一種新型太陽能全自動節(jié)水灌溉設(shè)備研究

針對國內(nèi)外節(jié)水灌溉的現(xiàn)狀，研究了一種高效太陽能全自動節(jié)水灌溉設(shè)備，它運(yùn)用太陽能、納米材料和電液聯(lián)合驅(qū)動等先進(jìn)技術(shù)，在太陽能面板上涂覆一層能夠自清潔的納米涂層以提高對太陽能的利用率。該設(shè)備以太陽能為動力，不需市電和布埋線實(shí)現(xiàn)微功耗的水閥開啟和關(guān)閉，并能自動感應(yīng)土壤的干濕，根據(jù)植物的需要進(jìn)行全自動節(jié)水灌溉。
關(guān) 鍵 詞 節(jié)水; 灌溉; 設(shè)備; 技術(shù)

我國人多地少，水資源相對緊缺，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)工業(yè)和生活用水量不斷增加，農(nóng)業(yè)可用水量逐漸減少。目前由于人口的迅速增長，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，供水緊缺，水質(zhì)污染，人與水爭地，亂墾濫伐，破壞生態(tài)環(huán)境，水資源的可持續(xù)利用出現(xiàn)了新的問題和矛盾。進(jìn)入新世紀(jì)，我國在節(jié)水節(jié)能等方面的研究刻不容緩。隨著人們對水資源新的認(rèn)識，開始逐漸在思想和觀念上也有了新的轉(zhuǎn)變：從人類向大自然無節(jié)制的索取轉(zhuǎn)變?yōu)槿伺c自然的和諧共處，實(shí)現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展；從認(rèn)為水是取之不盡、用之不竭的轉(zhuǎn)變?yōu)檎J(rèn)識到淡水資源是有限的。國家科技部明確把節(jié)水技術(shù)和節(jié)水設(shè)備作為2002年度的國家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目來扶持。當(dāng)今全球面臨著缺水，中國屬缺水農(nóng)業(yè)大國[1]，每年因干旱缺水造成的經(jīng)濟(jì)損失為350億美元。除我國西部地區(qū)嚴(yán)重缺水外，目前北京等大城市也用水短缺，水價(jià)不斷上漲。為更好地保護(hù)地球環(huán)境和水源，國家在新世紀(jì)拿出200億元資金鼓勵投入開發(fā)節(jié)水節(jié)能等高科產(chǎn)品項(xiàng)目。因此，人們必須重視采取節(jié)水灌溉新的措施，以支持我國經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)發(fā)展。
由于各種原因，我國在節(jié)水灌溉方面的研究還不多，與世界先進(jìn)國家相比還有較大距離。目前廣東省農(nóng)村的農(nóng)田灌溉很多由人工進(jìn)行，使用水泵等設(shè)備進(jìn)行排灌和噴灌。在作物的溫室栽培中，還是采用無控制的滴灌。本文針對我國的國情，研究高效、先進(jìn)和低成本的節(jié)水灌溉器。
1 問題的提出
近幾年，我國加快了節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，各地結(jié)合實(shí)際，因地制宜地總結(jié)和推廣了十種節(jié)水技術(shù)[1, 2]：
1) 渠道防滲技術(shù)。采用渠道防滲技術(shù)后，可使渠系水的利用系數(shù)提高到0.75～0.85。
2) 管道輸水技術(shù)。管道輸水具有節(jié)水、輸水迅速、省地、增產(chǎn)和有利于搶季節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。
3) 畦灌、溝灌技術(shù)。畦灌是耕地經(jīng)平整后，利用畦埂將田塊劃分成小塊進(jìn)行灌溉；溝灌是耕地經(jīng)平整后，以一定距離開成一道道輸水溝，灌溉水通過水溝進(jìn)行灌溉。
4) 噴灌技術(shù)。噴灌可使水的利用率達(dá)80%，是人們所熟悉的的灌溉技術(shù)。
5) 微灌技術(shù)。微灌將水和肥料澆在作物的根部，它比噴灌更省水、省肥。
6) 水稻控制灌溉技術(shù)。根據(jù)水稻不同生育期對水分的不同需求進(jìn)行灌溉，即改變以往水稻大水漫灌、串灌的舊習(xí)慣，而采取“薄、淺、濕、曬”的方式進(jìn)行灌溉。
7) 集雨節(jié)灌技術(shù)。主要是西北地區(qū)群眾將當(dāng)?shù)亟鉀Q人畜飲水的集雨技術(shù)和節(jié)水灌溉技術(shù)結(jié)合起來，通過修建集雨場，將雨水集中到小水窖、小水池等小、微型水利工程，再利用滴灌、膜下滴灌等高效節(jié)水技術(shù)進(jìn)行灌溉。
8) “坐水種”技術(shù)。在一些干旱缺水尤其是東北地區(qū)，春播時(shí)常因春旱出不了苗或出苗不齊，為保全苗，采用機(jī)械或用水箱、水袋拉水，在播種時(shí)進(jìn)行點(diǎn)灌，俗稱“坐水種”。
9) 抗旱保水技術(shù)?？购当Ｋ夹g(shù)主要包括在農(nóng)田推廣使用國產(chǎn)的抗旱劑、保水劑，通過地膜和秸桿覆蓋等農(nóng)藝措施增加土壤對天然降雨的蓄集能力和保水能力。
10) 管理節(jié)水技術(shù)。通過提高灌溉管理水平，采用科學(xué)的灌溉方式，達(dá)到節(jié)水目的。
在十大節(jié)水灌溉技術(shù)中，從工程角度看，主要存在的問題是節(jié)水灌溉自動化程度不高。
國外的節(jié)水灌溉方法主要有三種形式：噴灌、微灌(滴灌、微噴灌、小管出流灌和滲灌)、行走式節(jié)水灌溉。在這些灌溉方法中，大都需人工來開關(guān)水閥，或者通過定時(shí)方法來控制[3, 4]，前者易于造成澆水不及時(shí)而旱壞植物，澆水過多造成水資源的大量浪費(fèi)(如采用中國專利申請?zhí)枮镃N99222685的“旋轉(zhuǎn)噴頭”進(jìn)行澆灌)；后者則不管陰天或下雨照樣澆水，控制方法不科學(xué)。對于經(jīng)濟(jì)作物，國外采用了微機(jī)控制的溫室種作方法，包括送水、送肥、溫度控制、干濕控制，雖然自動化程度較高，但設(shè)備成本昂貴，且需要提供大量的電力，一般只是用于經(jīng)濟(jì)作物，特別是溫室作物的無土種植。我國目前使用這些耗電大、成本高和需用市電的設(shè)備不實(shí)用，如國外研制的自動澆灌控制設(shè)備就是因?yàn)樾枋须姾吐癫季€而難以在我國推廣，那么如何無需市電和埋布線，利用太陽作為動力解決節(jié)水灌溉的問題，就構(gòu)成了本文的問題的提出。

2 新型太陽能全自動節(jié)水灌溉設(shè)備的研制
為了節(jié)水灌溉，開發(fā)了一種專利產(chǎn)品——高效太陽能全自動節(jié)水灌溉設(shè)備[5,6]，其示意圖如圖1所示。它主要運(yùn)用太陽能、納米材料和電液聯(lián)合驅(qū)動等先進(jìn)技術(shù)，在太陽能面板上涂覆一層能夠自清潔的納米涂層以提高對太陽能的利用率，在不需市電和布埋線的條件下，實(shí)現(xiàn)微功耗的水閥開啟和關(guān)閉，并能自動感應(yīng)土壤的干濕根據(jù)植物的需要進(jìn)行全自動節(jié)水灌溉。使用時(shí)需把兩個(gè)干濕探測電極插入深度適當(dāng)?shù)耐寥乐?，進(jìn)水端口接上水源，出水端口用水管連接噴頭、滴水器等澆灌器具 ，就可以在土壤干燥缺水時(shí)自動打開水源進(jìn)行澆灌，在土壤達(dá)到設(shè)定的濕度時(shí)自動切斷水源停止?jié)补?，達(dá)到了對植物進(jìn)行全自動控制澆灌。 太陽能面板進(jìn)水干濕探測極出水圖1 高效太陽能全自動節(jié)水灌溉設(shè)備示意圖盒體
該設(shè)備有以下特點(diǎn)：1) 是一種集光、機(jī)、電一體化和太陽能高效利用及納米材料技術(shù)等多學(xué)科知識交叉的新型產(chǎn)品；2) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)在同類產(chǎn)品基礎(chǔ)上，作了如下改進(jìn)：(1) 運(yùn)用了太陽能技術(shù)，無需市電供給和布埋電線，因而用戶使用方便安全；(2) 設(shè)計(jì)的電磁閥是一種微耗功率的器件，較同類產(chǎn)品耗能低，節(jié)能型產(chǎn)品，符合當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展的要求；(3) 傳感部分采用了模糊控制技術(shù)，不會堵塞和腐蝕，所探測的范圍和面積比同類產(chǎn)品的要大，傳感部分性能可靠；3) 結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低，設(shè)備投資小，并具有防盜和保護(hù)功能。
經(jīng)過近2年的試驗(yàn)，表明該設(shè)備完全滿足使用的要求，沒有發(fā)生一次“誤動作”和失靈現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了利用太陽作為動力的全自動節(jié)水灌溉，既節(jié)省了勞力，又克服了定時(shí)澆灌的盲目性，從而實(shí)現(xiàn)對植物的全自動節(jié)水節(jié)電灌溉和安全使用的目的。根據(jù)目前北京、天津、上海、廣州、香港等缺水大都市和正在開發(fā)的西部地區(qū)的需求，同時(shí)可考慮開發(fā)適用于家庭的小型自動澆灌器系列產(chǎn)品。因此，該產(chǎn)品可普遍用于對所有植物實(shí)施節(jié)水節(jié)能自動化澆灌，因此預(yù)計(jì)該產(chǎn)品存在極大的市場前景和經(jīng)濟(jì)效益。
3 結(jié) 論
綜上所述，運(yùn)用太陽能、納米材料和電液聯(lián)合驅(qū)動等先進(jìn)技術(shù)，在太陽能面板上涂覆一層能夠自清潔的納米涂層以提高對太陽能的利用率，通過以太陽能為動力，這種新型太陽能全自動節(jié)水灌溉設(shè)備在不需市電和布埋線的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)微功耗的水閥開啟和關(guān)閉，并能自動感應(yīng)土壤的干濕根據(jù)植物的需要進(jìn)行全自動節(jié)水灌溉。