可重构的太阳能电池阵列和使用其管理作物产量的方法与流程

相关申请的交叉引用本申请基于2014年9月11日向美国专利商标局提交的题为"reconfigurablesolararrayandmethodofmanagingcropyieldusingthesame"的序列号为62/048,984的共同未决的和共同拥有的美国临时专利申请，其内容通过引用包含于此。本发明涉及用于作物管理和太阳能发电的系统，以及更特别地涉及可重构的太阳能电池阵列以及它们的用于通过阴影和物理作物保护来管理作物产量的用途，以及通过使用可重构的太阳能电池阵列来优化太阳能收集和在安装这种阵列的田地中的作物的作物产量从而优化来自作物的收入的方法。
背景技术：
：作物产量是显著影响全部人口的健康和幸福的因素。随着作物成熟，他们遇到可能对作物产量具有显著负面影响的各种各样的环境压力，以及对依赖于来自这些作物的生产的人口的相关负面政治和经济影响。例如，过多的热量、干旱、风和冰雹可能偶对各种各样的植物的作物产量具有破坏性影响。已作出许多努力来提高作物对这种负面环境影响的弹性，但负担得起的并且由此广泛分布和成功的解决方案的开发仍然是一个挑战。此外，尽管太阳能生产技术继续发展并提供可再生能源生产的希望，其当前的广泛使用具有许多挑战。例如，基础设施开支、土地开支和土地可用性都对太阳能收集系统的广泛部署和使用创造了挑战。虽然许多土地致力于作物生产，但传统的太阳能收集组件在放置在相同土地上的情况下将对农田的负面影响阻止了它们的联合使用，尽管这种土地的广泛的可用性。因此，有利的是，提供用于在同时使得土地容纳可用于太阳能产生的作物的同时，通过减轻由过多的热量、干旱、风和冰雹对作物导致的损害来优化作物产量的方法。技术实现要素：公开了以共生关系将太阳能技术和农业相结合的优化来自这两种来源的收入的方法和设备。更特别地，通过使用所公开的方法和设备，太阳能收集可以使用零土地和维护成本、较低的电力线路损耗、较高的购电协议回报和可调整的/较低的整体成本，而农业收益可能经历较高的作物产量和较低的由于干旱、冰雹和其他不利环境影响带来的损失的风险。自适应的可重构的太阳能收集组件的阵列部署在农田中。因为各种作物受益于在它们的发育周期中的阴影的变化程度(即，在高太阳压力的时段期间提供部分遮蔽以用于更好的授粉，并在增强的干旱的时段期间提供部分遮蔽以减少蒸发和蒸腾的效果)，并易于受到大风和冰雹的损坏，自适应的可重构的太阳能收集器的阵列部署在田地中并允许每个太阳能收集组件的容易的重构以改变施加至组件下面的作物的阴影的量，并在必要时提供最大的冰雹和风力防护。阵列被配置为容易地从田地移除，具有根据需要缩回至地面水平之下以用于耕地、播种和收获的永久安装的基座，以及可以被移除以用于根据需要耕地、播种和收获的用于太阳能收集组件的可移除支架。用于太阳能收集组件的支架足够柔韧以允许收集组件在过量风的条件下弯曲，并且收集组件本身被配置为响应于过量风的条件来改变其构造，由此允许阵列适应这种过量风的条件并最小化由于这种过量风的条件所引起的破损或其他故障的风险。这种自动适应构造允许太阳能电池阵列用作其上安装它的作物的风障。附图说明通过参考附图，本领域技术人员可以更好地理解本发明的许多优点，其中：图1是根据本发明的实施例的特定方面的贯穿变化的发育阶段施加至玉米作物的遮蔽百分比的图形表示。图2是在最佳条件期间和在压力下的玉米的水需求的图形表示。图3是与2012年的实际温度相比的在爱荷华州得梅因的平均温度的图形表示。图4是与2012年的实际降水量相比的在爱荷华州得梅因的随时间的针对玉米生长的水需求的图形表示。图5是与平均降水量相比的玉米的水需求的图形表示和缺水量的图形表示。图6是随着落叶的变化的百分比的玉米产量的减小的图形表示。图7是玉米作物产量关于离风障的距离的增大的图形表示。图8是根据本发明的实施例的特定方面的贯穿变化的发育阶段施加至大豆作物的遮蔽百分比的图形表示。图9是与植物生长的不同阶段期间的落叶百分比有关的大豆产量损失的图形表示。图10是根据本发明实施例的特定方面的可展开的可移除太阳能收集器的透视图。图11(a)和11(b)分别是用于与处于全展开位置的图10的太阳能收集器一起使用的面板阵列的顶视图和侧视图。图12(a)和12(b)分别是处于从图11(a)和11(b)的位置轻微收缩的位置的图11(a)和11(b)的面板阵列的顶视图和侧视图。图13(a)和13(b)分别是处于从图12(a)和12(b)的位置轻微收缩的位置的图11(a)和11(b)的面板阵列的顶视图和侧视图。图14(a)和14(b)分别是处于从图13(a)和13(b)的位置轻微收缩的位置的图11(a)和11(b)的面板阵列的顶视图和侧视图。图15(a)和15(b)分别是处于从图14(a)和14(b)的位置轻微收缩的全收缩位置的图11(a)和11(b)的面板阵列的顶视图和侧视图。图16(a)是处于全缩回位置的用于与图10的太阳能收集器一起使用的可伸缩基座的侧视图。图16(b)是处于全展开位置的图16(a)的可伸缩基座的侧视图。图17是图16(a)和16(b)的可伸缩基座的侧面部分截面图。图18是图17的可伸缩基座的分解的部分截面图。图19是图18的可伸缩基座的特写的分解的部分截面图。具体实施方式以下描述是本发明的一个或多个特定实施例，其被陈述以使得人们能够实践本发明的实施例，并且不意图限制优选实施例，但用作其特定示例。本领域技术人员应当理解，他们可以容易地使用所公开的概念和特定实施例作为用于修改或设计用于执行本发明的相同目的的其他方法和系统的基础。本领域技术人员还应当理解，这种等价的组件不背离本发明的广义形式的精神和范围。这里描述的系统和方法提供太阳能和作物生长之间的技术共生。技术使用可移除的、临时的、自适应的和可重构的太阳能电池阵列，其在部署时：a.提供可移除的面板组件用于耕地和犁地；b.提供永久安装的基座，其可以被手动地或电子地压缩以使得其在耕地/犁地水平之下，并且可以被手动地或电子地释放以允许面板组件的重新连接；c.通过阵列互连的电源线提供信令机制以揭露和释放/恢复每个安装基座位置的定位；d.适于改变的天气条件，包括动态地修改其结构以吸收大风/强风的力和压力的能力；e.提供用于替换/重建面板阵列组件的安装(地面)架构的容易的定位和恢复；f.提供机构来通过允许替换或调节具有光和/或水扩散器技术的子面板组件的每一个来将光和水扩散至作物中。所需光的特定水平和通过子面板组件的扩散水的模式被特别地根据作物的生长需求定制；g.基于各个阵列元件的近距离来提供接近完整的覆盖。每个元件可以被特定地调节以控制至作物上的光水平；h.可被调节以用于调整可用于作物的阳光的量。这种系统和方法提供许多益处，包括以下中的一个或多个：a.与根据本发明的实施例的特定方面的太阳能电池阵列相关联的增大的作物产量，其在高太阳压力的时段期间提供作物(例如，玉米)的部分遮蔽，从而允许更好的授粉；b.与根据本发明的实施例的特定方面的太阳能电池阵列相关联的与对作物的减小的风力损害相关联的增大的作物产量，其提供适应性以用作在大风/强风期间的风障；c.与根据本发明的实施例的特定方面的太阳能电池阵列相关联的增大的作物产量，其提供在增强干旱期间对作物的部分遮蔽以减少蒸发和蒸腾的影响；d.与根据本发明的实施例的特定方面的太阳能电池阵列相关联的特别地在干旱条件下的农业用地的降低的土壤侵蚀，其提供适应性以用作在大风/强风期间的风障；以及e.减小的由于冰雹和/或暴雨的影响而造成的作物损失。尽管以下示例性说明描述了玉米作物作为主要示例，但本发明的系统和方法同样可应用于其他作物，诸如大豆，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下如这里描述用在来自其他作物的产量的管理中。以下说明首先详述了用于经由通过可重构太阳能电池阵列创建的可变遮蔽来管理作物产量的方法，其次描述了适用于这种可重构太阳能电池阵列的根据本发明的示例性实施例的设备。i.通过使用可重构太阳能收集阵列的可变遮蔽的作物产量管理。对于玉米，从种植到成熟的时间的长度根据所选择的杂交种而变化；然而，120天的杂交种在美国是最普遍种植的，特别在玉米种植带中。玉米发育被分成两个阶段，营养生长阶段和生殖阶段。在营养生长阶段期间，玉米植物经历了种子萌发、出苗、根系生长、叶片生长、垂直生长，最终以穗的发育结束。这些阶段根据叶片数量出现而编号(v1-vn)。光合作用工厂提供能量和营养来产生籽粒，在营养生长阶段期间发育。在生殖阶段期间，抽穗、吐丝、授粉、受精、灌浆发生，并以籽粒的完整的生理成熟结束。此时，籽粒中的糖几乎完全转化为淀粉。玉米生长高度依赖于温度并且基于gdd移动经过其发育阶段，gdd是用来测量变化的温度的计算。gdd是特定度数以上的温度的累加；对于玉米，该基准温度是华氏50度。下面的表1提供不同发育阶段以及说明的列表。阶段发育阶段gdd种植0营养生长两片叶子全部出现200四片叶子全部出现345六片叶子全部出现(地面以上的生长点)476八片叶子全部出现(穗开始发育)610十片叶子全部出现740十二片叶子全部出现(穗形成)870十四片叶子全部出现(穗上的丝发育)1000十六片叶子全部出现(穗的尖端出现)1135生殖丝出现/花粉散落(处于全高度的植物)r11400透明阶段的籽粒r21660蜡熟阶段的籽粒r31925籽粒正在马齿化r42190籽粒被马齿化r52450生理成熟r62700表1.利用说明和累加gdd列出的玉米发育阶段。所有的营养生长阶段被标记为ve,v1,v2,v3,v4等，数字与植物中发育的叶片的数量有关。在营养生长阶段，茎、叶和根系统发育。生殖阶段被标记为r1,r2,r3,r4等，与植物进入的特定生殖阶段有关。一旦植物进入生殖阶段，从以前采集的能量和目前的光合作用被用来产生穗中的籽粒，最终将这些糖转化为淀粉。各种压力源可能减少玉米产量，包括干旱、酷热、大风和冰雹。这些压力源影响穗大小、穗长度、籽粒重量、籽粒数量和籽粒行数。高温和干旱减少植物可用的水，抑制生长，并造成叶片枯萎。干旱会导致花粉散落和吐丝不同步，导致受精不良。另外，超过95f的温度可以使花粉变干并使丝脱水，抑制胚芽受精。冰雹可以使得植物落叶、损坏、或杀死整个植物。这三个压力源是在生长季节对农民来说常见的事件，经常导致产量损失。通过应用根据本发明的实施例的方面在此描述的技术，农民将能够减少对这些非常常见的压力源的损失产量的风险。根据本发明的实施例的方面的系统和方法在活的作物上实施，从而对该作物产生有益的影响。这些影响有两种类型：“覆盖”和“防护”。“覆盖”被定义为根据本发明实施例的特定方面的太阳能电池阵列的部署，使得受控量的阳光被阻挡从而不能到达地面，以及因此不能到达作物本身。“覆盖百分比”是到达地面的太阳能的减少水平的度量。“防护”被定义为根据本发明实施例的特定方面的太阳能电池阵列的部署，使得对作物产量的负面环境影响被最小化。在作物的整个生命中有许多生长阶段，其中覆盖和防护不仅是可行的，而且是有益的。所施加的覆盖和防护的量既定义了所产生的太阳能水平，也定义了作物产量的效益。存在以下平衡：太阳能权重太重会导致作物过度覆盖，降低作物产量。过分强调作物产量增加，导致一种不可行的太阳能经济模式。发明人在此已经确定存在一个平衡点，在该平衡点太阳能的经济模式是可行的，并且存在足够的额外的作物产量来保证太阳能电池阵列的存在。以下讨论着重在这个平衡点实现的对作物产量的具体的好处。作物授粉阶段是植物发育过程中极其脆弱和关键的时期。以玉米为例，授粉很容易受到水分压力和高温的影响。根据种植的区域和日期，吐丝和抽穗通常会落在温度通常高的六月和七月之间。因此，较高的覆盖率将降低温度，减少在关键生长期的压力。虽然玉米被用作授粉效益的基础，但受热应力影响的其他作物同样是这里所描述的技术的候选。根据本发明的实施例的特定方面的展开的阵列用作减少土壤侵蚀量的风障。此外，更重要的是，阵列用作湿度“缓冲器”，减少在植物处的风和空气湍流。在植物水平的较高的水分水平导致较低的水分蒸发和蒸腾。展开的阵列还通过风障提供了农业用地的更好的越冬。积雪分布更均匀，从而产生更均匀的径流。这种展开的阵列还以以下方式提供干旱防护：a.植物上负载的直接太阳能的减少，导致较低水平的蒸腾。b.在植物水平的温度的降低，导致阵列下的更潮湿的环境。这继而降低了阵列下的水分的蒸发量和植物蒸腾水平，并减少植物茁壮成长所需的水量。这种展开的阵列甚至进一步提供对导致植物的落叶或水分引起的损害的冰雹和大雨的防护。与在此所描述的技术的实施相关联的作物产量增加的总结在以下表2中呈现。这些预期产量增加的防御和分析如下论述。表2.效益总结。在生长季节期间，农民经历损害和减少作物产量的各种各样的风险。这些风险包括天气现象，诸如干旱、高温和冰雹。通过根据本发明实施例的方面的技术的实施，由于这些风险引起的产量损害的可能性将降低。以下章节详细介绍了意图在实施本发明的实施例的方面的太阳能面板旁边生长的作物的子集，并论述对于每种作物的特定的潜在的附加利益和覆盖/防护制度。对玉米和大豆进行了讨论，它们代表有可能与所公开的技术合作地生长的许多作物。玉米和大豆，以及诸如甘蔗的其他全季作物，倾向于从合作获得最大的利益。冰雹、酷热和干旱是对于农民而言在作物生长过程中非常可能发生的风险。在此描述的系统和方法可能会减少降低产量的这些环境风险的影响。太阳能面板将物理地阻止冰雹以防止落叶和损害作物。防护冰雹灾害的百分比的细节将关于特定示例性作物在此论述。酷热和干旱将通过由面板的作物覆盖造成的在作物的基础上的局部环境的人工操作来防护。这种覆盖导致作物蒸散速率、土壤蒸发速率和作物周围的空气温度的减小。蒸散是蒸发和蒸腾的综合效应。水通过气孔离开植物，钻入植物的叶子中，叶子允许二氧化碳和水交换。玉米中的气孔在光下打开，在黑暗中关闭。在此描述的系统和方法有助于减轻和平衡蒸散的危险程度，从而有助于防止植物枯萎和死亡。影响蒸腾速率的许多环境因素包括：相对湿度、温度、光照、土壤水分浓度和风。相对湿度是大气中的水相比于空气可能在给定温度保持多少水的百分比。低于100％的相对湿度将导致驱动水从植物蒸发到大气中的水分梯度。由于较冷的空气比温暖的空气保持更少的水，因此，根据该技术的阴影会增加相对湿度，从而导致蒸腾的梯度较小。因此，植物会蒸发更少。这在酷热和干旱的时候将是非常有帮助的。植物还通过土壤的蒸发而丢失水分。如果没有充足的土壤水分，植物将会枯萎死亡，因为这是作物的水的主要来源。然而，来自该技术的覆盖将减少从土壤的蒸发速率。根据降水模式，农民仍然需要对作物灌溉水；然而，该技术将减少所需的灌溉水量和灌溉所需的机器的成本。玉米是目前美国最大的种植作物。它被生产用于食品、乙醇和牲畜饲料。在2011年，仅在美国就收获了8400万英亩玉米。然而，存在可以并且一定降低产量的某些环境因素。干旱、酷热和冰雹都是增加玉米生长的风险的常见的和可能的事件。这里描述的系统和方法帮助农民减少造成损害的这些风险的可能性。从种植到成熟的时间的长度根据所选择的玉米杂交种而变化；然而，120天的杂交种在美国是最普遍种植的，特别在玉米种植带中。玉米发育被分成两个阶段，营养生长阶段和生殖阶段。在营养生长阶段期间，玉米植物经历了种子萌发、出苗、根系生长、叶片生长、垂直生长，并且最终以穗的发育结束。这些阶段根据叶片数量出现而编号(v1-vn)。光合作用工厂提供能量和营养来产生籽粒，在营养生长阶段期间发育。在生殖阶段期间，抽穗、吐丝、授粉、受精、和灌浆发生，并以籽粒的完整的生理成熟结束。此时，籽粒中的糖几乎完全转化为淀粉。玉米生长高度依赖于温度并且基于gdd移动经过其发育阶段，gdd是用来测量变化的温度的计算。gdd是特定度数以上的温度的累加；对于玉米，该基准温度是华氏50度。参考针对不同发育阶段以及说明的列表的以上的表1。各种压力源可能减少玉米产量：干旱、酷热和冰雹。这些压力源影响穗大小、穗长度、籽粒重量、籽粒数量和籽粒行数。高温和干旱减少植物可用的水，抑制生长，并造成叶片枯萎。干旱会导致花粉散落和吐丝不同步，导致受精不良。另外，超过95f的温度可以使花粉变干并使丝脱水，抑制胚芽受精。冰雹可以使得植物落叶、损坏、或杀死整个植物。这三个压力源是在生长季节对农民来说常见的事件，经常导致一些产量损失。通过应用在此阐述的该系统和方法，农民将能够减少对这些非常常见的压力源的损失产量的风险。在整个玉米植物的生命周期中，有许多阶段可以实施覆盖或“遮蔽”。从种植到出苗，将应用100％的覆盖。在这一点上，在发育中，关键的是，土壤是温暖和潮湿的，以用于均匀的出苗。阴影将防止从土壤的水分的过度蒸发，并确保水分被保留。然而，土壤温度应当被监测，以确保它不落到50华氏度以下。从出苗到v6(在该阶段，第六个叶片已经出现，另外在此称为第一中间发育点)，不施加阴影。关键的是，直到冠层完全发育(v6)，各个植物接收到最大量的阳光。从v6开始，阴影将开始增加，从在v6处的25％增加到在抽穗阶段的50％(vt，另外在此称为第二中间发育点)。这些百分比的阴影将有助于降低温度，以防止破坏水分流失，但是，这将是我们推测作物可能会接收到所需的阳光量以继续生长的足够小的百分比。光合作用工厂仍在发育中；因此，重要的是，植物吸收所需量的阳光。此外，该技术可以帮助防止可能的冰雹灾害，其中植物在其高度上生长时更容易受到冰雹灾害。假设在此所述的该系统和方法将防止冰雹灾害。抽穗和吐丝阶段是玉米发育中极其脆弱和关键的时期。植物很容易受到水分压力、高温和来自冰雹的物理损害的影响。根据种植的区域和日期，吐丝和抽穗通常会落在温度通常高的六月和七月之间。因此，较高的阴影的实施将降低温度和水分的潜在蒸发。此外，大多数冰雹损失发生在中西部玉米带的六月至八月之间，因此，较高百分比的阴影可以帮助防止将伤害穗、丝、和植物本身的冰雹灾害。在生殖阶段期间，植物很容易受到阴影的影响。在“physiologicalmechanismsunderlyingheterosisforshadetoleranceinmaize”研究中，玉米在后吐丝阶段期间以55％阴影生长，导致产量的21.4％的减小(tollenaar,2009)。另外，50％的阴影施加在“shadingeffectsondrymatterandnitrogenpartitioning,kernelnumber,andyieldofmaize”研究中，导致在开花阶段期间产量的20％的减小，以及在灌浆阶段期间产量的19％的减小(reed等,1988)。其他研究发现类似的结果，表明在生殖阶段期间的阴影对产量最不利。因此，阴影百分比在生殖阶段将降低至25％(另外在此称为第三中间发育点)以适应光需求。根据所种植玉米的用途，阴影百分比将变化。针对甜玉米，阴影将保持在25％直到作物到达乳熟阶段，此时该类型被收获。一旦玉米被收获，可以实施100％阴影。如果玉米被种植用于饲料或乙醇生产，则100％阴影不应当被实施直到马齿化阶段。在该阶段，光合作用开始在植物中变慢并且压力源对产量具有很少至没有影响。100％阴影将继续被实施直到作物被收获之后。阴影可能会减慢干燥作物所需的时间的长度，但由于收获的时间，它不会对产量有显著影响。更迟的种植日期可能由于过多的雨或雪导致淹没和发霉，但是，在四月较早的种植日期的情况下，这不会对产量有负面影响。在籽粒灌浆阶段，个别籽粒竞争水和营养物质，水和营养物质是发育以及最终淀粉和存储组织沉积所需要的。没有这些营养物质的籽粒将发育不全，导致产量下降。阴影可能降低蒸腾速率，从而减少从作物和土壤的水分流失。图1所示的图形显示与各个发育阶段相关联的对估计日期的遮蔽百分比的图形化描述。这些覆盖的百分比与对在玉米的生殖阶段期间的玉米遮蔽的杜邦研究中呈现的数据一致(strachan,stephen,“corngrainyieldinrelationtostressduringeardevelopment,”pioneer,dupont,n.d.web.2013年9月13日)。蒸散是蒸发和蒸腾的综合效应。水通过气孔离开植物，钻入植物的叶子中，叶子允许二氧化碳和水交换。玉米中的气孔在光下打开，在黑暗中关闭。在此描述的系统和方法有助于减轻和平衡蒸散的危险程度，从而有助于防止植物枯萎和死亡。影响蒸腾速率的许多环境因素包括：相对湿度、温度、光照、土壤水分浓度和风。相对湿度是大气中的水相比于空气可能在给定温度保持多少水的百分比。低于100％的相对湿度将导致驱动水从植物蒸发到大气中的水分梯度。由于较冷的空气比温暖的空气保持更少的水，因此，根据技术的阴影会增加相对湿度，从而导致蒸腾的梯度较小。因此，植物会蒸发更少。这在酷热和干旱的时候将是非常有帮助的。植物还通过土壤的蒸发而丢失水分。如果没有充足的土壤水分，植物将会枯萎死亡，因为这是作物的水的主要来源。然而，根据该技术的遮蔽将减少从土壤的蒸发速率。根据降水模式，该技术将减少所需的灌溉水量和灌溉所需的机器的成本。玉米生长高度依赖于水。平均而言，在最佳条件下，为了可能的100％的产量，单个玉米植物需要21.5英寸的降雨量。其需水量在抽穗和吐丝阶段达到峰值，并且在灌浆阶段减小，从而产生钟形曲线。图2提供的图形显示玉米在最佳条件和压力下的需水量。通过在此阐述的系统和方法的实施，在叶冠形成之后，使植物使用更多水的压力因素减少到一定程度。对于作物的阴影意味着土壤将保持其具有的水分较长的一段时间并通过限制其暴露到的过度的日光的量来减小植物蒸腾(使用水)的速率。该系统和方法不能完全缓解对玉米水分利用的压力因素的影响，但它可以帮助缓解作物上的一些负担。如果在抽穗和吐丝阶段缺乏水分，花粉粒可能太干以致不能授粉并且丝可能变干。因此，授粉将不会发生，并且产量将大幅下降。然而，一旦玉米进入灌浆阶段，它开始干燥时期，因为淀粉取代籽粒中的水分，并且叶子和茎开始干燥。爱荷华州是在美国玉米产量最高的州，它是玉米生长的最佳地点，因为它的降水模式遵循玉米的需求曲线。然而，干旱对农民来说仍然是潜在的风险。该技术可能会降低这些成本，并减少产量损失的量。在压力时期，玉米可以在其发育的任何阶段消耗比其通常使用的水多高达28％的水。作物蒸腾更多并且土壤失去了其保持水分的能力。玉米作物极易受干旱压力的影响，并且根据作物所处的发育阶段，严重压力的每天可能损失1-5％的最终产量。这主要是由于以下事实：在干旱期间，作物不仅有更少的水来使用，而且它消耗的水比通常的要多。植物必须利用更少的水做更多。这对农民来说可能导致产量的惊人的损失。在超过85度的热条件下，平均而言，玉米将使用比正常情况下多22.8％的水或大约26.25英寸的水，从而造成水分不足。通过技术的实施，据推测，需水量在非灌溉田地可以减少4-6％。对于灌溉田地，这些节省可能意味着在诸如柴油燃料、劳动力、拖拉机使用和维修的投资的可变成本的直接减少。根据本发明的实施例的方面的技术也有助于防止或减少授粉期间对花粉粒的热损伤。干热使玉米花粉脱水，并且在温度高于90度时，花粉活力下降到约45％，而100度的温度使活力降低至约15％。遮蔽的实施将降低温度，以使得由于热压力造成的花粉损失是最小的。在2012年，许多玉米带州经历了干旱，干旱负面影响了玉米产量。我们推测，在此所描述的系统和方法的实施可以帮助减轻干旱对玉米产量的负面影响。对于灌溉和非灌溉田地，玉米需水量可减少高达18％。图3和图4所示的图形示出与爱荷华州的从2012年的实际值相比的降水和温度平均值。图5所示的图形提供了爱荷华州的从2012年的缺水量的图形描述。在2012年，非灌溉田地在作物发育的关键时刻由于严重的干旱压力而表现不佳，在爱荷华州的一些区域，产量下降差不多约35％。我们预测，如果实施在此所述的系统和方法，由于在阴影下的减少的需水量和降低的热压力的结合，非灌溉田地的损失可能已减轻多达7-12％。这是保守的预测。此外，玉米是一种具有宽大的叶子的非常头重脚轻的作物；这两个因素相结合，使其特别容易受到冰雹伤害。图6所示的图形显示了在生长季节的过程中，有多少可能的产量可能会与落叶率相应地下降。落叶被认为等同于较大的玉米损害。这是针对玉米发育的许多不同阶段显示的。在任何百分比的冰雹灾害，在抽穗和吐丝阶段继续到灌浆阶段期间出现最大的负面影响。在玉米生长初期，冰雹灾害没有巨大的负面影响，因为玉米仍能恢复，但是，随着植物生长得更高，它变得更容易受影响，并且一旦抽穗和吐丝发生，冰雹具有巨大的影响。穗和丝是脆弱的，很容易被破坏，从而降低粮食产量。此外，玉米在灌浆时期直至马齿化阶段期间极易受到冰雹的伤害。我们假设，该技术通过在玉米发育的这些时期期间阴影(玉米的覆盖)的百分比的增大可以帮助降低冰雹的危害。因此，作为太阳能面板放置的附加的副作用，季节将导致对冰雹灾害的较低的产量损失。玉米在抽穗和吐丝阶段期间最有危险，再次由于以下事实：植物已经没有时间来从损害中恢复。如果叶子在植物还很年轻的时候被破坏，作物可以恢复。在冰雹方面，在六月、七月和八月期间，玉米最易受到冰雹伤害，严重的冰雹灾害和作物的落叶导致产量的完全损失。根据本发明的实施例的特定方面的方法，一旦冠层形成，将开始对作物开始遮蔽，并将稳定地增加遮蔽直到50％。这种遮蔽的增加与作物对冰雹灾害的敏感性相关联。我们假设，阴影的百分比将与冰雹灾害的防护直接相关。例如，如果雹暴在抽穗阶段期间发生，对于被影响的植物来说，通常使得植物落叶50％，导致产量的25％的下降，而将代替的是，对于那些被影响的作物，将仅使作物落叶25％并导致产量的10％的下降。风压力和土壤侵蚀仍然是作物产量的进一步挑战。风障是用来减少和重定向风的屏障。它们通常包括树木和灌木，但也可以是多年生或一年生作物和草、篱笆、或其他材料。风障的最重要的因素是其高度，因为其影响最多的区域。风速可以在比风障高两倍至五倍的区域中降低，并且所使用的风障越多，其是合成的。除了高度之外，使风障有效的主要因素是风障的密度、它们如果定向和它们的长度。风障后面的风速的降低会导致保护区内的小气候的变化。温度和湿度水平通常增大，减少蒸发和植物水分损失。针对给定的风障的实际温度改变取决于风障的高度、密度、方向和一天的时间。在风障的背风的10h内每天的空气温度一般比开阔区域中的温度高几度。超过10h，地面附近的空气温度倾向于在白天更冷。在大多数夜晚，在掩蔽区域(0h至30h)中的地面附近的温度比在开阔区域中稍微暖和。然而，在非常平静的夜晚，掩蔽区域可能比开阔区域冷几度。在掩蔽区域中的土壤温度通常比非掩蔽区域稍微暖和。利用这些较高的温度可以允许以短的生长季节在区域中的较早种植和发芽。在靠近东西风障的区域中，由于风障反射的热量，土壤温度明显地在南侧更高。较高的湿度减少植物水分利用的速率，所以生产比在非掩蔽区域中更有效。然而，如果风障太密，并且湿度水平变得过高，疾病可能成为某些作物的问题。产量通常在紧邻风障的区域中减少，但从风障的逆风和顺风的区域都会看到整体产量的上升。这是由于许多因素，包括增大的湿度、土壤侵蚀的减少、以及风有关的损害的减少。关于离风障的距离的产量增加在图7中呈现。根据本发明的实施例的特定方面部署的系统和方法具有在不伤害作物或减少产量的情况下减少对种植玉米的农民的风险的可能性。通过减轻由于热压力、干旱压力、风和冰雹灾害造成的损失，可以减少影响，导致增加的产量。在此所描述的覆盖百分比遵循上述杜邦研究确定的局限。这项特殊的研究使用了恒定阴影模型，其在植物处强加特定光水平。由于这里公开的技术可以容易地被配置到不同的光水平，因此发明人认为，百分比是高度保守的。大豆是可能受益于在此描述的系统和方法的另一示例性作物。大豆是美国第二大种植作物。在2013年，少量超过32亿蒲式耳被生产用于消费和牛饲料。在大豆生长期间，存在可能降低产量的许多风险，诸如干旱、冰雹和极端温度。在此公开的系统和方法可能降低这些风险的影响，而且具有将太阳能成本降低至更实惠的价格的额外好处。大豆植物是高度依赖于光周期和温度的短日照开花作物。存在十个不同的成熟组，其在生理上习惯于在特定地区生长。这些地区根据该地区在一年中接收阳光的小时数由纬度划分。在这些成熟组中，有超过2500个不同的品种。大豆是独特的，在于从一个生长阶段到另一个生长阶段的演替除了取决于足够暖和的温度以外，还取决于整个生长季节的日照时间的变化。如果通常在南方种植的大豆品种在北方种植，这将导致较长的营养生长阶段和较晚的成熟，因为这种品种在生理上适应较短的白天和较高的温度。相反，如果通常种植在北方的大豆品种在另一个南部地区种植，则作物将开花更快并且成熟更早。这是因为作物适应更长的白天和较冷的温度。大豆发育可分为营养生长阶段和生殖阶段。存在两种主要类型的大豆：不确定型和确定型大豆。确定型在植物进入生殖阶段就停止营养生长，并最通常地种植在更南部的地区。然而，不确定型继续很好地生长植物至生殖阶段并更通常地种植在更北部的地区，例如，中西部。营养生长阶段开始于植物的出苗(ve)。接下来，植物进入vc阶段，在此期间，单叶叶片从植物展开。以下阶段的命名系统遵循基于展开的三出复叶的数量的数字系统。它开始于v1(第一个三出复叶的展开)至vn(第n个三出复叶的展开)。一旦在任何节点上存在至少一朵花，生殖阶段开始(r1)。当在两个最上面节点中的一个上存在开放的花朵时，植物进入r2(全开花)。一旦豆荚在四个最上面节点中的一个处为3/16英寸，r3(开始结荚)开始。一旦豆荚在四个最上面节点中的一个处为3/4英寸，r4(完全结荚)开始。一旦植物进入r5(开始结籽)，种子在主茎上的四个最上面节点中的一个处的豆荚中为1/8英寸。一旦在主茎上的四个最上面节点中的一个处的豆荚包含填充豆荚至饱和容量的绿色种子，植物进入r6(全部结籽)。一旦主茎上的至少一个正常豆荚达到其成熟豆荚颜色，r7(开始成熟)开始。一旦95％的豆荚达到它们的完全成熟颜色，最后阶段r8(完全成熟)开始。存在许多时期，在此期间，通过在此描述的系统和方法的部署的遮蔽可以在大豆发育期间实施。从种植到出苗(ve)，植物将被遮蔽25％；这将有助于确保土壤保持潮湿，这对于大豆发芽来说是非常关键的需求。种子吸收其重量的大约50％的水。土壤温度将需要由农民监测，因为低于50f的温度可以减缓或终止种子的发芽。从ve到v6不会有阴影，因为冠层尚未完全形成并且完整的光截获对于发展植物内的光合作用工厂是重要的。一旦冠层在v6阶段完全形成，遮蔽将以25％开始施加并且增加增量到50％，直到r3阶段。阶段r3-r6对于大豆产量是非常关键的。正是在这个时期，豆荚生长和种子填充发生。此外，一旦植物进入生殖阶段，光合作用的速率就会增大。大豆产量与作物开花后立即捕获辐射的能力有关。因此，在阶段r3-r6期间，施加零阴影以确保最佳产量。一旦植物达到r7，100％阴影可以被施加直到收获，因为光合作用基本停止并且生理压力不会减少产量。图8所示的图形提供了大豆遮蔽模式的图形描述。大豆高度依赖于发育演替的光周期。早期开花与较高的产量有关。花通常接近夏至被激发，即6月21日，因为白天开始变短。随着白天不断缩短，这导致植物进入生殖阶段的不同阶段。最近的研究显示，短的白天比较长的白天引起更大的种子填充效率(多少花发育成完全成熟的种子)。典型的大豆植物将在豆荚开始形成之前使其花朵的60-75％中止。如果该数目可以增大(种子填充的效率)，则将导致更大的产量。另外，过去的研究显示，开花后的较长的光周期延长生殖阶段，随之导致豆荚和种子数的增加。总体而言，较长的生殖阶段导致更大的种子填充和随之而来的产量。我们推测，通过在v6处开始遮蔽，我们可以促进早期开花。根据kantolic，遮蔽没有显著减少每个植物的节点的数量(节点等同于豆荚可以发育的最大数目)。然后，一旦植物开始发育豆荚，通过减少阴影，生殖阶段的总长度将被延长，从而使豆荚和种子填充的时间更长。kantolic发现较长的生殖阶段相当于在更短的时期内增加光合作用。利用较长的光周期，每个节点的豆荚的数量因此增加。因此，大豆植物的实际产量将可能由于变化的遮蔽模式而增大。在大豆发育中存在针对水分压力的两个关键阶段。第一个关键阶段发生在种植期间，种子吸收其重量的50％的水，这是出苗所需要的。第二个关键阶段出现在从开花到豆荚填充。该时期通常持续约8-10周，并且单独的植物每天使用1/4-1/3”的水。在该期间的干旱导致花和幼荚夭折。每个豆荚的种子的数量是遗传特性，但是，种子的重量和大小取决于生长季节的过去3-4周的环境条件。从种子填充的第二到第四周，39-45％的产量下降可能在存在四天的可见水分压力时发生。通过使用在此描述的系统和方法所提供的遮蔽和温度的减小，通过降低蒸腾速率和土壤蒸发来实现降低的干旱风险。蒸散是蒸发和蒸腾的综合效应。水通过气孔离开植物，钻入植物的叶子中，叶子允许二氧化碳和水交换。大豆中的气孔在光下打开，在黑暗中关闭。与玉米类似，在此描述的系统和方法有助于减轻和平衡蒸散的危险程度，从而有助于防止植物枯萎和死亡。大豆植物同样是在r5期间最易受冰雹灾害影响的。在这个阶段，由于冰雹灾害造成的落叶可以大大减少产量，因为叶子正在进行光合作用以将氮和淀粉添加至种子(种子填充)。例如，在r5期间的50％落叶期间，可以存在产量的17％下降。虽然在此所描述的系统和方法可能无法在最关键的时期实施，但它仍然存在于其他阶段，以防止因冰雹而对作物造成不必要的损害。作物在任何阶段都容易受到冰雹灾害而造成产量损失。我们假设，在此所描述的系统和方法将能够减轻这些风险，可能减少极端冰雹伤害的机会。与玉米类似，我们假定，阴影的百分比将与冰雹灾害的防护直接相关。例如，在r5期间，50％落叶导致不确定型大豆品种的17％产量损失。然而，利用在此所描述的系统和方法，这将被减少至10％至12％的产量损失。图9的图形提供了在不同生长阶段期间与落叶百分比有关的大豆产量损失的描绘。根据本发明的实施例的特定方面提供的系统和方法由此具有减少干旱、极端温度和冰雹对大豆产量的风险的可能性。ii.用于在作物管理中使用的太阳能收集阵列系统前面的讨论使得可以通过以下获得的好处变得清楚：针对各种作物的阴影和保护覆盖环境的封闭管理以优化作物产量，以及特别地使用太阳能收集阵列以提供这种阴影和保护覆盖环境。然而，市售的太阳能收集器自身不支持这种用途，因为它们是通常固定的、一般不灵活的安装，其太笨重而不满足以下需求：快速布置、撤回和改变位置以改变传递至作物的光量，针对快速变化的天气条件保护作物，并且保护阵列结构本身以防止不利的天气条件。图10至19示出用于与根据本发明的实施例的特定方面的太阳能收集阵列系统一起使用的太阳能收集器的各个方面。该系统被配置为在不移除安装设施的情况下允许阵列从作物移除，安装设施布置在作物耕种水平之下的土地中(根据特定作物优选地为大约10-12英寸)。阵列和安装柱可以从土地中支架移除，以使得田地可以被耕耘和/或收获。同样，支架本身可以被压缩至土地中以用于耕种，并且可以在耕种后被重新部署至地面之上的阵列接合位置。通过特别参考图10至15，根据本发明的实施例的特定方面的太阳能收集阵列包括可展开的、可移除的、安装于杆上的太阳能收集器(整体以100示出)，其可从展开位置(在图10中示出)重新配置为折叠的收缩位置(在图15中示出)。图11至15示出从图11的全展开至图15的全收缩的处于折叠的进展阶段的太阳能收集器100的面板阵列150(每个图提供顶视图和侧视图)。在图10的展开位置，太阳能收集器100最大化太阳能的收集以产生电力并同时用作用于位于阵列之下的作物的阴影、风障和冰雹屏蔽。太阳能收集器100包括安装在半柔性的支撑杆110上的面板阵列150，从而允许在大风条件下太阳能收集器100弯曲并且面板阵列150部分收缩以防止对组件的损坏，但是同时提供足够的支撑以在处于正常环境条件时保持面板阵列150直立。同样，在图15的收缩位置，面板阵列150在最大化对组件周围的作物的日照的同时保持“准备展开”状态。支撑杆110具有开放的中空底部，允许其被插入至伸缩基座200的伸缩安装柱250上，如以下更详细论述的。此外，每个面板阵列150包括单独的面板160，面板的每一个在内端处可滑动地附接至支撑杆110，从而允许每个单独面板160的内部部分上下移动。面板160可以包括不同的面板部分162，并且每个单独面板160优选地具有略微凹形的轮廓(如在图11(b)的面板阵列150的侧视图中最好地看出)。如在图10和11(a)中最好地观察到，每个面板160还随着其接近支撑杆110而变窄。此外，如图11至15最好地看到，每个面板160优选地具有折叠的外边缘164，其可以帮助面板阵列150上和周围的空气和水流动。可选地，面板部分160可以是可移除的，以使得每个面板部分160可以可选择地替代为专门配置的面板，其基于特定作物的需求来控制光水平和水(扩散)。如上所述，根据本发明的实施例的特定方面的太阳能收集器100包括伸缩基座、柔性塑料支撑杆110、以及面板阵列150。面板阵列150包括多个独立面板160，其在每个面板160的顶部表面上承载光伏电池。如在图16(a)的侧视图中示出，伸缩基座200包括固定的主管210以及可从主管210的一个端部211延长的伸缩安装柱250。固定的主管210被配置为放置在土地内以使得主管210的端部211位于地面之下。由此，当可展开的可移除的太阳能收集器100不使用时，伸缩基座200将不会干扰在安装了伸缩基座200的作物田地中操作的犁或其他设备。通过非限制性示例，当伸缩安装柱250处于图16(a)所示的缩回位置时，安装柱头252(以前的伸缩基座200的最高尖端)可以放置在地面以下约10至12英寸(根据特定作物)。为了帮助将伸缩基座200放置在土地内，螺杆212围绕主管210的外周延伸以帮助将主管210放置在土地中并在这样的放置之后将其保持就位。电导管214也被设置并从主管210的顶端延伸至主管210的底端以将电力提供至主管210内的螺线管驱动的释放件，如在下文更详细论述的。这种电导管214优选地被配置为电连接至电源线(未示出)，其可能安装在地面之下以将多个太阳能收集器100互连至单个电力和控制源。如图16(b)所示，当期望安装太阳能收集器100时，伸缩安装柱250从主管210的内部释放并在压缩弹簧254(图17和18，在下文更详细论述)的力下自动向上延伸至图16(b)所示的伸展位置。上部轴杆支撑件216位于主管210的顶端，并随着伸缩安装柱250从主管210延伸提供用于该伸缩安装柱250的引导件。不透水密封件可以可选地以允许伸缩安装柱250的容易移动的任何常规构造设置在伸缩安装柱250和上部轴杆支撑件216之间。一旦展开至图16(b)所示的位置，伸缩安装柱250可以可移除地放置在太阳能收集器100的支撑杆110的开放的中空底部112内。图17提供整个伸缩基座组件200的部分截面图，以及图18提供基座组件200的各个部分的特写部分截面图。继续参考这些图，锁紧组件300设置在主管210的底部内部端，其中锁紧组件300可释放地保持安装柱250的底端251向下并处于抵制压缩弹簧254的偏置的其完全缩回位置。当安装柱250从锁紧组件300释放时，压缩弹簧254被配置为将安装柱250向上驱动至其伸展位置(图16(b)示出)。更特别地，圆环形式的柱承载件256被固定至安装柱250的外部，其底面提供抵制压缩弹簧254的反应表面。压缩弹簧254的相对端部抵制下部轴杆支撑领258定位，其中领258固定地安装至固定主管210的内部。由此，当锁紧组件300释放安装柱250的底端251时(如下文更详细论述的)，压缩弹簧254推向柱承载件256的底部以经由上部轴杆支撑件216向上并朝向其伸展位置推动安装柱250。锁紧组件300在图19中更详细地示出，并且包括固定至安装柱250的底端251的轴杆锁紧环302，锁紧环302承载通过主管210的内部的安装柱250的底端251。电子供电的螺线管304位于主管210的底端，并且与电导管214进行电连通。电导管214优选地沿着在螺杆212与主管210的外部的交叉处形成的螺旋平面延伸螺杆212的全部长度，并且在主管210的底部在内部延伸至接触螺线管304。优选地，主管210的底端用可移除端帽封闭以允许对锁紧组件300的服务访问。螺线管210的致动器固定至滑动圆块306，滑动圆块306安装在凸轮支撑条308上以在主管210内可滑动地移动。内部凸轮臂310在一个端部枢转地结合至滑动圆块306，并且在相对端部结合至凸轮锁紧件314。同样，外部凸轮臂312在一个端部枢转地结合至凸轮锁紧件314，并且在相对端部结合至支撑条308。当安装柱250处于其完全缩回位置时，凸轮锁紧件314接合轴杆锁紧环302的底端。当螺线管304被供电时，其致动器向下拉滑动圆块306，继而将每个凸轮锁紧件314从与轴杆锁紧环302的接合枢转出去，继而允许压缩弹簧254朝向其伸展位置向上驱动安装柱250。优选地，轴杆锁紧环302包括锁定条303，其可以手动地接合下部轴杆支撑领258以将安装柱250锁紧在其伸展位置。由此，一旦安装柱250被压缩弹簧254推向至其伸展位置，安装柱250可以被手动抓住，转动通过例如右手1/4锁定转动以使得锁紧环302上的锁定条303接合下部轴杆支撑领258上的锁定表面。这将垂直地将安装柱250锁定就位，除非安装柱250在相反方向上被手动转动以从下部轴杆支撑领258解锁轴杆锁紧环302。当期望对部署这种太阳能收集器100的田地进行犁地时，太阳能收集器100可以从基座200的安装柱250移除，并且安装柱250可以向下推至主管210中，压缩弹簧254并接合轴杆锁紧环302上的凸轮锁紧件314。前述组件以及优选地如上配置的多个组件被放置在农田中。因为作物可以受益于特定环境条件下的遮蔽，面板阵列150的部署可以被控制以最大化位于组件下面的作物的有益的遮蔽、风防护、以及冰雹防护。特别地，面板阵列150可以被展开和缩回以匹配已知为最大化作物产量的针对特定作物的最佳阴影曲线。现在已经全部阐述了在本发明下的优选实施例和概念的特定修改，各种其他实施例以及在此所示出和描述的实施例的特定变形和修改对于熟悉所述基本概念的本领域技术人员是明显发生的。因此，应当理解，本发明可以以除了在此具体阐述以外的方式实施。当前第1页12