一种受控生态生保环境条件下的植物栽培系统

摘要

本发明涉及一种植物栽培系统，具体来说涉及一种用于空间站、地外航天器以及星球基地等长期载人航天空间环境条件下的受控生态生保系统集成试验平台的植物栽培系统。该系统包括冷凝水储箱、潜水泵、控制单元组件、酸液储罐、碱液储罐、母液A储罐、母液B储罐、母液C储罐、四通道蠕动泵、单通道蠕动泵、营养液储箱、传感器组件、离心泵、手动调节阀门组件、光照系统、植物栽培床组件、营养液储箱等。冷凝水储箱、酸液储罐、碱液储罐以及母液A储罐、母液B储罐、母液C储罐在控制单元组件的监测控制下，完成对栽培植物所需营养液的配制。营养液储箱、离心泵、手动调节阀门组件、光照系统、植物栽培床组件、营养液储箱以及离心泵形成栽培植物的营养液输送管路。该发明不仅适用于受控生态生保技术试验平台，而且能为高效集约化农业生产提供新的技术途径。

权利要求

1.一种受控生态生保环境条件下的植物栽培系统，其特征在于：所述植物栽培系统实际是由第一套植物栽培系统和第二套植物栽培系统通过共用冷凝水储箱(1)、控制单元组件(4)、酸液储罐(8)、碱液储罐(9)以及光照系统(17)的方式并联而成；所述第一套植物栽培系统由冷凝水储箱(1)、第一潜水泵(3)、第一母液A储罐(5)、第一母液B储罐(6)、第一母液C储罐(7)、酸液储罐(8)、碱液储罐(9)、第一四通道蠕动泵(10)、第一单通道蠕动泵(11)、第二单通道蠕动泵(12)、第一营养液储箱(13)、传感器第一组件(14)、第一离心泵(15)、第一手动调节阀门组件(16)、光照系统(17)、栽培床第一组件(18)、第二营养液储箱(19)、第一液位传感器(34)、第二离心泵(20)共同组成；所述第二套植物栽培系统由冷凝水储箱(1)、第二潜水泵(2)、第二母液A储罐(23)、第二母液B储罐(24)、第二母液C储罐(25)、第二四通道蠕动泵(26)、酸液储罐(8)、碱液储罐(9)、第三单通道蠕动泵(21)、第四单通道蠕动泵(22)、第三营养液储箱(28)、传感器第二组件(27)、第三离心泵(29)、第二手动调节阀门组件(30)、光照系统(17)、栽培床第二组件(31)、第四营养液储箱(32)、第二液位传感器(35)、第四离心泵(33)共同组成； 所述第一套植物栽培系统其特征在于：第一营养液储箱(13)的上部并联有由冷凝水储箱(1)和第一潜水泵(3)串联组成的冷凝水管路入口、第一母液A储罐(5)、第一母液B储罐(6)、第一母液C储罐(7)并联后再与第一四通道蠕动泵(10)串联形成的母液混合液管路入口、酸液储罐(8)与第一单通道蠕动泵(11)串联组成的酸液管路入口、碱液储罐(9)与第二单通 道蠕动泵(12)串联组成的碱液管路入口共四种用于配置植物营养液所需的液体管路入口，在第一营养液储箱(13)中部放置有用于采集营养液pH值、液位信号的传感器第一组件(14)，控制单元组件(4)在对所采集的信息与设定值进行比判的基础上，发出启动/关闭第一潜水泵(3)、第一四通道蠕动泵(10)、第一单通道蠕动泵(11)、第二单通道蠕动泵(12)的指令，完成对第一营养液储箱(13)中营养液的配制和补充，形成可供输送往栽培床第一组件(18)上植物用的营养液，同时，第一营养液储箱(13)的下部与第一离心泵(15)、第一手动调节阀门组件(16)、光照系统(17)、栽培床第一组件(18)、第二营养液储箱(19)以及第二离心泵(20)依次通过管路连接，形成一个封闭的回路，控制单元组件(4)根据第二营养液储箱(19)中第一液位传感器(34)采集的液位信息，发出对第一离心泵(15)、第二离心泵(20)开启/关闭指令，完成对栽培床第一组件(18)上栽培植物所需营养液的供应以及废弃液体的回收利用； 所述第二套植物栽培系统其特征在于：第三营养液储箱(28)的上部并联有由冷凝水储箱(1)和第二潜水泵(2)串联组成的冷凝水管路入口、第二母液A储罐(23)、第二母液B储罐(24)、第二母液C储罐(25)并联后再与第二四通道蠕动泵(26)串联形成的母液混合液管路入口、酸液储罐(8)与第三单通道蠕动泵(21)串联组成的酸液管路入口、碱液储罐(9)与第四单通道蠕动泵(22)串联组成的碱液管路入口共四种用于配置植物营养液所需的液体管路入口，在第三营养液储箱(28)中部放置有用于采集营养液pH值、液位信号的传感器第二组件(27)，控制单元组件(4)在对所采集的信 息与设定值进行比判的基础上，发出启动/关闭第二潜水泵(2)、第二四通道蠕动泵(26)、第三单通道蠕动泵(21)、第四单通道蠕动泵(22)的指令，完成对第三营养液储箱(28)中营养液的配制和补充，形成可供输送往栽培床第二组件(31)上植物用的营养液，同时，第一营养液储箱(13)的下部与第三离心泵(29)、第二手动调节阀门组件(30)、光照系统(17)、栽培床第二组件(31)、第四营养液储箱(32)以及第四离心泵(33)依次通过管路连接，形成一个封闭的回路，控制单元组件(4)根据第四营养液储箱(32)中第二液位传感器(35)采集的液位信息，发出对第三离心泵(29)、第四离心泵(33)开启/关闭指令，完成对栽培床第二组件(31)上栽培植物所需营养液的供应以及废弃液体的回收利用。

2.如权利要求1所述的一种受控生态生保环境条件下的植物栽培系统，其特征在于，栽培床架(39)侧面墙壁上安装有采用吸风方式为植物送风的小轴流风扇(38)，每台风扇独立进行空气循环。

3.如权利要求1所述的一种受控生态生保环境条件下的植物栽培系统，其特征在于由产生670nm红光和产生480nm蓝光的两种发光二极管按照数量为88％∶12％的比例、经一定排列后形成空间植物模拟光源的LED灯板结构植物光照系统(17)。

说明书

一种受控生态生保环境条件下的植物栽培系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种植物栽培系统，具体来说涉及一种用于长期载人航天环控生保技术研究领域，特别是涉及空间站、地外航天器以及星球基地等载人航天空间环境条件下的植物栽培系统。

背景技术

[0002] 就目前航天技术发展水平来看，人类并非不能登上月球或火星等地外星球，而关键问题是无法长期驻留，这其中的重要瓶颈之一就是缺乏基本的乘员生存保障条件---食物、氧气和水的持续供应。解决这一问题的根本途径就是建立与之相适应的长期载人航天生命保障系统一受控生态生命保障系统。

[0003] 受控生态生保系统是以生物学、生态学和环境科学为依据，以地球生物圈的基本结构和功能为参考，以光合作用为出发点，综合集成和应用各种现代先进技术，组织和协调系统中“生产者”、“消费者”与“分解者”三者之间的相互作用关系，实现系统内物质的定向转化和循环利用，从而合理、高效、有序地持续生产乘员生存所需的食物、氧气和水等全部最基本的生保物资。在真正建成一个大型复杂的空间基地受控生态生保系统之前，有必要在地面上首先建成用于综合模拟研究的受控生态生保系统地基试验平台。通过该平台开展整个密闭生态系统环境因素对生物生长过程及人生存的可能影响，从而为将来建立真正的空间基地受控生态生保系统提供科学依据。

[0004] 到目前为止，在我国除了一些分散的、单独的、基础性单元研究工作和试验外，还没有建立起具有一定规模的太空受控生态生保系统综合模拟平台。植物栽培系统作为受控生态生保系统综合模拟平台的关键子系统之一，目前国内同样缺乏集成系统建设方面的研究，更谈不上开展整个密闭生态系统环境因素对植物生长发育影响规律、生理生化、遗传变异、废物处理及循环利用、人工土壤基质制备与应用、系统兼容匹配规律及调控机理等其中蕴含的若干重大科学问题和关键技术等方面的研究工作，因此，本植物栽培系统从集成平台建设入手开展相关的研究工作，从而为我国未来长期载人航天任务用的生保系统作好科学与技术上的准备。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是设计一套全封闭状态下受控生态生保系统集成试验平台用植物栽培系统，解决受控生态生保系统集成试验平台内环境的大气成分控制，特别是氧和二氧化碳的维持、处理和净化等技术问题；解决内部乘员生存所需的食物和氧气最基本的生保物资来源以及循环大气问题。

[0006] 实现本发明的技术方案：

[0007] 本发明针对受控生态生保系统全封闭的特点，按照集成试验平台舱体内部环境温湿度监测及控制、大气总压及气体成分维持及控制、大气微量污染物监测及控制、大气微生物监测及控制、植物栽培系统、乘员舱系统等相关分系统在集成试验平台总体上的结构布局和设计，结合植物生长的要求和特点，设计出了受控生态生保系统用植物栽培系统，其系统组成及原理如图1所示。该系统包括冷冷凝水储箱1、第一潜水泵3和第二潜水泵2、控制单元组件4、酸液储罐8、碱液储罐9、第一母液A储罐5和第二母液A储罐23、第一母液B储罐6和第二母液B储罐24、第一母液C储罐7和第二母液C储罐25、第一四通道蠕动泵10和第二四通道蠕动泵26、第一单通道蠕动泵11、第二单通道蠕动泵12、第三单通道蠕动泵21、第四单通道蠕动泵22、第一营养液储箱13和第三营养液储箱27、传感器第一组件14和传感器第二组件28、第一离心泵15、第二离心泵20、第三离心泵29和第四离心泵33、第一手动调节阀门组件16和第二手动调节阀门组件33、光照系统17、植物栽培床第一组件
18和植物栽培床第二组件31、第二营养液储箱19和第四营养液储箱32及管路附件等。冷凝水储箱1、酸液储罐8、碱液储罐9以及第一母液A储罐5和第二母液A储罐23、第一母液B储罐6和第二母液B储罐24、第一母液C储罐7和第二母液C储罐25在控制单元组件4的监测控制下，分别在营养液储箱第一13和第三营养液储箱27中完成对栽培植物所需营养液的配制。第一营养液储箱13和第三营养液储箱27、第一离心泵15(第二离心泵20、第三离心泵29和第四离心泵33)、第一手动调节阀门组件16和第二手动调节阀门组件33、光照系统17、植物栽培床第一组件18和植物栽培床第二组件31、第二营养液储箱19和第四营养液储箱32及管路附件组成植物的营养液输送路径。

[0008] 针对栽培植物所需的光照问题，设计了植物光照模拟系统17。光照模拟系统17的主要部件为LED灯板35，该灯板由可产生红光和蓝光的两种发光二极管按照一定数量比例、经一定排列后形成特殊光源，如图3所示，满足栽培植物的生长发育需求。

附图说明

[0009] 图1为受控生态生保系统用植物栽培系统构成及原理图；

[0010] 图2为植物栽培床组件结构图；

[0011] 图3为植物栽培系统中光照部分的LED灯板布局结构图。

具体实施方式

[0012] 如图1所示，整个受控生态生保系统集成试验平台用植物栽培系统实际是两套系统，可分别用于两类植物(可分别称为植物I和植物II)的栽培。两套栽培系统共用冷凝水储箱1、控制单元组件4、酸液储罐8和碱液储罐9。

[0013] 以植物I为例，如图1，冷凝水储箱1、第一潜水泵3、控制单元组件4、酸液储罐8、碱液储罐9、第一母液A储罐5、第一母液B储罐6、第一母液C储罐7、第一四通道蠕动泵10、第一单通道蠕动泵11、第二单通道蠕动泵12、第一营养液储箱13、传感器第一组件14、第一离心泵15和第二离心泵20、第一手动调节阀门组件16、光照系统17、植物栽培床第一组件18、第二营养液储箱19、第一液位传感器(34)以及管路附件等构成了植物I的栽培系统。其中，冷凝水储箱1、第一潜水泵3、控制单元组件4、酸液储罐8、碱液储罐9、第一母液A储罐5、第一母液B储罐6、第一母液C储罐7、第一四通道蠕动泵10、第一单通道蠕动泵
11、第二单通道蠕动泵12、第一营养液储箱13、传感器第一组件14以及管路附件等又构成了栽培系统中营养液的监测及配制部分，通过对营养液的pH值、液位等相关信息的监测，在第一营养液储箱13中完成对营养液的配制。此外，第一营养液储箱13、第一离心泵15和第二离心泵20、第一手动调节阀门组件16、光照系统17、植物栽培床第一组件18、第二营养液储箱19、第一液位传感器(34)以及管路附件等构成了栽培系统中营养液的输送及回收。
第一营养液储箱13中的营养液通过第一离心泵15经管路被输送到植物栽培床第一组件18的每个栽培床37中；经植物栽培固定板36之间的植物充分吸收后，营养液又通过管路被回收到第二营养液储箱19中，被收集的营养液再通过第二离心泵20被送回到第一营养液储箱13，从而形成一个完整的循环系统。每个植物栽培床输送管路间为并联，每个栽培床输送管路上均安装有手动调节阀可调节培养液流量的大小。整个营养液输送及回收部分设计成“第一营养液储箱13+第二营养液储箱19”的二级水箱结构，有效地解决了由于栽培床数量多、栽培面积大导致的水箱容积大而引起的空间结构布局不合理等问题。

[0014] 植物栽培床第一组件18由24个栽培床组成，其中8个栽培床用于植物I的栽培，另16个栽培床用于植物II的栽培。各栽培床组件分为上、下两层，如图2所示。每层的上部均安装有植物光照系统17的主要部件，即3块LED灯板35。LED灯板的上部安装有用于灯板散热及舱内温湿度调节控制的温湿控制系统34(包括冷板、轴流风扇及管路附件等)。每层的下部是设计成矩形形状的浅水箱式植物栽培床37。栽培床37和植物光照系统17间的距离为30～50cm。栽培床37内部装有可移动的支持隔板，支撑植物栽培板36。植物栽培固定板36选用高密度泡沫板材，其上有用于安装固定植物根茎部的孔穴，植物栽培在该孔穴中。栽培床37两端头分别与培养液输送及回收管路相连，形成培养液循环通道。在每层栽培床37、LED灯板35之间的栽培床架39侧面墙壁上安装有采用吸风方式为植物送风的小轴流风扇38，每台风扇独立进行空气循环。采用负压送风方式使得植物栽培区通风更加柔和，避免由于风速过快而对植物的生长造成影响。

[0015] 对于植物光照系统17，其主要部件LED灯板35采用两种发光发光二极管作为植物模拟光源，一种是可产生480nm蓝光的蓝光发光二极管41，另一种是可产生670nm红光的红光发光二极管42。两种发光二极管按照数量为88％∶12％的比例以图3所示排列方式进行排列安装在电路板40上，以保证混合光源到达植物表面后的均匀性及光照强度符合要求。图3中每个虚线框内的一组发光发光二极管均为蓝光发光二极管，其余发光发光二极管则均为红光发光二极管。