CN108142251A - 一种将蒸散势能或土壤水势能转化为动力的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将蒸散势能或土壤水势能转化为动力的系统。包括：产能子系统和储能子系统，其中，产能子系统包括：用于存储灌溉水的第一传水器、第二传水器、第一连通管、第二连通管、进水管、出水管、水源器以及灌水器；储能子系统包括：第一轴承、第二轴承、第一发条、第二发条以及拉线。应用本发明，可利用灌溉过程生产能量、提升农业生产能量利用效率。

Description

一种将蒸散势能或土壤水势能转化为动力的系统

技术领域

本发明涉及低能耗农业灌溉技术，特别涉及一种将蒸散势能或土壤水势能转化为动力的系统。

背景技术

蒸腾作用是植物赖以存活的基本生理活动，农作物在生长发育过程所蒸腾掉的水分往往是其自身生物量的数百倍甚至数万倍，其中，蒸腾掉的水分绝大部分是通过农作物根系从土壤中吸收。因此，在现代农业生产过程中，通过灌溉给土壤补充水分，继而满足农作物对水分的需求是必不可少的农事活动。植物的蒸腾作用使得植物叶片的水势降低到-1～-10MPa以上，使得水势在土壤→植物根系→植物叶片→大气的运动链中逐渐降低，从而驱动水分从土壤→植物根系→植物叶片→大气的运动。生产经验和科学研究均表明，旱地农作物生长发育的最佳水分条件是比饱和含水量低的某个非饱和水分状态，而且当农作物吸水后会导致根系周围的水势下降，进一步引发根系周围远处的水分向根系周围移动，致使土壤含水量减少、土壤水势降低。除了植物蒸腾作用会使得土壤水势下降外，土壤表面的蒸发作用也使得土壤含水量下降，同样会使得土壤水势下降，土壤表面的蒸发作用和植物蒸腾作用合称为蒸散作用，蒸散作用消耗的水分称作为蒸散量。在陆地生态系统中，蒸散作用是土壤水势下降的最基本的驱动力。

正常生长的植物根系的水势在-100kPa～-1500kPa之间，旱地作物生长季节农田的土壤水势一般在-1kPa～-1500kPa之间，大多数旱地作物在土壤水势为-3kPa～-50kPa时生长最为旺盛。在目前的旱地作物灌溉过程中，灌水过程刚结束时，一般情况下地面积水很浅或者不形成地面积水，或者地面积水的过程非常短暂，可以忽略不计，此时灌水的水势为0kPa。随着蒸散作用的进行，水势为0kPa的灌溉水变成水势为-1kPa～-1500kPa的土壤水，在此过程中，必然会释放出能量。以农作物始终在-3kPa～-50kPa的土壤水势生长为例，灌溉水变成土壤水的过程将释放出2.94～49焦耳·千克水^-1的能量。在大多正常数情况下，旱地农作物的日耗水量约为2～6mm，能量通量为5.88～292焦耳·米^-2·日^-1。大多数旱地农作物的生长期在60～200天，如果假设农作物的生长期为100天，那么每亩作物一个生长季将释放出0.11～5.41kwh的能量。

目前全世界正在大力推广的最节水、水分效率最高的滴灌技术，为了实现对灌溉水的加压、控制灌水流的通与断，需要消耗一定的电量去自动控制水泵的启动、停止以及电磁阀的开、闭。而目前，对于植物的蒸散作用，灌溉水变成土壤水的过程中释放的能量，还没有被有效利用，使得农业生产能量利用效率不高，不利于农业可持续发展。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种将蒸散势能或土壤水势能转化为动力的系统，提升农业生产能量利用效率。

为达到上述目的，本发明提供了一种将蒸散势能或土壤水势能转化为动力的系统，包括：产能子系统和储能子系统，其中，

产能子系统包括：用于存储灌溉水的第一传水器、第二传水器、第一连通管、第二连通管、进水管、出水管、水源器以及灌水器；

储能子系统包括：第一轴承、第二轴承、第一发条、第二发条以及拉线；

第一连通管两端分别连接到第一传水器的顶部以及第二传水器的顶部；

第二连通管两端分别连接到第一传水器的内底部以及第二传水器的内底部；

进水管一端插入到水源器中的水源，与大气隔开，另一端与第一传水器的内底部连通；

出水管一端与灌水器连通，另一端与第二传水器的内底部连通；

灌水器埋置在土壤中；

第二传水器通过拉线与第二轴承相连，第二传水器向下运动，驱动拉线拉动第二轴承正向转动，第二轴承反向转动时，提升第二传水器，拉线缠绕到第二轴承上；

第一轴承具有棘轮功能，为单方向转动轴承；

第一发条的内圈安装在第一轴承上，外圈固定；

第二轴承具有棘轮功能，当第二轴承转动方向与第一轴承转动方向相同时，第二轴承与第一轴承锁死，第二轴承带动第一轴承一起转动；当第二轴承转动方向与第一轴承转动方向相反时，第二轴承与第一轴承松开，第二轴承的转动对第一轴承没有影响；

第二发条安装在第二轴承上，当第二轴承带动第一轴承转动，收紧第一发条，同时也收紧第二发条。

较佳地，所述第一传水器的容积小于或等于第二传水器的容积。

较佳地，所述第一传水器的底部高于第二传水器的顶部。

较佳地，所述第一连通管与第二连通管为n型连通管，所述拉线为软质无弹性的拉线。

较佳地，所述第一连通管的最高点高于第二连通管的最高点。

较佳地，所述第一连通管、第二连通管以及出水管均为具有伸缩性的管道。

较佳地，所述进水管内径小于第一连通管内径。

较佳地，所述第一连通管的导水速率大于灌水器的吸水速率。

较佳地，所述第二发条的拉力大于没有装水时的第二传水器的重量，小于装满水时的第二传水器的重量。

较佳地，在初始状态下，第二传水器、出水管、灌水器中充满了灌溉水，进水管的一端插入水源中，与大气隔开，第二传水器处于低位置，第二发条处于收紧状态；

由于蒸腾作用，使得土壤水势降低，当土壤水势低于灌水器的水势，灌水器中灌溉水被土壤通过灌水器管壁吸收到土壤中，使得第二传水器液面下降，第一传水器与第二传水器内的气压下降，灌溉水通过进水管从水源吸进到第一传水器中；

随着蒸腾作用的继续进行，第二传水器液面持续下降，当包括第二传水器重量以及第二传水器中水量的总重量小于第二发条收紧的拉力时，第二发条驱动第二轴承转动，将拉线缠绕到第二轴承上，同时将第二传水器提升到高位置；

在蒸腾作用的持续进行中，灌溉水持续通过进水管被从水源吸进到第一传水器中，当灌溉水在第一传水器的水位漫过第二连通管的顶端后，发生虹吸现象，第一传水器中的灌溉水通过第一连通管快速地流到第二传水器；

由于第一连通管的导水速率大于灌水器的吸水速率，灌溉水在第二传水器中逐渐攒积，第二传水器的总重量逐渐增加，当第二传水器的总重量大于第二发条与第一发条的拉力的合力时，第二传水器开始下坠，并通过带动拉线驱动第二轴承转动，第二轴承驱动第一轴承转动，使得第二发条、第一发条收紧，第一发条储存能量；

由于第一连通管的导水速率大于进水管的导水速率，当第一传水器中的灌溉水流到第二传水器后，第一传水器至第二传水器的灌溉水通路又处于断开状态，进入初始状态。

由上述的技术方案可见，本发明提供的一种将蒸散势能或土壤水势能转化为动力的系统，包括：产能子系统和储能子系统，其中，产能子系统包括：用于存储灌溉水的第一传水器、第二传水器、第一连通管、第二连通管、进水管、出水管、水源器以及灌水器；储能子系统包括：第一轴承、第二轴承、第一发条、第二发条以及拉线；第一连通管两端分别连接到第一传水器的顶部以及第二传水器的顶部；第二连通管两端分别连接到第一传水器的内底部以及第二传水器的内底部；进水管一端插入到水源器中的水源，与大气隔开，另一端与第一传水器的内底部连通；出水管一端与灌水器连通，另一端与第二传水器的内底部连通；灌水器埋置在土壤中；第二传水器通过拉线与第二轴承相连，第二传水器向下运动，驱动拉线拉动第二轴承正向转动，第二轴承反向转动时，提升第二传水器，拉线缠绕到第二轴承上；第一轴承具有棘轮功能，为单方向转动轴承；第一发条的内圈安装在第一轴承上，外圈固定；第二轴承具有棘轮功能，当第二轴承转动方向与第一轴承转动方向相同时，第二轴承与第一轴承锁死，第二轴承带动第一轴承一起转动；当第二轴承转动方向与第一轴承转动方向相反时，第二轴承与第一轴承松开，第二轴承的转动对第一轴承没有影响；第二发条安装在第二轴承上，当第二轴承带动第一轴承转动，收紧第一发条，同时也收紧第二发条。可利用灌溉过程生产能量，能够有效提升农业生产能量利用效率。

附图说明

图1为本发明将蒸散势能或土壤水势能转化为动力的系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

图1为本发明将蒸散势能或土壤水势能转化为动力的系统结构示意图。如图1所示，该系统包括：产能子系统和储能子系统，其中，

产能子系统包括：用于存储灌溉水的第一传水器11、第二传水器12、第一连通管13、第二连通管14、进水管15、出水管16、水源器17以及具有透水不透气性能的灌水器18；

储能子系统包括：第一轴承19、第二轴承20、第一发条21、第二发条22以及拉线23；

第一连通管13两端分别连接到第一传水器11的顶部以及第二传水器12的顶部；

第二连通管14两端分别连接到第一传水器11的内底部以及第二传水器12的内底部；

进水管15一端插入到水源器17中的水源，与大气隔开，另一端与第一传水器11的内底部连通；

出水管16一端与灌水器18连通，另一端与第二传水器12的内底部连通；

灌水器18埋置在土壤24中；

第二传水器12通过拉线23与第二轴承20相连，第二传水器12向下运动，驱动拉线23拉动第二轴承20正向转动，第二轴承20反向转动时，提升第二传水器12，拉线23缠绕到第二轴承20上；

第一轴承19具有棘轮功能，为单方向转动轴承；

第一发条21的内圈安装在第一轴承19上，外圈固定；这样，当第一轴承19转动时，第一发条21逐渐收紧，从而储存了能量。

第二轴承20具有棘轮功能，当第二轴承20转动方向与第一轴承19转动方向相同时，第二轴承20与第一轴承19锁死，第二轴承20带动第一轴承19一起转动；当第二轴承20转动方向与第一轴承19转动方向相反时，第二轴承20与第一轴承19松开，第二轴承20的转动对第一轴承19没有影响；

第二发条22安装在第二轴承20上，当第二轴承20带动第一轴承19转动、收紧第一发条21，同时也收紧第二发条22。

本实施例中，作为一可选实施例，第一传水器11和第二传水器12为两个暂时存储灌溉水的容器。

本实施例中，作为一可选实施例，第一传水器11的容积小于或等于第二传水器12的容积。

本实施例中，作为一可选实施例，在空间位置上，第一传水器11的底部高于第二传水器12的顶部。

本实施例中，作为一可选实施例，第一连通管13与第二连通管14为n型连通管。第一传水器11与第二传水器12通过n型的第一连通管13和第二连通管14连接。

本实施例中，作为一可选实施例，第一连通管13的最高点高于第二连通管14的最高点。

本实施例中，作为一可选实施例，第二连通管14的最高点低于第一传水器11的顶端。

本实施例中，作为一可选实施例，第一连通管13、第二连通管14以及出水管16为具有伸缩性的管道，从而不会限制第二传水器12在垂直方向上一定程度内的位移。

本实施例中，第一传水器11与第一连通管13、第二连通管14、进水管15相连通。作为一可选实施例，第一传水器11为一能承受预定负压的密封容器。

第二传水器12与第一连通管13、第二连通管14、出水管16相连通。作为一可选实施例，第二传水器12为一能承受一定负压的密封容器。

本实施例中，作为一可选实施例，进水管15内径小于第一连通管13内径，这样，在相同压力梯度下，可以使得第一连通管13的导水速率大于进水管15的导水速率。

本实施例中，作为一可选实施例，第一连通管13的导水速率大于灌水器18的吸水速率。

本实施例中，作为一可选实施例，第一传水器11的底部始终高于水源的水位，其两者的高度差根据需要，可以在0～10米之间设置。

本实施例中，作为一可选实施例，灌水器18由具有亲水性的微孔材料做成，当其微孔含有一定量的水分时，水分可以凭借湿润作用通过灌水器18的管壁，而空气不能通过，即具有“透水不透气”的功能。

灌水器18被埋置在土壤里。灌水器18通过出水管16和传水器连接，其空间位置始终低于第二传水器12的底部。

本实施例中，作为一可选实施例，第二发条22的拉力大于没有装水时的第二传水器12的重量，小于装满水时的第二传水器12的重量。作为另一可选实施例，第二发条22的拉力小于一次虹吸现象时从第一传水器11传入第二传水器12的水重量与第二传水器12重量之和。

本实施例中，作为一可选实施例，拉线23为软质无弹性的拉线23。

本实施例中，拉线23缠绕在第二轴承20上，拉动拉线23可以驱动第二轴承20转动，并收紧第一发条21、第二发条22；当施加在拉线23上的拉力消失或者小于第二发条22的反向拉力时，第二发条22释放能量，驱动第二轴承20反向转动，将拉线23缠绕在第二轴承20上。

下面对本实施例将蒸散势能或土壤水势能转化为动力的系统工作流程进行说明。

在初始状态下，第二传水器12、出水管16、灌水器18中充满了灌溉水，进水管15的一端插入水源中，与大气隔开，第二传水器12处于低位置，第二发条22处于收紧状态；

由于蒸腾作用，使得土壤水势降低，当土壤水势低于灌水器18的水势，灌水器18中灌溉水被土壤通过灌水器18管壁吸收到土壤中，使得第二传水器12液面下降，第一传水器11与第二传水器12内的的气压下降，灌溉水通过进水管15从水源吸进到第一传水器11中；

随着蒸腾作用的继续进行，第二传水器12液面持续下降，当包括第二传水器12重量以及第二传水器12中水量的总重量小于第二发条22收紧的拉力时，第二发条22驱动第二轴承20转动，将拉线23缠绕到第二轴承20上，同时将第二传水器12提升到高位置；

在蒸腾作用的持续进行中，灌溉水持续通过进水管15被从水源吸进到第一传水器11中，当灌溉水在第一传水器11的水位漫过第二连通管14的顶端后，发生虹吸现象，第一传水器11中的灌溉水通过第一连通管13快速地流到第二传水器12；

由于第一连通管13的导水速率大于灌水器18的吸水速率，灌溉水在第二传水器12中逐渐攒积，第二传水器12的总重量逐渐增加，当第二传水器12的总重量大于第二发条22与第一发条21的拉力的合力时，第二传水器12开始下坠，并通过带动拉线23驱动第二轴承20转动，第二轴承20驱动第一轴承19转动，使得第二发条22、第一发条21收紧，第一发条21储存能量；

由于第一连通管13的导水速率大于进水管15的导水速率，当第一传水器11中的灌溉水流到第二传水器12后，第一传水器11至第二传水器12的灌溉水通路又处于断开状态，进入初始状态。

在以上所有过程中，第一传水器11内的空气和第二传水器12内的空气通过第一连通管13，始终保持连通。

本实施例中，通过将灌溉水变成土壤水过程中释放的能量进行转化，将转化的能量进行储藏，从而使得储藏的能量可以被有效利用，可利用灌溉过程生产能量，能够有效提升农业生产能量利用效率，有利于农业可持续发展，以期目前的耗能灌溉变成少能耗或无能耗灌溉、产能灌溉，促进可持续农业的发展。

本实施例中，利用植物蒸腾作用所产生的低土壤水势，将处于密封系统(第二传水器以及第一传水器)中的灌溉水通过透水不透气的微孔亲水材料吸收到土壤中，使得密封系统中形成负压，驱动灌溉水从水源输送到一定高度的第一传水器中，当输送到第一传水器中的水累积到一定量时，利用虹吸现象，将第一传水器中所累积的灌溉水迅速转移到一可以在垂直方向发生位移的第二传水器中，灌溉水重量变化引起第二传水器发生位移，并拉动发条收紧，从而将土壤水势能量转化出来、并储藏在发条(第一发条)中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种将蒸散势能或土壤水势能转化为动力的系统，其特征在于，该系统包括：产能子系统和储能子系统，其中，

产能子系统包括：用于存储灌溉水的第一传水器、第二传水器、第一连通管、第二连通管、进水管、出水管、水源器以及具有透水不透气性能的灌水器；

储能子系统包括：第一轴承、第二轴承、第一发条、第二发条以及拉线；

第一连通管两端分别连接到第一传水器的顶部以及第二传水器的顶部；

第二连通管两端分别连接到第一传水器的内底部以及第二传水器的内底部；

进水管一端插入到水源器中的水源，与大气隔开，另一端与第一传水器的内底部连通；

出水管一端与灌水器连通，另一端与第二传水器的内底部连通；

灌水器埋置在土壤中；

第二传水器通过拉线与第二轴承相连，第二传水器向下运动，驱动拉线拉动第二轴承正向转动，第二轴承反向转动时，提升第二传水器，拉线缠绕到第二轴承上；

第一轴承具有棘轮功能，为单方向转动轴承；

第一发条的内圈安装在第一轴承上，外圈固定；

第二轴承具有棘轮功能，当第二轴承转动方向与第一轴承转动方向相同时，第二轴承与第一轴承锁死，第二轴承带动第一轴承一起转动；当第二轴承转动方向与第一轴承转动方向相反时，第二轴承与第一轴承松开，第二轴承的转动对第一轴承没有影响；

第二发条安装在第二轴承上，当第二轴承带动第一轴承转动，收紧第一发条，同时也收紧第二发条。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一传水器的容积小于或等于第二传水器的容积。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一传水器的底部高于第二传水器的顶部。

4.如权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述第一连通管与第二连通管为n型连通管，所述拉线为软质无弹性的拉线。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一连通管的最高点高于第二连通管的最高点。

6.如权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述第一连通管、第二连通管以及出水管均为具有伸缩性的管道。

7.如权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述进水管内径小于第一连通管内径。

8.如权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述第一连通管的导水速率大于灌水器的吸水速率。

9.如权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述第二发条的拉力大于没有装水时的第二传水器的重量，小于装满水时的第二传水器的重量。

10.如权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，

在初始状态下，第二传水器、出水管、灌水器中充满了灌溉水，进水管的一端插入水源中，与大气隔开，第二传水器处于低位置，第二发条处于收紧状态；

由于蒸腾作用，使得土壤水势降低，当土壤水势低于灌水器的水势，灌水器中灌溉水被土壤通过灌水器管壁吸收到土壤中，使得第二传水器液面下降，第一传水器与第二传水器内的的气压下降，灌溉水通过进水管从水源吸进到第一传水器中；

随着蒸腾作用的继续进行，第二传水器液面持续下降，当包括第二传水器重量以及第二传水器中水量的总重量小于第二发条收紧的拉力时，第二发条驱动第二轴承转动，将拉线缠绕到第二轴承上，同时将第二传水器提升到高位置；

在蒸腾作用的持续进行中，灌溉水持续通过进水管被从水源吸进到第一传水器中，当灌溉水在第一传水器的水位漫过第二连通管的顶端后，发生虹吸现象，第一传水器中的灌溉水通过第一连通管快速地流到第二传水器；

由于第一连通管的导水速率大于灌水器的吸水速率，灌溉水在第二传水器中逐渐攒积，第二传水器的总重量逐渐增加，当第二传水器的总重量大于第二发条与第一发条的拉力的合力时，第二传水器开始下坠，并通过带动拉线驱动第二轴承转动，第二轴承驱动第一轴承转动，使得第二发条、第一发条收紧，第一发条储存能量；

由于第一连通管的导水速率大于进水管的导水速率，当第一传水器中的灌溉水流到第二传水器后，第一传水器至第二传水器的灌溉水通路又处于断开状态，进入初始状态。