一种基于光能、风能供给废弃地下空间垂直农场及方法与流程

本发明涉及一种基于光能、风能供给废弃地下空间垂直农场及方法。

背景技术：

垂直农场是一种新型室内种植方式，它的出现在于解决资源紧缺问题，能有效地扩大农作物生产面积和生产产量。垂直农业这一概念最早是由美国哥伦比亚大学环境科学和微生物学教授迪克森·德斯坡米尔提出的，他称其为“垂直农场(verticalfarming)”。垂直农场也叫立体种植农场。德斯帕米尔希望在由玻璃和钢筋建成的光线充足的建筑物里种植本地食物。在他看来，到2050年，世界人口的80％(现在是60％)都将居住在城市中。届时全球人口总数将增至92亿，其中大多数来自发展中国家。

垂直农场采用无土溶液栽培、气体栽培等方式。垂直农场还可以将传统的农场解放出来，用来种植更多树木，从而减少大气中的二氧化碳含量，减缓全球变暖过程。新加坡等严重依赖于进口食品的国家早就开始了更大规模的实践。新加坡有547万人，却没有多少农田和农业，90％以上的食物需要进口。新加坡垂直农场大厦高26层，将尽可能多的太阳能电池板堆积到855平方米的狭小空间内，令这栋大厦至少40％的用电量都来自太阳能。目前，世界上许多可耕地几乎已经满负荷运作，才勉强养活现在的60多亿人口。

在垂直农场中，谷物，如小麦、玉米等作物被种植在由惰性材料(例如蛭石)制成的水槽中，它们之间皆用细小的管子相互连接，作物所需的营养物质就是通过这些细小的管子进行运输并准确而快捷地滴灌到每株植物的根茎上。这样做的好处是，既保证了作物生长所需的营养物质，还避免了传统耕作中大面积灌溉、施肥等对水资源和肥料的浪费，经济高效而且非常环保。

气培法是由k·t·胡比克于1982年首次提出的，后来由美国航空航天局(简称nasa)的专家进行了改进。主要是将植物的根部悬垂倒吊在空中，使其处于充满水汽和营养的环境之中，这种栽培方式特别适用于土豆、胡萝卜的种植。

现代水培法是由农学家威廉·f·格里克实验发明的，是把植物种植在不含土壤的水槽中，将富含植物生长所需的营养物质溶解在水体中供植物生长使用。这种栽培方式对一些蔬菜生产特别管用，例如西红柿、菠菜和浆果等。垂直农场是一个整体的、自身可持续的循环系统。具有高度集成的高效灌溉系统，所有农作物都在受控制的环境中生长，并使用电子监控来检验是否成熟，全年365天不间断地种植、收割，避免了不利自然环境条件的影响，也不用担心土壤污染的威胁，同时还节省了资源，减少了对环境的破坏。

经过收割机加工后不适合食用的部分植物茎须、颗粒(如玉米秆和麦麸)等植物废料先是被加工成粉末状，接着经过压缩变成能全部燃烧的颗粒。农场底部的污水处理池可以处理城市污水，污水将会集中到一部被称作“泥炭”的机器，将污水处理成炭和水用来作为蒸汽机发电的原料，被处理提取过的污水经过滤后，用于植物灌溉或排放。据相关实验室的研究表明，垂直种植方法的用水量只有传统种植方法的5％。

地下空间是指地下隧道、地下人防工事、废弃矿山矿洞及天然洞穴等大量空间体积的地下空间，现有大量地下空间未综合利用也造成资源的浪费。

现有垂直农场建设思路是在人工建筑内进行空间利用，造价昂贵还需占用部分土地资源，光伏、风能发电不稳定弃光弃风现象严重。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有技术所存在的不足而提供一种基于光能、风能供给废弃地下空间垂直农场及方法的技术方案，可以有效缓解人均耕地面积日益减少造成的农产品供给不足的困境，通过自动化控制可以促进农作物的改良和优化，使农作物向高产、优质、高效方向发展，不再受制于自然界的无偿变化，该使用方法能满足地下隧道、地下人防工事、废弃矿山矿洞及天然洞穴等地下空间，投资少效益可观，建设周期短，能有效将光能和风能结合用于农作物的生长。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于光能、风能供给废弃地下空间垂直农场，包括地下空间，其特征在于：还包括种植装置、供水装置、风力发电装置和光能发电装置，地下空间内水平等间距分布有种植装置，地下空间的一侧设置有蓄电池组和变电箱，蓄电池组通过导线连接变电箱，变电箱位于蓄电池组的上方，地下空间的顶面上设置有加固层，供水装置位于地面坡体中，且供水装置连通每个种植装置，风力发电装置和光能发电装置均位于地面坡体的顶面上，且风力发电装置和光能发电装置间隔设置，风力发电装置和光能发电装置均通过导线连接变电箱和蓄电池组；通过风力发电装置和光能发电装置的设计，可以将风能和太阳光能转化为电能后进行存储，并通过蓄电池组和变电箱为垂直农场提供电能，种植装置可以用于种植各类农作物，并由供水装置提供水分，同时供水装置可以根据农作物的需要添加相应的营养液，提高农作物的产量，大大减少了污染源对垂直农场的影响，提高了食品的安全性，通过自动化控制可以促进农作物的改良和优化，使农作物全年不间断生长，使农作物向高产、优质、高效方向发展，不再受制于自然界的无偿变化，风力发电装置和光能发电装置的间隔设计，大大提高了自然资源的转化率，减少空间占用面积。

进一步，种植装置包括梯形架，梯形架内从上往下等间距设置有种植盒，种植盒的端面上均设置有拉手，种植盒的左右两侧对称设置有卡槽，种植盒通过水平移动机构连接在梯形架的内侧面上，通过拉手，可以将种植盒通过水平移动机构移出，便于农作物的播种和采摘，梯形架提高了整个种植装置安装时的稳定性和可靠性，同时可以增大每层种植盒中农作物的光照强度和面积。

进一步，水平移动机构包括限位条，限位条固定连接在梯形架的内侧面上，限位条的上下两侧对称设置有托轮，托轮抵住卡槽的顶面和底面，限位条可以起到支撑作用，托轮使种植盒在移动时保持平稳，防止发生偏移而掉落。

进一步，加固层的底面上等间距设置有灯座，灯座上设置有led灯，灯座位于左右相邻两个种植装置之间，led灯可以为农作物提供所需的光能。

进一步，供水装置包括蓄水箱、输水管和进水管，蓄水箱位于地面坡体内，蓄水箱与地面坡体顶面之间设置有进水管，进水管的顶端设置有第一过滤网，蓄水箱的底部连接输水管，输水管位于加固层内，输水管的底面上等间距设置有主分流管，每个主分流管上均设置有电磁阀，主分流管从下往上等间距水平设置有喷水管，喷水管通过第二支架与种植装置固定连接，喷水管的喷水端均匀设置有喷水孔，雨水通过进水管进入蓄水箱，蓄水箱可以将雨水进行收集，并进行存储，第一过滤网可以将颗粒杂质进行过滤，防止颗粒杂质进入管道中造成堵塞，输水管将雨水输入各个主分流管，并由主分流管分配到各个喷水管，为种植盒内的农作物提供水分，第二支架提高了喷水管安装的稳定性。

进一步，光能发电装置包括太阳能板和伺服电机，太阳能板的底面一侧转动连接在固定杆上，固定杆固定连接在地面坡体的顶面上，太阳能板的底面另一侧转动连接在升降杆上，升降杆的侧面上设置有齿条，地面坡体的顶面上设置有凹槽，伺服电机位于凹槽内，伺服电机上设置有齿轮，齿轮与齿条相互啮合，升降杆通过第一支架竖直连接在凹槽内，通过伺服电机带动齿轮旋转，进而带动齿条和升降杆上下移动，实现对太阳能板角度的调节，提高太阳能板的转化效率，第一支架提高了升降杆在上下移动时的稳定性和可靠性。

进一步，地面坡体与地下空间之间设置有进风管和出风管，进风管的端部设置有第二过滤网，进风管和出风管可以使地下空间内的空气保持流通，减少二氧化碳的积聚，第二过滤网可以防止颗粒杂质进入进风管造成堵塞。

进一步，风力发电装置包括风机、立柱和风轮，风轮转动连接在风机上，风机位于立柱的顶端，风力发电装置可以将风能转化为电能。

使用如上述的一种基于光能、风能供给废弃地下空间垂直农场的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)废弃地下空间清理

a、首先选择合适的废弃地下空间，并检查废弃地下空间的环境，对废弃地下空间进行清理；

b、然后检查废弃地下空间的侧壁和顶面，对墙壁做好防水加固处理；

c、接着根据废弃地下空间的大小制作相应的施工图纸，划设施工区域，是定相应的施工方案；

2)种植装置及供电设备安装

a、首先根据图纸的设计要求，沿着地下空间的底面确定种植装置的安装位置，并在相应的安装位置做好标记；

b、然后将加工好的种植装置零部件运送至地下空间，通过搭建将各个种植装置安装好，并在种植装置的每层种植盒内装填粘土，粘度的装填高度为种植盒高度的2/3，并检查各个种植盒的水平移动情况；

c、接着在地下空间的内部底面上安装蓄电池组，将蓄电池组通过支撑架与地面分离，使蓄电池组与地面之间保持20～30cm的高度差，并在蓄电池组的上方安装变电箱，将变电箱通过导线与蓄电池组进行连通；

d、最后沿着地下空间的顶面水平方向浇注加固层，使加固层的内部为空心，然后沿着加固层的底面等间距安装灯座，将灯座通过导线与蓄电池组进行连接，在每个灯座上安装至少三个led灯，且三个led灯为三原色灯；

3)供水设备安装

a、首先根据废弃地下空间上方的地面坡体的倾斜度确定蓄水箱的安装位置，并在地面坡体上划设施工区域，对地面坡体上的杂草进行清理；

b、然后通过挖掘机沿着施工区域进行挖掘，直至达到蓄水箱安装的深度，形成基坑，对基坑的底面和侧壁用混凝土进行浇注，待混凝土达到设定强度后通过吊装机将蓄水箱吊装至基坑内进行固定，并在蓄水箱的顶面上引出至少两个进水管，再通过挖掘机将粘土进行回填，直至达到设定的高度位置，使各个进水管的进水端与粘土回填高度齐平，用夯实机进行夯实处理；

c、接着从蓄水箱的底部引出输水管，使输水管水平穿入加固层内，然后等间距在输水管的底面上竖直向下安装带有电磁阀的主分流管，从每个主分流管的侧面从下往上等间距水平安装喷水管，每层喷水管连接至相应的种植盒内，并通过第二支架将喷水管与梯形架进行固定；

d、最后沿着加固层的两侧分别安装进风管和出风管，进风管的进风端安装有第二过滤网；

4)风力发电装置安装

a、首先根据地面坡体的倾斜角度和迎风面的面积确定风力发电装置的分布位置及间距，并沿着地面坡体的顶面做上安装标记；

b、然后按照安装标记依次安装立柱，在立柱的顶端安装风机，在风机的端部安装风轮，并将风机通过导线与变电箱进行连接，对线路做好接地保护处理；

5)光能发电装置安装

a、首先根据图纸的设计要求沿着地面坡体的顶面确定光能发电装置的安装位置，并将光能发电装置安装在左右相邻两排风力发电装置之间；

b、然后沿着地面坡体的顶面开挖长度、宽度和深度均相等的凹槽，并在凹槽的侧壁和底面上浇注混凝土，同时在凹槽的底面上沿竖直向下的方向开设盲孔；

c、接着在凹槽内安装伺服电机，并在伺服电机上安装齿轮，再沿着盲孔的位置竖直安装升降杆，将升降杆通过第一支架限位在凹槽内，使齿轮与升降杆上的齿条相互啮合；

d、最后将太阳能板通过固定杆安装在地面坡体的顶面上，使太阳能板的另一侧与升降杆的顶端转动连接，直至将所有的光能发电装置安装完毕，并将每个太阳能板、伺服电机通过导线与变电箱连接，做好接地保护处理；

6)垂直农场试运行

首先在种植装置中的每层种植盒内填埋植物种子，并根据不同植物的光线生长需求选择相应颜色的led灯，通过蓄电池组对led灯进行供电，由led灯对植物进行设定时间的光照，然后将蓄水箱内收集的雨水通过输水管流入各个主分流管，再由喷水管将雨水输送至相应的种植盒内，定期观察植物的生长情况。

本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

1、本发明可以有效缓解人均耕地面积日益减少造成的农产品供给不足的困境。

2、本发明依靠农业技术，使农作物全年不间断生长，通过自动化控制可以促进农作物的改良和优化，使农作物向高产、优质、高效方向发展，不再受制于自然界的无偿变化。

3、本发明可以通过有机方式进行，减少除草剂、杀虫剂、农药等有害化学品的使用，大大减少有害农业废物和化学物质的产生及排放，不仅减少了对水和土地的污染，也保障了食品的安全。

4、本发明可以实现资源的高效利用，减少水资源的浪费，提高水资源的利用效率，减少能源的消耗。

5、本发明的使用方法能满足地下隧道、地下人防工事、废弃矿山矿洞及天然洞穴等地下空间，投资少效益可观，建设周期短，能有效将光能和风能结合用于农作物的生长。

附图说明：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种基于光能、风能供给废弃地下空间垂直农场及方法中垂直农场的结构示意图；

图2为本发明中种植装置的结构示意图；

图3为本发明中种植盒与梯形架之间的连接示意图。

图中：1-种植装置；2-蓄水箱；3-蓄电池组；4-变电箱；5-输水管；6-主分流管；7-电磁阀；8-灯座；9-led灯；10-进水管；11-第一过滤网；12-进风管；13-第二过滤网；14-出风管；15-风力发电装置；16-太阳能板；17-凹槽；18-固定杆；19-升降杆；20-伺服电机；21-梯形架；22-种植盒；23-卡槽；24-限位条；25-托轮；26-喷水管；27-拉手；28-第一支架；29-第二支架。

具体实施方式

如图1至图3所示，为本发明一种基于光能、风能供给废弃地下空间垂直农场，包括地下空间，还包括种植装置1、供水装置、风力发电装置15和光能发电装置，地下空间内水平等间距分布有种植装置1，种植装置1包括梯形架21，梯形架21内从上往下等间距设置有种植盒22，种植盒22的端面上均设置有拉手27，种植盒22的左右两侧对称设置有卡槽23，种植盒22通过水平移动机构连接在梯形架21的内侧面上，通过拉手27，可以将种植盒22通过水平移动机构移出，便于农作物的播种和采摘，梯形架21提高了整个种植装置1安装时的稳定性和可靠性，同时可以增大每层种植盒22中农作物的光照强度和面积，水平移动机构包括限位条24，限位条24固定连接在梯形架21的内侧面上，限位条24的上下两侧对称设置有托轮25，托轮25抵住卡槽23的顶面和底面，限位条24可以起到支撑作用，托轮25使种植盒22在移动时保持平稳，防止发生偏移而掉落。

地下空间的一侧设置有蓄电池组3和变电箱4，蓄电池组3通过导线连接变电箱4，变电箱4位于蓄电池组3的上方，地下空间的顶面上设置有加固层，加固层的底面上等间距设置有灯座8，灯座8上设置有led灯9，灯座8位于左右相邻两个种植装置1之间，led灯9可以为农作物提供所需的光能。

供水装置位于地面坡体中，且供水装置连通每个种植装置1，供水装置包括蓄水箱2、输水管5和进水管10，蓄水箱2位于地面坡体内，蓄水箱2与地面坡体顶面之间设置有进水管10，进水管10的顶端设置有第一过滤网11，蓄水箱2的底部连接输水管5，输水管5位于加固层内，输水管5的底面上等间距设置有主分流管6，每个主分流管6上均设置有电磁阀7，主分流管6从下往上等间距水平设置有喷水管26，喷水管26通过第二支架29与种植装置1固定连接，喷水管26的喷水端均匀设置有喷水孔，雨水通过进水管10进入蓄水箱2，蓄水箱2可以将雨水进行收集，并进行存储，第一过滤网11可以将颗粒杂质进行过滤，防止颗粒杂质进入管道中造成堵塞，输水管5将雨水输入各个主分流管6，并由主分流管6分配到各个喷水管26，为种植盒22内的农作物提供水分，第二支架29提高了喷水管26安装的稳定性。

风力发电装置15和光能发电装置均位于地面坡体的顶面上，且风力发电装置15和光能发电装置间隔设置，风力发电装置15和光能发电装置均通过导线连接变电箱4和蓄电池组3，光能发电装置包括太阳能板16和伺服电机20，太阳能板16的底面一侧转动连接在固定杆18上，固定杆18固定连接在地面坡体的顶面上，太阳能板16的底面另一侧转动连接在升降杆19上，升降杆19的侧面上设置有齿条，地面坡体的顶面上设置有凹槽17，伺服电机20位于凹槽17内，伺服电机20上设置有齿轮，齿轮与齿条相互啮合，升降杆19通过第一支架28竖直连接在凹槽17内，通过伺服电机20带动齿轮旋转，进而带动齿条和升降杆19上下移动，实现对太阳能板16角度的调节，提高太阳能板16的转化效率，第一支架28提高了升降杆19在上下移动时的稳定性和可靠性，风力发电装置15包括风机、立柱和风轮，风轮转动连接在风机上，风机位于立柱的顶端，风力发电装置15可以将风能转化为电能。

地面坡体与地下空间之间设置有进风管12和出风管14，进风管12的端部设置有第二过滤网13，进风管12和出风管14可以使地下空间内的空气保持流通，减少二氧化碳的积聚，第二过滤网13可以防止颗粒杂质进入进风管12造成堵塞；通过风力发电装置15和光能发电装置的设计，可以将风能和太阳光能转化为电能后进行存储，并通过蓄电池组3和变电箱4为垂直农场提供电能，种植装置1可以用于种植各类农作物，并由供水装置提供水分，同时供水装置可以根据农作物的需要添加相应的营养液，提高农作物的产量，大大减少了污染源对垂直农场的影响，提高了食品的安全性，通过自动化控制可以促进农作物的改良和优化，使农作物全年不间断生长，使农作物向高产、优质、高效方向发展，不再受制于自然界的无偿变化，风力发电装置15和光能发电装置的间隔设计，大大提高了自然资源的转化率，减少空间占用面积。

使用如上述的一种基于光能、风能供给废弃地下空间垂直农场的方法，包括如下步骤：

1)废弃地下空间清理

a、首先选择合适的废弃地下空间，并检查废弃地下空间的环境，对废弃地下空间进行清理；

b、然后检查废弃地下空间的侧壁和顶面，对墙壁做好防水加固处理；

c、接着根据废弃地下空间的大小制作相应的施工图纸，划设施工区域，是定相应的施工方案；

2)种植装置及供电设备安装

a、首先根据图纸的设计要求，沿着地下空间的底面确定种植装置1的安装位置，并在相应的安装位置做好标记；

b、然后将加工好的种植装置1零部件运送至地下空间，通过搭建将各个种植装置1安装好，并在种植装置1的每层种植盒22内装填粘土，粘度的装填高度为种植盒22高度的2/3，并检查各个种植盒22的水平移动情况；

c、接着在地下空间的内部底面上安装蓄电池组3，将蓄电池组3通过支撑架与地面分离，使蓄电池组3与地面之间保持20～30cm的高度差，并在蓄电池组3的上方安装变电箱4，将变电箱4通过导线与蓄电池组3进行连通；

d、最后沿着地下空间的顶面水平方向浇注加固层，使加固层的内部为空心，然后沿着加固层的底面等间距安装灯座8，将灯座8通过导线与蓄电池组3进行连接，在每个灯座8上安装至少三个led灯9，且三个led灯9为三原色灯；

3)供水设备安装

a、首先根据废弃地下空间上方的地面坡体的倾斜度确定蓄水箱2的安装位置，并在地面坡体上划设施工区域，对地面坡体上的杂草进行清理；

b、然后通过挖掘机沿着施工区域进行挖掘，直至达到蓄水箱2安装的深度，形成基坑，对基坑的底面和侧壁用混凝土进行浇注，待混凝土达到设定强度后通过吊装机将蓄水箱2吊装至基坑内进行固定，并在蓄水箱2的顶面上引出至少两个进水管10，再通过挖掘机将粘土进行回填，直至达到设定的高度位置，使各个进水管10的进水端与粘土回填高度齐平，用夯实机进行夯实处理；

c、接着从蓄水箱2的底部引出输水管5，使输水管5水平穿入加固层内，然后等间距在输水管5的底面上竖直向下安装带有电磁阀7的主分流管6，从每个主分流管6的侧面从下往上等间距水平安装喷水管26，每层喷水管26连接至相应的种植盒22内，并通过第二支架29将喷水管26与梯形架21进行固定；

d、最后沿着加固层的两侧分别安装进风管12和出风管14，进风管12的进风端安装有第二过滤网13；

4)风力发电装置安装

a、首先根据地面坡体的倾斜角度和迎风面的面积确定风力发电装置15的分布位置及间距，并沿着地面坡体的顶面做上安装标记；

b、然后按照安装标记依次安装立柱，在立柱的顶端安装风机，在风机的端部安装风轮，并将风机通过导线与变电箱4进行连接，对线路做好接地保护处理；

5)光能发电装置安装

a、首先根据图纸的设计要求沿着地面坡体的顶面确定光能发电装置的安装位置，并将光能发电装置安装在左右相邻两排风力发电装置15之间；

b、然后沿着地面坡体的顶面开挖长度、宽度和深度均相等的凹槽17，并在凹槽17的侧壁和底面上浇注混凝土，同时在凹槽17的底面上沿竖直向下的方向开设盲孔；

c、接着在凹槽17内安装伺服电机20，并在伺服电机20上安装齿轮，再沿着盲孔的位置竖直安装升降杆19，将升降杆19通过第一支架28限位在凹槽17内，使齿轮与升降杆19上的齿条相互啮合；

d、最后将太阳能板16通过固定杆18安装在地面坡体的顶面上，使太阳能板16的另一侧与升降杆19的顶端转动连接，直至将所有的光能发电装置安装完毕，并将每个太阳能板16、伺服电机20通过导线与变电箱4连接，做好接地保护处理；

6)垂直农场试运行

首先在种植装置1中的每层种植盒22内填埋植物种子，并根据不同植物的光线生长需求选择相应颜色的led灯9，通过蓄电池组3对led灯9进行供电，由led灯9对植物进行设定时间的光照，然后将蓄水箱2内收集的雨水通过输水管5流入各个主分流管6，再由喷水管26将雨水输送至相应的种植盒22内，定期观察植物的生长情况。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。