一种空气集水与滴灌装置及方法

1.本发明涉及空气集水以及滴灌技术领域，具体涉及一种空气集水与滴灌装置及方法。


背景技术：

2.土地沙漠化日益引起人类社会的广泛关注。在沙漠地区，如何有效获得水资源和实现节水节能种植是必须破解的难题。在世界范围内，已经使用了许多方法来收集水，如通过海水淡化、地下水收集、雨水收集和储存，但是这些水源受到地理位置和气候条件限制，因此，收集大气中的水就变得至关重要，而利用表面冷却取水是收集大气中水的重要途径。然而现有利用表面冷却取水的设备由于制冷困难，导致成本很高；此外，现在沙漠中对植物的漫灌不仅需要大量人力，还浪费水资源。因此，研发一种能够在沙漠中取水并对植物进行滴灌的装置具有重大意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种空气集水与滴灌装置及方法。
4.本发明一种空气集水与滴灌装置，包括空气集水机构、旋转机构和储水滴灌机构。所述的空气集水机构包括上层集水槽、第一水管、三通管、第二水管、前部百叶窗、后部百叶窗、露水收集板、玻璃板、吸附剂床、吸附剂床固定板和下层集水槽；所述的露水收集板、玻璃板和吸附剂床固定板由上至下依次间距布置，且露水收集板和玻璃板均倾斜设置；露水收集板的底端嵌入上层集水槽内，玻璃板的底端嵌入下层集水槽内；露水收集板的顶端和玻璃板的顶端之间设有两侧与两块侧板分别固定的节流进风口，或玻璃板的顶端处固定有与控制器连接的制冷片；前部百叶窗和后部百叶窗均位于玻璃板和吸附剂床固定板之间，且前部百叶窗位于玻璃板的顶端位置，后部百叶窗位于玻璃板的底端位置；露水收集板、玻璃板、吸附剂床固定板、上层集水槽、前部百叶窗和后部百叶窗的一侧均与一块侧板固定，另一侧均与另一块侧板固定；两块侧板间距固定在上型材框架上；所述的上型材框架由旋转机构驱动旋转；下层集水槽固定在后部百叶窗上；前部百叶窗驱动机构驱动前部百叶窗，后部百叶窗驱动机构驱动后部百叶窗；上层集水槽和下层集水槽的两侧均封闭；第一水管顶端与上层集水槽连通，第二水管顶端与下层集水槽连通；第一水管和第二水管的底端与三通管的两个接口分别连接；吸附剂床固定板上固定有若干吸附剂床，吸附剂床内置吸附性材料。
5.所述的储水滴灌机构包括第一储水罐、滴灌管、棉线软管和棉绳；第一储水罐的第一个入口与空气集水机构中三通管的第三个接口连通，第二个入口作为外界水源接口且不使用时为封闭状态；所述的滴灌管与第一储水罐的出口连接；棉线软管一端插入滴灌管内，并与置于滴灌管内的棉绳固定。
6.优选地，上层水管连接块固定在上层集水槽上，下层水管连接块固定在下层集水
槽上；第一水管顶端穿过上层水管连接块与上层集水槽连通；第二水管顶端穿过下层水管连接块与下层集水槽连通。
7.优选地，所述的前部百叶窗驱动机构包括前部舵机、前部连杆和前部铁丝；所述的前部舵机固定在上型材框架上；前部连杆一端与前部百叶窗的其中一片叶片固定，另一端与前部铁丝一端固定；前部铁丝另一端与前部舵机的输出轴固定；所述的后部百叶窗驱动机构包括后部舵机、后部连杆和后部铁丝；后部舵机固定在上型材框架上；后部连杆一端与后部百叶窗的其中一片叶片固定，另一端与后部铁丝一端固定；后部铁丝另一端与后部舵机的输出轴固定。
8.优选地，所述的旋转机构包括电机、第一光轴、第一同步带轮、转盘上板、转盘外圈、转盘内圈、转盘下板、第二光轴、第二同步带轮和同步带；所述的电机固定在电机支架上；第一光轴与第一轴承座构成转动副，并与电机的输出轴通过联轴器连接；第二光轴与第二轴承座构成转动副；电机支架、第一轴承座和第二轴承座均固定在下型材框架上；所述的第一同步带轮固定在第一光轴上；所述的第二同步带轮固定在第二光轴上，并与第一同步带轮通过同步带连接；转盘外圈固定在转盘下板，转盘下板固定在下型材框架上；转盘上板与第二光轴通过法兰盘固定；转盘内圈与转盘外圈构成转动副，并固定在转盘上板底面。
9.优选地，所述的空气集水机构中三通管的第三个接口与第五水管一端通过快速接头连接，第五水管另一端与第二储水罐的入口连接；第二储水罐的出口与第一储水罐的第一个入口通过第三水管连通；所述第二储水罐的顶部开设有通气孔；第三水管上设有第二电磁阀；第一储水罐通过第一储水罐支架固定在下型材框架上，第二储水罐通过第二储水罐支架固定在下型材框架上；第一储水罐的第二个入口连接有第四水管，第四水管连接外界水源，且第四水管上设有第一电磁阀。
10.优选地，所述的第一储水罐中部的出口与滴灌管的第一个入口通过第七水管连接；第七水管上设有第三电磁阀；第一储水罐底部的出口与滴灌管的第二个入口通过第六水管连接；第六水管上设有第四电磁阀；滴灌管的第一个入口位置高于第二个入口位置；第一储水罐内设有与控制器连接的液位传感器。
11.优选地，还设有压绳机构，所述的压绳机构包括压绳支架、第一压绳块、弹簧、软管接头、第一连杆、压绳舵机、第二连杆、压绳限位块和第二压绳块；滴灌管固定在压绳支架上；所述的压绳舵机固定在压绳支架上，压绳舵机的输出轴与第一连杆一端固定，第一连杆另一端与第二连杆一端铰接；第二连杆另一端与压绳限位块铰接；所述的压绳限位块与压绳支架构成滑动副；第一压绳块和第二压绳块均与压绳支架构成滑动副，并均与压绳限位块通过弹簧连接，且第一压绳块低于第二压绳块设置；储水滴灌机构中棉线软管和棉绳设置三组，软管接头的三个入口与三根棉绳软管的另一端分别连接，软管接头的出口与滴灌绳管连接；第一压绳块和第二压绳块分别位于其中一根棉绳软管上方。
12.优选地，还设有太阳能装置，所述的太阳能装置包括太阳能板、风向传感器和传感器连接块；所述的太阳能板固定在立柱上，为控制器、旋转机构、前部百叶窗驱动机构、后部百叶窗驱动机构和压绳机构提供电能；所述的风向传感器通过传感器连接块固定在立柱顶端，风向传感器的信号输出端与控制器连接；光敏传感器固定在立柱上，光敏传感器的信号输出端与控制器连接。
13.该空气集水与滴灌装置进行集水与滴灌的方法，具体如下：
14.集水过程为：
15.当风向传感器检测到风向时，将信号反馈到控制器，控制器控制旋转机构调整空气集水机构的方向，使露水收集板的顶端、玻璃板的顶端和前部百叶窗始终迎风。
16.当光敏传感器检测到处于夜晚时，控制器控制前部百叶窗驱动机构驱动前部百叶窗的叶片打开，并控制后部百叶窗驱动机构驱动后部百叶窗的叶片打开；进入前部百叶窗并经过吸附剂床的风中水蒸气被吸附剂床内的吸附性材料吸收；而风经过玻璃板和露水收集板时，在玻璃板上结的露水流到下层集水槽里，在露水收集板上结的露水流到上层集水槽里。
17.当光敏传感器检测到处于白天时，控制器控制前部百叶窗驱动机构驱动前部百叶窗的叶片关闭，并控制后部百叶窗驱动机构驱动后部百叶窗的叶片关闭；随着白天温度逐渐升高，吸附剂床内吸附性材料里的水逐渐蒸发成水蒸气；而设有节流进风口时，由于节流进风口的节流膨胀原理，进入节流进风口的风压强降低，速度加快，温度降低，玻璃板温度比水蒸气低，水蒸气遇到玻璃板底面凝结成水滴流到下层集水槽里；若是设置制冷片，同样给玻璃板降温，水蒸气遇到玻璃板底面凝结成水滴流到下层集水槽里。
18.滴灌过程为：
19.下层集水槽和上层集水槽里的水均流入第二储水罐进行存储；液位传感器检测到第一储水罐水位处于低于设定水位点状态时，控制器控制第三电磁阀与第四电磁阀保持闭合状态，第二电磁阀开启，水流由第二储水罐流入第一储水罐；其中，如果有外界水源，且第二储水罐的水不足以使第一储水罐水位高于设定水位点时，开启第一电磁阀，使第一储水罐灌满。液位传感器检测到第一储水罐水位高于设定水位点时，第二电磁阀继续开启设定时间后关闭；随后第三电磁阀和第四电磁阀开启，第一储水罐内的水由第六水管流入滴灌管中，直到滴灌管内水位高于第七水管出口时，第一储水罐实现完全密闭状态，滴灌管内水位不再变化；植物根部缺水时，滴灌绳管对植物根部实现滴灌，滴灌绳管的水由棉绳从滴灌管吸取，并经棉线软管和软管接头传来。当滴灌管内水位由于滴灌植物而降至第七水管出口以下时，第六水管重新将第一储水罐的水供至滴灌管内，直到滴灌管内水位高于第七水管出口时，滴灌管内水位重新处于稳定状态，不再变化。
20.优选地，滴灌过程中，根据植物需水量不同调节进行供水的棉线软管和棉绳数量，具体为：当植物需水量较大时，三组棉线软管和棉绳同时供水；当植物需水量中等时，压绳舵机经第一连杆和第二连杆带动压绳限位块向下移动设定距离，使第一压绳块压在下方棉绳上，但由于弹簧的存在，此时第一压绳块并没有完全压紧下方棉绳；而第二压绳块由于高于第一压绳块，不压在第二压绳块下方棉绳上；当植物需水量较少时，压绳舵机继续带动压绳限位块向下移动，使第一压绳块完全压紧下方棉绳，且第二压绳块也压在下方棉绳上。
21.本发明具有的有益效果：
22.本发明可以在沙漠的极端气候条件下从空气中有效集水，并利用储水滴灌机构的精准滴灌方式为植物供水，实现水资源利用最大化、最优化，最大限度地解决沙漠中植物因缺水而无法存活的现象，为生态修复和沙漠绿化做出贡献。其中，不仅能在夜晚或清晨利用露水收集板和玻璃板结露水，而且在白天还能将吸附剂床夜晚或清晨从空气中吸附的水蒸气重新释放出来，并在降温后的玻璃板上结露水，最终对露水收集板和玻璃板上的露水进行收集，大大增加了在沙漠空气中的集水量。而滴灌过程中，利用高低位置不同的两根水管
18固定，通过棉绳3-18将水渐渐渗入到棉线软管3-13另一端，再引到植物根部处。
33.作为优选，露水收集板1-18的顶面和底面均设有等距排布的多个收集槽，可以增加与空气的接触面积，收集更多的露水。
34.作为优选，露水收集板1-18与侧板1-2通过多个l型连接件1-4固定连接。
35.作为优选，露水收集板1-18和玻璃板1-19的倾斜角均为30度。
36.作为优选，吸附剂床1-20开设有条状开口，使空气与吸附性材料充分接触。
37.作为优选，上层水管连接块1-17固定在上层集水槽1-3上，下层水管连接块1-1固定在下层集水槽1-22上；第一水管1-7顶端穿过上层水管连接块1-17与上层集水槽1-3连通；第二水管1-12顶端穿过下层水管连接块1-1与下层集水槽1-22连通。
38.作为优选，前部百叶窗驱动机构包括前部舵机1-9、前部连杆1-11和前部铁丝1-10；前部舵机1-9固定在上型材框架上；前部连杆1-11一端与前部百叶窗1-6的其中一片叶片固定，另一端与前部铁丝1-10一端固定；前部铁丝1-10另一端与前部舵机1-9的输出轴固定；前部舵机1-9可以通过拉动前部铁丝1-10带动前部连杆1-11旋转，从而实现前部百叶窗1-6的开与闭；后部百叶窗驱动机构包括后部舵机1-13、后部连杆1-15和后部铁丝1-14；后部舵机1-13固定在上型材框架上；后部连杆1-15一端与后部百叶窗1-16的其中一片叶片固定，另一端与后部铁丝1-14一端固定；后部铁丝1-14另一端与后部舵机1-13的输出轴固定；后部舵机1-13旋转带动后部铁丝1-14和后部连杆1-15，实现后部百叶窗1-16的开和闭；前部百叶窗1-6和后部百叶窗1-16同时联动便可实现吸附剂床1-20的通风或密封。
39.作为优选，如图4所示，旋转机构2包括电机2-1、第一光轴2-3、第一同步带轮2-4、转盘上板2-6、转盘外圈2-8、转盘内圈2-9、转盘下板2-10、第二光轴2-12、第二同步带轮2-13和同步带2-14；电机2-1固定在电机支架2-15上；第一光轴2-3与第一轴承座2-5构成转动副，并与电机2-1的输出轴通过联轴器2-2连接；第二光轴2-12与第二轴承座2-11构成转动副；电机支架2-15、第一轴承座2-5和第二轴承座2-11均固定在下型材框架上；第一同步带轮2-4固定在第一光轴2-3上；第二同步带轮2-13固定在第二光轴2-12上，并与第一同步带轮2-4通过同步带2-14连接；转盘外圈2-8固定在转盘下板2-10，转盘下板2-10固定在下型材框架上；转盘上板2-6与第二光轴2-12通过法兰盘2-7固定；转盘内圈2-9与转盘外圈2-8构成转动副，并固定在转盘上板2-6底面；转盘外圈2-8对转盘内圈2-9起支承作用。
40.作为优选，滴灌管3-14呈倒置的锥形，利于扎入土壤中固定。
41.作为优选，空气集水机构1中三通管1-8的第三个接口与第五水管3-8一端通过快速接头3-7连接，第五水管3-8另一端与第二储水罐3-9的入口连接；第二储水罐3-9的出口与第一储水罐3-2的第一个入口通过第三水管3-4连通；第二储水罐3-9顶部开设有通气孔，保证第二储水罐3-9内压强与大气压相等，从而保证三通管1-8中的水能顺利流下；第三水管3-4上设有第二电磁阀3-11；第一储水罐3-2通过第一储水罐支架3-3固定在下型材框架上，第二储水罐3-9通过第二储水罐支架3-10固定在下型材框架上；第一储水罐3-2的第二个入口连接有第四水管3-5，第四水管3-5连接外界水源，且第四水管3-5上设有第一电磁阀3-6。
42.作为优选，第一储水罐3-2中部的出口与滴灌管3-14的第一个入口通过第七水管3-17连接；第七水管3-17上设有第三电磁阀3-12；第一储水罐3-2底部的出口与滴灌管3-14的第二个入口通过第六水管3-15连接；第六水管3-15上设有第四电磁阀3-16；滴灌管3-14
的第一个入口位置高于第二个入口位置；第一储水罐3-2内设有与控制器连接的液位传感器。
43.更优选地，第一储水罐3-2中部的出口与第七水管3-17通过胶垫宝塔头3-1连接，第一储水罐3-2底部的出口与第六水管3-15通过胶垫宝塔头3-1连接。
44.优选地，还设有压绳机构，压绳机构包括压绳支架3-19、第一压绳块3-20、弹簧3-21、软管接头3-22、第一连杆3-23、压绳舵机3-24、第二连杆3-25、压绳限位块3-26和第二压绳块3-27；滴灌管3-14固定在压绳支架3-19上；压绳舵机3-24固定在压绳支架3-19上，压绳舵机3-24的输出轴与第一连杆3-23一端固定，第一连杆3-23另一端与第二连杆3-25一端铰接；第二连杆3-25另一端与压绳限位块3-26铰接；压绳限位块3-26与压绳支架3-19构成滑动副；第一压绳块3-20和第二压绳块3-27均与压绳支架3-19构成滑动副，并均与压绳限位块3-26通过弹簧3-21连接，且第一压绳块3-20低于第二压绳块3-27设置；储水滴灌机构3中棉线软管3-13和棉绳3-18设置三组，软管接头3-22的三个入口与三根棉绳软管3-13的另一端分别连接，软管接头3-22的出口与滴灌绳管连接，滴灌绳管将水引到植物根部处；第一压绳块3-20和第二压绳块3-27分别位于其中一根棉绳软管3-13上方。
45.作为优选，如图7所示，还设有太阳能装置4，太阳能装置4包括太阳能板4-1、风向传感器4-2和传感器连接块4-3；太阳能板4-1固定在立柱上，为控制器、旋转机构2、前部百叶窗驱动机构、后部百叶窗驱动机构和压绳机构提供电能，具体是为控制器、旋转机构2中电机2-1、前部百叶窗驱动机构的前部舵机1-9、后部百叶窗驱动机构的后部舵机1-13和压绳机构的压绳舵机3-24提供电能，可解决沙漠中供电困难的问题；优选地，太阳能板4-1的倾斜角为40度；风向传感器4-2通过传感器连接块4-3固定在立柱顶端，风向传感器4-2的信号输出端与控制器连接，可检测风向，使旋转机构2调整空气集水机构1朝向，使空气集水机构1始终迎风，提升转换效率；光敏传感器固定在立柱上，光敏传感器的信号输出端与控制器连接，用于检测是白天还是夜晚；电机2-1、前部舵机1-9、后部舵机1-13、压绳舵机3-24和各电磁阀均由控制器控制；其中，风向传感器4-2和各电磁阀均由控制器供电即可。
46.一种空气集水与滴灌装置进行集水与滴灌的方法，具体如下：
47.集水过程为：
48.当风向传感器4-2检测到风向时，将信号反馈到控制器，控制器控制旋转机构2调整空气集水机构1的方向，使露水收集板1-18的顶端、玻璃板1-19的顶端和前部百叶窗1-6始终迎风。
49.当光敏传感器检测到处于夜晚时，控制器控制前部百叶窗驱动机构驱动前部百叶窗1-6的叶片打开，并控制后部百叶窗驱动机构驱动后部百叶窗1-16的叶片打开；进入前部百叶窗1-6并经过吸附剂床1-20的风中水蒸气被吸附剂床1-20内的吸附性材料吸收；而风经过玻璃板1-19和露水收集板1-18时，在玻璃板1-19上结的露水流到下层集水槽1-22里，在露水收集板1-18上结的露水流到上层集水槽1-3里。
50.当光敏传感器检测到处于白天时，控制器控制前部百叶窗驱动机构驱动前部百叶窗1-6的叶片关闭，并控制后部百叶窗驱动机构驱动后部百叶窗1-16的叶片关闭；随着白天温度逐渐升高，吸附剂床1-20内吸附性材料里的水逐渐蒸发成水蒸气；而设有节流进风口1-5时，由于节流进风口1-5的节流膨胀原理，进入节流进风口1-5的风压强降低，速度加快，温度降低，玻璃板1-19温度比水蒸气低，水蒸气遇到玻璃板1-19底面凝结成水滴流到下层
集水槽1-22里；若是设置制冷片，同样给玻璃板1-19降温，水蒸气遇到玻璃板1-19底面凝结成水滴流到下层集水槽1-22里。
51.滴灌过程为：
52.下层集水槽1-22和上层集水槽1-3里的水均流入第二储水罐3-9进行存储；液位传感器检测到第一储水罐3-2水位处于低于设定水位点(设定水位点必须高于第六水管3-15入口所在液位高度)状态时，控制器控制第三电磁阀3-12与第四电磁阀3-16保持闭合状态，第二电磁阀3-11开启，水流由第二储水罐3-9流入第一储水罐3-2；其中，如果有外界水源，且第二储水罐3-9的水不足以使第一储水罐3-2水位高于设定水位点时，也可以开启第一电磁阀3-6，使第一储水罐3-2灌满。液位传感器检测到第一储水罐3-2水位高于设定水位点时，第二电磁阀3-11继续开启设定时间后关闭；随后第三电磁阀3-12和第四电磁阀3-16开启，第一储水罐3-2内的水由第六水管3-15流入滴灌管3-14中(第七水管3-17入口液位较高，水必然从第六水管3-15流出)，直到滴灌管3-14内水位高于第七水管3-17出口时，第一储水罐3-2实现完全密闭状态，滴灌管3-14内水位不再变化；植物根部缺水时，滴灌绳管对植物根部实现滴灌效果，滴灌绳管的水由棉绳3-18从滴灌管3-14吸取，并经棉线软管3-13和软管接头3-22传来。当滴灌管3-14内水位由于滴灌植物而降至第七水管3-17出口以下时，第六水管3-15重新将第一储水罐3-2的水供至滴灌管内，直到滴灌管3-14内水位高于第七水管3-17出口时，滴灌管3-14内水位重新处于稳定状态，不再变化。
53.作为优选，滴灌过程中，本发明可根据不同植物在各个生长阶段需水量的不同调节进行供水的棉线软管3-13和棉绳3-18数量，具体为：当植物需水量较大时，三组棉线软管3-13和棉绳3-18同时供水；当植物需水量中等时，压绳舵机3-24经第一连杆3-23和第二连杆3-25带动压绳限位块3-26向下移动设定距离，使第一压绳块3-20压在下方棉绳上，但由于弹簧3-21的存在，此时第一压绳块3-20并没有完全压紧下方棉绳；而第二压绳块3-27由于高于第一压绳块3-20，不压在第二压绳块3-27下方棉绳上；当植物需水量较少时，压绳舵机3-24继续带动压绳限位块3-26向下移动，使第一压绳块3-20完全压紧下方棉绳，且第二压绳块3-27也压在下方棉绳上(第二压绳块3-27视情况，可以完全压紧下方棉绳，也可以不完全压紧下方棉绳)。