专利名称：一种基于地表温差的自供电辅冷空气汲水自灌溉系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及农业灌溉技术领域，特别涉及在干旱地区严重缺水环境下的植物灌溉系统。
背景技术：
农业用水供需矛盾日益突出，水资源短缺已成为制约我国农业发展的主要因素。在农业可用水量逐渐减少而粮食产量需求增加的客观现实之下，农业节水备受世人关注，因此节水灌溉原理与技术研究进展较快。根据“节流开源”的原则，总结如下1、节水灌溉技术
所谓“节流”即指节约水源的灌溉模式，目前普通农田的普遍灌溉方式为全面灌溉，水从地面进入田间并借重力和毛细管作用浸润土壤，所以也称为重力灌水法。该方法是较古老常用的一种方法、按其湿润土壤的方式不同，可分畦灌、沟灌、淹灌和漫灌。而节水灌溉技术分为以下一些模式
1.1滴灌
20世纪60年代，以色列人创造了滴灌技术，是利用一套塑料管道系统将水直接输送到每棵作物根部，水由滴头呈点滴状缓缓而均匀地滴灌到作物根区的土壤中，然后渗入土壤并浸润作物根系的区域。滴灌技术虽然发展比较成熟的节水灌溉技术，需要较近而固定的水源，需要电能给蠕动泵供电，滴头在实际使用中容易结垢堵塞，且对土地平整度有较严格的要求，不利于在干旱无水源地区及山地进行推广，日常维护成本高。1. 2微喷灌
微喷灌又称为微型喷灌或微喷灌溉，是用很小的喷头将水喷洒在土壤表面。微喷灌包括微喷头喷灌和微喷带喷灌。微喷灌技术，需要较近而固定的水源，电能供电，由于直接喷洒在土地表面，在土地贫瘠及风力大的地方水分容易散失，需要大量水分才能满足植物的需求。同样土地平整度有较严格的要求，不利于在干旱无水源地区及山地进行推广，日常维护成本高。1. 3 渗灌
即地下灌溉，是利用地下管道将灌溉水输入田间埋于地下一定深度的渗水管道或鼠洞内，借助土壤毛细管作用湿润土壤的灌水方法。渗灌技术主要优点是①灌水后土壤仍保持疏松状态，不破坏土壤结构，不产生土壤表面板结，为作物能提供良好的土壤水分状况；②地表土壤湿度低，可减少地面蒸发管道埋入地下，可减少占地，便于交通和田间作业，可同时进行灌水和农事活动灌水量省，灌水效率高；⑤能减少杂草生长和植物病虫害；⑥渗灌系统流量小，压力低，故可减小动力消耗，节约能源。其缺点也比较明显①表层土壤湿度较差，不利于作物种子发芽和幼苗生长，也不利于浅根作物生长；②投资高，施工复杂，且管理维修困难；一旦管道堵塞或破坏，难以检查和修理；③易产生深层渗漏，特别对透水性较强的轻质土壤，更容易产生渗漏损失。
1. 4膜上灌
膜上灌是20世纪80年代出现于我国新疆的一种新的节水灌溉技术，是在地膜栽培的基础上，把以往的地膜旁侧灌水改为膜上灌水，水沿放苗孔和地膜旁侧渗水对作物进行灌溉。该技术需要较近而固定的水源，且对土地平整度有较严格的要求，不利于在干旱无水源地区及山地进行推广。2、空气集水技术
空气集(汲)水技术即所指的“开源”。节水灌溉技术都需要利用当地水源供水，而在干旱地区严重缺水环境条件下，水源获得困难，严重抑制了节水技术的发挥，而据研究表面，即使在沙漠地区，干燥的空气中依然蕴藏着大量的水蒸汽，因此从空气中汲水的技术应用于农业灌溉运成为可能。目前，从空气中取水已经相当成熟，市场上成熟的产品大都采用制冷结露法，利用 制冷压缩机或是半导体制冷片将空气中的水汽冷凝后进行收集，目前的除湿机即采用的为此种原理，但是空气取水能源消耗大，不利于农业灌溉时的大面积推广。地冷资源是一种天然可再生的土壤冷源，已在地源热泵的空调系统中广泛应用。澳大利亚人利用地冷资源提出了空投灌溉系统(Airdrop irrigation system),其应用时要求在土壤温度为5°C左右的地下铺设可与土壤热交换效率较高的冷凝管道，经此管道将地面上热空气中的水汽冷却到露点温度后形成冷凝水，用收集到的水源实现对作物的灌溉。然而，在一般地理环境的条件下，夏季浅层土壤温度为18-32°C，温度虽然比环境空气温度低，因其完全依靠与土壤的热交换制冷，不一定能达到水汽的露点温度，因此冷凝效率不能保证，无法实现为缺水地区植物提供持续的水源或者对地下环境要求严格，而且灌溉采用水泵泵出水后通过半渗透软管的方式灌溉，容易堵塞软管，后期维护费用高昂。
发明内容
本发明的目的就是要克服市售取水及灌溉装置的不足，提供了一种基于地表温差及太阳能风能供电辅冷的空气汲水系统，并创造性与毛细自灌溉技术相结合。该系统依靠风能和太阳能供电，将雨水收集、天然地冷和辅助制冷冷凝三者有机结合，甚至能够在无电网的干旱半干旱地区从空气中汲取水份并由毛细尼龙绳对植物根部进行毛细灌溉，从而保证植物有持续的水源供给，因不是利用管道进行灌溉，因此也不会因为泥沙水垢等产生堵塞现象，便于维护管理。本发明为立体式结构，包含地上和地下两个部分，其中地面以上部分包含风力发电机1，太阳能电池板2，送风机3，集雨器4 ;地面以下部分包含制冷装置散热进气管道5，冷凝管道6，排气管道7，水箱8，毛细尼龙绳9，隔热管10，散热器11，隔热箱体12，制冷单元13，导热块14，冷凝管道15，控制核心单元16，集水箱17，抽水泵18。所述风力发电机I和太阳能电池板2为整个系统供电，可根据此系统应用的地理环境选择其中一种或两种作为供电来源。所述集雨器4采用圆盘状装置，收集落于其上的雨水和夜间凝结的小水滴，上方装有防风沙罩，仅在雨天和夜间打开。所述冷凝管道6采用导热性能较好的螺旋式铜管，其内壁有网状结构，增加了与空气的接触面积和延缓空气的流动，一般需铺设在地面2米以下并与土壤充分接触，从而将热空气冷却至土壤温度。所述制冷装置13可采用半导体制冷片模式或是制冷压缩机模式，根据可实际规模进行选择。所述冷凝管道15由多排H型结构铜管组成，增大与导热铜块14的贴合面积，而制冷装置制冷面与导热铜块14紧密接触，从而实现冷凝管道与制冷面有效地进行热传递。所述隔热管10采用具有隔热作用的塑料管，其上端与螺旋式冷凝管道6相连，下端连接H型冷凝管道，阻止上下冷凝管道的热交换。所述隔热箱体12用隔热材料分成上下两个腔体，阻止两腔体间的热交换。上腔体装有散热片11，一端与进气管道5连接，另一端连通排气管道7，整体实现散热功能；下腔体包含制冷装置13、导热铜块14、冷凝管道15，下端与集水箱18相连，整体实现冷凝空气的作用。整个箱体12采用隔热材料，有效阻止腔体内外的热传递，保持箱体内腔体和箱体外土壤恒定的温度。·所述送风机3采用螺旋结构，在风力较大时自动送风，无风时电机带动送风。送风机3可将地面以上热空气送到所述螺旋式冷凝管道6中冷却至土壤温度，经隔热管10，在H型冷凝管道15中通过制冷装置13可达到水汽露点低温，有效地冷凝(液化)管道内流动热空气中的水汽，管道内小水滴流入下方的集水箱11中，冷凝后的空气经排气管6排出。制冷装置13所产生的热量由散热器11传递到箱体12的上腔体，然后经散热进气管道5和排气管7道组成的气流回路排出至大气中，保证制冷装置13所产的热量顺利排出，维持上腔体周围土壤保持恒定的低温。所述抽水泵9将水箱6中的水吸入上方水箱5，通过毛细尼龙绳9将水以毛细作用的方式送至植物的根部。整个系统装置整体上在上述控制核心单元16的支配下，利用风能和太阳能资源供电，通过地冷资源和半导体辅冷进行冷凝，由送风机实现空气的循环流通，集雨器收集雨水露水，毛细尼龙绳实现自灌溉，从而充分利用各种自然资源，最大限度降低系统功耗，高效利用收集水源。与现有技术相比，本发明具有的优点是
利用了地表温差技术，有效地利用地冷资源(土壤温度比环境空气温度低)，可以降低30-40%制冷装置的功耗；
创新性的将辅助制冷与地表温差(土壤空气热交换)技术相结合应用于结露法汲水系统中，具有功耗小、效率高的优势；
整个系统通过小型太阳能风能装置供电，解决干旱地区的供电问题，适用范围广；采用自灌溉节水装置，将收集的冷凝水及雨水通过尼龙绳利用毛细左右进行灌溉，既避免了传统节水灌溉技术中管道堵塞的问题，又为植物根部提供长期持续稳定的水分供
5口 O四
附图为本发明实施例的结构示意图 五具体实施例方式 参见图1，本实施例的基于地表温差及太阳能风能供电辅冷的空气汲水自灌溉系统包含地上和地下两个部分，其中地面以上部分包含风力发电机1，太阳能电池板2，送风机3，集雨器4 ;地面以下部分包含制冷装置散热进气管道5，冷凝管道6，排气管道7，水箱8，毛细尼龙绳9，隔热管10，散热器11，隔热箱体12，制冷装置13，导热金属块14，冷凝管道15，控制核心单元16，集水箱17，抽水泵18。在无电网的半干旱及干旱地区，此系统装置可以为直接播种或移栽的植株苗根部提供所需的水分。使用本发明时，首先选定在植物周围合适的区域，根据所处环境、地质条件等因素确定深度，例如3米，将集水箱17水平安置在低于地面3米的水平面上，将抽水管道、冷凝装置的箱体12、进气管5及排气管6安装到集水箱17上，根据所处环境、地质条件等因素用土填充至一定高度，例如地下2 m处，然后将隔热管10以及冷凝管道6安装在此水平面上，然后继续用土填充冷凝管道6周围的空隙，确保冷凝管道与土壤有效地进行热交换。根据尼龙绳9末端的深度，例如5 cm，确定水箱掩埋的深度高于尼龙绳末端，然后将 水箱8置于地面或高于尼龙绳9末端的深度，尼龙绳9连接至水箱的出水口处引到植物根部的土壤中。最后将集雨器4安装到水箱上，用于收集雨水和露水。地上部分风力发电机1，太阳能电池板2，送风机3依次组装于灯杆上，送风机可通过杆内管道将热空气送至冷凝管道，管道内小水滴流入下方的集水箱17中，冷凝后的空气经集水箱由排气管排出。抽水泵18装于水箱，通过水管将17中的水吸入上方，同时集雨器4收集落在其上的雨水和夜间凝结的小水滴，经过滤网也流入水箱5，最终通过尼龙绳9将水以毛细作用的方式输送至植物的根部。其中隔热箱体12用隔热材料分成上下两个腔体，阻止两腔体间的热交换。上腔体装有散热片11，一端与进气管道5连接，另一端连通排气管道7，整体实现散热功能；下腔体包含制冷装置13、导热金属块14、冷凝管道15，下端与集水箱18相连，整体实现冷凝空气的作用。整个箱体12采用隔热材料，有效阻止腔体内外的热传递，保持箱体内腔体和箱体外土壤恒定的温度。整个系统装置整体上在控制核心单元16的支配下，利用风能和太阳能资源供电，通过地冷资源和半导体辅冷进行冷凝，由送风机实现空气的循环流通，集雨器收集雨水露水，尼龙绳实现毛细自灌溉，从而充分利用各种自然资源，最大限度降低系统功耗，高效利用收集水源。以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及说明书内容所作的简单的变换，皆应仍属于本发明覆盖的保护范围。
权利要求
1.基于地表温差的自供电辅冷空气汲水自灌溉系统，包括地面以上部分风力发电机1，太阳能电池板2，送风机3，集雨器4 ;地面以下部分包含制冷装置的散热进气管道5，冷凝管道6，排气管道7，水箱8，尼龙绳9，隔热管10，散热器11，隔热箱体12，制冷装置13，导热金属块14，冷凝管道15，控制核心单元16，集水箱17，抽水泵18。
2.根据权利要求1中所述的基于地表温差的自供电辅冷空气汲水自灌溉系统，其特征在于还包括风力发电机1、太阳能电池板2和送风机3 ;风力发电机I和太阳能电池板2可为整个系统供电，可根据此系统应用的地理环境选择其中一种或两种作为供电来源；送风机3可将地面以上热空气送到土壤中的冷凝管道8，其采用涡轮结构，在风力较大时自动送风，无风时电机带动送风。
3.根据权利要求1或2中所述的基于地表温差的自供电辅冷空气汲水自灌溉系统，其特征在于还包括冷凝管道8，采用导热性能较好的螺旋式铜管，其内壁有网状结构，增加了与空气的接触面积和延缓空气的流动，一般需铺设在地下并与土壤充分接触，从而将热空气冷却至土壤温度，冷凝管道15由多排H型结构铜管组成，增大与导热金属块14的贴合面积，而制冷装置13与导热金属块14紧密接触，从而实现冷凝管道与制冷装置有效地进行热传递，隔热管10采用具有隔热作用的塑料管，其上端与螺旋式冷凝管道6相连，下端连接H型冷凝管道，阻止上下冷凝管道的热交换，在低于环境空气温度的土壤中，热空气通过冷凝管道6中冷却至土壤温度，经隔热管10，在H型冷凝管道15中通过制冷装置可达到水汽露点温度，有效地冷凝空气中的水汽，管道内小水滴流入下方的集水箱11中，冷凝后的空气经排气管6排出。
4.根据权利要求1、2或3中所述的基于地表温差及太阳能风能供电辅冷的空气汲水自灌溉系统，其特征在于还包括隔热箱体12，用隔热材料将其分成上下两个腔体，阻止两腔体间的热交换，上腔体装有散热片11，一端与进气管道5连接，另一端连通排气管道7，整体实现散热功能；下腔体包含制冷装置13、导热金属块14、冷凝管道15，下端与集水箱18相连，整体实现冷凝空气的作用，整个箱体12采用隔热材料，有效阻止腔体内外的热传递，保持箱体内腔体和箱体外土壤恒定的温度，制冷装置13所产生的热量由散热器11传递到箱体12的上腔体，然后经制冷装置散热进气管道5和排气管7道组成的气流回路排出至大气中，保证制冷装置所产的热量顺利排出，维持上腔体周围土壤保持恒定的低温环境。
5.根据权利要求1、2、3或4中所述的基于地表温差及太阳能风能供电辅冷的空气汲水自灌溉系统，其特征在于还包括集雨器3，采用圆盘状装置，收集落于其上的雨水和夜间凝结的小水滴，上方装有防风沙罩，仅在雨天和夜间打开。
6.抽水泵9将水箱6中的水吸入上方水箱5，通过尼龙绳9将水以毛细作用的方式送至植物的根部，整个系统装置整体上在控制核心单元16的支配下，利用风能和太阳能资源供电，通过地冷资源和半导体辅冷进行冷凝，由送风机实现空气的循环流通，集雨器收集雨水露水，毛细尼龙绳实现自灌溉，从而充分利用各种自然资源，最大限度降低系统功耗，高效利用收集水源。
7.根据权利要求1至5中任意一项中所述的基于地表温差及太阳能风能供电辅冷的空气汲水自灌溉系统，其特征在于所述冷凝管道8为螺旋状铜质管道，所冷凝管道15为多排H型冷凝管道8。
8.根据权利要求1至5中任意一项中所述的基于地表温差及太阳能风能供电辅冷的空气汲水自灌溉系统，其特征在于所述抽水泵9为潜水泵。
9.根据权利要求1至5中任意一项中所述的基于地表温差及太阳能风能供电辅冷的空气汲水自灌溉系统，其特征在于(I)利用了地表温差(土壤空气热交换)技术及制冷装置辅助冷却相结合的技术，既保证空气中的水分可以达到露点温度而凝集成水，又节约了制冷装置的功耗；(2)采用自灌溉节水装置，通过毛细作用，高效地利用了低功耗装置收集的水源，保证了为植物根部提供长期持续稳定的水分。
全文摘要
基于地表温差的自供电辅冷空气汲水自灌溉系统，采用为立体式结构地面以上部分包含风力发电机1，太阳能电池板2，送风机3，集雨器4；地面以下部分包含制冷装置散热进气管道5，冷凝管道6，排气管道7，水箱8，毛细尼龙绳9，隔热管10，散热器11，隔热箱体12，制冷装置13，导热铜块14，冷凝管道15，控制核心单元16，集水箱17，抽水泵18。整个系统装置整体上在控制核心单元1,6的支配下，利用风能和太阳能资源供电，通过地冷资源和辅助制冷系统进行冷凝，由送风机实现空气的循环流通，集雨器收集雨水露水，尼龙绳实现毛细自灌溉溉，从而充分利用各种自然资源，最大限度降低系统功耗，高效利用收集的水源。
文档编号A01G25/00GK102986499SQ20121043950
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月7日 优先权日2012年11月7日
发明者李智洋, 蔡国田, 何农跃, 王炜, 刘宾, 夏云 申请人:黑龙江海昌生物技术有限公司, 南京龙梁生物科技有限公司