CN103250615A - 光伏提水防堵塞重力式地下滴灌系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于农业节水灌溉技术领域，尤其涉及一种光伏提水的防堵塞的重力式地下滴灌系统。包括：光伏提水、输配水、间歇供水和压控灌水器。间歇供水装置周而复始地启动压控灌水器进行灌溉，在每一轮的灌溉过程中，都对压控灌水器的灌水器出水口进行了机械疏通，因此有效地防止了灌水器出水口的堵塞。本发明提供了直接用不稳定的光伏提水低成本的用于有稳定压力和流量要求的滴灌系统的解决方案，较通过蓄电池组蓄电、稳压后提水的稳定供水流量和压力的方案更加经济有效。
Description
技术领域：
本发明属于农业节水灌溉技术领域，尤其涉及一种光伏提水的防堵塞的重力式地下滴灌系统。
背景技术：
滴灌是局部灌溉的一种，由首部枢纽、干管、支管、毛管、灌水器等五部分组成。①首部枢纽担负取水、加压和水处理任务，由水泵、化肥罐、过滤器、压力表、流量表等部件组成；②干管起输水作用；③支管起配水作用，按控制面积大小和作物需水量，将灌溉用水分配到灌溉地段；④毛管与支管联接，将水送到作物根部附近；⑤灌水器，包括：滴头、出水口等，各有不同类型和形状，用以均匀地润湿作物根部土壤。把滴灌毛管和灌水器布置在地表下，称之为地下滴灌。滴灌的突出优点是非常省水，特别是地下滴灌因灌溉水几乎没有土壤表面蒸发，不仅灌溉水的利用效率更高，而且不影响机械化耕作，布置一次可以连续使用多年。滴灌的自动化程度高，可以使土壤湿度始终保持在最优状态。滴灌的主要缺陷是灌水器堵塞，特别是难以更换灌水器的地下滴灌，灌水器堵塞是导致地下滴灌系统报废的主要原因，一般使用寿命仅有3～5年。其次，是滴灌系统的能耗高。因为常规滴灌系统的高能耗，促使了低能耗的滴灌系统应运而生。低能耗滴灌系统或称为低压滴灌系统，既是目前的研究热点也是今后的一个重要的发展方向。重力式滴灌是通过架高恒定的储水容器提供相对恒定的供水压力来满足滴灌系统的压力需求的一种低压滴灌系统。重力式滴灌对水源要求不高，提水方式不限，如将可溶性肥料溶于储水容器中则可实现水肥一体，尤其适合抗旱和分散农户应用。
然而，现有技术的重力式滴灌系统运行2年后，灌水器的堵塞一般要超过10％，这远大于常规的滴灌系统。重力式滴灌系统缺乏最关键的抗堵塞的专有技术，是重力式滴灌系统大规模推广应用所面临的最主要难题和瓶颈。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种搭载有重力式滴灌系统专有的抗堵塞技术的光伏提水的防堵塞的重力式地下滴灌系统。
本发明的目的是这样实现的：
一种光伏提水防堵塞重力式地下滴灌系统，包括：光伏提水、输配水、间歇供水和压控灌水器四个部分，光伏提水部分由太阳能电池阵列、三相交流逆变器和三相交流水泵组成，太阳能电池阵列的输出端通过电缆与三相交流逆变器的直流输入端连接，三相交流逆变器的三相交流端输出端通过电缆与三相交流水泵上的三相交流电源的输入端连接，输配水部分由上水干管、过滤器、下水干管、支管和毛管组成，三相交流水泵的出水端通过上水干管和过滤器与储水容器上水管连接，若干条毛管通过支管和下水干管与储水容器下水管连接，间歇供水部分由储水容器、储水容器上水管、储水容器出水口、储水容器下水管、浮球、蓄能弹簧、球形阀体、平衡导向杆和平衡导向锤组成，被架高的圆桶形口朝上垂直于水平面放置的储水容器的上方安装有储水容器上水管，储水容器上水管的出水口朝下，靠近储水容器的侧壁悬空放置，储水容器的底部中心设有水平的圆形的储水容器出水口，正下方连接有垂直于水平面的储水容器下水管，储水容器出水口上设有类似漏斗的斜面，该斜面的曲度与球形阀体的曲度契合，浮球的正下方固定有蓄能弹簧，蓄能弹簧的正下方固定有由弹性材料制成的球形阀体，球形阀体的正下方固定有平衡导向杆，平衡导向杆的最下端固定有平衡导向锤，平衡导向杆和平衡导向锤向下深入到储水容器下水管内，储水容器上水管的上水流量要远远小于储水容器下水管的出水流量，球形阀体的直径要大于储水容器下水管的内径，压控灌水器由灌水器底座、灌水器插接头、灌水器出水口、隔膜、隔膜波纹、疏通针、复位弹簧、灌水器顶盖和垫圈组成，灌水器插接头位于灌水器底座的一侧，灌水器插接头上设有倒钩，通过微管与输配水部分的毛管连接，灌水器出水口位于灌水器底座的中心空心锥形向上隆起的顶部，灌水器出水口为漏斗形并开口朝上，隔膜的中心厚，向边缘逐渐变薄，接近外缘设有隔膜波纹，中心设有疏通针，疏通针的针尖朝向灌水器底座一侧，正对着下方的漏斗形的灌水器出水口的中心，疏通针的顶部为圆柱形，直径略小于漏斗形的灌水器出水口的底部直径，隔膜的中心相对于疏通针的另一侧有一外径略小于复位弹簧内径的实心的柱形凸起，柱形凸起上安装有复位弹簧，灌水器顶盖的中心部位有向上的空心柱形隆起，柱形隆起的内径略大于复位弹簧的外径，复位弹簧为柱形弹簧，用于隔膜复位，灌水器顶盖通过螺纹与灌水器底座连接，隔膜将灌水器底座与灌水器顶盖围成的空间分隔成上下两部分，下部分为灌水器充水腔，上部分为灌水器空气腔，位于其间的环形的垫圈用于止水，当灌水器充水腔处于无压状态时，疏通针的顶部插入漏斗形的灌水器出水口的底部，灌水器底座、隔膜、灌水器顶盖、垫圈、灌水器出水口、疏通针、灌水器充水腔和灌水器空气腔的水平截面的几何图形皆为同心圆形。除垫圈由弹性材料和疏通针的顶部及复位弹簧用不锈钢材料外，其余部分可全部由PE或PE改性材料制成。
光伏提水防堵塞重力式地下滴灌系统的运行过程与原理，如附图1、2、3、4、5所示。太阳能电池阵列11输出的低压直流电经过三相交流逆变器12变换为适合三相交流水泵13的三相交流电，然后送入三相交流水泵13，三相交流水泵13的提水经过输配水部分的上水干管、过滤器和储水容器上水管21-1放入被架高的储水容器21内，在水压和重力的双重作用下，使靠近于储水容器出水口21-2的弹性的球形阀体22-3瞬间切断了被架高的储水容器21下方密闭的储水容器下水管21-3的出水，并在弹性的球形阀体22-3的下方形成负压，将弹性的球形阀体22-3吸附于储水容器出水口21-2上，如附图3所示。被弹性的球形阀体22-3堵住下水通道后，储水容器21内的水位，随着储水容器上水管21-1的持续放水而升高，浮球22-1随水位上升，拉伸蓄能弹簧22-2蓄能，当蓄能弹簧22-2的拉力不足以克服弹性的球形阀体22-3下方的负压吸力，弹性的球形阀体22-3将不能被蓄能弹簧22-2提起，储水容器21内的水位继续增加，浮球22-1随水位继续上升，继续拉伸蓄能弹簧22-2蓄能，当蓄能弹簧22-2拉伸到一定程度后，浮球22-1的淹没度开始增加，使浮球22-1的浮力进一步增大，继续拉伸蓄能弹簧22-2进一步蓄能，如附图4所示。直到蓄能弹簧22-2的拉力足以克服弹性的球形阀体22-3下方的负压吸力，弹性的球形阀体22-3将被蓄能弹簧22-2瞬间提起，蓄能弹簧22-2迅速复位，固定在弹性的球形阀体22-3正下方的平衡导向杆22-4和平衡导向锤22-5同时被提起、但平衡导向杆22-4的下端和平衡导向锤22-5仍向下深入在储水容器下水管21-3内，被架高的储水容器21内的水通过储水容器下水管21-3和输配水部分的下水干管、支管、若干条毛管和连接在每条毛管上的众多微管分别进入众多的压控灌水器的灌水器充水腔5，因为储水容器上水管21-1的上水流量要远远小于储水容器下水管21-3的出水流量，被架高的储水容器21内的水位开始回落，如附图5所示。与此同时，灌水器充水腔5内的水压，作用于隔膜2压缩复位弹簧2-3并带动疏通针2-2向上部移动，将疏通针2-2的顶部从漏斗形的灌水器出水口1-2的底部拔出，灌溉水从漏斗形的灌水器出水口1-2的底部流出，如附图1所示。灌水器底座1的中心空心锥形向上隆起的结构，减少了压控灌水器的出流对土壤的冲击，同时对灌水器出水口1-2周围的土壤构成支撑，避免了土壤塌陷的可能。被架高的储水容器21内的水位继续回落，浮球22-1、蓄能弹簧22-2、球形阀体22-3、平衡导向杆22-4和平衡导向锤22-5也随水位继续下降，在深入到储水容器下水管21-3内的平衡导向杆22-4和平衡导向锤22-5的引导下，弹性的球形阀体22-3平稳准确地降落于储水容器出水口21-2上，在水压和重力的双重作用下，使靠近于储水容器出水口21-2的弹性的球形阀体22-3瞬间切断了被架高的储水容器21下方密闭的储水容器下水管21-3的出水，并在弹性的球形阀体22-3的下方形成负压，将弹性的球形阀体22-3吸附于储水容器出水口21-2上，如附图3所示，完成了一轮间歇供水过程。与此同时，压控灌水器的灌水器充水腔5停止进水而失压，被压缩的复位弹簧2-3复位，通过隔膜2带动疏通针2-2向下部移动，重新将疏通针2-2的顶部插入漏斗形的灌水器出水口1-2的底部，对灌水器出水口1-2进行机械疏通并封闭灌水器出水口1-2避免负压吸泥和根系入侵，完成了一轮灌溉过程。
如附图4所示，被弹性的球形阀体22-3堵住下水通道后，储水容器21内的水位，随着上水管21-1的持续放水而升高，浮球22-1随水位上升，拉伸蓄能弹簧22-2蓄能，启动了下一轮供水过程和灌溉过程，如此周而复始地循环往复。
在每一轮的灌溉过程中，都对压控灌水器的灌水器出水口1-2进行了机械疏通，因此有效地防止了灌水器出水口1-2的堵塞。
本发明具有如下积极效果：
1、本发明的重力式滴灌系统专有的抗堵塞技术方案，可同时抗生物、物理、化学和负压等多种堵塞，防堵塞的效果非常优异；
2、本发明提供了直接用不稳定的光伏提水低成本的用于有稳定压力和流量要求的滴灌系统的解决方案，较通过蓄电池组蓄电、稳压后提水的稳定供水流量和压力的方案，要经济实惠得多；
3、本发明的间歇供水装置，较虹吸管等其它间歇供水装置的供、停水转换干净利落，使压控灌水器机械疏通灌水器出水口的动作更加有力度，进而有更好的疏通效果。
附图说明：
附图1为本发明的压控灌水器部分的示意图。
附图2为本发明的光伏提水部分的示意图。
附图3、4、5为本发明的间歇供水部分处于不同工作状态的示意图。
具体实施方式：
一种光伏提水防堵塞重力式地下滴灌系统，如附图1、2、3、4、5所示，包括：光伏提水、输配水、间歇供水和压控灌水器四个部分，光伏提水部分由太阳能电池阵列11、三相交流逆变器12和三相交流水泵13组成，太阳能电池阵列11的输出端通过电缆与三相交流逆变器12的直流输入端连接，三相交流逆变器12的三相交流端输出端通过电缆与三相交流水泵13上的三相交流电源的输入端连接，输配水部分由上水干管、过滤器、下水干管、支管和毛管组成，三相交流水泵13的出水端通过上水干管和过滤器与储水容器上水管21-1连接，若干条毛管通过支管和下水干管与储水容器下水管21-3连接，间歇供水部分由储水容器21、储水容器上水管21-1、储水容器出水口21-2、储水容器下水管21-3、浮球22-1、蓄能弹簧22-2、球形阀体22-3、平衡导向杆22-4和平衡导向锤22-5组成，被架高的圆桶形口朝上垂直于水平面放置的储水容器21的上方安装有储水容器上水管21-1，储水容器上水管21-1的出水口朝下，靠近储水容器21的侧壁悬空放置，储水容器21的底部中心设有水平的圆形的储水容器出水口21-2，正下方连接有垂直于水平面的储水容器下水管21-3，储水容器出水口21-2上设有类似漏斗的斜面，该斜面的曲度与球形阀体22-3的曲度契合，浮球22-1的正下方固定有蓄能弹簧22-2，蓄能弹簧22-2的正下方固定有由弹性材料制成的球形阀体22-3，球形阀体22-3的正下方固定有平衡导向杆22-4，平衡导向杆22-4的最下端固定有平衡导向锤22-5，平衡导向杆22-4和平衡导向锤22-5向下深入到储水容器下水管21-3内，储水容器上水管21-1的上水流量要远远小于储水容器下水管21-3的出水流量，球形阀体22-3的直径要大于储水容器下水管21-3的内径，压控灌水器由灌水器底座1、灌水器插接头1-1、灌水器出水口1-2、隔膜2、隔膜波纹2-1、疏通针2-2、复位弹簧2-3、灌水器顶盖3和垫圈4组成，灌水器插接头1-1位于灌水器底座1的一侧，灌水器插接头1-1上设有倒钩，通过微管与输配水部分的毛管连接，灌水器出水口1-2位于灌水器底座1的中心空心锥形向上隆起的顶部，灌水器出水口1-2为漏斗形并开口朝上，隔膜2的中心厚，向边缘逐渐变薄，接近外缘设有隔膜波纹2-1，中心设有疏通针2-2，疏通针2-2的针尖朝向灌水器底座1一侧，正对着下方的漏斗形的灌水器出水口1-2的中心，疏通针2-2的顶部为圆柱形，直径略小于漏斗形的灌水器出水口1-2的底部直径，隔膜2的中心相对于疏通针2-2的另一侧有一外径略小于复位弹簧2-3内径的实心的柱形凸起，柱形凸起上安装有复位弹簧2-3，灌水器顶盖3的中心部位有向上的空心柱形隆起，柱形隆起的内径略大于复位弹簧2-3的外径，复位弹簧2-3为柱形弹簧，用于隔膜2复位，灌水器顶盖3通过螺纹与灌水器底座1连接，隔膜2将灌水器底座1与灌水器顶盖3围成的空间分隔成上下两部分，下部分为灌水器充水腔5，上部分为灌水器空气腔6，位于其间的环形的垫圈4用于止水，当灌水器充水腔5处于无压状态时，疏通针2-2的顶部插入漏斗形的灌水器出水口1-2的底部，灌水器底座1、隔膜2、灌水器顶盖3、垫圈4、灌水器出水口1-2、疏通针2-2、灌水器充水腔5和灌水器空气腔6的水平截面的几何图形皆为同心圆形。除垫圈4由弹性材料和疏通针2-2的顶部及复位弹簧2-3用不锈钢材料外，其余部分可全部由PE或PE改性材料制成。
光伏提水防堵塞重力式地下滴灌系统的运行过程与原理，如附图1、2、3、4、5所示。太阳能电池阵列11输出的低压直流电经过三相交流逆变器12变换为适合三相交流水泵13的三相交流电，然后送入三相交流水泵13，三相交流水泵13的提水经过输配水部分的上水干管、过滤器和储水容器上水管21-1放入被架高的储水容器21内，在水压和重力的双重作用下，使靠近于储水容器出水口21-2的弹性的球形阀体22-3瞬间切断了被架高的储水容器21下方密闭的储水容器下水管21-3的出水，并在弹性的球形阀体22-3的下方形成负压，将弹性的球形阀体22-3吸附于储水容器出水口21-2上，如附图3所示。被弹性的球形阀体22-3堵住下水通道后，储水容器21内的水位，随着储水容器上水管21-1的持续放水而升高，浮球22-1随水位上升，拉伸蓄能弹簧22-2蓄能，当蓄能弹簧22-2的拉力不足以克服弹性的球形阀体22-3下方的负压吸力，弹性的球形阀体22-3将不能被蓄能弹簧22-2提起，储水容器21内的水位继续增加，浮球22-1随水位继续上升，继续拉伸蓄能弹簧22-2蓄能，当蓄能弹簧22-2拉伸到一定程度后，浮球22-1的淹没度开始增加，使浮球22-1的浮力进一步增大，继续拉伸蓄能弹簧22-2进一步蓄能，如附图4所示。直到蓄能弹簧22-2的拉力足以克服弹性的球形阀体22-3下方的负压吸力，弹性的球形阀体22-3将被蓄能弹簧22-2瞬间提起，蓄能弹簧22-2迅速复位，固定在弹性的球形阀体22-3正下方的平衡导向杆22-4和平衡导向锤22-5同时被提起、但平衡导向杆22-4的下端和平衡导向锤22-5仍向下深入在储水容器下水管21-3内，被架高的储水容器21内的水通过储水容器下水管21-3和输配水部分的下水干管、支管、若干条毛管和连接在每条毛管上的众多微管分别进入众多的压控灌水器的灌水器充水腔5，因为储水容器上水管21-1的上水流量要远远小于储水容器下水管21-3的出水流量，被架高的储水容器21内的水位开始回落，如附图5所示。与此同时，灌水器充水腔5内的水压，作用于隔膜2压缩复位弹簧2-3并带动疏通针2-2向上部移动，将疏通针2-2的顶部从漏斗形的灌水器出水口1-2的底部拔出，灌溉水从漏斗形的灌水器出水口1-2的底部流出，如附图1所示。灌水器底座1的中心空心锥形向上隆起的结构，减少了压控灌水器的出流对土壤的冲击，同时对灌水器出水口1-2周围的土壤构成支撑，避免了土壤塌陷的可能。被架高的储水容器21内的水位继续回落，浮球22-1、蓄能弹簧22-2、球形阀体22-3、平衡导向杆22-4和平衡导向锤22-5也随水位继续下降，在深入到储水容器下水管21-3内的平衡导向杆22-4和平衡导向锤22-5的引导下，弹性的球形阀体22-3平稳准确地降落于储水容器出水口21-2上，在水压和重力的双重作用下，使靠近于储水容器出水口21-2的弹性的球形阀体22-3瞬间切断了被架高的储水容器21下方密闭的储水容器下水管21-3的出水，并在弹性的球形阀体22-3的下方形成负压，将弹性的球形阀体22-3吸附于储水容器出水口21-2上，如附图3所示，完成了一轮间歇供水过程。与此同时，压控灌水器的灌水器充水腔5停止进水而失压，被压缩的复位弹簧2-3复位，通过隔膜2带动疏通针2-2向下部移动，重新将疏通针2-2的顶部插入漏斗形的灌水器出水口1-2的底部，对灌水器出水口1-2进行机械疏通并封闭灌水器出水口1-2避免负压吸泥和根系入侵，完成了一轮灌溉过程。
如附图4所示，被弹性的球形阀体22-3堵住下水通道后，储水容器21内的水位，随着上水管21-1的持续放水而升高，浮球22-1随水位上升，拉伸蓄能弹簧22-2蓄能，启动了下一轮供水过程和灌溉过程，如此周而复始地循环往复。
在每一轮的灌溉过程中，都对压控灌水器的灌水器出水口1-2进行了机械疏通，因此有效地防止了灌水器出水口1-2的堵塞。
在北方，入冬前，可通过空压机向下水干管内注入空气来排干埋入地下的支管、毛管和压控灌水器内的积水，以避免冻胀损坏。
光伏提水部分采用深圳市天源新能源有限公司的成品。
Claims (1)
1.一种光伏提水防堵塞重力式地下滴灌系统，其特征在于：包括光伏提水、输配水、间歇供水和压控灌水器四个部分，光伏提水部分由太阳能电池阵列(11)、三相交流逆变器(12)和三相交流水泵(13)组成，太阳能电池阵列(11)的输出端通过电缆与三相交流逆变器(12)的直流输入端连接，三相交流逆变器(12)的三相交流端输出端通过电缆与三相交流水泵(13)上的三相交流电源的输入端连接，输配水部分由上水干管、过滤器、下水干管、支管和毛管组成，三相交流水泵(13)的出水端通过上水干管和过滤器与储水容器上水管(21-1)连接，若干条毛管通过支管和下水干管与储水容器下水管(21-3)连接，间歇供水部分由储水容器(21)、储水容器上水管(21-1)、储水容器出水口(21-2)、储水容器下水管(21-3)、浮球(22-1)、蓄能弹簧(22-2)、球形阀体(22-3)、平衡导向杆(22-4)和平衡导向锤(22-5)组成，被架高的圆桶形口朝上垂直于水平面放置的储水容器(21)的上方安装有储水容器上水管(21-1)，储水容器上水管(21-1)的出水口朝下，靠近储水容器(21)的侧壁悬空放置，储水容器(21)的底部中心设有水平的圆形的储水容器出水口(21-2)，正下方连接有垂直于水平面的储水容器下水管(21-3)，储水容器出水口(21-2)上设有类似漏斗的斜面，该斜面的曲度与球形阀体(22-3)的曲度契合，浮球(22-1)的正下方固定有蓄能弹簧(22-2)，蓄能弹簧(22-2)的正下方固定有由弹性材料制成的球形阀体(22-3)，球形阀体(22-3)的正下方固定有平衡导向杆(22-4)，平衡导向杆(22-4)的最下端固定有平衡导向锤(22-5)，平衡导向杆(22-4)和平衡导向锤(22-5)向下深入到储水容器下水管(21-3)内，储水容器上水管(21-1)的上水流量要远远小于储水容器下水管(21-3)的出水流量，球形阀体(22-3)的直径要大于储水容器下水管(21-3)的内径，压控灌水器由灌水器底座(1)、灌水器插接头(1-1)、灌水器出水口(1-2)、隔膜(2)、隔膜波纹(2-1)、疏通针(2-2)、复位弹簧(2-3)、灌水器顶盖(3)和垫圈(4)组成，灌水器插接头(1-1)位于灌水器底座(1)的一侧，灌水器插接头(1-1)上设有倒钩，通过微管与输配水部分的毛管连接，灌水器出水口(1-2)位于灌水器底座(1)的中心空心锥形向上隆起的顶部，灌水器出水口(1-2)为漏斗形并开口朝上，隔膜(2)的中心厚，向边缘逐渐变薄，接近外缘设有隔膜波纹(2-1)，中心设有疏通针(2-2)，疏通针(2-2)的针尖朝向灌水器底座(1)一侧，正对着下方的漏斗形的灌水器出水口(1-2)的中心，疏通针(2-2)的顶部为圆柱形，直径略小于漏斗形的灌水器出水口(1-2)的底部直径，隔膜(2)的中心相对于疏通针(2-2)的另一侧有一外径略小于复位弹簧(2-3)内径的实心的柱形凸起，柱形凸起上安装有复位弹簧(2-3)，灌水器顶盖(3)的中心部位有向上的空心柱形隆起，柱形隆起的内径略大于复位弹簧(2-3)的外径，复位弹簧(2-3)为柱形弹簧，用于隔膜(2)复位，灌水器顶盖(3)通过螺纹与灌水器底座(1)连接，隔膜(2)将灌水器底座(1)与灌水器顶盖(3)围成的空间分隔成上下两部分，下部分为灌水器充水腔(5)，上部分为灌水器空气腔(6)，位于其间的环形的垫圈(4)用于止水，当灌水器充水腔(5)处于无压状态时，疏通针(2-2)的顶部插入漏斗形的灌水器出水口(1-2)的底部，灌水器底座(1)、隔膜(2)、灌水器顶盖(3)、垫圈(4)、灌水器出水口(1-2)、疏通针(2-2)、灌水器充水腔(5)和灌水器空气腔(6)的水平截面的几何图形皆为同心圆形。
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