专利名称：太阳能防治沙漠生态灾害方法
太阳能防治沙漠生态灾害方法
技术领域：
本发明利用太阳能以防治沙尘暴等与风能有关的自然灾害，属于防灾技 术、气象科学、生态保护技术和太阳能利用技术，同时也是牧区安居工程。
沙尘暴等与风能有关的灾害，是干旱地区，特别是沙漠地区最常发生的自 然灾害，其危害范围可以出国越洋，甚至绕地球流动。当前公认有效的防治
方法是保护植被和植树造林；我国以秸杆组成方格铺地，以阻拦流沙移动， 也是行之有效的方法。它们的缺点是不是从源头防治风沙，源头地的土壤 飞失依旧；源头区与治理区之间的灾害只减而未净；未能与居民和放牧的需 要相结合，缺乏明确的权责；与沙漠和草原的改良和管理不相关，投入大， 但少当地的生态效益。干旱地区的植被一旦破坏，要恢复到其原有生态功能， 得上百年；植树造林既费投入也非立竿见影，效果仅是减轻灾害而达不到除 根。风的速度大小和方向变化都很大，若能人工制造紊流，使风的能量在紊 流过程自行大部抵消，应是降底风速的最佳方法。风沙从源头地"起飞"到 远处"降落"，需要风能。风"运"沙的能力(粒经与数量)和行程，与风速 成正比。风沙"起飞"区，壤土刮跑、砂石裸露，使当地生态破坏直至寸草 不生。风沙影响(扩散到)地面和大气，其面积无数倍于其发源地。因此， 使大风从其吹经的地区降速，使其刮起的沙尘在当地或近处沉降，应是防治 风沙的合理技术路线。风沙源头都为植被破坏的半荒漠和沙漠，是牧区或潜 在的牧区。风沙防治工程应惠及当地居民，有利牧业发展和生态环境的改善， 提高牧民生活舒适度，逐步走向富裕；也使牧民在防治风沙过程承担起恢复、 改良生态环境的责任。
本发明的技术方案是将风沙防治区按垂直当地风沙日的主导风向，将全 区划分成许多正方块。正方块的大小由当地风沙强度，并参照当地政府的牧 业政策(容许每户养牧牲畜数、每亩地的载畜量等)划定(例如每1.5乂1.51011)。 在每个正方块中间建一个防风沙站(这个防风沙站设有合乎牧民特点的住宅)，此正方块和防风沙站分配给一户牧民经营和管理，权利和责任明确；使 用权长期不变，生态环境改善，正方块内的增收效益，全归该牧户。这就改 变了祖辈的习惯牧民只向牧放地不断索取，却不管生态环境恶化。现在"包 产到户"，将调动牧民关心生态环境的积极性。治理风沙的根本方法是在防治 区内普遍制造紊流，使流经区内的冬春季的西北方向的低空气流减速，使它 原携带的风沙沉降；使它不刮走区内的土壤，也不带走干旱地区最珍贵的水 汽(这可增加空气的相对湿度)和热量；夏季东南风带来潮湿、相对低温的 空气时，紊流可将较多的水汽和低温空气留在区内。制造紊流的办法是以 防风沙站的外形特点和它们的网格形排列，强制制造地面8m上下的旋风群; 以防风沙站南面和顶面的光导块加强太阳光的采集，以阳光热能加热空气并 发电，用小型垂直轴风力发电机发电，由这两种电流经镍铬钢管的电一热转 换产生的热空气，垂直向上喷发热气流。这气流与平流为主的气流相作用， 制造50m上下的旋风群，同时与其下强制旋风诱发的旋风群相复合，造成极 其复杂的紊流。
由天气学可知，在冬季，我国上空基本气流是西北风，地面上蒙古的冷性 高压强度达全年最强值，中心平均位于10° 105° E， 45° ~ 55° N附近， 冷高压范围可达整个东亚地区。因此我国北部盛行西北——北气流。在春季， 我国上空基本气流就由冬季西北风变成偏西风了。四月中旬以后，偏南风盛 行，暖湿空气北上，带来海洋潮湿空气，雨季逐渐开始。在夏季，比海洋暖 得多的亚洲大陆几乎都为热低压控制。我国西部则受性质不同的大陆副热带 髙压影响。在这两种因素的作用下，太平洋暖湿气流登陆中国，7月雨带北移 到华北，接着向更北的内蒙新疆地区，而后者正是我国沙漠和半荒漠地区所 在。所以，前述制造成的大面积紊流，冬可增加西北风进入防治区低空的阻 力，迫使它从上空吹过，留住原地原有的水蒸汽，地面所吸收的太阳热量和 易被吹走的沙土和壤土；夏可将大陆北来的相对暖峰会以小于0.4。的角度， 沿着暖峰上升到冷峰空气之上，从而将外来的水蒸汽和低温空气留在区内。 所以，从长期看，这将增加空气的相对湿度，减少地面蒸发和植物蒸腾；使 冬不太冷，夏不太热，提高年平均气温。这将有利于治理地区的气候的改善和有利于植物生长和人类健康。
应当指出的是，上述紊流仅仅是在近地面的100m上下高度以内发生的， 它仅占对流层下部厚度的很小部分，故这紊流绝对不会对地球的大气环流造 成影响。总之，无论是对紊流地区还是全球，本发明都是保护生态系统的。 这种制造紊流的方法，适用于南北球，只是在朝向上正向反(如南半球的光 导块方向应朝北)；且具体实施中还要考虑当地的气流和地形等特点，但其全 球的普遍适用性不变。
本发明是这样实施的
1、 搜集治理区域的气象资料，作出当地大风沙尘天气日的平均风向玫瑰 图，査明当地的主导风向。
2、 将治理区域分割成一排排正方格。网格的走向与主导风向垂直。相邻 行的方格要错开半格，每格中心建太阳能防风沙站和生态民居(简称防风沙 站)。附图
l中，箭头示主导风向，AB线为与主导风向有锐角的相邻防风沙 站连线，图中小圆为防风沙站。
3、 在每个正方格正中建造防风沙站(附图2、 3)。
附图2为防风沙站区平面图。图中，ABCDEFG和W是防风沙站的顶盖， 位于同一倾斜平面(向正南倾斜，倾角小于10° )。顶盖下的1,这是热空 气室。顶盖下有3、 4、 6、 7' 8'，这是双层牧民居室，它们分别为卧室、畜 舍、料仓、卫生间(楼下为楼梯)、浴室和厨房(均在楼下)。顶盖下的5为 居室的推拉门。9为料仓门。IO为空气泵。ll为坡式上楼道。12为畜舍的推 拉门。13为热气室检修门。14为埋于地下的镍铬钢管的进气口，空气泵10 向它供空气。15为埋于地下的镍铬钢管的排气口，由它将热空气喷向天空。 14'和15'为埋于地下的镍铬钢管的水平部分。16为温差发电装置。17为电 阻板，它防止14'和15'的短路。18为小型垂直轴风力发电机。温差发电和 风力发电输出的电力均接14和15。 19为风力发电机基础。图2左上角的箭 头示当地的主导风向。A为防风沙站的顶角。ABCD为直立平面，它将此平 面以北的风强制引向DE圆弧(在档风墙NS的作用下)，形成顺时针旋风。 当地近地面的大部分西北风都将由ABCD引风墙引诱下形成紊流。AWG为另一引风墙，它将另一部分西北方向的风引向AG方向，并在GF附近将所 携带沙尘沉降。这部分沙尘将在以后的由DE圆弧形成的顺时针旋风所吹走。 CG和DF为热空气室的西墙与东墙，CD和GF为它的北墙与南墙。这四墙
有保温、防漏气和具一定耐压性能，因它里面的是略具压力、温度近ioor的
热空气，要保证绝对安全。其中DF墙在居室一侧应加焊成整体的钢板，以 确保居户安全。CG和DF还有隔热功能。光导块铺设部分都有高效采集太阳 光的功能，其中CDGF部分，阳光直接投进热气室；DF以东部分，即居室 上方部分采集的阳光，由光缆与之耦合，由光缆侧向投进热气室；BCGW部 分，即畜舍部分，亦由光缆侧向投进热气室。图2的南"墙"亦由光导块构 成，这些光导块的的法线朝正南，有15°向上的倾角。光导块的这种安装方 式，适宜于北纬45°附近的地区，它可使当地冬季的太阳光从日出到日落能 100%地采集并送入室内；在夏季它100%地拒绝阳光入室。因此，它有冬季 高效取暖，夏季较好防热的功能。
在夏天，我国北方有由海洋方向来的暖湿的东南向气流(如图2中虚箭头 所示)，这气流在防风沙站的作用下，将形成逆时针方向的旋风(紊流)。
图2最右边的N—S是南北方向的档风墙，无论是西北风还是东南风，它 都有阻挡作用，有助于紊流的形成。16是温差发电设施。17为绝缘板，是为 了防止14'和15'的电流短路。18为小型立轴式风力发电机，它产生的电流 与温差发电的电流并联进入电极14和15。
附图3为附图2的A—W—N剖面。图中，4为料仓。3和3'为楼上、 下的畜舍。6为卫生间。2为楼上卧室，2'为楼下客厅。图正中的l为热气 室，其热量由顶盖和南墙的光导块直接投射室内的阳光或经光缆投射入室内 的阳光供给。这热量造成室内外温度差，用于温差发电。16为温差发电设施。 14为镍铬钢管竖直部分的顶端，它接受由空气泵IO供给的空气，再通过垂直 部分和水平部分的14'和15'(见附图2),实现对空气的加温后，在热空气 出口15喷向天空。温差发电的电流接镍铬钢管端部14和15，构成回路。电 流在钢管的髙电阻作用下产生热量，为管内流过的空气加温，也为管外的沙 体(其热容量为空气的1700倍)加温(贮热)。钢管的作用是流经其中的空气将电流产生的部分热量带走(防止管内和沙体的温度过高)，并提供有压力的热空气喷向天空，形成高度为50m上、下的空气层产生旋风(紊流)创 造条件。在没有阳光的夜晚和阴雨天，也无风的时间，它吸收沙体贮存的热 量，加热流经钢管中的空气，继续供给热空气。产生旋风的条件除有垂直方 向的气流外，还需有水平方向的不对称气流，后者在气流中常自然出现；在 近地面的旋风也能拢动其上的气流产生不对称气流。因此，经常的垂直上升 气流的存在，必将在防风沙站上、下周围形成经常的旋风。这上、下"两层" 旋风的高度(厚度)足有50m以上；在治理区内的每个防风沙站都产生这样 两层旋风(紊流)，即紊流覆盖整个治理区。冬天和春天，来自西北方向的气 流(它低温和干燥)，受区内紊流的阻档将不能在低空流过，从而避免了治理 区内沙土、 土壤、水蒸汽和热量的流失。在夏秋季，来自海洋方向的暖(相 对沙漠区它是低温的)湿空气，它比重较大，能贴近地面经入区内，在区内 具有大片紊流的条件下，与当地空气掺和并长时间滞留，就会将水汽留下， 并使气温下降。即在夏天和秋天，沙漠地区的炎热干燥天气会因大片的紊流 的存在而使气温有所下降，相对湿度有所增加。这对减轻当地的蒸发和蒸腾 强度是有重要作用的。因此，对植物的生长和牧民增牧与健康是有益的。在每正方块中心安置一户的条件下，牧民可就近在自家地块放牧；由于责 任到户，空气泵的流量可因风速和热空气的温度由牧户随时调整；也会对地 块适当施肥、种草和和养护(这在牧区是从来没有的)，自觉不使牧畜超载。 在这样的生态经营条件下，年头久了，治理区必有绿洲出现如古代。
权利要求
1. 可使半荒漠和沙漠变成绿洲的生态灾害防治方法，其特征在于a、以太阳光和风为能源；b、以制造紊流削弱风势，防止沙土和水汽与热量流失；c、将治理区划分成正方格区，防风沙站居中；d、正方格区排列成行；e、正方格区的行与主导风向垂直，将防风沙站与民居相结合；f、每正方格区由一户经营与管理。
2、 根据权利要求1所述特征，以光导块为顶盖和南墙，以加强阳光的采集。
3、 根据权利要求1所述特征，光导块直接或经光缆为热气室加温。
4、 根据权利要求l所述特征，防风沙站的两个直立平面引导地面风流， 其中一个直立平面与主导风向成锐角。
5、 根据权利要求1所述特征，与主导风向成锐角的直立平面，其下风 向为弧形墙，迎风处有档风墙。
6、 根据权利要求1所述特征，热气室两侧建居室和畜舍。
7、 根据权利要求1所述特征，热气室北面设温差发电设施，室正中上 方设风力发电机，它们产生的电流供给镍铬钢管产热。
8、 根据权利要求1所述特征，热气室有镍络钢管的进气口和排气管， 进管内的空气会在垂直和地下水平方向管子吸热产生热空气，向天空排热、 压力气流柱。
9、 根据权利要求1所述特征，由温差发电设施和风力发电机供给的电 向镍铬钢管所在沙土供热，将热能贮于沙土中。
10、 根据权得要求1所述特征,在夜间和阴雨天以及无风天(电流中断), 由沙土加热空气，保持热、压气流不断。
全文摘要
以太阳能和风能为能源的沙漠生态防治方法。它由独特外形的太阳能防风沙站诱发近地面的紊流；由光导块高效采集阳光加热空气，经温差发电后将电流供给镍铬钢管产热；以风力发电所产电流与温差发电并联。电流流经钢管完成热—电转换，其热空气喷向天空，造成较高气流中的紊流。以这些紊流使气流消耗能量而降速，从而将沙尘留在原地；也使冬季空气中的水蒸汽和热量留住，使夏季由南风带来的水蒸汽和相对低温的空气留住。这样可使沙漠地区的气候条件得到改善。将治理区划分成正方形块，防风沙站位于方形块中心，并排列成网状，其连线与当地主导风向成锐角。每个方形地块由一户经营与管理，放牧与保护生态并举，可使沙漠变成绿洲。
文档编号A01G15/00GK101263773SQ200710086470
公开日2008年9月17日 申请日期2007年3月12日 优先权日2007年3月12日
发明者钟显亮 申请人:钟显亮