CN109566200B - 一种基于流化床的农业大棚自给水系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业大棚技术领域，并公开了一种基于流化床的农业大棚自给水系统。所述系统包括光学子系统以及制水子系统，制水子系统包括内部为中空结构的太阳能吸热板、流化床以及设于该太阳能吸热板另一端的风机，所述流化床内设有吸水材料；以及设于所述流化床末端的冷凝管以及设于所述冷凝管下端的集水箱，所述集水箱与所述风机通过风管连接，进而整个制水系统形成一个封闭的回路。本发明还公开了该系统相应的方法。本发明利用太阳光中红外光的能量作为吸附材料脱水的热能，并将脱附水转化成水蒸气进行收集的机理，进而解决了现有问题中无法充分收集脱附出来的水的问题，具有结构紧凑、操作工艺简单、太阳能利用率高的特点。

Description

一种基于流化床的农业大棚自给水系统

技术领域

本发明属于大棚供水技术领域，更具体地，涉及一种基于流化床的农业大棚自给水系统。

背景技术

社会不断进步，传统的农业生产模式已经不能满足现代文明发展的需要，新型的设施农业受到业界人士的追捧。所谓的农业装备，其实主要就是温室设施，它不受时间和空间的限制，可以在高原、深山、沙漠等特殊环境下进行农业生产。中国是一个农业大国，农民占总人口的一半还要多，农业创新应用的空间有无限大，农业装备行业从幕后走到台前。纵观国内温室大棚行业，大中小企业参差不齐，落地的温室项目质量自然也大相径庭。

我国西部内陆地区，气候干旱、年降水量少，严重缺水导致难以实现农业种植；我国的海岛地区，四周环海，且淡水净化难度大、成本高，因此农业用水短缺。

为解决我国西部内陆地区大棚种植缺水的问题，现有技术主要采用结合地源热泵技术以及滴灌节水技术，提供了光伏大棚内农作物的用水需要以及温度条件，整个光伏农业大棚系统的能源来源于太阳能光伏电能这种清洁能源，对环境无任何污染，能够保证农作物生长环境的清洁性，多余的电能可以通过并网的方式并入国家电网，是一种高效农业的高科技生态系统。但该方案并没有解决现有农业大棚种植中缺水、高耗能问题。同时，现有技术还提出了雨水收集的方式，充分利用自然降水资源，使大棚的生产效率的生产效率得到提高，但并不适合我国西部等缺水地区。同时，现有技术还提出了采用吸附材料进行吸附空气中的水分并进一步脱水从而获取所需水分，但是，这种方式一方面材料加热不均匀，部分水分难以析出，另一方面由于水的表面张力，析出的水附着于多孔介质内，不易排出。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于流化床的农业大棚自给水系统，其目的在于，利用太阳光中红外光的能量作为吸附材料脱水的热能，并将脱附水转化成水蒸气进行收集的机理，进而解决了现有问题中无法充分收集脱附出来的水的问题，同时，其余光用作植物的生长，从而实现了对太阳光的阶梯利用，同时实现了大棚自给水功能，缓解了用水紧张问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于流化床的农业大棚自给水系统，其特征在于，包括设于大棚内的光学子系统以及设于所述光学系统一侧的制水子系统，其中，

所述光学子系统包括菲涅尔透镜、设于所述菲涅尔透镜聚光点处的第一凹透镜、设于所述第一凹透镜下方的太阳光限频反射玻璃，所述太阳光限频反射玻璃下方设有第二凹透镜，所述菲涅尔透镜用于将太阳光进行线性聚光后经所述第一凹透镜将其转化为平行光，所述太阳光限频反射玻璃用于将所述平行光中的红外光反射到所述制水系统上；

所述制水子系统包括内部为中空结构的太阳能吸热板、设于该太阳能吸热板一端的流化床以及设于该太阳能吸热板另一端的风机，所述流化床内设有吸水材料；进而，所述太阳能吸热板吸收所述红外光的能量并加热流经其内部的空气，进而产生高温气体，所述高温气体为所述吸附材料脱附水提供能量，并将脱附的水加热成水蒸气；以及

所述制水子系统还包括设于所述流化床末端的冷凝管以及设于所述冷凝管下端的集水箱，所述集水箱与所述风机通过风管连接，进而整个制水系统形成一个封闭的回路；其中，冷凝管用于冷凝流化床中产生的水蒸气，并将冷凝的液态水输送至所述集水箱中进行收集，除湿后的空气经风机后进入再一次循环。

进一步的，所述吸附材料为SiO₂·nH₂O·yCaCl₂。

进一步的，所述太阳能吸热板为镀有太阳能选择性吸收材料的金属薄板。

进一步的，所述冷凝管为螺旋状结构。

进一步的，所述菲涅尔透镜的覆盖圆心角不超过150°，优选的，所述菲涅尔透镜的覆盖圆心角为120°。

进一步的，所述风机与所述集水箱之间设有第二阀门。

进一步的，所述流化床与所述冷凝管之间设于第一通气口，所述第一通气口上对应设有第一阀门。

进一步的，所述风机与所述有第二阀门之间设于第二通气口，所述第一通气口上对应设有第三阀门。

按照本发明的另一个方面，提供一种基于流化床的农业大棚自给水的方法，应用所述的一种基于流化床的农业大棚自给水系统实现，具体包括如下步骤：

S1打开第一阀门和第三阀门，关闭第二阀门，此时，空气为外循环模式；

S2风机35将外界湿润的空气送入流化床中，吸附材料在流化床的作用下充分与湿润的空气接触，并吸附空气中的水分，失水后的空气则通过第一阀门排出；

S3关闭第一阀门和第三阀门，打开第二阀门，空气为内循环模式；

S4风机将外界空气送入太阳能吸热板中，太阳能吸热板接收光学子系统传递的热量并利用该热量加热流经其内部的空气，进而获取高温气体；

S5高温气体进入流化床，并进行加热吸附水后的吸附材料，吸附材料受热后发生解吸反应，将夜间从空气中吸附的水解吸出来形成液态水，液态水在高温气体的进一步加热下形成水蒸气，水蒸气则进入所述冷凝管；

S6水蒸气在冷凝管中与外界空气进行热交换降温后在冷凝管中冷凝聚水，并在重力和螺旋结构产生的离心力作用下，快速聚水并向下运动，进入所述集水箱内；

S7除湿后的空气经风机后进入再一次循环。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的农业大棚自给水系统，通过光学子系统将太阳光分阶梯利用，并有机结合制水子系统的工作机理，相应的对制水子系统的结构和工作模式进行调整和改进，进而能够实现充分吸收太阳能热能用以加热吸附材料脱水并将脱水的水分进一步转化成水蒸气，同时，利用水蒸气与大气热交换冷凝聚水以及螺旋结构的冷凝管的离心作用力快速聚水和收集水，进而无需外界施压的情况下能够充分获取吸附材料吸附的水分，通过这种对太阳光的阶梯利用，实现了大棚自给水功能，在缺水地区提供农业用水，同时，为大棚内的农作物提供生长所需能量，实现对太阳光的阶梯利用，具有结构紧凑、操作工艺简单、设备维护成本低、太阳能利用率高且能实现大棚自给水的特点。

2.本发明的农业大棚自给水系统，制水子系统采用流化床作为吸水和脱水的反应器，让颗粒悬浮于气流中，并能随气流一起运动，进而在吸收过程中能够使吸附材料能够充分与湿润的空气接触进行吸水，在脱水过程中能够使得高温气体能够充分加热吸附材料和脱出来的水分，进而加快脱水以及水蒸气产生的速度，并进一步加快水蒸气流动的速度。

3.本发明的农业大棚自给水系统，吸附材料为SiO₂·nH₂O·yCaCl₂，在吸附过程中，一部分水蒸气与CaCl₂发生反应生成络合物,还有一部分水蒸气由于分子间的作用力吸附于多孔硅胶的孔壁上,具有复合吸附剂的吸附速度快、吸附量大的特点，有利于从空气中取水，另外，所述材料另具有脱附温度较低，可直接脱附产生液态水，且脱附较为彻底的优点，从而有利于将大棚内外对流空气中的大部分水分变为可用的液态水。

4.本发明的农业大棚自给水系统，期冷凝管设置为螺旋状，由于水的密度远大于空气的密度，在离心力的作用下，水滴会与螺旋状管壁碰撞，并被旋转管壁捕获，被捕获的水由于重力的作用会延管壁向下流动。

5.本发明的自给水的方法，通过空气循环模式的控制，并采用加热空气进而利用高温气体加热吸附材料的机理，进而使得脱附的水分不需要进过挤压便可形成水蒸气，水蒸气进一步与外界空气形成热交换冷凝聚水，具有结构紧凑、操作工艺简单、设备维护成本低、太阳能利用率高且能实现大棚自给水的特点。

附图说明

图1是本发明实施例一种基于流化床的农业大棚自给水系统的结构示意图；

图2是本发明实施例涉及的制水系统的结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-太阳光、2-光学子系统、3-制水子系统、4-大棚本体、31-流化床、32-吸附材料、331-第一阀门、332-第二阀门、333-第三阀门、34-集水箱、35-风机、36-太阳能吸热板、37-冷凝管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、图2所示，本发明的一种基于流化床的农业大棚自给水系统包括光学子系统2和制水子系统3。光学子系统2设置在大棚覆盖膜内表面，光学子系统2包括菲涅尔透镜201、第一凹透镜202、太阳光限频反射玻璃203、第二凹透镜204。菲涅尔透镜201安装在大棚覆盖膜内表面，其覆盖圆心角不超过150°，优选的，其覆盖圆心角为120°，保证系统在光照时间(7am～5pm)内对照射到透镜表面的太阳光进行线性聚光。汇聚后的太阳光作为本发明的主要能量来源。第一凹透镜202设置在菲涅尔透镜201的下方，且第一凹透镜202与菲涅尔透镜201的焦点相同，汇聚后的太阳光被与菲涅尔透镜共焦点放置的第一凹透镜201转换为平行光，以便于后续的分频处理。平行光再照射到太阳光限频反射玻璃203处，波长在700nm-2500nm之间的近红外光被太阳光限频反射玻璃203反射照射到设在光学系统侧面的制水系统3上，作为制水子系统3的能量来源。平行光中的其他可见光透过太阳光限频反射玻璃203再经第二凹透镜204转化成非平行光，为棚内农作物提供生长光源。

如图2所示，本发明涉及的制水子系统主要包括流化床31、吸附材料32、集水箱34、风机35和太阳能吸热板36。其中，流化床31内装有吸附材料32，用于吸附所述风机35输送过来的空气。太阳能吸热板36为中空结构，其一端与所述流化床31连接，另一端通过风管与所述风机35连接，从而实现将风机35输送的空气进行高温加热，使得被加热的空气能够达到300℃-1000℃，进而高温的气流进入流化床31内，对设于流化床31内的吸附材料32进行高温加热，从而使得吸收后的吸附材料32进行脱水反应，且脱出来的水分进一步被高温气体加热气化形成水蒸气。

如图2所示，所述流化床31的另一端与所述冷凝管37连接，其中，冷凝管37设置为螺旋状，进而能够让流化床31内产生的水蒸气进入所述冷凝管37，并且，水蒸气与空气进行热交换，从而使得水蒸气在冷凝管37中冷凝聚水，并在重力和螺旋状管壁产生的离心力作用下，快速聚水并向下运动。所述冷凝管37的末端与所述集水箱34连接，集水箱34用于收集冷凝管37中聚集的水。集水箱34上设有一条空气通路，该空气通路与所述风机5连接，进而整个装置形成一个闭合的回路。

如图2所示，流化床31与冷凝管37连接的通路上还设有第一出气口，该出气口上设有第一阀门331；所述风机35与所述集水箱34之间还设有第二阀门332，第二阀门与所述风机35之间设有第二出气口，且该出气口上设有第三阀门333。

作为本实施例的优选方案，太阳能吸热板36表面镀有太阳能选择吸收性材料。

作为本实施例的优选方案，吸附材料32为复合吸附剂SiO₂·nH₂O·yCaCl₂。硅胶是一种坚硬、多孔结构的固体颗粒,分子式为SiO₂·nH₂O经X射线衍射证明它是多孔的SiO₂,其骨架形成的空隙大小,使硅胶具有不同的比表面积、堆积密度、孔径和孔容。粗孔硅胶的比表面积约为580m²/g左右。CaCl₂和H₂O能发生可逆化学反应生成水合物(CaCl₂·H₂O、CaCl₂·2H₂O、CaCl₂·4H₂O、CaCl₂·6H₂O)，分子最多可吸附6个H₂O分子。具体反应过程为：

CaCl₂+H₂O＝CaCl₂·H₂O

CaCl₂·H₂O+H₂O＝CaCl₂·2H₂O

CaCl₂·2H₂O+2H₂O＝CaCl₂·4H₂O

CaCl₂·4H₂O+2H₂O＝CaCl₂·6H₂O

当CaCl₂分布在硅胶的孔道内时，空气中的水蒸气通过扩散作用进入硅胶孔道，由硅胶的高比表面积增大CaCl₂与水蒸气的接触面积,这也增强了CaCl₂与水蒸气的反应。在吸附过程中，一部分水蒸气与CaCl₂发生反应生成络合物,此为化学吸附还有一部分水蒸气由于分子间的作用力吸附于硅胶的孔壁上,此为物理吸附。该复合吸附剂SiO₂·nH₂O·yCaCl₂具有复合吸附剂的吸附速度快、吸附量大的特点，有利于夜间空气取水。

水合物(CaCl₂·H₂O、CaCl₂·2H₂O、CaCl₂·4H₂O、CaCl₂·6H₂O)在60°至80°的条件下发生解吸反应，利于白天将吸附的水分脱出供大棚使用。

在我国西北地区,夏季气候干燥、高温。如果吸附过程是在夜晚进行,温度会比平均气温低、相对湿度比平均湿度高,这更有利于吸附量的增加和吸附速度的加快。同时，白天光照强度大，温度高，解吸反应在白天进行，有利于加快吸附材料的解吸反应。因此,这种复合吸附剂在低湿度、高温的气候条件下也有优越的吸附性能。

本发明实施例的工作流程如下：打开第一阀门331和第三阀门333，关闭第二阀门332，此时，空气为外循环模式。外界的湿润空气经过风机35进入流化床31中，此时，没有光照，太阳能吸热板36不工作。吸附材料32在流化床31的作用下充分与湿润的空气接触，并吸附空气中的水分，失水后的空气则通过第一阀门331排出。白天，关闭第一阀门331和第三阀门333，打开第二阀门332，空气为内循环模式。外界的空气经过风机35进入太阳能吸热板36，太阳能吸热板36接收光学子系统传递的热量，其中，太阳光通过大棚顶部的菲涅尔透镜进行线性聚光并经过第一凹透镜转化为平行光照射在太阳光限频反射玻璃上，其中，近红外光被太阳光限频反射玻璃反射到制水系统为制水提供热能，其余太阳光经限频反射玻璃透射至第二凹透镜并转换为发散光，为植物生长提供光源。被太阳光限频反射玻璃反射到制水系统的太阳能吸热板36上，太阳能吸热板36吸收热量并将其吸收的热量用于加热流经其内部的空气，进而获取高温气体，高温气体进入流化床31，并进行加热吸附水后的吸附材料32，吸附材料32受热后发生解吸反应，将夜间从空气中吸附的水解吸出来形成液态水，液态水在高温气体的进一步加热下形成水蒸气，水蒸气则进入所述冷凝管37，并且，水蒸气与外界空气进行热交换，从而使得水蒸气在冷凝管37中冷凝聚水，并在重力和螺旋状管壁产生的离心力作用下，快速聚水并向下运动，进入所述集水箱34内，最后将集水箱中的水通过水管引出来灌溉大棚内的植物。除湿后的空气经风机35后进入再一次循环。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于流化床的农业大棚自给水系统，其特征在于，包括设于大棚（4）内的光学子系统（2）以及设于所述光学子系统（2）一侧的制水子系统（3），其中，

所述光学子系统（2）包括菲涅尔透镜（201）、设于所述菲涅尔透镜（201）聚光点处的第一凹透镜（202）、设于所述第一凹透镜（202）下方的太阳光限频反射玻璃（203），所述太阳光限频反射玻璃下方设有第二凹透镜（204），所述菲涅尔透镜（201）用于将太阳光进行线性聚光后经所述第一凹透镜（202）将其转化为平行光，所述太阳光限频反射玻璃（203）用于将所述平行光中的红外光反射到所述制水系统（3）上，平行光中的其他可见光透过太阳光限频反射玻璃（203）再经第二凹透镜（204）转化成非平行光，为棚内农作物提供生长光源；

所述制水子系统（3）包括内部为中空结构的太阳能吸热板（36）、设于该太阳能吸热板（36）一端的流化床（31）以及设于该太阳能吸热板（36）另一端的风机（35），所述流化床（31）内设有吸附材料（32）；所述太阳能吸热板（36）吸收所述红外光的能量并加热流经其内部的空气，进而产生高温气体，所述高温气体为所述吸附材料（32）脱水提供能量，并将脱附的水加热成水蒸气；

所述制水子系统（3）还包括设于所述流化床（31）末端的冷凝管（37）以及设于所述冷凝管（37）下端的集水箱（34），所述集水箱（34）与所述风机（35）通过风管连接，进而整个制水系统（3）形成一个封闭的回路；其中，冷凝管（37）用于冷凝流化床（31）中产生的水蒸气，并将冷凝的液态水输送至所述集水箱（34）中进行收集，除湿后的空气经风机（35）后进入再一次循环；

所述风机（35）与所述集水箱（34）之间设有第二阀门（332）；

所述流化床（31）与所述冷凝管（37）之间设于第一通气口，所述第一通气口上对应设有第一阀门（331）；

所述风机（35）与所述有第二阀门（332）之间设于第二通气口，所述第一通气口上对应设有第三阀门（333）。

2.如权利要求1所述的一种基于流化床的农业大棚自给水系统，其特征在于，所述吸附材料为SiO ₂ ·nH ₂ O·yCaCl ₂ 。

3.如权利要求1所述的一种基于流化床的农业大棚自给水系统，其特征在于，所述太阳能吸热板（36）为镀有太阳能选择性吸收材料的金属薄板。

4.如权利要求1所述的一种基于流化床的农业大棚自给水系统，其特征在于，所述冷凝管（37）为螺旋状结构。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种基于流化床的农业大棚自给水系统，其特征在于，所述菲涅尔透镜（201）的覆盖圆心角为120°。

6.一种基于流化床的农业大棚自给水的方法，其特征在于，应用如权利要求1-5中任一项所述的一种基于流化床的农业大棚自给水系统实现，具体包括如下步骤：

S1打开第一阀门（331）和第三阀门（333），关闭第二阀门（332），此时，空气为外循环模式；

S2风机（35）将外界湿润的空气送入流化床（31）中，吸附材料（32）在流化床（31）的作用下充分与湿润的空气接触，并吸附空气中的水分，失水后的空气则通过第一阀门（331）排出；

S3关闭第一阀门（331）和第三阀门（333），打开第二阀门（332），空气为内循环模式；

S4风机（35）将外界空气送入太阳能吸热板（36）中，太阳能吸热板（36）接收光学子系统（2）传递的热量并利用该热量加热流经其内部的空气，进而获取高温气体；

S5高温气体进入流化床（31），并进行加热吸附水后的吸附材料（32），吸附材料（32）受热后发生解吸反应，将夜间从空气中吸附的水解吸出来形成液态水，液态水在高温气体的进一步加热下形成水蒸气，水蒸气则进入所述冷凝管（37）；

S6水蒸气在冷凝管（37）中与外界空气进行热交换降温后在冷凝管（37）中冷凝聚水，并在重力和螺旋结构产生的离心力作用下，快速聚水并向下运动，进入所述集水箱（34）内；

S7除湿后的空气经风机（35）后进入再一次循环。

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