一种利用波浪能的土壤灌溉施肥系统的制作方法

本发明涉及一种利用波浪能的土壤灌溉施肥系统，属于新型可再生能源技术和海洋装备技术领域。

背景技术：

随着全球能源危机、温室效应和开采传统能源所带来的环境污染问题的加剧，海洋可再生能源的开发越来越受到重视。其中，波浪能由于其储量巨大受到广泛关注，目前已有大量形式各异的波浪能装置被研发出来，但是已有的研究成果都是关于波浪能发电装置，将波浪能应用于土壤灌溉施肥的技术还不是特别的成熟和完善，只有少部分的学者提出了在海上建立种植平台并对海水进行淡化处理的设计想法，在岛礁或是沿海偏远地区安置可以对土壤进行灌溉施肥的种植平台，可以有效解决附近居民的饮食需要，并且也在一定程度上促进了当地农业的发展，有着显著的经济效益。

海上土壤灌溉施肥系统的技术核心是海水淡化以及循环系统，简单的海水淡化方法有海水蒸馏法，即取海水放入蒸发皿中加热，上面放上冷凝板，从冷凝板上收集到的就是淡水，而蒸发皿中最后残留的盐就是重要的化工原料。复杂的海水淡化方法有反渗透法，这种方法利用半透膜来达到将淡水与盐分离的目的。在通常情况下，半透膜允许溶液中的溶剂通过，而不允许溶质透过。由于海水含盐高，如果用半透膜将海水与淡水隔开，淡水会通过半透膜扩散到海水的一侧，从而使海水一侧的液面升高，直到一定的高度产生压力，使淡水不再扩散过来。这个过程是渗透。如果反其道而行之，要得到淡水，只要对半透膜中的海水施以压力，就会使海水中的淡水渗透到半透膜外，而盐却被半透膜阻挡在海水中。反渗透法的优点就是节能，生产同等质量的淡水，它的能源消耗仅为蒸馏法的1/40。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种利用波浪能的土壤灌溉施肥系统，它克服了传统波浪能装置功能单一、维护困难以及波浪和海水资源得不到充分利用等缺陷，同时具有海水淡化和培育农作物的双重功能，不仅能够高效地将波浪能转化为压力势能，而且创新性地将活塞抽水系统、反渗透系统和储存水肥混合物的装置整合在了一起，提高了灌溉农作物的效率。

为达到上述目的，本发明提供一种利用波浪能的土壤灌溉施肥系统，包括漂浮平台、若干个用于让海水单向进入的单向阀门机构和若干个锚泊系统；

所述漂浮平台为箱式浮体，所述漂浮平台从上向下依次设置有植物生长层、土壤层、肥料层和设备层；所述土壤层与所述肥料层之间设置有过滤层；

若干个所述锚泊系统固定连接所述漂泊平台，所述的锚泊系统的底端固定连接海底，若干个所述单向阀门结构均分别滑动连接若干个所述锚泊系统；

所述植物生长层包括一级储水室和二级储水室，所述二级储水室通过联通管道连通所述一级储水室，所述一级储水室通过滴灌管道连通所述土壤层；

所述肥料层包括肥料压入仓，所述设备层包括反渗透系统，所述肥料压入仓通过管道连通所述一级储水室，若干个所述单向阀门结构连通所述反渗透系统的一端，所述反渗透系统的另一端连通所述二级储水室，所述反渗透系统与所述肥料压入仓形成联动机构；

所述土壤层中种植植物，海水通过若干个所述单向阀门机构后进入所述反渗透系统；海水在所述反渗透系统中通过反渗透法分离出淡水，淡水被送入所述二级储水室中，同时所述反渗透系统带动所述肥料压入仓工作将所述肥料层中的肥料水压入所述一级储水室中，所述一级储水室中储存的肥料水流入所述土壤层中灌溉植物，未被所述土壤层吸收的肥料水在自身重力作用下通过所述过滤层流入肥料层中循环利用；所述二级储水室向所述一级储水室中送入淡水。

优先地，所述土壤层包括土壤和滴灌管道；所述土壤铺设在所述土壤层中，所述滴灌管道铺设在所述土壤中。

优先地，所述锚泊系统包括环形浮筒、柱形水筒、锚系点、锚链、滑轨和若干个滑轮；所述柱形水筒为圆柱体，所述柱形水筒固定连接所述设备层的底壁，所述滑轨固定在所述柱形水筒的侧壁上，若干个所述滑轮均转动连接所述滑轨；所述锚系点固定连接所述柱形水筒的底部，所述锚链的一端固定连接所述锚系点，所述锚链的另一端固定连接海底；所述环形浮筒形状为圆筒，所述环形浮筒滑动连接所述柱形水筒的侧壁，所述环形浮筒在所述滑轨的上方运动。

优先地，所述单向阀门机构包括若干个集水管道、若干个具有弹性形变的弧形单向阀、若干个海水压入仓、若干个钢珠；

若干个所述海水压入仓围绕所述柱形水筒沿圆周方向固定连接所述环形浮筒的底壁，若干个所述海水压入仓均滑动连接所述滑轨；

所述海水压入仓、所述集水管道均为圆柱体，所述集水管道穿过所述海水压入仓的底壁伸入所述海水压入仓中，所述集水管道固定连接所述海水压入仓，在所述海水压入仓的底壁上围绕集水管道开设有一圆环孔，所述集水管道的底部连通所述反渗透系统；

所述弧形单向阀为开口向上的碗形，所述弧形单向阀开口处的最大外直径等于所述海水压入仓的内直径，所述弧形单向阀的底部中心开设有一圆孔，所述弧形单向阀的底部固定设置在所述集水管道的顶壁上；

所述钢珠的直径大于所述圆孔的直径，所述钢珠位于所述集水管道中，所述钢珠在所述集水管道中上下浮动。

优先地，所述反渗透系统包括压管、活塞、半透膜、弹簧、淡化仓、集压缸和若干个止动销；

所述淡化仓设置在所述反渗透系统中，所述半透膜竖向设置在所述淡化仓中将所述淡化仓分隔为左仓和右仓，所述左仓连通所述集压缸，所述右仓连通所述二级储水室；

所述左仓的顶壁上固定设置有一烟囱管，所述左仓连通所述烟囱管，所述烟囱管侧壁上开设有一泄水口，所述泄水口连通外界环境；

所述活塞设置在所述烟囱管内，所述活塞滑动连接所述烟囱管侧壁，所述弹簧的一端固定连接所述活塞，所述弹簧的另一端固定连接所述左仓的底部；若干个所述止动销以所述烟囱管的轴线为基线沿圆周方向等间距地分布在所述烟囱管底端的内壁上，所述活塞在所述止动销的上方运动；

所述压管的下端固定连接所述活塞，所述压管的上端穿过所述淡化仓的顶壁、所述肥料压入仓的底壁中央伸入所述肥料压入仓中，所述压管滑动连接所述淡化仓的顶壁、所述肥料压入仓的底壁；所述集压缸分别连通若干个所述集水管道。

优先地，所述肥料压入仓包括弹珠和具有弹性形变的扩嘴型单向阀；

在所述肥料压入仓底壁上围绕压管开设有一环形孔；所述扩嘴型单向阀的形状为开口向上的喇叭型，所述扩嘴型单向阀固定设置在所述压管的顶壁上，所述扩嘴型单向阀上开设有一小孔，所述小孔的直径小于所述弹珠的直径，所述扩嘴型单向阀的最大直径等于所述肥料压入仓的内直径；所述弹珠设置在所述压管内，所述弹珠在所述压管内随肥料水上下浮动；所述压管位于所述肥料压入仓外侧的部分通过管道连通所述一级储水室。

优先地，所述联通管道上设置有联动开关，所述联动开关包括球形浮子、L型连杆和阀门；所述球形浮子设置在所述一级储藏室中，所述阀门设置在所述联通管道内，所述L型连杆的一端穿过所述一级储藏室的侧壁固定连接所述球形浮子，所述L型连杆的另一端固定连接所述阀门。

优先地，所述滑轨的形状为圆环或多个等间距分布且半径相等的圆弧，所述环形浮筒的内直径小于所述滑轨的外直径。

优先地，所述过滤层为过滤网或过滤板；所述过滤网或所述过滤板上开设有多个等间距分布的过滤孔。

优先地，所述植物生长层的顶壁材质为透明的钢化玻璃。

本发明所达到的有益效果：

（1）本发明适用于波浪能资源相对丰富的海域，其工作原理简单，形式稳定，采用底部连接有柱形浮筒和环形浮子的箱式漂浮平台和锚泊系统设计，使得本发明中单向阀门结构能够迎面朝向来波方向从而采集到更多海水，极大地提高了本发明的淡化效率。

（2）本发明中重要装置均安装于漂浮平台主体之内，安全性较高，且反渗透系统综合运用了一种成本较低、方便快捷的反渗透法进行海水淡化，为土壤培育植物的生长提供良好的水分和营养条件，海水进入集压缸中，将波浪能转化为压力势能，淡化后的海水在集压缸的压力作用下被送入位于设备层上方的植物生长层中，将压力势能转动为重力势能，充分地利用了波浪能，无需外接能源供应，节约了资源。

（3）反渗透系统与肥料压入仓形成联动机构，海水在集压缸压力作用下进入反渗透系统，同时带动活塞、压管向上运动，活塞在弹簧作用下向下运动的同时将肥料压入仓中的肥料水压入一级储水室中；当反渗透系统中海水压力散去时，活塞在弹簧的弹性势能作用下向下运动，同时肥料压入仓中又一次重新汲取满肥料水，将压力势能转换为动能和弹性势能，结构简单，便于大规模推广使用。

（4）一级储水室与二级储水室之间采用联动开关，当一级储水室中水位低于某一水位时，球形浮子带动L型连杆向上运动，阀门打开，二级储水中向一级储水室输送淡水，设计简单，维修方便，无需人工辅助操作，降低了运作成本。

（5）本发明装置克服了传统波浪能装置功能单一、维护困难以及波浪和海水资源得不到充分利用等缺陷，它能够同时具有海水淡化和培育农作物的双重功能，不仅能够高效地将波浪能转化为压力势能，而且创新性地将活塞抽水系统、反渗透系统和储存水肥混合物的装置整合在了一起，提高了灌溉农作物的效率，推动了关于波浪装置发明的卓越进步。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是本发明中各部分组成部件之间连接的结构示意图。

图3是本发明中海水进入活塞系统的示意图。

图4是本发明中活塞系统中的海水压入集压缸的示意图。

附图中标记含义， 1-植物生长层；2-土壤层；3-肥料层；4-设备层；5-环形浮筒；6-柱形浮筒；7-锚系点；8-锚链；9-海底；10-一级储水室；11-二级储水室；12-反渗透系统；13-雨水收集汇入口；14-肥料入口；15-球形浮子；16-L形连杆；17-储水室出口；18-联通管道；19-阀门；20-肥料层入水口；21-过滤网；22-肥料压入仓；23-管道；24-泄水口；25-活塞；26-半透膜；27-弹簧；28-淡化仓；29-集压缸；30-集水管道；31-弧形单向阀；32-海水压入仓；33-钢珠；34-滑轮；35-滴灌管道；36-止动销；37-压管；38-烟囱管；39-弹珠；40-扩嘴型单向阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种利用波浪能的土壤灌溉施肥系统，包括漂浮平台、八个用于让海水单向进入的单向阀门机构和四个锚泊系统；每个锚泊系统上设置有两个单向阀门机构。

如图1所示，漂浮平台为箱式浮体，漂浮平台从上向下依次设置有植物生长层1、土壤层2、肥料层3和设备层4；土壤层2与肥料层3之间设置有过滤层；过滤层为过滤网或过滤板；过滤网或过滤板上开设有多个等间距分布的过滤孔。

植物生长层1的顶壁材质为透明的钢化玻璃，便于植物进行光合作用。

四个锚泊系统对称地固定连接漂泊平台的底壁，锚泊系统的底端固定连接海底9，两个单向阀门结构均滑动连接一个锚泊系统；

植物生长层1包括一级储水室10和二级储水室11，二级储水室11通过联通管道18连通一级储水室10，一级储水室10通过滴灌管道35连通土壤层2；

肥料层包括肥料压入仓22，设备层4包括反渗透系统12，肥料压入仓22通过管道23连通一级储水室10，八个单向阀门结构均连通反渗透系统12的一端，反渗透系统12的另一端连通二级储水室11，反渗透系统12与肥料压入仓22形成联动机构；

土壤层2中种植植物，海水通过八个单向阀门机构后进入反渗透系统12；海水在反渗透系统12中通过反渗透法分离出淡水，淡水被送入二级储水室11中，同时反渗透系统12带动肥料压入仓22工作将肥料层3中的肥料水压入一级储水室10中，一级储水室10中储存的肥料水流入土壤层2中灌溉植物，未被土壤层2吸收的肥料水在自身重力作用下通过过滤层流入肥料层3中循环利用；当一级储水室10中水位下降到一临界值时，二级储水室11向一级储水室10中送入淡水。

如图2所示，土壤层2包括土壤和滴灌管道35；土壤铺设在土壤层2中，用于种植植物，滴灌管道35横向铺设在土壤中，便于均匀地浇灌土壤。

锚泊系统包括环形浮筒5、柱形水筒6、锚系点7、锚链8、两个滑轨和多个滑轮34；柱形水筒6为圆柱体，柱形水筒6固定连接设备层4的底壁，两个滑轨一上一下相对应地固定在柱形水筒6的侧壁上，多个滑轮34均转动连接滑轨；滑轨的形状为圆环或多个等间距分布且半径相等的圆弧，环形浮筒5的内直径小于滑轨的外直径。

锚系点7固定连接柱形水筒6的底部，锚链8的一端固定连接锚系点7，锚链8的另一端固定连接海底9，当波浪来临时，锚链8拉住漂浮平台使单向阀门机构迎向波浪，使得单向阀门机构最大效率地收集海水；环形浮筒5形状为圆筒，环形浮筒5滑动连接柱形水筒6的侧壁，环形浮筒5在滑轨的上方运动。

单向阀门机构包括若干个集水管道30、若干个具有弹性形变的弧形单向阀31、若干个海水压入仓32、若干个钢珠33；设置多个单向阀门机构用于高效率地收集海水，提高本装置地淡化效率。

两个海水压入仓32对称地固定连接环形浮筒5的底壁，海水压入仓32均滑动连接滑轨；

海水压入仓32、集水管道30均为圆柱体，集水管道30穿过海水压入仓32的底壁伸入海水压入仓32中，集水管道30固定连接海水压入仓32，在海水压入仓32的底壁上围绕集水管道30开设有一圆环孔，集水管道30的底部连通反渗透系统12；

弧形单向阀31为开口向上的碗形，弧形单向阀31开口处的最大外直径等于海水压入仓32的内直径，弧形单向阀31的底部中心开设有一圆孔，弧形单向阀31的底部固定设置在集水管道30的顶壁上；

钢珠33的直径大于圆孔的直径，钢珠33位于集水管道30中，钢珠33在集水管道30中上下浮动。

如图3和图4所示，当环形浮子5随着波浪沿柱形水筒6向上运动并带动与之刚接的海水压入仓32向上运动时，弧形单向阀31在海水作用下产生形变，海水进入海水压入仓的上部，海水压入仓的上部原有储存的海水在新进入的海水的压力作用下将钢珠33推动向下移动，被压缩的水流由集水管道30流入集压缸29中，此时弧形单向阀31在海水的压力作用下紧贴海水压入仓的侧壁，海水压入仓32中的海水不能外泄；

当海水压入仓32向下做竖直运动时，钢珠33向上移动，阀孔堵塞，海水不能由此进入集水管道，此时弧形单向阀31向内弯曲，与海水压入仓的侧壁出现间隙，海水可以由此通过进入海水压入仓上部，此时海水压入仓上部的海水得到补充。

反渗透系统12包括压管37、活塞25、半透膜26、弹簧27、淡化仓28、集压缸29和若干个止动销36；淡化仓28设置在反渗透系统12中，半透膜26竖向设置在淡化仓28中将淡化仓28分隔为左仓和右仓，左仓通过管道连通集压缸29，右仓通过管道连通二级储水室11；

左仓的顶壁上固定设置有一烟囱管38，左仓连通烟囱管38，烟囱管38侧壁上开设有一泄水口24，泄水口24连通外界环境；

活塞25设置在烟囱管38内，活塞25滑动连接烟囱管38侧壁，弹簧27的一端固定连接活塞25，弹簧27的另一端固定连接左仓的底部；三个止动销36以烟囱管38的轴线为基线沿圆周方向等间距地分布在烟囱管38底端的内壁上，活塞25只能在止动销36的上方运动；

压管37的下端固定连接活塞25，压管37的上端穿过淡化仓28的顶壁、肥料压入仓22的底壁中央伸入肥料压入仓22中，压管37滑动连接淡化仓28的顶壁、肥料压入仓22的底壁；集压缸29分别连通八个集水管道30。

单向阀门机构采集到的水全部进入集压缸29中，集压缸29将收集的海水压入淡化仓28中，海水在集压缸29的压力作用下，大部分通过半透膜后转化为淡水在集压缸29的压力作用下继续向右运动进入二级储水室11中，少部分海水对活塞25做功带动活塞向上运动然后通过泄水口24流入大海中，同时肥料压入仓22中汲取的肥料水在压管37的压力作用下进入一级储水室10中，海水的压力散去后，弹簧27拉动活塞向下运动，此时肥料压入仓22持续地汲取肥料层中的肥料水，肥料压入仓22中又一次存满肥料水，将集压缸29的压力势能转化为弹簧27的弹性势能、活塞25的动能以及淡水的重力势能，设计结构巧妙，无需外接能源供应。

肥料压入仓22包括弹珠39和具有弹性形变的扩嘴型单向阀40；

在肥料压入仓22底壁上围绕压管37开设有一环形孔；扩嘴型单向阀40的形状为开口向上的喇叭型，扩嘴型单向阀40固定设置在压管37的顶壁上，扩嘴型单向阀40上开设有一小孔，小孔的直径小于弹珠39的直径，扩嘴型单向阀40的最大直径等于肥料压入仓22的内直径；弹珠39设置在压管37内，弹珠39仅能在压管37内随肥料水上下浮动；压管37位于肥料压入仓22外侧的部分通过管道23连通一级储水室10。

弹珠39由于管道23中肥料水的压力作用下停留在扩嘴型单向阀40的小孔处；在压管27向上运动时，扩嘴型单向阀40压紧肥料压入仓22的侧壁形成密封空间，位于肥料压入仓22和扩嘴型单向阀40形成的密封腔内的肥料水在压管27的压力作用下推开弹珠39通过管道23进入一级储水室10中；压管27向下运动时，扩嘴型单向阀40产生形变，肥料水通过扩嘴型单向阀40与肥料压入仓22之间的缝隙进入肥料压入仓22和扩嘴型单向阀40形成的密封腔内，此时弹珠39在管道23中肥料水的压力作用下依旧停留在扩嘴型单向阀40的小孔处。

联通管道18上设置有联动开关16，联动开关16包括球形浮子15、L型连杆16和阀门19；球形浮子15设置在一级储藏室10中，阀门19设置在联通管道18内，L型连杆16的一端穿过一级储藏室10的侧壁固定连接球形浮子15，L型连杆16的另一端固定连接阀门19。

球形浮子15漂浮在水面上，当一级储水室10中的水位低于某一最低临界值时，球形浮子15通过L型连杆16带动阀门19向上运动，使得联通管道18打开，二级储水室11中的淡水进入一级储水室中；球形浮子15随水面上升而上升，当达到某一水位最高临界值时，阀门19关闭，二级储水室11中的淡水不能进入一级储水室10中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。