CN106659135A - 用于深水栽培水耕法的互锁筏 - Google Patents

Abstract

水耕生长系统的具体实施方式包含筏区段，所述筏区段可以可翻转方式附接在一起以形成筏。筏可具有用以支撑植物体的一个或多个植物孔和用以提供从所述筏下方到上表面的气体输送以控制所述植物的温度和湿度的一个或多个热烟囱。额外的具体实施方式包含：无线传感器，其可能是或可能不是筏的部分；以及生长环境控制系统，其可从植物的环境条件的一个或多个传感器接收数据，并且在其它具体实施方式中，可检测实际环境条件和所要条件之间的差异。在更进一步的具体实施方式中，生长环境控制系统可自动调整致动器以使环境条件返回到所要状态。

Description

用于深水栽培水耕法的互锁筏

优先权的主张

本申请主张由发明人James P.Day在2014年8月21日申请的名称为“InterlockingRaft for Deepwater Culture Hydroponics”的第62/040,311号美国临时专利申请的优先权。本申请以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于种植植物的水耕系统。具体来说，本发明涉及用于深水栽培水耕法的系统和经改进筏。

背景技术

随着人类人口的增加，农业生产越来越受到可耕土地和对足以灌溉供人类消耗的作物的水的存取的限制。在许多国家中，可耕土地和水的限制都促生了关于边界、取水权和粮食分布的纠纷。

解决粮食生产、粮食安全和分配问题的一个方法是使用不需要土壤的水耕种植系统。许多年来，浮筏系统一直用于深水栽培(DWC)水耕种植系统(也被称作浮筏系统)，因此水耕法在许多国家中一直都有使用，并得到更加可靠的粮食生产。

发明内容

本人已经意识到本领域中的一个新问题，即现有的水耕法的筏系统遭受筏上非所要的藻类生长和对生长条件的不一致性且可变温度控制。本人也已经意识到本领域中的另一问题，即在现有系统中，水中的藻类生长争夺养分和氧气两者，这在之后会产生促使根腐烂以及池塘中颗粒物质增加的缺点。本领域中的另一问题是，现有温室在热条件下易于过度加热空气，伴以之后的作物损耗。

为了解决这些和其它问题，本人已经设计出一种新类型的浮筏系统。新系统包括一系列单个筏部分，它们可彼此附接以形成更大的筏。在一些具体实施方式中，每一筏部分可具有一系列互锁连接件，其中两个或两个以上筏可通过“突片&突片空白”互锁连接件就地固持以形成在它们之间只有极少间隙或没有间隙的更大筏结构。在其它具体实施方式中，筏部分可使用线、钉或系结而固持在一起。在一些方面，此类筏可经设计和制造以完全覆盖DWC槽(或“池塘”)的顶表面。这个特征可大体上降低光穿透到池塘中的能力，并且在可用光减少了的情况下，藻类生长可以大体上减少。减少藻类生长会降低来自池水中的养分和经溶解氧气的损耗，所述养分和经溶解氧气转而可由经栽培植物使用。

本发明的其它方面包含用于待种植的植物的包括孔的新型筏设计，并且还包含其它孔(或“热烟囱”)，所述其它孔经设计以改进用于种植植物的池塘和正好在池塘上方的空气层之间的热传递。在热生长条件中，其中植物体的温度可能是非所要的过高，热烟囱可为冷却气泡从池塘朝上转移到植物体的部位，由此将围绕植物体的大气维持在种植植物所要的温度和湿度，并且热烟囱可提高效率和减少整个生长时间。

在一些方面，较大且相对连续的筏和在植物孔区域中热烟囱的存在的组合可有利地将池塘中的气泡导向热烟囱，并因此导向植物体。筏可能需要覆盖池塘表面的至少大部分。在此类情形中，气泡仅具有有限的通道供其逸出到大气中，如果气泡含在筏的下方，那么它们将更有可能经由热烟囱离开池塘。在一些方面，筏系统可几乎完全覆盖池塘表面，由此增加气体从池塘到围绕植物体的大气的转移。

本发明的系统的一个优点是根的温度在68℉或在68℉附近进行更好优化，这使得植物叶子能够承受更高的温度。使用本发明的系统和方法可使用比常规系统少得多的水和土地。并且，水耕种植系统在与受控环境温室组合时可提供高效生产，所述高效生产是现在“本地”温室种植者在大部分气候条件下以高容积方式可提供的全年生产产量。

在寒冷气候条件中，可能需要将温室内的空气加热到65到70℉，这比加热水更加昂贵。在水升温到68℉的情况下，热烟囱可随后将相对温暖的气体从池塘引导到种植植物体，并且因此将它们维持在更合适的温度。因此，本发明的各方面准许在成本减少下的更理想的温度调节、减少植物损耗，并由此增加产量。

方面

本文所公开的各方面仅用于说明，而并不意图限制本发明的范畴。实际上，在不脱离本发明的范畴的情况下，本领域技术人员可通过将各方面完全或部分地组合在一起来调适它们。

第一方面包含用于深水水耕栽培的筏区段，包括：

具有自其穿过的多个第一孔的易浮材料片材，所述孔中的每一个经调适以固持植物体，其中所述植物的根悬浮于具有水的槽或池塘中；以及

穿过所述片材的一个或多个第二孔，其经调适以将气体从所述槽或池塘传输到大气；以及

一个或多个突片，其经设定大小以插入相邻筏区段的突片空白。

另一方面包含第一方面的筏区段，所述片材具有底部面，所述底部面具有涵盖所述多个第一孔和所述第二孔的凹陷部分。

另一方面包含上述任一方面的筏区段，所述片材具有顶部面，所述顶部面具有涵盖所述多个第一孔和所述第二孔中的一个或多个的升高部分。

又进一步的方面包含任一先前方面的筏区段，所述突片和空白是圆形的。

更进一步的方面包含任一先前方面的筏区段，所述易浮材料包括开孔聚合物泡沫或闭孔聚合物泡沫。

另一方面包含任一先前方面的筏区段，其中所述泡沫聚合物选自聚苯乙烯(“PS”)、膨胀聚苯乙烯(“EPS”)、聚苯乙烯共聚物、聚苯乙烯复合材料和生物塑料。

又进一步的方面包含任一先前方面的筏区段，其中所述多个植物孔中的至少一个在顶表面处具有比底表面处的直径大的直径。

更进一步的方面包含任一先前方面的筏区段，其中所述第二孔在底表面处具有比顶表面处的直径大的直径。

另一方面包含用于深水水耕法的筏区段，包括：

具有自其穿过的多个第一孔的易浮材料片材，所述孔中的每一个经设定大小以固持植物体，其中所述植物的根悬浮于池塘中，其中所述片材具有一个或多个附接装置，所述附接装置经适当配置以将所述筏区段可翻转地附接到另一筏区段。

另一方面包含任一先前方面的筏区段，其中所述附接装置包括在所述片材的边缘上的突片，所述一个或多个突片经适当地设定大小以刚好放入相邻片材上的对应的突片空白中。

再另一方面包含任一先前方面的筏区段，其中所述附接装置选自钉、线、系结、钩和钩眼，以及

额外方面包含任一先前方面的筏区段，进一步包括一个或多个端盖，所述端盖具有至少一个突片或突片空白，所述突片或突片空白经适当地设定大小以与所述筏区段可翻转地啮合。

又其它方面包含任一先前方面的筏区段，其中所述区段的一个侧面没有突片或空白。

额外方面包含用于水耕法的筏，包括：

以可翻转的方式紧固在一起的多个筏区段，每一筏区段具有自其穿过的一个或多个植物孔，以及

自其穿过的一个或多个热烟囱。

另外的方面包含任一先前方面的筏区段，进一步包括附接到所述筏区段的顶部面或底部面的一个或多个传感器。

其它方面包含任一先前方面的筏区段，进一步包括选自温度传感器、氧传感器、二氧化碳传感器、导电性传感器、颗粒传感器、病原体传感器、养分离子传感器和pH传感器的传感器。

又其它方面包含任一先前方面的筏区段，进一步包括一个或多个传感器，所述传感器包括至少一个纳米传感器和无线发射器。

额外方面包含任一先前方面的筏区段，进一步包括发射器，所述发射器具有唯一互联网协议(IP)地址以使得筏可被识别和定位。

再另外方面包含任一先前方面的筏区段，进一步包括数据库，所述数据库含有从所述筏区段上的一个或多个传感器接收的信息。

另外的方面包含用于水耕法的系统，包括：

固持在一起以形成筏的一个或多个筏区段；

具有多个植物孔和多个热烟囱的所述筏；

一个或多个环境传感器，其用于测量所述筏的环境的环境变量；以及

平台控制系统，其进行以下操作：

存储或发射由所述一个或多个环境传感器捕获的远程位置信息；

将所述信息与先前存储的基准数据进行比较；以及

识别所述信息和所述基准数据之间的差异；以及

将一个或多个信号发射到螺线管、致动器或其它控制装置以调整环境从而使其在基准容限内。

额外方面包含任一先前方面的系统，所述一个或多个传感器附接到所述筏区段。

另外的方面包含任一先前方面的系统，进一步包括控制模块。

再另外的方面包含用于水耕栽培的方法，包括以下步骤：

提供任一先前方面的一个或多个筏区段；

将一个或多个植物栓塞放置在所述植物孔中的一个或多个中；

将所述筏区段放置在含有水的池塘表面上；以及

将所述筏区段连接在一起以形成筏。

又另外的方面包含任一先前方面的方法，进一步包括以下步骤：

使所述池塘中的水通气；以及

将养分提供到所述水中。

额外方面包含任一先前方面的方法，进一步包括：

使用一个或多个传感器测量一个或多个环境变量；以及

如果所述环境变量的程度在所要范围之外，使用致动器来调整所述环境变量的程度以使其返回到所述所要范围内。

又进一步的方面包含任一先前方面的方法，进一步包括以下步骤：

使一个或多个传感器将环境变量的测得值发射到具有数据库的远程位置，所述数据库含有所述环境变量的所要值，所述远程位置具有与所述数据库相关联的处理器；

使所述处理器比较所述环境变量的所述测得值与所述环境变量的所要值，以及

使所述处理器将指令发射到所述致动器以将所述环境变量的值调整到所要范围内。

额外方面包含任一先前方面的方法，其中一个或多个发射使用无线通信系统。

又其它方面包含任一先前方面的方法，其中远程位置为云(Cloud)。

额外方面包含任一先前方面的筏区段，其中所述植物体安置在所述植物孔中的筐内。

再另外的方面包含任一先前方面的筏区段，进一步包括离子传感器以测量氮、钙或钾。

附图说明

本发明参看其具体实施方式进行描述。参看图式可理解额外特征和特性，图式中：

图1A和1B以俯视图(图1A)和仰视图(图1B)方式描绘本发明的筏部分的示意图。

图2描绘连接在一起并且具有额外侧面部分的本发明的两个筏部分的示意图。

图3A描绘本发明的筏部分的对角侧视图，示出了空气阱、植物孔和两个热烟囱。

图3B描绘本发明的筏部分的对角侧视图，示出了空气阱、植物孔和两个热烟囱的替代性配置。

图4描绘用于啮合本发明的筏部分的替代性结构。

图5描绘具有配置成“文氏管”的植物孔的本发明的筏的侧面横向图。

图6描绘本发明的控制模块的视图。

图7描绘本发明的控制模块的另一视图。

图8描绘本发明的控制模块的再一视图。

图9描绘本发明的控制模块的又一视图。

具体实施方式

发明详述

定义

术语“筏区段”、“筏区部”和“筏部分”是指可漂浮在池塘中的水上的易于设定大小的材料块。当多个筏区段接合在一起时，它们形成“筏”。

术语“互锁浮体”是指其中具有“突片”和“突片空白”并因此准许将相邻的筏区段可翻转地互锁在一起的筏区段。

术语“植物栓塞”是指被塑形成刚好放入筏中的孔内的栓塞的培养基(例如，椰壳纤维、泥炭、合成物)。植物种子可并入到植物栓塞中。可替代地，幼苗可并入到植物栓塞中。

术语“植物孔”是指经配置以固持植物体的筏区段中的孔，其中植物的根悬浮在植物体下方，并且其中植物的叶子在植物体上方。

术语“热烟囱”、“热交换烟囱”、“烟囱”和“热孔”是指安置在植物孔之间的筏区段中的孔。此类热烟囱是气泡可采用的从池塘水逸出、上升穿过筏区段并由此在池塘水和植物叶子之间交换热的途径。

方面

用于植物的水耕种植的浮筏通常由浮在水上的聚苯乙烯材料制成。圆形或方形孔在筏上间隔开以允许存在成熟植物的空间。各种类型的培养基(例如，椰壳纤维、泥炭、合成物)被塑形成刚好放入筏中的孔内的栓塞。植物种子被放置在栓塞中，并且当它们生长时，根到达其上浮有筏的水中。

现有的筏可被制成若干形状和大小，但并不包含本文中所描述的创新。最广泛使用的筏中的一种具有48"x24"x1"筏的尺寸(例如，如加拿大的BeaverPlastics制造的)。这存在若干局限性，这些局限性是当前可用的其它筏形状所共有的。这些局限性中的一些包含：

1.深水栽培(DWC)槽中的筏常常沿着槽的边缘绑定，这限制了从槽的一个末端到另一末端的移动。有时，在槽里的水中使用机械装置以使筏与彼此保持对准。设备和其使用不仅昂贵，而且还会将金属污染物引入到生长环境中。为了最小化槽中的绑定，在它们之间的筏之间必须留有足够的空间(例如，大体上约1/8"到1")，即允许光进入水中的距离，由此促进了藻类污染，且准许气泡沿着池塘的未覆盖部分逸出。

2.池塘水的通气对维持根的健康并由此促进植物生长来说很重要。然而，在通气的情况下，空气压力可在筏下累积。这会导致筏上升到水表面的上方，其可损害根的健康，并且会延迟筏中的植物的生长。

3.由于筏的隔热值(例如，R7)，可产生热差。尽管这在某些情况中可能是优点，但当前它并不用于优化成熟化植物的生长。

4.由于用于当前的聚苯乙烯筏的聚苯乙烯的多孔且经常是粗糙的表面，藻类能够粘附到筏上，这促进了藻类生长并使得它们难以清除以重复使用。

实施方式

A.互锁浮体

互锁浮体可以类似于“拼图”块的方式设计，其具有“突片”和对应的突片“空白”以使得互锁浮体(或“筏区段”)可互锁在一起。它们可以被制造成任何大小，但是对DWC水耕池塘来说，24英寸方形是一个较好的大小。

筏区段和突片尺寸是可变的，突片和突片空白的数目也是可变的，但是易于设想和制造如图1A和1B中所描绘的每一侧上单个较大突片或突片空白。为了易于放置筏部分和从池塘中移除筏部分，可提供一定程度的松动配合。图1A和1B描绘其中每一侧上存在单个突片和空白的具体实施方式。在其它具体实施方式中(未示出)，可存在2个突片和2个对应的空白、3个突片和3个对应的空白，或任何更大数目的突片和空白，这取决于筏的大小以及如何将它们如所要的牢固地啮合到彼此。

图4描绘分别用于接合筏部分405和410的替代性啮合机构。如可见，突片415和空白420经弯曲和设计以在相邻的筏部分上插入它们相应的对应部分。

用于实际种植的典型的筏区段大小可为8英寸(8")乘8"、24"乘24"；或24"乘48"。在其它具体实施方式中，实际大小可为32"x24"，因为它将固持12个莴苣，12是一个盒子中所具有的数目。

筏的厚度还可选自多种选择。具有约1"的厚度的筏区段可能对于许多用途来说足够，特别是对于较小植物，而约2"或约3"的厚度可接纳具有更重植物的更大植物系统，因为更厚的筏可支撑更大的培养基栓塞和垂直更高的植物。

其它具体实施方式包含不是方形而是矩形的筏区段。本领域技术人员很容易设想基于在图1A和1B中表达的构想的矩形啮合筏。

在另外的具体实施方式中，可适当地使用六边形筏区段(各自具有六个侧面)。可了解，七个此类六个侧面的筏可与彼此啮合以形成用于DWC用途的连续平台。可了解，筏的整体形状可经调适以适配以不同方式塑形的池塘。

可了解，其它装置可用于将筏区段接合在一起。例如，线、绳或塑料系结、塑料钉、搭扣、钩和钩眼以及其它此类物可将筏区段可翻转地固持在一起。

B.筏区段中固持植物的锥形孔

图1A描绘具有开口的筏区段，其指示为用于植物培养基的方形。通常，它们可使约1"的方形孔的顶部开口在底部处逐渐变窄到3/4"，植物栓塞可因此进行牢固地安置，且不会滑动穿过筏并滑动到水中从而丢失。可了解，只要孔的顶部部分的横向尺寸大于植物孔的下部部分的横向尺寸，就可使用圆形孔、截头圆锥孔或其它配置。

在更进一步的具体实施方式中，如图5中所示，本发明的具体实施方式500可具有“文氏管”形状的植物孔，其中孔的中间部分525具有比孔的顶部520或底部530的尺寸窄的横向尺寸。此类配置可提供筏孔中的植物的稳定悬浮，但准许植物的顶部和其根二者随着植物生长的扩增。

C.筏下的空气阱

在筏部分的顶部面上描绘的黑色方框(图1A)可指示高度为约1/4"到3/8"的2"到3"突起区域。筏的底部或水面上的黑色边框(图1B)指示到筏中的深度为约1/4"到3/8"的较大4"到6"凹陷区域，以提供用于通气气泡的空气阱。在使用时，通气或其它气体的引入在DWC池塘的水中提供一系列气泡，并且它们上升到筏的下侧。通过提供“气体阱”，气泡可被定位在筏下靠近植物处，并且可发现易于穿过筏区段中的热烟囱离开，以及可提供从池塘到上方植物叶子的热传递。可了解，在环境的温度是非所要的寒冷的情形中，池塘水中的热可通过穿过筏区段的气泡转移，并由此使上方植物叶子升温。

D.浮体中的热交换烟囱

图1B中的红色方框指示筏区段中的“热烟囱”或“空气孔”，其可具有多个大小和形状。在一些优选具体实施方式中，此类热烟囱可为方形，并且在底部上可具有约3/4"的尺寸，在顶部上可具有1/4"的尺寸，以允许从来到筏区段的下侧的通气气泡释放压力，并且还提供池塘中的水和筏区段上方的大气之间的热交换。然而，在一些具体实施方式中热烟囱可为非锥形，并且仍可提供从筏区段的下侧到筏区段的顶部的气体输送。热烟囱可安置在筏区段的突起部分内或安置在其外，并且可经设定大小以比植物孔更大、与其大小相同或比其更小。

在替代具体实施方式中，热烟囱可具有圆形、椭圆形或多边形横截面。在更进一步的具体实施方式中，可穿过筏区段插入一个简单的导管或“吸管”以准许筏下方的气体朝上穿过筏传递到区段的顶部。

图1B中，热烟囱示出为位于筏的底部上的凹陷区域内。所述凹陷准许在穿过热烟囱释放之前，采集围绕根底部的气泡。这个热烟囱操作以提供池塘水和正好在筏区段上方的空气之间的热交换。这个热交换可降低空气冷却和加热要求，以维持植物的最佳生长温度。当水温通常为65℉到68℉时，与筏区段上方的空气层的热差越大，可进行的热交换越多。还可了解，维持冷却器水温可增加水中经溶解氧气的量。

E.用于互锁筏的端盖

在一排此类筏区段的末端处，端盖套上互锁筏区段的突片和/或空白以使得筏的末端筏区段沿着DWC池塘的壁将具有连续边缘。端盖的目的是为了进一步最小化暴露于光的水面面积以阻止藻类生长。当暴露的水面减少，来自通气气泡的压力增加，这使得“热烟囱”更有效。端盖还可由聚苯乙烯制成以沿着一个边缘与筏互锁。它们可沿着池塘的侧面捕捉多个筏边缘。

此类端盖可沿着一大群的互锁筏区段的边缘将多个互锁筏区段连接在一起，以沿着DWC池塘壁形成连续边缘。使用端盖和互锁筏区段可最小化暴露于光的水面面积，这可减少藻类生长。并且，因为最小化了水面面积，所以来自通气气泡的空气压力可增加，并促使更多气泡穿过热烟囱以在筏上方提供类似于下方热区域的热层。

可替代地，图1A和图1B中所描绘的筏可在一排筏的任一末端处使用、可被制造成在筏的一个侧面上没有空白120和突片115以使得沿着槽壁不需要“端盖”。

F.筏材料

可使用任何方便的材料制造筏区段。在一些具体实施方式中，筏区段可由聚苯乙烯或其它合适的塑料、树脂或生物塑料材料制成，优选地具有比水小的密度。在其它具体实施方式中，筏区段可由木头制成。在更进一步的具体实施方式中，筏可由具有接近水的密度或大于水的密度的密度的材料制成，而且在每一边缘上具有突起“唇缘”；此类具体实施方式将通过简单的排水而浮在水上(根据Archimedes原理)，并且通过类似于常规船的方式的方式，由所排出的水施加的所得向上力提供浮力。

1.聚苯乙烯

尽管聚苯乙烯(“PS”)可能是最常见的材料，但是还存在可供使用的数千种变化形式和替代性材料。由单体苯乙烯制成的各种类型的芳香族聚合物；共聚物类，例如聚丁二烯和膨胀聚苯乙烯泡沫(“EPS”)、挤塑聚苯乙烯泡沫(“XPS”)、聚异氰脲酸酯泡沫、聚氨基甲酸酯泡沫或复合材料蜂巢(“HSC”)。以及例如，为塑料的一种形式且来自可再生来源(例如玉米、植物油或玉米淀粉)的生物塑料。

聚苯乙烯是由石化液体苯乙烯单体制成的合成芳香族聚合物。聚苯乙烯可为坚硬的或发泡的。通用聚苯乙烯是透明的、硬的和脆性的。它是一种每单位重量极其便宜的树脂。它不能很好地屏蔽氧气和水汽，并且具有相对较低的熔点。聚苯乙烯是最广泛使用的塑料中的一个，其生产规模是每年数十亿千克。聚苯乙烯可为天然透明的，但也可利用着色剂着色。用途包含保护性包装(例如封装花生和压缩光盘(“CD”)或数字视频光盘(“DVD”外壳)、容器(例如“蛤壳”)、封盖、瓶子、托盘、玻璃杯和一次性餐具。聚苯乙烯用于高度易燃的B型凝固汽油，其中它构成配制物的约46％。

聚苯乙烯在室温下处于固态(玻璃态)，但如果它被加热到高于约100℃(其玻璃态转变温度)，那么它会流动。当冷却时，它会再次变硬。这个温度状态用于挤塑，还用于模塑和真空成形，因为它可被浇筑到具有精细细节的模具中。

聚苯乙烯生物降解得极其缓慢，并且因此成为争议焦点，因为作为垃圾的一种形式，它经常大量存在于户外环境中，特别是沿着海岸和水路，尤其是以其泡沫形式。

在更进一步的具体实施方式中，可使用“闭孔泡沫”。闭孔泡沫可适用于其中开孔泡沫可能积水并失去浮力的情形。闭孔泡沫可提供浮力，但相比于典型聚苯乙烯泡沫，其相对较软和柔性。挤塑闭孔聚苯乙烯泡沫以陶氏化学公司(Dow Chemical Company)的商标出售。

膨胀聚苯乙烯(EPS)是一种坚硬和坚固的闭孔泡沫。它通常是白色，且由预膨胀聚苯乙烯珠粒制成。EPS用于一次性托盘、板、碗和杯子；以及用于外带食品包装(包含普遍被称为“蛤壳”的附有接盖的容器)。其它用途包含用于建筑物隔热的模制片材和用于以缓冲盒子内部的易碎物品的封装材料(“花生”)的模制片材。片材通常被包装成硬镶板(rigidpanel)(在美国，大小为4乘8或2乘8英尺)，其也被称作“粒状板”。除了聚苯乙烯泡沫之外，还可使用其它塑料的“开孔”泡沫。

2.共聚物类

纯聚苯乙烯是脆性的，但是足够硬，可通过给予它更加弹性的材料(例如聚丁二烯橡胶)的属性中的一些而制造出相当高性能的产品。通常由于聚合物不可溶性上的分子间作用力的放大效应(见塑料再循环)，不可能混合两个此类材料，但是如果在聚合期间，添加聚丁二烯，那么它可以化学方式键合到聚苯乙烯，形成接枝共聚物，其有助于将常态聚丁二烯并入到最终混合物中，从而产生高抗冲聚苯乙烯(“HIPS”)，其经常被称作“高抗冲塑料”。HIPS的一个商业名称是HIPS的常见应用包含玩具和产品外壳。在生产中，HIPS通常是注塑成型。高压釜处理聚苯乙烯可压缩和硬化材料。

若干个其它共聚物还与苯乙烯一起使用。丙烯腈丁二烯苯乙烯(“ABS”)塑料类似于HIPS：丙烯腈和苯乙烯利用聚丁二烯强化的共聚物。电子装置外壳可由这种形式的聚苯乙烯制成，许多下水道管道也是这样。还可使用苯乙烯和丙烯腈(“SAN”)的共聚物以及苯乙烯顺丁烯二酸酐(“SMA”)共聚物。

苯乙烯可与其它单体共聚；例如二乙烯基苯可用于交联聚苯乙烯链以得到用于固相肽合成的聚合物。

3.拉伸聚苯乙烯

通过拉伸挤塑PS膜产生拉伸聚苯乙烯(“OPS”)，这通过降低浑浊度和增加硬度来提高贯穿材料的可见度。这经常用于其中制造者希望消费者看到密封产品的包装。OPS的一些益处是其产生比其它透明塑料(例如，PP、PET和HIPS)更便宜，并且它比HIPS或PP更不浑浊。OPS的主要缺点是它的脆性。它将容易开裂或撕裂。

4.复合材料

结构隔热板(或结构隔热板；“SIP”)可被制造为复合建筑材料。它们包括夹在两层结构板之间的相对坚硬的核心的隔热层。板可以是钣金、胶合板、水泥、氧化镁板(MgO)或定向刨花板(“OSB”)，并且核心可以是膨胀聚苯乙烯泡沫(“EPS”)、挤塑聚苯乙烯泡沫(“XPS”)、聚异氰脲酸酯泡沫、聚氨基甲酸酯泡沫或复合材料蜂巢(“HSC”)。

5.生物塑料

生物塑料来自可再生来源，例如玉米、植物油或玉米淀粉。它们不同于由石油制成的标准塑料，在过去几十年的社会中，我们都依赖于所述标准塑料。例如，现今许多透明塑料容器由聚乳酸(“PLA”)制成，所述聚乳酸是一种由玉米制造的树脂。

G.筏区段的制造

这存在可用于建构筏区段的数种制造技术，包含挤塑、注塑成型、吹塑、真空成形、拉伸和模塑。

1.注塑成型

注塑成型(也被称作“注射模制”)可利用多种材料执行，包含金属、玻璃、弹性体、糖果剂，以及通常地，热塑性和热固性聚合物。存在许多用于注塑成型的树脂和塑料添加剂的商业供应商。

在其它具体实施方式中，可使用注塑成型技术制造具有将水隔离的外皮的蜂巢漂浮结构。类似地，可使用吹塑方法并利用上述材料中的一些来制造浮筏。

在一些具体实施方式中，经济的系统很可能是模制聚苯乙烯方法。对种植植物来说，这些筏可为易浮的、隔热的和惰性的。可生物降解泡沫包装可用作泡沫聚苯乙烯的替代物，并且可由来源于甘蔗加工的材料制成。许多注塑成型树脂可商购(Prospector，IDES.com；Innovadex.com)。

2.塑料吹塑

吹塑是其中将热和压力施加到被挤塑成称作“型坯”的圆柱形管的粒化热塑性材料上的转换过程。熔化的“型坯”悬浮在围绕其封闭的铝模具内。模具半部利用较大液压机而固持在一起，同时空气被注入到所述部分的中心中，促使塑料向外推送并复制模具的空腔。除了实际部分空腔之外，模具具有水线以帮助冷却和固化所述部分。用于吹塑的典型材料包含聚丙烯(“PP”)、聚乙烯(“PE”)、聚对苯二甲酸乙乙酯(“PET”)和聚氯乙烯(“PVC”)。

3.模制纸浆对比膨胀聚苯乙烯

膨胀聚苯乙烯(“EPS”)包装历史上一直是在分配中保护产品的普遍选择。然而，上升的石油价格和朝向使用环保产品的种植趋势已经引起模制纸浆包装的使用的增加。

4.不透明筏区段

在某些具体实施方式中，可能希望利用不透明材料或以另外方式减少光的透射的材料来制造筏区段。减少光穿透筏可减少达到筏下方的水的光量，并由此减少池塘中的藻类生长。在一些具体实施方式中，可能需要池塘水完全不含光。这可通过以下操作实现：(1)通过筏提供足够的池塘表面的覆盖范围，和/或(2)提供不透明或不准许光穿透到水中的筏。

在一些具体实施方式中，可提供用以反射和漫射光的反射或镜面式表面，或用以吸收热的深色或黑色表面颜色。筏在每一侧上可具有这些表面覆盖物中的一个。以此方式，在冬季深色表面可面朝上以吸热，在夏季反射侧可面朝上以反射热。

H.生长环境控制系统

在某些具体实施方式中，生长条件可受可包括致动器的“生长环境控制系统(“控制系统”)的控制，以调整池塘中水的温度、密封温室中大气的温度、通气、水的pH、氧气含量、二氧化碳含量、肥料类型和浓度，以及其它环境变量。在一些具体实施方式中，此类控制系统可使用控制模块(Control Module)而受计算机控制。为了提供对生长条件的有效和实时控制，此类平台控制系统可包含对一个或多个不同类型的传感器的使用，如下文描述。

I.传感器

在一些具体实施方式中，可使用附接到筏区段的下侧面或顶侧面的一个或多个传感器收集数据，并由此产生“智能”筏区段。此类智能筏区段可由美国Suncrest公司的商标SmartRaft^TM提供。在一些情况下，此类传感器可为无线的，并且可将关于池塘水和筏区段上方的大气的条件的数据发射到中心计算机系统以便实时监测生长条件。可收集的信息类型包含池塘水和筏区段上方的大气的温度、pH、导电性(EC)、经溶解氧气、二氧化碳、养分离子(包含氮和钾)，或生长因子(包含肥料类型和数量)。

在这些具体实施方式中的一些中，单个筏区段上的内嵌的二维码或来自筏上安装的发射器的经译码的无线信号(例如，调制和/或线译码技术)可提供对具体生长周期和作物的数据标记以便唯一地识别位置、日期、时间、产物种类身份、栽植日期、采集日期和其它生长周期标识符。

生长环境控制系统可包含控制模块。控制模块的实例在图6到9中示出。控制模块可包含框架、电力插座、电子控制面板、水和给料系统的入口和出口、过滤器以及计算机模块。来自传感器的信息可由计算机存储器接收，并且计算机处理器可比较输入数据与关于所要环境条件的数据。如果识别出测得的变量和所要变量之间的差异，那么计算机可将信号发送到控制模块内或控制模块外的若干个致动器中的一个。控制模块可为便携式的，并且可被输送到种植位置、进行安装并连接到传感器。本文在下方的实施例3中描述控制模块的使用。

当从DWC池塘中的一个或多个SmartRaft^TM部件实时发射生长数据(“平台数据”)时，平台数据可与已经针对具体植物种类(例如，比布莴苣)的生长所要的条件识别出的“基准数据”进行“数据匹配”。如果相比于“基准数据”，“平台数据”(池塘中SmartRaft^TM部件的平均化数据)在可接受范围之外，那么可将信号发射到平台控制系统以调整筏区段上方及下方的生长条件，从而使它们符合针对测得的变量的基准值。

随着时间推移，可发展出基准目录或“植物优化指印”以便为使用DWC水耕法的温室中受控环境农业提供自动调整。可了解，自动控制系统可用于其它类型的水耕法，或甚至可用于温室中基于土壤的种植，其条件是使用合适的传感器来收集相关数据。

实施例

本发明的各方面相对于其具体实施方式进行描述。本发明的其它特征可参看下方实施例进行了解。可了解，本发明的揭示内容和教示内容可由本领域的技术人员进行变化以产生额外的具体实施方式。全部此类具体实施方式被视为本发明的部分。

实施例1：互锁筏浮体

在一些方面，本发明包含“突片&突片空白”互锁筏。图1A和1B描绘具有顶表面105的筏部分的示意图100a和具有底表面110的仰视图100b。在每一视图中，每一筏部分包括其中植物放置在孔135中的多个区域125。孔135通常经设定大小以容纳生长基体的栓塞和生成植物的种子。如图1A和1B中所示，每一筏部分含有9个此类区域125，其每一个具有用于植物培养基的1个孔135。通常，孔135是1"锥形方孔，其具有大于底部的顶部开口，植物栓塞(未示出)因此不会滑动穿过筏并滑动到水中，其中它们可能会在池塘中丢失。图1A还示出了表示筏部分中的突起区域的若干个区域140的轮廓。在仰视图100b上，示出了筏部分的底表面110包含数个区域145，其表示筏下方的用以提供空气阱供通气气泡聚集的凹陷区域。

图1A和1B还描绘筏中的额外开口或“热烟囱”130，它们位于植物孔135的周围。每一热烟囱是穿过筏部分以提供气体从池塘中的水逸出到大气中的通道的开口。如图所示，热烟囱可具有可变的大小和形状，这允许从来到筏部分的下侧的通气气泡释放压力，以及经由气泡提供槽里的水和正好在筏部分上方的空气层之间的热交换。图1中描绘了热烟囱在凹陷区域145内以允许在穿过烟囱释放之前，采集围绕根底部的气泡。在其它具体实施方式中，热烟囱可以横向方式放置到筏区段的突起区域。此配置提供热交换以升温或冷却筏上方的空气。当水温通常为65℉到68℉时，池塘中的水和筏上方的空气层之间的热差越大，可进行的热交换越多。

同样在图1A和1B中所示，示出了“突片和空白”或“舌片和凹槽”类型的互锁系统。描绘了空白115和突片120。空白115和突片120相对于彼此经设定大小以准许两个筏部分互锁在一起。

图2描绘两个筏部分205和210的示意图的仰视图，示出了它们通过空白215和突片220而互锁在一起。可了解，筏部分205和210的此类紧密并置在它们之间为光进入到水中提供了极少的空间。这种紧密并置可减少藻类污染。

图2还描绘用于互锁筏的“端盖”225和230。端盖225和230具有与筏部分本身所具有的结构类似的空白215和突片220结构。一旦筏部分205和210互锁，端盖225和230就可以紧密并置方式固持筏部分，这进一步降低了光进入池塘中的水中的可能性，并由此减少藻类污染。可替代地，图1A和图1B中所描绘的筏可在一排筏的任一末端处使用、可被制造成在筏的一个侧面上没有空白120和突片115以使得沿着槽壁不需要“端盖”。

实施例2：植物孔和热烟囱

图3A描绘本发明的筏部分300的对角侧视图。上表面307是通常暴露于大气的侧面。下表面310大体上暴露于池塘中的水。示出了突起区域325和凹陷区域345。孔330被描绘成比植物孔335小(例如，1/4")。

图3A还描绘在顶部处的尺寸比在底部处的尺寸更宽的植物孔335。此类配置可就地固持植物栓塞，并降低植物会下降到水中并丢失的可能性。

图3A还描绘两个热烟囱330，其示出为在底部末端处具有比顶部末端更宽的尺寸。此配置将准许气泡上升穿过筏并上升到筏上方的大气中。

当放置在池塘中的水顶部上时，突起区域325将植物升高到顶表面307的其余部分上方。在使用时，凹陷区域345提供“空气阱”，因此由通气机构(未示出)产生的气泡可聚集。一旦气泡在凹陷区域345中聚集，它们就可通过热烟囱330上升，穿过筏并上升到筏的上表面307。这个过程提供将从池塘转移到大气的热。

图3B描绘筏区段的一部分的替代性配置，其中两个热烟囱330示出为具有比植物孔335小的直径，并且其中热烟囱330位于基于筏区段的突起部分325横向处。

实施例3：控制模块

图6到9描绘本发明的控制模块。图6描绘控制模块600的视图，示出了外面板，其中突片605将顶面板贴附到控制模块的框架，并具有用于在过滤之前测量水压的水压表610、用于在过滤后测量水压的水压表615、电力控制面板620、槽出水口625、通气系统出口630、槽进水口635、来自给料系统的出口640、前往给料系统的入口645、电源插座650和电路指示灯655。

图7描绘如图6中所示的控制模块的内部的视图700，示出了压力表705、电力控制面板710、永久性舱壁715、槽出水口720、通气系统出口725、槽进水口730、前往给料系统的出口735、来自给料系统的入口740、电源插座745、电路指示灯750、紫外线(UV)控制盒755、UV灭菌器760、通气压缩机765、内部铝结构770和四个过滤器775。

图8描绘如图6和7中所描绘的控制模块的内部的视图800，示出了四个过滤器805、压力表软管810、通气软管815、泵820、通气系统出口825、槽进水口830、前往给料系统的出口835、来自给料系统的入口840、槽出水口845、电源插座850、电路指示灯855、压力表860和电力控制面板865。

图9描绘如图6、7和8中所描绘的控制模块的视图900，示出了UV灭菌器控制盒905、UV灭菌器910、通气压缩机915和四个过滤器920。

本发明的优势

所描述的改进水耕系统可增加植物生长速率、减少损耗、增加受控环境温室中的热效率，并由此提高产量，进而增加效率和降低水耕农业的总成本。

参考文献

本文中列举的全部参考文献，包含下方所列的那些，以全文引用的方式并入本文中，就好像单独地并入一样。

第4,299,054号美国专利“Hydroponic assembly and wafer for use therein”。

第4,355,484号美国专利“Hydroponic tray and method of manufacture”。

第4,382,348号美国专利“Soilless plant growing device”。

第4,513,533号美国专利“Method and apparatus for hydroponic farming”。

第4,607,454号美国专利“Method of hydroponically growing plant sproutsand apparatus therefor”。

Claims (30)

1.一种用于深水水耕栽培的筏区段，包括：

a.具有自其穿过的多个第一孔的易浮材料片材，所述孔中的每一个经调适以固持植物体，其中所述植物的根悬浮于具有水的槽或池塘中；以及

b.穿过所述片材的一个或多个第二孔，其经调适以将气体从所述槽或池塘传输到大气；以及

c.一个或多个突片，其经设定大小以插入相邻筏区段的突片空白。

2.根据权利要求1所述的筏区段，所述片材具有底部面，所述底部面具有涵盖所述多个第一孔和所述第二孔的凹陷部分。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的筏区段，所述片材具有顶部面，所述顶部面具有涵盖所述多个第一孔和所述第二孔中的一个或多个的升高部分。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的筏区段，所述突片和空白是圆形的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的筏区段，所述易浮材料包括开孔聚合物泡沫或闭孔聚合物泡沫。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的筏区段，其中所述泡沫聚合物选自聚苯乙烯(“PS”)、膨胀聚苯乙烯(“EPS”)、聚苯乙烯共聚物、聚苯乙烯复合材料和生物塑料。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的筏区段，其中所述多个植物孔中的至少一个在顶表面处具有比底表面处的直径大的直径。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的筏区段，其中所述第二孔在底表面处具有比顶表面处的直径大的直径。

9.一种用于深水水耕法的筏区段，包括：

具有自其穿过的多个第一孔的易浮材料片材，所述孔中的每一个经设定大小以固持植物体，其中所述植物的根悬浮于池塘中，其中所述片材具有一个或多个附接装置，所述附接装置经适当配置以将所述筏区段可翻转地附接到另一筏区段。

10.根据权利要求9所述的筏区段，其中所述附接装置包括在所述片材的边缘上的突片，所述一个或多个突片经适当地设定大小以刚好放入相邻片材上的对应的突片空白中。

11.根据权利要求9至10中任一项所述的筏区段，其中所述附接装置选自钉、线、系结、钩和钩眼，以及

12.根据权利要求9至11中任一项所述的筏区段，进一步包括一个或多个端盖，所述端盖具有至少一个突片或突片空白，所述突片或突片空白经适当地设定大小以与所述筏区段可翻转地啮合。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的筏区段，其中所述区段的一个侧面没有突片或空白。

14.一种用于水耕法的筏，包括：

以可翻转的方式紧固在一起的多个筏区段，每一筏区段具有自其穿过的一个或多个植物孔，以及

自其穿过的一个或多个热烟囱。

15.根据权利要求1或9所述的筏区段，进一步包括附接到所述筏区段的顶部面或底部面的一个或多个传感器。

16.根据权利要求1或9所述的筏区段，进一步包括选自温度传感器、氧传感器、二氧化碳传感器、导电性传感器、颗粒传感器、病原体传感器、养分离子传感器和pH传感器的传感器。

17.根据权利要求1或9所述的筏区段，进一步包括一个或多个传感器，所述传感器包括至少一个纳米传感器和无线发射器。

18.根据权利要求1或9所述的筏区段，进一步包括发射器，所述发射器具有唯一IP地址以使得所述筏可被识别和定位。

19.根据权利要求1或9所述的筏区段，进一步包括数据库，所述数据库含有从所述筏区段上的一个或多个传感器接收的信息。

20.一种用于水耕法的系统，包括：

固持在一起以形成筏的一个或多个筏区段；

具有多个植物孔和多个热烟囱的所述筏；

一个或多个环境传感器，其用于测量所述筏的环境的环境变量；

以及

平台控制系统，其进行以下操作：

a.存储或发射由所述一个或多个环境传感器捕获的远程位置信息；

b.将所述信息与先前存储的基准数据进行比较；以及

c.识别所述信息和所述基准数据之间的差异；以及

d.将一个或多个信号发射到螺线管、致动器或其它控制装置以调整所述环境从而使其在基准容限内。

21.根据权利要求20所述的系统，所述一个或多个传感器附接到所述筏区段。

22.根据权利要求20或21所述的系统，进一步包括控制模块。

23.一种用于水耕栽培的方法，包括以下步骤：

提供根据权利要求1所述的一个或多个筏区段；

将一个或多个植物栓塞放置在所述植物孔中的一个或多个中；

将所述筏区段放置在含有水的池塘表面上；以及

将所述筏区段连接在一起以形成筏。

24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括以下步骤：

使所述池塘中的水通气；以及

将养分提供到所述水中。

25.根据权利要求23或24所述的方法，进一步包括：

使用一个或多个传感器测量一个或多个环境变量；以及

如果所述环境变量的程度在所要范围之外，使用致动器来调整所述环境变量的所述程度以使其返回到所述所要范围内。

26.根据权利要求23所述的方法，进一步包括以下步骤：

使一个或多个传感器将环境变量的测得值发射到具有数据库的远程位置，所述数据库含有所述环境变量的所要值，所述远程位置具有与所述数据库相关联的处理器；

使所述处理器比较所述环境变量的所述测得值与所述环境变量的所述所要值，以及

使所述处理器将指令发射到所述致动器以将所述环境变量的值调整到所要范围内。

27.根据权利要求26所述的方法，其中一个或多个发射使用无线通信系统。

28.根据权利要求26所述的方法，其中所述远程位置是云。

29.根据权利要求1或9所述的筏区段，其中所述植物体安置在所述植物孔中的筐内。

30.根据权利要求1或9所述的筏区段，进一步包括离子传感器以测量氮、钙或钾。