一種大棚用碳纖維補光裝置及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種大棚用碳纖維補光裝置及其制備方法。本發明針對目前蔬菜種植溫室大棚內的補光不足和光線波段匹配性不高以及光線補充過程中溫度穩定性保證問題，提供了一種柔性碳纖維為補光光源，在柔性碳纖維長絲中引入金屬長絲纖維進行混雜編織，根據發光功率要求設計混雜纖維的編織比例及線型，制備出具有匹配波段光線發射的適宜發光編織帶，利用該編織帶制備的碳纖維補光裝置，同時可通過碳纖維長絲的紅外特性發射一定波段紅外線，使得本發明的碳纖維補光裝置同時兼備光線補充和紅外加熱的雙重功能；此外，補光裝置在編織帶的電氣連接端配合綠色供電系統和射線發射裝置，又可有效保證棚內光源和溫度的高效利用。
【專利說明】
一種大棚用碳纖維補光裝置及其制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于農業栽培的輔助光照設備領域，具體涉及一種大棚用碳纖維補光裝置及其制備方法，特別涉及一種利用太陽能或風能供電的、具有匹配波段光線和適宜波段紅外線發射的、金屬纖維與碳纖維混雜編織的柔性帶狀、配合反射系統的大棚用碳纖維補光裝置，利用該補光裝置可實現符合作物光合作用的波段區間的適宜光線補充并有效發射具有適宜熱效應的紅外線，同時保證大棚內作物的光線和溫度穩定，使作物生長的光合作用充分保證。
【背景技術】
[0002]農業資源尤其是蔬菜資源的短缺和生產環境的惡化是制約農業發展的瓶頸環節，而溫室蔬菜大棚是建設良好農業資源、擴大農作物產量的重要手段，利用大棚進行蔬菜作物的種植可以顯著減少耕地使用面積、降低水資源、化學藥物和藥劑的使用量，降低單位產出的能源消耗量，能夠全面提高蔬菜生產的使用效率。大棚蔬菜充分利用自然環境和植物潛能，具有較高的市場競爭力和抵御市場風險的能力，是蔬菜種植業中效益高的產業和農村經濟發展中的新型產業。發展大棚蔬菜有利于保證和豐富“菜籃子”供應，不斷改善民生、保障人民群眾的生活健康。但是，大多數蔬菜大棚需要較強的光照條件，受自然條件的限制，現在溫室大棚種植蔬菜作物生長的部分條件，如溫度和水分等基本可以滿足，而植物賴以進行光合作用的二氧化碳和光能等物質，收到透光膜或玻璃的過濾和隔離，很難達到棚內蔬菜作物正常生長的需要，尤其是冬季、光照較弱，大棚蔬菜光照不足是普遍存在的問題。光照不足，不僅不能進行較為旺盛的光合作用，而且蒸騰作用也隨之降低，蔬菜植株生長纖弱，影響蔬菜的產量和品質。
[0003]為了解決光照不充分的問題，目前溫室大棚普遍使用了LED燈作為蔬菜作物的補光光源，如CN103238481A公開了一種溫室大棚太陽能補光系統裝置，通過太陽能電池板以及控制電路與LED發光燈相接，實現大棚內的補光需要。然而，由于人工的LED光源的光譜不可能像太陽能光譜那樣連續，而蔬菜作物的光合作用的光譜屬于連續光譜，每種光譜的光合作用中都起到一定作用，同時適宜植物生長的光合作用需要的光照度具有一定的波段依賴性，如果波段與植物作物不匹配，必然帶來補光效率的降低，同時也會打亂蔬菜作物的生長生理規律，影響作物生長，采用LED對蔬菜大棚內作物進行補光的成本較高，效果不理想。因此，如何解決人工補光不理想和反季節溫室大棚蔬菜弱光癥等問題，成為蔬菜溫室大棚種植亟待解決的問題。
【發明內容】
[0004]為解決現有技術中存在的上述問題，本發明針對目前蔬菜種植溫室大棚內的補光不足和光線波段匹配性不高，以及光線補充過程中溫度穩定性保證等問題，提供了一種柔性碳纖維為補光發光光源，在柔性碳纖維長絲補光光源中引入了發光金屬長絲纖維，將兩種纖維進行混雜編織，根據發光功率要求設計混雜纖維的編織比例及線型，可制備出具有匹配波段光線發射的適宜發光編織帶，利用該編織帶制備的碳纖維補光裝置，同時又可通過碳纖維長絲的紅外特性發射一定波段紅外線，使得本發明涉及的碳纖維蔬菜補光器同時兼備光線補充和紅外加熱的雙重功能，利用該補光器可保證蔬菜大棚內頂部及側壁的均勻補光，以保證棚內蔬菜光線充足而穩定蔬菜作物光合作用的進行和保持棚內環境的溫度穩定性。此外，該補光器在柔性編織帶的電氣連接端配合綠色供電系統和射線發射裝置，又可有效保證棚內光源和溫度的高效利用。
[0005]具體的，本發明涉及以下技術方案:
[0006]首先，本發明涉及一種大棚用碳纖維補光裝置，包括碳纖維混雜編織帶光源和與之連接的供電設備，所述碳纖維混雜編織帶光源由碳纖維和金屬纖維兩種纖維采用多股編織的形式構成帶狀發光光源，編織股數和單股纖維的單絲數根據所需補光光線的波段分布特性進行調整。
[0007]碳纖維在通電過程中可以發光，同時發出紅外波段，而同時金屬纖維也起到發光的作用，由于通電后金屬纖維和碳纖維內部各自的分子振動結構不同發射不同波段的電磁波實現發光，通過調整碳纖維與金屬纖維的混雜比例及線型，即可制備出可發射適宜光合作用的 400-500nm、600-700nm、700-750nm 多波段光線。
[0008]優選的技術方案中，所述的碳纖維混雜編織帶光源中所用的碳纖維，選自T300、丁700、了800^40^60碳纖維中的一種或多種組合，所用的纖維束可包括11(、31(、61(、121(或以上四種規格纖維束的任意組合。
[0009]所述的碳纖維混雜編織帶光源中所用的金屬纖維，可選用鎢纖維絲、鉬纖維絲、不銹鋼超細纖維中的任意一種，可選用單絲直徑為5-20微米的超細纖維束，束中單絲為5-20K之間靈活調整，亦可選用直徑為0.1-0.5mm之間調整的粗纖維。
[0010]所述的碳纖維混雜編織帶光源中，碳纖維和金屬纖維的混雜與帶狀光源編織同步進行，所用的兩種纖維的混雜比例根據光源的波段分布特性靈活調整，混雜編織后的光源編織帶可任意剪裁、彎折或卷繞，為連續長度，編織帶最終為矩形截面，厚度為0.2-2_之間調整，寬度為5-20mm之間調整。
[0011]所述的碳纖維混雜編織帶光源，其棚內布置可根據蔬菜大棚的頂部及側壁形狀進行靈活布置，柔性混雜纖維編織帶可采用S形、直線形、U形、圓形等任意排布方式，編織帶的排布覆蓋面積為蔬菜大棚頂部及側壁總面積的20-50%之間靈活調整。
[0012]所述的碳纖維混雜纖維編織帶光源，通過電氣接頭設計，將編織帶光源中的不同單股線根據光源波段要求與不同功率的供電設備配制連接，功率配制根據發光光譜特性靈活調整，編織帶股線的接線端采用并聯方式連接，在接線端采用彈簧壓片式結構以保證端頭較低的接觸電阻和連接緊密性。
[0013]更為優選的技術方案，所述的碳纖維補光裝置的供電設備，采用綠色供電及儲能系統，具體的，采用太陽能極板或風力發電作為補光裝置的供電設備;其中太陽能極板可采用單晶硅或多晶硅兩種類型，風力發電機可采用水平軸或垂直軸結構，其中太陽能極板的面積以及風力發電機的結構根據補光功率要求靈活調整，供電設備中包含蓄電池等儲能裝置，以保證穩定夜間供電。
[0014]進一步的，本發明所述大棚用碳纖維補光裝置，包括碳纖維混雜編織帶光源和與之連接的供電設備外，還包括用于對光源發出光反射的補光燈反射罩。
[0015]優選的，所述的補光燈反射罩的外型根據大棚內混雜纖維光源編織帶的布置分布形狀，可選用半球形、半圓筒形、整體平板形、百葉窗形等多種外型配制方式，反射罩所用的材質為不銹鋼、鋁合金、鏡面玻璃等任意一種，反射罩的反射率不低于0.9。
[0016]其次，本發明還公開了上述大棚用碳纖維補光裝置的制備方法，包括:碳纖維混雜編織帶光源的制備、補光燈反射罩的外型選擇、編織帶光源的棚內布置及電氣接頭設計、綠色供電及儲能系統的配置。
[0017]所述碳纖維混雜編織帶光源的制備包括:碳纖維和金屬纖維的混雜與帶狀光源編織同步進行，所用的兩種纖維的混雜比例及線型根據光源的波段分布特性調整，混雜編織后的光源編織帶可任意剪裁、彎折或卷繞，為連續長度，編織帶最終為矩形截面，厚度為
0.2~2mm，寬度為 5-20_ ；
[0018]所述補光燈反射罩的外型選擇包括:根據大棚內混雜纖維光源編織帶的布置分布形狀，反射罩所用的材質為不銹鋼、鋁合金、鏡面玻璃等任意一種，反射罩的反射率不低于
0.9；
[0019]所述編織帶光源的棚內布置及電氣接頭設計:依據蔬菜大棚的頂部及側壁形狀進行布置，編織帶的排布覆蓋面積為蔬菜大棚頂部及側壁總面積的20-50%;通過電氣接頭設計，將編織帶光源中的不同單股線根據光源波段要求與不同功率的供電設備配制連接，功率配制根據發光光譜特性調整，編織帶股線的接線端采用并聯方式連接，在接線端采用彈簧壓片式結構；
[0020]所述綠色供電及儲能系統的配置:采用太陽能極板或風力發電作為補光裝置的供電設備，供電設備中包含蓄電池等儲能裝置，以保證穩定夜間供電。
[0021]進一步的，本發明所述大棚用碳纖維補光裝置用于溫室大棚補光的應用，也是本發明的目的之一，所述補光的應用包括果蔬、農作物等的補光需要。
[0022]采用本發明所述補光裝置，取得了以下有益效果:
[0023](I)本發明采用碳纖維與金屬纖維混雜編織成編織帶光源，可以根據蔬菜作物光合作用對光源波段分布特性的要求，靈活調整碳纖維與金屬纖維的混雜比例，制備出可發射適宜光合作用的400-500nm、600-700nm、700-750nm多波段光線和具有熱效應的2-15μπι波段遠紅外線的特殊波譜要求的有益射線。
[0024](2)本發明在柔性編織帶光源外部配置高反射率反射裝置，根據光源分布狀態配制的反射罩可將背面光線有效反射達到蔬菜作物的輻照區域，反射面積可達50-60%以上。
[0025](3)本發明采用綠色供電及儲能系統的配置，有效保證夜間無陽光環境下的補光器正常工作。
[0026]本發明所述補光裝置的使用，優化了能源利用和分配方式，可以有效的解決補光不足和光線波段匹配性不高以及光線補充過程中溫度穩定性保證問題，有效的供給果蔬、作物等所需補光條件，能夠充分滿足溫室大棚補光的需要。
【附圖說明】
[0027]圖1是碳纖維混雜編織帶光源的結構示意圖，編織帶光源由金屬纖維I和碳纖維2經過多股編織制備而成。
[0028]圖2是碳纖維補光裝置的整體配置示意圖，碳纖維混雜編織帶光源3的背面布置補光燈反射罩4，同時電氣接頭通過彈簧壓片5緊密壓接，整體采用并聯形式與太陽能極板或風電供能設備6連接并配制儲能蓄電池7。
【具體實施方式】
[0029]本發明涉及一種利用太陽能或風能供電的、具有匹配波段光線和適宜波段紅外線發射的柔性編織帶狀的、配合反射系統的蔬菜大棚碳纖維補光器，下面結合實施例進一步說明。
[0030]實施例1
[0031](I)碳纖維混雜編織帶光源的制備。采用6股IK規格T300碳纖維與16股單絲直徑為5微米的1K鎢纖維絲進行混雜，編織矩形截面的厚度為0.2mm、寬度為1mm的編織帶，光源編織帶可任意剪裁、彎折或卷繞，為連續長度。
[0032](2)編織帶光源的棚內布置及電氣接頭設計。選用材質為不銹鋼的半圓筒形補光燈反射罩，反射罩的反射率不低于0.9。在反射罩外布置S形的編織帶光源，編織帶的排布覆蓋面積為蔬菜大棚頂部及側壁總面積的50%。編織帶股線的接線端采用并聯方式連接，在接線端采用彈簧壓片式結構以保證端頭較低的接觸電阻和連接緊密性。
[0033](3)綠色供電及儲能系統的配置。采用面積為5m2的單晶硅太陽能極板作為蔬菜大棚碳纖維補光器的供電裝置，發電功率為5KW，供電裝置配合蓄電池以保證穩定夜間供電。
[0034]最終的碳纖維長補光裝置，可發射出適宜光合作用的400-500nm、600-700nm、700-750nm多波段光線和具有熱效應的2-15μπι波段遠紅外線的特殊波譜要求的有益射線，其中電-光及電熱輻射的總轉換效率在95%以上。
[0035]實施例2
[0036](I)碳纖維混雜編織帶光源的制備。采用7股3Κ規格Τ700碳纖維與12股單絲直徑為8微米的12Κ鉬纖維絲進行混雜，編織矩形截面的厚度為0.7mm、寬度為12mm的編織帶，光源編織帶可任意剪裁、彎折或卷繞，為連續長度。
[0037](2)編織帶光源的棚內布置及電氣接頭設計。選用材質為鋁合金的半球形補光燈反射罩，反射罩的反射率不低于0.9。在反射罩外布置圓形的編織帶光源，編織帶的排布覆蓋面積為蔬菜大棚頂部及側壁總面積的50%。編織帶股線的接線端采用并聯方式連接，在接線端采用彈簧壓片式結構以保證端頭較低的接觸電阻和連接緊密性。
[0038](3)綠色供電及儲能系統的配置。采用面積為4m2的多晶硅太陽能極板作為蔬菜大棚碳纖維補光器的供電裝置，發電功率為3KW，供電裝置配合蓄電池以保證穩定夜間供電。
[0039]最終的碳纖維長補光裝置，可發射出適宜光合作用的600-700nm和700-750nm波段光線和具有熱效應的2-15μπι波段遠紅外線的特殊波譜要求的有益射線，其中電-光及電熱輻射的總轉換效率在95%以上。
[0040]實施例3
[0041](I)碳纖維混雜編織帶光源的制備。采用8股6Κ規格Τ800碳纖維與18股單絲直徑為10微米的1K不銹鋼超細纖維進行混雜，編織矩形截面的厚度為0.9_、寬度為15mm的編織帶，光源編織帶可任意剪裁、彎折或卷繞，為連續長度。
[0042](2)編織帶光源的棚內布置及電氣接頭設計。選用材質為不銹鋼的整體平板形補光燈反射罩，反射罩的反射率不低于0.9。在反射罩外布置S形編織帶光源，編織帶的排布覆蓋面積為蔬菜大棚頂部及側壁總面積的40%。編織帶股線的接線端采用并聯方式連接，在接線端采用彈簧壓片式結構以保證端頭較低的接觸電阻和連接緊密性。
[0043](3)綠色供電及儲能系統的配置。采用垂直軸結構風力發電機作為蔬菜大棚碳纖維補光器的供電裝置，發電功率為5KW，供電裝置配合蓄電池以保證穩定夜間供電。
[0044]該碳纖維長補光裝置，可發射出適宜光合作用的400-500nm、600-700nm、700-750nm多波段光線和具有熱效應的2-15μπι波段遠紅外線的特殊波譜要求的有益射線，其中電-光及電熱輻射的總轉換效率在93%以上。
[0045]實施例4
[0046](I)碳纖維混雜編織帶光源的制備。采用10股6Κ規格MJ40碳纖維與16股單絲直徑為0.1mm的粗鎢纖維絲進行混雜，編織矩形截面的厚度為1mm、寬度為20mm的編織帶，光源編織帶可任意剪裁、彎折或卷繞，為連續長度。
[0047](2)編織帶光源的棚內布置及電氣接頭設計。選用材質為鋁合金的百葉窗形的補光燈反射罩，反射罩的反射率不低于0.9。在反射罩外布置S形編織帶光源，編織帶的排布覆蓋面積為蔬菜大棚頂部及側壁總面積的50%。編織帶股線的接線端采用并聯方式連接，在接線端采用彈簧壓片式結構以保證端頭較低的接觸電阻和連接緊密性。
[0048](3)綠色供電及儲能系統的配置。采用水平軸結構風力發電機作為蔬菜大棚碳纖維補光器的供電設備，發電功率為2KW，供電裝置配合蓄電池以保證穩定夜間供電。
[0049]最終的碳纖維長補光裝置，可發射出適宜光合作用的600-700nm、700-750nm多波段光線和具有熱效應的2_15μπι波段遠紅外線的特殊波譜要求的有益射線，其中電-光及電熱輻射的總轉換效率在94%以上。
[0050]應注意的是，以上實例僅用于說明本發明的技術方案而非對其進行限制。盡管參照所給出的實例對本發明進行了詳細說明，但是本領域的普通技術人員可根據需要對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍。
【主權項】
1.一種大棚用碳纖維補光裝置，其特征在于，包括碳纖維混雜編織帶光源和與之連接的供電設備，所述碳纖維混雜編織帶光源由碳纖維和金屬纖維兩種纖維采用多股編織的形式構成帶狀發光光源，編織股數和單股纖維的單絲數根據所需補光光線的波段分布特性進行調整。2.根據權利要求1所述的大棚用碳纖維補光裝置，其特征在于，所述的碳纖維混雜編織帶光源中所用的碳纖維，選自T300、Τ700、Τ800、MJ40、MJ60碳纖維中的一種或多種組合，所用的纖維束選自1K、3K、6K、12K中的一種或多種組合;或者，所述的碳纖維混雜編織帶光源中所用的金屬纖維，選用鎢纖維絲、鉬纖維絲、不銹鋼超細纖維中的任意一種，選用單絲直徑為5-20微米的超細纖維束，束中單絲為5-20Κ，或選用直徑為0.1-0.5mm的粗纖維。3.根據權利要求1所述的大棚用碳纖維補光裝置，其特征在于，所述的碳纖維混雜編織帶光源中，碳纖維和金屬纖維的混雜與帶狀光源編織同步進行，所用的兩種纖維的混雜比例根據光源的波段分布特性調整，混雜編織后的光源編織帶可任意剪裁、彎折或卷繞，為連續長度，編織帶最終為矩形截面，厚度為0.2-2mm，寬度為5-20mm。4.根據權利要求1所述的大棚用碳纖維補光裝置，其特征在于，所述的碳纖維混雜編織帶光源，在棚內可采用S形、直線形、U形、圓形及其他任意排布方式，編織帶的排布覆蓋面積為蔬菜大棚頂部及側壁總面積的20-50%。5.根據權利要求1所述的大棚用碳纖維補光裝置，其特征在于，所述的碳纖維混雜纖維編織帶光源，通過電氣接頭設計，將編織帶光源中的不同單股線根據光源波段要求與不同功率的供電設備配制連接，功率配制根據發光光譜特性調整，編織帶股線的接線端采用并聯方式連接，在接線端采用彈簧壓片式結構以保證端頭較低的接觸電阻和連接緊密性。6.根據權利要求1-5任一項所述的大棚用碳纖維補光裝置，其特征在于，所述的碳纖維補光裝置的供電設備，采用綠色供電及儲能系統;優選的，采用太陽能極板或風力發電作為補光裝置的供電設備，其中太陽能極板采用單晶硅或多晶硅，風力發電機采用水平軸或垂直軸結構，太陽能極板的面積以及風力發電機的結構根據補光功率要求調整，供電設備中包含儲能裝置，以保證穩定夜間供電。7.根據權利要求6所述的大棚用碳纖維補光裝置，其特征在于，還包括用于對光源發出光反射的補光燈反射罩。8.根據權利要求7所述的大棚用碳纖維補光裝置，其特征在于，所述的補光燈反射罩的外型根據大棚內混雜纖維光源編織帶的布置分布形狀，選用半球形、半圓筒形、整體平板形、百葉窗形或其他多種外型配制方式，反射罩所用的材質為不銹鋼、鋁合金、鏡面玻璃或其他任意一種，反射罩的反射率不低于0.9。9.權利要求7或8所述大棚用碳纖維補光裝置的制備方法，包括:碳纖維混雜編織帶光源的制備、補光燈反射罩的外型選擇、編織帶光源的棚內布置及電氣接頭設計、綠色供電及儲能系統的配置。10.權利要求1-8任一項所述大棚用碳纖維補光裝置用于溫室大棚補光的應用，所述應用包括果蔬、農作物的補光需要。
【文檔編號】F21S9/04GK105910003SQ201610236487
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】朱波, 曹偉偉, 喬琨
【申請人】山東大學