CN106527230A - 基于远程控制和太阳能供电的空气电晕放电大气聚水装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于远程控制和太阳能供电的空气电晕放电大气聚水装置，在农田或林区上方架设细长并且裸露的电极导线，作为放电电极，电极导线架空后平行排布，通过支撑棒和支柱型绝缘子支撑，分布式智能高压电源为若干个，独立供电，每个分布式智能高压电源包括高压模块、太阳能电池模块和远程控制***的现场监控模块，电极导线并联接入分布式智能高压电源的高压模块输出端的一端，高压模块另一端接地。本发明不仅可以脱离电力网络独立运行，而且无须灌溉水源，直接从大气中汲取水资源，可以推广在广大灌溉困难的偏远地区使用。同时，本发明利用互联网上提供的实时天气信息，对聚水装置的运行进行远程控制，使其更加高效、可靠运行。

Description

基于远程控制和太阳能供电的空气电晕放电大气聚水装置

技术领域

本发明涉及一种空气电晕放电大气聚水装置，具体地涉及一种结合远程控制和太阳能供电技术的空气电晕放电大气聚水技术，来满足偏远无水源区域，或者丘陵山区等汲水困难区域农业林业用水需求的装置。

背景技术

中国作为一个农业大国，每年用于农业生产的水资源总量占全社会用水总量的50％以上，是第一用水大户，也是最有节水潜力的行业。我国农业缺水与浪费情况并存，一方面水资源紧张，每年农业缺水约300亿立方米，工程性、资源性、水质性、管理性缺水并存。另一方面，用水方式粗放，目前全国农田灌溉水有效利用系数仅为0.532，与发达国家0.7至0.8的利用系数仍有很大的差距。因此，在农业领域的新的灌溉、节水技术具有极大的探索价值。

同时，在一些偏远无水源区域，或者丘陵山区等汲水困难区域，由于水资源获取困难，导致农业灌溉、防沙治沙造林等活动对水的需求无法满足，严重限制了该地区的经济可持续发展和生态环境的建设。

目前被广泛使用的用来实现节水目的的主要是滴灌、水肥一体化、以及开发节水品种等技术方式，然而灌溉水源短缺的问题仍然难以解决。偏远地区、丘陵山区，或缺少水利灌溉设施的农田、林区无法实现灌溉，导致农田闲置、土地逐渐荒漠化等问题，严重影响了当地经济的发展和环境建设。

另外，我国灌溉电网架设不便，导致灌溉电力配套不足，农业抗旱救灾和农田、林区浇灌受到很大限制，这一系列问题严重制约着我国农业林业的发展。考虑到我国北方广大干旱和半干旱农村地区拥有非常丰富的太阳能资源，对此，人们提出了在偏远地区建立光伏农业的解决办法，即在田野中建立光伏电站，形成一个微小电网为农业设施供电。但是如果农田或者林区面积较大，将灌溉设施集中接入可能会意味着需要更大量资金的投入。因此对于一些分散性较大的灌溉设施，可以使用分布式的微小光伏发电设备独立供电，以提高可靠性和实用性。

目前我国农业中对于农业林业设备的管理，或多或少都存在着人力消耗大、工作负担重且效率低等问题。因此在空间聚水装置的实际使用中应用基于远程控制技术很有必要。

发明内容

针对旱作农业、防沙治沙植被的灌溉容易受地理环境和其他自然条件制约的现象，本发明的目的在于提供了一种基于远程控制和太阳能供电的空气电晕放电大气聚水装置，用不仅可以脱离电力网络独立运行，而且装置运行无须现有的灌溉水源，直接从大气中汲取水资源，可以推广在广大灌溉困难的偏远地区使用。同时，本装置的远程控制***终端利用互联网上公布的实时天气信息对聚水装置的工作状态的进行远程、精确管理，既避免了大量人力资源的投入，又使得装置运行更加高效可靠。

为实现以上目的，本发明采取了如下技术手段予以实现：

本发明基于远程控制和太阳能供电的空气电晕放电大气聚水装置，包括电极导线，在农田或林区上方架设细长并且裸露的电极导线，作为放电电极，电极导线架空后平行排布，通过支撑棒和支柱型绝缘子支撑，分布式智能高压电源为若干个，独立供电，每个分布式智能高压电源包括高压模块、太阳能电池模块和远程控制***的现场监控模块，电极导线并联接入分布式智能高压电源的高压模块输出端的一端，高压模块另一端接地。

作为放电电极的电极导线采用不锈钢或其他导电材料制成。

电极导线是直径小于2mm的裸露导线。

所述分布式智能高压电源的太阳能电池模块和高压模块的输出端与现场监控模块进行信息传递，并且现场监控模块控制太阳能电池模块和高压模块的输出参数，太阳能电池模块从逆变器输出的电能传递给高压模块和现场监控模块。

各个智能高压电源通过各自的现场监控模块接入移动互联网，受控于同一套远程控制终端。

现场监控模块通过数据传输网络传输至远程控制终端，远程控制终端通过数据传输网络传输至现场监控模块。

所述高压模块以DC-DC方式输出直流高压，输出极性可控。

本发明用于偏远无水源区域，或者丘陵山区等汲水困难区域，与现有的灌溉装置相比较，具有以下优点：

1.传统节水技术依赖于完善的水利灌溉设施，而大气中天然存在极为丰富的水资源。本装置能够获取农田上方大气中的水资源，有利于维持土壤的含水量，保证物农作物和植被生长。

2.对存在于大气中的水汽进行了收集利用，需要满足一定的气象条件才能收到良好的经济效益，因此，及时便捷准确地获得当地气候数据，并实现遥控和自控是该技术能否在农业生产中推广应用的关键。本装置采用远程控制技术，合理使用公共资源，降低了成本，提高了可靠性，使装置能够根据实际环境调节使用情况，尽量避免在不适合环境时工作造成的效率低下等现象，使运行效益得到提升。

3.考虑到我国北方广大干旱和半干旱农村地区拥有非常丰富的太阳能资源，本装置采用的太阳能电池模块供电，不需要电网***供电，地理环境限制小，适用于偏远田野。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的远程控制******框图。

图3为本发明的分布式智能电源示意图。

图中：1、电极导线；2、支撑棒；3、支柱型绝缘子；4、分布式智能高压电源；5、导线；6、地面；7、远程控制终端；8、数据传输网络；9、现场监控模块；10、太阳能电池模块；11、高压模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

本发明提出该基于远程控制和太阳能供电技术的空气电晕电场大气聚水装置，该装置可以利用空气电晕放电和静电场原理将大气中的水分沉积于土壤和植物叶子表面。并且装置采用分布的微小太阳能设备独立供电，以自动化、网络化手段实现自我管理和遥控管理，为我国一些偏远无水源区域，或者丘陵山区等汲水困难区域的灌溉提供了新的方法。

空气中含有大量的水分，对大气中的水进行回收和利用是农业节水、农田保墒，和防沙造林灌溉的有效手段。在我国华北东北等缺水地区，每年都会出20天左右的大雾天气，并且这些大雾天气主要集中在降水较少的秋冬季节。除此之外，在秋冬季节大气相对湿度较高的天气也更加容易出现。这些湿空气往往在夜间从地面开始逐渐产生和堆积，因此在一定高度上架设架空线，利用电晕放电的原理，即可以在上述的湿度较高的大气中获取水资源，并将水以液滴的形式沉降于土壤和植物叶子表面，从而达到解决农作物和植被植物生长缺水的问题。

在架空裸露导线上施加高电压可以产生强电场，一方面当导线附近电场强度足够强时，可以使空气发生电晕放电产生大量带电粒子，这些粒子可以作为水蒸气的凝结核，使空气中的水蒸气液化凝结。空气被电离后产生的HNO₃等物质还可以促进气体溶胶的形成，这些溶胶都是高度吸湿的，可以进一步为水滴的形成提供所需要的湿度条件。另一方面，布置在农田植物上方的架空高压导线与大地之间产生可以静电场，带电水分子团受静电场下库伦力的作用做趋向于地面的运动，最终使水滴回归到土壤和植被表面上。

而装置的运行效果与实际环境有很大的关系。要将大气中的水分聚集于地面，要求空气中含有足够凝聚的微量水分，通常为大雾天气或昼夜温差大的天气。然而上述条件的形成要求大气较稳定、少云、风小、地面热量散失快、地表温度接近露点，这样的天气在时空分布上具有很大的不均匀性。针对该问题，本发明提出了一种远程控制技术，利用互联网实时准确地获取农田、或林区地区的局部气象信息，依据这些信息对设备的工作进行精准、快速控制，使得装置运行更加高效可靠。

参照图1、图2、图3所述基于远程控制和太阳能供电技术的空气电晕放电大气聚水装置，在农田或林区上方架设细长并且裸露的电极导线1，作为放电电极，电极导线1架空后平行排布，通过支撑棒2和支柱型绝缘子3支撑，分布式智能高压电源4为若干个，独立供电，每个分布式智能高压电源4包括高压模块11、太阳能电池模块10和远程控制***的现场监控模块9，电极导线1并联接入分布式智能高压电源4的高压模块11输出端的一端，高压模块11另一端接地。

在农田或林区上方架设细长并且裸露的放电裸导线作为电极导线1，电极导线1接入分布式智能高压电源4的高压模块输出端，高压电源4另一端接地。所述分布式智能高压电源4包括高压模块11、太阳能电池模块10和远程控制***的现场测控模块9。

图2中，所述远程控制***分为远程控制终端7、数据传输网络8、和现场监控模块9。远程控制终端7是用户与现场交互的界面，一般以微机或智能手机为操作平台。用户在远程控制终端7上可以对农田或林区的现场状态进行查看，并且从互联网上获取现场的环境温度、风速、日照强度、相对湿度等天气信息，依据这些信息由用户或自动对设备运行参数进行调整。

图2中，所述数据传输网络8用于对状态信息和控制信息快速且准确地传输。如使用因特网作为数据传输的媒介，可以快速且可靠地将农田或林区现场的状态信息传输到远程控制终端7，并把控制终端7的控制信息传输到现场监控模块9，实现对现场装置的实时控制。

所述现场监控模块9实现的是对农田和林区现场设备和环境进行监测和控制的功能。它可以将现场的状态数据通过数据传输网络8传输给远程控制终端7，同时也可以根据远程控制终端7的控制数据对高压模块11的输出和太阳能电池模块10的工作状态进行实时的控制。

所述现场监控模块9监测天气之外的物理环境，远程控制终端7在控制决策时只依据互联网上提供的现场环境温度、风速、日照强度、相对湿度等天气信息。

图3中，所述分布式智能高压电源4的太阳能电池模块10为所述现场监测模块9和高压模块11供电。所述高压模块11采用DC-DC变压方式提供高压直流电。所述太阳能电池模块10包含太阳能光伏电池板组件、逆变器和蓄电池。其中太阳能光伏电池板组件至少应采用下列之一：

1、太阳能单晶硅发电电池；

2、太阳能多晶硅发电电池；

3、非晶硅太阳能发电电池，包括碲化铬、铜铟镓锡薄膜电池；

4、柔性薄膜太阳能电池，安装时需要支架；

当一台智能高压电源4功率无法满足大面积农田或林区用电需求时，应当增设电源数量，每个电源4独立地为各个区域供电，并且所有电源共享一个远程数据传输网络8和控制终端7。

下面根据实施例详细描述本发明。

实施例1。

在长200m，宽200m的农田中布置该装置。首先架设架空裸导线1作为电极导线1，导线使用不锈钢材料，直径为1mm。电极导线1沿农田长度方向排布，高度为4m，间距为3m，使用任何材质支撑杆2和支柱型绝缘子3支撑。支撑杆2埋入地下一定的深度，达到稳固的作用。支撑杆2上喷涂亮色油漆，以警示周围工作人员不要靠近。

将上述电极导线1接入分布式智能高压电源4的高压输出端。该分布式智能高压电源输出功率为500W，最大电流为10mA。由于农田面积过大，一台电源难以为全部面积的聚水装置供电，因此在农田中分布布置三台同样的电源。三台电源分别服务三块不同的区域，并且彼此间无电气连接。

所述分布式智能电源由各自集成的太阳能电池模块10供电。太阳能电池模块包含多晶硅太阳能电池、逆变器和蓄电池，使得各台设备脱离电网也能独立运行，避免了大量布置导线。

所述三台分布式智能高压电源各自时内部都集成由现场监控模块9，该现场监控模块10可以根据控制信息实时控制高压模块11的输出和太阳能电池模块10的工作状态，并且该装置包含了一个摄像头，用于实时回传农田图像。控制信息和农田的实时图像通过现场监控模块9中包含的无线通讯模块接入互联网8。

三台分布式智能高压电源4的共享同一个远程控制终端7。远程控制终端7为安装在手机上的App，该App实时地从互联网上获取农田回传的图像并显示在界面上，同时App也抓取互联网上发布的农田实时天气情况，包括农田中的温度、风速、日照强度、相对湿度等。当农田中某区域环境满足：温度低于日平均气温3摄氏度、风速在3级以下、日照强度较低，相对湿度在75％以上时，通过互联网传输控制信息，远程控制该区域的太阳能电池模块10为高压电源供电11，高压电源4启动工作，其他区域的高压电源4仍保持待机状态。

实施例2。

在农田或者林区较密集地布置所述分布式智能高压电源4时，各个现场监控模块9先使用ZigBee无线技术在现场构建网络，所有现场监控模块9利用该网络接入一台主机，然后由该主机接入互联网，实现与远程控制终端7的通讯。

实施例3。

本装置在推广使用在偏远地区，难免会遇到3G、4G等网络信号差，远程监控难以实现的情况。而短信作为一种覆盖广、消耗网络资源少，效益高，目前设备余量也比较大的业务，可以作为一种有效的手段参与到远程监控的过程中。借鉴经典的TCP/IP的三次握手模式，在短信内容中添加控制字段，并且在远程控制终端7和现场监控模块9上编写软件，互相接收和解释控制命令(短信息)，即可实现对现场装置的实时、远程控制，并且该过程对现有短信标准无任何影响。

Claims (7)

1.基于远程控制和太阳能供电的空气电晕放电大气聚水装置，包括电极导线，其特征在于，在农田或林区上方架设细长并且裸露的电极导线，作为放电电极，电极导线架空后平行排布，通过支撑棒(2)和支柱型绝缘子(3)支撑，分布式智能高压电源(4)为若干个，独立供电，每个分布式智能高压电源(4)包括高压模块(11)、太阳能电池模块(10)和远程控制***的现场监控模块(9)，电极导线(1)并联接入分布式智能高压电源(4)的高压模块(11)输出端的一端，高压模块(11)另一端接地。

2.根据权利要求1所述的基于远程控制和太阳能供电的空气电晕放电大气聚水装置，其特征在于：作为放电电极的电极导线(1)采用不锈钢或其他导电材料制成。

3.根据权利要求1所述的基于远程控制和太阳能供电的空气电晕放电大气聚水装置，其特征在于：电极导线(1)是直径小于2mm的裸露导线。

4.根据权利要求1所述的基于远程控制和太阳能供电的空气电晕放电大气聚水装置，其特征在于：所述分布式智能高压电源(4)的太阳能电池模块(10)和高压模块(11)的输出端与现场监控模块(9)进行信息传递，并且现场监控模块(9)控制太阳能电池模块(10)和高压模块(11)的输出参数，太阳能电池模块(10)从逆变器输出的电能传递给高压模块(11)和现场监控模块(9)。

5.根据权利要求1或4所述的基于远程控制和太阳能供电的空气电晕放电大气聚水装置，其特征在于：各个智能高压电源(4)通过各自的现场监控模块(9)接入移动互联网，受控于同一套远程控制终端(7)。

6.根据权利要求1或4所述的基于远程控制和太阳能供电的空气电晕放电大气聚水装置，其特征在于：现场监控模块(9)通过数据传输网络(8)传输至远程控制终端(7)，远程控制终端(7)通过数据传输网络(8)传输至现场监控模块(9)。

7.根据权利要求1所述基于远程控制和太阳能供电的空气电晕放电大气聚水装置，其特征在于：所述高压模块(11)以DC-DC方式输出直流高压，输出极性可控。