TWI618837B - 灌溉系統 - Google Patents

Abstract

一種灌溉系統包括蓄水池、電解式氣體產生器、偵測器以及控制單元。電解式氣體產生器可產生第一氣體與第二氣體。蓄水池蓄積灌溉用水，且蓄水池流體連通於電解式氣體產生器，以使第一氣體與第二氣體混入灌溉用水。偵測器設置於蓄水池內，以偵測灌溉用水，而得到一濃度檢測資料，其中濃度檢測資料包括第一氣體溶解濃度以及第二氣體溶解濃度。控制單元電性連接於電解式氣體產生器以及偵測器，其中控制單元接收濃度檢測資料，調整電解式氣體產生器的電壓值，以控制電解式氣體產生器所產生的氣體種類，以及調整灌溉用水中的第一氣體溶解濃度與第二氣體溶解濃度。

Description

灌溉系統

本發明是關於一種灌溉系統，且特別是關於一種應用質子交換膜(PEM)電解器來處理灌溉用水的灌溉系統。

在農業種植過程中，通常會使用農藥來減少病蟲害，及保障農產收穫量。另外，在農產品採收後，為了能夠長期保持蔬果的新鮮度，也難免會在蔬果上噴灑藥劑。

然而，若農藥或是藥劑殘留於蔬果上，經食用後將對人體有害。另外，農藥或化學藥劑的使用也會造成環境汙染。因此，目前先進國家均嚴格規定農藥在農作物栽植過程的使用時機與使用量，以確保農作物在收成後的農藥殘留量低於國家標準。

隨著養生及環保的觀念不斷普及，有些人寧可花費較高價格購買有機栽植的蔬果等農產品，以維護自身健康。也就是在不使用農藥的狀況下，花費更多的心力維護栽植環境，以避免病蟲害的發生。但因栽植過程必須耗費大量人力與心力，導致生產成本甚高，也促使有機蔬果的價格高昂。因此，如何降低農業種植成本，及減少農藥的使用，以提供一般消費者安心且較便宜的蔬果食用，仍是目前農務從業者的目標。

有鑑於此，本發明提供一種灌溉系統，其藉由質子交換膜(proton exchange membrane,PEM)電解水所產生的氣體，如：氫氣、氧氣及超氧，溶入水中之後，噴灑於農作物上，有利於除蟲及消毒殺菌，從而可減少農藥或化學藥劑的使用。

本發明一實施例提供一種灌溉系統，包括蓄水池、電解式氣體 產生器、偵測器以及控制單元。電解式氣體產生器可產生第一氣體與第二氣體。蓄水池蓄積灌溉用水，且蓄水池流體連通於電解式氣體產生器，以使第一氣體與第二氣體混入灌溉用水。偵測器設置於蓄水池內，以偵測灌溉用水中，而得到一濃度檢測資料，其中濃度檢測資料包括第一氣體溶解濃度以及第二氣體溶解濃度。控制單元電性連接於電解式氣體產生器以及偵測器，其中控制單元依據所接收的濃度檢測資料，以調整電解式氣體產生器的電壓值，且所述控制單元通過所述電壓值的調整，以控制電解式氣體產生器所產生的氣體種類，並調整灌溉用水中的所述第一氣體溶解濃度與第二氣體溶解濃度。

綜上所述，在本發明所提供的灌溉系統中，利用電解式氣體產生器來電解水，可產生氫氣、氧氣及超氧。將前述氣體溶入灌溉用水中，可改善種植環境。除此之外，控制單元可根據氣體溶解濃度，調整電解式氣體產生器的電壓值，來改變各個氣體的產生量，以使混入這些氣體的灌溉用水有利於農作物的生長或預防疾病。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

1‧‧‧灌溉系統

10‧‧‧蓄水池

20‧‧‧電解式氣體產生器

20a‧‧‧第一輸出管

20b‧‧‧第二輸出管

30‧‧‧偵測器

301‧‧‧第一偵測器

302‧‧‧第二偵測器

40‧‧‧控制單元

50‧‧‧出水端

50a‧‧‧出水控制閥

60‧‧‧第一水氣混合槽

61‧‧‧第一管路

62‧‧‧第一進水閥

70‧‧‧第二水氣混合槽

71‧‧‧第二管路

72‧‧‧第二進水閥

A1‧‧‧第一氣體

A2‧‧‧第二氣體

80‧‧‧純水供應裝置

81‧‧‧供水單元

82‧‧‧離子交換樹脂

21‧‧‧水電解組件

210‧‧‧電解器

211‧‧‧膜電極組

211a‧‧‧陽極

211b‧‧‧陰極

211c‧‧‧質子交換膜

22‧‧‧可調式電源供應器

23‧‧‧分離器

圖1 繪示本發明實施例的灌溉系統的功能方塊圖。

圖2 繪示本發明實施例的電解式氣體產生器的功能方塊圖。

圖3 繪示本發明實施例的水電解組件的示意圖。

圖1繪示本發明一實施例的灌溉系統的功能方塊圖。本發明實施例的灌溉系統1可根據不同的需求，提供具有不同氣體溶解濃度的灌溉用水。

詳細而言，灌溉系統1包括蓄水池10、電解式氣體產生器20、偵測器30以及控制單元40。

蓄水池10用以蓄積灌溉用水。在本發明實施例中，灌溉系統 1還包括一連通於蓄水池10的出水端50，以及設置於出水端50與蓄水池10之間的出水控制閥50a。蓄水池10內的灌溉用水可以通過出水端50流出，而出水控制閥50a可以控制灌溉用水通過出水端50的流量。在一實施例中，出水端50可以連接於分流管路，以使灌溉用水流向預定灌溉的區域。在其他實施例中，出水端50也可以連接至噴灑頭，以直接將灌溉用水噴灑於農作物上。

電解式氣體產生器20用以產生並輸出第一氣體A1與第二氣體A2。

電解式氣體產生器20具有第一輸出管20a與第二輸出管20b，以分別輸出第一氣體A1與第二氣體A2。在本發明實施例中，第一氣體A1可以是氧氣或者是包含氧氣與超氧的混合氣體，第二氣體A2則是氫氣。

在本發明實施例中，電解式氣體產生器20是間接地流體連通於蓄水池10。也就是說，電解式氣體產生器20所產生的第一氣體A1與第二氣體A2不會直接流入蓄水池10內，而是先通入其他水氣混合槽內。

在圖1所示的實施例中，灌溉系統1還包括第一水氣混合槽60、第二水氣混合槽70、第一管路61、第一進水閥62、第二管路71及第二進水閥72。須說明的是，在另一實施例中，電解式氣體產生器20也可以是直接流體連通於蓄水池10，從而使第一氣體A1與第二氣體A2通入蓄水池10內，從而和蓄水池10內所儲存的灌溉用水混合。在這種情況下，上述第一水氣混合槽60、第二水氣混合槽70、第一管路61、第一進水閥62、第二管路71及第二進水閥72也可以省略。

第一水氣混合槽60與第二水氣混合槽70是分別通過第一輸出管20a與第二輸出管20b流體連通於電解式氣體產生器20。也就是說，電解式氣體產生器20所產生的第一氣體A1與第二氣體A2會分別被輸送至第一水氣混合槽60與第二水氣混合槽70內。

另外，第一水氣混合槽60與第二水氣混合槽70內分別蓄積第一備用水與第二備用水。在一實施例中，第一水氣混合槽60與第二水氣混合槽70各具有一進水端(未標號)，以便由外部供水至第一水氣混合槽60與第二水氣混合槽70內，做為第一備用水與第二備用水。另外，第一水氣混合槽60與第二水氣混合槽70各具有一出水端(未標號)。當第一水氣混合槽60與第二水氣混合槽70內的水量過多時，槽內所儲存的水可由出水端排出。

通入第一水氣混合槽60內的第一氣體A1可和第一備用水混合，從而溶解至第一備用水中。相似地，流入第二水氣混合槽70內的第二氣體A2可和第二備用水混合，從而溶解至第二備用水中。

請繼續參照圖1。第一水氣混合槽60與第二水氣混合槽70通過前述的第一管路61與第二管路71流體連通於蓄水池10，以使第一備用水及第二備用水可流入蓄水池10內，而混合成灌溉用水。

另外，第一進水閥62設置於第一管路61上，以控制第一備用水的流量，從而控制灌溉用水中的第一氣體溶解濃度。相似地，第二進水閥72設置於第二管路71上，以控制第二備用水的流量，從而控制灌溉用水中的第二氣體A2濃度。

在本實施例中，電解式氣體產生器20是通過電解水，以產生第一氣體A1及第二氣體A2。因此，灌溉系統1還包括一連通於電解式氣體產生器20的純水供應裝置80，以對電解式氣體產生器20供水。

如圖1所示，在本實施例中，純水供應裝置80包括一供水單元81以及離子交換樹脂82，其中供水單元81所提供的水通過離子交換樹脂82，去除溶解在水中的各種陰陽離子之後，再提供至電解式氣體產生器20。在一實施例中，供水單元81可以是一儲水槽或者是一進水管路。

本發明實施例的電解式氣體產生器20為質子交換膜(proton exchange membrane,PEM)電解式氣體產生器。請配合參照圖2與圖3。圖2顯示本發明實施例的電解式氣體產生器的功能方塊圖，圖3顯示本發明實施例的水電解組件的示意圖。

進一步而言，本發明實施例的電解式氣體產生器20包括水電解組件21、可調式電源供應器22以及分離器23。

請參照圖3，水電解組件21包括電解器210以及設置於電解器內的膜電極組211，其中電解器210連通於純水供應裝置80。膜電極組211包括一陽極211a、一陰極211b及一設置於陽極211a與陰極211b之間的質子交換膜211c。在本實施例中，是選擇披覆於碳布(carbon cloth)上的鉑(Pt)/碳黑作為陰極211b。構成陽極211a的材料和所產生的氣體種類相關，將於後文中進一步說明。

請再參照圖2，可調式電源供應器22電性連接水電解組件21，也就是電性連接於陽極211a與陰極211b，以構成電性迴路。當進行電解時，可調式電源供應器22提供膜電極組211一電壓值，以將電解器210內的水電解，而分別在陽極211a及陰極211b產生一第一氣體A1及一第二氣體A2，其中第二氣體為氫氣。在電解之後，在陰極211b所產生的第二氣體(氫氣)會與水氣混合，因此須通過分離器23將第二氣體A2與水分離，而經過脫水後的氫氣才會經由第二輸出管20b輸出。

需說明的是，構成陽極211a的材料包括一添加物及一組成物，其中組成物包括全氟磺酸樹脂(Nafion)、聚四氟乙烯(PTFE)、硫酸(H₂SO₄)、奈米碳管以及石墨烯。全氟磺酸樹脂可作為黏著劑，聚四氟乙烯用以增強觸媒層結構。另外，硫酸可增加觸媒層內孔洞，以利於水分子進入，奈米碳管則可增加觸媒層導電度。

添加物可以選擇由銥、銥黑、氧化銥、釕、氧化釕、鉑、鉑銥、鈀、銥釕氧化物、銥釕鉭氧化物、錫銻鎳合金、二氧化鉛、玻璃碳、硼摻雜金剛石、鉑鉭氧化物及其任意組合所組成的群組。

陽極211a的添加物的材料以及施加於膜電極組211的電壓值大小 可依據所欲產生的第一氣體的種類而選用。舉例而言，若在陽極211a所產生的第一氣體為氧氣，電壓值小於1.5V，且陽極211a的添加物為有助於氫氣及氧氣產生之催化劑，如銥、銥黑、氧化銥、釕、氧化釕、鉑、鉑銥、鈀、銥釕氧化物、銥釕鉭氧化物或其任意組合。

在另一實例中，若在陽極211a產生的第一氣體包括氧氣及超氧，則電壓值需大於1.5V，且陽極211a的添加物為有助於超氧產生之催化劑，如錫銻鎳合金、二氧化鉛、玻璃碳、硼摻雜金剛石、鉑鉭氧化物或其任意組合。

如前所述，電解式氣體產生器20於陽極211a所產生的第一氣體A1會由第一輸出管20a通入第一水氣混合槽60內，而使第一備用水成為富氧水或者是富氧/超氧水。另外，電解式氣體產生器20於陰極211b所產生的第二氣體A2會由第二輸出管20b通入第二水氣混合槽70內，而使第二備用水成為富氫水。

富氧/超氧水以及富氫水分別通過第一管路61與第二管路71流入蓄水池10中混合而形成灌溉用水。當灌溉用水的超氧濃度為0.3ppm至3ppm時，即可有效提升植物的生長率，且對植物的生長並無不良影響。此外，利用含有超氧的灌溉用水來噴灑農作物，可減少病菌生長而減少植物病害。在一實驗例中，在使用一般水、含有0.5ppm的超氧水以及含有3ppm的超氧水灌溉番茄時，發現隨著水中超氧濃度增加，番茄重量與葉面積也會增加。因此，利用含有3ppm的超氧水來灌溉番茄可得到較佳的結果。

另外，利用含有氫氣的灌溉用水來噴灑已採摘的水果，可以延緩果實成熟及老化。舉例而言，可將摘下的奇異果浸泡在富氫水中，可在不使用化學藥劑的情況下，延緩果實的老化現象，而可延長保存的期限。因此，本發明實施例的灌溉系統中提供的灌溉用水，不僅可用於灌溉農作物以減少病害，也可以用來延長蔬果的保存期限。

請再參照圖1，偵測器30可以設置在蓄水池10內，以偵測灌溉用水，以得到濃度檢測資料，其中濃度檢測資料包括第一氣體溶解濃 度與第二氣體溶解濃度。在本發明另一實施例中，灌溉系統1可包括一第一偵測器301與一第二偵測器302，分別設置於第一水氣混合槽60與第二水氣混合槽70內，以分別檢測第一備用水的第一氣體溶解濃度與第二備用水的第二氣體溶解濃度。然而，在其他實施例中，第一偵測器301與第二偵測器302也可以省略。

另外，控制單元40可電性連接於電解式氣體產生器20、偵測器30、第一偵測器301、第二偵測器302、第一進水閥62、第二進水閥72以及出水控制閥50a。

在本發明實施例中，控制單元40電性連接至可調式電源供應器22。控制單元40可接收由偵測器30、第一偵測器301與第二偵測器302所提供的濃度檢測資料，並根據濃度檢測資料控制可調式電源供應器22的開啟或關閉，以控制電解式氣體產生器20是否輸出的第一氣體A1與第二氣體A2。

舉例而言，當控制單元40由偵測器30接收濃度檢測資料，並判定灌溉用水中的氫濃度與氧濃度不足時，即控制可調式電源供應器22開啟，而提供膜電極組211一電壓值，以電解位於電解器210內的水而產生氫氣與氧氣。

在一實施例中，控制單元40是根據濃度檢測資料控制可調式電源供應器22的電壓值，以控制第一氣體A1的種類。詳細而言，藉由控制單元40來調整電解式氣體產生器20的電壓值，並配合選用不同的陽極211a，可以調整在陽極211a產生的第一氣體A1中氧氣與超氧比例。除此之外，氧氣與超氧的濃度比例也和電壓值的大小有關。隨著電壓值增加，第一氣體A1中的超氧的濃度也會增加。因此，控制單元40也可通過控制電壓值(至少大於1.5V)，來控制第一氣體中的氧氣與超氧的濃度比例。

舉例而言，當控制單元40由第一偵測器301接收濃度檢測資料，並判定第一備用水中的超氧濃度不足時，即控制可調式電源供應器22的電壓值大於1.5V，以產生氧氣與超氧，並通入第一水氣混合槽60 內，從而增加第一備用水的超氧濃度。

另外，控制單元40可以根據偵測器30所提供的濃度檢測資料，通過控制第一進水閥62與第二進水閥72來分別控制第一備用水與第二備用水流入蓄水池10中的流量，從而控制灌溉用水中的第一氣體溶解濃度與第二氣體溶解濃度的比例。

控制單元40電性連接於出水控制閥50a，可控制灌溉用水通過出水端50的流量。在一實施例中，控制單元40可以設定在不同的時間點流出灌溉用水。綜上所述，本發明實施例所提供的灌溉系統中，利用電解式氣體產生器來產生的氧氣、超氧及氫氣，並使這些氣體溶解於水中，再灌溉農作物。如此，可在減少農藥或化學藥劑的使用下，提高農作物生長率，或延長蔬果保存期限。由於減少使用農藥或化學藥劑，也可避免對環境造成汙染，並避免對人體有害化學藥劑或農藥殘留於農作物上。

雖然本發明之實施例已揭露如上，然本發明並不受限於上述實施例，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露之範圍內，當可作些許之更動與調整，因此本發明之保護範圍應當以後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧灌溉系統

10‧‧‧蓄水池

20‧‧‧電解式氣體產生器

20a‧‧‧第一輸出管

20b‧‧‧第二輸出管

30‧‧‧偵測器

301‧‧‧第一偵測器

302‧‧‧第二偵測器

40‧‧‧控制單元

50‧‧‧出水端

50a‧‧‧出水控制閥

60‧‧‧第一水氣混合槽

61‧‧‧第一管路

62‧‧‧第一進水閥

70‧‧‧第二水氣混合槽

71‧‧‧第二管路

72‧‧‧第二進水閥

A1‧‧‧第一氣體

A2‧‧‧第二氣體

80‧‧‧純水供應裝置

81‧‧‧供水單元

82‧‧‧離子交換樹脂

Claims (12)

1. 一種灌溉系統，其包括：一蓄水池，以蓄積灌溉用水；一電解式氣體產生器，以輸出一第一氣體以及一第二氣體，其中所述電解式氣體產生器流體連通於所述蓄水池，以使所述第一氣體與所述第二氣體混入所述灌溉用水；一偵測器，設置於所述蓄水池內，所述偵測器偵測所述灌溉用水，以得到一濃度檢測資料，其中所述濃度檢測資料包括一第一氣體溶解濃度以及一第二氣體溶解濃度；以及一控制單元，其電性連接於所述電解式氣體產生器以及所述偵測器，其中所述控制單元依據所接收到的所述濃度檢測資料，以調整所述電解式氣體產生器的電壓值，且所述控制單元通過所述電壓值的調整，以控制所述電解式氣體產生器所產生的氣體種類並調整所述灌溉用水中的所述第一氣體溶解濃度與所述第二氣體溶解濃度。
2. 如請求項1所述之灌溉系統，還包括一用於蓄積第一備用水的第一水氣混合槽，其流體連通於所述蓄水池與所述電解式氣體產生器，以提供所述第一備用水至所述蓄水池，其中所述電解式氣體產生器具有一第一輸出管，且所述第一氣體通過所述第一輸出管以輸送至所述第一水氣混合槽。
3. 如請求項2所述之灌溉系統，還包括一連通於所述第一水氣混合槽與所述蓄水池之間的第一管路以及一設置於所述第一管路上的第一進水閥，其中，所述控制單元電性連接所述第一進水閥，以控制所述第一備用水通過所述第一管路的流量。
4. 如請求項1所述之灌溉系統，還包括一用於蓄積第二備用水的第二水氣混合槽，其流體連通於所述蓄水池與所述電解式氣體產生器的第二水氣混合槽，以提供所述第二備用水至所述 蓄水池，其中所述電解式氣體產生器具有一第二輸出管，且所述第二氣體通過所述第二輸出管以輸送至所述第二水氣混合槽。
5. 如請求項4所述之灌溉系統，還包括一連通於所述第二水氣混合槽與所述蓄水池之間的第二管路以及一設置於所述第二管路上的第二進水閥，其中，所述控制單元電性連接所述第二進水閥，以控制所述第二備用水通過所述第二管路的流量。
6. 如請求項1所述之灌溉系統，還包括一連通於所述蓄水池的出水端以及一設置於所述出水端與所述蓄水池之間的出水控制閥，其中所述出水控制閥控制所述灌溉用水通過所述出水端的流量。
7. 如請求項1所述之灌溉系統，其中，當所述電壓值小於1.5V時，所述第一氣體為氧氣，所述第二氣體為氫氣。
8. 如請求項1所述之灌溉系統，其中，當所述電壓值大於1.5V時，所述第一氣體包括氧氣及超氧，所述第二氣體為氫氣。
9. 如請求項1所述之灌溉系統，還包括一純水供應裝置，其連接於所述電解式氣體產生器，以供水給所述電解式氣體產生器。
10. 如請求項1所述之灌溉系統，其中，所述電解式氣體產生器為質子交換膜電解式氣體產生器，其包括：一水電解組件，其包括一電解器及一設置於所述電解器內的膜電極組，其中所述電解器流體連通於所述純水供應裝置，所述膜電極組包括一陽極、一陰極以及一位於所述陽極與所述陰極之間的質子交換膜；以及一可調式電源供應器，其電性連接於所述陽極與所述陰極，以構成一電性迴路，其中所述控制單元電性連接於所述可調式電源供應器，以調整所述可調式電源供應器所提供的電壓值。
11. 如請求項10所述之灌溉系統，其中，所述陽極包括一添加物以及一組成物，其中所述添加物選擇由銥、銥黑、氧化銥、釕、氧化 釕、鉑、鉑銥、鈀、銥釕氧化物、銥釕鉭氧化物、錫銻鎳合金、二氧化鉛、玻璃碳、硼摻雜金剛石、鉑鉭氧化物及其任意組合所組成的群組，所述組成物包括全氟磺酸樹脂、聚四氟乙烯、硫酸以及奈米碳管與石墨烯。
12. 如請求項10所述之灌溉系統，其中，該陽極包括一添加物及一組成物，其中當所述第一氣體包括氧氣及超氧時，所述添加物為錫銻鎳合金、二氧化鉛、玻璃碳、硼摻雜金剛石、鉑鉭氧化物或其任意組合，該組成物包括全氟磺酸樹脂、聚四氟乙烯、硫酸、奈米碳管以及石墨烯，且所述電壓值大於1.5V。