一种大棚用碳纤维补光装置及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种大棚用碳纤维补光装置及其制备方法。本发明针对目前蔬菜种植温室大棚内的补光不足和光线波段匹配性不高以及光线补充过程中温度稳定性保证问题，提供了一种柔性碳纤维为补光光源，在柔性碳纤维长丝中引入金属长丝纤维进行混杂编织，根据发光功率要求设计混杂纤维的编织比例及线型，制备出具有匹配波段光线发射的适宜发光编织带，利用该编织带制备的碳纤维补光装置，同时可通过碳纤维长丝的红外特性发射一定波段红外线，使得本发明的碳纤维补光装置同时兼备光线补充和红外加热的双重功能；此外，补光装置在编织带的电气连接端配合绿色供电系统和射线发射装置，又可有效保证棚内光源和温度的高效利用。
【专利说明】
一种大棚用碳纤维补光装置及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于农业栽培的辅助光照设备领域，具体涉及一种大棚用碳纤维补光装置及其制备方法，特别涉及一种利用太阳能或风能供电的、具有匹配波段光线和适宜波段红外线发射的、金属纤维与碳纤维混杂编织的柔性带状、配合反射系统的大棚用碳纤维补光装置，利用该补光装置可实现符合作物光合作用的波段区间的适宜光线补充并有效发射具有适宜热效应的红外线，同时保证大棚内作物的光线和温度稳定，使作物生长的光合作用充分保证。
【背景技术】
[0002]农业资源尤其是蔬菜资源的短缺和生产环境的恶化是制约农业发展的瓶颈环节，而温室蔬菜大棚是建设良好农业资源、扩大农作物产量的重要手段，利用大棚进行蔬菜作物的种植可以显著减少耕地使用面积、降低水资源、化学药物和药剂的使用量，降低单位产出的能源消耗量，能够全面提高蔬菜生产的使用效率。大棚蔬菜充分利用自然环境和植物潜能，具有较高的市场竞争力和抵御市场风险的能力，是蔬菜种植业中效益高的产业和农村经济发展中的新型产业。发展大棚蔬菜有利于保证和丰富“菜篮子”供应，不断改善民生、保障人民群众的生活健康。但是，大多数蔬菜大棚需要较强的光照条件，受自然条件的限制，现在温室大棚种植蔬菜作物生长的部分条件，如温度和水分等基本可以满足，而植物赖以进行光合作用的二氧化碳和光能等物质，收到透光膜或玻璃的过滤和隔离，很难达到棚内蔬菜作物正常生长的需要，尤其是冬季、光照较弱，大棚蔬菜光照不足是普遍存在的问题。光照不足，不仅不能进行较为旺盛的光合作用，而且蒸腾作用也随之降低，蔬菜植株生长纤弱，影响蔬菜的产量和品质。
[0003]为了解决光照不充分的问题，目前温室大棚普遍使用了LED灯作为蔬菜作物的补光光源，如CN103238481A公开了一种温室大棚太阳能补光系统装置，通过太阳能电池板以及控制电路与LED发光灯相接，实现大棚内的补光需要。然而，由于人工的LED光源的光谱不可能像太阳能光谱那样连续，而蔬菜作物的光合作用的光谱属于连续光谱，每种光谱的光合作用中都起到一定作用，同时适宜植物生长的光合作用需要的光照度具有一定的波段依赖性，如果波段与植物作物不匹配，必然带来补光效率的降低，同时也会打乱蔬菜作物的生长生理规律，影响作物生长，采用LED对蔬菜大棚内作物进行补光的成本较高，效果不理想。因此，如何解决人工补光不理想和反季节温室大棚蔬菜弱光症等问题，成为蔬菜温室大棚种植亟待解决的问题。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术中存在的上述问题，本发明针对目前蔬菜种植温室大棚内的补光不足和光线波段匹配性不高，以及光线补充过程中温度稳定性保证等问题，提供了一种柔性碳纤维为补光发光光源，在柔性碳纤维长丝补光光源中引入了发光金属长丝纤维，将两种纤维进行混杂编织，根据发光功率要求设计混杂纤维的编织比例及线型，可制备出具有匹配波段光线发射的适宜发光编织带，利用该编织带制备的碳纤维补光装置，同时又可通过碳纤维长丝的红外特性发射一定波段红外线，使得本发明涉及的碳纤维蔬菜补光器同时兼备光线补充和红外加热的双重功能，利用该补光器可保证蔬菜大棚内顶部及侧壁的均匀补光，以保证棚内蔬菜光线充足而稳定蔬菜作物光合作用的进行和保持棚内环境的温度稳定性。此外，该补光器在柔性编织带的电气连接端配合绿色供电系统和射线发射装置，又可有效保证棚内光源和温度的高效利用。
[0005]具体的，本发明涉及以下技术方案:
[0006]首先，本发明涉及一种大棚用碳纤维补光装置，包括碳纤维混杂编织带光源和与之连接的供电设备，所述碳纤维混杂编织带光源由碳纤维和金属纤维两种纤维采用多股编织的形式构成带状发光光源，编织股数和单股纤维的单丝数根据所需补光光线的波段分布特性进行调整。
[0007]碳纤维在通电过程中可以发光，同时发出红外波段，而同时金属纤维也起到发光的作用，由于通电后金属纤维和碳纤维内部各自的分子振动结构不同发射不同波段的电磁波实现发光，通过调整碳纤维与金属纤维的混杂比例及线型，即可制备出可发射适宜光合作用的 400-500nm、600-700nm、700-750nm 多波段光线。
[0008]优选的技术方案中，所述的碳纤维混杂编织带光源中所用的碳纤维，选自T300、丁700、了800^40^60碳纤维中的一种或多种组合，所用的纤维束可包括11(、31(、61(、121(或以上四种规格纤维束的任意组合。
[0009]所述的碳纤维混杂编织带光源中所用的金属纤维，可选用钨纤维丝、钼纤维丝、不锈钢超细纤维中的任意一种，可选用单丝直径为5-20微米的超细纤维束，束中单丝为5-20K之间灵活调整，亦可选用直径为0.1-0.5mm之间调整的粗纤维。
[0010]所述的碳纤维混杂编织带光源中，碳纤维和金属纤维的混杂与带状光源编织同步进行，所用的两种纤维的混杂比例根据光源的波段分布特性灵活调整，混杂编织后的光源编织带可任意剪裁、弯折或卷绕，为连续长度，编织带最终为矩形截面，厚度为0.2-2_之间调整，宽度为5-20mm之间调整。
[0011]所述的碳纤维混杂编织带光源，其棚内布置可根据蔬菜大棚的顶部及侧壁形状进行灵活布置，柔性混杂纤维编织带可采用S形、直线形、U形、圆形等任意排布方式，编织带的排布覆盖面积为蔬菜大棚顶部及侧壁总面积的20-50%之间灵活调整。
[0012]所述的碳纤维混杂纤维编织带光源，通过电气接头设计，将编织带光源中的不同单股线根据光源波段要求与不同功率的供电设备配制连接，功率配制根据发光光谱特性灵活调整，编织带股线的接线端采用并联方式连接，在接线端采用弹簧压片式结构以保证端头较低的接触电阻和连接紧密性。
[0013]更为优选的技术方案，所述的碳纤维补光装置的供电设备，采用绿色供电及储能系统，具体的，采用太阳能极板或风力发电作为补光装置的供电设备;其中太阳能极板可采用单晶硅或多晶硅两种类型，风力发电机可采用水平轴或垂直轴结构，其中太阳能极板的面积以及风力发电机的结构根据补光功率要求灵活调整，供电设备中包含蓄电池等储能装置，以保证稳定夜间供电。
[0014]进一步的，本发明所述大棚用碳纤维补光装置，包括碳纤维混杂编织带光源和与之连接的供电设备外，还包括用于对光源发出光反射的补光灯反射罩。
[0015]优选的，所述的补光灯反射罩的外型根据大棚内混杂纤维光源编织带的布置分布形状，可选用半球形、半圆筒形、整体平板形、百叶窗形等多种外型配制方式，反射罩所用的材质为不锈钢、铝合金、镜面玻璃等任意一种，反射罩的反射率不低于0.9。
[0016]其次，本发明还公开了上述大棚用碳纤维补光装置的制备方法，包括:碳纤维混杂编织带光源的制备、补光灯反射罩的外型选择、编织带光源的棚内布置及电气接头设计、绿色供电及储能系统的配置。
[0017]所述碳纤维混杂编织带光源的制备包括:碳纤维和金属纤维的混杂与带状光源编织同步进行，所用的两种纤维的混杂比例及线型根据光源的波段分布特性调整，混杂编织后的光源编织带可任意剪裁、弯折或卷绕，为连续长度，编织带最终为矩形截面，厚度为
0.2~2mm，宽度为 5-20_ ；
[0018]所述补光灯反射罩的外型选择包括:根据大棚内混杂纤维光源编织带的布置分布形状，反射罩所用的材质为不锈钢、铝合金、镜面玻璃等任意一种，反射罩的反射率不低于
0.9；
[0019]所述编织带光源的棚内布置及电气接头设计:依据蔬菜大棚的顶部及侧壁形状进行布置，编织带的排布覆盖面积为蔬菜大棚顶部及侧壁总面积的20-50%;通过电气接头设计，将编织带光源中的不同单股线根据光源波段要求与不同功率的供电设备配制连接，功率配制根据发光光谱特性调整，编织带股线的接线端采用并联方式连接，在接线端采用弹簧压片式结构；
[0020]所述绿色供电及储能系统的配置:采用太阳能极板或风力发电作为补光装置的供电设备，供电设备中包含蓄电池等储能装置，以保证稳定夜间供电。
[0021]进一步的，本发明所述大棚用碳纤维补光装置用于温室大棚补光的应用，也是本发明的目的之一，所述补光的应用包括果蔬、农作物等的补光需要。
[0022]采用本发明所述补光装置，取得了以下有益效果:
[0023](I)本发明采用碳纤维与金属纤维混杂编织成编织带光源，可以根据蔬菜作物光合作用对光源波段分布特性的要求，灵活调整碳纤维与金属纤维的混杂比例，制备出可发射适宜光合作用的400-500nm、600-700nm、700-750nm多波段光线和具有热效应的2-15μπι波段远红外线的特殊波谱要求的有益射线。
[0024](2)本发明在柔性编织带光源外部配置高反射率反射装置，根据光源分布状态配制的反射罩可将背面光线有效反射达到蔬菜作物的辐照区域，反射面积可达50-60%以上。
[0025](3)本发明采用绿色供电及储能系统的配置，有效保证夜间无阳光环境下的补光器正常工作。
[0026]本发明所述补光装置的使用，优化了能源利用和分配方式，可以有效的解决补光不足和光线波段匹配性不高以及光线补充过程中温度稳定性保证问题，有效的供给果蔬、作物等所需补光条件，能够充分满足温室大棚补光的需要。
【附图说明】
[0027]图1是碳纤维混杂编织带光源的结构示意图，编织带光源由金属纤维I和碳纤维2经过多股编织制备而成。
[0028]图2是碳纤维补光装置的整体配置示意图，碳纤维混杂编织带光源3的背面布置补光灯反射罩4，同时电气接头通过弹簧压片5紧密压接，整体采用并联形式与太阳能极板或风电供能设备6连接并配制储能蓄电池7。
【具体实施方式】
[0029]本发明涉及一种利用太阳能或风能供电的、具有匹配波段光线和适宜波段红外线发射的柔性编织带状的、配合反射系统的蔬菜大棚碳纤维补光器，下面结合实施例进一步说明。
[0030]实施例1
[0031](I)碳纤维混杂编织带光源的制备。采用6股IK规格T300碳纤维与16股单丝直径为5微米的1K钨纤维丝进行混杂，编织矩形截面的厚度为0.2mm、宽度为1mm的编织带，光源编织带可任意剪裁、弯折或卷绕，为连续长度。
[0032](2)编织带光源的棚内布置及电气接头设计。选用材质为不锈钢的半圆筒形补光灯反射罩，反射罩的反射率不低于0.9。在反射罩外布置S形的编织带光源，编织带的排布覆盖面积为蔬菜大棚顶部及侧壁总面积的50%。编织带股线的接线端采用并联方式连接，在接线端采用弹簧压片式结构以保证端头较低的接触电阻和连接紧密性。
[0033](3)绿色供电及储能系统的配置。采用面积为5m2的单晶硅太阳能极板作为蔬菜大棚碳纤维补光器的供电装置，发电功率为5KW，供电装置配合蓄电池以保证稳定夜间供电。
[0034]最终的碳纤维长补光装置，可发射出适宜光合作用的400-500nm、600-700nm、700-750nm多波段光线和具有热效应的2-15μπι波段远红外线的特殊波谱要求的有益射线，其中电-光及电热辐射的总转换效率在95%以上。
[0035]实施例2
[0036](I)碳纤维混杂编织带光源的制备。采用7股3Κ规格Τ700碳纤维与12股单丝直径为8微米的12Κ钼纤维丝进行混杂，编织矩形截面的厚度为0.7mm、宽度为12mm的编织带，光源编织带可任意剪裁、弯折或卷绕，为连续长度。
[0037](2)编织带光源的棚内布置及电气接头设计。选用材质为铝合金的半球形补光灯反射罩，反射罩的反射率不低于0.9。在反射罩外布置圆形的编织带光源，编织带的排布覆盖面积为蔬菜大棚顶部及侧壁总面积的50%。编织带股线的接线端采用并联方式连接，在接线端采用弹簧压片式结构以保证端头较低的接触电阻和连接紧密性。
[0038](3)绿色供电及储能系统的配置。采用面积为4m2的多晶硅太阳能极板作为蔬菜大棚碳纤维补光器的供电装置，发电功率为3KW，供电装置配合蓄电池以保证稳定夜间供电。
[0039]最终的碳纤维长补光装置，可发射出适宜光合作用的600-700nm和700-750nm波段光线和具有热效应的2-15μπι波段远红外线的特殊波谱要求的有益射线，其中电-光及电热辐射的总转换效率在95%以上。
[0040]实施例3
[0041](I)碳纤维混杂编织带光源的制备。采用8股6Κ规格Τ800碳纤维与18股单丝直径为10微米的1K不锈钢超细纤维进行混杂，编织矩形截面的厚度为0.9_、宽度为15mm的编织带，光源编织带可任意剪裁、弯折或卷绕，为连续长度。
[0042](2)编织带光源的棚内布置及电气接头设计。选用材质为不锈钢的整体平板形补光灯反射罩，反射罩的反射率不低于0.9。在反射罩外布置S形编织带光源，编织带的排布覆盖面积为蔬菜大棚顶部及侧壁总面积的40%。编织带股线的接线端采用并联方式连接，在接线端采用弹簧压片式结构以保证端头较低的接触电阻和连接紧密性。
[0043](3)绿色供电及储能系统的配置。采用垂直轴结构风力发电机作为蔬菜大棚碳纤维补光器的供电装置，发电功率为5KW，供电装置配合蓄电池以保证稳定夜间供电。
[0044]该碳纤维长补光装置，可发射出适宜光合作用的400-500nm、600-700nm、700-750nm多波段光线和具有热效应的2-15μπι波段远红外线的特殊波谱要求的有益射线，其中电-光及电热辐射的总转换效率在93%以上。
[0045]实施例4
[0046](I)碳纤维混杂编织带光源的制备。采用10股6Κ规格MJ40碳纤维与16股单丝直径为0.1mm的粗钨纤维丝进行混杂，编织矩形截面的厚度为1mm、宽度为20mm的编织带，光源编织带可任意剪裁、弯折或卷绕，为连续长度。
[0047](2)编织带光源的棚内布置及电气接头设计。选用材质为铝合金的百叶窗形的补光灯反射罩，反射罩的反射率不低于0.9。在反射罩外布置S形编织带光源，编织带的排布覆盖面积为蔬菜大棚顶部及侧壁总面积的50%。编织带股线的接线端采用并联方式连接，在接线端采用弹簧压片式结构以保证端头较低的接触电阻和连接紧密性。
[0048](3)绿色供电及储能系统的配置。采用水平轴结构风力发电机作为蔬菜大棚碳纤维补光器的供电设备，发电功率为2KW，供电装置配合蓄电池以保证稳定夜间供电。
[0049]最终的碳纤维长补光装置，可发射出适宜光合作用的600-700nm、700-750nm多波段光线和具有热效应的2_15μπι波段远红外线的特殊波谱要求的有益射线，其中电-光及电热辐射的总转换效率在94%以上。
[0050]应注意的是，以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出的实例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种大棚用碳纤维补光装置，其特征在于，包括碳纤维混杂编织带光源和与之连接的供电设备，所述碳纤维混杂编织带光源由碳纤维和金属纤维两种纤维采用多股编织的形式构成带状发光光源，编织股数和单股纤维的单丝数根据所需补光光线的波段分布特性进行调整。2.根据权利要求1所述的大棚用碳纤维补光装置，其特征在于，所述的碳纤维混杂编织带光源中所用的碳纤维，选自T300、Τ700、Τ800、MJ40、MJ60碳纤维中的一种或多种组合，所用的纤维束选自1K、3K、6K、12K中的一种或多种组合;或者，所述的碳纤维混杂编织带光源中所用的金属纤维，选用钨纤维丝、钼纤维丝、不锈钢超细纤维中的任意一种，选用单丝直径为5-20微米的超细纤维束，束中单丝为5-20Κ，或选用直径为0.1-0.5mm的粗纤维。3.根据权利要求1所述的大棚用碳纤维补光装置，其特征在于，所述的碳纤维混杂编织带光源中，碳纤维和金属纤维的混杂与带状光源编织同步进行，所用的两种纤维的混杂比例根据光源的波段分布特性调整，混杂编织后的光源编织带可任意剪裁、弯折或卷绕，为连续长度，编织带最终为矩形截面，厚度为0.2-2mm，宽度为5-20mm。4.根据权利要求1所述的大棚用碳纤维补光装置，其特征在于，所述的碳纤维混杂编织带光源，在棚内可采用S形、直线形、U形、圆形及其他任意排布方式，编织带的排布覆盖面积为蔬菜大棚顶部及侧壁总面积的20-50%。5.根据权利要求1所述的大棚用碳纤维补光装置，其特征在于，所述的碳纤维混杂纤维编织带光源，通过电气接头设计，将编织带光源中的不同单股线根据光源波段要求与不同功率的供电设备配制连接，功率配制根据发光光谱特性调整，编织带股线的接线端采用并联方式连接，在接线端采用弹簧压片式结构以保证端头较低的接触电阻和连接紧密性。6.根据权利要求1-5任一项所述的大棚用碳纤维补光装置，其特征在于，所述的碳纤维补光装置的供电设备，采用绿色供电及储能系统;优选的，采用太阳能极板或风力发电作为补光装置的供电设备，其中太阳能极板采用单晶硅或多晶硅，风力发电机采用水平轴或垂直轴结构，太阳能极板的面积以及风力发电机的结构根据补光功率要求调整，供电设备中包含储能装置，以保证稳定夜间供电。7.根据权利要求6所述的大棚用碳纤维补光装置，其特征在于，还包括用于对光源发出光反射的补光灯反射罩。8.根据权利要求7所述的大棚用碳纤维补光装置，其特征在于，所述的补光灯反射罩的外型根据大棚内混杂纤维光源编织带的布置分布形状，选用半球形、半圆筒形、整体平板形、百叶窗形或其他多种外型配制方式，反射罩所用的材质为不锈钢、铝合金、镜面玻璃或其他任意一种，反射罩的反射率不低于0.9。9.权利要求7或8所述大棚用碳纤维补光装置的制备方法，包括:碳纤维混杂编织带光源的制备、补光灯反射罩的外型选择、编织带光源的棚内布置及电气接头设计、绿色供电及储能系统的配置。10.权利要求1-8任一项所述大棚用碳纤维补光装置用于温室大棚补光的应用，所述应用包括果蔬、农作物的补光需要。
【文档编号】F21S9/04GK105910003SQ201610236487
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】朱波, 曹伟伟, 乔琨
【申请人】山东大学