人工降雨灌溉发电系统的制作方法

本技术属于农光互补技术与农业灌溉，具体涉及一种人工降雨（式）罐溉发电系统。

背景技术：

1、郑国渠作为中国古代水利工程的杰出代表，其深远的历史意义不仅在于其宏大的灌溉规模，更在于它开启了古代农业文明发展的新局面。随着全球人口的不断增长和对农业生产效率的需求不断提高，现代农业对灌溉技术的要求越来越高。灌溉技术的不断发展，使得农民能够更有效地利用有限的水资源，满足作物的生长需求。其中，滴灌和喷灌技术是目前广泛应用的两种先进灌溉方法。然而，这两种技术虽然在节水方面具有显著优势，但也存在一些不可忽视的问题，特别是在与农业机械耕作的协调方面。这些问题不仅影响农业生产效率，还对耕地资源的利用造成了不必要的浪费。滴灌技术是一种通过将水直接输送到植物根部区域的灌溉方法，具有显著的节水效果。通过将水管埋设或铺设在作物的根部区域，滴灌能够精确地控制水量，避免水资源的浪费。然而，这一技术在实际应用中面临以下局限性：水管铺设影响机械作业，滴灌系统的水管通常需要铺设在农田中，这就对农业机械的耕作产生了障碍。农机在田间进行耕作、播种、收割等操作时，容易受到水管的影响，导致作业不便甚至损坏设备。而在收割季节前，需要将滴灌系统撤除，费时费力，增加了农业生产的复杂性和成本。维护困难，滴灌系统在长时间使用过程中，水管容易被土壤、杂草和其他障碍物覆盖，维护和修复变得困难。一旦出现堵塞或损坏，修复过程复杂且可能需要停止灌溉作业，这对于作物的正常生长极为不利。水管寿命短，由于水管长期暴露在田间，受到紫外线、温度变化及机械压力的影响，其使用寿命有限，频繁更换又增加了成本。喷灌技术是通过将水喷洒到作物上方，模拟自然降雨的灌溉方式。喷灌系统通常由喷头、水泵和管道组成，可以覆盖大面积农田，且灌溉效果均匀。但在实际应用中，喷灌技术也面临着一些挑战：灌溉车对农田的影响，喷灌系统需要灌溉车在田间移动以进行作业。然而，灌溉车在农田中行驶时，会压坏作物，尤其是在作物生长期，造成直接经济损失。为了避免这一问题，农民通常需要在田间预留车道，以便灌溉车通过。然而，这种预留车道又导致了耕地资源的浪费，减少了实际可用的种植面积，影响了整体产量。水资源浪费，尽管喷灌技术相较于传统灌溉方式节约了水资源，但由于喷洒过程中的蒸发和风吹影响，仍然存在一定的水资源浪费现象。此外，在喷灌过程中，水并非全部到达作物根部，而是部分留在叶片或地表，无法被作物有效吸收。设备投入与维护成本高，喷灌系统的初期投入较高，且日常运行需要消耗大量能源，特别是在大面积灌溉时。此外，喷灌设备的定期维护和更新也是一项不小的支出。滴灌和喷灌技术在提高农业用水效率的同时，也对耕地资源的利用产生了影响。首先，由于滴灌系统的水管铺设和喷灌系统的车道预留，都需要占用部分耕地，减少了实际种植面积。这种浪费在大规模农业生产中尤为显著，尤其是在耕地资源紧张的地区，更是不可忽视的问题。其次，灌溉车在田间的运行不仅会压坏作物，还会对土壤结构造成一定的破坏，影响土壤的长期肥力和作物的生长条件。这种破坏性在长期使用喷灌技术的农田中逐渐积累，可能会导致土壤压实和透水性下降，进而影响作物的产量和质量。

2、鉴于现行滴灌和喷灌技术在实际应用中存在的上述问题，业内科研工作者一直在研究如何在不妨碍农业机械耕作的前提下，进一步提高灌溉效率，减少水资源浪费，最大化利用耕地资源，以推动现代农业向更高层次发展。

技术实现思路

1、本技术的目的：提供一种人工降雨（式）罐溉发电系统，以便在实现精准、高效灌溉的同时，收集太阳能发电、形成灌溉与发电的双重效益；以期通过光伏发电收益反补农业，顺便为农业提供灌溉、施肥、打药服务。

2、为了实现上述发明目的，本技术提供的一种人工降雨（式）罐溉发电系统如下。

3、本技术一种人工降雨（式）罐溉发电系统，其特征在于，它包括：

4、①灌溉用水管以及发电用光伏电池组件，二者组合成一种既能接受阳光发电、又可向农田输水灌溉的窄长形的水管光伏组件，即线型水管光伏组件；

5、②高耸支撑物以及通过承重索横挂于农田上空的间隔排列的水管光伏组件阵列；水管光伏组件的宽度为d（若是圆形d则是指直径）、（水管光伏组件的）高度为h、（水管光伏组件单跨的）跨度为l、（水管光伏组件）水平投影的间距为k；其中，d 小于设定宽度尺寸、h大于设定高度尺寸、l大于设定跨度尺寸、k大于设定间距尺寸；

6、③水管光伏组件投射在地表上的阴影，包括水平投影；其中水管光伏组件的宽度d与其（水管光伏组件）水平投影的间距k之比值——遮阳系数d/k小于设定系数值，间高比k/h小于设定系数值。

7、 优选的是，所述的人工降雨灌溉发电系统，它包括下列a1至a9 中、或b1至b8中、或c1至c6中、或e1至e7中、或f1至f11中、或g1至g5中任意一个技术特征：

8、a1d≤10mm、a2d≤20mm、a3d≤30mm、a4d≤50mm、a5d≤100mm、a6d≤235mm、a7d≤322mm、a8d≤415mm、a9d≤1280mm；

9、b1h≥1m、b2h≥2m、b3h≥3m、b4h≥5m、b5h≥10m、b6h≥20m、b7h≥30m、b8h≥50m；

10、c1l≥10m、c2l≥20m、c3l≥50m、c4l≥80m、c5l≥150m、c6l≥500m；

11、e1k≥0.2m、e2k≥0.5m、e3k≥1、e4k≥2m、e5k≥3m、e6k≥5m、e7k≥10m；

12、f1d/k≤0.01、f2d/k≤0.02、f3d/k≤0.03、f4d/k≤0.05、f5d/k≤0.1、f6d/k≤0.2、f7d/k≤0.3、f8d/k≤0.5、f9d/k≤1、f10d/k≤2、f11d/k≤3；

13、g1k/h≤0.1、g2k/h≤0.5、g3k/h≤1、g4k/h≤2、g5k/h≤5。

14、更为优选的是，所述的人工降雨灌溉发电系统，其特征在于：水管光伏组件的正午阴影每1-20分钟或每1-5分钟移动1条正午阴影宽度的距离；或者，水管光伏组件的正午阴影移动1条正午阴影宽度的距离不超过30分钟或1小时、以免导致该株（即该位置的）作物的光合作用减弱并减产；为了统一检测标准，这里将正午阴影定义为正午时候（即11时至13时）的太阳将水管光伏组件投射在地表上的阴影。

15、更为优选的是，所述的人工降雨灌溉发电系统，其特征在于：（提升水管光伏组件高度h，缩小遮阳系数d/k，增大间高比k/h，以使）相邻多根水管光伏组件的阴影（随着太阳的移动）不断遮挡、放开、再遮挡、再放开地对作物进行间歇光照；（以使）作物每日被多频次、长时间、间歇性地接受阳光，以刺激作物生长，提高作物产量。

16、研究显示，使h≥3m、d≤415mm、遮阳系数d/k≤0.25、间高比k/h≤1，使作物需要的阳光每隔20分钟被遮挡3-5分钟；如此不断遮挡、放开、再遮挡、再放开地轮番遮挡同一株作物的阳光，使作物获得间歇光照，以刺激作物生长，可提高作物产量。这样一来，作物吸收到的阳光平均将会减少13-20%。其中一组数据显示，减少13%以内（相当于d/k≤0.15时）的阳光照射时，对作物的光合作用和产量没有丝毫影响；其中另一组数据显示，减少20%以上（相当于d/k≥0.25时）的阳光照射时，对作物的光合作用和产量开始有一些影响。因此，h≥3m、d≤415mm（235mm最好）、d/k≤0.25、间高比k/h≤1，每条正午阴影每1-20分钟移动1条1d的距离，是无碍于作物光合作用的黄金比例，具有普遍使用价值。

17、 研究显示，阴影停留在同一株作物上的时长，还与h成反比、与d成正比。以海口市秀英区为例，h为50米高的南北走向的水管光伏组件、于3月4日正午时分（11点）的阴影移动速度是68cm/分钟；若把水管光伏组件的高度 h降到4.6米，则阴影移动速度将会降至2.5cm/分钟，若把水管光伏组件的高度 h降到1.2米，则阴影移动速度将会降至0.6cm/分钟。又于3月4日正午时分（13点半）把水管光伏组件的高度 h降到5米，则阴影移动速度将会降至1.3cm/分钟。同期对比观察得知，东西走向的高度 h为5米的水管光伏组件，其阴影（向南）移动的速度才0.33毫米/分钟，其阴影移动速度实在太慢，具体实施中，应尽量避免将比较宽的水管光伏组件沿东西走向架设，应尽量沿南北走向架设。由此可见，为了减轻阴影移动速度慢对作物生长的影响，应尽量提升水管光伏组件的吊挂高度 h。鉴于高度 h为1米时，阴影在作物上的停留时间很长（平均超过1小时），会严重作物生长，因此不建议采用这么低的高度 h；为减轻阴影移动速度慢对作物生长的影响，还应尽量缩小水管光伏组件的宽度d。

18、 综上所述，具体实施时，应将高度 h优选为3m以上，最好选为4.2m以上；应将宽度d优选为0.415m以下；还应将水平投影间距k优选为0.5 m以上，最好优选为1m以上；d/k≤0.25，最好选为d/k≤0.15的黄金比例。

19、具体实施中，应根据耕地里的作物种类区别选择遮阳系数d/k，对于需要遮光网来调节光照水平的作物、以及不在乎产量的林地来说。例如菜类作物莴苣、生菜、菠菜、甘蓝、芥菜、芹菜、绿林、草原等，可适当提高遮阳系数d/k，缩小间距k，增大宽度d。

20、还有优选的是，所述的人工降雨灌溉发电系统，其特征在于：水管外覆设有光伏电池层及其透明保护层，水管内流动有灌溉/降温用水。

21、还有优选的是所述的人工降雨灌溉发电系统，其特征在于：水管以及与之同向设置的（柱面或平面）光伏电池（窄长）条和（最好一根而非多根）承重索、还有灌溉用喷头等部件，共同组合成一种既能接受阳光发电、又可向农田输水（并可象人工降雨那样均匀）喷灌的、两端分别挂在高耸支撑物上的线型水管光伏组件。

22、可取的是，使水管光伏组件喷出之水、顺便淋湿或冲刷光伏电池的透明保护层，以将其降温和清洗，从而提高发电效率。

23、本技术所述的承重索泛指可通过张拉作用支撑起光伏电池板的线型物，包括绳索、钢索、锁链、多段棒体或管体或型材勾连而成的线型物等。

24、与现有技术相比，本技术具有如下有益技术效果。

25、其一、巧妙结合：人工降雨灌溉发电系统的核心在于其独特的创新计理念——将光伏发电系统与农业灌溉系统巧妙结合，使二者共享空间、共享承重索、共享支撑物、一次施工、顺便降温和清洗，形成了一种全新的能源生产模式。在实现精准、高效灌溉的同时，可收集太阳能发电，从而形成灌溉与发电的双重技术效果，可通过光伏发电收益反补农业，为农业提供灌溉、施肥、打药服务。

26、其二、和谐共生：人工降雨灌溉发电系统的遮光率可被严格控制在预定范围，可确保其下方植被能够正常进行光合作用，实现了光伏发电与生态保护的和谐共生。

27、其三、不占土地：人工降雨灌溉发电系统仅使用农田或山林上空的空间，不占用实际土地面积，避免了对农田资源的占用和破坏，保障了粮食安全和生态安全。

28、其四、就近发电：可在中东部地区就近建设人工降雨灌溉发电系统，减少了长距离输电的需求，降低了输电损失和成本，提高了能源利用效率。它不仅解决了光伏发电与土地利用之间的矛盾，更为中东部地区的能源结构优化和生态环境保护提供了新的解决方案。

29、其五、间歇光照、可增产增收：因为水管光伏组件可呈现南北走向、且可很窄很高，且间高比k/h可很小，相邻多根水管光伏组件的阴影随着太阳的移动可（无需动力/人工自动进行快速）轮番遮挡阳光，以使作物获得间歇光照，从而刺激作物生长、提高作物产量。这样一来，不但不影响光合作用，反而可促进作物生长和增产。本技术人曾向“某某一言”ai大模型提了这样一个问题：我做了许多实验，每日每隔20分钟遮挡3-5分钟阳光，如此轮番遮挡放开地间歇光照，可刺激火龙果生长并提高产量，请问为什么。得到的答复如下：1、火龙果作为植物，其生长依赖于光合作用产生的能量和养分。然而，长时间的光照可能导致光合作用产物积累过多，影响呼吸作用的正常进行，进而影响植物的整体代谢平衡。间歇光照可能有助于调节光合作用和呼吸作用的平衡，使植物在光照期间积累能量和养分，在遮挡期间进行必要的呼吸作用，从而优化植物的生长状态。2、光信号调控，光照不仅是光合作用的能量来源，还是植物生长发育的重要信号。间歇光照可能模拟了自然界中光照强度的变化，这种变化被植物感知并转化为生长信号。研究表明，光信号可以调控植物的生长周期、开花时间以及果实的发育等生理过程。因此，间歇光照可能通过影响光信号传导途径，促进火龙果的生长和产量提高。3、减少光抑制和光破坏，在强光下，植物的光合作用系统可能受到抑制或破坏，导致光合效率下降。间歇光照可以减少植物长时间暴露在强光下的风险，降低光抑制和光破坏的发生。这有助于保护火龙果的光合作用系统，使其保持较高的光合效率，从而有利于植物的生长和产量提高。4、实验效果分析，间歇光照可能通过调节植物的生长激素分泌和细胞分裂速度，促进火龙果的枝条生长和叶片扩展。同时，良好的生长状态有助于植物更好地吸收和利用养分，为开花结果打下坚实基础。光照是影响植物开花结果的重要因素之一。间歇光照可能通过优化光信号传导途径和促进植物生长发育，提高火龙果的开花率和坐果率。此外，良好的生长状态还有助于提高果实的品质和产量，使火龙果更加饱满、甜美。综上所述，您所做的实验通过间歇光照的方式可能促进了火龙果的光合作用和生长发育平衡，从而提高了其生长速度和产量。然而，具体效果还需根据实验条件和植物品种等因素进行进一步验证和分析。