除了产生光合成有效辐射(以下也称为PAR辐射)之外，这些人造光源还产生热量。然而，为了将空间温度保持在期望值，因此将气流引导至作物上和/或通过作物，其中至少一部分的这种热量消散掉。除了环境温度之外，也可以用该气流控制栽培空间中的其他空气条件，如期望的相对空气湿度和二氧化碳浓度。这意味着在实践中新鲜空气从栽培区域的第一侧流入栽培空间中，并在第二侧上引出并引导走。沿着该路径，随着其中更多的光源逐渐散热，气流将变热。因此，第二侧上的空气温度将变得高于在第一侧上将空气引入到栽培空间中时的温度。在已知的方法和装置中，这种温度的上升仅在狭窄的范围内是允许的，因为第二侧上的作物生长否则将与第一侧上的偏离太多。因此，这对从第一侧到第二侧的最大距离施加了限制，并从而对栽培空间可以和能够在这些相对的侧面之间延伸的最大距离施加了限制，并从而对装置的经济效率施加了限制。

因此，本发明的目的是除其他外，提供用于作物在无日光环境中的受调节栽培和生产的方法和装置，其允许在栽培空间的第一侧和第二侧之间的环境温度上的较大偏差。

为了实现所述目的，前序部分中描述的类型的方法具有本发明的特征，即一组人造光源至少在从第一侧向第二侧的方向上在作物上呈空间分布，以及如引导气流至作物上的流动方向上所见到的，相比利用所述一组人造光源中的位于更上游的光源，利用位于更下游的光源向作物提供更高剂量的光合成有效辐射。为此目的，前序部分中描述的类型的装置具有本发明的特征，即一组人造光源至少在从第一侧向第二侧的方向上在栽培空间上呈空间分布，以及相比所述一组人造光源中的位于更接近第一侧的光源，位于更接近第二侧的光源能够且配置为以更高总体剂量的光合成有效辐射运行。

因此，在根据本发明的方法和装置中，相比第一相对较冷的一侧，在栽培空间的第二较暖的一侧上每照射时段向作物提供了更高剂量的光合成有效辐射。这使得栽培空间两侧以及其间的作物的光合作用至少在很大程度上与生长速度保持同步成为可能。相比较冷区域，在较暖一侧上该生长将不可避免地进展更快，但由于光合成有效辐射的较大可用性，组成物质的产生在这里同样会进展更快。因此，根据本发明的方法的优选实施方案具有如下特征：作物所经受的光合成有效辐射的局部剂量适应于作物的局部生长速度，并且特别是以与其成正比的方式进行控制。因此，无论气流的不可避免的加热如何，可以将准备收获的产品中的组成物质的含量控制在整个栽培区域的恒定水平的较窄范围内，这允许栽培区域的第一和第二侧之间的较大距离。

由于本发明，最终可以在整个栽培区域上收获很大程度上均匀的产品，这在较暖的第二侧上比在第一侧上进行更快。为此目的，根据本发明的方法的特定实施方案具有如下特征：如引导气流至作物上和/或通过作物的流动方向上所见到的，下游栽培的产品比更上游栽培的产品收获更早。尽管这里在第二侧上更早进行收获，但该位置处的产品在生长和成分(物质)方面将与在第一侧上稍后收获的产品在很大程度上相同。

本发明实质上实现的是由于较高的温度而生长得更快的作物经受增加的光合作用。考虑到这一点，提供了更大剂量或量的光合成辐射，使得这里作物在整个栽培期间接收的光合成辐射总量至少很大程度上等于在其他地方位于更上游的作物在较长的栽培时期中接收的PAR辐射的总量。

为实现这一目的可以在下游提供更多的光源，但是在优选的实施方案中，根据本发明的方法的特征在于相比一组光源中的位于上游的光源，下游光源以更高强度的光合成有效辐射运行。因此，额外的PAR辐射不需要任何额外的空间来容纳额外的光源，其中也不需要额外的投资。为此目的，根据本发明的装置的特定实施方案具有以下特征：光源包括单个光学配件，其可以以可变强度的光合成有效辐射运行，其中根据本发明的装置的优选实施方案的特征在于：光学配件中的每个包括多个光源，特别是多个发光二极管(LED)，所述光源在配件内是单独或以逐组的方式可控制的。

在其他的优选实施方案中，根据本发明的方法的特征在于：将气流以至少大体上层流的方式引导至作物上。为此目的，根据本发明的装置的特定实施方案具有以下特征：气流装置在第一侧上包括气室壁，在运行期间气流作为至少大体上层流的气流从其离开；以及气流装置在第二侧上包括气室壁，其中气流在运行期间作为至少大体上层流的气流被其接收。因此，不仅可以将作物上的空气速度调控在可接受的范围内，这增加了作物的发育，因此在气流方面也可以假定每米距离实际上恒定的加热。于是通过任选地连续地向每米距离的作物提供更大剂量的PAR辐射，利用根据本发明的这一点成为可能。

方法的实际实施方案的特征在于利用所述一组光源中的光源，特别是通过以逐渐增高强度的光合成有效辐射逐步运行光源，在气流方向上以多个步骤逐步产生更高剂量的光合成有效辐射。实际上发现这样的逐步适应的PAR水平足以在整个栽培区域上提供足够均匀的可收获的产品。

使用特别是在本发明的封闭的栽培环境的背景下进行，以便尽可能地节约能量并排除外部影响。因此可以实现对生长过程的完全控制。为此，根据本发明的发明的特定实施方案具有如下特征：提供循环装置以引导气流从第二侧返回并循环至第一侧。考虑到栽培空间中所需的环境气候，根据本发明的装置的优选实施方案在这里具有如下特征：循环装置包括空气处理装置，其能够且配置为在将气流重新引入到栽培空间中之前处理气流，以及更特别地，空气处理装置对气流施加温度、相对空气湿度和二氧化碳浓度中的至少一种。

现在将基于示例性实施方案和附图进一步阐述本发明。在附图中：

图1显示了具有根据本发明的栽培空间的装置的示例性实施方案的示意图；

该图纯粹是示意性的，而非(总是)按比例绘制。为清楚起见，特别是一些尺寸可能被放大至更大或更小的程度。在图中用相同的参考数字指示相应的部件。

图1的栽培环境包括气候单元10，其从第一侧1延伸到相对的第二侧2。第一侧上的其中具有腔13的气室壁11、12形成了栽培空间在第一侧上的边界，而其中具有腔23的相对的第二通风壁21、22在相对的第二侧上限定了栽培空间。朝向栽培空间的两个前壁12、22在其整个表面上提供有空气开口(未显示)。位于栽培空间中的是多个作物桌40，其上栽培作物45。这涉及来自一组光学配件60的人造光下的无日光栽培。

在本实施例中光学配件60包括大量发光二极管(LED)，其发射光合成有效辐射或使得作物的叶(绿色)能够维持光合二氧化碳同化作用的辐射。二极管容纳在多个单独的配件60中，并且其中在强度方面是单独或逐组可控制的。这里应注意，如果在本申请中提及光源，这可以理解为意指这样的二极管本身以及配件(其中二极管容纳在二极管的集合中)，任选地与其他辐射源组合。光学配件60在作物上以规则的方式分布，并从而在作物45上产生大体上同质的辐射模式，其中每珠植物接收充足的PAR辐射。

该图显示了单个气候单元10，尽管在实践中栽培装置将包括多个这样的彼此相邻和/或堆叠的气候单元，其中相同的作物可以或不可以栽培在单个单元中。并且，尽管图中仅示出了一层，但在实践中也可以在多个层中进行栽培，其中图中所示的设置在高度上重复多次，例如6到8次。

空气循环***30在第一气室11、12的腔13中流出。其中的空气开口或腔中的其它内部分配***的空气阻力提供了壁12上供应的空气的均匀分布，由此其作为层流气流35离开气室，并被引导至、通过和沿着栽培有作物45的作物桌40。通过气流35在壁12的至少大部分上的分布，气流35的空气速度可以保持足够低，然而同时实现了作物上的足够的流速，利用该流速可以将栽培空间中的气候调节到期望的值。在该实施例中，层流气流35的空气速度可以特别限制在通常为0.2-0.8m/s的值。

在相对的一侧，气流35经这里也提供在前壁22中的空气开口接收，并经腔23从第二气室排出。循环装置包括与风扇或泵38组合的多个空气处理装置31..34，利用风扇或泵38，气流35得到连续的处理并保持再循环。这里空气处理装置对气流施加特定的以及同样设置的空气湿度和温度，并且还提供所需的二氧化碳浓度。另外，可以在其中提供过滤和/或类似的装置，以从气流中消除不需要的颗粒和微生物。具有与作物45相适应的环境气候的清洁层流气流35因此总是在第一侧1上进入气候单元10。

除了PAR辐射，光学配件60不可避免地还以对流和辐射的形式产生热。该热量被通过的气流至少部分地吸收，由此气流，且由此空间温度在下游，即在从第一侧1至第二侧2的方向上将增加。这种沿栽培空间的第一侧1至相对的第二侧2的长度的温度变化取决于光源的光照水平和通过空间引导的气流的流速和速度。

由于该局部较高的空间温度，更靠近第二壁21、22放置的作物45将比位于临近第一壁11、12的作物生长更快。然而，通常可取的是获得很大程度上均匀的准备收获的产品，而不管栽培空间中的位置如何。为此目的，由气流35的逐渐加热产生的所述空间温度梯度根据本发明，通过施加与其平行的光梯度而得以补偿。因此在栽培期间，相比更上游，特别是靠近第一侧1栽培的作物，在下游，特别是靠近栽培空间的第二侧2的作物每天暴露于更高剂量的PAR辐射。作物在气候单元10中所经受的空气气候越暖，则其由此接收的PAR辐射越多。在所示的设置中，配件的强度具体是逐步被控制，以便每行A..R或成对的AB、BC、..QR更高，由此至少在栽培期间的白天部分中光强度从第一侧至第二侧逐步增加。

其结果是，较暖的第二侧上的更快速的生长与作物的增加的光合作用有关。光的强度受到特别的控制，使得光合作用，从而作物中的组成物质的产生至少在很大程度上与更快速的生长保持同步，使得准备收获的产品中的组成物质含量最终将在很大程度上一致。为此目的，作物所经受的光合成有效辐射的局部剂量特别适合于作物的局部生长速度，且特别是通过以更高的强度逐渐运行配件60以与其成正比的方式调节。因此，相比更上游栽培的作物，更下游的作物将更早准备收获，且因此可以更早收获。然而，在来自更上游栽培且仅晚几天或甚至几周收获的产品的尺寸和含量方面，该产品没有不同，或几乎不会如此。

气流中的温度梯度的绝对高度和陡度也取决于通过该空间引导的气流的空气速度和气流速率。因为第一和第二气室壁的壁面积保持不变，所以空气速度和光强度之间的平衡最终决定了收获作物的质量和均匀性。由于通过层流的方式独立地控制从作物的蒸发、水分不足和空气流速，再加上控制空间温度和所提供的PAR辐射的强度(如红色和蓝色)，根据本发明的装置使种植者能够生产和收获在很大程度上均匀的产品。

在实践中对不同的作物测试了根据本发明的栽培方法和栽培装置。在这里给出的实施例中，使用了莴苣栽培。其具有标准的5周的栽培周期，其中每平方米每周产生约10g的组成物质(特别是干物质)。由于气流35的流动方向上的增加的空间温度，气流的出口侧2上的作物比入口侧1上的生长快约20％，且在其间该速度将逐渐增加。然而，配件的光强度也沿A..R逐行设定至更高的水平，使得最终的行相比第一行产生高约20％的光强度。在行A..R中，利用相同水平的光强度运行配件。位于更下游的作物的光合作用，且由此作物中固体的产生将由此比入口侧1上的强度多约20％。因此，在约4周后，可以在出口侧2收获相同尺寸和质量的产品，与只有再过2周后在第一侧1可收获的一样。这不仅增加了收获的产品的均匀性，装置的效率也明显更高，因为如在气流的流动方向上所见到的，越在更下游进行栽培，栽培周期变得越短。

根据本发明的方法对番茄的栽培中的收获结果也具有有利的影响。番茄可以在60天内发育成100g的新鲜水果。在较高的温度下，开花和收获之间的时间缩短，例如缩短到五十天。在该缩短的时间中，根据本发明在位于更下游的作物的该较暖部分中提供的较高的辐射强度，总体上提供了与位于更上游的植物在60天内所显示的同化作用大约一样高的同化作用。较暖植物由此在50天内最终将产生与位于更上游的在60天中产生的水果质量相同的水果。

尽管以上仅基于单个示例性实施方案进一步阐述了本发明，但是显然本发明不通过任何方式限制于此。相反，对于本领域普通技术人员来说，在本发明的范围内仍然可以有许多变化和实施方案。

Claims (13)

1.在至少大体上无日光、气候受调节的栽培空间中栽培作物的方法，所述栽培空间在第一侧和相对的第二侧之间延伸，其中使所述作物暴露于来自一组空间上隔开的人造光源的光合成有效辐射，并且其中在从所述第一侧向所述第二侧的方向上引导气流流动至所述作物上和/或通过所述作物，其特征在于，所述一组人造光源至少在从所述第一侧向所述第二侧的方向上在所述作物上呈空间分布，以及如引导气流至所述作物上的流动方向上所见到的，相比利用所述一组光源中的位于更上游的光源，利用位于更下游的光源为所述作物提供更高剂量的光合成有效辐射。

2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述作物所经受的光合成有效辐射的局部剂量适应于所述作物的局部生长速度，且特别是以与其成正比的方式进行控制。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如引导气流至所述作物上和/或通过所述作物的流动方向上所见到的，下游栽培的产品相比更上游栽培的产品收获更早。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，相比所述一组光源中的位于上游的光源，下游光源以更高强度的光合成有效辐射运行。

5.如前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其特征在于，所述气流以至少大体上层流的方式被引导至所述作物上。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，利用所述一组光源中的光源，特别是通过以逐渐增高强度的光合成有效辐射逐步运行光源，在气流方向上以多个步骤逐步产生更高剂量的光合成有效辐射。

7.栽培作物的装置，其包括至少大体上无日光、气候受调节的栽培空间、用于产生和发射作物所暴露的光合成有效辐射的至少一组空间上隔开的人造光源，所述栽培空间在第一侧和相对的第二侧之间延伸，并且所述栽培作物的装置包括在从所述第一侧向所述第二侧的方向上引导气流流动通过所述栽培空间的气流装置，其特征在于，所述一组人造光源至少在从所述第一侧向所述第二侧的方向上在所述栽培空间上呈空间分布，以及相比所述一组光源中的位于更接近所述第一侧的光源，位于更接近所述第二侧的光源能够且配置为以更高总体剂量的光合成有效辐射运行。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述光源包括以可变强度的光合成有效辐射运行的单个光学配件。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述光学配件中的每个包括多个光源，特别是多个发光二极管(LED)，所述光源在所述配件内是单独或以逐组的方式可控制的。

10.如权利要求7、8或9所述的装置，其特征在于，所述气流装置在所述第一侧上包括所述气流在运行期间作为至少大体上层流的气流从其离开的气室壁，以及所述气流装置在所述第二侧上包括所述气流在运行期间作为至少大体上层流的气流被其接收的气室壁。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，提供循环装置以引导所述气流从所述第二侧返回并循环至所述第一侧。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述循环装置包括能够且配置为在将所述气流重新引入所述栽培空间之前处理气流的空气处理装置。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述空气处理装置对所述气流施加温度、相对空气湿度和二氧化碳浓度中的至少一种。